摘 要：為了明確植物修復(fù)模式對離子型稀土堆浸尾礦土壤入滲特征的影響，以未治理的堆浸尾礦為對照（CK），設(shè)置堆浸尾礦種植皇竹草（T1）和堆浸尾礦種植臍橙（T2）2種植物修復(fù)模式，利用圓盤入滲儀觀測各處理的土壤入滲特性，并分析其影響因素。結(jié)果表明：（1）不同處理下土壤有機質(zhì)含量、容重、土壤含水量、砂粒和黏粒含量差異顯著（P＜0.05），2種植物修復(fù)堆浸尾礦的土壤有機質(zhì)含量、黏粒含量顯著高于未治理堆浸尾礦（P＜0.05），而砂粒含量顯著低于未治理堆浸尾礦（P＜0.05）；（2）與未治理堆浸尾礦相比，植物修復(fù)模式使土壤初始入滲率、穩(wěn)定入滲率和累積入滲量下降82.0%～93.5%，穩(wěn)定入滲時間約減少15 min ；（3）初始入滲速率、穩(wěn)定入滲速率與砂粒含量呈極顯著指數(shù)正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），穩(wěn)定入滲時間與有機質(zhì)含量和黏粒含量呈極顯著冪函數(shù)負相關(guān)（P＜0.01）。綜上所述，贛南離子型稀土堆浸尾礦保水能力極差，采用植物修復(fù)模式可有效恢復(fù)土壤涵養(yǎng)水分的功能。

關(guān)鍵詞：植物修復(fù)；離子型稀土；堆浸尾礦；治理模式；土壤有機質(zhì)；土壤質(zhì)地

中圖分類號：S152.7 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-060X（2023）04-0055-06

Abstract： In order to clarify the influence of phytoremediation model on soil infiltration characteristics of ionic rare earth heap leaching tailings， this study， taking the untreated ionic rare earth heap leaching tailings as CK， set two phytoremediation models of planting Pennisetum hydridum （T1） or navel orange （T2） on the heap leaching tailings. The soil infiltration characteristics of each treatment were observed with a disk infiltration meter， and the influencing factors were analyzed. The results showed that： （1） The soil organic matter content， bulk density， soil water content， and sand and clay contents exhibited significant differences among treatments （P＜0.05）. The two phytoremediation models were significantly higher than CK in soil organic matter and clay contents （P＜0.05）， but significantly lower than CK in the sand content （P＜0.05）. （2） Compared with CK， the phytoremediation models reduced the soil initial infiltration rate， stable infiltration rate and cumulative infiltration amount by 82.0%–93.5%， and shortened the stable infiltration time by about 15 minutes. （3） The initial infiltration rate and stable infiltration rate respectively showed a very significantly exponential function positive relationship with sand content （P＜0.01）; the stable infiltration time had a very significantly power function negative relationship respectivly with organic matter content and clay content （P＜0.01）. To sum up， the water holding capacity of ionic rare earth heap leaching tailings in southern Jiangxi is extremely poor， and the use of phytoremediation model can effectively restore the function of soil water conservation.

Key words：phytoremediation; ionic rare earth; heap leaching tailing; management model; soil organic matter; soil texture

離子型稀土是重型稀土的主要來源[1]，全球重型稀土儲量最豐富的區(qū)域位于我國江西省贛南地區(qū)[2-3]。離子型稀土的開采有池浸、堆浸和原位浸礦工藝[4-5]，堆浸尾礦在贛南地區(qū)占有很大比例（約41%），是目前主要的稀土尾礦存在方式[6]。堆浸工藝需要剝離表層土壤后將不同層次土壤移位混合，這會造成花崗巖發(fā)育的母質(zhì)層外露?；◢弾r發(fā)育的母質(zhì)砂粒含量高、土壤結(jié)構(gòu)差、水分涵養(yǎng)能力低，進而導(dǎo)致土壤失去維持植物正常生長所需的水分條件。因此，堆浸尾礦通常面臨嚴(yán)峻的水土流失和邊坡穩(wěn)定性差等生態(tài)環(huán)境問題[7]。因此，明確土壤的入滲性能及影響因素對堆浸尾礦的生態(tài)修復(fù)具有重要理論和實踐意義。

