稀土矿废弃地不同植被恢复模式对土壤肥力的影响

王友生，吴鹏飞，侯晓龙，岳辉，彭绍云，马祥庆*

1. 福建农林大学林学院，福建 福州 350002；2. 福建省龙岩市林业科学研究所，福建 龙岩 364000；3. 福建省长汀县水土保持事业局，福建 长汀 366300；4. 福建省长汀县水土保持站，福建 长汀 366300

稀土矿废弃地不同植被恢复模式对土壤肥力的影响

王友生1,2，吴鹏飞1，侯晓龙1，岳辉3，彭绍云4，马祥庆1*

1. 福建农林大学林学院，福建 福州 350002；2. 福建省龙岩市林业科学研究所，福建 龙岩 364000；3. 福建省长汀县水土保持事业局，福建 长汀 366300；4. 福建省长汀县水土保持站，福建 长汀 366300

以2007年在长汀稀土废弃地建立的不同植被恢复模式为研究对象，于2012年通过对不同模式下土壤的理化性质分析，筛选出南方离子型稀土矿开采废弃地最佳植被恢复模式。植被恢复模式主要采用适应能力强的乡土植物（宽叶雀稗Paspalum wettsteinii、胡枝子Lespedeza bicolor、木荷Schima superba、枫香Liquidambar formosana、火力楠Michelia macclurei、山杜英Elaeocarpus sylvestris、油茶Camellia oleifera），按草-灌-乔方式不同配置模式进行植被恢复。2012年在长汀稀土废弃地的堆积池和取土场两个功能区每个试验地上，布设10个10 m×10 m样方，分析土壤理化性质，同时在每块试验地上使用10 cm×10 cm×10 cm白铁盒采集5个样品，用于分析土壤水稳定团聚体。采用隶属函数综合评判法对各种植被恢复模式进行土壤肥力评价。研究结果表明：取土场与废弃堆中不同植被恢复模式土壤理化性质存在显著差异，取土场植被恢复后土壤pH值、容重降低，其余指标则表现出不同程度提高；废弃堆植被恢复后土壤理化性质变化与取土场略有不同，表现为土壤容重、水解性氮比对照地下降，其余指标有所提高。不同植被恢复模式的土壤肥力存在显著差异，“宽叶雀稗+胡枝子+木荷+枫香+山杜英”模式的肥力指数达0.544，是长汀稀土矿取土场较好的植被恢复模式，对土壤肥力的改良效果较好；“宽叶雀稗+胡枝子+木荷+枫香+巨桉”恢复模式的肥力指数达0.472，对废弃堆的土壤肥力改良效果较好。

稀土矿；废弃地；土壤理化性质；土壤肥力；植被恢复模式

WANG Yousheng, WU Pengfei, HOU Xiaolong, YUE Hui, PENG Shaoyun, MA Xiangqing. Effect of Different Revegetation Model on Soil Properties in Abandon Mine Area of Rare Earth [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(11): 1831-1836.

随着稀土应用领域的不断拓展，国内外对稀土的需求不断增加，导致国内对稀土的开采强度不断增加。福建长汀作为南方离子型稀土的重要矿区，分布着大量稀土资源。由于长期来稀土开发中存在无序开采、工艺落后等特点，粘土经过挖取、搬运、浸提、水蚀后，土壤结构遭到严重破坏，遇到强降水，大量洪水冲向农田与河流，极易造成严重的水土流失和地质灾害（郭晓岚等，2011）。同时，稀土开采还造成重金属污染与土壤酸化，在地球化学循环迁移作用下，对稀土废矿区土壤及其植被造成危害，加剧了矿区生态环境的恶化（王友生等，2014）。这些稀土长期开采形成的废弃地生态环境不利于植被恢复，因此，如何恢复稀土开采废弃地植被成为当前环境科学界亟需解决的重大课题。

矿山废弃地治理措施主要有工程措施与植物措施，工程措施在一定范围内可以解决地质灾害问题，但存在成本高、治理过程易产生二次污染等不足。矿山废弃地生态恢复的主要目标是防治水土流失与恢复生态系统功能（谭永红等，2007），显然采用工程措施来治理矿山废弃地无法达到生态恢复的效果。而植物措施恰好弥补工程措施的缺点，其投资较小，能改善生态环境等优点，被广泛应用于矿山环境治理（许炼烽等，1999）。

