不同治理年限的離子型稀土礦區(qū)土壤生態(tài)化學(xué)計量特征

陳海濱,陳志彪,陳志強,馬秀麗

1 福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,福州 350007 2 福建師范大學(xué)濕潤亞熱帶山地生態(tài)地理-過程教育部重點實驗室,福州 350007 3 閩南師范大學(xué),漳州 363000

不同治理年限的離子型稀土礦區(qū)土壤生態(tài)化學(xué)計量特征

陳海濱1,2,3,陳志彪1,2,*,陳志強1,2,馬秀麗1,2

1 福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,福州 350007 2 福建師范大學(xué)濕潤亞熱帶山地生態(tài)地理-過程教育部重點實驗室,福州 350007 3 閩南師范大學(xué),漳州 363000

以福建省長汀縣3個不同水土流失治理年限的離子型稀土礦區(qū)為研究對象,并以未開采的稀土礦治理地為對照,對其表層0—10cm和10—20cm土壤碳氮磷含量及生態(tài)化學(xué)計量特征進行分析,探討稀土礦治理區(qū)的土壤養(yǎng)分恢復(fù)狀況。結(jié)果表明：土壤有機碳、全氮、全磷含量的變化范圍分別為0.69—15.7g/kg、0.26—1.21g/kg、0.05-0.11g/kg,0—10cm土壤養(yǎng)分含量高于10—20cm土壤。土壤C∶N、C∶P、N∶P比變化范圍分別為0.89—15.42、9.50—136.46、4.17—20.87,隨治理年限的增加呈先遞減后遞增的趨勢。土壤生態(tài)化學(xué)計量特征在治理初期由于礦區(qū)氮素的殘留,主要受有機碳缺乏的影響;治理后期隨著氮素的流失,則主要受氮素限制的影響。研究認為,離子型稀土礦治理初期,要及時種植生存能力強的植物,以充分利用礦區(qū)殘留的氮素;治理后期則要施加氮肥以克服氮素缺乏對植物生長的限制。

離子型稀土礦;治理年限;生態(tài)化學(xué)計量;長汀縣

我國南方離子型稀土礦主要分布于江西、福建、廣東等省區(qū),是我國和世界重稀土的主要來源[1],其中福建省稀土礦的儲量位居全國前列[2]。長汀縣地處福建省西南部閩贛交界,其他礦產(chǎn)資源匱乏,唯有稀土資源豐富(占福建省稀土探明儲量的60%以上),是福建省稀土資源儲量最多、稀土產(chǎn)業(yè)發(fā)展最早的縣份。另一方面長汀縣又是福建省水土流失最嚴重的地區(qū)之一,同時也是我國南方紅壤侵蝕地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)退化的一個典型代表[3]。豐富的資源對當(dāng)?shù)亟?jīng)濟的發(fā)展原本是有利的因素,但是人們?yōu)榱搜矍暗睦?在稀土礦區(qū)盜挖盜采的現(xiàn)象極為嚴重,為了節(jié)約成本采用的都是俗稱“搬山運動”的池浸和堆浸開采工藝[4],進一步導(dǎo)致區(qū)內(nèi)水土流失的加重,形成大面積嚴重退化生態(tài)系統(tǒng)。

自2000年以來,長汀縣針對稀土礦展開大規(guī)模的治理,所采取的基本是以種植生態(tài)林草的修復(fù)方法,但由于稀土礦區(qū)惡劣的生長環(huán)境,造成植物種成活周期較短。因此,稀土礦區(qū)的治理成為該區(qū)生態(tài)恢復(fù)的一個難點[3]。離子型稀土礦的關(guān)注點側(cè)重于其對環(huán)境的污染[5- 8],而礦區(qū)土壤由于經(jīng)過人為的堆放壓實,浸礦液的不斷溶浸所造成的土壤結(jié)構(gòu)與理化性質(zhì)的破壞及養(yǎng)分的大量流失,也是導(dǎo)致植物難以生長的原因,因此對礦區(qū)土壤養(yǎng)分特征的研究也尤為必要。生態(tài)化學(xué)計量學(xué)結(jié)合了物理、生物與化學(xué)等學(xué)科的基本原理,利用生態(tài)過程中化學(xué)元素的平衡關(guān)系進行生態(tài)系統(tǒng)的研究[9],近十幾年來生態(tài)化學(xué)計量學(xué)已經(jīng)成為研究生態(tài)系統(tǒng)的新興工具[10- 12],在各類生態(tài)系統(tǒng)中都得到廣泛地應(yīng)用[13- 16],而對礦區(qū)等受損生態(tài)系統(tǒng)的研究還相對較少,在離子型稀土礦區(qū)治理的應(yīng)用更為薄弱。不同土壤結(jié)構(gòu)形成不同的生態(tài)化學(xué)計量特征,進而影響植物的生長發(fā)育[13],研究稀土礦區(qū)土壤生態(tài)化學(xué)計量特征,對于揭示稀土礦區(qū)土壤生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)和平衡機制具有重要意義,進而找出植物生長的限制因子。因此,在離子型稀土礦治理地利用生態(tài)化學(xué)計量學(xué)的方法研究其土壤養(yǎng)分特征,可為礦區(qū)水土流失的治理及生態(tài)恢復(fù)提供一定的借鑒依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

