离子型稀土矿区土壤生态恢复

周 丹 罗才贵 苏 佳 罗仙平,3

(1.江西理工大学稀土学院，江西 赣州 341000；2.江西省矿冶环境污染控制重点实验室，江西 赣州 341000；3.南方离子型稀土资源开发及应用省部共建重点实验室，江西 赣州 341000)

离子型稀土矿区土壤生态恢复

周 丹1,2罗才贵1,2苏 佳1,2罗仙平1,2,3

(1.江西理工大学稀土学院，江西 赣州 341000；2.江西省矿冶环境污染控制重点实验室，江西 赣州 341000；3.南方离子型稀土资源开发及应用省部共建重点实验室，江西 赣州 341000)

介绍了离子型稀土资源开发导致的土壤破坏和土壤污染问题；总结了矿山废弃地及矿区污染农田土壤的各种修复技术，并通过分析这些技术的优缺点，提出了适合离子型稀土矿区土壤改良与修复的相应方法，为离子型稀土矿区土壤的综合治理和生态恢复提供参考。

离子型稀土矿区 土壤破坏 土壤污染 土壤生态恢复

离子型稀土矿主要分布于我国南方的江西、福建、广东、湖南等省区，其中稀土和重稀土储量占世界储量的80%以上，是我国特有的宝贵资源[1-2]。在开发利用离子型稀土资源的过程中，大面积的表土破坏、严重的水土流失、浸矿药剂的残留以及伴生元素的释放造成矿区土壤严重污染和退化。土壤圈处于地球上气圈、水圈、生物圈及岩石圈的中心，是各圈层物质循环与能量交换的枢纽，作为地球上生命密度最大、生命物质能量最高的表生带，是人类社会生存发展的基础[3]。离子型稀土矿区生态环境恢复的首要问题就是解决稀土资源开采带来的矿区土壤污染、表土被破坏、土壤严重退化问题。

离子型稀土矿主要分布在我国南方红壤区。由于红壤所具有的酸、瘦、黏等弱点以及红壤分布区域降水在时空分布上的不均匀性，加上离子型稀土矿不合理的开发利用造成的水土流失、土壤污染等问题，使整个地区农业及经济的持续发展受到了严重影响[4]。因此，离子型稀土矿区的土壤恢复对红壤地区的生态环境保护、我国南方土地短缺矛盾的缓解有着极其重要的现实意义。本文从土壤修复和土壤改良的角度，分析离子型稀土矿区土壤生态面临的主要问题，概述适应离子型型稀土矿区土壤修复与改良的主要方法，为离子型矿区土壤污染与退化等问题的综合治理和生态修复提供参考。

1 离子型稀土矿区主要土壤问题

1.1 采矿迹地和尾砂废弃地土壤问题

离子型稀土矿床为裸露于地面的风化花岗岩或火山岩风化壳，矿床厚度一般为8～10 m，稀土元素主要以水合或羟基水合阳离子的形式吸附在黏土矿物上。根据这一特点，我国科技工作者提出了采用电解质通过离子交换浸取稀土的方法，并从第1代池浸工艺、第2代堆浸工艺发展到如今的第3代原地浸出工艺[5-6]。

在离子型稀土矿的开采过程中，使用化学药剂将离子相稀土元素交换解吸下来，这种特殊的开采工艺使得离子型稀土矿区产生较为特殊的土壤问题。早期的池浸工艺需剥离矿体上覆盖的表土，在浸析池进行稀土的提取，“搬山运动”造成矿体的有效土层和风化层基本全部剥离，形成大面积的裸露山体[7]。浸提过程中1 t稀土氧化物产生尾砂1 600～3 000 t(容重约为112 t/m3)，石英含量达80%，结构松散。这些尾砂就近排放于采场周边的山坡、山谷平缓地带，导致严重的水土流失、压占农田、淤塞河道、淹没公路[8]。江西省信丰县资料显示[9]，该县开采稀土10年来，尾砂下泄淤积的农田面积已达286 hm2，全部成为尾砂废弃地。采矿形成的迹地和尾砂废弃地都属于极度退化和贫瘠的土地，基本没有土壤层，黏粒含量少，保肥保水能力差，植被生长的立地条件恶劣，且尾砂中含有的稀土元素和伴生重金属元素进一步威胁植被的恢复。第2代堆浸工艺实际上是放大的池浸工艺，没有从根本上改变“搬山运动”对土壤造成的极大破坏。第3代原地浸矿工艺是将浸矿电解质溶液注入矿体中，电解质溶液中的阳离子将吸附在黏土矿物表面的稀土离子交换解吸下来，形成稀土母液，流出矿体，进入集液沟内，然后收集母液提取稀土[10]。原地浸矿虽然不剥离表土，较少破坏地表植被，但浸矿剂注入地下浸泡时间150～400 d，矿体中残留大量硫酸铵，使得土壤中的钠、钙、镁、铅、铝离子和重金属元素被交换出来，土壤的理化性质受到严重影响，浸矿剂通过侧渗和毛细管作用使植物根系受损，地表植被难以生长，水土流失、山体坍塌或滑坡的风险加剧[11]。

