蚯蚓粪、沼液+饲料桑模式对废弃稀土矿区土壤改良效果研究

陈荣强，雷小文*，欧阳克蕙，谢华亮，黄际发，邱静芸，李建军，徐树明，李建明

(1.赣州市畜牧研究所，341401，江西，赣州；2.江西农业大学动物科学技术学院，330045，南昌；3.定南县农业农村局，341900，江西，赣州；4.定南县鼎瑞肉牛养殖专业合作社，341909，江西，赣州)

0 引言

江西赣州素有“稀土王国”称号，蕴含全国 30%以上的离子型稀土矿。2018 年末，赣州市共有废弃稀土矿山面积93.88 km2[1]，生态系统脆弱不堪。不仅水土流失严重、地表荒漠化，几乎寸草不生；还遗留大量有毒元素，雨水淋漓后严重污染水体[2-3]。废弃稀土矿区土壤理化性质遭受破坏，土壤呈强酸性，pH值分布为4～5.6(n=165)，低于背景区的土壤pH值5～6[4]；土壤有机质处于较低水平(五级)，土壤中全氮含量为0.03%，低于最低水平临界值(0.05%)；有效磷含量3 mg/kg，处于五级水平[5]。这导致了普通植物无法生长，依靠自然恢复植被通常需要50—100 a。必须依靠人工干预进行土壤改良，选择先锋植物采用科学模式加快废弃稀土矿区的土壤重建和植被恢复。有关植物修复废弃稀土矿区的研究较多。江西省赣州市龙南县稀土尾矿区耐性植物的调查发现 18 种植物在尾矿区境内生长，主要以狗牙根、百喜草、芒草、巴茅、芒基、桉树、松树为主，优势物种为禾本科植物[6]。百喜草、两耳草、早熟禾、高羊茅、杂交狼尾草、高丹草[7-9]等禾本科牧草对稀土尾砂都具有较好的改良作用，但禾本科牧草多为一年生、季节性覆盖、生物量小。前人研究多局限于盆栽试验，缺乏野外试验数据。植物修复搭配使用土壤改良剂对废弃稀土矿区土壤的改良有更好的效果。如陈莺燕[10]等发现鸡粪配比麻杆生物炭或锯末处理改良稀土尾砂地基质长效性较好，环境风险低，可加快植被复垦。钟云平[11]等发现利用蚯蚓粪种植桂牧1号象草，能改善和修复稀土尾矿土壤，土壤中有机质含量明显增加。饲料桑较禾本科牧草寿命长，生物量大，能常年覆盖；具有根系发达、生长迅速、抗沙埋能力强、适应性强、造林成活率高、耐刈割、萌发力极强等生态学特性[12]。目前尚无饲料桑在植物修复废弃稀土矿区方面的报道，饲料桑的生态学特性使得成为植物修复废弃稀土矿区的先锋植物可能性较大。因此，本课题组选取饲料桑(粤桑11号)作为先锋植物，以蚯蚓粪、沼液为肥料充当有机土壤改良剂，野外试验研究蚯蚓粪、沼液+饲料桑模式对废弃稀土矿区土壤的改良效果，为加快废弃稀土矿区的植被恢复提供良好土壤基础。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于江西省赣州市定南县岭北镇蔡阳村定南县鼎瑞肉牛养殖专业合作社。定南稀土资源分布广、品种多、储量大、质量优，是首批11个国家稀土规划矿区之一。定南中心纬度24.79°，中心经度115.03°，定南县属中亚热带季风湿润气候区，境内气候温和，多年最高气温38 ℃，年平均气温19 ℃，冬季河流无冰冻现象，无霜期293 d，多年平均日照时数为1 777.1 h，太阳总幅射量0.45 MJ/cm2。

1.2 试验材料

饲料桑(粤桑11号)由广东四季桑园蚕业科技有限公司提供。蚯蚓粪(成分检测见表1)由赣州东山嘉禾现代农业有限公司提供。沼液(成分检测见表2)由赣州锐源生物科技有限公司提供。

表1 蚯蚓粪成分检测

表2 沼液成分检测

1.3 饲料桑种植与生长数据收集方法

选择土壤基础条件一致的连片约667 m2废弃稀土矿区尾砂土壤，平整后设置裸地300 m2为对照组(CG)和饲料桑种植区300 m2为试验组(TG)。试验组在种植饲料桑之前1星期(即2019年3月6日)施用沼液以便增加土壤肥力和调节土壤pH，沼液与水按1:4的比例兑匀后泼洒土壤表面，施用量为300 m3/hm2；对照组在同等时间施用自来水300 m3/hm2。试验组在2019年3月13日按照株距0.25 m，行距0.6 m种植饲料桑，穴施新鲜蚯蚓粪250 g/株。试验组每隔2个月施用1次沼液，沼液与水按1:4的比例兑匀后泼洒土壤表面，施用量为30 m3/hm2，对照组则在同等时间施用自来水30 m3/hm2。观察饲料桑的长势。分别在2019年5月9日、7月1日、8月20日收集生长数据。每组随机选取4个2 m×2 m小区，每个小区随机选取5株进行测量。测量茎粗、株高、枝条总数、总叶片数、最大叶长、最大叶宽、主枝叶片数、主枝第5片叶长与主枝第5片叶宽。地径用游标卡尺测量，其他用刻度米尺测量。在距地面2 cm高度剪伐饲料桑，2019年10月21日测定产量。

