土壤颗粒是矿物、土壤离子和有机质的吸附体，土壤颗粒分布的变化是土壤环境变化的标志，对土壤持水性、淋溶和缓冲能力，以及养分的贮存有着重要影响^[1-2].因此，土壤颗粒粒度分布同样会影响离子型稀土矿山土壤的渗透性能和水力学特性^[3-5].离子型稀土矿由花岗岩风化而成^[6]，是主要由石英和黏土矿物组成的类土壤状物质^[7].而全风化花岗岩由于石英较难风化以致于粗颗粒以石英为主，其具有粗粒结构土壤基本理化性质^[8], 因此可以借鉴研究土壤的方法研究离子型稀土矿山土壤的工程性质^[9-10].

土壤颗粒粒度分布是由成土母岩、风化程度和环境等各种因素相互作用的结果^[11-12].研究表明，不同土地利用类型，土壤黏粒含量以林地最高，砂粒含量以退耕还林地最高^[13]；土壤砂粒含量越高，土壤含水率、有机质含量越低，养分流失越快，缓冲能力越弱^[14]；不同土壤深度即风化程度不同，土壤砂粒、黏粒、粉粒分布变化明显，以表层土壤（0~20cm）黏粒含量最高，以底层土壤（80~100cm）砂粒含量最高^[15]；颗粒迁移粒径一般小于0.5mm，迁移深度在1.0mm~1.5m，雨水以及浸矿液的淋溶使颗粒迁移大小及深度会在一定范围有所内增加^[9].研究离子型稀土矿石土壤颗粒粒度分布特征，为稀土矿区土壤环境变化以及水土流失问题的探索提供参考.黏土矿物由颗粒间的吸附作用形成结合体或团聚体，选择合理筛分方法更能反映土壤颗粒粒度分布特征^[17]，因此本文的目的是通过水洗筛分分析和激光粒度分析，研究其受风化程度和颗粒迁移影响在垂直方向上的分布规律，为稀土矿山生态环境恢复和地质灾害治理提供科学依据.

1 材料与方法 1.1 实验材料

实验样品取自江西赣县姜窝子稀土矿区，其位于25°44′53.57″ E，115°06′16.10″ N，高程约172 m，属亚热带季风性湿润气候，四季分明，光热充足，生长季长，冷暖变化显著，降水丰沛但分布不均. 2016年4月30日，阴转小雨，日平均气温20℃.该矿区为未开采矿区，本文研究的10个样品取自矿区公路开挖形成的剖面.采样剖面为花岗岩风化土壤剖面，自上而下共分5层：

第1层0~35 cm，为含植物根系有机质腐殖层，该层主要由粗砂、细砂、粉砂及少量黏土组成，呈浅灰黄色、褐黄色.

第2层35~55 cm，为浅灰褐色含黏土粗砂层，其中可见斜长石风化为灰白色高岭石，呈网纹状分布.

第3层55~90 cm，灰褐色砂质黏土层，其中黏土含量大于70%，沙粒粒径减小.

第4层90~200 cm，为褐黄色粗砂、细砂层，其中可见高岭石呈网纹状分布，该层可能为稀土矿层.粗砂含量相对较少.

第5层200~230 cm，为半风化层，主要由碎石、粗砂、细砂等组成，未见底.

样品采集后用塑料袋密封保存运回实验室, 样品编号及取样深度见图 1.

1.2 实验方法及仪器设备

野外样品由于采样时天气及自然因素的影响，致使土壤含水率较高、土壤黏附性较强从而粗颗粒表面吸附较多粉黏土形成团聚体，且烘干后黏土不能完全脱离，结果是干筛法分选误差较大.因此实验采用水洗筛分法.针对微粒其粒径小，水洗筛分不能得出其具体粒径以及含量，故采用激光粒度分析仪对水洗筛分后粒径小于0.075 mm的样品进行筛分分析.

1）仪器设备.样品干燥箱、分析筛、电子天平、毛刷、搅捧、塑料盆、搪瓷盘、塑料瓶、LS908 (A)激光粒度分析仪.分析筛规格：5 mm、2 mm、1 mm、0.5 mm、0.25 mm、0.075 mm.

