赣南离子型稀土矿废弃地治理与水土保持效应

刘路生，陈光红，温德华

(1.宜丰林业局，江西 宜丰 336300； 2.于都县林业局，江西 于都 342300；3.江西环境工程职业学院，江西 赣州 341000)

赣南稀土矿以离子型稀土矿为主，其成矿过程、山体的独特特征[1-3]，兼采取“表土剥离-矿体开采-入池浸矿-回收浸出液-尾矿弃排”的“搬山”式开采，以及池浸、堆浸等对土层破环严重的浸矿生产，矿区历经淋滤废水、矿区山泉水、近矿支流、矿区下游、矿区上游等地表水及地下水的地球化学特征、成矿岩体-地表水间相互转化关系的水资源-环境效应，造成严重的地质问题和环境污染[2-4]。其废弃地横生采矿剥离区、浸池、尾砂堆积区、淤积区等的环境痼疾，导致山体植被大面积被毁坏，滋生滑坡、泥石流危险，土壤重金属污染，水体污染和土地荒漠化等严重的生态问题[5-7]。

近些年，废弃矿山的历史遗留地引起了国家的高度重视[8]，持续加大力度综合整治废弃地的环境问题[9]。我国稀土矿废弃地植被恢复建设发展建立了基础的理论研究[1-4，7-9]，开展有成效的恢复实践案例[10-16]，关注修复对山体的土壤[10-12]、植被[13-15]与景观条件[16]的改善，分析修复前后的土壤与水污染的生态环境变化。重建实践案例方面，赣南流域水土流失立体治理的“八结合，一注重”经验总结[17]和信丰县稀土矿区治理的工程防护体系[18](筑冲蚀沟，排、撇水沟和修筑塘坝、谷坊、拦沙坝)，指出工程与生物措施结合对赣南离子型稀土尾矿局域修复的水土保持成效显著[17]，寻乌探索“山上山下”“地上地下”“流域上下”的 “三同治”治理模式。然而，由于离子吸附型稀土矿废弃地的治理时间短，其治理措施、类型、规模与阶段性进程等诸多改善环境的环节研究少，以及诸因素的环境治理作用机制研究甚少，导致目前相关治理研究基础相对薄弱，修复压力巨大。因此，本文以寻乌县3个典型离子型稀土废弃区的生态修复为例，实地调查与分析评估不同修复阶段对水土保持的影响及其成效，比较不同水土保持措施的生态环境修复进展水平，为稀土矿废弃地综合整治提供参考。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

本调查稀土矿废弃区为江西省寻乌县文峰乡上甲村的塘尾稀土矿废弃地(简称TW)、柯树塘山稀土矿废弃地(简称KST)和双茶亭稀土尾矿废弃地(简称SCT)，均居寻乌水支流的上甲河流域，流经狮子峰水库。区域属低山丘陵地带，海拔260～460 m，地势偏北高南低、东高西低，坡度25°以上。属内亚热带季风气候，四季分明，最热月最高气温39.0 ℃，最冷月最低气温-5 ℃，雨季4—6月，年均降水量1700 mm。土壤红壤，土壤含砂量为59%～66.1%，含水量较低，孔隙较大，粘着性较弱。

废弃矿区山体位于华南造山系南岭东段赣南粤北隆起成矿带，矿体赋存于火山岩风化壳中，经历新元古代—新生代多期构造-岩浆事件，地质构造复杂，岩体之中黑云母花岗岩、流纹斑岩形成于加里东期[1-2]。矿山自1975年开始开采，上甲村塘尾稀土矿于2008年停工，另 2个原矿区于2010年停工。废弃区修复前的原生地均基本一致，大面积裸地、植被稀少，覆被率约10%，生长有芒萁(Dicranopterisdichotoma)、细叶芒草(Miscanthussinensis)、黑莎草(Gahniatristis)等6种草本植物，土壤侵蚀程度重度，部分区域伴有崩岗，水土流失量5000 t·hm-2·a-1以上。

1.2 恢复治理模式

SCT稀土废弃地于2009年治理，采取乔木层为主的林草覆被模式，挖穴种植桉树、湿地松1350～1650株·hm-2，块状混交，混交比例5∶1；坡底筑拦沙坝、谷坊、挡土墙、水平沟等拦截泥沙工程措施。当年成活率约50%，经补植，第3年的保存率达标，后续治理以少人为干扰、自然恢复为主，2018年植被覆盖率高达95%，发育成桉树、湿地松较稳定的森林群落。

TW稀土矿废弃地于2017年以草被覆被模式治理，实施坡面平整，喷播草种宽叶雀稗(Paspalumwetsfeteini)35 g·m-2，喷播厚度8～10 cm，灌溉排水为主管护。坡底建挡土墙、排水沟，沟谷低洼地开发成人工湿地造景。因春季雨水丰富，当年治理即见效果，成活率80%以上，2018年草被覆盖率达65%。

