稀土尾矿区土体的深部酸化
以往对土壤酸化的研究多集中在农业土壤的耕作层，对土体深部的关注较少。这主要是因为酸雨和化学氮肥的施用主要导致表层土壤酸化，对深层土壤影响较小。
但采矿等人为活动却以非常规的方式影响着地表系统。在采用原地浸矿工艺开采的稀土矿区，采矿不扰动表层土壤，而将大量的铵直接输入深层土壤。
稀土堪称“工业的维生素”，具有其他元素不可替代的光、电、磁等理化特性，是国家重要的战略资源。我国南方特有的离子型稀土矿，是世界中重稀土的主要来源。目前开采离子型稀土时优先考虑原地浸矿工艺，通常将浸矿剂硫酸铵注入矿山的含矿层中，通过离子交换作用将吸附在黏土矿物表面的稀土离子提取出来。据统计，每开采1吨稀土氧化物，需要7~8吨甚至更多的硫酸铵。大量外源铵的输入对深层土壤的影响尚缺乏相关的研究。
最近“土壤时空”团队在我国东南部典型离子型稀土区开展了尾矿区深层土壤酸化研究。发现稀土尾矿区土壤酸化严重，稀土原地浸矿尾矿山土壤pH平均值为4.5，显著低于研究区自然土壤pH的平均值5.0。尾矿山虽然开采后仍为林地，但其土壤pH明显低于典型红壤区自然林地、农田、园地及其他土地利用类型。采矿活动加速尾矿山土壤pH下降，平均每10年下降0.47个单位，其pH下降速度为自然森林土壤的3.3倍，草地土壤的5.2倍，为长期人为扰动下农业利用土壤的2~3倍。
研究表明深层土体酸化显著高于表层土壤。湿热气候条件下土壤酸化伴随着土壤的发生及发育，表层土壤风化程度比深层强烈，土壤pH一般随深度增加而升高，交换性H+及Al3+含量随深度降低，但稀土尾矿山土壤pH及交换性H+含量有独特的规律（图1），深层土壤酸化比浅层严重，且酸化是由深层土壤富集大量H+造成的。尾矿山交换性Al3+占总交换性酸的80%以上，为交换性酸的主要形式，且其分布规律与未开采区域一致。由矿山开采引起的土壤酸化并未导致深层土壤铝的释放，土壤对质子的缓冲未进入Al缓冲范围。
图1尾矿山及未开采矿山垂直方向上土壤酸化情况（其中(a)(d)(g)及(b)(e)(h)为尾矿山、(c)(f)(i)为未开采矿山）
尾矿区与未开采区浅层土壤酸化程度一致，酸化过程主要受自然因素的控制。相比于未开采区，尾矿区深层土壤严重酸化，但这一过程基本上不受自然土壤酸化因素的影响，而与土壤外源输入铵及氮转化密切相关。硝化作用成为矿区土壤酸化最主要的驱动因素，其他土壤性质对酸化过程影响较弱（图2）。
图2 稀土尾矿山土壤氮输入、转化与土壤酸化过程示意图
尾矿区深层土壤酸化对周围环境产生严重的影响。采矿引起的土壤酸化及铵态氮的富集发生在深层含矿土壤，因此对地表植被的生长影响小。尾矿山的土壤酸化加速了深层含矿土壤的风化过程，短时间内不会产生铝毒危害。但是，山体内部的持续风化，加上该区域较强的降雨，极易发生滑坡和崩塌等地质灾害。同时，山体内部的残留铵态氮能持续迁移进入下游水体，存在较高环境释放风险。尾矿山土壤的酸化已经危害其下游水体及土壤，矿山下游河道边土壤pH低至4.1，呈强酸性。尾矿山中富集的铵态氮还将不断进行硝化作用产生H+，具有持续酸化的风险。
本研究明确了稀土矿区土壤的酸化特征、速率，探究了其酸化机理，预测了其对环境的长期影响。研究成果以“SoilacidificationinatailingareaofionicrareearthinSoutheastChina”为题发表在《ScienceoftheTotalEnvironment》上。该研究得到了国家重点研发计划项目（No.2018YFC1801801）资助。
论文信息：
Xu,Z.,Yang,J.L.,Zhao,Y.,Hao,R.,Zhang,G.L.,2023.SoilacidificationinatailingareaofionicrareearthinSoutheastChina.ScienceoftheTotalEnvironment,http://dx.doi.org/10.1016/j.scitotenv.2023.163834