不同生長年限多花木藍對磷礦山邊坡土壤養分變化的影響

周金華，余 浪，王奕舒，肖亞楠，朱尤龍，李云駒

(云南磷化集團有限公司/國家磷資源開發利用工程技術研究中心，云南 昆明 650600)

磷礦山在開采的過程中，必須砍伐植物和剝離表土，因而地表植物往往蕩然無存，取而代之的是大片的裸地。礦山廢棄地地貌地形被改變，土壤層被破壞，失去了土壤的貯水功能和地下水的補給功能，致使土壤有機質含量低、理化性質差、pH值低、保肥供肥能力差、抗風化能力弱，加之地表植物被破壞，無法涵養土壤，因此極易導致水土流失[1]。依靠生態的自我恢復能力可能需要幾十年甚至上百年才能夠形成一個穩定的生態群落結構，只有人為干預礦山恢復才能快速地構建穩定的植物群落[2]。但是，能夠在這樣極端的環境下生長的植物十分稀少，所以研究篩選適生的植物對磷礦山的修復具有十分重要的價值和實踐意義。

通過對礦山廢棄地修復植物的研究和初步篩選，發現多花木藍(Magnoliamultiflora)在磷礦山廢棄地上生長良好，同時根系發達、枝葉茂密、覆蓋度高、生長迅速、壽命長，能有效截留降水、固持土壤，是一種抗性強的水土保持樹種[3]，對礦山廢棄地、采石場廢棄地及公路邊坡等有較好的水土保持及復綠作用[4]。多花木藍屬于豆科多年生落葉灌木，其根系能夠與根瘤菌形成根瘤共生固氮系統，通過吸收空氣中的氮氣為自身生長提供養分[5]，具有抗旱、耐寒、耐瘠薄的特點，且適應性廣，對土壤要求不嚴，在pH值4.5～7.0的紅壤、黃壤或紫紅壤上均能良好生長。該灌木在夏季良好的水熱條件下生長旺盛，日均增高1.1～1.3 cm；在冬季無持續霜凍情況下可保持青綠，遇重霜時葉片會脫落，呈休眠狀態，但枝條仍能安全越冬，再生能力強。鄭明新等[6]研究發現多花木藍根系具有較強的抗拉強度，用于邊坡修復時，其生長年限越長邊坡的安全系數越高。趙雅姣等[7]研究發現，豆科植物可作為綠肥，通過根瘤菌能固定空氣中游離的氮，具有改良土壤、增加土壤肥力的作用。因此，本研究擬通過比較磷礦山廢棄地邊坡不同生長年限多花木藍根區土壤中的養分狀況和理化性質，來揭示多花木藍用于礦山生態修復的機理。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地點位于云南省昆明市晉寧區云南磷化集團有限公司昆陽磷礦生態修復區排土場邊坡，地理位置24°43′24.97″N、102°33′40.74″E，海拔2 058 m，屬亞熱帶季風氣候區，年平均氣溫15 ℃，年平均降水量1 100 mm，光熱條件較好，熱量資源豐富，夏季雨量充沛。試驗區域土壤覆蓋厚度為60 cm，坡度為60°，水土保持能力差。以該排土場未種植多花木藍邊坡的土壤養分條件作為試驗區域土壤養分基本條件，其中土壤pH值為5.97，有機質、全氮、全磷、全鉀含量分別為2.51、0.18、0.56、21.49 g/kg，電導率為22.9 μS/cm，陽離子交換量(CEC)為3.31 cmol/kg。

1.2 試驗材料

多花木藍均種植于云南磷化集團有限公司昆陽磷礦排土場邊坡，其種子來源于本土多花木藍品種。以生長年限分別為1、2、3、4、5 a的多花木藍植株根區土壤作為試驗研究對象，以同一坡位未生長多花木藍的邊坡土壤作為對照。

