贛南廢棄稀土礦采礦跡地土壤有機質(zhì)?氮和磷分布特征

李奕 宋墩福 張付遠 羅旺

摘要 為探究贛南廢棄稀土礦土壤養(yǎng)分含量特征，對其采礦跡地的土壤有機質(zhì)、氮和磷含量分布特征進行研究。結(jié)果表明：不同采礦跡地0～30 cm土層土壤有機質(zhì)、氮和磷含量均表現(xiàn)為天然林地>堆積地>挖礦地。天然林地表層土壤有機質(zhì)含量最高，其值為20.9 g/kg，有機質(zhì)含量隨土壤深度增加呈逐漸降低趨勢;土壤全氮含量為0.062～1.473? mg/g，均隨土壤深度的增加而降低;土壤水解氮含量為13.36～120.39? mg/kg;土壤全磷含量為0.076～0.524 g/kg;土壤有效磷含量為0.691～4.560? mg/kg，其含量大小有隨土壤深度增加而增大的趨勢。土壤有機質(zhì)與全氮、水解氮和全磷呈極顯著正相關(guān)（P<0.01），與有效磷呈顯著正相關(guān)（P<0.05）。

關(guān)鍵詞 稀土礦;土壤養(yǎng)分;贛南地區(qū)

中圖分類號 S153? 文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2021）02-0032-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.02.010

開放科學（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

Distribution Characteristics of Soil Organic Matter，Nitrogen and Phosphorus at the Mining Site in Abandoned Rare Earth Ore，Southern Jiangxi

LI Yi1，SONG Dunfu2，ZHANG Fuyuan2 et al （1.College of Materials and Chemical Engineering，Pingxiang University，Pingxiang，Jiangxi 337000;2.School of Landscape Architecture，Jiangxi Environmental Engineering Vocational College，Ganzhou，Jiangxi 341000）

Abstract Distribution characteristics of organic matter， nitrogen and phosphorus at the

mining site in rare earth ore，Jiangxi were studied. The results showed that the contents of soil organic matter， nitrogen and phosphorus in 0-30 cm soil layer in different mining areas were as follows：natural forest land>accumulation area> mining land. The content of organic matter in the surface soil of natural forest land was the highest， with a value of 20.9 g/kg and the content of organic matter decreased gradually with the increase of soil depth. The variation range of total nitrogen content in soil was 0.062-1.473 mg/g， which all decreased with the increase of soil depth. The variation range of soil hydrolyzed nitrogen content was 13.36-120.39? mg/kg. The variation range of total phosphorus content in soil was 0.076-0.524 g/kg. The range of available phosphorus content in soil was 0.691-4.560? mg/kg， and the content tended to increase with the increase of soil depth. Soil organic matter showed extremely significant positive correlation with total nitrogen， hydrolyzed nitrogen and total phosphorus （P<0.01）， and showed significant positive correlation with available phosphorus （P<0.05）.

Key words Rare earth ore;Soil nutrient;Southern Jiangxi

基金項目 江西省教育廳科學技術(shù)研究項目（GJJ181241）;萍鄉(xiāng)學院人才引進科研啟動項目。

作者簡介 李奕（1986—），男，江西萍鄉(xiāng)人，講師，博士，從事恢復生態(tài)和森林水文研究。

收稿日期 2020-06-03

稀土礦是世界急需的不可再生資源，在各國的軍事、國防工業(yè)、航空、陶瓷、石油、鋼鐵等方面都有著廣泛的應(yīng)用，但不合理的開采與落后的開采工藝不僅使稀土礦資源嚴重浪費和生態(tài)環(huán)境遭到破壞，而且還威脅到人類的生活安全。素有“稀土王國”之稱的贛南地區(qū)，擁有我國30%以上的離子型稀土資源，是我國第二大稀土礦資源集中地[1-2]，過于粗放的開采方式嚴重破壞了礦區(qū)生態(tài)環(huán)境，使礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)退化，造成礦區(qū)土壤砂化，植被覆蓋率低[3]，水土流失嚴重[4]，給當?shù)剞r(nóng)林業(yè)的持續(xù)發(fā)展帶來了嚴重的困擾。選擇江西省贛州市信豐縣龍舌鄉(xiāng)廢棄稀土礦區(qū)，對不同采礦跡地土壤有機質(zhì)、氮和磷的分布特征進行分析研究，旨在為該區(qū)土壤肥力的研究提供依據(jù)，為贛南廢棄稀土礦區(qū)生態(tài)恢復與重建提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，同時也為林地資源的合理開發(fā)與保護提供參考。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

