劉路生，陳光紅，溫德華

(1.宜豐林業(yè)局，江西 宜豐 336300； 2.于都縣林業(yè)局，江西 于都 342300；3.江西環(huán)境工程職業(yè)學(xué)院，江西 贛州 341000)

贛南稀土礦以離子型稀土礦為主，其成礦過(guò)程、山體的獨(dú)特特征[1-3]，兼采取“表土剝離-礦體開(kāi)采-入池浸礦-回收浸出液-尾礦棄排”的“搬山”式開(kāi)采，以及池浸、堆浸等對(duì)土層破環(huán)嚴(yán)重的浸礦生產(chǎn)，礦區(qū)歷經(jīng)淋濾廢水、礦區(qū)山泉水、近礦支流、礦區(qū)下游、礦區(qū)上游等地表水及地下水的地球化學(xué)特征、成礦巖體-地表水間相互轉(zhuǎn)化關(guān)系的水資源-環(huán)境效應(yīng)，造成嚴(yán)重的地質(zhì)問(wèn)題和環(huán)境污染[2-4]。其廢棄地橫生采礦剝離區(qū)、浸池、尾砂堆積區(qū)、淤積區(qū)等的環(huán)境痼疾，導(dǎo)致山體植被大面積被毀壞，滋生滑坡、泥石流危險(xiǎn)，土壤重金屬污染，水體污染和土地荒漠化等嚴(yán)重的生態(tài)問(wèn)題[5-7]。

近些年，廢棄礦山的歷史遺留地引起了國(guó)家的高度重視[8]，持續(xù)加大力度綜合整治廢棄地的環(huán)境問(wèn)題[9]。我國(guó)稀土礦廢棄地植被恢復(fù)建設(shè)發(fā)展建立了基礎(chǔ)的理論研究[1-4，7-9]，開(kāi)展有成效的恢復(fù)實(shí)踐案例[10-16]，關(guān)注修復(fù)對(duì)山體的土壤[10-12]、植被[13-15]與景觀(guān)條件[16]的改善，分析修復(fù)前后的土壤與水污染的生態(tài)環(huán)境變化。重建實(shí)踐案例方面，贛南流域水土流失立體治理的“八結(jié)合，一注重”經(jīng)驗(yàn)總結(jié)[17]和信豐縣稀土礦區(qū)治理的工程防護(hù)體系[18](筑沖蝕溝，排、撇水溝和修筑塘壩、谷坊、攔沙壩)，指出工程與生物措施結(jié)合對(duì)贛南離子型稀土尾礦局域修復(fù)的水土保持成效顯著[17]，尋烏探索“山上山下”“地上地下”“流域上下”的 “三同治”治理模式。然而，由于離子吸附型稀土礦廢棄地的治理時(shí)間短，其治理措施、類(lèi)型、規(guī)模與階段性進(jìn)程等諸多改善環(huán)境的環(huán)節(jié)研究少，以及諸因素的環(huán)境治理作用機(jī)制研究甚少，導(dǎo)致目前相關(guān)治理研究基礎(chǔ)相對(duì)薄弱，修復(fù)壓力巨大。因此，本文以尋烏縣3個(gè)典型離子型稀土廢棄區(qū)的生態(tài)修復(fù)為例，實(shí)地調(diào)查與分析評(píng)估不同修復(fù)階段對(duì)水土保持的影響及其成效，比較不同水土保持措施的生態(tài)環(huán)境修復(fù)進(jìn)展水平，為稀土礦廢棄地綜合整治提供參考。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

