桉树修复对江西稀土尾砂区土壤养分的影响

鲁向晖 唐安华 白桦 张海娜 刘海威 杨丹 黄丽

摘要：【目的】研究江西省寻乌县稀土矿区尾砂地3～4年生桉树纯林的植被修复作用对该区土壤pH及有效养分变化的影响，为稀土尾砂的恢复治理提供理论依据。【方法】选择具有代表性的3～4年生桉树纯林地段为试验样地，以未治理的裸露堆积稀土尾砂地为对照，分层采集样地0～20、20～40、40～60、60～80 cm深度的土样，测定其土壤有效氮、有效磷、有效钾、土壤有机质含量及土壤pH等指标。【结果】稀土尾砂区经过3～4年的桉树修复措施，其林下草本植物种类增加，但灌丛群落尚未形成。4年生桉树纯林0～60 cm深度土层pH显著提高（P<0.05，下同），酸性得到一定改良；3年生桉树纯林土壤pH略高于裸露稀土尾砂，但差异未达显著水平（P>0.05，下同）。除有效钾和3年生桉树纯林20～40 cm土层有效磷含量外，桉树修复区0～60 cm土层土壤养分含量整体上高于裸露尾砂区，且不同年限桉树修复区的土壤养分呈现出向表层土壤聚集的趋势。植被修复区0～20 cm土层内的土壤有效磷含量和4年生桉树纯林的有效氮含量显著高于其他土层，其余养分在不同土层间差异不显著。稀土尾砂裸露区有效氮和有效钾含量随土壤深度的增加而递增，有效磷含量随土壤深度的增加而递减。相关性分析结果表明，桉树修复区0～20 cm土层中有效氮与有效磷、有机质和pH均呈极显著正相关（P<0.01）。【结论】桉树修复可有效改善稀土矿区尾砂的pH和养分含量，桉树可作为该区植被修复的适宜树种。

关键词： 桉树；植被修复；稀土尾砂；土壤pH；土壤养分

中图分类号： X53 文献标志码：A 文章编号：2095-1191（2016）07-1100-05

0 引言

【研究意义】江西省寻乌县有丰富的稀土资源，素有“稀土王国”之称。自20世纪70年代初以来，稀土资源开采对促进该县经济发展发挥了较大作用（刘建业等，1991）。但隨着开采时间的延长，在开采稀土资源的同时，当地植被也遭到毁灭性破坏，致使水土流失严重。作为一类极度退化的土地，稀土尾砂区的生态恢复问题受到普遍关注。从2009年开始，寻乌县水土保持局在双茶亭废弃稀土矿区设立“稀土尾砂治理试验区”，通过试验筛选出小叶桉树（Eucalyptus grandis）[桃金娘科（Myrtaceae）桉树属（Eucalyptus）]可以在稀土尾砂上快速生长，并表现出适应性好、抗逆性强、耐贫瘠、干形好等特点（臧国长等，2007）。但由于废弃矿区环境复杂独特，治理过程中缺乏对植被修复效果的理论和数据支持，难以形成对稀土矿尾砂治理的有效指导。因此，开展植被修复与土壤改良及其相互作用的研究，对废弃矿区尾砂植被修复及促进区域生态环境稳定具有重要意义。【前人研究进展】稀土尾砂地土壤呈微酸性（pH 5.5～6.4），其全磷、全钾含量比附近植被覆盖良好的红壤地略高，但这些养分很难直接被植物吸收利用，而有机质、有效磷和有效氮的含量则极低（刘建业等，1991）。已有专家开展了利用植被对稀土尾砂进行修复的相关研究。刘建业等（1991）在稀土尾砂堆积场地植被恢复试验中种植了乔、灌、草等13种植物，结果证实乔木黄檀长势较好，灌木胡枝子和禾本科宽叶雀稗等当年种植可当年绿化试验区。涂翠琴和张宝山（1995）研究认为，在稀土尾砂场施用有机肥和氮肥、种植适生植物是迅速恢复植被并改善生态环境的有效措施。涂翠琴等（1996）在查明稀土尾砂农业理化性质的基础上，在稀土尾砂堆积场地种植芙蓉李和温州蜜柑，结果表明，芙蓉李生长良好且有利于提高土壤肥力。李德荣等（2003）于1998～2002年通过种植百喜草（Paspalun notatum）治理江西省龙南县稀土尾砂，结果表明，尾砂裸露区（对照区）和百喜草种植区年均径流量分别为3302.0和1326.6 m3/ha；径流系数分别为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，百喜草和弯叶画眉草抗旱性较强，可作为南方地区矿山废弃地植被恢复的理想种类。【本研究切入点】植被选择对稀土矿尾砂生态修复具有较大的影响，而土壤作为植被恢复中最重要的物质基础，对其理化性状及植被修复的效果如何，却很少被关注。目前，针对稀土资源开发对生态环境影响的研究相对比较零散，系统性不强，相关研究较少且时间久远，而有关桉树生长对稀土尾砂区土壤状况影响的研究尚无报道。【拟解决的关键问题】通过野外调查和室内试验分析，研究江西省寻乌县稀土矿区尾砂地3～4年生桉树纯林的植被修复作用对该区土壤pH及有效养分变化的影响，以期为稀土尾砂的修复治理提供理论依据和技术支持。

