周金華，余 浪，王奕舒，肖亞楠，朱尤龍，李云駒

(云南磷化集團(tuán)有限公司/國(guó)家磷資源開發(fā)利用工程技術(shù)研究中心，云南 昆明 650600)

磷礦山在開采的過程中，必須砍伐植物和剝離表土，因而地表植物往往蕩然無存，取而代之的是大片的裸地。礦山廢棄地地貌地形被改變，土壤層被破壞，失去了土壤的貯水功能和地下水的補(bǔ)給功能，致使土壤有機(jī)質(zhì)含量低、理化性質(zhì)差、pH值低、保肥供肥能力差、抗風(fēng)化能力弱，加之地表植物被破壞，無法涵養(yǎng)土壤，因此極易導(dǎo)致水土流失[1]。依靠生態(tài)的自我恢復(fù)能力可能需要幾十年甚至上百年才能夠形成一個(gè)穩(wěn)定的生態(tài)群落結(jié)構(gòu)，只有人為干預(yù)礦山恢復(fù)才能快速地構(gòu)建穩(wěn)定的植物群落[2]。但是，能夠在這樣極端的環(huán)境下生長(zhǎng)的植物十分稀少，所以研究篩選適生的植物對(duì)磷礦山的修復(fù)具有十分重要的價(jià)值和實(shí)踐意義。

通過對(duì)礦山廢棄地修復(fù)植物的研究和初步篩選，發(fā)現(xiàn)多花木藍(lán)(Magnoliamultiflora)在磷礦山廢棄地上生長(zhǎng)良好，同時(shí)根系發(fā)達(dá)、枝葉茂密、覆蓋度高、生長(zhǎng)迅速、壽命長(zhǎng)，能有效截留降水、固持土壤，是一種抗性強(qiáng)的水土保持樹種[3]，對(duì)礦山廢棄地、采石場(chǎng)廢棄地及公路邊坡等有較好的水土保持及復(fù)綠作用[4]。多花木藍(lán)屬于豆科多年生落葉灌木，其根系能夠與根瘤菌形成根瘤共生固氮系統(tǒng)，通過吸收空氣中的氮?dú)鉃樽陨砩L(zhǎng)提供養(yǎng)分[5]，具有抗旱、耐寒、耐瘠薄的特點(diǎn)，且適應(yīng)性廣，對(duì)土壤要求不嚴(yán)，在pH值4.5～7.0的紅壤、黃壤或紫紅壤上均能良好生長(zhǎng)。該灌木在夏季良好的水熱條件下生長(zhǎng)旺盛，日均增高1.1～1.3 cm；在冬季無持續(xù)霜凍情況下可保持青綠，遇重霜時(shí)葉片會(huì)脫落，呈休眠狀態(tài)，但枝條仍能安全越冬，再生能力強(qiáng)。鄭明新等[6]研究發(fā)現(xiàn)多花木藍(lán)根系具有較強(qiáng)的抗拉強(qiáng)度，用于邊坡修復(fù)時(shí)，其生長(zhǎng)年限越長(zhǎng)邊坡的安全系數(shù)越高。趙雅姣等[7]研究發(fā)現(xiàn)，豆科植物可作為綠肥，通過根瘤菌能固定空氣中游離的氮，具有改良土壤、增加土壤肥力的作用。因此，本研究擬通過比較磷礦山廢棄地邊坡不同生長(zhǎng)年限多花木藍(lán)根區(qū)土壤中的養(yǎng)分狀況和理化性質(zhì)，來揭示多花木藍(lán)用于礦山生態(tài)修復(fù)的機(jī)理。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于云南省昆明市晉寧區(qū)云南磷化集團(tuán)有限公司昆陽(yáng)磷礦生態(tài)修復(fù)區(qū)排土場(chǎng)邊坡，地理位置24°43′24.97″N、102°33′40.74″E，海拔2 058 m，屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫15 ℃，年平均降水量1 100 mm，光熱條件較好，熱量資源豐富，夏季雨量充沛。試驗(yàn)區(qū)域土壤覆蓋厚度為60 cm，坡度為60°，水土保持能力差。以該排土場(chǎng)未種植多花木藍(lán)邊坡的土壤養(yǎng)分條件作為試驗(yàn)區(qū)域土壤養(yǎng)分基本條件，其中土壤pH值為5.97，有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀含量分別為2.51、0.18、0.56、21.49 g/kg，電導(dǎo)率為22.9 μS/cm，陽(yáng)離子交換量(CEC)為3.31 cmol/kg。