本調(diào)查稀土礦廢棄區(qū)為江西省尋烏縣文峰鄉(xiāng)上甲村的塘尾稀土礦廢棄地(簡(jiǎn)稱(chēng)TW)、柯樹(shù)塘山稀土礦廢棄地(簡(jiǎn)稱(chēng)KST)和雙茶亭稀土尾礦廢棄地(簡(jiǎn)稱(chēng)SCT)，均居尋烏水支流的上甲河流域，流經(jīng)獅子峰水庫(kù)。區(qū)域?qū)俚蜕角鹆甑貛?，海?60～460 m，地勢(shì)偏北高南低、東高西低，坡度25°以上。屬內(nèi)亞熱帶季風(fēng)氣候，四季分明，最熱月最高氣溫39.0 ℃，最冷月最低氣溫-5 ℃，雨季4—6月，年均降水量1700 mm。土壤紅壤，土壤含砂量為59%～66.1%，含水量較低，孔隙較大，粘著性較弱。

廢棄礦區(qū)山體位于華南造山系南嶺東段贛南粵北隆起成礦帶，礦體賦存于火山巖風(fēng)化殼中，經(jīng)歷新元古代—新生代多期構(gòu)造-巖漿事件，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，巖體之中黑云母花崗巖、流紋斑巖形成于加里東期[1-2]。礦山自1975年開(kāi)始開(kāi)采，上甲村塘尾稀土礦于2008年停工，另 2個(gè)原礦區(qū)于2010年停工。廢棄區(qū)修復(fù)前的原生地均基本一致，大面積裸地、植被稀少，覆被率約10%，生長(zhǎng)有芒萁(Dicranopterisdichotoma)、細(xì)葉芒草(Miscanthussinensis)、黑莎草(Gahniatristis)等6種草本植物，土壤侵蝕程度重度，部分區(qū)域伴有崩崗，水土流失量5000 t·hm-2·a-1以上。

1.2 恢復(fù)治理模式

SCT稀土廢棄地于2009年治理，采取喬木層為主的林草覆被模式，挖穴種植桉樹(shù)、濕地松1350～1650株·hm-2，塊狀混交，混交比例5∶1；坡底筑攔沙壩、谷坊、擋土墻、水平溝等攔截泥沙工程措施。當(dāng)年成活率約50%，經(jīng)補(bǔ)植，第3年的保存率達(dá)標(biāo)，后續(xù)治理以少人為干擾、自然恢復(fù)為主，2018年植被覆蓋率高達(dá)95%，發(fā)育成桉樹(shù)、濕地松較穩(wěn)定的森林群落。

TW稀土礦廢棄地于2017年以草被覆被模式治理，實(shí)施坡面平整，噴播草種寬葉雀稗(Paspalumwetsfeteini)35 g·m-2，噴播厚度8～10 cm，灌溉排水為主管護(hù)。坡底建擋土墻、排水溝，溝谷低洼地開(kāi)發(fā)成人工濕地造景。因春季雨水豐富，當(dāng)年治理即見(jiàn)效果，成活率80%以上，2018年草被覆蓋率達(dá)65%。

KST稀土礦廢棄地于2014年開(kāi)始草灌覆被修復(fù)模式治理，實(shí)施坡面平整，客土栽植灌木胡枝子(Lespedezabicolor)，3000～4500株·hm-2，播種芒草、黑莎草等草種，約20 g·m-2，灌溉排水為主管護(hù)。坡底建擋土墻、排水溝，溝谷低洼地開(kāi)發(fā)成人工濕地造景。治理當(dāng)年的草本植物生長(zhǎng)良好，灌木生長(zhǎng)效果較差，補(bǔ)植于第2年達(dá)標(biāo)，2018年植被覆蓋率達(dá)75%(表1)。

表1 稀土廢棄礦區(qū)治理概況

1.3 研究方法

1.3.1 水土保持量估值 植被修復(fù)的空間和時(shí)間尺度會(huì)改變恢復(fù)治理區(qū)域地表徑流或泥沙的運(yùn)移、匯集及其連續(xù)性，并減少水力、風(fēng)力等外營(yíng)力對(duì)地表土壤的侵蝕破環(huán)，從而達(dá)到保持水土的治理效應(yīng)。本文采取治理前后土壤侵蝕量的差值表征，先估算治理前廢棄地的土壤侵蝕量A0，然后計(jì)算第a年的土壤侵蝕量Aa，這兩者的差值視為其第a年的水土保存量Sa，計(jì)算公式為：Sa=A0-Aa。