信豐縣位于江西省南部，居貢水支流——桃江中游，地理位置為114°34′～115°19′E、24°59′～25°33′N，境內(nèi)東西長76 km，南北寬63 km，有林地面積為18.41萬hm2。該區(qū)處于中亞熱帶南緣，屬典型的亞熱帶濕潤季風氣候。該區(qū)草本層主要植被有鐵芒箕（Dicranopteris dichotoma）、芒（Miscanthus sinensis）、蕨類等;喬灌木層主要有馬尾松（Pinus massoniana Lamb.）、杉木[Cunninghamia lanceolata（Lamb.）Hook]、木荷（Schima superba Gardn. et Champ.）、香樟[Cinnamomum camphora （L.） Presl.]、青岡櫟[Cyclobalanopsis glauca（Thunb.） Oerst.]、栲樹（Castanopsis fargesii Franch.）、楓香（Liquidambar formosana Hance）、山蒼子[Litsea cubeba （Lour） Pers.]、箬竹[Indocalamus tessellatus （Munro） Keng f.]、白茅[Imperata cylindrica （L.） Beauv.]等。試驗地位于該縣龍舌鄉(xiāng)內(nèi)，礦區(qū)的挖礦區(qū)地上基本無植被生存，堆積地上僅長有零星草本植物。

1.2 研究方法

1.2.1 標準地設(shè)置。

于2018年10月選擇該礦區(qū)范圍內(nèi)的挖礦地、堆積地和未被破壞的天然林地為3塊試驗樣地。在每個樣地挖3個土壤剖面，根據(jù)土層情況把土壤剖面分成0～10、10～20和20～30 cm共3層，用100 cm3體積環(huán)刀取原狀土和土壤鋁盒，同時分層取1 kg左右的土樣裝入樣品袋，做好記錄，室內(nèi)風干后研磨、過篩，用于土壤有機質(zhì)、全氮、水解氮、全磷、速效磷等指標的測定。在每個樣地中心設(shè)置30 m×20 m樣方，進行植被調(diào)查，分樹種測定林木胸徑、年齡、樹高等指標。根據(jù)試驗現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，天然林地喬木樹種較少，僅有馬尾松、杉木和木荷分布;挖礦地基本無植被生存;堆積地上有零星草本植被生存，樣地基本特征見表1。

