溶浸采矿土壤盐基离子迁移及土壤灾变研究

摘要

近年来，随着离子型稀土矿开采工艺的逐渐成熟，原地浸矿已成为主要开采方式。但原地浸矿属于化学置换过程，在稀土元素解吸的同时伴随着盐基的富集和淋失，造成土壤酸缓冲能力下降，养分流失，造成土壤灾变。因此，研究浸矿过程中盐基的迁移对矿区生态环境恢复、减少或预防采矿造成土壤灾变具有重要意义。 本文以龙南县某一离子型稀土矿为研究对象，通过原地浸矿及室内模拟浸矿分析，揭示了土壤盐基离子时空分布特征；采用SPSS对盐基迁移转化因素进行相关性分析、多元回归分析，建立了浸矿土壤 K+与主要影响因子之间的回归方程，讨论稀土浸矿对土壤盐基迁移和土壤灾变的影响，并提出相应的防治措施，主要结论如下： （1）对原地和去离子水（模拟降雨）浸矿前后土壤理化性质与盐基含量及两者间相关性研究发现：原始浸矿土壤有机质含量普遍偏低，原地浸矿后土壤 pH、Eh较浸矿前都降低，阳离子交换量（CEC）较浸矿前增加；模拟降雨浸矿后土壤 pH、Eh和CEC在不同层位存在差异，但总体变化不大；原地浸矿土壤 pH低于模拟降雨土壤， Eh和 CEC高于模拟降雨土壤。原地浸矿土壤盐基总量浸矿后高于浸矿前，模拟降雨土壤盐基总量浸矿后低于浸矿前，但盐基离子含量分布均呈现 K+＞Na+＞Mg2+＞Ca2+。原地浸矿与模拟降雨土壤理化性质与盐基离子之间相关性较弱，部分呈现显著相关。 （2）分析模拟浸矿土壤理化性质及矿物成分变化得出：浸矿土壤矿物成分主要以石英、高岭石、钾长石、云母为主，部分层位含有钠长石，浸矿后土壤矿物成分均发生了不同程度的变化。不同浸矿条件下土壤pH在浸矿初期（5d）急剧降低，随后随浸矿时间逐渐回升，但在浸矿结束（40d）后（除 c=4%外）均低于浸矿前，且总体上以C层 pH最低；Eh随浸矿时间的持续先增加后降低，但在剖面上的变化存在显著差异；CEC随浸矿时间变化起伏较大，但浸矿后在剖面上总体呈A层增加，C层降低。 （3）模拟浸矿土壤盐基离子分布特征表明：土壤盐基总量随浸矿时间起伏变化，在浸矿中表现为上层土壤随浸矿液向下淋溶并在下层土壤累积，且淋溶量随浸矿液 pH和注液强度的降低及浓度的增加而增加。模拟浸矿土壤盐基离子含量大小为为 K+＞Na+＞Mg2+＞Ca2+，且K+占盐基总量的90%~96.4%，Na+仅占2.6%~9.2%。浸出液中盐基离子随浸矿时间的推移整体呈先增加后降低的变化趋势。结合土壤剖面盐基在浸矿初期下降，表明盐基离子主要在浸矿初期大量淋失。不同浸矿条件浸出液中盐基离子K+、Na+、Ca2+、Mg2+组成差异显著，在强酸度和高浓度下浸出液中盐基离子主要为K+、Na+、Ca2+，且随着浸矿液酸度和浓度的增加而增加，注液强度对盐基的浸出存在滞后性。 （4）对土壤盐基离子迁移影响因素进行分析发现：不同层位土壤 pH、Eh和阳离子交换量（CEC）对盐基离子影响程度大小不同，且机制较为复杂。土壤pH与各层位盐基离子总体呈正相关，且与 C层土壤 Na+在0.05水平上显著相关，与 K+在0.01水平上呈显著相关；土壤 Eh与各层盐基离子总体呈负相关，且与 C层土壤 Na+、K+在0.05水平上呈显著相关；阳离子交换量（CEC）与各层盐基离子总体呈负相关。盐基离子间相关性表现为A、C层土壤Mg2+与Na+、K+均呈正相关，B层土壤Mg2+与Na+、K+均呈负相关；Na+与 K+在各层位均呈显著正相关。不同浸矿条件下均以 Na+对 K+的影响最大，浸矿条件对K+的影响以浓度＞注液强度＞pH。 （5）浸出液中Al3+、Si4+含量的变化及浸矿土壤和尾矿表层土pH及有机质分析表明，浸矿导致了矿区盐基离子的淋失、土壤有毒物质 Al3+的活化和硅酸盐矿物的风化，致使矿区土壤逐渐酸化和贫瘠。建议在浸矿过程定期的施加一些石灰和草木灰等来降低土壤pH和补充土壤钾元素的淋失，适当添加生物炭或作物根茎来提高土壤有机质含量，从而提高土壤酸缓冲能力。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 研究背景

1.2 课题来源及选题意义

1.3 国内外研究现状

1.4 研究方法、内容与技术路线

第二章 研究区地质环境概况

2.1 地理位置与交通

2.2 气象与水文

2.3 地层与岩性

2.4 地质构造

2.5 土壤

2.6 离子型稀土矿矿床成因及矿物特征概述

2.7 本章小结

第三章 原地浸矿土壤理化性质特征

3.1 剖面选择及样品采集分析

3.2 浸矿前后土壤的理化性质

3.3 浸矿前后土壤盐基离子特征

3.4 原地浸矿与模拟降雨下盐基离子迁移规律分析

3.5 本章小结

第四章 模拟浸矿实验方案及样品分析方法

4.1 实验模拟及方案设计

4.2 分析内容、测试方法及仪器设备

4.3 土壤基本性状测定

4.4 阳离子交换量与盐基离子的测定

4.5 数据处理与统计分析

4.6 本章小结

第五章 模拟浸矿对浸矿土壤理化性质和盐基离子的影响

5.1 模拟浸矿对浸矿土壤矿物成分的影响

5.2 模拟浸矿土壤理化性质特征

5.3 模拟浸矿土壤盐基离子分布特征

5.4 不同浸矿条件下浸出液pH/Eh及盐基离子的变化

5.5 本章小结

第六章 土壤盐基离子迁移规律分析

6.1 相关分析

6.2 回归分析

6.3 盐基迁移转化规律总结

6.4 本章小结

第七章 原地浸矿土壤灾变及防治措施研究

7.1 浸出液中Al3+、Si4+含量随浸矿时间的变化

7.2矿区土壤灾变及防治措施建议

7.3 本章小结

第八章 结论与展望

8.1 结论

8.2展望

参考文献

致谢

个人简历、攻读学位期间发表论文及参与项目

一、个人简介

二、已发表的论文

三、科研项目