土壤理化性质与植被类型关系密切（胡婵娟等，2012），且其演变规律因植被的演替方向而异（王韵，2007）。研究表明，不同植被恢复模式对矿区废弃地土壤肥力的改良效果存在显著差异，主要表现为：阔叶混交林>针阔混交林>阔叶纯林（王丽等，2010），而不同阔叶纯林对土壤理化性质也产生显著影响（康冰等，2010）。因此，采取何种植被恢复模式更有利于土壤改良成为稀土矿废弃地植被恢复的核心问题。

为了筛选适合稀土开采废弃地应用的植被恢复模式，课题组于 2007年就开始了不同植被恢复模式的稀土开采废弃地治理试验，对设计的稀土开采废弃地不同植被恢复模式的生态效果进行监测。通过5年来的试验，稀土矿废弃地治理取得了较好效果，但目前对治理5年后不同植被恢复模式对土壤肥力的改良效果还不清楚。鉴于此，本文以长汀离子型稀土矿废弃地为研究对象，开展稀土矿废弃地不同植被配置模式试验，比较不同植被恢复模式对稀土矿废弃地土壤理化性质的影响，在此基础上，对不同植被恢复模式的土壤肥力改良效果进行综合评价，为筛选南方稀土矿废弃地植被恢复模式提供科学依据。

1 试验地概况

试验地位于福建省长汀县河田镇，是福建省稀土资源储量最多和稀土产业发展最早的乡镇，稀土蕴藏量达1.32×105t，已探明的河田镇南塘矿区和马坑垅矿区稀土储量为 1.88×104t，占全省稀土探明储量的60%。长汀县年平均气温17.5～18.8 ℃，极端最高气温 38.9 ℃，极端最低气温-4.9 ℃，年平均降水量1737.1 mm，年日照时数1924.6 h，无霜期平均 260 d，土壤为粗晶花岗岩发育成熟的砂壤土，极易造成水土流失。

长汀县采用堆浸工艺生产稀土形成的稀土开采废弃地有两种类型：取土场与废弃堆浸地。取土场是指表层土壤被挖取后剩余的裸地；废弃堆浸地是指从取土场挖取的含稀土土壤运送到简易池子后，用 2%硫酸铵反复淋洗，之后再用清水反复淋洗提取稀土，最后被遗弃的土壤，废弃堆浸池面积一般为500 m2。

2 研究方法

2.1植被恢复模式设计

2007年3月，在对长汀河田镇稀土开采废弃地大量踏查的基础上，根据稀土开采废弃地土壤的特点、当地的气候和树种特性，选择长汀河田镇适应能力强的乡土乔灌草植物（宽叶雀稗 Paspalum wettsteinii、胡枝子Lespedeza bicolor、木荷Schima superba、枫香 Liquidambar formosana、火力楠Michelia macclurei、山杜英Elaeocarpus sylvestris、油茶Camellia oleifera），按草灌乔方式来配置不同的植被恢复模式（见表1）。每种植物恢复模式面积500 m2（20 m×25 m），重复3次，采用完全随机区组设计。

表1 不同植被恢复模式和生长情况Table 1 Growth of different revegetaion model

2.2土壤取样方法

2012年8月，根据长汀稀土开采的实际情况，在长汀稀土废弃地的简易堆积池、取土场2个功能区不同植被恢复模式样地及对照地上，每个实验地各布设10个10 m×10 m样方，每个样方按梅花型用环刀法采集0～20 cm的土样5个，11个实验地共设110个样方，共取土壤样品550个，分析土壤水分物理性质。同时在每一样方内按梅花型挖取5个土壤剖面，分别在每个土壤剖面采集0～20 cm的样品1 kg，同一样方的土样按四分法混合均匀后取1 kg带回实验室，经风干研磨后过2 mm尼龙筛，用于土壤化学性质测定，每个样品重复3次。在每块试验地上使用10 cm×10 cm×10 cm白铁盒按梅花型采集0～20 cm的土样5个，共取土壤样品55个，用于土壤水稳定性团聚体组成分析。