2）实验步骤.水洗筛分法实验步骤：① 将500~600 g样品放入干燥箱中，在65℃条件下烘干至衡重; ② 将样品倒入洁净塑料盆中，加入足够量的洁净水使样品全部淹没，用搅捧搅动样品，将粗颗粒表面洗涤干净，但不得破碎颗粒，也不能有水溅出; ③ 将洁净分析筛按孔径由粗到细的顺序从上到下依次层叠，并一起放入洁净的大塑料盆中，然后，将样品缓慢倒入最上层分析筛中; ④ 用清水和毛刷缓慢清洗样品，直到水不再浑浊为止; ⑤ 移开最上层分析筛，从上至下对每层分析筛上样品重复步骤④；⑥ 将各级分析筛上的样品仔细收入搪瓷盘中，放入在80 ℃条件下烘干至衡重计数; ⑦ 统计各级筛上和筛底样品质量的总和，计算与筛前样品总质量的相对误差，并控制在1%以内.

激光粒度分析实验步骤:受仪器测试量程的限制，本文仅对粒径小于0.075 mm粒组进行了激光粒度分析. ① 开启激光粒度分析仪，预热10~15 min，仪器的校准及仪器准确度和重复性的检查；② 分散介质采用水，样品折射率为1.54，介质折射率为1.33，依次取水洗筛分后小于0.075 mm粒组干燥样品0.03 g充分拌匀在水中后在LS908 (A)激光粒度分析仪进行上进行激光粒度分析，分析过程严格按该实验规程操作.实验结束后，采用激光粒度分析仪自带软件系统直接输出颗粒级配微分曲线和累积曲线及相关数据.每种土样取3份，分别按上述实验步骤进行实验测量.

1.3 实验数据初差处理

实验过程中仪器以及人为误差导致实验数据的偏差是不可避免的，有必要实验对数据进行预处理.野外取回10份土壤样品，实验每份土样取3份重量为Y_aj(a表示野外土样编号1，…，10；j表示第a份土样实验取样编号1，2，3)，实验土样粒组重量为X_ij(i表示粒组，将粒径 > 5mm的粒组i定为1，依次类推；表示j表示第a份土样实验取样编号1，2, 3).实验过程中，由于原状土的破碎和取样过程中的扰动以及人的主观选择，筛分的粒径只是局部，因此采用多样筛分取均值的数据预处理方法.预处理公式如下：

$ a组取样均重=\frac{\mathop{\sum }_{1}^{3}{{Y}_{aj}}}{3}\left( a=1, \cdots, 10;j=1, 2, 3 \right) $

(1)

$ i\text{粒组均重}=\frac{\sum\nolimits_{1}^{3}{{{X}_{i}}_{j}}}{3}(i=1, 2, \cdots, j=1, 2, 3) $

(2)

$ i组粒径含量=\sum\nolimits_{1}^{3}{{{X}_{ij}}}/\sum\nolimits_{1}^{3}{{{Y}_{aj}}} $

(3)

按上述公式计算结果作为粒径筛分结果，减少实验误差，使土壤颗粒粒径筛分及分布规律的研究与实际更合相符.

2 结果与讨论 2.1 实验结果

姜窝子稀土矿山土壤颗粒水洗筛分分析结果见表 1.研究区域内土壤颗粒主要为砂粒和微粒，粒径在（2~5 mm）、（ < 0.075 mm）所占比重大于50%；同层厚之间粒径所占比重均有两个峰值，粒径在（> 5 mm）、（0.5~1 mm）、（0.25~0.5 mm）所占比重小于20%；颗粒粒径随着深度的增加粗颗粒逐渐减少，细颗粒逐渐增多.在颗粒比重柱状分布图（图 2）中，相同层厚之间颗粒粒度则呈“两头高，中间低”的分布格局，即粗砂粒和微粒含量高，细砂粒含量低.其中最强峰值对应于在55~70 mm层厚的粒径为（ < 0.075 mm），相同层厚两个峰值变化较大，对应粒径分别为2~5 mm、小于0.075 mm.此外，随着土壤深度的加深，粒径1~2 mm、0.5~1 mm呈现升高—下降—升高趋势，粒径大于5 mm的颗粒变化与之相反.从表 2和图 2中可以说明，相同层厚土壤颗粒分布以粗粒和黏粒为主，且随着土壤深度的加深，粗粒和黏粒含量呈现先减少—增加—减少的趋势，这是由于表层细颗粒在风力和地表水的作用下搬运较强，而且细颗粒会随着地表水的渗透逐渐向土壤底层运动，从而造成土壤表层粗颗粒含量较高，细颗粒的下沉引起了粗颗粒占总比重的增加以及下层土壤细颗粒含量上升，再因风化程度减弱导致其含量小幅度升高且下降趋于平衡.