1.2 試驗(yàn)材料

多花木藍(lán)均種植于云南磷化集團(tuán)有限公司昆陽(yáng)磷礦排土場(chǎng)邊坡，其種子來源于本土多花木藍(lán)品種。以生長(zhǎng)年限分別為1、2、3、4、5 a的多花木藍(lán)植株根區(qū)土壤作為試驗(yàn)研究對(duì)象，以同一坡位未生長(zhǎng)多花木藍(lán)的邊坡土壤作為對(duì)照。

1.3 試驗(yàn)方法

2020年10月16日采集試驗(yàn)區(qū)域5種不同生長(zhǎng)年限多花木藍(lán)根區(qū)土壤樣品，取樣區(qū)域選擇處于同一坡位、生長(zhǎng)面積大于50 m2的不同生長(zhǎng)年限的多花木藍(lán)生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)區(qū)，采用5點(diǎn)取樣法進(jìn)行土壤取樣，采集點(diǎn)距主根20～30 cm，取樣深度0～20 cm，每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)生物學(xué)重復(fù)；在同一坡位取對(duì)照土壤樣品。樣品裝入自封袋帶回實(shí)驗(yàn)室，去除其中的巖石和植物殘留等雜物，自然風(fēng)干2周后用四分法取樣，過0.15 mm篩后保存?zhèn)溆?，進(jìn)行養(yǎng)分指標(biāo)等測(cè)定。

1.4 測(cè)定項(xiàng)目

含水量測(cè)定采用烘干法，土壤全氮測(cè)定采用半微量凱氏定氮法，全磷測(cè)定采用硫酸-高氯酸-鉬銻抗比色法，全鉀測(cè)定采用NaOH熔融-火焰光度法，有機(jī)質(zhì)測(cè)定采用重鉻酸鉀容量法-稀釋熱法，CEC值測(cè)定采用乙酸銨法，土壤水解性氮、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮采用自動(dòng)定氮儀測(cè)定，有效磷測(cè)定采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法，速效鉀測(cè)定采用乙酸銨浸提-火焰光度法，具體操作方法參照《土壤農(nóng)化分析》[8]。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2019作圖，采用SPSS 13.0進(jìn)行顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同生長(zhǎng)年限多花木藍(lán)對(duì)土壤pH值及電導(dǎo)率的影響

不同生長(zhǎng)年限多花木藍(lán)根區(qū)土壤的pH值和電導(dǎo)率變化情況如圖1所示。試驗(yàn)區(qū)域未種植多花木藍(lán)時(shí)，土壤pH值為5.97，電導(dǎo)率為22.9 μS/cm，土壤呈酸性，電導(dǎo)率低；種植多花木藍(lán)后，土壤pH值與電導(dǎo)率逐漸提高，當(dāng)多花木藍(lán)生長(zhǎng)年限為2～5 a時(shí)，pH值與電導(dǎo)率變化趨于穩(wěn)定，pH值分別為7.50、7.72、7.14、7.44，電導(dǎo)率分別為76.81、81.87、83.86、87.96 μS/cm，土壤酸堿度達(dá)到中性，土壤中礦質(zhì)態(tài)離子增多并處于動(dòng)態(tài)平衡。