KST稀土矿废弃地于2014年开始草灌覆被修复模式治理，实施坡面平整，客土栽植灌木胡枝子(Lespedezabicolor)，3000～4500株·hm-2，播种芒草、黑莎草等草种，约20 g·m-2，灌溉排水为主管护。坡底建挡土墙、排水沟，沟谷低洼地开发成人工湿地造景。治理当年的草本植物生长良好，灌木生长效果较差，补植于第2年达标，2018年植被覆盖率达75%(表1)。

表1 稀土废弃矿区治理概况

1.3 研究方法

1.3.1 水土保持量估值 植被修复的空间和时间尺度会改变恢复治理区域地表径流或泥沙的运移、汇集及其连续性，并减少水力、风力等外营力对地表土壤的侵蚀破环，从而达到保持水土的治理效应。本文采取治理前后土壤侵蚀量的差值表征，先估算治理前废弃地的土壤侵蚀量A0，然后计算第a年的土壤侵蚀量Aa，这两者的差值视为其第a年的水土保存量Sa，计算公式为：Sa=A0-Aa。

地表土壤侵蚀受气候、地形地貌、植被、土壤等的影响，一般土壤侵蚀量随降雨量增大而增大，且与坡度呈一定对数关系，坡度越大，会导致流失量越大[19-20]。坡面植被覆被格局对水土流失过程有重要的影响[21]，如林草覆被模式修复，可有效增加对水土的抗冲蚀性而减少土壤侵蚀量[21]。参照现有研究[22]，本文采用通用水土流失方程USLE对治理区域进行土壤侵蚀量估算[22-23]，公式为：A=R×K×L×S×C×P，式中：R为降雨侵蚀力因子(MJ·mm·hm-2·h-1)，采用年雨量的指数函数R=0.0438P1.61(P为年均降水量)[24]估算；K为土壤可蚀性因子，是土壤侵蚀敏感性的量度单位，与不同类型土壤的抵抗侵蚀能力正相关，因本矿弃地的土壤红壤易侵蚀，依据已有研究成果[25-26]，K按0.2970 t·h·MJ-1·mm-1计核；L为坡长因子；S为坡度因子(%)；C为植被覆盖因子；P为水土保持因子。分别按式(1)～(5)概算土壤侵蚀量。

(1)

L=(λ/22.13)m

(2)

(3)

C=0.988λ-0.11f

(4)

P=0.2+0.3×S

(5)

式中：θ为坡度；f为植被覆盖度；λ为坡长长度(m)，均为调查实测。其中式(2)的坡长因子L，参考符素华等[27]的栅格处理与数据计算方法计核，m为坡长因子的坡长指数，按式(3)取值。

1.3.2 保土效应观测与测算 保土观测区位于各废弃地的下坡位，方形，坡度6°～9°，规格20 m×5 m，外筑排水沟，共6个泥沙观察池，其中3个对应各个废弃地的治理措施区域，另外3个对照观察池均设立于各对应治理的裸露地区。

寻乌县梅雨季节5—7月降雨量丰富，6月降雨量最多，平均降雨量266.6 mm，易发生地表径流而引起较大规模的土壤侵蚀。选取2018年6月整月观察记录池内流失泥沙体积V，土壤密度1.4 g·cm-2，计算公式见式(6)～式(7)。

S=1.4×V

(6)

Cs=(1-S/Sck)×100%

(7)

式中：S、Sck分别为观察、对照小区的泥沙冲刷量；Cs为保土效应数值。

2 结果与分析

2.1 不同治理措施对土壤降雨侵蚀量的影响

观测2018年6月梅雨季节的降雨，观测区泥沙冲刷量见表2。从表2可以看出，6月份3个废弃地TW、KST、SCT的对照区域流沙量Sck分别为22、21、25万t·km-2，草被、灌草、林草群落治理区的保土效果Cs值分别为45.9%、61.9%、70%。表明草被、灌草和林草覆被模式在坡面上均有拦蓄泥沙的积极作用。在不同治理措施中，TW废弃地于2017年栽植，第2年的郁闭度不高，草地拦蓄泥沙的能力弱；KST废弃地于2014年栽植，第4年的灌草植被覆盖率达到70%以上，拦蓄泥沙的作用较好。而SCT废弃地经10 a治理，林草植被群落林地覆盖率达到90%以上，郁闭度0.6以上，拦蓄泥沙的作用最好。

基于不同治理模式的起始修复时间不一致，引入保土效果Cs均值，采用治理时间去除当年Cs值计算结果见表2。由数据可知，保土效果非线性关系，初期草被全覆被模式比较经济且见效快，但从时间尺度来看，流沙量的有效控制措施宜采取灌草和林草模式治理。