1.3 試驗方法

2020年10月16日采集試驗區域5種不同生長年限多花木藍根區土壤樣品，取樣區域選擇處于同一坡位、生長面積大于50 m2的不同生長年限的多花木藍生長優勢區，采用5點取樣法進行土壤取樣，采集點距主根20～30 cm，取樣深度0～20 cm，每個處理設置3個生物學重復；在同一坡位取對照土壤樣品。樣品裝入自封袋帶回實驗室，去除其中的巖石和植物殘留等雜物，自然風干2周后用四分法取樣，過0.15 mm篩后保存備用，進行養分指標等測定。

1.4 測定項目

含水量測定采用烘干法，土壤全氮測定采用半微量凱氏定氮法，全磷測定采用硫酸-高氯酸-鉬銻抗比色法，全鉀測定采用NaOH熔融-火焰光度法，有機質測定采用重鉻酸鉀容量法-稀釋熱法，CEC值測定采用乙酸銨法，土壤水解性氮、硝態氮和銨態氮采用自動定氮儀測定，有效磷測定采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法，速效鉀測定采用乙酸銨浸提-火焰光度法，具體操作方法參照《土壤農化分析》[8]。

1.5 數據分析

采用Excel 2019作圖，采用SPSS 13.0進行顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 不同生長年限多花木藍對土壤pH值及電導率的影響

不同生長年限多花木藍根區土壤的pH值和電導率變化情況如圖1所示。試驗區域未種植多花木藍時，土壤pH值為5.97，電導率為22.9 μS/cm，土壤呈酸性，電導率低；種植多花木藍后，土壤pH值與電導率逐漸提高，當多花木藍生長年限為2～5 a時，pH值與電導率變化趨于穩定，pH值分別為7.50、7.72、7.14、7.44，電導率分別為76.81、81.87、83.86、87.96 μS/cm，土壤酸堿度達到中性，土壤中礦質態離子增多并處于動態平衡。

圖1 不同生長年限多花木藍對根區土壤pH值及電導率的影響

2.2 不同生長年限多花木藍對土壤氮素含量的影響

如圖2所示，土壤全氮含量隨多花木藍生長年限增加而逐漸上升，不同形態的氮素含量亦隨多花木藍的生長不斷增加與積累，生長年限達4 a時土壤速效態氮(水解性氮、硝態氮、銨態氮)含量開始降低。對照土壤全氮含量為0.19 g/kg，生長5 a增加至1.37 g/kg，生長年限為1～5 a的多花木藍根區土壤全氮含量分別較對照增加68.4%、200.0%、268.4%、552.6%、621.1%。對照土壤水解性氮含量為6.25 mg/kg，生長5 a增加至82.00 mg/kg，生長年限為1～5 a的多花木藍根區土壤水解性氮含量分別較對照增加235.5%、678.9%、904.6%、1 319.0%、1 212.0%。對照土壤硝態氮含量為0.48 mg/kg，生長5 a增加至4.13 mg/kg，生長年限為1～5 a的多花木藍根區土壤硝態氮含量分別較對照增加130.4%、435.4%、570.4%、920.4%、762.8%。對照土壤銨態氮含量為0.66 mg/kg，生長年限為1 a的多花木藍根區土壤銨態氮含量為0.59，較對照降低10.6%，之后呈不斷上升的趨勢，生長年限為2～5 a的多花木藍根區土壤銨態氮含量分別為0.71、0.85、1.07、0.91 mg/kg，分別較對照增加6.7%、28.9%、61.0%、37.7%。

圖2 不同生長年限多花木藍對根區土壤氮素含量的影響

2.3 不同生長年限多花木藍對土壤有效磷和速效鉀含量的影響

如圖3所示，試驗區域土壤未種植多花木藍時，其有效磷和速效鉀含量分別為6.38和55.70 mg/kg，土壤中可被利用的磷、鉀含量較低。種植多花木藍后，有效磷含量逐漸提高，當多花木藍生長年限為1 a時較對照增加30.6%，為8.33 mg/kg；當多花木藍生長年限為2～5 a時有效磷含量顯著增加，分別為30.58、38.49、47.97、46.48 mg/kg，生長5 a時土壤中有效磷含量較對照增加628.5%。土壤速效鉀含量也隨多花木藍生長年限增加而逐漸增高，多花木藍生長年限為1～5 a時土壤中的速效鉀含量分別為72.66、197.67、166.56、258.04、238.00 mg/kg，生長5 a時土壤中速效鉀含量較對照增加327.3%。