圖1 不同生長(zhǎng)年限多花木藍(lán)對(duì)根區(qū)土壤pH值及電導(dǎo)率的影響

2.2 不同生長(zhǎng)年限多花木藍(lán)對(duì)土壤氮素含量的影響

如圖2所示，土壤全氮含量隨多花木藍(lán)生長(zhǎng)年限增加而逐漸上升，不同形態(tài)的氮素含量亦隨多花木藍(lán)的生長(zhǎng)不斷增加與積累，生長(zhǎng)年限達(dá)4 a時(shí)土壤速效態(tài)氮(水解性氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮)含量開始降低。對(duì)照土壤全氮含量為0.19 g/kg，生長(zhǎng)5 a增加至1.37 g/kg，生長(zhǎng)年限為1～5 a的多花木藍(lán)根區(qū)土壤全氮含量分別較對(duì)照增加68.4%、200.0%、268.4%、552.6%、621.1%。對(duì)照土壤水解性氮含量為6.25 mg/kg，生長(zhǎng)5 a增加至82.00 mg/kg，生長(zhǎng)年限為1～5 a的多花木藍(lán)根區(qū)土壤水解性氮含量分別較對(duì)照增加235.5%、678.9%、904.6%、1 319.0%、1 212.0%。對(duì)照土壤硝態(tài)氮含量為0.48 mg/kg，生長(zhǎng)5 a增加至4.13 mg/kg，生長(zhǎng)年限為1～5 a的多花木藍(lán)根區(qū)土壤硝態(tài)氮含量分別較對(duì)照增加130.4%、435.4%、570.4%、920.4%、762.8%。對(duì)照土壤銨態(tài)氮含量為0.66 mg/kg，生長(zhǎng)年限為1 a的多花木藍(lán)根區(qū)土壤銨態(tài)氮含量為0.59，較對(duì)照降低10.6%，之后呈不斷上升的趨勢(shì)，生長(zhǎng)年限為2～5 a的多花木藍(lán)根區(qū)土壤銨態(tài)氮含量分別為0.71、0.85、1.07、0.91 mg/kg，分別較對(duì)照增加6.7%、28.9%、61.0%、37.7%。

圖2 不同生長(zhǎng)年限多花木藍(lán)對(duì)根區(qū)土壤氮素含量的影響

2.3 不同生長(zhǎng)年限多花木藍(lán)對(duì)土壤有效磷和速效鉀含量的影響

如圖3所示，試驗(yàn)區(qū)域土壤未種植多花木藍(lán)時(shí)，其有效磷和速效鉀含量分別為6.38和55.70 mg/kg，土壤中可被利用的磷、鉀含量較低。種植多花木藍(lán)后，有效磷含量逐漸提高，當(dāng)多花木藍(lán)生長(zhǎng)年限為1 a時(shí)較對(duì)照增加30.6%，為8.33 mg/kg；當(dāng)多花木藍(lán)生長(zhǎng)年限為2～5 a時(shí)有效磷含量顯著增加，分別為30.58、38.49、47.97、46.48 mg/kg，生長(zhǎng)5 a時(shí)土壤中有效磷含量較對(duì)照增加628.5%。土壤速效鉀含量也隨多花木藍(lán)生長(zhǎng)年限增加而逐漸增高，多花木藍(lán)生長(zhǎng)年限為1～5 a時(shí)土壤中的速效鉀含量分別為72.66、197.67、166.56、258.04、238.00 mg/kg，生長(zhǎng)5 a時(shí)土壤中速效鉀含量較對(duì)照增加327.3%。

圖3 不同生長(zhǎng)年限多花木藍(lán)對(duì)根區(qū)土壤有效磷和速效鉀含量的影響

2.4 不同生長(zhǎng)年限多花木藍(lán)對(duì)土壤含水量、CEC值及有機(jī)質(zhì)含量的影響

如圖4所示，土壤含水量、CEC值及有機(jī)質(zhì)含量整體上隨多花木藍(lán)生長(zhǎng)年限增加而逐漸上升，土壤保水能力、保肥能力及有機(jī)質(zhì)含量不斷增強(qiáng)。多花木藍(lán)的生長(zhǎng)顯著提高了土壤對(duì)水分的保蓄能力，對(duì)照土壤含水量為4.69%，生長(zhǎng)年限為1～5 a的多花木藍(lán)的根區(qū)土壤含水量分別為8.39%、8.23%、9.08%、11.96%、9.19%，含水量最高為11.96%，較對(duì)照增加155.0%。同時(shí)，多花木藍(lán)的生長(zhǎng)顯著提高了土壤的保肥能力及有機(jī)質(zhì)含量，生長(zhǎng)年限為1～5 a的多花木藍(lán)的根區(qū)土壤CEC值分別為3.74、7.44、9.00、11.40、11.84 cmol/kg，有機(jī)質(zhì)含量分別為3.54、4.91、5.43、7.43、8.80 g/kg，對(duì)照土壤CEC值和有機(jī)質(zhì)含量分別為3.31 cmol/kg和2.51 g/kg，生長(zhǎng)5 a時(shí)土壤CEC值較對(duì)照增加了257.7%、有機(jī)質(zhì)含量增加了299.5%。