土壤入滲是重要的土壤物理過程，影響著雨水資源的去向分配和植物利用效率。土壤入滲特征受到包括土壤質(zhì)地、孔隙結(jié)構(gòu)、初始含水量、土壤有機質(zhì)含量、植被等諸多因素的影響，并且主要影響因素因區(qū)域而異[8-9]；除了影響因素外，關(guān)于土壤入滲的研究還包括入滲過程模擬[10-11]、土壤入滲過程的可視化[12-13]、土壤入滲能力的空間分異[14-16]等方面，研究區(qū)多集中在水分是生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定和功能發(fā)揮為限制因子的干旱和半干旱地區(qū)，稀土堆浸尾礦雖然多分布于濕潤地區(qū)，但是高砂粒含量的土壤質(zhì)地導(dǎo)致水分無法保存，造成了“功能性缺水”的獨特現(xiàn)象，而目前針對堆浸尾礦這一極其脆弱生態(tài)系統(tǒng)水分入滲特性的研究十分欠缺。目前，有學(xué)者采用室內(nèi)模擬的方法對重構(gòu)尾礦堆土壤入滲規(guī)律進行了研究，關(guān)注了土壤水分在重構(gòu)尾礦堆中再分布及對坡面破壞發(fā)生位置的影響[17-18]，針對亞熱帶地區(qū)稀土尾礦及其植物修復(fù)模式的土壤入滲特性的研究非常有限。

目前，生態(tài)文明建設(shè)已經(jīng)成為現(xiàn)代化建設(shè)的重要內(nèi)涵，“綠水青山就是金山銀山”的理念也已深入人心，對稀土尾礦，尤其是堆浸尾礦，進行植物修復(fù)已成為主流。作為我國主要的離子型稀土堆浸尾礦所在地，贛南形成了當(dāng)?shù)靥厣闹脖恍迯?fù)模式，其中以種植臍橙和皇竹草最為特色，這兩種植物修復(fù)模式在達到了治理離子型稀土堆浸尾礦效果的同時，也能取得可觀的經(jīng)濟收入，實現(xiàn)了治理與開發(fā)的協(xié)調(diào)發(fā)展?；诖?，筆者利用圓盤入滲儀測定并分析未治理的堆浸尾礦（CK）、堆浸尾礦種植皇竹草（T1）和堆浸尾礦種植臍橙（T2）3種處理下的土壤入滲規(guī)律，明確植物修復(fù)模式對土壤水分涵養(yǎng)能力的影響，以期為離子型稀土堆浸尾礦水土流失阻控、邊坡失穩(wěn)防治等提供支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于江西省贛州市，地形為低山丘陵。土壤多為花崗巖發(fā)育的紅壤，稀土礦資源極為豐富。該地區(qū)氣候?qū)儆谥衼啛釒Ъ撅L(fēng)濕潤區(qū)，年均氣溫為19 ℃，年均降水量約1 600 mm，其中近50%發(fā)生在4—6月的雨季，降雨量大且集中導(dǎo)致該地區(qū)易發(fā)生水土流失和滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，特別是稀土開采遺留的尾礦。

1.2 試驗設(shè)計

2021年9月在贛州市定南縣典型稀土尾礦區(qū)選擇未治理堆浸尾礦對照（CK），并設(shè)置種植皇竹草的堆浸尾礦（T1）和種植臍橙的堆浸尾礦（T2）2種植物修復(fù)模式（圖1）。3個處理的堆浸尾礦的年限均為15 a左右。其中，CK處理只有少量人工種植的馬尾松（Pinus massoniana Lamb.），由于缺水缺肥生長情況很差，土壤基本裸露；T1為人工種植的皇竹草（Pennisetum sinese Roxb），種植年限為3年，種植過程中利用生產(chǎn)沼氣所產(chǎn)生的沼液灌溉，沼液中N、P2O5和K2O的含量分別為0.06%、0.04%和0.08%；T2為人工作種植的臍橙（Citrus sinensis （L.） Osbeck），種植年限為3 a，種植過程主要施用豬糞和復(fù)合肥，豬糞中N、P2O5和K2O的含量約為0.62%、0.38%和0.50%，復(fù)合肥中3種養(yǎng)分含量的比例為15%∶15%∶15%。各處理肥料類型、施用量及施用方法等詳細介紹見表1。

1.3 入滲測定方法

土壤水分入滲采用圓盤入滲儀進行測定，其主要由儲水管（高50 cm，直徑3.5 cm）、入滲圓盤（直徑10 cm）和負壓管組成（圖2）。其中，圓盤與儲水管固定連接，通過橡膠管與負壓管連接控制恒定負水頭，負壓管根據(jù)馬氏瓶原理制作。

每個處理測定3次入滲過程。入滲試驗前用鋁盒采集土壤樣品，用烘干法測定土壤的初始含水量。

用工具刀輕輕整平土壤表面，將過1 mm篩的細沙平整地鋪在各測點表面，細沙厚度約為1～2 mm。試驗準(zhǔn)備工作完成后，利用圓盤入滲儀在壓力為0 cm水頭條件下進行土壤入滲試驗，試驗過程中用秒表記錄圓盤入滲儀儲水水位隨時間的變化過程，前1 min每隔15 s記錄1次，第1～40 min每隔1 min記錄1次。入滲試驗結(jié)束后，在每個試驗點用100 cm3環(huán)刀取原狀土樣測定土壤容重和田間持水量。同時，采集0～10 cm擾動土樣品500 g帶回實驗室，分別采用電位法、重鉻酸鉀氧化法和吸管法測定土壤pH值、有機質(zhì)含量和顆粒組成，土壤顆粒組成按照美國分類制分為黏粒（＜0.002 mm）、粉粒（0.002～0.05 mm）和砂粒（0.05～2 mm）。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用SPSS16.0進行方差分析、Pearson相關(guān)分析等數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計。采用Origin8.0進行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理的土壤理化性質(zhì)

