土壤作为一个复杂的生态系统,其物理和化学性质直接影响植物的生长以及整个生态系统的健康和稳定性[1]｡特别是在经历了重度工业活动,如稀土采矿和碓浸等区域,土壤环境往往受到严重破坏,表现为土壤结构退化和水土流失､肥力下降和养分失衡[2]以及水土环境污染[3]｡据刘文深等[4]报道,废弃3~10年的稀土尾矿因水土流失导致沙化和土壤氮养分流失,土壤肥力远低于周边未开采植被区的土壤｡周彩云等[5]研究表明,土地复垦解决了表层土壤中浸矿剂残留和土壤酸化问题,但土壤肥力综合指数则由0.44降至0.31,表现出较治理前更加退化｡这些问题的存在严重阻碍了矿区植被恢复和生态重建｡因此,实施有效的生态修复措施对于恢复这些受损土壤的生态功能至关重要[6]｡

植被恢复和土壤肥力重建是稀土尾矿区生态系统结构和功能恢复的重要途径｡杨妙贤等[7]的研究表明,稀土矿场土壤中的有机质､肥力和水分是影响该区域植物生长的主要胁迫因素｡刘路生等[8]以草被､灌草和林草治理模式研究结果表明,林草模式对减少地表侵蚀和保持水土的效果最显著｡此外,珊丹等[9]报道了豆科为优势的人工植被,土壤氮含量显著高于自然恢复植被,油松-柠条群落土壤有机碳显著高于其他植被,强调了人工植被在矿山废弃地生态恢复中的重要性｡

近年来,广东省对历史遗留废弃稀土矿山实施了大规模的生态治理,但在治理恢复效果方面的研究和评价仍然缺乏｡因此,选取广东省英德市某历史遗留废弃稀土尾矿为对象,对比生态修复前后的土壤特性,以评估生态修复在提高土壤持水能力､缓解土壤酸化､改善土壤孔隙结构及减轻土壤紧实度等方面的效果｡

1、材料与方法

1.1研究地概况

研究地位于广东省北部英德市(112°45′15″~113°55′38″E､23°50′31″~24°33′11″N)的白沙镇门洞村｡该地区属于南亚热带季风气候｡根据英德市气象局提供的数据,2010-2018年间英德市的年均降水量为2099.4mm｡土壤主要是湿热气候下花岗岩风化淋溶形成的红壤和侵蚀红壤,这些土壤抗蚀性极差,且保水保肥能力低｡白沙镇拥有丰富的矿产资源,稀土是其优势矿产之一｡修复区处于低山丘陵区,土壤类型和分布既受地带性生物气候条件的影响,又受地形､地貌､母质､水文地质条件以及人类耕作的影响｡区内土壤发育类型主要为红壤,由花岗岩风化发育而成,全剖面呈酸性,pH值4.0~5.5｡区内土层深厚,土地利用主要为林地｡

研究地分为修复区和未修复裸地区｡植被调查发现,修复区木本优势植物为湿地松,其次是岗松;草本优势植物为芒草､芒箕,其次是莎草和凤尾蕨｡修复区内的不同种类植物并非均匀分布,主要优势群落类型有湿地松-芒草群落､芒草单优种群落､岗松-芒草-莎草群落､芒箕群落､芒草-芒箕群落等｡此外,2个区域因稀土矿盗采而受到了严重的矿渣废弃物污染｡修复区自2022年完成植被重建后,经过约1.5年的修复,水土流失基本得到控制｡未修复的裸地区仅有湿地松､芒草､粽叶芦竹､莎草和乌毛蕨等稀疏植物,地表水土流失仍然严重｡同时,以矿区周边未破坏的自然区域作为参照,对比分析土壤基本理化性质｡

1.2样品采集及分析方法

在每个采样地设置3个样方作为土壤采样点,采用对角线法在每个样方分别采集,土壤样品分0~5cm､5~20cm､20~40cm和40~60cm土层进行采集｡每个样地每种样品重复3次,重复样品混匀形成一个混合样｡土壤样品带回实验室置于阴凉通风处自然风干后分为2份,一份用球磨仪磨碎成粉状,用于土壤SOC､N､P元素测定,一份过2mm筛网用于土壤pH值､含水率､孔隙度､容重测定｡

