桉樹修復對江西稀土尾砂區土壤養分的影響

魯向暉 唐安華 白樺 張海娜 劉海威 楊丹 黃麗

摘要：【目的】研究江西省尋烏縣稀土礦區尾砂地3～4年生桉樹純林的植被修復作用對該區土壤pH及有效養分變化的影響，為稀土尾砂的恢復治理提供理論依據。【方法】選擇具有代表性的3～4年生桉樹純林地段為試驗樣地，以未治理的裸露堆積稀土尾砂地為對照，分層采集樣地0～20、20～40、40～60、60～80 cm深度的土樣，測定其土壤有效氮、有效磷、有效鉀、土壤有機質含量及土壤pH等指標。【結果】稀土尾砂區經過3～4年的桉樹修復措施，其林下草本植物種類增加，但灌叢群落尚未形成。4年生桉樹純林0～60 cm深度土層pH顯著提高（P<0.05，下同），酸性得到一定改良；3年生桉樹純林土壤pH略高于裸露稀土尾砂，但差異未達顯著水平（P>0.05，下同）。除有效鉀和3年生桉樹純林20～40 cm土層有效磷含量外，桉樹修復區0～60 cm土層土壤養分含量整體上高于裸露尾砂區，且不同年限桉樹修復區的土壤養分呈現出向表層土壤聚集的趨勢。植被修復區0～20 cm土層內的土壤有效磷含量和4年生桉樹純林的有效氮含量顯著高于其他土層，其余養分在不同土層間差異不顯著。稀土尾砂裸露區有效氮和有效鉀含量隨土壤深度的增加而遞增，有效磷含量隨土壤深度的增加而遞減。相關性分析結果表明，桉樹修復區0～20 cm土層中有效氮與有效磷、有機質和pH均呈極顯著正相關（P<0.01）。【結論】桉樹修復可有效改善稀土礦區尾砂的pH和養分含量，桉樹可作為該區植被修復的適宜樹種。

關鍵詞： 桉樹；植被修復；稀土尾砂；土壤pH；土壤養分

中圖分類號： X53 文獻標志碼：A 文章編號：2095-1191（2016）07-1100-05

0 引言

【研究意義】江西省尋烏縣有豐富的稀土資源，素有“稀土王國”之稱。自20世紀70年代初以來，稀土資源開采對促進該縣經濟發展發揮了較大作用（劉建業等，1991）。但隨著開采時間的延長，在開采稀土資源的同時，當地植被也遭到毀滅性破壞，致使水土流失嚴重。作為一類極度退化的土地，稀土尾砂區的生態恢復問題受到普遍關注。從2009年開始，尋烏縣水土保持局在雙茶亭廢棄稀土礦區設立“稀土尾砂治理試驗區”，通過試驗篩選出小葉桉樹（Eucalyptus grandis）[桃金娘科（Myrtaceae）桉樹屬（Eucalyptus）]可以在稀土尾砂上快速生長，并表現出適應性好、抗逆性強、耐貧瘠、干形好等特點（臧國長等，2007）。但由于廢棄礦區環境復雜獨特，治理過程中缺乏對植被修復效果的理論和數據支持，難以形成對稀土礦尾砂治理的有效指導。因此，開展植被修復與土壤改良及其相互作用的研究，對廢棄礦區尾砂植被修復及促進區域生態環境穩定具有重要意義。【前人研究進展】稀土尾砂地土壤呈微酸性（pH 5.5～6.4），其全磷、全鉀含量比附近植被覆蓋良好的紅壤地略高，但這些養分很難直接被植物吸收利用，而有機質、有效磷和有效氮的含量則極低（劉建業等，1991）。已有專家開展了利用植被對稀土尾砂進行修復的相關研究。劉建業等（1991）在稀土尾砂堆積場地植被恢復試驗中種植了喬、灌、草等13種植物，結果證實喬木黃檀長勢較好，灌木胡枝子和禾本科寬葉雀稗等當年種植可當年綠化試驗區。涂翠琴和張寶山（1995）研究認為，在稀土尾砂場施用有機肥和氮肥、種植適生植物是迅速恢復植被并改善生態環境的有效措施。涂翠琴等（1996）在查明稀土尾砂農業理化性質的基礎上，在稀土尾砂堆積場地種植芙蓉李和溫州蜜柑，結果表明，芙蓉李生長良好且有利于提高土壤肥力。李德榮等（2003）于1998～2002年通過種植百喜草（Paspalun notatum）治理江西省龍南縣稀土尾砂，結果表明，尾砂裸露區（對照區）和百喜草種植區年均徑流量分別為3302.0和1326.6 m3/ha；徑流系數分別為35.5%和15.3%，表明種植百喜草可快速、有效地降低稀土尾砂水土流失。李小青等（2012）研究表明，百喜草和彎葉畫眉草抗旱性較強，可作為南方地區礦山廢棄地植被恢復的理想種類。【本研究切入點】植被選擇對稀土礦尾砂生態修復具有較大的影響，而土壤作為植被恢復中最重要的物質基礎，對其理化性狀及植被修復的效果如何，卻很少被關注。目前，針對稀土資源開發對生態環境影響的研究相對比較零散，系統性不強，相關研究較少且時間久遠，而有關桉樹生長對稀土尾砂區土壤狀況影響的研究尚無報道。【擬解決的關鍵問題】通過野外調查和室內試驗分析，研究江西省尋烏縣稀土礦區尾砂地3～4年生桉樹純林的植被修復作用對該區土壤pH及有效養分變化的影響，以期為稀土尾砂的修復治理提供理論依據和技術支持。

