稀土堆浸废矿区林地土壤改良与植被恢复技术

吴剑英

(长汀县林业局，福建 龙岩 366300)

稀土矿开采过程中最重要的步骤是稀土资源提取(浸矿)。早期稀土提取工艺落后，使用“堆浸工艺”来开挖矿山，堆渣区砂土经过溶矿试剂浸蚀，土壤结构遭受破坏，转变为没有粘性、疏松的砂土，产生大量极易被雨水冲刷流失的不稳定边坡，呈现土壤侵蚀、冲沟、切沟等地貌特征，发生大量的崩塌、滑坡、泥石流等矿山次生地质灾害，削减耕地面积，危害居民生命财产安全。福建省稀土矿废弃地最突出的生态环境问题在于提取稀土离子的置换过程中采用了大量的硫酸铵等强电解质溶液，稀土提出后，废矿中残留了大量的被土壤吸附的铵离子与游离状的硫酸根离子，造成土壤酸性增强、团粒结构变差和板结硬化，引发植物毒害，制约矿山生态环境修复，造成水土流失区周围生物多样性的减少和生态平衡的失调[1-2]。在堆浸稀土的林地，一定时期内土壤中的硫酸根离子浓度较高，特别是沉积在地表以下60～80 cm深处，当深根系植物根系长到60 cm深时，因吸收的硫酸根在植物体内累积量过大，会对植物造成毒害，轻则影响植物正常生长，重则造成植株死亡。另外，废矿中也残留了大量被土壤吸附的铵离子，造成土壤富营养化，影响植物生长。因此在堆浸池地块，应采用乔草模式，选择耐酸耐水肥的乔木树种，如千年桐、杜英、枫香等，草本植物如宽叶雀稗、百喜草、香根草、五节芒等[3]。本文以千年桐、枫香、杜英为研究对象，测定树种生长情况和土壤中营养物质含量，初步探究适宜稀土废矿区堆浸土壤的造林树种，以期更好地加快植被恢复和保护生态环境。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于福建省龙岩市长汀县河田镇窑下村钩子坑山场，气候属亚热带海洋性季风气候，雨量充沛，冬冷无严寒，夏热无酷暑，气候温暖，春夏多雨，秋冬少雨；年平均气温18.4 ℃，极端最高气温37.3 ℃，极端最低气温-2.9 ℃；平均终霜期在3月13日左右，无霜期300 d；多年平均降雨1 940.7 mm，多年平均风速12.3 m/s。区域土壤为花岗岩发育形成的红壤，土壤中粗晶粒砂粒含量高，pH值4.4～5.5，林地立地条件差，现有植被主要为零星分布的天然更新马尾松幼树。试验地选择在山坡下部较平缓的丘陵山地原稀土堆浸废矿区，面积10.8 hm2。

1.2 试验设计

2018年3月，在稀土堆浸废矿区裸露地采用完全随机区组设计，分别设置种植千年桐(A1)、枫香(A2)、杜英(A3)的2年生带土球苗，共3个处理，分析不同树种的生长情况和林下植被恢复情况。设立标准地，每个标准地20 m×20 m。三个树种均选择地径0.9 cm、高135 cm的壮苗，采用块状整地、挖明穴，穴规格60 cm×50 cm×40cm，株行距2.5 m×3.0 m，套种密度1 350株/hm2。种植时每穴施放硫酸钾型复合肥0.25 kg做为基肥。栽植完成后对幼林连续进行三年抚育和管护。造林当年5月苗木定根后对新植乔木追肥1次，6月再追肥1次；造林第二年4—5月对新植乔木扩穴松土1次，同时追肥1次，6月再追肥1次；造林第三年5月对新植乔木追肥1次，6月再追肥1次。2019年3月，在杨梅坑矿区，设置100 m2样地2块，分别种植1年生千年桐苗20株进行植被修复。进行2组施肥试验。地块1施有机肥2.5 kg，地块2施有机肥1kg，测试不同施肥量对千年桐生长的影响。