由表2可知，土壤有機質(zhì)含量、容重、土壤初始含水量、砂粒和黏粒含量在不同處理間有顯著差異（P＜0.05）。其中，T1和T2處理的土壤有機質(zhì)含量顯著高于CK處理，分別是后者的3.9倍和4.9倍；T1處理的初始土壤含水量顯著高于CK和T2處理（P＜0.05）。與CK相比，T1和T2處理的土壤砂粒含量顯著降低了22.6%和12.2%，而黏粒含量分別增加了4.4倍和3.4倍。

2.2 不同處理下土壤水分入滲特征

3種處理下土壤入滲速率隨時間雖然均呈現(xiàn)先降低后趨于穩(wěn)定的趨勢，但是下降的過程存在明顯差異（圖3）。土壤入滲階段主要分為初期入滲瞬變、中期漸變和后期穩(wěn)定3個階段，每個階段的劃分和特征與土地利用方式有一定關(guān)系。分析不同處理土壤入滲過程發(fā)現(xiàn)，研究中不同處理初期入滲瞬變階段為前5 min，而不同處理穩(wěn)定入滲的時間各異，CK、T1和T2處理穩(wěn)定入滲時間分別為25、10和10 min。不同處理的初始入滲速率、穩(wěn)定入滲速率及累積入滲量均表現(xiàn)為CK＞T2＞T1（表3）。其中，CK的初始入滲速率為9.8 mm/min，穩(wěn)定入滲速率為6.3 mm/min，40 min累積入滲量為300.7 mm。與CK處理相比，T1處理的初始入滲速率、穩(wěn)定入滲速率和累積入滲量分別下降了89.1%、93.3%和93.5%，T2處理分別下降了84.9%、82.0%和85.4%。這說明經(jīng)過植物修復(fù)治理后，離子型稀土堆浸尾礦的入滲能力顯著降低，土壤持水能力顯著改善。

植物修復(fù)模式可以降低堆浸尾礦土壤入滲參數(shù)的空間異質(zhì)性。CK處理的初始入滲速率、穩(wěn)定入滲速率及累積入滲量的變異系數(shù)為127.5%～135.7%，屬于強變異。而T1和T2處理的初始入滲速率、穩(wěn)定入滲速率及累積入滲量的變異系數(shù)為6.7%～14.1%，屬于弱變異或者中等變異。

2.3 土壤入滲特征的影響因素

土壤入滲特征受土壤屬性的顯著影響。利用主成分分析，分析了土壤入滲特征與pH值、土壤有機質(zhì)含量、土壤容重、初始含水量、田間持水量、砂粒含量、粉粒含量和黏粒含量等8個土壤屬性的關(guān)系，所提取出的前3個主成分解釋了土壤入滲特性總變異的82.9%（表4），其中第一個主成分解釋了總變異的34.2%，包括土壤容重、pH值、黏粒含量和田間持水量；第二個主成分解釋了總變量的26.0%，包括初始含水量和砂粒含量；第三個主成分解釋了總變量的22.7%，包括土壤有機質(zhì)含量和粉粒含量。

土壤性質(zhì)與土壤初始入滲速率、穩(wěn)定入滲速率和穩(wěn)定入滲時間3個入滲參數(shù)的相關(guān)性（具體是什么相關(guān)）如表5所示。相關(guān)性分析結(jié)果表明，初始入滲速率、穩(wěn)定入滲速率與砂粒含量呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01）；穩(wěn)定入滲時間與土壤有機質(zhì)含量和黏粒含量呈極顯著負相關(guān)系（P＜0.01）?？梢姡绊戨x子型稀土堆浸尾礦土壤入滲特性的主要因素為土壤有機質(zhì)含量和土壤顆粒組成，特別是土壤顆粒組成，其在改善稀土堆浸尾礦土壤的入滲特性方面具有十分重要的作用。