2.3土壤分析方法

土壤水分-物理性质采用环刀法，土壤水稳定性团聚体组成采用湿筛法，土壤全氮采用半微量凯氏法，水解性氮采用碱解-扩散法，土壤全碳采用碳氮分析仪测定，土壤有机质采用重铬酸钾-外加热法，全磷采用碱熔-钼锑抗比色，有效磷采用氟化铵-盐酸浸提法，全钾采用碱熔-火焰光度法，速效钾采用乙酸铵-浸提火焰光度法，pH值采用电位法。

2.4土壤肥力评价方法

土壤理化指标繁多，各指标之间存在信息重叠，而单一指标在反应土壤肥力上存在较大片面性，土壤肥力指数（Soil Fertility Index，SFI）能客观、全面地解释不同植被恢复模式土壤肥力的差异，因此本文将土壤各评价指标经规范化后进行主成分分析，然后根据主成分因子负荷量值的正负性确定各土壤属性隶属函数分布的升降性，以及因子负荷量的大小确定各土壤属性在土壤质量中的权重（吕春花等，2009）。升、降型分布函数的计算公式分别为：

各土壤质量属性权重计算公式为：

土壤质量指数计算公式为：

上述各公式中Q（xi）代表土壤质量隶属度值，式中xij代表各土壤属性值，i代表植被恢复模式，j代表土壤理化指标，xmin和ximax分表代表第i项属性的最小值和最大值，Wi代表土壤质量属性的权重，Ci代表第 i各土壤质量属性的公因子方差，n代表评价指标的个数，m代表所选主成分的个数，kj代表第j个主成分的方差贡献率。

2.5数据处理方法

数据统计使用SPSS 13.0软件分析，多重比较采用LSD法。

3 结果与分析

3.1不同植物恢复模式对稀土开采废弃地物理性质的影响

3.1.1 土壤水分物理性质

与对照相比，植被恢复5年后取土场土壤容重显著下降，说明植被措施改善了稀土矿取土场土壤通透性与保蓄性，缓解土壤板结，提高土壤保水保肥能力。土壤毛管孔隙度、非毛管孔隙度、最大持水量、最小持水量（表2）也反映了植被恢复对取土场土壤水文物理性状的改善作用。表3可知，在废弃堆浸池不同植被恢复下土壤水分物理性质也得到与取土场相似的改良效果。LSD多重比较结果显示，不同植被模式间土壤水分物理性质存在显著差异，其中模式 B、H分别是取土场、废弃堆浸池土壤物理性质（水分）恢复效果较好植物配置模式。从配置模式植物物种结构可知，模式间的差异是由于乔木树种的不同造成的，山杜英、巨桉分别是取土场与废弃堆浸池植被恢复较适宜的乔木树种。

表2 取土场不同植被恢复模式土壤物理性质的比较Table 2 Soil physical property of different revegetation model on rented earth pits

表3 废弃堆浸池不同植被恢复模式土壤物理性质的比较Table 3 Soil physical property of different revegetation model on waste ponds of heap-leaching mine area

3.1.2 土壤水稳定性团聚体组成

>0.25 mm水稳定团聚体质量分数是比较土壤水稳定性的主要依据，由此判断可得取土场不同植被模式土壤水稳定性大小顺序为模式C>模式B>模式A>模式D>模式E，但LSD多重比较结果表明模式B、C之间差异不显著，由此可推，模式B、C对取土场土壤物理性质的改良效果接近；废弃堆浸池不同植被恢复模式土壤水稳定大小顺序为：模式H>模式G>模式F>模式I。

3.2不同植物恢复模式对稀土开采废弃地化学性质的影响

3.2.1 不同植被恢复模式土壤氮含量的变化

取土场植被恢复后，不同模式间土壤氮含量均得到显著提高，模式B恢复后的土壤全氮含量最高，是对照的1.54倍；模式E的水解性氮含量最高，是对照的3.07倍。在废弃堆浸池不同植被模式恢复后土壤全氮比对照裸地有较大幅度的提高，全氮含量最高在模式I中，为对照的2.91倍，这与取土场植被恢复后土壤养分变化规律相似，但水解性氮含量在各模式中均比对照有所下降。

