不同侵蚀强度对崩岗稀土迁移及阻控的影响

梁美霞,陈志彪,陈志强,郑宗沧,区晓琳

(1.泉州师范学院资源与环境科学学院，福建 泉州 362000;2.福建师范大学地理科学学院，福建 福州 350007;3.福建师范大学湿润亚热带生态地理过程教育部重点实验室，福建 福州 350007)

崩岗是我国南方红壤区花岗岩风化壳及其风化土体在水力-重力复合侵蚀交替作用下形成的产物，是粗晶花岗岩红壤区生态系统退化的最高表现形式和最为典型的土壤侵蚀方式，被形象地称为南方红壤区的“生态溃疡”[1]。粗晶花岗岩区发育的红壤中普遍富含稀土元素(REEs)，稀土元素指由具有相似的化学和地球化学性质的15种镧系元素(La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb和Lu)以及Sc和Y组成[2]。已有研究发现在雨水的冲刷作用下，大量稀土元素随土壤侵蚀而迁移。由于稀土在环境中的持久性、生物累积性和慢性毒性[3]，稀土可通过食物链进入人体中，对人体构成潜在的健康威胁，成为一个新兴的环境问题[4]。目前，关于崩岗的研究多涉及崩岗基本概念、侵蚀影响因素、侵蚀机制、土壤生态化学计量及防治等[5-9]，研究崩岗侵蚀区土壤中稀土元素含量特征及水平迁移情况尚鲜见报道。

稀土在土壤中的迁移，包括垂直和水平方向的迁移，在垂直层面上，稀土在土壤剖面中的垂直分布因土壤类型而异，通常富集于表层，向下迁移能力很弱。垂直向上的稀土迁移被称为生物迁移，主要集中在土壤-植物系统之间的迁移、积累，因不同植物的吸收富集能力以及在各个器官的迁移状况而异，其中，蕨类植物芒萁(Dicranopterisdichotoma)表现出极强的积累富集、迁移稀土元素能力，器官之间呈现出叶>根>茎的迁移能力差异[10-11]。因此，可通过选择合适的耐性植物转化污染物形态，达到阻控污染物迁移的目的。在水平层面上，稀土迁移则主要通过土壤侵蚀。已有研究发现土壤侵蚀现状将影响稀土的水平迁移量[12]。

福建省长汀县是我国南方粗晶花岗岩红壤区崩岗侵蚀最严重的区域之一，同时，也是全省稀土储量最丰富(达福建省稀土探明储量的60%以上)、产业发展最早的地区。因此，选取福建省长汀县崩岗群中3种不同侵蚀强度的典型崩岗样地为研究对象，开展不同土壤侵蚀强度对崩岗样地土壤中稀土元素含量特征及水平迁移的影响研究，旨在揭示土壤侵蚀强度对稀土元素迁移的影响机制，为制定崩岗系统稀土元素阻控的生态恢复措施提供决策参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

选取福建省长汀县濯田镇西南部黄泥坑崩岗群(25°31′49″ N，116°16′52″ E)作为研究区，该区地质结构复杂，境内陡坡、山地和丘陵多，属于中亚热带季风性气候区，降雨量充足，平均达1 710 mm。土壤为粗晶花岗岩风化发育而成的侵蚀性红壤，抗侵蚀性能较弱。加上人类活动干扰，大量植被受到破坏，山体裸露，在强降雨条件下，山体表层土被雨水冲刷侵蚀下切至砂土层，由此形成切沟。由于砂土土体疏松且抗蚀性差，在跌水作用下形成崩壁，冲刷下来的泥沙堆积在崩壁底部而形成崩积体，崩积体随雨水径流运至下游，形成了典型的崩岗地貌。

