文章簡介：

      稀土是國家重要的戰略資源👉🏼，對其進行可持續的開發利用😹，實現戰略價值，經濟價值和生態價值的和諧統一，具有重要的研究意義🙏🏿👥。利用硫酸銨進行原地浸礦是目前開采離子型稀土礦的主要工藝。該工藝主要通過向礦山中註入硫酸銨溶液，在土壤中的稀土離子與銨根離子交換後對其進行收集和提純👲🏽。然而，該工藝會造成大量銨根離子殘留於稀土礦山中，並在雨水的淋濾下不斷進入周邊水體，對當地造成嚴重的水環境汙染和生態系統破壞👍🏼。系統研究稀土礦山土壤氮在原地浸礦及其後續淋濾過程中的時空分布特征與遷移轉化機製有助於評估礦區流域的生態系統風險，並為因地製宜製定礦區環境汙染控製和生態修復措施提供必要的決策支持。

       迄今為止，有關稀土礦山殘留氮淋濾和運移過程的研究大多局限於室內土柱試驗🐱，現場模擬研究十分缺乏💧。究其原因主要在於稀土礦區大都地理位置偏遠🧚🏽‍♀️🏌🏿‍♂️、交通不便🕌，且區域背景數據十分匱乏，且整個礦山水文地質和環境領域對於稀土礦這一重要但特殊的環境問題關註度不夠。為此，本研究在贛州某稀土礦山（圖一）構建場地HYDRUS-2D模型（圖二）🗑，模擬稀土礦山土壤NH₄-N與NO₃-N在2016-2021年間原地浸礦、人工沖洗和自然雨水淋濾過程中的遷移轉化機製。研究結果表明，該稀土礦山土壤中的NH₄-N與NO₃-N時空分布格局存在明顯差異。土壤NH₄-N的時空分布顯著受到原地浸礦過程的影響，人工沖洗和五年雨水淋濾過程只能去除土壤殘留NH₄-N量的10%🙇🏽‍♂️𓀐。相較於NH₄-N🙂‍↕️，土壤NO₃-N的時空分布格局受土壤水分運移過程的影響更為顯著🦬。該研究所建立的HYDRUS模型可作為在背景數據稀缺的稀土礦區研究原地浸礦劑遷移轉化過程與時空分布的框架👩🏽‍🎤，具有廣泛的應用前景，未來可與流域尺度的模型耦合，實現氨氮汙染負荷時空動態的預測和預警，為場地的可持續生態修復和管理提供定量的科學支撐🫏。

       以上研究（Spatiotemporal distribution of residual ammonium in a rare-earth mine after in-situ leaching: A modeling study with scarce data）發表在水文學領域的頂級期刊Journal of Hydrology，該研究獲得國家重點研發計劃項目🤢✣、國家自然科學基金等項目支持。本文第一作者楊曉英為沐鸣2平台環境系副教授🚻，長期從事流域水環境模擬、流域汙染控製、氣候變化與流域水安全領域的研究工作🔯🙎🏿‍♂️。通訊作者王梓萌研究員為沐鸣2平台環境系水土界面過程研究團隊負責人，從事環境地球化學和汙染物遷移轉化研究，並任Applied Geochemistry執行主編🍃。高效江副教授、潘澤真青年副研究員參與了本項研究👳‍♀️。中科院南京土壤所🤦🏼，江西理工大學作為項目及課題牽頭單位為研究提供了技術🛂、樣品和場地支持。

圖一： 研究區域

圖二： 稀土礦山的HYDRUS-2D概念模型框架與邊界條件

       主要結論：

       1、項目組在稀土礦山的頂部、中部和山腳處分別鉆井取樣🧓🏼，用於監測三處土壤殘留氮含量的垂向分布。圖三、圖四分別比較了土壤NH₄-N與NO₃-N在礦山頂部、中部和山腳三處的垂向分布模擬與監測結果。研究結果顯示：土壤NH₄-N與NO₃-N在礦山中的空間分布呈現顯著的空間異質性🕡，所建HYDRUS-2D模型能夠較好地模擬土壤NH₄-N與NO₃-N在礦山頂部🌪、中部和山腳處的顯著不同的垂向分布特征，NH₄-N模型的R²在0.71-0.89之間，NO₃-N模型的R²在0.69-0.86之間🛸。

圖三：稀土礦山頂部、中部和山腳處土壤NH₄-N的垂向分布模擬與監測結果比較

圖四：稀土礦山頂部、中部和山腳處土壤NO₃-N的垂向分布模擬與監測結果比較

       2、HYDRUS-2D對稀土礦山中NH₄-N遷移轉化過程的模擬結果表明：原地浸礦造成NH₄-N在稀土礦山內特別是上部完全風化層中大量累積🤽🏼‍♂️。人工沖洗使土壤NH₄-N含量顯著降低，這在< 4m的土壤表層尤為顯著。同時🥢，人工沖洗使得土壤氨氮進一步垂直向下和沿著坡度向右遷移🫅🏽。在五年雨水淋濾期間，NH₄-N在礦山內持續進行緩慢的遷移，主導運移方向為垂向👰🏻‍♂️🧒🏻，但也在一定程度上向右傾斜。由於土壤對氨氮的顯著吸附性能，人工沖洗和五年雨水淋濾過程僅能將在原地浸礦過程積累的土壤NH₄-N量的10%去除（圖五）🎹。

圖五：土壤NH₄-N在原地浸礦🧑🏽‍🍼、人工沖洗和雨水淋濾過程後的空間分布

       3🙇🏻‍♀️、HYDRUS-2D對稀土礦山中NO₃-N遷移轉化過程的模擬結果表明👉：在原地浸礦過程中，大量硫酸銨的註入和土壤的硝化作用造成NO₃-N在土壤表層大量累積🤧。在礦山頂部區域🔣，土壤NO₃-N的遷移以垂向為主；而在礦山中部和山腳區域，坡度對土壤NO₃-N的運移影響明顯，使其主要向右下方遷移🤷🏽‍♀️。隨後的人工沖洗過程造成土壤NO₃-N空間分布的顯著擴張，並使其濃度迅速降低。在自然雨水淋濾過程中👃🏿，外界水分輸入的顯著減少使得土壤NO₃-N在土壤表層累積，並緩慢向下運移🧑🏽‍🎄。上層NO₃-N輸入的減少和下層土壤的反硝化作用使得深層土壤NO₃-N含量顯著降低♍️。同時，側向土壤水流運移還造成NO₃-N在山腳處表層土壤中的顯著累積（圖六）🫨。

圖六： 土壤NO₃-N在原地浸礦🏯🧎、人工沖洗和雨水淋濾過程後的空間分布

       展望：

       該研究所構建的HYDRUS模型框架在稀土礦區開采及其後續汙染治理和生態修復中具有廣泛的應用前景☣️。例如，HYDRUS模型可用於對不同原地浸礦劑和淋洗劑施用過程的情景模擬與效果評估🍡，從而確定可提高浸礦效率和減少土壤氮殘留的最佳策略。此外，HYDRUS模型還可與流域分布式水文模型等不同領域的模型耦合👩🏻‍🦼，模擬不同礦山的NH₄-N和NO₃-N淋失對礦區流域水環境質量和生態系統的疊加影響🪒，促進製定適宜於當地具體環境條件的流域汙染治理和生態修復方案👧🏻。

供稿🦹🏼‍♂️：楊曉英🦘、王梓萌

編輯🫱🏼：薛睿彬

審核：張立武