地表土壤侵蝕受氣候、地形地貌、植被、土壤等的影響，一般土壤侵蝕量隨降雨量增大而增大，且與坡度呈一定對(duì)數(shù)關(guān)系，坡度越大，會(huì)導(dǎo)致流失量越大[19-20]。坡面植被覆被格局對(duì)水土流失過(guò)程有重要的影響[21]，如林草覆被模式修復(fù)，可有效增加對(duì)水土的抗沖蝕性而減少土壤侵蝕量[21]。參照現(xiàn)有研究[22]，本文采用通用水土流失方程USLE對(duì)治理區(qū)域進(jìn)行土壤侵蝕量估算[22-23]，公式為：A=R×K×L×S×C×P，式中：R為降雨侵蝕力因子(MJ·mm·hm-2·h-1)，采用年雨量的指數(shù)函數(shù)R=0.0438P1.61(P為年均降水量)[24]估算；K為土壤可蝕性因子，是土壤侵蝕敏感性的量度單位，與不同類(lèi)型土壤的抵抗侵蝕能力正相關(guān)，因本礦棄地的土壤紅壤易侵蝕，依據(jù)已有研究成果[25-26]，K按0.2970 t·h·MJ-1·mm-1計(jì)核；L為坡長(zhǎng)因子；S為坡度因子(%)；C為植被覆蓋因子；P為水土保持因子。分別按式(1)～(5)概算土壤侵蝕量。

(1)

L=(λ/22.13)m

(2)

(3)

C=0.988λ-0.11f

(4)

P=0.2+0.3×S

(5)

式中：θ為坡度；f為植被覆蓋度；λ為坡長(zhǎng)長(zhǎng)度(m)，均為調(diào)查實(shí)測(cè)。其中式(2)的坡長(zhǎng)因子L，參考符素華等[27]的柵格處理與數(shù)據(jù)計(jì)算方法計(jì)核，m為坡長(zhǎng)因子的坡長(zhǎng)指數(shù)，按式(3)取值。

1.3.2 保土效應(yīng)觀(guān)測(cè)與測(cè)算 保土觀(guān)測(cè)區(qū)位于各廢棄地的下坡位，方形，坡度6°～9°，規(guī)格20 m×5 m，外筑排水溝，共6個(gè)泥沙觀(guān)察池，其中3個(gè)對(duì)應(yīng)各個(gè)廢棄地的治理措施區(qū)域，另外3個(gè)對(duì)照觀(guān)察池均設(shè)立于各對(duì)應(yīng)治理的裸露地區(qū)。

尋烏縣梅雨季節(jié)5—7月降雨量豐富，6月降雨量最多，平均降雨量266.6 mm，易發(fā)生地表徑流而引起較大規(guī)模的土壤侵蝕。選取2018年6月整月觀(guān)察記錄池內(nèi)流失泥沙體積V，土壤密度1.4 g·cm-2，計(jì)算公式見(jiàn)式(6)～式(7)。

S=1.4×V

(6)

Cs=(1-S/Sck)×100%

(7)

式中：S、Sck分別為觀(guān)察、對(duì)照小區(qū)的泥沙沖刷量；Cs為保土效應(yīng)數(shù)值。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同治理措施對(duì)土壤降雨侵蝕量的影響

觀(guān)測(cè)2018年6月梅雨季節(jié)的降雨，觀(guān)測(cè)區(qū)泥沙沖刷量見(jiàn)表2。從表2可以看出，6月份3個(gè)廢棄地TW、KST、SCT的對(duì)照區(qū)域流沙量Sck分別為22、21、25萬(wàn)t·km-2，草被、灌草、林草群落治理區(qū)的保土效果Cs值分別為45.9%、61.9%、70%。表明草被、灌草和林草覆被模式在坡面上均有攔蓄泥沙的積極作用。在不同治理措施中，TW廢棄地于2017年栽植，第2年的郁閉度不高，草地?cái)r蓄泥沙的能力弱；KST廢棄地于2014年栽植，第4年的灌草植被覆蓋率達(dá)到70%以上，攔蓄泥沙的作用較好。而SCT廢棄地經(jīng)10 a治理，林草植被群落林地覆蓋率達(dá)到90%以上，郁閉度0.6以上，攔蓄泥沙的作用最好。