图1广东省英德市白沙镇废弃稀土矿山生态修复现状左图为未修复区;右图为修复后约1.5年

测定方法:烘干称重法测定土壤含水率;电位法测定土壤pH值;重铬酸钾氧化法配合外加热法测定土壤总有机碳含量,即总碳;靛酚蓝比色法测定土壤总氮含量[10];钼锑抗比色法测定总磷含量[11];水分置换法测定土壤总孔隙度[12]｡

1.3数据分析

使用IBMSPSSStatistics25软件对数据进行统计分析,通过独立样本t检验比较不同地区和物种间的差异,并采用皮尔逊相关性分析探究各指标间的相关性｡显著性水平设置为<0.05｡图表绘制则使用Origin2022软件,图中数据显示为平均值±标准误差｡

2、结果与分析

2.1土壤基本理化性质

由表1可知,修复区各土层土壤含水率与未破坏的自然区接近,不存在显著差异,但显著高于未修复的裸地,表明林草植被修复对改善土壤持水能力的效果显著｡和裸地相比,修复区土壤pH值显著增加且与自然区接近,表明植被修复后土壤酸化得到显著缓解｡在20~60cm土层中,修复区表层土壤总孔隙度和容重显著低于未修复的裸地,表明土壤质地得到显著改善｡

2.2修复区和裸露区土壤碳､氮､磷含量特征

由表2可知,不同土层深度下修复区与裸露区土壤碳､氮､磷含量存在不同程度的差异,在各土层中,修复区土壤碳含量均高于裸露区,尤其在0~5cm和5~20cm土层中显著｡类似地,在0~5cm和5~20cm土层中,修复区土壤氮含量显著高于裸露区｡和裸露区比较,各个土层中修复区土壤磷含量都得到提高,尤其在表土和亚表土层中显著｡表明稀土尾矿在经过植被重建后土壤有机质含量和肥力得到有效改善｡

表2稀土尾矿修复区和未修复裸地区土壤碳氮磷含量

由表3可知,土壤C︰N､C︰P和N︰P在修复区与裸地区之间以及不同土层之间均存在不同程度的差异｡修复区土壤C︰N比总体上低于裸地区(40~60cm土层外),尤其在表层土壤(0~5cm)中显著｡相反,修复区各土层(40~60cm土层除外)中土壤N︰P比均显著高于裸地区｡而且,修复区土壤N︰P比随土层深度而下降(从12.59降至3.76),表现出修复区土壤具有较高的N︰P比,尤其在浅层(0~20cm)土壤中明显｡与C︰N比类似,修复区各土层(40~60cm除外)土壤C︰P比均高于裸地区对应土层,尤其在浅层(0~20cm)土壤中显著｡

图2展示了修复区土壤C､N､P与土壤物理性质相关性｡在修复区土壤C､N､P与总孔隙度呈负相关,土壤C､N､P与容重呈正相关,总孔隙度与容重呈负相关｡图3展示了裸地区土壤C､N､P与土壤物理性质相关性｡在裸地区,土壤的含水率与pH值､总孔隙度呈负相关,总孔隙度与容重呈负相关｡

表3稀土尾矿修复区与裸地区土壤碳氮磷的计量比

图2修复区土壤C､N､P与土壤物理性质相关性

图3裸地区土壤C､N､P与土壤物理性质相关性

2.3土壤养分与生态化学计量比的相关性

由图4可知,在修复区,土壤总碳､总氮与总磷含量之间均表现出显著的正相关,表明土壤碳积累有利于提高氮磷养分｡在探讨土壤的化学计量特性时,发现总氮与C︰P比值之间存在显著相关性,N︰P比与C︰P比之间的相关性也同样显著｡土壤的C︰N比与N︰P比､C︰P比呈负相关｡此外,C︰N比与N︰P比､C︰P比之间也显示出负相关性｡

由图5可知,未修复裸地区土壤总碳与C︰P比之间以及土壤总氮与N︰P比之间均呈现极显著的正相关｡此外,土壤总碳与总磷含量之间呈现负相关,土壤总磷含量与C︰P比亦呈现负相关｡