3.2.2 不同植被恢复模式土壤磷含量的变化

取土场植被恢复后，不同模式间土壤磷含量均得到显著提高，其中模式A恢复后的土壤有效磷含量最高，是对照的11.21倍；模式B恢复后的全磷含量最高，是对照的1.28倍。与取土场相似，废弃堆浸池不同植被模式恢复后土壤全磷、有效磷均比对照裸地有较大幅度的提高，模式I有效磷含量最高，为对照的3.33倍；模式H全磷含量最高，为对照的1.54倍。

3.2.3 不同植被恢复模式土壤钾含量的变化

取土场、废弃堆浸池植被恢复后，不同模式间土壤钾含量得到显著提高，取土场模式A恢复后的土壤全钾含量最高，是对照的11.21倍；模式D恢复后的土壤速效钾含量最高，是对照的2.50倍。废弃堆浸池全钾、速效钾含量最高在模式G中，分别为对照的4.92、2.26倍。

3.2.4 不同植被恢复模式土壤有机质

从表4～5可以看出，植被恢复后稀土矿废弃地土壤有机质得到显著提高，多重比较结果表明草-灌-乔不同配置模式对稀土矿废弃地土壤有机质的输入的效应也存在显著差异。植被恢复后取土场不同模式对土壤有机质的积累效果大小表现为：模式B>模式D>模式C>模式E>模式A，而废弃堆浸池不同恢复模式间有机质含量大小表现为：模式 F>模式I>模式G>模式H。若以有机质作为评判依据，取土场不同植被恢复模式中模式B值得参考，而废弃堆浸池中模式F表现较佳。

表4 取土场不同植被恢复模式土壤化学性质Table 4 Soil chemical property of different revegetation model on rented earth pits

表5 废弃堆浸池不同植被恢复模式土壤化学性质Table 5 Soil chemical property of different revegetation model on waste ponds of heap-leaching mine area

3.2.5 不同植被恢复模式土壤pH值

不同植被恢复模式后，取土场土壤pH值得到不同程度降低，不同模式间差异显著，模式A、B、C、D、E的pH值分别比对照下降了15.86%、16.62%、11.10%、5.67%、18.48%，其中模式D下降最少，对土壤的酸化作用最小。废弃堆浸池土壤在植被恢复后pH值确有所提升，不同模式间差异达显著水平，模式G比对照提高了19.49%，对酸化的废弃堆浸池的土壤改良效果较佳。就pH值而言，模式D、H分别为取土场、废弃堆浸池的较好植物恢复模式。

3.3土壤肥力综合评价

土壤理化性质各指标权重系值分配较均匀（表6），说明采用综合评价法是比较稀土矿废弃地植被恢复后土壤肥力的有效途径，表7表明，取土场不同植被恢复模式土壤肥力指数大小顺序表现为：模式B>模式A>模式C>模式E>模式D，废弃堆浸池不同植被恢复模式土壤肥力指数大小顺序表现为：模式H>模式G>模式I>模式F。

表6 土壤肥力评价指标权重值Table 6 Weight of indicators for assessment of soil fertility

表7 不同植被恢复模式土壤肥力指数Table 7 SFI Index of different revegetation model

4 讨论与结论

大量研究表明：矿区废弃地植被恢复后土壤可得到一定的改良（王昭艳等，2011；赵陟峰等，2009；卫智军等，2003）。本研究发现：长汀稀土矿废弃地植被恢复后土壤物理性质得到显著改善，土壤养分明显提高，但不同植被恢复模式在取土场与废弃堆浸池中均存在一定差异，这可能是由于不同植物配置模式中植物种类不同引起的（孟凡超等，2011），王岩等（2012）115-116的研究也发现类似规律。极强度红壤侵蚀区稀土开采后，在土壤结构严重破坏，水土流失加剧，养分极度贫乏，重金属污染以及土壤酸化的环境下，植被恢复后土表温度得到有效降低，土壤湿度得到提高，重金属污染得到一定修复，土壤酸化得到缓解，从而大大改善植被生长环境，促进林内各种植物生长，提高林内凋落物量及其分解速度，土壤养分得到归还，最终土壤肥力得到提高。