1.2 矿区农田土壤污染问题

离子型稀土矿特殊的开采工艺使矿区农田土壤被稀土元素、重金属和浸矿剂复合污染。浸矿剂硫酸铵长期输入矿区土壤中，NH4+-N可以引起土壤中矿物质亏损，改变土壤溶液的离子组成和强度，影响土壤对金属离子的固定和释放，加剧土壤重金属污染的生物有效性[12]。有研究表明[13]，铵态氮肥的过量施用是农田土壤加速酸化的重要原因，并显著增加土壤的可交换H+和可交换Al3+。离子型稀土矿主要分布在岩石风化和土壤淋溶强烈、土壤呈酸性的红壤区域，土壤缺乏水稳定性团粒结构，阳离子交换量亦很低，自身的脱硅富铝化过程本是一个较缓慢的酸化过程，但一旦有活化离子侵入，酸化过程将加剧。

温小军等[14]对赣南信丰某离子型稀土矿区耕作层的土壤进行了研究，结果显示土壤环境均为酸性，矿区下游的土壤污染以La、Ce、Pr为主，且为多种稀土元素复合性污染。高效江等[15]研究了江西赣县大田离子型稀土矿区的农田土壤，结果表明其中稀土元素的含量明显高于对照区和全国土壤的平均含量，稀土元素主要以可交换态和有机结合态，特别是松结有机态形式存在，具有较高的活性和生物有效性。李晓飞等[16-17]研究了福建省长汀县离子型稀土矿区蔬菜地土壤和主要蔬菜中稀土元素和重金属的含量，结果表明，蔬菜地土壤中稀土元素平均含量高于福建省背景值，Cd、Cu和As含量分别超过土壤环境质量二级标准10.71、1.12、0.29倍。

2 离子型稀土矿区废弃地修复与改良

2.1 废弃地基质改良

离子型稀土矿山废弃地属于退化生态系统，土壤基质结构不良，持水保肥能力差，植被难以通过自然过程恢复，过高的重金属等有毒有害物质含量、极端pH 值等条件又进一步限制植物生长。因此，如何将恶劣基质转变成能够生长植物的土壤是矿区生态恢复与重建的关键。

目前土壤基质改良的方法主要有物理改良、化学改良和生物改良。物理改良方法是指对废弃地进行表土覆盖，包括表土回填和客土覆盖。表土回填是在资源开采前将土壤分层取走保存，开采结束后再将土壤分层运回原处加以利用，这样土壤的理化性质、营养元素以及土壤中的植物种子库、土壤微生物、土壤动物等受到的影响最小，是一种常用且最为有效的措施，也是当前矿山环境保护的标准程序[18]。然而离子型稀土矿区的废弃地多形成于早期的池浸和堆浸工艺，不规范的开采过程和淡薄的环保意识使得原有的表土基本破坏殆尽。客土覆盖的关键在于寻找土源和确定覆盖的厚度与方式。离子型稀土矿多分布在多山丘陵地区，土源本来就较少，多年采矿后取土更加困难，花费巨额资金进行异地熟土覆盖，解决不了矿山长期使用土源问题[19]。因此，回填表土和异地熟土覆盖的基质改良方法只能在条件允许的矿区适用，在土源短缺，水土流失严重的离子型稀土矿区应该选择其他行之有效的基质改良措施。