图4修复区土壤C､N､P及生态化学计量比的相关性

图5未修复区土壤C､N､P及生态化学计量比的相关性

3、讨论

3.1土壤物理性质变化特征比较

土壤含水率在一定程度上表明了土壤蓄积和保持水分的能力[13]｡本研究结果表明,土壤含水率随着生态修复而增加,这与张耿杰等[14]的研究结果一致｡土壤水分不仅参与土壤中养分的转化和运输,还是植被生长发育的必要条件[15]｡在本研究中,修复区20~40cm和40~60cm土层中的土壤含水率较高,表明生态修复改善了土壤的持水和保水性能｡土壤中的碳C､N､P含量与土壤的容重呈正相关关系,这表明随着这些养分含量的增加,土壤容重也趋于增加｡在0~20cm土层中,修复区比裸露区土壤具有显著高的碳含量,这些因素共同改善了土壤性质,优化了土壤结构,从而增强了土壤的持水能力｡此外,植被自身也具备一定的持水能力[16]｡相比之下,裸地区由于缺乏植被覆盖,土壤结构较差,且水分下渗速度快,使得该土壤的物理性质相比有植物群落的修复区显得更为不利｡修复区土壤pH值在各个土层中普遍高于裸地区,接近周边未受破坏的自然区土壤pH值的水平,表明稀土尾矿经过植被恢复后土壤酸化得到缓解｡裸地区尤其在下层(20~40cm和40~60cm)土壤的pH值较低,这一现象可能在于表层土壤强烈风化作用导致盐基阳离子淋溶流失以及稀土矿浸提使用的硫酸铵等浸提剂残存在下层土壤中所致[17]｡修复区各个土层的土壤总孔隙度与未破坏的自然区接近,表明修复措施有效地恢复了土壤的孔隙结构｡在裸地区,由于植被稀疏,土壤侵蚀仍较严重,土壤肥力较差,故而土壤容重相对较高｡相比之下,修复区各个土层的土壤容重与未受破坏的自然区较为接近,表明生态修复有助于改善土壤的紧实度,使其更接近自然条件｡综上所述,生态修复措施对改善尾矿土壤的基本理化性质有显著效果,尤其是在提高含水率､缓解土壤酸化､改善孔隙结构和减轻土壤紧实度方面｡这些改善有助于增强土壤的生态功能,为植物生长和生态系统恢复提供良好条件｡

3.2土壤碳氮磷含量变化特征比较

土壤碳､氮､磷含量是反映土壤肥力水平的主要指标[18-19]｡本研究结果表明,稀土尾矿在经过约1.5年的治理恢复后,0~40cm土层中总碳含量显著高于未修复的裸地,其中0~5cm土层中的总碳含量达13.83g/kg,约为裸地对应土层碳含量的4.5倍｡这表明随着植被恢复,水土流失得到控制,植物生长和死亡残体凋落物等的归还,进入土壤中的碳含量显著增加｡下层(20~60cm)土壤中总碳含量仅为4.4g/kg,表明土壤恢复是缓慢的｡恢复初期土壤碳积累主要集中在表土(0~5cm)和亚表土(5~20cm)土层中,因为该稀土尾矿修复先锋植物主要有芒草､芒箕､莎草和乌毛蕨等草本植物｡它们具有快速生长和地表枯落物快速积累的特征,但也因根系浅导致大部分死亡残体和养分归还集中在浅层土壤｡陈海滨等[20]在福建省稀土矿区的研究也表明,在经过30年的治理恢复后,10~20cm土层中土壤总碳含量在5g/kg左右｡未修复裸地区因为植被稀疏,水土流失仍然严重,导致上层土壤中碳损失和碳含量低,下层土壤中历史存留的碳则受冲刷影响较小,表现为相对较高的碳含量｡

离子型稀土采用硫酸铵浸提法,废弃矿区残留大量硫酸铵导致土壤酸化[17]｡土壤中磷元素主要来自母岩[21],南亚热带森林土壤因强烈风化导致磷的淋溶流失或被有机质､活性铁铝矿物吸附,从而降低其有效性,低磷被认为是这些地区森林初级生产力的主要限制因子[22]｡在经过约1.5年的治理后,修复区0~5cm土层中总磷含量为0.39g/kg,显著高于裸地对应土层,其原因可能在于植被覆盖减少了侵蚀流失以及表土中有机质增加,提高了保肥能力[23]｡其他土层中土壤磷含量在修复区与裸地之间的差异不显著,这可能是因为这些历史遗留矿山长期处于废弃状态和风化淋溶流失导致土壤中磷贫瘠,也可能是该地区土壤磷本底值低的原因,有待进一步研究探讨｡