表2 不同治理措施下土壤降雨侵蚀量的观测与统计

2.2 水土保持量变化趋势

寻乌县3个不同离子型稀土矿废弃地修复模式于2016—2018年的水土保持量相关数据核算结果见表3～表5。由表3可知，2016—2018年，不同稀土矿废弃地的单位面积水土保持量逐年增加，其中TW废弃地于2017年初治理，2018年年底(治理的第2年)的水土保持量(69202.37 t·hm-2)是2017年(64142.14 t·hm-2)的1.08倍；KST废弃地经治理后，其水土保持量的增幅较大，第4年(36680.73 t·hm-2)即达到上一年(16326.63 t·hm-2)的2.25倍，水土流失量(≤50000 t·hm-2·a-1)达标。SCT废弃地经10 a的治理，随水土保持量逐年增加，形成了较稳定的林草森林群落，第9年的水土保持量(60921.93 t·hm-2)是上一年(49869.72 t·hm-2)的1.22倍，第10年(69329.94 t·hm-2)是上一年的1.14倍，水土流失量达标。该地地形坡度较陡，基本未实施坡面平整的固坡措施，经穴状整地栽植林木治理为主；治理期间，因坡陡，兼经采矿剥离和对地表破坏较严重的堆浸采矿生产，人为扰动的土壤极其松散，治理的第8年，水土流失仍较严重，坡底的拦沙坝截留大量淤积的流沙；当桉树、湿地松森林群落发育成庞大根系锚固地表后，减少水土流失量至达标(≤50000 t·hm-2·a-1)，延长治理期约至10 a。KST、SCT废弃地的坡面坡度总体较缓，均在25°～32°，也可能是因为采取比堆浸较小的地表破环浸池采矿生产方式，经对坡面平整、生态植草护坡和坡底拦截水土流失工程的生态治理措施，植被覆盖率达65%以上，水土流失减低至达标，在时间较短的3～5 a间，达到初期的水土保持治理效果。这表明，对陡坡地形的地表平整环节，即陡坡缓降的平整措施后，再进行地表的植被覆盖，可以提速水土保持的治理效果。

在影响离子型稀土矿废弃地水土保持量变化趋势的因子中，因均在小尺度的同一局域范围，分别来自降雨和土壤影响的地表侵蚀K、R因子的差异小；其中受植被生长状况C的影响存在一定的差异，主要受不同废弃地的修复时间不一致的影响所至(表1)；而受地理影响因子L、S、P值的影响极大。因此，本矿废弃地水土侵蚀量主要受L、S、P值和C值的影响(表4～表5)。在研究时段，不同影响因子基本随年度增加而减少，不同废弃地的土壤地表径流侵蚀量随之下降，单位面积的水土保持量最高值均出现在2018 年(表3)。

表3 不同废弃地年水土保持量与水土流失量的年度变化

表4 不同废弃地水土保持的影响因子

*：2018年统计。

表5 不同废弃地坡长因子与植被覆盖因子的年度变化

3 结论与讨论

赣南离子型稀土矿废弃地治理中较大范围地推广应用了植被恢复与工程固坡相结合的治理模式，本研究结果表明：从水土流失控制层面来看，草被、灌草、林草3 种植被覆被治理模式均具有减少地表土壤侵蚀、保持水土的显著作用，不同治理模式存在明显的差异，表现为草被<灌草<林草，初期治理至水土流失量达标时间分别为3 a、5 a、10 a。废弃地水土侵蚀量主要受坡长因子L、坡度S、水土保持因子P值和植被覆盖因子C值的影响，不同治理模式的土壤侵蚀影响与水土流失量基本均随年度增加而减少，土壤地表径流侵蚀量逐年下降也较明显，故废弃地的单位面积水土保持量逐年增加。

植被恢复与工程固坡是矿废弃地水土保持的重要措施之一，它不仅保持水土，而且起到绿化美化的效果。对于易风化岩状基质的矿区，一般于停止采矿活动的1～5 a后对矿区进行平整，边回采边回填，下坡位修墙、坝等拦挡工程措施，然后经客土或人为创造土壤层，全覆土植被恢复模式治理水土流失，历经地貌重塑、土壤重构、植被重建与生态重建的较长时期的生态修复过程[28-29]。本研究离子型稀土矿废弃地的岩状风化壳的基质剥离较严重，土壤表层的砂砾比例大，经采矿与堆浸或浸池等人为干扰后的边坡愈加陡峭，这类侵蚀属人为强度干扰产生的特殊地质侵蚀类型，土地损毁极为严重，尤其需要植被修复前的陡峭边坡缓降的整形地貌重塑[28]。本文实地调查和水土保持数据估算的结果与之吻合，废弃地经边坡平整、3～5 a的植被修复即可达到初期水土保持治理效果；而缺失这一重塑地貌环节的较陡地形，初期治理时间可能延长，甚至需要超过1倍以上时间。

工矿区水土流失来自强烈的人为活动影响，而其矿区废弃地是经由强度人为干扰后的现地，水土流失的主要加害因素是受到降水特征、地形地貌和植被覆盖程度等的影响[19-21，29]，普遍表现为降雨强度越大，坡越长越陡，水土流失量越大；植被覆盖率越高，水土流失量越小[29]。本文采取通用水土流失方程USLE核算离子型稀土矿废弃地不同时段的水土流失量变化，基本保持上述一致的结论，并且地形的坡度因子作用明显，强降雨的产流观察结果进一步验证了不同治理模式的植被覆被的反向效应。就目前而言，本研究的离子型稀土矿废弃地水土流失治理主要受地形地貌的坡长因子L、坡度因子S、水土保持因子P和植被覆盖因子C的影响。