1.3 群落调查与多样性分析方法

2020年12月调查不同试验处理的林分生长情况，包括地径、树高、冠幅、保存率、林下灌木和草本种类数量。在20 m×20 m的样方内布设5个5 m×5 m的小样方，调查草灌的株数，丛生草以丛数代替。采用Margalef、Simpson指数分析群落多样性[3-4]。

Margalef丰富度指数D=(S-1)/lnN

式中S是物种数，pi为第i种在群落中所占比例，ni为第i个物种的个体数量，N为所有物种的个体总和。

1.4 土壤取样与测定方法

在每一标准地内按梅花型挖取3个土壤剖面，分别在每个土壤剖面采集0～5 cm的样品1 kg，同一标准地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孔径的尼龙筛，用于土壤化学性质分析，每个样品重复3次。土壤有机质采用重铬酸钾-外加热法测定[3-4]；pH值采用电位法测定[3-4]；硫酸根离子采用重量法测定[5]。

2 结果与分析

2.1 各树种生长情况分析

2020年11月观测各树种保存率、地径、高度、冠幅生长(表1)。对不同树种的保存率进行方差分析，结果显示3个树种间的平均保存率差异达极显著水平，F(2，4)=21.637 1**，高于临界值F0.01(2，4)=18.00。不同树种中千年桐的平均地径、树高、冠幅和保存率均为最高，特别是地径生长和保存率尤为突出，表现出很好的耐酸性、耐肥性，适应性强。枫香和杜英的地径、树高、冠幅生长也较好，但保存率很低，均低于50%。地表宽叶雀稗适应性强，当年盖度达到85%，能有效防止水土流失。

表1 不同乡土阔叶树种的生长状况

2.2 千年桐施肥效果分析

2020年7月对不同施肥处理的千年桐生长情况进行调查，发现处理1与处理2在地径差异极显著，冠幅差异显著，树高差异不显著。处理1地块的千年桐生长情况明显优于处理2(表2)。

表2 不同施肥处理油桐生长状况差异

2.3 千年桐、枫香、杜英3树种林下植物物种多样性分析

通过营造乡土阔叶树，提高了稀土废矿区地表覆盖度，改善了林地土壤的水热条件，促进了先锋植物的入侵，提高了林分的生物物种多样性(表3)。多重比较结果表明不同套种模式下Margalef指数与Simpson指数均表现为A1>A3>A2>CK。但是，三种树种造林模式下物种Margalef指数总体不高，原因可能是稀

表3 3种阔叶树造林模式林下植物物种多样性

土废矿区土壤经过浸提后，养分流失严重，砂砾含量太高，在短期植被恢复过程中土壤肥力恢复有限，导致地表植被的生长受到明显抑制。

2.4 堆浸区修复前后土壤理化性质分析

经过植被修复2年后，堆浸区土壤酸度有所改善，pH由2018年的平均4.94提升为2020年的平均5.35(表4)。土壤营养物质中有机质含量由2.90 mg/kg提升为4.86 mg/kg，全氮提升0.21 mg/kg，速效钾下降14.24 mg/kg。硫酸根离子浓度下降了0.09 g/kg，其中浓度较高的60 cm深度土层含量下降显著。

3 小结与讨论

堆浸区裸露地，在一定时期内堆浸地的硫酸根离子浓度较高，应采用乔草模式，选择耐酸耐水肥的乔木树种。研究结果表明，千年桐的平均地径、树高、冠幅和保存率均为最高，特别是地径生长和保存率尤为突出，表现出很好的耐酸性和速生性。施肥试验表明，多施有机肥能够大幅度提高千年桐生长量。草本植物宽叶雀稗适应性强，当年盖度达到85%，能有效防止水土流失。堆浸区土壤酸度有所改善，有机物有所增加。总之，初步筛选出千年桐为稀土废矿区堆浸区快速绿化乔木树种，宽叶雀椑为适宜草种。在进行矿区植被修复后，堆浸区的有机质含量增加，且各土层的硫酸根含量剧减，营养元素氮钾含量上升，土壤性质得到了明显修复和改良，土壤污染基本得以治理。

表4 堆浸区修复前后土壤理化性质测定