通过施用各种无机、有机物质，改善废弃地土壤的理化性质，增加营养物质，固化重金属等有害物质是较为常用的土壤改良方式。对于离子型稀土矿区的酸性废弃地，通过施用生石灰或碳酸盐，可在升高土壤pH值的同时，有效降低土壤中重金属的移动性。但长期或大量使用石灰会引起土壤板结，还会引起土壤中钙、镁、钾等元素的平衡失调。一些天然矿物如沸石、珍珠岩、蛭石、膨润土等常用于土壤改良，它们能调节土壤酸碱度，并吸附土壤中的重金属如Pb、Ni、Cu、Zn、As、Sb、Cd等，降低其生物有效性。但天然矿物在实际应用中尚存在一些理论和技术问题，如施用量，施用方式，天然矿物的储量对其大面积推广应用的限制等[20-21]。常用的有机物改良物质以有机固体废弃物为主，例如木屑、秸秆堆肥、养殖粪肥和城市污泥等。有机废弃物在提高土壤的pH值，改善土壤的结构和肥力等方面具有较好的效果。

目前，在土壤改良剂的研究和应用中，生物炭作为一类新型环境功能材料引起广泛关注，其在土壤改良、温室气体减排以及受污染环境修复方面都展现出应用价值[22]。生物炭(biochar)也称生物质炭，是生物质(木屑、农业秸秆、城市污泥等)在缺氧或无氧条件下热裂解得到的一类稳定的、高度芳香化的、富含碳素的固态物质[23]。生物炭具有良好的孔隙结构和巨大的比表面积，其吸附特性及稳定性对酸性土壤的改良具有显著效果。生物炭含有C、H、O以及土壤养分元素如N、P、K、Ca、Mg等，其表面丰富的芳环结构和羟基、羧基等基团显著增加了离子交换的位点，可使土壤的 CEC水平显著提高，可与金属离子形成特定的金属配合物，也可以通过提高土壤pH降低重金属在土壤中的移动性[24]。对于污染和退化土壤，生物质炭在改善土壤理化性质、降低有机污染物和重金属的生态毒性等方面显示出积极的影响，有广泛应用的巨大潜力。

生物改良剂包括一些商业化的微生物土壤改良剂、微生物增肥剂、菌根、好氧堆制茶、蚯蚓等[25]。自生固氮菌和丛枝菌根真菌是土壤中的2类重要功能菌，在土壤营养循环中具有重要的调控作用，目前在土壤改良和土壤修复方面应用和研究较多[26]。丛枝菌根真菌是一种普遍存在的内共生真菌，它能够与80%以上的陆生植物形成共生体，能增加土壤的有机质含量，提高土壤的稳定性，增强土壤的通透性，可以改变甚至逆转植物种间的竞争关系，在植物群落竞争演替、物种多样性的形成及群落空间分布格局中均起着重要的调节作用，而自生固氮菌可为那些生活在贫瘠的土壤中且无法与共生固氮菌形成根瘤的植物提供氮源[27]。

基质改良是离子型稀土矿区废弃地修复中极为重要的步骤，从环保、经济的角度选择适宜的改良剂对废弃地的修复和复垦都有着非常重要的作用。有机固体废弃物、生物炭和微生物改良剂在离子型稀土矿区废弃地的基质改良方面有着较好的应用前景。

2.2 废弃地修复

矿业废弃地对植物来讲是一个非常恶劣的生长环境，存在许多限制植物生长的因素，尤其是重金属残留、极端酸性、大量营养元素(如N、P)的缺乏和极差的土质结构，导致许多矿业废弃地经过多年自然恢复，植被仍然稀疏，因此人工干预就成为加快矿业废弃地生态重建的必要手段[28]。目前，矿业废弃地复垦与生态恢复已成为世界各国共同关注的课题和跨学科的研究热点。矿业废弃地恢复是一项综合的、跨学科的，集成了生态、材料、植物、土壤、工程等多方面技术的系统工程，单一的方法难以奏效。生物修复是主体，物理和化学方法一般作为生物方法的辅助。目前大多数矿业废弃地生态修复的重点是植被的重建，并通过植物稳定、提取等技术减缓或者消除重金属对周边环境的污染。因此，矿业废弃地修复中植物的选择就显得尤为重要，耐旱、耐贫瘠、根系生长迅速的植物比较容易在矿业废弃地存活，能够固定或者富集重金属也是修复植物选取要考虑的要素之一[29]。