1 材料与方法

1. 1 研究区概况

研究区位于江西省寻乌县双茶亭废弃稀土矿区（东经115°42′14″～115°44′12″，北纬24°52′40″～24°54′17″）（图1），属亚热带季风气候区，年均气温18.9 ℃，年均降水量1650.3 mm，雨季主要集中于4～6月，全年温暖湿润，雨量充沛。研究区内乔木以人工种植的小叶桉树（Eucalyptus grandis）为主，草本植物有宽叶雀稗（Paspalum wettstresnst）、狗尾草[Setaria viridis（L.） Beauv]、百喜草（Paspalum natatu）等。

1. 2 样地选择

依据桉树生长的不同年限，选择具有代表性的地段设置样地（3年生桉树纯林、4年生桉树纯林），以未治理的裸露堆积稀土尾砂地为对照。在每个样地选择5个样点调查植物种类，样方大小为5 m×5 m。

1. 3 土壤采集与处理

分别在上述样方中采集0～20、20～40、40～60、60～ 80 cm深度的土样，将各样地土样分别取1 kg装入土壤袋，带回实验室后自然风干，除去植物残体及砂砾等，粉碎后分别装于样品袋备用。

1. 4 土壤养分测定

土壤有效氮、有效磷、有效钾采用TFC智能普及型土肥速测仪进行测定；土壤有机质采用重铬酸钾氧化—外加热法测定；土壤酸碱度采用pHS-3B型pH计进行测定。

1. 5 数据处理与分析

试验数据采用Excel 2007及SPSS 19.0进行整理和统计分析。

2 结果与分析

2. 1 研究区桉树林下植被特征

在植被修复过程中，小叶巨桉成活率较高，迅速成为优势树种，林下伴生草类主要有芭毛草（Miscanthus floridulus）、狗尾草（Setaria viridis）等，其中优势草种为宽叶雀稗（Paspalum wettstresnst）。3年生桉樹纯林植被修复区域内除小叶桉树外，未见其他乔木树种生长，林下植被以芭毛草为优势种，有少量铁芒萁（Dicranopteris dichotoma）伴生；4年生桉树纯林修复区域内的林下植被主要包括宽叶雀稗、芭毛草、狗尾草和马唐草（Digitaria sanguinalis），该区域内桉树是唯一乔木树种，林下宽叶雀稗在植被群落中形成优势种，同时芭毛草成为主要的伴生草种；裸露稀土尾砂地则无植被分布（表1）。依据实际调查，由于植被修复时间短，在稀土尾砂矿区观测到的植被类型主要受人工控制植被栽植的影响，到目前为止，植被种类并没有较大变化。

2. 2 桉树生长对稀土尾砂土壤pH的影响

稀土开采过程主要是通过硫酸铵溶液淋泡稀土矿石，加入碳酸氢铵过滤后得到碳酸稀土。因此，稀土开采后所产生的稀土尾砂呈酸性（简丽华，2012）。由表2可知，研究区内裸露稀土尾砂土壤pH为4.85～5.03，种植桉树后稀土尾砂pH有所提高，3年和4年生桉树纯林土壤平均pH分别比裸露稀土尾砂高3.7%和9.2%，pH平均提高了0.18和0.46。与裸露稀土尾砂相比，4年生桉树纯林0～60 cm深度土层pH显著提高（P<0.05，下同），说明种植桉树可使其酸性得到一定改良；3年生桉树纯林土壤pH略高于裸露稀土尾砂，但差异未达显著水平（P>0.05，下同）。同时经方差分析可知，各样地垂直剖面土壤pH差异均不显著。