圖4 不同生長(zhǎng)年限多花木藍(lán)對(duì)根區(qū)土壤含水量、CEC值及有機(jī)質(zhì)含量的影響

3 討 論

多花木藍(lán)固氮能力的強(qiáng)弱受諸多外在因素的影響，包括養(yǎng)分狀況、含水量、溫度、土壤類型等，其中養(yǎng)分狀況主要受限于土壤中氮素與磷素的含量。低氮條件下豆科植物根瘤共生固氮能力較強(qiáng)，植株生物量、根瘤數(shù)及植株氮含量會(huì)得到提高，但在高氮條件下對(duì)根瘤共生固氮具有抑制作用[11]。同時(shí)土壤磷的含量也會(huì)影響多花木藍(lán)根瘤共生系統(tǒng)對(duì)氮的固定，根瘤共生固氮過程中共生體本身是需要通過膜與植物根細(xì)胞分開的，這些膜的形成需要消耗大量的磷，因此根瘤共生系統(tǒng)的形成和固氮酶固氮過程均需要消耗大量的磷。在多花木藍(lán)生長(zhǎng)過程中，植株不斷從空氣中固定氮以合成植株生長(zhǎng)所需的氮素，同時(shí)分泌磷酸酶、解鉀酶，促進(jìn)礦物態(tài)的磷、鉀解離出來形成可供給植物生長(zhǎng)的磷、鉀素[12]，并補(bǔ)充土壤中的速效磷、有效鉀含量[13]，使土壤全氮含量由0.19 g/kg提高至1.37 g/kg，有效磷含量由6.38 mg/kg提高至46.48 mg/kg，速效鉀含量由55.70 mg/kg提高至238.00 mg/kg，同時(shí)水解性氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮均顯著提高，土壤養(yǎng)分狀況得以改善。

多花木藍(lán)在生長(zhǎng)過程中，土壤的水分保蓄能力、保肥能力及有機(jī)質(zhì)含量均得到提高，含水量由4.69%提高至9.19%，CEC值由3.31 cmol/kg提高至11.84 cmol/kg，有機(jī)質(zhì)含量由2.51 g/kg提高至8.80 g/kg。這是因?yàn)槎嗷舅{(lán)根系的生長(zhǎng)和地上部分的遮蔽對(duì)土壤的固定和水分的保持具有明顯的促進(jìn)作用，根瘤共生體系的固氮作用促進(jìn)了土壤中養(yǎng)分的累積，增加了土壤的肥力水平，促進(jìn)了土壤保肥能力的提高；同時(shí)多花木藍(lán)屬落葉灌木，其枯枝落葉腐解后對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)不斷補(bǔ)充，促進(jìn)了土壤有機(jī)質(zhì)含量的不斷提高。

4 結(jié) 論

在磷礦山排土場(chǎng)邊坡修復(fù)過程中，修復(fù)植物的選擇直接影響礦山生態(tài)修復(fù)的效果以及后續(xù)修復(fù)工作的開展。針對(duì)使用多花木藍(lán)作為先鋒植物進(jìn)行生態(tài)修復(fù)，本研究通過測(cè)定不同生長(zhǎng)年限的多花木藍(lán)根區(qū)土壤的養(yǎng)分指標(biāo)及土壤性質(zhì)指標(biāo)，探究該樹種的種植對(duì)土壤性質(zhì)及養(yǎng)分狀況的影響，結(jié)果表明：多花木藍(lán)的生長(zhǎng)促進(jìn)了土壤中不同形態(tài)氮素的積累，增加了磷、鉀元素的有效性，穩(wěn)定了土壤pH值和電導(dǎo)率等，促進(jìn)了有機(jī)質(zhì)的積累，增強(qiáng)了土壤的養(yǎng)分水平和保水保肥能力，提高了磷礦山廢棄地的可塑性。因此，多花木藍(lán)可作為磷礦山排土場(chǎng)邊坡修復(fù)的優(yōu)選先鋒樹種。