植被恢复后土壤微环境得到改善（Li et al，2014），土壤真菌数量增加（王会利等，2009），其活性增强导致土壤pH值下降，本研究表明：长汀稀土矿取土场不同植被恢复模式下土壤pH值表现出不同程度地降低，其原因除了微生物的影响之外，还可能因为取土场被剥离表土后，土壤更加贫瘠，植被恢复时需施用一定量的氮肥，此过程中氮肥施用造成酸沉降，进而表现出土壤酸化的结果（林岩等，2007）。然而，植被恢复后废弃堆浸池中pH值却不同程度地提高，一方面可能是由于堆浸池中的土壤经硫酸铵淋洗过后造成大量浸提剂（硫酸铵）的残留，植被恢复时施用的肥料中不含氮肥，不造成酸沉降；另一方面可能是由于土壤经过酸性浸提剂浸泡后pH值较低，酸性较强环境下植物为适应环境，其根系分泌出大量的有机酸、生物酶等物质，对土壤的酸化有一定的改善作用（王平等，2007）151-152，土壤pH值有所上升。可见，稀土矿废弃地植被恢复对土壤pH值的影响因废弃地类型而异。张超等（2010）在黄土丘陵区刺槐林植被恢复过程中发现，植被恢复后 10年内，土壤pH值呈上升趋势，10～15年呈下降趋势，20～40年又呈上升趋势。本研究发现植被恢复对土壤pH值的影响存在时空差异，因此今后长汀稀土矿植被治理中需注意土壤酸化问题。

通常认为土壤良性结构表现为：总孔隙度40%～50%，非毛管孔隙度大于10%，而非毛管孔隙度与毛管孔隙度比值为0.25～0.5（王岩等，2012）115。土壤结构达到天然阔叶林的良性标准是植被恢复的目标之一，蒋芳市等（2011）293利用乔-灌混交模式对长汀红壤侵蚀区进行植被恢复 24年后，土壤总孔隙度在 50%～60%，非毛管孔隙度与毛管孔隙度比值约为 0.5，土壤结构趋于良性标准。本文对长汀稀土矿两类废弃地采用植被治理后，除模式D外，其它模式土壤总孔隙度均在40%～50%，除模式A、D外，其它模式恢复后土壤非毛管孔隙度与毛管孔隙度比值皆在0.25～0.4之间，大部分试验地土壤结构达良性标准，但有些模式治理后土壤结构仍有待进一步改良。造成以上差异的原因一方面可能是长汀稀土矿废弃地植被恢复年限较短（5年）；另一方面可能是长汀稀土矿区土壤为粗晶花岗岩母质发育而成的砂壤土（蒋芳市等，2011）291，其砂砾含量较高，毛管空隙度大，非毛管孔隙度与毛管孔隙度比值偏低，总空隙度较大，而稀土开采往往在极强度水土流失区进行，采矿后土壤随着粘土的大量流失，土壤砂砾含量继续增加，土壤孔隙度不良状况加剧，原本养分贫乏土壤更加贫瘠，植被恢复难度加大，需要采用合理的植物配置模式才能使土壤结构恢复至良性标准。除土壤孔隙外，土壤容重也是土壤结构的重要指标。前人研究结果表明，结构良好的土壤容重在 1.25～1.35 g·cm-3之间（王丽等，2010），土壤容重大于1.4 g·cm-3时，植物根系伸展将受到土壤机械阻力的影响（魏婉，2010）。长汀稀土矿废弃地不同植被恢复后，土壤容重介于 1.33～1.53 g·cm-3之间，其中模式 A、B恢复后取土场土壤的容重达到良性标准，模式 H恢复后废弃堆浸池的土壤容重为1.36 g·cm-3，接近良性结构标准，其它恢复模式恢复后的土壤容重仍然偏大。