圖3 不同生長年限多花木藍對根區土壤有效磷和速效鉀含量的影響

2.4 不同生長年限多花木藍對土壤含水量、CEC值及有機質含量的影響

如圖4所示，土壤含水量、CEC值及有機質含量整體上隨多花木藍生長年限增加而逐漸上升，土壤保水能力、保肥能力及有機質含量不斷增強。多花木藍的生長顯著提高了土壤對水分的保蓄能力，對照土壤含水量為4.69%，生長年限為1～5 a的多花木藍的根區土壤含水量分別為8.39%、8.23%、9.08%、11.96%、9.19%，含水量最高為11.96%，較對照增加155.0%。同時，多花木藍的生長顯著提高了土壤的保肥能力及有機質含量，生長年限為1～5 a的多花木藍的根區土壤CEC值分別為3.74、7.44、9.00、11.40、11.84 cmol/kg，有機質含量分別為3.54、4.91、5.43、7.43、8.80 g/kg，對照土壤CEC值和有機質含量分別為3.31 cmol/kg和2.51 g/kg，生長5 a時土壤CEC值較對照增加了257.7%、有機質含量增加了299.5%。

圖4 不同生長年限多花木藍對根區土壤含水量、CEC值及有機質含量的影響

3 討 論

多花木藍固氮能力的強弱受諸多外在因素的影響，包括養分狀況、含水量、溫度、土壤類型等，其中養分狀況主要受限于土壤中氮素與磷素的含量。低氮條件下豆科植物根瘤共生固氮能力較強，植株生物量、根瘤數及植株氮含量會得到提高，但在高氮條件下對根瘤共生固氮具有抑制作用[11]。同時土壤磷的含量也會影響多花木藍根瘤共生系統對氮的固定，根瘤共生固氮過程中共生體本身是需要通過膜與植物根細胞分開的，這些膜的形成需要消耗大量的磷，因此根瘤共生系統的形成和固氮酶固氮過程均需要消耗大量的磷。在多花木藍生長過程中，植株不斷從空氣中固定氮以合成植株生長所需的氮素，同時分泌磷酸酶、解鉀酶，促進礦物態的磷、鉀解離出來形成可供給植物生長的磷、鉀素[12]，并補充土壤中的速效磷、有效鉀含量[13]，使土壤全氮含量由0.19 g/kg提高至1.37 g/kg，有效磷含量由6.38 mg/kg提高至46.48 mg/kg，速效鉀含量由55.70 mg/kg提高至238.00 mg/kg，同時水解性氮、銨態氮、硝態氮均顯著提高，土壤養分狀況得以改善。

多花木藍在生長過程中，土壤的水分保蓄能力、保肥能力及有機質含量均得到提高，含水量由4.69%提高至9.19%，CEC值由3.31 cmol/kg提高至11.84 cmol/kg，有機質含量由2.51 g/kg提高至8.80 g/kg。這是因為多花木藍根系的生長和地上部分的遮蔽對土壤的固定和水分的保持具有明顯的促進作用，根瘤共生體系的固氮作用促進了土壤中養分的累積，增加了土壤的肥力水平，促進了土壤保肥能力的提高；同時多花木藍屬落葉灌木，其枯枝落葉腐解后對土壤有機質不斷補充，促進了土壤有機質含量的不斷提高。

4 結 論

在磷礦山排土場邊坡修復過程中，修復植物的選擇直接影響礦山生態修復的效果以及后續修復工作的開展。針對使用多花木藍作為先鋒植物進行生態修復，本研究通過測定不同生長年限的多花木藍根區土壤的養分指標及土壤性質指標，探究該樹種的種植對土壤性質及養分狀況的影響，結果表明：多花木藍的生長促進了土壤中不同形態氮素的積累，增加了磷、鉀元素的有效性，穩定了土壤pH值和電導率等，促進了有機質的積累，增強了土壤的養分水平和保水保肥能力，提高了磷礦山廢棄地的可塑性。因此，多花木藍可作為磷礦山排土場邊坡修復的優選先鋒樹種。