1.4 饲料桑分析方法

收集试验组饲料桑枝叶鲜样，风干后保存。按照各指标相应的标准方法对饲料桑进行检测。水分含量测定参照GB/T 6435—2014，粗蛋白含量测定参照GB/T 6432—2018，粗纤维含量测定参照GB/T 6434—2006，粗灰分含量测定参照GB/T 6438—2007，粗脂肪含量测定参照GB/T 6433—2006，钙含量测定参照GB/T 13885—2017，磷含量测定参照GB/T 6437—2018。

1.5 土壤取样方法

2019年10月21日，采用蛇形布点法分别在对照组和试验组选取15个土壤采样点，取样深度0～20 cm，制成3个混合样。土样按四分法混合均匀后取1 kg 带回实验室，弃去动植物残体，经风干过2 mm筛，装瓶备用。

1.6 土壤分析方法

pH值测定参照NY/T 1121.2—2006、有机质含量测定参照NY/T 1121.6—2006，全氮含量测定参照NY/T 53—1987，全磷含量测定参照LY/T 1232—2015，有效磷含量测定参照LY/T 1232—2015，速效钾含量测定参照LY/T 1234—2015，砷含量测定参照GB/T 22105.2—2008，铬含量测定参照GB/T 14506.30—2010，铜含量测定参照GB/T 14506.30—2010，锌含量测定参照GB/T 14506.30—2010，镉含量测定参照GB/T 14506.30—2010，铅含量测定参照GB/T 22105.2—2008。

1.7 数据分析

试验数据先用EXCEL软件处理，再用 SPSS 19.0 软件进行单因素方差分析，结果以平均值±标准(Mean±SD)差表示。

2 结果与分析

2.1 饲料桑在废弃稀土矿区的生长性能

一年生饲料桑的生长数据见表3。茎粗、株高、枝条总数、总叶片数、最大叶长、最大叶宽、主枝叶片数、主枝第5片叶长与主枝第5片叶宽均随着时间的推移有增加的趋势，表明饲料桑能够适应废弃稀土矿区的生长环境。饲料桑一年生的枝叶鲜样平均产量为(17.99±2.83)t/hm2(见表4)。由表5可知，饲料桑枝叶干物质中的粗蛋白含量为19.3%，粗纤维含量18.69%，表明蚯蚓粪、沼液+饲料桑模式在废弃稀土矿区依然能够保持饲料桑高粗蛋白、低粗纤维的性状。

表3 饲料桑在废弃稀土矿区的生长数据

表4 一年生饲料桑在废弃稀土矿区的平均产量

表5 饲料桑的营养成分表

2.2 蚯蚓粪、沼液+饲料桑对废弃稀土矿区土壤化学性质的影响

由表6可知，相比对照组，试验组土壤的pH值、有机质、全氮、全磷、有效磷、速效钾均差异极显著(P<0.01)，且pH值提高了38.73%，有机质提高6.26倍，全氮提高6.76倍，全磷提高5.33倍，有效磷提高96.24倍，速效钾提高6.98倍。试验组的有机质、全氮、全磷、有效磷、速效钾均达到《南方地区耕地土壤肥力诊断与评价(NY/T 1749—2009)》中南方地区土壤肥力评价主要理化指标建议参考标准值。表明蚯蚓粪、沼液+饲料桑模式具有改良废弃稀土矿区土壤化学性质作用。

表6 废弃稀土矿区土壤化学性质变化

2.3 蚯蚓粪、沼液+饲料桑模式对废弃稀土矿区土壤重金属含量的影响

由表7可知，相比对照组，试验组土壤的砷、铅、镉、铜、锌的含量差异极显著(P<0.01)，且砷含量降低31.91%，铅含量降低29.96%，镉含量提高230.00%，铜含量提高133.98%，锌含量提高26.55%。对照组砷、铬、镉、铜、锌含量符合《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)(GB 15618—2018)》中农用地土壤污染风险筛选值的标准，铅含量符合农用地土壤污染风险管制值标准；试验组砷、铅、铬、铜、锌含量符合农用地土壤污染风险筛选值的标准，镉含量有超出农用地土壤污染风险筛选值的概率，但符合农用地土壤污染风险管制值标准。表明废弃稀土矿区土壤铅含量应当受到重点监测，蚯蚓粪、沼液+饲料桑模式可有效降低废弃稀土矿区土壤砷、铅含量。