禾草和豆科植物具有顽强的生命力并耐贫瘠，能有效改善土壤的微域环境，促进其他植被的生长。许多研究表明，禾本科的百喜草、香根草等[30]对酸性条件、重金属胁迫有很强的耐受性，已成为矿区废弃地恢复过程中的先锋物种。豆科植物对于养分缺乏的土地能取得很好的改良效果[31]，如沙打旺、胡枝子、苜蓿等在国内外矿业废弃地修复中被广泛应用。在矿业废弃地恢复方面，重金属的超富集植物也是研究的重点。目前已发现的众多重金属超积累植物以草本植物为主，但存在生物量少，修复土壤只能局限在植物根系所能延伸的范围内等缺陷。此外，已发现的重金属超积累植物常表现出较窄的生态适应性和特有的生态型，对重金属富集具有一定的选择性，而矿业废弃地多为重金属复合污染，后续综合处置或资源化利用技术尚不完善[32]。近年来，木本植物在重金属污染土壤的修复方面受到了越来越多的重视。木本植物生物量大，重金属耐性好，兼具植被恢复的功能。柳树是目前树木植物修复中研究最为深入的树种，共有400多种以及200多种杂交类型，为修复种型的选择提供了便利，并且柳树能快速定植在条件极端不利的土壤上，其高效的养分摄取能力、显著的无性系特性对重金属萃取非常有利[33]。

在矿业废弃地修复植物的选择上，能源植物也应作为重点关注的对象。21世纪，能源、环境是人类社会面临的重大课题，能源植物以其资源的丰富性、可再生性和二氧化碳零排放等优势，必将成为一种重要的替代能源。许多国家出台了相关的优惠政策推动生物质能源的生产和利用，用于规模化生产生物柴油的原料有大豆(美国)、油菜籽(欧共体、加拿大)、棕榈油(东南亚)等，巴西则利用蔗糖发酵制取燃料乙醇，其他还有甜高粱、木薯等作物[34]。目前研究和应用较多的能源植物以粮食作物为主，我国人多地少，大规模利用耕地来生产能源植物不现实，矿业废弃地在植被重建时可以筛选和引种能源植物，实现生物质原料生产与废弃地修复的双赢。芒属植物[35]是具有高效光合固碳效率、生长快、适应性强的优良能源植物，其中芒、五节芒分布于长江以南广大区域,在山地、丘陵和荒坡原野常形成优势群落，可减轻土壤侵蚀，防止水土流失，改良土壤。目前国外已培育出几种生物量高的芒属植物新品系，并计划作为优良的能源植物大面积推广利用。此外，麻疯树、棕榈、油楠、光皮树、黄连木等，其主要成分是烃类，被认为是未来能源植物发展的重点，而油桐是在我国南方地区生长着的另一种非常有潜力的油料植物[36]。

矿山废弃地生态环境恢复与重建的关键是正确评价废弃地的类型和特征，在此基础上使生态系统实现自行恢复并达到良性循环。废弃地植被群落构建应以增加物种多样性和系统层次结构为目标，结合废弃地的立地条件，尽量实行乔灌草复层混交。我国南方地区土地资源稀缺，离子型稀土矿区废弃地的修复与复垦有着非常重要的现实意义，宜林废弃地应建立以生态恢复为目标的林地，可以复垦的废弃地应采用以土地资源重新利用为目标的修复方案，同时配合相应的土壤改良和工程措施，选择适应的植物种类，以达到在实现生态环境恢复的同时创造经济效益。

3 离子型稀土矿区农田土壤稀土与重金属污染的修复

资源开采过程中造成的区域农田土壤重金属污染已经成为受到广泛关注的环境问题。重金属污染不仅使农田土壤退化，农产品的产量和品质降低，而且会通过食物链最终危及人体健康。目前重金属污染土壤的修复技术主要包括物理法(深耕翻土、热脱附等)、化学法(土壤淋洗、稳定/固化等)、生物法(植物、微生物)[37]。深耕翻土只适用于轻度污染土壤，而热脱附只适用于易挥发的污染物(Hg、Se、As等)，且能耗大，费用高[38]。土壤淋洗是用淋洗液来淋洗污染土壤，使吸附在土壤颗粒上的重金属形成溶解性的离子或金属-试剂络合物，然后通过收集淋洗液回收重金属。淋洗液可分为无机淋洗剂、人工螯合剂、表面活性剂及有机酸淋洗剂等，常用的有盐酸、磷酸盐、EDTA(乙二胺四乙酸)、DTPA(二乙烯三胺五乙酸)、SDS(十二烷基硫酸钠)等，天然有机酸和生物表面活性剂是淋洗剂的发展方向[39]。土壤淋洗技术是一种快速、高效的方法，但对于土质黏重、渗透性比较差的土壤修复效果较差，此外，淋洗过程会影响土壤的结构和理化性质。化学钝化修复是通过向土壤中加入稳定化剂，使重金属发生吸附、络合、沉淀、离子交换和氧化还原等一系列反应，降低其在土壤环境中的生物有效性和可迁移性，从而减少重金属对动植物的毒性。稳定化只能改变重金属的存在形态，重金属元素仍保留在土壤中，有再度活化的环境风险[40]。

