稀土原地浸矿残余氨氮的时空分布:基于稀缺数据的建模

发布时间:2022-11-23  浏览次数:10

       文章简介:

      稀土是国家重要的战略资源,对其进行可持续的开发利用,实现战略价值,经济价值和生态价值的和谐统一,具有重要的研究意义。利用硫酸铵进行原地浸矿是目前开采离子型稀土矿的主要工艺。该工艺主要通过向矿山中注入硫酸铵溶液,在土壤中的稀土离子与铵根离子交换后对其进行收集和提纯。然而,该工艺会造成大量铵根离子残留于稀土矿山中,并在雨水的淋滤下不断进入周边水体,对当地造成严重的水环境污染和生态系统破坏。系统研究稀土矿山土壤氮在原地浸矿及其后续淋滤过程中的时空分布特征与迁移转化机制有助于评估矿区流域的生态系统风险,并为因地制宜制定矿区环境污染控制和生态修复措施提供必要的决策支持。

       迄今为止,有关稀土矿山残留氮淋滤和运移过程的研究大多局限于室内土柱试验,现场模拟研究十分缺乏。究其原因主要在于稀土矿区大都地理位置偏远、交通不便,且区域背景数据十分匮乏,且整个矿山水文地质和环境领域对于稀土矿这一重要但特殊的环境问题关注度不够。为此,本研究在赣州某稀土矿山(图一)构建场地HYDRUS-2D模型(图二),模拟稀土矿山土壤NH4-N与NO3-N在2016-2021年间原地浸矿、人工冲洗和自然雨水淋滤过程中的迁移转化机制。研究结果表明,该稀土矿山土壤中的NH4-N与NO3-N时空分布格局存在明显差异。土壤NH4-N的时空分布显著受到原地浸矿过程的影响,人工冲洗和五年雨水淋滤过程只能去除土壤残留NH4-N量的10%。相较于NH4-N,土壤NO3-N的时空分布格局受土壤水分运移过程的影响更为显著。该研究所建立的HYDRUS模型可作为在背景数据稀缺的稀土矿区研究原地浸矿剂迁移转化过程与时空分布的框架,具有广泛的应用前景,未来可与流域尺度的模型耦合,实现氨氮污染负荷时空动态的预测和预警,为场地的可持续生态修复和管理提供定量的科学支撑。

       以上研究(Spatiotemporal distribution of residual ammonium in a rare-earth mine after in-situ leaching: A modeling study with scarce data)发表在水文学领域的顶级期刊Journal of Hydrology,该研究获得国家重点研发计划项目、国家自然科学基金等项目支持。本文第一作者杨晓英为复旦大学环境系副教授,长期从事流域水环境模拟、流域污染控制、气候变化与流域水安全领域的研究工作。通讯作者王梓萌研究员为复旦大学环境系水土界面过程研究团队负责人,从事环境地球化学和污染物迁移转化研究,并任Applied Geochemistry执行主编。高效江副教授、潘泽真青年副研究员参与了本项研究。中科院南京土壤所,江西理工大学作为项目及课题牵头单位为研究提供了技术、样品和场地支持。

图一: 研究区域

图二: 稀土矿山的HYDRUS-2D概念模型框架与边界条件

       主要结论:

       1、项目组在稀土矿山的顶部、中部和山脚处分别钻井取样,用于监测三处土壤残留氮含量的垂向分布。图三、图四分别比较了土壤NH4-N与NO3-N在矿山顶部、中部和山脚三处的垂向分布模拟与监测结果。研究结果显示:土壤NH4-N与NO3-N在矿山中的空间分布呈现显著的空间异质性,所建HYDRUS-2D模型能够较好地模拟土壤NH4-N与NO3-N在矿山顶部、中部和山脚处的显著不同的垂向分布特征,NH4-N模型的R2在0.71-0.89之间,NO3-N模型的R2在0.69-0.86之间。

图三:稀土矿山顶部、中部和山脚处土壤NH4-N的垂向分布模拟与监测结果比较

图四:稀土矿山顶部、中部和山脚处土壤NO3-N的垂向分布模拟与监测结果比较

       2、HYDRUS-2D对稀土矿山中NH4-N迁移转化过程的模拟结果表明:原地浸矿造成NH4-N在稀土矿山内特别是上部完全风化层中大量累积。人工冲洗使土壤NH4-N含量显著降低,这在< 4m的土壤表层尤为显著。同时,人工冲洗使得土壤氨氮进一步垂直向下和沿着坡度向右迁移。在五年雨水淋滤期间,NH4-N在矿山内持续进行缓慢的迁移,主导运移方向为垂向,但也在一定程度上向右倾斜。由于土壤对氨氮的显著吸附性能,人工冲洗和五年雨水淋滤过程仅能将在原地浸矿过程积累的土壤NH4-N量的10%去除(图五)。

图五:土壤NH4-N在原地浸矿、人工冲洗和雨水淋滤过程后的空间分布

       3、HYDRUS-2D对稀土矿山中NO3-N迁移转化过程的模拟结果表明:在原地浸矿过程中,大量硫酸铵的注入和土壤的硝化作用造成NO3-N在土壤表层大量累积。在矿山顶部区域,土壤NO3-N的迁移以垂向为主;而在矿山中部和山脚区域,坡度对土壤NO3-N的运移影响明显,使其主要向右下方迁移。随后的人工冲洗过程造成土壤NO3-N空间分布的显著扩张,并使其浓度迅速降低。在自然雨水淋滤过程中,外界水分输入的显著减少使得土壤NO3-N在土壤表层累积,并缓慢向下运移。上层NO3-N输入的减少和下层土壤的反硝化作用使得深层土壤NO3-N含量显著降低。同时,侧向土壤水流运移还造成NO3-N在山脚处表层土壤中的显著累积(图六)。

图六: 土壤NO3-N在原地浸矿、人工冲洗和雨水淋滤过程后的空间分布

       展望:

       该研究所构建的HYDRUS模型框架在稀土矿区开采及其后续污染治理和生态修复中具有广泛的应用前景。例如,HYDRUS模型可用于对不同原地浸矿剂和淋洗剂施用过程的情景模拟与效果评估,从而确定可提高浸矿效率和减少土壤氮残留的最佳策略。此外,HYDRUS模型还可与流域分布式水文模型等不同领域的模型耦合,模拟不同矿山的NH4-N和NO3-N淋失对矿区流域水环境质量和生态系统的叠加影响,促进制定适宜于当地具体环境条件的流域污染治理和生态修复方案。

供稿:杨晓英、王梓萌

编辑:薛睿彬

审核:张立武