稀土堆浸廢礦區(qū)林地土壤改良與植被恢復(fù)技術(shù)

吳劍英

(長汀縣林業(yè)局，福建 龍巖 366300)

稀土礦開采過程中最重要的步驟是稀土資源提取(浸礦)。早期稀土提取工藝落后，使用“堆浸工藝”來開挖礦山，堆渣區(qū)砂土經(jīng)過溶礦試劑浸蝕，土壤結(jié)構(gòu)遭受破壞，轉(zhuǎn)變?yōu)闆]有粘性、疏松的砂土，產(chǎn)生大量極易被雨水沖刷流失的不穩(wěn)定邊坡，呈現(xiàn)土壤侵蝕、沖溝、切溝等地貌特征，發(fā)生大量的崩塌、滑坡、泥石流等礦山次生地質(zhì)災(zāi)害，削減耕地面積，危害居民生命財產(chǎn)安全。福建省稀土礦廢棄地最突出的生態(tài)環(huán)境問題在于提取稀土離子的置換過程中采用了大量的硫酸銨等強電解質(zhì)溶液，稀土提出后，廢礦中殘留了大量的被土壤吸附的銨離子與游離狀的硫酸根離子，造成土壤酸性增強、團粒結(jié)構(gòu)變差和板結(jié)硬化，引發(fā)植物毒害，制約礦山生態(tài)環(huán)境修復(fù)，造成水土流失區(qū)周圍生物多樣性的減少和生態(tài)平衡的失調(diào)[1-2]。在堆浸稀土的林地，一定時期內(nèi)土壤中的硫酸根離子濃度較高，特別是沉積在地表以下60～80 cm深處，當(dāng)深根系植物根系長到60 cm深時，因吸收的硫酸根在植物體內(nèi)累積量過大，會對植物造成毒害，輕則影響植物正常生長，重則造成植株死亡。另外，廢礦中也殘留了大量被土壤吸附的銨離子，造成土壤富營養(yǎng)化，影響植物生長。因此在堆浸池地塊，應(yīng)采用喬草模式，選擇耐酸耐水肥的喬木樹種，如千年桐、杜英、楓香等，草本植物如寬葉雀稗、百喜草、香根草、五節(jié)芒等[3]。本文以千年桐、楓香、杜英為研究對象，測定樹種生長情況和土壤中營養(yǎng)物質(zhì)含量，初步探究適宜稀土廢礦區(qū)堆浸土壤的造林樹種，以期更好地加快植被恢復(fù)和保護生態(tài)環(huán)境。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于福建省龍巖市長汀縣河田鎮(zhèn)窯下村鉤子坑山場，氣候?qū)賮啛釒ШＱ笮约撅L(fēng)氣候，雨量充沛，冬冷無嚴(yán)寒，夏熱無酷暑，氣候溫暖，春夏多雨，秋冬少雨；年平均氣溫18.4 ℃，極端最高氣溫37.3 ℃，極端最低氣溫-2.9 ℃；平均終霜期在3月13日左右，無霜期300 d；多年平均降雨1 940.7 mm，多年平均風(fēng)速12.3 m/s。區(qū)域土壤為花崗巖發(fā)育形成的紅壤，土壤中粗晶粒砂粒含量高，pH值4.4～5.5，林地立地條件差，現(xiàn)有植被主要為零星分布的天然更新馬尾松幼樹。試驗地選擇在山坡下部較平緩的丘陵山地原稀土堆浸廢礦區(qū)，面積10.8 hm2。

1.2 試驗設(shè)計

2018年3月，在稀土堆浸廢礦區(qū)裸露地采用完全隨機區(qū)組設(shè)計，分別設(shè)置種植千年桐(A1)、楓香(A2)、杜英(A3)的2年生帶土球苗，共3個處理，分析不同樹種的生長情況和林下植被恢復(fù)情況。設(shè)立標(biāo)準(zhǔn)地，每個標(biāo)準(zhǔn)地20 m×20 m。三個樹種均選擇地徑0.9 cm、高135 cm的壯苗，采用塊狀整地、挖明穴，穴規(guī)格60 cm×50 cm×40cm，株行距2.5 m×3.0 m，套種密度1 350株/hm2。種植時每穴施放硫酸鉀型復(fù)合肥0.25 kg做為基肥。栽植完成后對幼林連續(xù)進行三年撫育和管護。造林當(dāng)年5月苗木定根后對新植喬木追肥1次，6月再追肥1次；造林第二年4—5月對新植喬木擴穴松土1次，同時追肥1次，6月再追肥1次；造林第三年5月對新植喬木追肥1次，6月再追肥1次。2019年3月，在楊梅坑礦區(qū)，設(shè)置100 m2樣地2塊，分別種植1年生千年桐苗20株進行植被修復(fù)。進行2組施肥試驗。地塊1施有機肥2.5 kg，地塊2施有機肥1kg，測試不同施肥量對千年桐生長的影響。