2. 3 桉树生长对稀土尾砂土壤有效养分的影响

不同样地稀土尾砂土壤养分含量随土壤深度的变化情况如表4所示。由表4可看出，除有效钾和3年生桉树纯林20～40 cm土层的有效磷含量外，桉树修复区0～60 cm土层的土壤养分含量整体上高于裸露尾砂区，且不同年限桉树修复区的土壤养分呈现出向表层土壤聚集的趋势，说明桉树生长对土壤养分具有表聚作用。在植被修复区，0～20 cm土层内的土壤有效磷含量和4年生桉树纯林的有效氮含量显著高于其他土层，其余养分在不同土层间的差异不显著。在稀土尾砂裸露区，有效氮和有效钾含量随土壤深度的增加而递增，可能受到淋溶作用的影响而不容易在地表聚集；有效磷含量随土壤深度的增加而递减，其中0～20 cm土层有效磷含量显著高于60～80 cm土层。此外，4年生桉树纯林各土层的养分含量均高于3年生桉树纯林，表明土壤有效养分含量随桉树生长年限延长呈增加趋势。

2. 4 稀土尾砂地表层土壤养分的相关性分析

桉树生长对稀土尾砂土壤养分表现出表聚作用，主要原因可能是桉树生长过程中形成的枯落层及根系减少了表层水土流失，同时减弱了淋溶作用。对稀土尾砂桉树修复区0～20 cm土层土壤养分的相关分析结果（表5）表明，有效氮与有效磷、有机质和pH均呈极显著正相关（P<0.01）；有效钾与有效氮、有效磷、有机质及pH也呈正相关，但相关性未达显著水平。

3 讨论

寻乌县是东江的源头，东江为香港提供了75%的饮用水，桉树的生长对该区域内废弃稀土矿尾砂具有提高植被覆盖度、调节土壤酸碱度及防治面源污染的作用，对保障粤港地区饮用水安全具有十分重要的作用。本文通过对稀土尾砂修复区植被类型进行调查，发现该区域内的乔木层除桉树外无别的树木生长，下层植被主要以草类为主，如宽叶雀稗、芭毛草、狗尾草、铁芒萁等，基本无灌木种类；随着桉树生长年限的增加，林下植被种类有所增多，表明桉树对废弃稀土矿尾砂地区植被的恢复具有一定的促进作用，但恢复速度较慢，需要人工措施来加快其恢复。这与庄凯（2009）对福建稀土尾砂矿山废弃地植被恢复的研究结果基本一致，在植被恢复初期，自然侵入种较少，而且草本层的物种多样性均高于乔木和灌木，人工种植是恢复其物种多样性的主要手段。

早期原地浸矿稀土开采工艺造成稀土尾砂中残留草酸（H2C2O4）及SO42-浓度较高，导致土壤酸化严重（许炼烽等，1999；简丽华，2012），直接影响植物种类及其生长状况。植物生长会吸收或转移土壤中的酸根离子，同时植被枯枝落叶等凋落物的腐烂回归、植被根系的死亡与活动等均可对土壤状况产生影响，使其退化的生态系统恢复并形成该区原有的植被群落（庄凯，2009）。土壤作为植物群落环境的主要因子，其有機质和营养物质含量是稀土尾砂区植被恢复和生态重建的关键之一（王尚义等，2013）。本研究对稀土尾砂区土壤pH和有效养分的研究结果显示，在裸露堆积的稀土尾砂中，其深层土壤的有效氮和有效钾含量高于表层土壤，表现出明显的淋溶作用，对区域地下水水质及土壤表层养分的固持能力产生不利影响；经过3～4年植被恢复的稀土尾砂矿区，其土壤pH、有效氮、有效磷和有机质含量明显提高，且与桉树修复时间密切相关，并且在土壤剖面中表现出明显的表聚性。原因可能是桉树生长形成的枯落层减少了降雨及地表径流对表层土壤的侵蚀（时忠杰等，2010），减弱了淋溶作用。

受植被修复时间的限制，本研究结果仅反映了桉树生长在短时间内对稀土尾砂养分含量的影响，随着植被修复时间的延长，废弃稀土矿区尾砂植被群落的形成与恢复、生态环境的改良及土壤微生物、养分的长期变化过程还需进一步研究。

4 结论

本研究结果表明，桉树在稀土尾砂区生长较好，其修复作用可有效改善稀土尾砂区土壤pH和养分含量，可作为该区植被修复的适宜树种。

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（责任编辑 王 晖）