苔藓结皮削减稀土尾矿雨滴动能及其对土壤侵蚀的潜在影响研究

《Canadian Journal of Soil Science》：Reduction of raindrop kinetic energy by moss crust on rare earth tailings and its potential impact on soil erosion

本研究针对稀土尾矿水土流失严重、生态风险高的问题，开展了苔藓结皮削减雨滴动能的研究。通过模拟单雨滴实验，发现苔藓结皮（尤其IV阶段）可显著提高地表抗破坏累积动能（Emoss达4.61?J，为裸土的363倍），并降低雨滴动能最高达99.72%。结果表明苔藓结皮是抵御溅蚀的有效物理屏障，为亚热带稀土尾矿生态修复提供了可行策略。

　　

在我国南方离子型稀土矿区的尾矿堆场上，每当雨季来临，暴雨的雨滴以巨大的动能冲击着裸露的地表，引发严重的水土流失。这些尾矿由于结构松散、植被匮乏，成为生态环境中的脆弱点，不仅导致珍贵的土壤资源流失，还可能伴随重金属迁移，对下游水体安全构成威胁。传统的工程固坡措施成本高昂，且生态效益有限，因此，探寻一种低成本、可持续的生态修复途径迫在眉睫。有趣的是，在这些看似荒芜的尾矿表面，自然界早已悄然布下了一道道绿色的防线——苔藓结皮。它们紧贴地表，默默生长，但科学界对其在控制稀土尾矿侵蚀方面的具体功效，特别是如何抵御雨滴打击这一侵蚀的初始环节，仍知之甚少。为了解开这个谜团，沈法星等研究人员在《Canadian Journal of Soil Science》上发表了他们的研究成果，系统揭示了苔藓结皮如何像一层“天然缓冲垫”一样，有效削减雨滴动能，从而为稀土尾矿的生态治理提供了新的科学依据。

为评估苔藓结皮对雨滴侵蚀的抵抗能力，本研究主要采用了以下关键技术方法：首先，研究人员在稀土尾矿现场识别并采集了处于四个不同发育阶段（I阶段为裸土，II至IV阶段苔藓盖度、生物量和高度递增）的苔藓结皮样本，构建了研究序列。核心实验为室内单雨滴模拟实验，通过精确控制水滴从特定高度自由下落，模拟不同动能的雨滴冲击。利用高速摄影和能量计算，定量测定了击破苔藓结皮表面所需的累积动能（E_moss）以及苔藓被移除后击破下层土壤所需的累积动能（E_under）。此外，研究还分析了坡度（0°至30°）和土壤湿度（风干与湿润状态）两个关键环境因子对苔藓结皮抗冲击能力的影响。

（1）苔藓结皮发育阶段显著增强地表抗雨滴击破能力

通过单雨滴模拟实验发现，苔藓结皮的发育程度与其抵御雨滴冲击的能力呈极显著正相关。与I阶段（裸土）相比，II、III、IV发育阶段的苔藓结皮在1厘米厚度时，其被击破所需的累积动能E_moss分别达到0.04 J、0.18 J和4.61 J。尤为突出的是，IV阶段苔藓结皮的抗破坏能力达到了裸土的363倍，表明成熟的苔藓结皮能极大地增强地表稳定性。

（2）苔藓移除后下层土壤抗性急剧下降且无阶段差异

当苔藓层被移除后，其下伏土壤的抗冲击能力（E_under）急剧下降，各发育阶段下的平均值仅为0.01 J，且不同阶段间无显著差异。这一结果清晰地表明，下层土壤本身非常脆弱，地表抗性的显著提升完全归功于苔藓结皮层的物理保护作用。

（3）苔藓结皮有效削减雨滴动能

研究定量评估了苔藓结皮对雨滴动能的削减率。计算结果显示，II、III、IV阶段苔藓结皮对雨滴动能的削减率分别达到65.04%、92.79%和99.72%。这表明苔藓结皮，尤其是发育成熟的个体，能够吸收或消散绝大部分雨滴冲击能量，从而有效保护下层土壤免受溅蚀。

（4）环境因子显著影响苔藓结皮的抗冲击性能

研究还探讨了坡度和土壤湿度的影响。在风干状态下，苔藓结皮的E_moss（0.35 J）显著高于湿润状态，说明干燥条件更有利于结皮发挥抗冲击作用。同时，坡度效应明显，在25°–30°的陡坡上，苔藓结皮的E_moss比平坦地形（0°）增加了约10倍，揭示了坡度通过改变雨滴冲击角度等因素增强了苔藓层的抗破坏能力。

本研究得出结论，苔藓结皮，特别是高发育阶段的结皮，能够通过其物理结构显著提高地表抗雨滴击破的累积动能（E_moss），并高效削减雨滴动能，从而成为抵御稀土尾矿溅蚀的有效物理屏障。研究还强调，苔藓结皮的这种保护功能受到土壤湿度和坡度的显著调节。这些发现不仅深化了对生物结皮在水土保持中作用机制的理解，而且为利用苔藓结皮这一自然解决方案进行亚热带地区退化稀土尾矿的生态修复提供了强有力的理论支持和实践路径。这是一种成本低、环境友好且易于推广的生态工程技术，对于控制矿区水土流失、促进生态系统恢复具有重要的现实意义。