相对于物理和化学修复法，生物修复具有低成本、低耗能、可改善土壤质量的特点，已成为我国农田土壤重金属污染修复的重要示范技术[41]。生物修复技术的重点是对重金属超富集植物的筛选，治理效果取决于重金属超积累植物对重金属的提取能力和其生物量。目前有大量关于重金属超富集植物的研究成果，但大多处于田间试验和示范阶段，筛选出的重金属超富集植物存在生物量小、修复周期长、富集效果受种植环境因素影响、富集重金属单一等不足[42]。

一些研究表明，油菜、玉米、木薯、甘蔗等农作物对重金属也有一定的富集能力，虽然其富集量远小于重金属超富集植物，但这些作物生长周期快、生物量大，对于中低程度污染土壤的修复具有一定的优越性。后续处理方面，这些经济作物可作为生物能源加以利用，从而避免其进入食物链，同时还可带来额外的收益[43]。南方离子型稀土矿区主要分布在长江以南地区，区域内有大量的稻田，冬闲时比较适宜种植油菜，油菜籽的不饱和脂肪酸含量高，在生物柴油生产方面具有广阔的应用前景[44]。

离子型稀土矿区的农田土壤污染是稀土元素与重金属元素的复合污染，在修复技术的选择上，应以降低土壤和农产品中的重金属含量为核心，以保障矿区耕地资源的持续利用为目标。对于中高程度污染的农田，应以植物提取为主要手段，配合淋洗、化学调节、微生物协同等措施，促进重金属向生物有效态转变，选择植物时可以充分考虑油菜、木薯等本地的大生物量经济作物。对于低程度污染的农田，可以选种低积累作物，结合农艺措施和土壤稳定剂调节[45]，使重金属从生物可利用性较强的形态向生物可利用性较弱的形态转化，恢复土壤重金属含量趋于“安全”水平。

4 结 语

资源开采造成的区域生态环境破坏是我国社会经济发展迫切需要解决的问题，离子型稀土矿区废弃地和污染农田土壤的修复对改善矿区生态环境，提高人民生活水平具有重要意义。由于离子型稀土矿区土壤的生态恢复涉及多学科，是一项复杂的系统工程，因此，应改变前期调查不充分、相关试验研究尤其是野外原位试验研究不系统、方案设计人员和施工队伍不专业、后期监测和管理跟不上的现状，以保证这项工作切实有效地向前推进。

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(责任编辑 孙 放)

Soil Ecological Restoration in Ionic Rare Earth Mining Area

Zhou Dan1,2Luo Caigui1,2Su Jia1,2Luo Xianping1,2，3

(1.FacultyofRareEarth，JiangxiUniversityofScienceandTechnology，Ganzhou341000，China；2.JiangxiKeyLaboratoryofMining&MetallurgyEnvironmentalPollutionControl，Ganzhou341000，China；3.KeyLaboratoryofSouthernIonic-typeRareEarthResourcesDevelopmentandApplicationofMinistryofEducation，Ganzhou341000，China)

Soil destruction and soil pollution stemmed from the exploitation of ionic rare earth resources is introduced.Various renovating techniques applied in abandoned mining land and polluted farmland in mining area are summarized and their advantages and disadvantages are analyzed.Corresponding measures for improving and repairing ionic rare earth mining area are proposed,which provides reference for comprehensive treatment and ecological restoration of ionic rare earth mining area.

Ionic rare earth mining area，Soil destruction，Soil pollution，Soil ecological restoration

2014-08-25

“十二五”国家科技支撑计划项目(编号：2012BAC11B077)，科技惠民计划项目(编号：2013GS360203)，江西省自然科学基金项目(编号：20132BAB213017)，“赣鄱英才555工程”领军人才培养计划项目。

周 丹(1978—)，女，博士研究生。通讯作者 罗仙平(1973—)，男，院长，教授，博士研究生导师。

X5，X45

A

1001-1250(2014)-10-103-07