3.3土壤化学计量特征及限制因子分析

土壤碳氮磷比值是反映土壤养分循环的主要指标,综合反映了整个生态系统功能的变异性,有助于确定土壤生态系统过程对环境变化的响应[24]｡稀土矿区的生态修复方法主要采用植物修复方法,由于稀土开采后植被恢复所形成新的土壤环境条件,利用生态化学计量比探讨其所形成生态系统功能,有助于揭示利于植物生长的环境条件｡有研究表明,土壤C︰N小于25时,微生物分解碳能力强,土壤碳的腐殖化程度较高[25]｡本研究中,修复区C︰N为2.82~5.57,低于裸地区(C︰N为5.98~5.23),说明修复措施增加了土壤中可利用氮,土壤C︰N相对较低,微生物进行碳分解速率相对较高[26]｡土壤C︰P作为体现P有效性的重要指标,其与P的有效性呈反比关系,即C︰P越低则受到P的限制越严重[27-28]｡本研究中修复区C︰P为35.72~20.95,高于裸地区18.68~21.6,远低于中国土壤C︰P平均值(136)[29],说明修复措施促进了碳的积累,但同时可能导致磷的相对缺乏,这也可能会限制植物生长和微生物活动｡土壤N︰P比指示了植物可能遭受的主要营养限制类型｡一般而言,较高的N︰P比意味着植物生长可能受磷限制,而较低的N︰P比则可能表明植物生长受氮限制[29]｡修复区土壤中的N︰P比为12.59~3.76,裸地区土壤的N︰P比为3.12~4.13,说明经过生态修复,修复区土壤的N相较于裸地区更为丰富,这与林建平[3]的研究结果一致｡

碳､氮和磷元素在植物体､凋落物及土壤之间的比例及其变化对维持生态系统的正常功能至关重要,反映了植物在生长过程中遇到的养分制约[30]｡这3种元素的循环和平衡不仅关乎植物的生长,也是判断生态系统健康与否的关键指标[27]｡基于土壤碳､氮､磷含量及其化学计量比的综合分析结果表明,该废弃稀土尾矿土壤都表现为较严重的氮和磷缺乏,尤其裸地土壤还面临碳缺乏和侵蚀现象｡贠金霞[31]的研究表明,在氮素匮乏的环境中,豆科植物通过与根瘤固氮细菌的共生作用,能够将大气中的氮转换成植物可吸收的形式,从而促进生长｡因此,在该废弃稀土尾矿进行植被恢复和土壤修复时,通过引进豆科植物来改善土壤中的氮供给能力,缓解土壤氮贫瘠问题｡此外,合理施用氮磷复合肥可以进一步满足植物对氮和磷养分的需求,优化植物生长条件,加速植被恢复与生态重建进程｡

4、结论

本研究通过对比稀土矿区生态修复前后的土壤物理和化学性质,结果表明,生态修复在改善稀土尾矿土壤理化性质包括提高土壤持水能力､缓解土壤酸化､改善孔隙结构及提升土壤肥力等方面具有显著效果｡

生态修复显著提高了土壤的总碳含量,尤其在表层土壤,这将进一步促进植被恢复和水土流失控制｡然而,土壤恢复进程表现出时序､层次性和植物种类依赖性｡在恢复初期,利用芒草､芒箕､莎草和蕨类等根系较浅的先锋植物,促进群落快速构建､凋落物碳输入和土壤碳积累,是遏制水土流失､改善土壤质地和肥力的重要途径,这种效应主要集中在浅层土壤｡经过植被恢复改良后的环境,为引进深根系木本植物及其对深层土壤中的碳和氮磷养分的恢复创造了良好条件｡

修复区和裸地土壤都表现出较严重的氮和磷缺乏现象,尤其裸地还面临水土侵蚀､高温､高光照和干旱等胁迫因子,不利于木本植物的定居和生长｡因此,在进行土地平整后栽种禾草先锋植物和混播草种,是稀土尾矿裸地修复的优先方案｡在群落建成后引入固氮植物､深根系树种和合理施用氮磷复合肥,可以克服氮磷养分限制并优化植物生长条件,加速稀土尾矿植被恢复进程｡

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基金资助:南方海洋科学与工程广东省实验室(广州)人才团队引进专项课题“粤港澳大湾区滨海陆域生态系统受损机理与修复技术”(GML2019ZD0408);

文章来源:李智,郑娅红,温达志.粤北某废弃离子型稀土矿山土壤修复效应研究[J].现代园艺,2025,48(09):85-88+92.