依据样地选择的典型性和代表性，在长汀县崩岗群中选取同一集水区域内的海拔和坡度相近、母岩和成土条件相同、地表生境条件相似的 3 条不同侵蚀强度的崩岗作为研究样地，其崩壁侵蚀皆接近山体分水岭，均属于崩岗发育的后期。由于坡面侵蚀沟汇水特征的差异，崩岗Ⅰ受崩壁跌水影响，属于强度侵蚀崩岗，崩岗内白色粗粒石英颗粒随处可见；崩岗Ⅱ因降水强度差异受崩壁间歇性跌水的影响，属于中度侵蚀崩岗，崩岗内赤褐色表土裸露，质地疏松，有部分植物侵入；崩岗Ⅲ由于崩壁跌水消失，属于微度侵蚀崩岗，植物侵入后，除了崩壁有部分土体出露，其余部位均有植被覆盖。崩岗Ⅱ位于崩岗Ⅰ西侧约5 m处，崩岗Ⅲ位于崩岗Ⅱ西南方向约10 m处。3条典型崩岗样地的环境特征见表1。同时，在3条不同土壤侵蚀强度的崩岗侵蚀沟西南约100 m处选择一处海拔和坡度相近、母岩和成土条件相同的非崩岗侵蚀对照坡面作为参照样地，该样地地表植被以稀疏马尾松和芒萁、五节芒为主，植被总覆盖度为70%，无基岩裸露，用于对比不同侵蚀强度的崩岗和非崩岗样地稀土含量特征及迁移情况。

表1 长汀崩岗样地环境特征

1.2 样品采集与分析

于2016年9月28—30日在每条崩岗内，按照集水坡面、崩壁、崩积体和沟道4个不同部位设置取样地，而对照坡面采取与3条崩岗大致对应海拔位置，按照坡顶、坡上部、坡中部和坡下部4个不同部位设置间隔4 m的取样地，每区均以多点混合方式重复取样3次，分别采集0～20 cm表层土壤，按照四分法取0.5 kg左右混合样置于标记好的聚乙烯自封袋内。同时，在毗邻崩岗样地100 m处未治理的稀土浸提尾矿崩岗侵蚀沟中选取芒萁生长旺盛点，从芒萁植物的最底部逐段、逐层挖去上层覆土，沿着根系生长方向，找到不定根部分，用剪刀剪下，置于地面的牛皮纸上，重复取样3次，用于采集芒萁非根际与根际土壤样品。

实验室内，于2016年10月起对带回的土壤样品去除石英颗粒、植物根系等，并风干置于阴凉处，随后用玛瑙研钵研磨粉碎、过筛，装入自封袋编号，用于后续稀土元素含量和结合形态的测定。

1.2.1土壤稀土元素变量指标

稀土变量包括稀土总量(TREE)、重稀土(HREE)含量、轻稀土(LREE)含量以及稀土元素的结合形态。

由表4中可以看出，西部矿业股份有限公司近五年的存货周转率分别为17.68、15.03、25.62、20.78、13.14，呈现先减后增再减的状态，其增减幅度较大，尤其是2015与2017年三年间，因为企业的营业成本及存货平均余额都是呈直线上升状态，存货周转率直线下降，企业的存货周转相对较差，表明企业积压的存货较多，可能与有色金属业产能过剩有关。

首先，将土壤样品用玛瑙磨碎，过0.149 mm孔径聚乙烯筛研磨后，加入混合酸(1.5 mL HF和0.5 mL HNO3)后，称取0.04 g土壤样品在150 ℃条件下干燥15 h，所得盐再溶于HNO3和高纯水中，稀释至60 mL进行分析。在福建师范大学亚热带山地生态重点实验室(科技部福建省重点实验室)[13]采用电感耦合等离子体质谱仪ICP-MS (X系列2，Thermo-Fisher，USA)测定15种稀土元素含量。因此，稀土总量(TREE)为所测定的15种稀土元素含量之和(不含Pm、Sc)；轻稀土(LREE)含量指La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu这6种稀土元素含量之和；重稀土(HREE)含量指Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Y这9种稀土元素含量之和。

稀土元素结合形态则采用Tessier连续提取法，TESSIER等[14]将其分为可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机物结合态和残渣态，形态测定方法见表2。连续提取过程中提取前4种结合形态，残渣态用差减法求得，不会造成稀土各形态间的再分配。用电感耦合等离子体质谱仪ICP-MS(X系列2，Thermo-Fisher，USA)测定提取液中稀土含量。

表2 土壤中稀土元素形态分析法(连续提取法)

1.2.2非根际与根际土壤样品稀土元素前4态含量测定

根据根际土与非根际土的区分要求，手捧上部约20 cm土体轻轻抖动，收集掉落的大块不含根系的土壤，放入聚乙烯自封取样袋中作为非根际土壤样品；用软毛刷轻刷紧贴芒萁根系的包土，收集芒萁根系包土样，放入聚乙烯取样袋作为根际土壤样品，然后按照上面所述的Tessier连续提取法用电感耦合等离子体质谱仪ICP-MS(X系列2，Thermo-Fisher,USA)测定提取液中芒萁非根际与根际稀土元素前4态含量。