1.2.2 測定與計算方法。土壤有機質(zhì)測定采用重鉻酸鉀滴定法;全氮采用凱氏定氮儀測定;水解氮采用堿解-擴散法測定;全磷采用堿熔-鉬銻抗比色法測定;有效磷采用鹽酸-硫酸浸提法測定[5]。所獲數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析用SPSS13. 0軟件完成，數(shù)據(jù)計算和作圖由Excel軟件完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同采礦跡地土壤有機質(zhì)分布特征 從圖1可以看出，天然林地各土層土壤有機質(zhì)含量均高于挖礦地和堆積地相應(yīng)土層，且其土壤有機質(zhì)含量隨著土壤深度的增加而減少，10～20 cm土層比0～10 cm土層土壤有機質(zhì)含量減少了17.7%，20～30 cm土層的有機質(zhì)含量只有11.1 g/kg，比10～20 cm 土層減少了35.5%，分析其原因可能是在0～30 cm土層中，隨著土層深度增加，其所含生物種類及數(shù)量均有不同程度的減少，從而使得轉(zhuǎn)化出的有機質(zhì)含量減少且地表部分的土壤有機質(zhì)由于枯枝落葉存在能更快得到歸還。堆積地土壤有機質(zhì)含量也隨土層深度增加而減少，但其下降幅度小于天然林地，10～20 cm土層相比0～10 cm土層有機質(zhì)含量下降了23.2%，而20～30 cm土層較10～20 cm土層只下降了11.8%，且20～30 cm土層土壤有機質(zhì)含量僅比天然林同層土壤有機質(zhì)含量低0.6 g/kg，堆積地土壤并未經(jīng)過開采，其整體土壤有機質(zhì)含量低于天然林地的原因可能是土壤表面堆積過多的稀土礦，而過量的稀土元素會對土壤微生物產(chǎn)生抑制作用或?qū)⑵涠竞1]，而隨著土層的深入，稀土元素對微生物的抑制作用越來越小，微生物單體對有機質(zhì)的轉(zhuǎn)換或釋放量增加，但隨土壤深度增加，其生物總量減少，所以在堆積地土壤有機質(zhì)含量整體仍隨土壤深度增加呈減少趨勢。挖礦地中有機質(zhì)與其他2塊區(qū)域相比含量最低，因為浸礦劑[6]會對土壤中生物造成危害并能分解土壤中原有的有機物[7]。挖礦地土層有機質(zhì)含量較為特殊，10～20 cm土層較0～10 cm土層有機質(zhì)含量下降了25.7%，而20～30 cm土層較10～20 cm 土層卻增加了4.9%，分析其主要原因可能是在0～20 cm 土層，浸礦劑濃度雖然越來越低，但是對土壤中生物及有機質(zhì)的作用依然存在，可到20～30 cm土層時，浸礦劑濃度微乎其微，對土壤的作用大幅度減小，微生物回歸正常的轉(zhuǎn)化并釋放有機質(zhì)，但因浸礦劑微小的影響，20～30 cm土層有機質(zhì)含量略低于其他2個樣地同層含量。根據(jù)所得數(shù)據(jù)表明，挖礦地和堆積地由于采礦作業(yè)，對土壤有機質(zhì)存在較大程度的影響，從而影響植物生長，其中挖礦地經(jīng)過原地浸礦[8]后對土壤有機質(zhì)的影響尤為顯著。

2.2 不同采礦跡地土壤全氮分布特征 從圖2可以看出，3個樣地中土壤全氮含量均隨著土層加深而降低。同一土層深度的土壤全氮含量大小表現(xiàn)為天然林地>堆積地>挖礦地。

在天然林地中，10～20 cm土層土壤全氮含量相較于0～10 cm土層下降了0.201 mg/g，其含量分別為1.111、1.312 mg/g。20～30 cm土層的土壤全氮含量為1.017 mg/g，相較于10～20 cm 土層只下降了0.094 mg/g。堆積地土壤全氮含量也是隨著土壤深度增加有減少的趨勢，但減少的幅度逐漸變小，10～20 cm土層相較于0～10 cm土層全氮含量下降了0.422 mg/g，其值分別為0.653、1.075 mg/g。而20～30 cm土層相比于10～20 cm的全氮含量只下降了0.146 mg/g，其值為0.507 mg/g。但是在挖礦地，不同層次土壤全氮含量顯著低于天然林地和堆積地，其土壤全氮含量隨土壤深度增加而減少的幅度比天然林地和挖礦地大，10～20 cm土層比0～10 cm土層的土壤全氮含量低，其值分別為0.191、0.257 mg/g。而20～30 cm土層土壤全氮含量僅為0.111 mg/g，比10～20 cm土層的低了0.080 mg/g。相關(guān)研究表明，土壤中的氮素95%以上以有機氮的形式存在于土壤表層[9]，所以表層土壤全氮含量均高于下層。氮素主要來源于動植物殘骸和生物固氮，大氣中的氮是最終來源，但大氣中的氮素必須通過土壤中固氮微生物的活動才能進入生物體，所以氮素主要分布于生物活動區(qū)，尤其是植物根系分布區(qū)，但土層越深，氮含量越少，所以一般土壤全氮含量隨土層加深而降低的幅度越來越小。該研究中的挖礦地，由于其土壤遭到嚴重破壞，其不同層次土壤全氮含量均顯著低于天然林地和堆積地，可見挖礦作業(yè)對于土壤全氮的影響也較大。

