应用高岭石黏土改善印尼勿里洞岛锡矿废弃地土壤团聚性与持水能力的研究

《Land Degradation & Development》：Enhancing Soil Aggregation and Water Retention by Applying Kaolinite Clay to Post-Tin-Mined Land on Belitung Island, Indonesia

　　本文研究了高岭石黏土对印尼勿里洞岛锡矿废弃沙质土壤的改良效果。结果表明，施加1%和5%的高岭石能显著促进粉粒级团聚体（<53 μm）形成，提高土壤持水能力2%–5%，并将土壤可蚀性（K-factor）降低40%–50%。该研究为热带地区采矿废弃地的生态修复提供了低成本、易获取的黏土改良技术方案。

　　

引言

土壤保育在维持自然对人类的贡献（NCP）中扮演着关键角色。全球变暖已导致土壤侵蚀增加2.1%，而热带地区年降雨量超过1000 mm的区域面临更严重的侵蚀风险。印度尼西亚的锡矿开采活动导致土壤团聚体崩溃，细颗粒物（粉粒和黏粒）完全流失，使土壤持水能力急剧下降，植被难以定植。虽然有机质常用于土壤修复，但在热带强降雨和强光照条件下易被冲失或分解。本研究探索利用当地丰富的高岭石黏土资源，通过改善土壤团聚结构和水分保持能力，加速采矿废弃地的生态恢复。

材料与方法

研究区域与样品采集

土壤样品采集自印尼勿里洞岛东勿里洞县甘敦镇瑟林辛村的锡矿废弃地。设四个采样点：停止采矿0年（0Y）、1年（1Y）、6年（6Y）的修复地块，以及邻近的热带石南林（F）作为参照。样品按0-5 cm、10-15 cm、30-35 cm分层采集，测定初始土壤理化性质（颗粒组成、容重、含水率、pH值等）。采样期间月降雨量200–300 mm，土壤温度27.5°C–34.3°C。

实验设计

采用商业高岭石（日本林纯药工业株式会社）进行土壤改良实验，设三个处理：对照（0%高岭石）、1%高岭石（质量比）、5%高岭石。每个处理重复三次。将风干土壤按田间容重（0Y: 1.50 g·cm^?3、1Y: 1.57 g·cm^?3、6Y: 1.78 g·cm^?3、F: 1.49 g·cm^?3）装填至50 cm³环刀中，饱和水分后于34°C恒温培养至土壤干燥，每日称重记录水分变化。

分析方法

土壤颗粒组成采用激光粒度分析仪（SALD 3100）测定，按国际土壤学会标准分为粗砂（0.2–2.0 mm）、细砂（0.02–0.2 mm）、粉粒（0.002–0.02 mm）和黏粒（<0.002 mm）。通过湿筛法测定土壤团聚体分级（0.053、0.075、0.106、0.25、0.85、2 mm）。扫描电镜（SEM）在低真空条件下观察土壤颗粒形态。采用多步离心法（100–1500 rpm，对应13–3029 cm H₂O吸力）绘制土壤水分特征曲线。土壤可蚀性（K-factor）采用Wischmeier-Smith公式计算，考虑质地因子（M）、结构系数（s）和渗透性（p）。数据通过SPSS和RStudio进行方差分析与主成分分析（PCA）。

结果

初始土壤性质

锡矿开采导致土壤细颗粒严重流失（表1）。0Y–6Y站点黏粒和粉粒含量接近零，粗砂占比达83%–99%，土壤呈强酸性（pH 3.7–4.8）。参照点F土壤细颗粒含量显著较高（粉粒20.82%±20.04%，黏粒13.03%±11.49%），有机碳（1.44%±1.03%）和氮（0.087%±0.047）含量也远高于采矿地。

土壤团聚体分布

高岭石施用显著促进粉粒级团聚体（<53 μm）形成（图2）。0Y土壤中5%高岭石处理使250 μm级团聚体增加；1Y土壤中1%和5%处理均提升250 μm和850 μm级团聚体；6Y土壤中106 μm和250 μm级团聚体明显增多。SEM图像（图3）证实高岭石处理后<53 μm的粉粒级团聚体数量增加，且随着修复年限延长，团聚体尺寸趋于细化。

土壤持水特性

高岭石处理延长了土壤持水时间（图4）。0Y和1Y土壤在25天培养后，1%和5%处理含水率高于对照；6Y土壤持水能力接近参照点F。水分特征曲线（图5）显示，在337–1326 cm H₂O吸力范围内（对应孔径2.3–8.9 μm），0Y和1Y土壤的持水量显著提升，表明粉粒级团聚体形成改善了毛管持水能力。

土壤可蚀性

高岭石使土壤可蚀性（K-factor）降低40%–50%（图6，表2）。0Y土壤中5%处理效果最显著，1Y土壤仅需1%高岭石即可有效提升稳定性。尽管6Y土壤已有植被覆盖，高岭石仍进一步降低其侵蚀风险。

主成分分析

PCA（图7）显示，主成分1与采矿后恢复时间相关，主成分2与高岭石添加量相关。5%处理与对照土壤明显分离，而1%处理介于两者之间。土壤可蚀性（SEr）与未处理土壤高度相关，而持水时间（WRT）、1000 cm H₂O吸力下的含水率（WR1000）和53 μm团聚体含量与高岭石处理呈正相关。

讨论

高岭石对土壤团聚体的影响

高岭石通过黏粒黏结作用促进沙粒间微团聚体形成，即使无有机质参与也能构建稳定结构。SEM显示<53 μm颗粒为沙粒-黏粒复合体，而非单一高岭石颗粒，证实其作为团聚剂的功能。在6Y土壤中，高岭石与已有有机质协同作用，进一步优化团聚体分布。

持水能力改善机制

水分特征曲线变化表明，高岭石添加增加了2.3–8.9 μm孔径的孔隙比例，对应粉粒级团聚体的持水贡献。在植被覆盖的6Y土壤中，高岭石还可能缓解有机质引起的疏水性，增强水分入渗与保持。

土壤稳定性提升

高岭石的高比表面积和阳离子交换能力有助于稳定有机质，减少热带条件下碳的快速分解。其与土壤微生物（如变形菌门）的互作进一步巩固团聚体结构。PCA结果支持1%高岭石即可有效改善土壤功能，但5%用量对早期修复土壤的稳定性提升更显著。

实际应用潜力

勿里洞岛本地高岭石资源丰富，成本低廉，可作为有机质修复的补充或替代方案。其耐候性优于有机质，特别适合强降雨热带地区的初期土壤修复。未来需通过长期田间试验验证其生态恢复效果。

结论

本研究明确高岭石黏土对锡矿废弃地土壤的改良作用：1）促进粉粒级和微团聚体形成，改善土壤结构；2）提升337–1326 cm H₂O吸力范围内的持水能力，助力植被重建；3）显著降低土壤可蚀性，尤其在修复初期（0–1年）效果突出；4）PCA证实高岭石处理与土壤功能改善指标紧密关联。该技术为热带采矿废弃地的低成本生态修复提供了新途径。