激光粒度分析结果见图 3和表 2.从稀土矿石颗粒粒径小于0.075 mm累积曲线图可以看出：① 激光粒度分析仪粒径测量下限为0.1 μm，以粒径在1~10 μm之间的颗粒为主，且粒径在0.25~0.95 μm之间含量较少；② D10粒径分布在0.18~0.21 μm（GX-04-2除外，为1.83 μm）；③ 随着所取土壤深度的增加，细微粒含量逐渐减少，粗颗粒含量逐渐增加这与大于0.075 mm土壤颗粒分布基本一致，且D50粒径变化呈双峰趋势，且以表层土壤（GX-01）粒径4.78 μm最小，以稀土矿层（GX-04-1）粒径10.52 μm最大.

2.2 讨论

土壤粒径分布与成土母岩、风化程度以及环境等因素有着密切联系，姜窝子稀土矿土壤属于典型的花岗岩风化土壤，其粒径分布与典型的黄土、红土和河流沉积物的之间有着明显差异.研究表明，风成沉积红土颗粒以粉砂为主，砂含量较少，且粒径变化随着剖面深度增加，粉砂和黏土均呈现升高—下降，砂粒相反^[18-19]；而风成沉积黄土由于沉积作用强，其颗粒以砂为主，在一定深度上砂粒呈先降后升的变化，黏粒和粉砂变化与砂粒相反^[20-22]; 河流沉积物大多以砾石为主，粗砂次之，黏粒和粉砂较少^[23-24].姜窝子稀土矿土壤颗粒组成与黄土、红土和河流沉积物的对比见表 3.从表 3可以看出，不同土壤类型其颗粒粒度分布差异明显，主要由土壤成土过程以及风化程度造成.红土、黄土均属于风成沉积土壤，区别在黄土沉积作用强于红土，风化作用弱于红土，河流沉积物主要由水流冲刷堆积而成，而姜窝子稀土矿土壤主要由风化形成，受沉积作用和搬运影响弱.姜窝子稀土矿土壤受风化程度以及颗粒垂向迁移的影响，粒径分布范围在0.01 μm~10 mm，其中以粗颗粒和微粒为主，含量分别为22.8%~31.6%、20%~32.3%.与红土、黄土和河流沉积物相比，稀土矿山土壤属于风化土壤，其主要受风化和地表径流的影响，颗粒沉积作用弱，随着剖面深度的增加，风化强度减弱，土壤逐渐转为矿石（即粗颗粒含量逐渐增加，细颗粒逐渐减少）.

不同的土壤来源于不同岩石风化产物，因此土壤的粒径分布对采样点及其周边环境的时代变迁有着一定的指示意义.本次实验采样地点位于山腰，剖面风化程度随深度增加风化强弱变化明显，说明其土壤来源主要由花岗岩风化形成，土壤颗粒受水流搬运堆积作用弱.从稀土矿区粒度组成来看，颗粒主要为砂粒（粒径 > 50 μm），占全样的69%以上，砂粒以石英为主.相关研究表明，赣南地区稀土矿山土壤均属于花岗岩风化土壤，土壤颗粒分布主要受风化影响，受风力沉积以及水流搬运沉积作用不明显^{[9, 17]}，本次研究与其相符.因此，本次采样区域土壤属于风成土壤，颗粒组成以砂粒为主，说明该区域土壤持水能力差，土壤养分贫瘠.土壤黏粒含量少，在长期浸矿下，易发生滑坡等地质灾害.

3 结论

离子型稀土矿山土壤粒度分布受成矿母岩、风化程度以及自然因素的影响，分布特征如下：

1）不同土壤类型，因其成土来源，风化程度不同，其颗粒粒度分布存在较大差异，离子型稀土矿山多为花岗岩风化土壤，石英含量偏高，颗粒以粗、微粒为主，粒径分布在10 mm至0.01 μm之间，且以粒径在（2~5 mm）、（ < 0.075 mm）范围内所占比重最高.

2）针对粗颗粒而言，自上而下，风化强度逐渐减弱，粗颗粒含量会随着深度的增加而增加，但是由于在风力和地表水的作用下，上层土壤细、微粒存在着一个搬运与沉降的过程，这就导致表层土壤粗颗粒含量较高.反之，表层土壤细、微粒的搬运与沉降也会导致其本身含量的降低，在其垂直深度范围内相应土壤颗粒含量会小幅度上升再下降.