1.3 数据处理与分析

利用Microsoft Excel软件整理室内实验的原始数据，采用SPSS 22.0软件分析数据。首先，判断样本数据是否符合正态分布，若服从正态分布，用算术平均值表示其平均含量；若不服从正态分布，但服从对数正态分布，用几何平均值表示其平均含量；若既不服从正态分布，也不服从对数正态分布，则用中位数表示其平均含量。然后，进行样本之间的显著性差异检验。若符合正态分布，且满足方差齐次检验，用one-way ANOVA进行单因素方差分析及LSD多重比较显著性检验。若不符合正态分布或未能通过方差齐次检验，则采用非参数分析过程中的Kruskal Wallis秩和检验方法。最后，采用Origin 9.0软件绘制图形。

2 结果与分析

2.1 不同侵蚀强度崩岗与非崩岗坡面稀土含量对比

表3显示，强度侵蚀崩岗(崩岗Ⅰ)LREE、HREE和TREE最高值均出现在沟道部位，中度(崩岗Ⅱ)和微度侵蚀崩岗(崩岗Ⅲ)出现在崩积区部位，而非崩岗的对照坡地LREE、HREE和TREE最高值则出现在坡面最顶部，说明随着崩岗侵蚀强度的加深，稀土呈现向下游迁移能力增强的趋势；不同部位LREE/TREE值均大于70%，说明土壤中LREE占据绝对优势。从崩岗系统TREE含量来看，呈现出崩岗Ⅲ(380.11 mg·kg-1)>对照(314.56 mg·kg-1)>崩岗Ⅱ(214.51 mg·kg-1)>崩岗Ⅰ(199.38 mg·kg-1)的规律。

表3 不同侵蚀强度崩岗与非崩岗不同部位稀土含量

同一土壤侵蚀强度下，崩岗与对照坡面不同部位土壤中TREE含量均达到显著性差异(P<0.05)，如图1所示，TREE含量在崩岗Ⅰ沟道、崩岗Ⅱ和崩岗Ⅲ崩积区、对照坡面坡顶含量最高。同一部位不同样地间，除崩壁区外，其他部位在不同样地间土壤中TREE含量也均达到显著性差异(P<0.05)，TREE含量集水坡面部位最高值出现在对照样地，崩积区部位最高值出现在崩岗Ⅲ，沟道部位最高值出现在崩岗Ⅰ。

TREE含量以算术平均值±标准误表示。英文大写字母不同表示同一侵蚀强度不同部位间TREE含量差异显著(P<0.05)；英文小写字母不同表示同一部位不同侵蚀强度样地间TREE含量差异显著(P<0.05)。

2.2 崩岗与非崩岗坡面稀土结合形态分异

表4 不同侵蚀强度崩岗与非崩岗不同部位稀土结合形态含量

图2反映了不同侵蚀强度崩岗与非崩岗坡面稀土元素结合形态在土壤稀土全量中所占比例的变化。按重要性及占比，基本上稀土元素不同结合形态的排序为残渣态>可交换态>铁锰氧化物结合态>有机物结合态>碳酸盐结合态，与前述各稀土元素结合形态的分布规律相一致。

图2 不同侵蚀强度崩岗与非崩岗坡面稀土元素各结合形态在土壤稀土全量中的占比

图3中不同侵蚀强度崩岗的稀土可交换态占比较对照坡地高，经单因素方差分析，不同侵蚀强度崩岗的稀土可交换态占比与对照样地之间达到显著性差异(P<0.05)，而对照坡地稀土残渣态占比明显高于不同侵蚀强度崩岗占比，稀土残渣态占比在对照样地与崩岗间也达到显著性差异(P<0.05)。各样地有机物结合态仅占红壤稀土总量的2%左右，可见，红壤中能直接被利用的稀土含量或者说“速效”稀土的量总体来说是较低的，大部分稀土以无效态形式存在。

稀土可交换态、残渣态占比均以算术平均值±标准误表示。英文大写字母不同表示不同侵蚀强度间稀土可交换态占比或残渣态占比差异显著(P<0.05)。

2.3 芒萁生长对土壤中稀土元素结合形态的影响

20世纪60年代末、70年代初，Riley等根据在根系表面抖落和粘着的程度来区分根际土与非根际土。松散粘附在根系表面，距根面0～4 mm的土壤为根际土，抖落下的为非根际土(原土体)[15]。根际是养分、水分或有害物质进入根系参与食物链物质循环的门户，是植物体与土壤之间物质循环和能量流动的纽带。通过研究芒萁生长地非根际与根际土中稀土前4态含量的差异，旨在揭示芒萁生长对于土壤中稀土结合形态的影响及稀土元素在土壤-植物体之间的迁移能力。

