在生态修复过程中，采矿离子吸附型矿渣尾矿中稀土元素的迁移与富集

《Applied Geochemistry》：Migration and enrichment of rare earth elements in a mining ion-adsorption type deposit tailings under ecological restoration

稀土元素（REEs）在广东华南离子吸附型稀土矿区生态恢复区的迁移规律及其驱动机制研究。通过对土壤和水体中REEs的浓度、形态及分异特征分析，发现修复后土壤总REEs含量（221 mg·kg?1）显著低于原生矿（446 mg·kg?1），但高于区域背景值（170 mg·kg?1），表明有效生态恢复。然而上游矿区水体总REEs浓度高达7085 μg·L?1，随下游迁移递减至152 μg·L?1，且形态以硫酸配合物为主（上游）和碳酸配合物为主（下游），与pH（4.8-7.2）和硫酸根浓度（ upstream: 120 mg·L?1；downstream: 38 mg·L?1）显著相关。研究揭示了生态恢复对土壤REEs的固定作用与矿区水体污染的空间分异规律，为修复区环境风险管控提供理论依据。

　　

林卓玲|林龙勇|程胜|魏高岭|邓一荣|李俊春|黄广庆

中国南方土壤污染控制与修复国家区域联合工程研究中心，广东省农业环境污染综合控制与管理重点实验室，广东省科学院生态环境与土壤科学研究所，广州510650，中华人民共和国

摘要

稀土元素（REEs）是全球重要的战略资源。离子吸附型稀土矿物的大规模开采造成了严重的生态破坏，由此引发了众多环境修复工作。然而，生态修复区域内稀土元素富集和迁移的机制及影响因素仍不明确。本研究考察了中国南方离子吸附型稀土矿床生态修复区周围土壤和地表水中稀土元素的浓度、形态和分馏情况。修复后的矿区土壤中稀土元素含量较低（平均值：221 mg kg^-1），表明修复效果显著。稻田表层土壤（平均值：200 mg kg^-1）和0–100 cm深度土壤（平均值：100 mg kg^-1）的稀土元素总量没有显著富集。然而，受采矿活动影响的上游地区地表水中稀土元素的平均含量比自然背景水平高出五个数量级，从上游的7085 μg L^-1逐渐下降到下游的152 μg L^-1。根据计算结果，上游矿区稀土元素主要以REE(SO₄)⁺和REE³⁺的形式存在，而下游则以REE(CO₃)⁺和REE(CO₃)₂^-复合物为主，这归因于HCO₃^-浓度的升高和pH值的改变。LREEs/HREEs比的变化表明，土壤中的稀土元素主要来源于母岩的风化，而地表水污染则主要由采矿活动引起。这些发现表明，土壤中稀土元素富集程度较低与水体污染程度之间存在显著的空间脱钩。因此，阻断离子吸附型稀土矿开采造成的污染途径对于保护环境和作物安全至关重要。

引言

离子吸附型稀土（REE）矿床是全球重要的资源，因为它们是电动汽车、风力涡轮机和国防系统等先进技术所需的高需求重稀土元素（HREEs）的主要来源（Binnemans等人，2013年；Strzelecki等人，2022年）。这类矿床是通过一系列母岩的长期风化形成的，包括富含稀土的碱性花岗岩、流纹岩和变质岩（Bao & Zhao，2008年；Sanematsu等人，2016年），其中稀土元素主要以吸附离子的形式存在于风化层中，可通过离子交换法提取。这类矿床的开采始于20世纪80年代，已从堆浸和池浸技术发展到原位浸出技术，常用的浸出剂是硫酸铵（(NH₄)₂SO₄）。与传统采矿方法相比，原位浸出对周围环境的破坏较小，且降低了采矿成本（Davranche等人，2005年；Liu等人，2019a年）。

由于原位浸出的高可行性，长期的非法采矿活动导致了稀土元素的大规模迁移和扩散。这不仅导致稀土资源的持续消耗，还引发了严重的生态退化（如森林砍伐和滑坡）及环境污染。例如，矿山关闭后，残留的(NH₄)₂SO₄逐渐释放到环境中（Pujiwati等人，2021年；Wang等人，2022b年）。高迁移性的NH₄⁺进一步促进了稀土元素及相关重金属（如Cu、Pb、Zn）的溶解，使其进入渗滤液。这些污染物通过雨水或地表径流传播，污染了附近的土壤和地表水。采矿过程中稀土元素和重金属的低效回收加剧了这些风险（Pujiwati等人，2021年；Wang等人，2022b年）。先前的研究（Olias等人，2018年；Zhuang等人，2017年）发现，尾矿周围的环境受到严重污染，地表水中的稀土元素浓度最高达到196 mg L^-1（Wang等人，2023年）。