基于不同治理模式的起始修復(fù)時(shí)間不一致，引入保土效果Cs均值，采用治理時(shí)間去除當(dāng)年Cs值計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。由數(shù)據(jù)可知，保土效果非線(xiàn)性關(guān)系，初期草被全覆被模式比較經(jīng)濟(jì)且見(jiàn)效快，但從時(shí)間尺度來(lái)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蝕量的觀(guān)測(cè)與統(tǒng)計(jì)

2.2 水土保持量變化趨勢(shì)

尋烏縣3個(gè)不同離子型稀土礦廢棄地修復(fù)模式于2016—2018年的水土保持量相關(guān)數(shù)據(jù)核算結(jié)果見(jiàn)表3～表5。由表3可知，2016—2018年，不同稀土礦廢棄地的單位面積水土保持量逐年增加，其中TW廢棄地于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廢棄地經(jīng)治理后，其水土保持量的增幅較大，第4年(36680.73 t·hm-2)即達(dá)到上一年(16326.63 t·hm-2)的2.25倍，水土流失量(≤50000 t·hm-2·a-1)達(dá)標(biāo)。SCT廢棄地經(jīng)10 a的治理，隨水土保持量逐年增加，形成了較穩(wěn)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，水土流失量達(dá)標(biāo)。該地地形坡度較陡，基本未實(shí)施坡面平整的固坡措施，經(jīng)穴狀整地栽植林木治理為主；治理期間，因坡陡，兼經(jīng)采礦剝離和對(duì)地表破壞較嚴(yán)重的堆浸采礦生產(chǎn)，人為擾動(dòng)的土壤極其松散，治理的第8年，水土流失仍較嚴(yán)重，坡底的攔沙壩截留大量淤積的流沙；當(dāng)桉樹(shù)、濕地松森林群落發(fā)育成龐大根系錨固地表后，減少水土流失量至達(dá)標(biāo)(≤50000 t·hm-2·a-1)，延長(zhǎng)治理期約至10 a。KST、SCT廢棄地的坡面坡度總體較緩，均在25°～32°，也可能是因?yàn)椴扇”榷呀^小的地表破環(huán)浸池采礦生產(chǎn)方式，經(jīng)對(duì)坡面平整、生態(tài)植草護(hù)坡和坡底攔截水土流失工程的生態(tài)治理措施，植被覆蓋率達(dá)65%以上，水土流失減低至達(dá)標(biāo)，在時(shí)間較短的3～5 a間，達(dá)到初期的水土保持治理效果。這表明，對(duì)陡坡地形的地表平整環(huán)節(jié)，即陡坡緩降的平整措施后，再進(jìn)行地表的植被覆蓋，可以提速水土保持的治理效果。

在影響離子型稀土礦廢棄地水土保持量變化趨勢(shì)的因子中，因均在小尺度的同一局域范圍，分別來(lái)自降雨和土壤影響的地表侵蝕K、R因子的差異??；其中受植被生長(zhǎng)狀況C的影響存在一定的差異，主要受不同廢棄地的修復(fù)時(shí)間不一致的影響所至(表1)；而受地理影響因子L、S、P值的影響極大。因此，本礦廢棄地水土侵蝕量主要受L、S、P值和C值的影響(表4～表5)。在研究時(shí)段，不同影響因子基本隨年度增加而減少，不同廢棄地的土壤地表徑流侵蝕量隨之下降，單位面積的水土保持量最高值均出現(xiàn)在2018 年(表3)。