稀土结合态中的前4态在某些特定条件下是不稳定的，易转化为生物可给态，统称为“非稳定态”。由图4所示，非根际土与根际土中稀土可交换态与其他3态之间均达到显著性差异(P<0.05)，在生物可给态中占据绝对优势。非根际土生物可给态平均含量为214.90 mg·kg-1，根际土生物可给态平均含量可达231.78 mg·kg-1。

稀土4态含量以算术平均值±标准误表示。柱子上方英文大写字母不同表示芒萁生长地非根际或根际土壤中稀土4态含量间差异显著(P<0.05)。

3 讨论

3.1 不同侵蚀强度崩岗与非崩岗坡面稀土含量特征

土壤中稀土主要来源于包括石英、长石等未完全风化的主矿物和大部分副矿物(磷灰石、褐帘石、独居石等及铁锰结核)及主矿物分解物质，前者分布广泛，但稀土含量较少，后者分布虽少，却富含稀土[16]。而土壤中稀土元素含量的多寡除了受其母质、质地、风化历史和成土过程、有机质含量和反应活性等影响外，还受人为干扰的影响[17]。朱溪流域部分地区由于当地居民的活动干扰，大量植被遭受破坏，使得山体裸露，形成了不同侵蚀强度的崩岗地貌。已有研究发现，在雨水的冲刷作用下，大量稀土元素随土壤侵蚀有向低海拔地区迁移的趋势，笔者对不同侵蚀强度崩岗不同部位稀土含量的研究结果与之相一致，崩岗地貌中，植被覆盖度越低，土壤侵蚀强度越强，随泥沙向下游迁移的稀土量就越大。因此，侵蚀强度最大的崩岗，其稀土含量最大值出现在沟道部位，而未发生崩岗的对照坡面稀土含量最大值则位于坡顶部。这说明崩岗系统在植被自然恢复过程中，随着先锋植物芒萁的入侵并成功定植及生长，植被状况得到改善，崩岗侵蚀强度得到一定遏制，表层稀土的水平迁移也得到了一定程度的阻控。

已有研究表明，花岗岩地区土壤中稀土元素含量与铁、锰含量有关[10]。花岗岩风化壳中，离子吸附型稀土矿主要以离子态存在，被高岭土等黏土矿物吸收[18]。笔者研究得到TREE随着植被覆盖度的提高，侵蚀强度降低，土壤中稀土含量越高，说明随着植被的恢复，崩岗系统愈加稳定，土壤中稀土迁移量越少，表明阻控稀土迁移能力也就越强。但是，不同侵蚀强度崩岗平均稀土含量仍达到264.67 mg·kg-1，非崩岗坡面稀土含量达到314.56 mg·kg-1，均高于地壳中稀土元素含量(188.80 mg·kg-1)、地壳上部(约150 mg·kg-1)[10]、中国土壤中稀土元素含量(186.76 mg·kg-1)[19]和福建省土壤背景值(223.47 mg·kg-1)[20]。强度侵蚀的崩岗稀土含量达199.38 mg·kg-1，虽略低于福建省土壤背景值，但仍富集较多的稀土元素，应加强极度退化生态系统崩岗的生态恢复治理，阻控稀土向下游迁移。

笔者研究所得到的稀土元素La、Ce、Pr、Nd含量明显大于其他稀土元素含量1个数量级，不同侵蚀强度下崩岗和非崩岗LREE/TREE平均值均大于80%，说明土壤中LREE占据绝对优势(红壤中稀土元素以轻稀土元素为主)，这符合表生风化条件下稀土元素的分布规律[21]，主要与轻、重稀土元素对土壤的吸持性差异有关。轻稀土由于离子半径较大，易被土壤吸附；而重稀土由于离子半径相对较小，易与水中溶体结合成复合物而被解吸[22]。这与笔者由之前的人工降雨实验得到的随泥沙迁移的轻稀土含量高于重稀土含量结果[12]相一致。