2.3 不同采礦跡地土壤水解氮分布特征

由圖3可知，在天然林地和挖礦地，土壤水解氮含量均隨土壤深度的增加而減少。天然林地中10～20 cm處水解氮含量比0～10 cm土層低，其值分別為63.63、93.13 mk/kg。20～30 cm土層水解氮含量為28.27 mg/kg，比10～20 cm土層下降了35.36 mg/kg。挖礦地中10～20 cm土層水解氮含量相較于0～10 cm土層下降了11.82 mg/kg，其值分別為38.89、50.71 mg/kg。20～30 cm 土層水解氮含量為21.21 mg/kg，比10～20 cm土層水解氮含量下降了17.68 mg/kg。分析原因可能為土壤越深其通氣條件越苛刻，由于表層土壤通氣條件比下層土壤好，土壤有機氮通過氨化作用轉(zhuǎn)化為氨態(tài)氮，氨態(tài)氮又通過氨化作用轉(zhuǎn)為硝態(tài)氮，因此土壤表層中的水解性氮含量高于下層土壤。

而堆積地卻與其他2地不同，10～20 cm處水解氮含量相比于0～10 cm土層更低，其值分別為35.71、42.42 mg/kg。但其20～30 cm土層水解氮含量為49.45 mg/kg，較10～20 cm土層水解氮含量增加了13.74 mg/g，甚至比0～10 cm土層水解氮含量還要高6.03 mg/kg。出現(xiàn)這種現(xiàn)象可能是因為采礦過程的堆積作用和浸礦化學物質(zhì)作用不僅使得土壤表面通氣受阻，而且使得土壤化學性質(zhì)發(fā)生一定程度的改變，原本土壤表面的有機氮不能良好地轉(zhuǎn)化為氨態(tài)氮從而降低了表層水解氮的含量，隨著土層深度增加，影響程度降低，從而使20～30 cm土層所含水解氮比0～10 cm土層更高，其他原因有待于進一步研究。

安徽農(nóng)業(yè)科學2021年

2.4 不同采礦跡地土壤全磷分布特征

由圖4可知，天然林地和堆積地中10～20 cm土層的土壤全磷含量遠高于0～10 cm和20～30 cm的土層。在天然林地中，10～20 cm土層土壤全磷含量高于0～10 cm土層，其值分別為0.483、0.295 g/kg。而20～30 cm土壤全磷含量為0.195 g/kg，比10～20 cm土層減少了0.288 g/kg。在堆積地，10～20 cm土層土壤全磷含量比0～10 cm土層增加了0.057 g/kg，其值分別為0.367、0.310 g/kg。而20～30 cm土壤全磷含量為0.289 g/kg，比10～20 cm土層減少了0.078 g/kg。但在挖礦地，10～20 cm土層的土壤全磷含量低于0～10 cm和20～30 cm土層，其值分別為0.117、0.172和0.163 g/kg。分析原因可能是該稀土礦區(qū)停止作業(yè)年限較長，堆積地破壞程度較挖礦地輕，經(jīng)過多年恢復后，當?shù)剞r(nóng)民重新在堆積地上進行作物種植，南方土壤普遍缺磷，為了給作物提供足夠的營養(yǎng)而施肥，導致堆積地表層土壤的全磷含量比天然林地還高。而挖礦地破壞較嚴重，目前仍處于荒廢中，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查可見其土壤基本為沙子，因此其土壤全磷含量在3塊樣地中最低。

2.5 不同采礦跡地土壤有效磷分布特征 有效磷即土壤中水溶性磷，可供植物直接吸收利用，一般為無機磷，其補給主要依賴于磷酸鹽礦物的溶解和被土壤吸附固定的磷的釋放[10]。影響其含量的因素較多，如溫度、水分、土壤氧化還原狀況、土壤酸堿度和土壤有機質(zhì)含量等[11]。