综上所得，长汀稀土矿废弃地植被恢复后土壤肥力得到明显提高，不同植被恢复模式之间存在显著差异，其中“宽叶雀稗+胡枝子+木荷+枫香+山杜英”是长汀稀土矿取土场较好的植被恢复模式；“宽叶雀稗+胡枝子+木荷+枫香+巨桉”模式对废弃堆浸池土壤肥力改良效果较好。

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Effect of Different Revegetation Model on Soil Properties in Abandon Mine Area of Rare Earth

WANG Yousheng1,2, WU Pengfei1, HOU Xiaolong1, YUE Hui3, PENG Shaoyun4, MA Xiangqing1
1. Forest College, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou 350002, China; 2. Longyan Forestry Science Institute of Fujian Province, Longyan 364000, China; 3. Soil and Water Conservation Bureau of Changting County, Changting 366300, China; 4. Soil and Water Conservation Experimental Station of Changting County, Changting 366300, China

To screen the best vegetation restoration model in ionic-rare-earth ore mining abandoned land, In this study, we took different vegetation restoration modes that were established in the abandoned land of rare earth ore in 2007 as research object. The optimal vegetation restoration mode for ion-type abandoned land of rare earth ore in Southern China was identified based on the analysis of physical and chemical properties of soil that was conducted in 2012. The vegetation restoration mode mainly consists of high-adaptive local species, such as Paspalum wettsteinii, Lespedeza bicolor, Schima superba, Liquidambar formosana, Michelia macclurei, Elaeocarpus sylvestris, Camellia oleifera, and the planting pattern followed grass-shrub-arbor style. Ten 10 m×10 m plots each trial site were arranged in waste ponds of heap-leaching mine area and rented earth pits of abandoned land of rare earth ore in Changting in 2012 and the physical and chemical properties of soil was analyzed. In the mean time, five soil profiles were dug using 10 cm×10 cm×10 cm white tin in each trial site for composition analysis of soil water stable aggregates. Furthermore, we also used membership function method to evaluate soil fertility in various vegetation restoration modes. The results showed that the physical and chemical properties of soil significant varied between different vegetation restoration modes in waste ponds of heap-leaching mine area and rented earth pits. After vegetation restoration, the pH value, bulk density decreased and other indexes increased to some extent in rented earth pits. The soil bulk density and hydrolytic nitrogen decreased in waste ponds of heap-leaching mine area which is different from rented earth pits; however, other indexes increased in waste ponds of heap-leaching mine area . In addition, our findings indicated that there were significant differences in soil fertility of different vegetation restoration modes. The fertility index of the Paspalum wettsteinii+Lespedeza+Schima superba+Liquidambar+Elaeocarpus sylvestris mode reached 0.544, showing a good effect in soil improvement and a suitable mode for vegetation restoration in rented earth pits of rare earth ore in Changting; the fertility index of the Paspalum wettsteinii+Lespedeza+Schima superba+Liquidambar+Eucalyptus grandis mode was 0.472 which has the best effect on soil improvement and represented the best vegetation restoration mode in waste ponds of heap-leaching mine area of rare earth ore in Changting.

rare earth mine; abandon mine; soil physical-chemical properties; soil fertility; revegetation model

10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.11.012

S157.5；X171.1

A

1674-5906（2015）11-1831-06

国家林业局林业公益性行业科研项目（201304303）；国家公益性行业科研专项（201111020–2）；福建省产学合作科技重大项目（2013N5002）；福建农林大学林学院青年基金项目（6112C039J）

王友生（1981年生），男，营林工程师，博士研究生，从事退化生态系统恢复与重建研究。E-mail: leo.wonwys@163.com *通信作者：马祥庆，教授，博士，从事生态恢复方面的研究。E-mail: lxymxq@126.com

2015-08-12

引用格式：王友生, 吴鹏飞, 侯晓龙, 岳辉, 彭绍云, 马祥庆. 稀土矿废弃地不同植被恢复模式对土壤肥力的影响[J]. 生态环境学报, 2015, 24(11): 1831-1836.