表3 不同廢棄地年水土保持量與水土流失量的年度變化

表4 不同廢棄地水土保持的影響因子

*：2018年統(tǒng)計(jì)。

表5 不同廢棄地坡長(zhǎng)因子與植被覆蓋因子的年度變化

3 結(jié)論與討論

贛南離子型稀土礦廢棄地治理中較大范圍地推廣應(yīng)用了植被恢復(fù)與工程固坡相結(jié)合的治理模式，本研究結(jié)果表明：從水土流失控制層面來(lái)看，草被、灌草、林草3 種植被覆被治理模式均具有減少地表土壤侵蝕、保持水土的顯著作用，不同治理模式存在明顯的差異，表現(xiàn)為草被<灌草<林草，初期治理至水土流失量達(dá)標(biāo)時(shí)間分別為3 a、5 a、10 a。廢棄地水土侵蝕量主要受坡長(zhǎng)因子L、坡度S、水土保持因子P值和植被覆蓋因子C值的影響，不同治理模式的土壤侵蝕影響與水土流失量基本均隨年度增加而減少，土壤地表徑流侵蝕量逐年下降也較明顯，故廢棄地的單位面積水土保持量逐年增加。

植被恢復(fù)與工程固坡是礦廢棄地水土保持的重要措施之一，它不僅保持水土，而且起到綠化美化的效果。對(duì)于易風(fēng)化巖狀基質(zhì)的礦區(qū)，一般于停止采礦活動(dòng)的1～5 a后對(duì)礦區(qū)進(jìn)行平整，邊回采邊回填，下坡位修墻、壩等攔擋工程措施，然后經(jīng)客土或人為創(chuàng)造土壤層，全覆土植被恢復(fù)模式治理水土流失，歷經(jīng)地貌重塑、土壤重構(gòu)、植被重建與生態(tài)重建的較長(zhǎng)時(shí)期的生態(tài)修復(fù)過(guò)程[28-29]。本研究離子型稀土礦廢棄地的巖狀風(fēng)化殼的基質(zhì)剝離較嚴(yán)重，土壤表層的砂礫比例大，經(jīng)采礦與堆浸或浸池等人為干擾后的邊坡愈加陡峭，這類(lèi)侵蝕屬人為強(qiáng)度干擾產(chǎn)生的特殊地質(zhì)侵蝕類(lèi)型，土地?fù)p毀極為嚴(yán)重，尤其需要植被修復(fù)前的陡峭邊坡緩降的整形地貌重塑[28]。本文實(shí)地調(diào)查和水土保持?jǐn)?shù)據(jù)估算的結(jié)果與之吻合，廢棄地經(jīng)邊坡平整、3～5 a的植被修復(fù)即可達(dá)到初期水土保持治理效果；而缺失這一重塑地貌環(huán)節(jié)的較陡地形，初期治理時(shí)間可能延長(zhǎng)，甚至需要超過(guò)1倍以上時(shí)間。

工礦區(qū)水土流失來(lái)自強(qiáng)烈的人為活動(dòng)影響，而其礦區(qū)廢棄地是經(jīng)由強(qiáng)度人為干擾后的現(xiàn)地，水土流失的主要加害因素是受到降水特征、地形地貌和植被覆蓋程度等的影響[19-21，29]，普遍表現(xiàn)為降雨強(qiáng)度越大，坡越長(zhǎng)越陡，水土流失量越大；植被覆蓋率越高，水土流失量越小[29]。本文采取通用水土流失方程USLE核算離子型稀土礦廢棄地不同時(shí)段的水土流失量變化，基本保持上述一致的結(jié)論，并且地形的坡度因子作用明顯，強(qiáng)降雨的產(chǎn)流觀(guān)察結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了不同治理模式的植被覆被的反向效應(yīng)。就目前而言，本研究的離子型稀土礦廢棄地水土流失治理主要受地形地貌的坡長(zhǎng)因子L、坡度因子S、水土保持因子P和植被覆蓋因子C的影響。