3.2 不同侵蚀强度崩岗与非崩岗坡面稀土结合形态分异特征

虽然稀土元素具有相似的地球化学行为，但在表生条件下，不同稀土元素之间也可能出现分异现象，造成其在土壤中分布和分配的差异性[21]。所有结合形态稀土元素的平均值符合元素分布的Oddo-Harkins规则，反映了稀土元素由于其基本地球化学性质的相似性，它们之间的分布具有相似的变化规律[21]。稀土结合态中前4态在某些特定条件下是不稳定的，易转化为生物可给态，统称为“非稳定态”，而第5态残渣态因保持在矿物晶格中，生物难以利用，成为“稳定态”[17]。在非崩岗坡面以残渣态为主，其含量最高，占据绝对优势，反映了红壤中稀土元素的大部分以无效态形式存在，这可能是因为稀土元素主要存在于土壤中一些含稀土的副矿物及铁锰氧化物等难溶氧化物的稳定矿物中，被土壤中有机质及被黏粒矿物吸附而可置换的稀土含量较低所致。而在极度退化生态系统的崩岗系统中，由于地表覆被与覆盖的变化，土壤基底环境的改变，可交换态稀土含量明显高于非崩岗坡面土壤，其非稳定态所占比例明显高于非崩岗坡面，由于各种非稳定态稀土元素在某些特定条件下能转化为生物可给态，使之具有生物有效性。因此，对于崩岗退化生态系统，探讨稀土超累积植物的生态恢复措施将有利于阻控稀土的水平迁移，减少对下游的潜在污染性。

3.3 超累积植物芒萁对稀土水平迁移的阻控

芒萁是一种广泛分布于我国亚热带地区的古老蕨类植物，具有喜阳、喜酸、耐贫瘠、耐旱的特点[23]，是崩岗系统生态退化过程中最后退出而生态恢复过程中最早进入的草本植物之一[24]。芒萁不仅防治水土流失效果好，而且是富集稀土元素的主要植物种类，利用芒萁的生物调控措施可以有效地阻控稀土元素的水平迁移[11]。

目前已有较多研究集中于土壤-芒萁系统中稀土元素的分布、累积和迁移[25]，关于非根际与根际土中稀土元素生物可给态含量如何影响稀土元素向地上部分植物体迁移的研究尚鲜见报道。已有研究表明，土壤中稀土元素全量不能作为判断对植物供给能力的指标，只有可给态对植物才是有效的[26]。而根际微域内稀土可给态含量直接决定着植物实际吸收量。笔者研究中，由于芒萁的生长，根际土中稀土可给态含量大于非根际土，表明稀土可给态有由原土体向根际土迁移，继而往上向芒萁植物体迁移、累积的趋势。芒萁作为稀土超累积植物之一，其体内稀土含量主要来源于根际微域内稀土可给态含量。极度退化生态系统崩岗可通过自然恢复，促进先锋种植物芒萁的侵入，一方面提高植被覆盖度，减少土壤流失量；另一方面促进土壤中稀土元素向芒萁植物的迁移、累积，从而达到阻控崩岗系统稀土元素向下游迁移、降低潜在生态风险水平的目的。

4 结论

(1)不同侵蚀强度崩岗不同部位稀土含量差异显著，侵蚀强度最大的崩岗其稀土含量最大值出现在沟道部位，而非崩岗的对照坡面稀土含量最大值则位于坡顶部。因此，在崩岗系统中，植被覆盖度越低，土壤侵蚀强度越强，随泥沙向下游迁移的稀土量就越多，这表明随着崩岗侵蚀强度的加深，稀土呈现出向下游迁移能力增强的趋势。

(2)崩岗系统虽为生态系统退化的最高表现形式，但土壤中仍富集较多的稀土元素，应加强极度退化生态系统崩岗的生态恢复治理，阻控稀土向下游迁移。

(3)极度退化生态系统崩岗中，可交换态稀土含量明显高于非崩岗坡面，生物可给态稀土所占比例明显高于非崩岗坡面。因此，对于退化生态系统崩岗，探讨稀土超累积植物的生态恢复措施将有利于阻控稀土的水平迁移，减少对下游的潜在污染性。

(4)极度退化生态系统崩岗可通过自然恢复，促进先锋植物种芒萁的侵入，一方面防治水土流失，减少表层稀土迁移量；另一方面可促进土壤中稀土元素向芒萁植物体的迁移、累积，最终达到阻控崩岗系统稀土元素向下游迁移、降低潜在生态风险水平的目的。