進一步分析土壤入滲參數(shù)與關(guān)鍵土壤性質(zhì)的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，初始入滲速率、穩(wěn)定入滲速率與土壤砂粒含量呈極顯著的指數(shù)關(guān)系，關(guān)系式分別為y=0.006 7e0.104 6x（P＜0.01）、y=0.002 3e0.114 7x（P＜0.01）（圖4）。這表明離子型稀土堆浸尾礦土壤的初始入滲速率和穩(wěn)定入滲速率隨著砂粒含量的增加呈指數(shù)增加。另外，穩(wěn)定入滲時間與有機質(zhì)含量、黏粒含量均呈冪函數(shù)負相關(guān)關(guān)系，函數(shù)關(guān)系分別為y=30.173x-0.479（P＜0.01）、y=52.919x-0.557"（P＜0.01） （圖4）。可見，隨著土壤有機質(zhì)含量和黏粒含量的增加，穩(wěn)定入滲時間呈先急劇下降后緩慢降低的規(guī)律。

3 討論與結(jié)論

植物修復(fù)措施可以改善稀土堆浸尾礦土壤的理化性質(zhì)[20]。研究發(fā)植物修復(fù)模式土壤有機質(zhì)含量顯著高于未治理堆浸尾礦（P＜0.05），這說明修復(fù)模式對提升堆浸尾礦土壤有機質(zhì)含量的重要作用，主要有2個方面的原因：一方面，在經(jīng)濟效益的驅(qū)動下，為保證皇竹草和臍橙更好的生長，管理過程中向土壤中施用沼液或有機肥，從而直接提高了土壤有機質(zhì)水平；另一方面，土壤肥力水平提升后會促進植被生長，大量根系和枯落物的腐解過程又會促進土壤中有機質(zhì)積累。施用沼液和有機肥后土壤有機質(zhì)的積累過程也會給增加稀土尾礦土壤中的黏粒，并降低其砂粒含量；更重要的是，在植物修復(fù)過程中，水土流失問題得到遏制，細小且養(yǎng)分含量高的黏粒含量得以保存。植物修復(fù)措施會提高表層土壤的土壤容重。研究中種植皇竹草的處理的土壤容重顯著高于其他2個處理，這與該植物修復(fù)模式下皇竹草收獲頻次較高有關(guān)，每年刈割3～4次，收割機對土壤產(chǎn)生機械壓實，通常情況下，土壤壓實對植物生長產(chǎn)生不利影響，也會帶來相關(guān)的生態(tài)環(huán)境問題[21]，但是，稀土堆浸尾礦土壤的適當(dāng)壓實有利于土壤保水，也會增加土壤的抗侵蝕能力。

堆浸工藝開采稀土礦造成土壤保水能力急劇下降。贛南稀土礦區(qū)是季節(jié)性干旱頻發(fā)的地區(qū)[22]，即使在降水較多的季節(jié)，由于稀土尾礦土壤保水能力太差，也會造成土壤的“功能性缺水”，土壤有效水分過低的問題是制約稀土尾礦植被修復(fù)的主要限制性因子[23]。與未治理的尾礦對比，作為堆浸尾礦植物修復(fù)模式下的T1和T2處理，2個處理的初始入滲率、穩(wěn)定入滲率和40 min累積入滲量下降了82.0%～93.5%。這表明植物修復(fù)措施能有效改善離子型稀土堆浸尾礦的入滲性能，使得過高的入滲能力回歸到較為正常的水平，這可以顯著提高土壤的保水能力。土壤的入滲性能是包括土壤質(zhì)地[24]、容重[9，25]、初始含水量[26]、動植物活動[27-28]、土壤有機質(zhì)含量[14，29-30]等一系列因素共同作用的結(jié)果。研究發(fā)現(xiàn)土壤的入滲特征與砂粒含量呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），這與劉目興等[26]和解文艷等[31]的研究結(jié)果基本一致，土壤顆粒越粗，土壤透水性越好，持水性越差，而黏粒則能提高土壤的基質(zhì)勢能，對土壤入滲起到阻礙作用[24]。容重是影響土壤入滲的重要因素，土壤入滲能力與容重呈負相關(guān)關(guān)系時有報道[9，25]，但是研究中發(fā)現(xiàn)土壤入滲特征與土壤容重之間并無顯著的相關(guān)性，容重對土壤入滲特征的影響程度比土壤顆粒組成低，這一方面可能與不同處理間土壤容重的弱變異性有關(guān)，變異系數(shù)為7.2%，而與土壤入滲特征有顯著關(guān)系的初始含水量和砂粒含量均為中等變異。另一方面，砂粒含量高的處理，土壤容重偏低，而黏粒含量最高的T2處理容重最大（表1），土壤容重與土壤砂粒含量的負相關(guān)性也是土壤容重與入滲能力無顯著關(guān)系的一個重要原因。

綜上，土壤顆粒組成和土壤有機質(zhì)含量是影響離子型稀土堆浸尾礦入滲性能的主要土壤屬性，采用植物修復(fù)模式可有效增加土壤黏粒含量，提升土壤有機質(zhì)水平，從而改善土壤的水分狀況。

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（責(zé)任編輯：高國賦）