1 材料與方法

1. 1 研究區概況

研究區位于江西省尋烏縣雙茶亭廢棄稀土礦區（東經115°42′14″～115°44′12″，北緯24°52′40″～24°54′17″）（圖1），屬亞熱帶季風氣候區，年均氣溫18.9 ℃，年均降水量1650.3 mm，雨季主要集中于4～6月，全年溫暖濕潤，雨量充沛。研究區內喬木以人工種植的小葉桉樹（Eucalyptus grandis）為主，草本植物有寬葉雀稗（Paspalum wettstresnst）、狗尾草[Setaria viridis（L.） Beauv]、百喜草（Paspalum natatu）等。

1. 2 樣地選擇

依據桉樹生長的不同年限，選擇具有代表性的地段設置樣地（3年生桉樹純林、4年生桉樹純林），以未治理的裸露堆積稀土尾砂地為對照。在每個樣地選擇5個樣點調查植物種類，樣方大小為5 m×5 m。

1. 3 土壤采集與處理

分別在上述樣方中采集0～20、20～40、40～60、60～ 80 cm深度的土樣，將各樣地土樣分別取1 kg裝入土壤袋，帶回實驗室后自然風干，除去植物殘體及砂礫等，粉碎后分別裝于樣品袋備用。

1. 4 土壤養分測定

土壤有效氮、有效磷、有效鉀采用TFC智能普及型土肥速測儀進行測定；土壤有機質采用重鉻酸鉀氧化—外加熱法測定；土壤酸堿度采用pHS-3B型pH計進行測定。

1. 5 數據處理與分析

試驗數據采用Excel 2007及SPSS 19.0進行整理和統計分析。

2 結果與分析

2. 1 研究區桉樹林下植被特征

在植被修復過程中，小葉巨桉成活率較高，迅速成為優勢樹種，林下伴生草類主要有芭毛草（Miscanthus floridulus）、狗尾草（Setaria viridis）等，其中優勢草種為寬葉雀稗（Paspalum wettstresnst）。3年生桉樹純林植被修復區域內除小葉桉樹外，未見其他喬木樹種生長，林下植被以芭毛草為優勢種，有少量鐵芒萁（Dicranopteris dichotoma）伴生；4年生桉樹純林修復區域內的林下植被主要包括寬葉雀稗、芭毛草、狗尾草和馬唐草（Digitaria sanguinalis），該區域內桉樹是唯一喬木樹種，林下寬葉雀稗在植被群落中形成優勢種，同時芭毛草成為主要的伴生草種；裸露稀土尾砂地則無植被分布（表1）。依據實際調查，由于植被修復時間短，在稀土尾砂礦區觀測到的植被類型主要受人工控制植被栽植的影響，到目前為止，植被種類并沒有較大變化。

2. 2 桉樹生長對稀土尾砂土壤pH的影響

稀土開采過程主要是通過硫酸銨溶液淋泡稀土礦石，加入碳酸氫銨過濾后得到碳酸稀土。因此，稀土開采后所產生的稀土尾砂呈酸性（簡麗華，2012）。由表2可知，研究區內裸露稀土尾砂土壤pH為4.85～5.03，種植桉樹后稀土尾砂pH有所提高，3年和4年生桉樹純林土壤平均pH分別比裸露稀土尾砂高3.7%和9.2%，pH平均提高了0.18和0.46。與裸露稀土尾砂相比，4年生桉樹純林0～60 cm深度土層pH顯著提高（P<0.05，下同），說明種植桉樹可使其酸性得到一定改良；3年生桉樹純林土壤pH略高于裸露稀土尾砂，但差異未達顯著水平（P>0.05，下同）。同時經方差分析可知，各樣地垂直剖面土壤pH差異均不顯著。