1.3 群落調(diào)查與多樣性分析方法

2020年12月調(diào)查不同試驗處理的林分生長情況，包括地徑、樹高、冠幅、保存率、林下灌木和草本種類數(shù)量。在20 m×20 m的樣方內(nèi)布設(shè)5個5 m×5 m的小樣方，調(diào)查草灌的株數(shù)，叢生草以叢數(shù)代替。采用Margalef、Simpson指數(shù)分析群落多樣性[3-4]。

Margalef豐富度指數(shù)D=(S-1)/lnN

式中S是物種數(shù)，pi為第i種在群落中所占比例，ni為第i個物種的個體數(shù)量，N為所有物種的個體總和。

1.4 土壤取樣與測定方法

在每一標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)按梅花型挖取3個土壤剖面，分別在每個土壤剖面采集0～5 cm的樣品1 kg，同一標(biāo)準(zhǔn)地的土樣按四分法混合均勻后取1 kg帶回實驗室，經(jīng)風(fēng)干研磨后過2 mm孔徑的尼龍篩，用于土壤化學(xué)性質(zhì)分析，每個樣品重復(fù)3次。土壤有機質(zhì)采用重鉻酸鉀-外加熱法測定[3-4]；pH值采用電位法測定[3-4]；硫酸根離子采用重量法測定[5]。

2 結(jié)果與分析

2.1 各樹種生長情況分析

2020年11月觀測各樹種保存率、地徑、高度、冠幅生長(表1)。對不同樹種的保存率進行方差分析，結(jié)果顯示3個樹種間的平均保存率差異達極顯著水平，F(xiàn)(2，4)=21.637 1**，高于臨界值F0.01(2，4)=18.00。不同樹種中千年桐的平均地徑、樹高、冠幅和保存率均為最高，特別是地徑生長和保存率尤為突出，表現(xiàn)出很好的耐酸性、耐肥性，適應(yīng)性強。楓香和杜英的地徑、樹高、冠幅生長也較好，但保存率很低，均低于50%。地表寬葉雀稗適應(yīng)性強，當(dāng)年蓋度達到85%，能有效防止水土流失。

表1 不同鄉(xiāng)土闊葉樹種的生長狀況

2.2 千年桐施肥效果分析

2020年7月對不同施肥處理的千年桐生長情況進行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)處理1與處理2在地徑差異極顯著，冠幅差異顯著，樹高差異不顯著。處理1地塊的千年桐生長情況明顯優(yōu)于處理2(表2)。

表2 不同施肥處理油桐生長狀況差異

2.3 千年桐、楓香、杜英3樹種林下植物物種多樣性分析

通過營造鄉(xiāng)土闊葉樹，提高了稀土廢礦區(qū)地表覆蓋度，改善了林地土壤的水熱條件，促進了先鋒植物的入侵，提高了林分的生物物種多樣性(表3)。多重比較結(jié)果表明不同套種模式下Margalef指數(shù)與Simpson指數(shù)均表現(xiàn)為A1>A3>A2>CK。但是，三種樹種造林模式下物種Margalef指數(shù)總體不高，原因可能是稀

表3 3種闊葉樹造林模式林下植物物種多樣性

土廢礦區(qū)土壤經(jīng)過浸提后，養(yǎng)分流失嚴(yán)重，砂礫含量太高，在短期植被恢復(fù)過程中土壤肥力恢復(fù)有限，導(dǎo)致地表植被的生長受到明顯抑制。

2.4 堆浸區(qū)修復(fù)前后土壤理化性質(zhì)分析

經(jīng)過植被修復(fù)2年后，堆浸區(qū)土壤酸度有所改善，pH由2018年的平均4.94提升為2020年的平均5.35(表4)。土壤營養(yǎng)物質(zhì)中有機質(zhì)含量由2.90 mg/kg提升為4.86 mg/kg，全氮提升0.21 mg/kg，速效鉀下降14.24 mg/kg。硫酸根離子濃度下降了0.09 g/kg，其中濃度較高的60 cm深度土層含量下降顯著。

3 小結(jié)與討論

堆浸區(qū)裸露地，在一定時期內(nèi)堆浸地的硫酸根離子濃度較高，應(yīng)采用喬草模式，選擇耐酸耐水肥的喬木樹種。研究結(jié)果表明，千年桐的平均地徑、樹高、冠幅和保存率均為最高，特別是地徑生長和保存率尤為突出，表現(xiàn)出很好的耐酸性和速生性。施肥試驗表明，多施有機肥能夠大幅度提高千年桐生長量。草本植物寬葉雀稗適應(yīng)性強，當(dāng)年蓋度達到85%，能有效防止水土流失。堆浸區(qū)土壤酸度有所改善，有機物有所增加?？傊醪胶Y選出千年桐為稀土廢礦區(qū)堆浸區(qū)快速綠化喬木樹種，寬葉雀椑為適宜草種。在進行礦區(qū)植被修復(fù)后，堆浸區(qū)的有機質(zhì)含量增加，且各土層的硫酸根含量劇減，營養(yǎng)元素氮鉀含量上升，土壤性質(zhì)得到了明顯修復(fù)和改良，土壤污染基本得以治理。

表4 堆浸區(qū)修復(fù)前后土壤理化性質(zhì)測定