表7 废弃稀土矿区土壤重金属含量变化/mg·kg-1

3 讨论

3.1 饲料桑在废弃稀土矿区的生长性能

孙鏖[13]等在湖南省长沙市芙蓉区省畜牧兽医研究所牧草试验基地按4.50 万株/hm2密度种植的饲料桑(粤桑11号)粗蛋白含量为16.62%，粗纤维为27.62%，平均产量约16.75 t/hm2。本文在稀土尾矿以6.675 万株/hm2密度种植的饲料桑(粤桑11号)干物质粗蛋白含量为19.30%，比孙鏖等种植的高16.13%；粗纤维含量为18.69%，比孙鏖等种植的低32.33%；说明即使是废弃稀土矿区恶劣的环境，采用科学的种植方法依然可以保证饲料桑(粤桑11号)品质。本文饲料桑(粤桑11号)的平均产量约17.99 t/hm2，换算成相同密度，平均产量约是孙鏖等在丘陵地种植的72.41%。

3.2 废弃稀土矿区土壤化学性质的变化

土壤pH过酸是废弃稀土矿区无植被覆盖的主要因素之一。多数植物喜好在土壤pH值为6.0～6.5的环境下生长，土壤养分有效性的最高值大多出现在土壤pH值6.5～7.5之间。土壤过酸严重影响土壤养分有效性，土壤微生物的生物量急剧减少，土壤酶活性严重降低[14]，同时将加剧土壤重金属的溶出和毒性增强[3]。有研究表明，动物粪便可以调解酸性土壤pH值趋于中性[15]。沼液为动物粪便尿液发酵产物，呈碱性[16-17]。因此，本文所使用的蚯蚓粪和沼液能中和废弃稀土矿区土壤的部分酸性，饲料桑根的生理功能也起到部分调解土壤pH值功能。跟王丽艳等在赣南稀土矿区恢复植被后，土壤酸性得到一定的缓和的研究结果一致[18]。

土壤有机质含量过低是废弃稀土矿区无植被覆盖的另一主要因素。本文检测的废弃稀土矿区土壤有机质、全氮、全磷、有效磷、速效钾含量均远低于植物生长所需的含量。必须依靠外源添加有机质、氮、磷、钾等才能短时间内让废弃稀土矿区土壤的有机质和氮、磷、钾含量大幅提高，满足植物生长的需求。沼液、蚯蚓粪中有机质和氮、磷、钾含量较为丰富[16,19-20]，沼液施用可以增加象草、狼尾草产量和提高土壤氮含量[21-22]。蚯蚓粪在修复污染土壤上也应用广泛[23-24]。试验组有蚯蚓粪、沼液为饲料桑提供养分，根系快速生长的同时，也在改变土壤的理化性状和土壤结构，提高土壤肥力和保持水土。因此，蚯蚓粪、沼液+饲料桑模式使土壤有机质、全氮、全磷、有效磷、速效钾含量均成倍增加，跟张艳等施用废弃菌糟和鸡粪后种植早熟禾、高羊茅、杂交狼尾草和高丹草能有效提高稀土尾砂中有机质、全氮、速效钾和有效磷的结果相似[8]。

3.3 废弃稀土矿区土壤重金属含量的变化

砷、铅、镉皆是对动物有明显毒害的重金属元素，铬、铜、锌虽然是动物必须的微量元素，但是体内富集过多也会造成机体损伤[25]。降低重金属的迁移能力是避免动物重金属中毒的有效方法之一。重金属的种类、形态、土壤的理化性质、植物累积效应等均是影响土壤重金属迁移的重要因素[26]。土壤pH值会影响铅、镉、锌的迁移率和潜在生物有效性[27]，铅、镉、锌可交换态重金属浓度与土壤的pH值均呈显著负相关[28]。生物有机肥中含有的有机质和有益微生物对重金属离子均有很强的吸附作用和螯合作用，可以部分降低土壤中重金属的有效性，减少作物对重金属的吸收[29]。郑少玲[30]等发现，施用生物有机肥对广东菜园土上芥蓝的铅、镉、铬、铜、锌、镍含量均有明显的降低作用。刘晓辉[31]等发现铅、铜、锌3种元素在裸地中的含量高于有植被覆盖的地区。本文试验组土壤pH从4.26调节至5.91，有机质增加6.26倍，饲料桑覆盖裸地等因素均可能起到降低可交换态重金属浓度、减缓重金属迁移率的作用[32]，相关推论需要后续对重金属各形态含量进行检测。

饲料桑的蛋白质含量高、氨基酸种类丰富、纤维素含量低，富含多种生理活性物质[33-34]，是非常好的饲料原料[35-36]。饲料桑有改良废弃稀土矿区土壤的作用，若后续对它的饲用价值加以利用，将更有利于推广“蚯蚓粪、沼液+饲料桑模式”，对废弃稀土矿区的持续治理注入经济活力。

4 结论

饲料桑(粤桑11号)可作为改良废弃稀土矿区土壤的先锋植物，蚯蚓粪、沼液+饲料桑(粤桑11号)模式是改良废弃稀土矿区土壤有效模式。