2. 3 桉樹生長對稀土尾砂土壤有效養分的影響

不同樣地稀土尾砂土壤養分含量隨土壤深度的變化情況如表4所示。由表4可看出，除有效鉀和3年生桉樹純林20～40 cm土層的有效磷含量外，桉樹修復區0～60 cm土層的土壤養分含量整體上高于裸露尾砂區，且不同年限桉樹修復區的土壤養分呈現出向表層土壤聚集的趨勢，說明桉樹生長對土壤養分具有表聚作用。在植被修復區，0～20 cm土層內的土壤有效磷含量和4年生桉樹純林的有效氮含量顯著高于其他土層，其余養分在不同土層間的差異不顯著。在稀土尾砂裸露區，有效氮和有效鉀含量隨土壤深度的增加而遞增，可能受到淋溶作用的影響而不容易在地表聚集；有效磷含量隨土壤深度的增加而遞減，其中0～20 cm土層有效磷含量顯著高于60～80 cm土層。此外，4年生桉樹純林各土層的養分含量均高于3年生桉樹純林，表明土壤有效養分含量隨桉樹生長年限延長呈增加趨勢。

2. 4 稀土尾砂地表層土壤養分的相關性分析

桉樹生長對稀土尾砂土壤養分表現出表聚作用，主要原因可能是桉樹生長過程中形成的枯落層及根系減少了表層水土流失，同時減弱了淋溶作用。對稀土尾砂桉樹修復區0～20 cm土層土壤養分的相關分析結果（表5）表明，有效氮與有效磷、有機質和pH均呈極顯著正相關（P<0.01）；有效鉀與有效氮、有效磷、有機質及pH也呈正相關，但相關性未達顯著水平。

3 討論

尋烏縣是東江的源頭，東江為香港提供了75%的飲用水，桉樹的生長對該區域內廢棄稀土礦尾砂具有提高植被覆蓋度、調節土壤酸堿度及防治面源污染的作用，對保障粵港地區飲用水安全具有十分重要的作用。本文通過對稀土尾砂修復區植被類型進行調查，發現該區域內的喬木層除桉樹外無別的樹木生長，下層植被主要以草類為主，如寬葉雀稗、芭毛草、狗尾草、鐵芒萁等，基本無灌木種類；隨著桉樹生長年限的增加，林下植被種類有所增多，表明桉樹對廢棄稀土礦尾砂地區植被的恢復具有一定的促進作用，但恢復速度較慢，需要人工措施來加快其恢復。這與莊凱（2009）對福建稀土尾砂礦山廢棄地植被恢復的研究結果基本一致，在植被恢復初期，自然侵入種較少，而且草本層的物種多樣性均高于喬木和灌木，人工種植是恢復其物種多樣性的主要手段。

早期原地浸礦稀土開采工藝造成稀土尾砂中殘留草酸（H2C2O4）及SO42-濃度較高，導致土壤酸化嚴重（許煉烽等，1999；簡麗華，2012），直接影響植物種類及其生長狀況。植物生長會吸收或轉移土壤中的酸根離子，同時植被枯枝落葉等凋落物的腐爛回歸、植被根系的死亡與活動等均可對土壤狀況產生影響，使其退化的生態系統恢復并形成該區原有的植被群落（莊凱，2009）。土壤作為植物群落環境的主要因子，其有機質和營養物質含量是稀土尾砂區植被恢復和生態重建的關鍵之一（王尚義等，2013）。本研究對稀土尾砂區土壤pH和有效養分的研究結果顯示，在裸露堆積的稀土尾砂中，其深層土壤的有效氮和有效鉀含量高于表層土壤，表現出明顯的淋溶作用，對區域地下水水質及土壤表層養分的固持能力產生不利影響；經過3～4年植被恢復的稀土尾砂礦區，其土壤pH、有效氮、有效磷和有機質含量明顯提高，且與桉樹修復時間密切相關，并且在土壤剖面中表現出明顯的表聚性。原因可能是桉樹生長形成的枯落層減少了降雨及地表徑流對表層土壤的侵蝕（時忠杰等，2010），減弱了淋溶作用。

受植被修復時間的限制，本研究結果僅反映了桉樹生長在短時間內對稀土尾砂養分含量的影響，隨著植被修復時間的延長，廢棄稀土礦區尾砂植被群落的形成與恢復、生態環境的改良及土壤微生物、養分的長期變化過程還需進一步研究。

4 結論

本研究結果表明，桉樹在稀土尾砂區生長較好，其修復作用可有效改善稀土尾砂區土壤pH和養分含量，可作為該區植被修復的適宜樹種。

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（責任編輯 王 暉）