尽管稀土元素被视为植物养分，但过量摄入会对生物造成危害。例如，高浓度的镧会抑制作物根系的生长并破坏植物的叶绿体结构。对于人类而言，土壤和水中的稀土元素可通过食物链进入人体，对器官和神经系统产生不良影响（Huang等人，2022年；Korotkov等人，2020年）。即使长期暴露于低浓度的稀土元素也会对儿童健康造成损害（Cao等人，2024年；Li等人，2020b年）。鉴于稀土元素从风化层尾矿中持续释放及其巨大危害，对开采矿床进行可持续修复具有重要意义（Liu等人，2022a年）。近年来，生态修复成为一种有前景的策略，因为它能有效维持土壤结构和肥力（Li等人，2024年；Wang等人，2022a年）。同时，先锋植物的应用不仅可以固定易迁移的稀土元素，还能促进其转化为稳定的形式（Cui等人，2024年；Han等人，2025年）。

生态修复在尾矿保护方面已被证明有效，但其对稀土元素迁移的抑制机制仍不清楚。理论上，稀土元素的迁移受多种因素影响，如pH值、Eh值和配体络合（Johannesson等人，1996年）。酸性pH值有利于稀土元素从结合态转变为溶解态，加速其迁移；但随着pH值升高，稀土元素的沉淀会抑制其移动（Yang等人，2019年）。铈（Ce）根据氧化还原条件的不同，可以以三价（Ce³⁺）或四价（CeO₂）形式存在（Bao和Zhao，2008年）。在酸性pH值下，离子形式和硫酸盐复合物最为重要；而在中性至碱性pH值下，碳酸盐复合物占主导（Biddau等人，2002年）。因此，将尾矿到周围环境的pH值、氧化还原条件和配体组成的变化与稀土元素的分布和分馏联系起来，有助于理解生态修复机制。然而，这一课题很少通过实地研究进行探讨。

本文分析了典型尾矿生态修复区及其周边地区的环境条件和稀土元素分布。本研究的目标是：i) 比较采矿区和修复区之间稀土元素的富集和空间分布模式；ii) 阐明修复区周围稀土元素的迁移机制；iii) 评估生态修复的效果和机制。

研究区域

研究区域是中国广东省英德市的一个曾开采过的离子吸附型稀土矿床，目前为修复区。该地区属于中国南部的亚热带季风湿润气候（图1）。年平均气温在20.1至22.0 °C之间，降水量在1058至2190 mm之间，年均降水量为1906 mm，主要集中在4月至9月（占总降水量的80.2%）。

土壤中的稀土元素浓度

修复区表层土壤中M1–M8组的稀土元素总量范围为144至324 mg kg^-1，平均值为221 mg kg^-1（表S2）。这些样本的稀土元素总量显著低于采矿前的同一矿床（446 mg kg^-1）（Wu等人，2003年），但略高于该地区的背景土壤值（170 mg kg^-1）（中国环境监测总站，1990年）（图2）。其中，山脊顶部的样本含量最低（M5，144 mg kg^-1），而最高值出现在...

结论

本研究揭示了中国南方修复后的离子吸附型稀土矿床中土壤和地表水中的稀土元素分布和形态特征。修复区的土壤中稀土元素含量降低，表明修复效果显著。土壤中的轻稀土元素（LREEs）相对富集，而重稀土元素（HREEs）没有明显积累；地表水中的稀土元素浓度升高，表现为低pH值和高硫酸盐浓度。

作者贡献声明

魏高岭：撰写、审稿与编辑、项目管理、资金申请、概念构思。程胜：调查研究。林龙勇：数据可视化、数据处理。林卓玲：撰写初稿、方法设计、调查研究。黄广庆：撰写、审稿与编辑、数据可视化。李俊春：数据可视化。邓一荣：项目管理、概念构思

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：92462303）、广东省科技计划（项目编号：2024B0303390002）以及广东省基础与应用基础研究重大计划（2019B030302013）的支持。