從圖5可以看出，在天然林地中，0～10 cm土層的土壤有效磷含量最低，其值為1.763 mg/kg，而10～20、20～30 cm土層

的有效磷含量分別為3.788、3.799mg/kg，兩者含量幾乎相等。挖礦地0～10 cm土層的土壤有效磷含量為1.012 mg/kg，

10～20 cm土層有效磷含量略高，為1.111 mg/kg，20～30 cm土層有效磷含量最高，為1.374 mg/kg。堆積地土壤有效磷變化趨勢與前者不同，其0～10 cm土層的土壤有效磷含量為

2.526 mg/kg，10～20 cm土層其含量增加到3.094 mg/kg，而在20～30? cm土層有效磷含量降低到2.346 mg/kg。天然林地和挖礦地表層土壤的有效磷明顯低于下層土壤，分析原因可能為天然林地地表植物較多，植物根系分布較淺，其生長過程會吸收較多的有效磷，從而使表層土壤的有效磷含量低于下層土壤。挖礦地由于遭受較大程度的破壞，其土壤呈砂質(zhì)化，其土壤保水保肥能力較弱，在雨水作用下，大部分的磷從土壤中被淋溶流失。而在堆積地因浸礦殘留部分稀土元素，稀土元素的存在會抑制表層土壤對磷的吸收，抑制有效磷的生成[12]，所以其表層土壤有效磷含量較低，且其0～30 cm土層的有效磷含量相比天然林地都有所下降。

2.6 相關(guān)性分析

利用SPSS 軟件對土壤有機質(zhì)、全氮、水解氮、全磷和有效磷含量進行相關(guān)性分析，相關(guān)矩陣見表2。從表2可以看出，土壤有機質(zhì)與土壤全氮、水解氮和全磷呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)較好，有機質(zhì)與全氮相關(guān)系數(shù)最大（r=0.820），與有效磷相關(guān)性較小（r=0.484）。土壤有機質(zhì)與

全氮、水解氮、全磷、有效磷之間的擬合方程均滿足二次曲線關(guān)系 （圖6）。土壤全氮除與有機碳呈極顯著相關(guān)外，還與有效磷呈極顯著正相關(guān);全氮與水解氮和全磷呈顯著正相關(guān)，與速效磷呈極顯著正相關(guān)。水解氮與全磷和有效磷雖均呈正相關(guān)，但其相關(guān)性均較低。全磷與速效磷呈顯著正相關(guān)。

3 結(jié)論與討論

早期不合理的開采及落后的開采技術(shù)，導致贛南地區(qū)稀土礦區(qū)土壤嚴重破壞，生態(tài)環(huán)境退化。研究發(fā)現(xiàn)，未受破壞的天然林地土壤有機質(zhì)、氮和磷含量均顯著大于受到采礦影響的堆積地和挖礦地土壤，且挖礦地土壤各指標含量在3塊試驗地中均最少，實地踏查也發(fā)現(xiàn)采礦地的土壤基本呈砂質(zhì)化，說明采礦地受到采礦作業(yè)的影響最為嚴重，其植被恢復最為困難。堆積地土壤各項指標居中，僅從養(yǎng)分含量的情況來看，其地上植被恢復較挖礦地相對容易，但采礦的酸溶作用和堆積擠壓作用，可能導致土壤的酸度較大以及土壤物理性質(zhì)受到破壞，因此其植被恢復將遇到另外的新問題?？梢?，每進行一次稀土資源的開采就意味著將有大片土壤受到破壞，而要使這片土壤自然恢復卻要等上幾十年甚至上百年的時間。落后不合理的開采方式給自然生態(tài)系統(tǒng)以及周邊的居民生活造成了嚴重的危害，因此在今后采礦作業(yè)中最關(guān)鍵的還是通過對開采工藝的改進與完善，減少開采過程對礦區(qū)土壤的影響。

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