長汀縣地處福建省西南部,位于北緯25°38′15″—25°42′55″,東經(jīng)116°23′30″—116°30′30″,屬于中亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候,多年平均氣溫為18.4℃,1月平均氣溫8.0℃,7月平均氣溫27.2℃,11月平均氣溫14.6℃,無霜期265d;年降水量1 700—2 000 mm,降水年內(nèi)變化大,多集中于3—8月份,占全年降水量的76%[3]。土壤主要為花崗巖在濕熱氣候條件下風(fēng)化淋溶形成的紅壤和侵蝕紅壤,抗蝕性極差,保水保肥能力低[3]。試驗地包括三個離子型稀土礦治理地與一個稀土礦非開采區(qū)對照地,具體采樣點信息見表1,采樣點位置見圖1。

1.2 樣品采集及分析方法

采樣時間為2013年11月,采樣地景觀圖見圖2。各個稀土礦治理區(qū)采樣地點均為面積較大的平地,種植植物皆為喬灌草,可保證植被、土壤環(huán)境的一致性。樣區(qū)的調(diào)查情況如下：牛屎塘礦區(qū)水土流失已得到有效控制,調(diào)查顯示芒萁(Dicranopterisdichotoma)已明顯擴散,長勢比較好,并逐步代替其他的草本植物,蓋度約為72%。喬木以楓香(Liquidambarformosana)為主,平均樹高為170cm,平均地徑為2.7cm;另外零星分布少數(shù)木荷(Schimasuperba)、馬尾松(Pinusmassoniana)。灌木以胡枝子(Lespedezabicolor)為主。下坑礦區(qū)水土流失現(xiàn)象還較為嚴重,大部分植被為人工種植的草本寬葉雀稗(Paspalumwetsfeteini),其蓋度約為68%,芒萁(Dicranopterisdichotoma)比較矮小,長勢不如牛屎塘礦區(qū),蓋度約為6%。喬木以楓香(Liquidambarformosana)、木荷(Schimasuperba)為主,其中楓香(Liquidambarformosana)的平均樹高為190cm,地徑約為5.4cm。三洲桐壩礦區(qū)還存在地表裸露情況,草本植被以寬葉雀稗(Paspalumwetsfeteini)為主,蓋度約為73%,草叢高約為85cm。芒萁(Dicranopterisdichotoma)的長勢較下坑礦區(qū)更為矮小,平均叢高為5.3cm。龍頸礦區(qū)為稀土礦非開采區(qū),治理前A層土壤流失殆盡,B層出露,本底條件與3個稀土礦開采區(qū)相似。喬木層馬尾松(Pinusmassoniana)的樹高約為9.5m,平均胸徑為12cm;地表幾乎被芒萁(Dicranopterisdichotoma)全部覆蓋,蓋度在92%以上。

表1 稀土礦治理區(qū)采樣點的地理位置及植被

圖1 采樣點位置圖Fig.1 Location of sampling points in study area

圖2 采樣地景觀圖Fig.2 Landscape of sample plot

在每個采樣地設(shè)置3個樣方作為土壤采樣點,采用對角線法在每個樣方分別采集0—10cm、10—20cm深度的土壤,4個樣地總共采集土壤樣品24個。土壤樣品帶回實驗室置于陰涼通風(fēng)處自然風(fēng)干,風(fēng)干過程中用鑷子挑揀石塊、根系等雜質(zhì)。取部分風(fēng)干后的土壤樣品用研缽進行研磨,過100目(0.149mm)篩用于土壤理化性質(zhì)和稀土元素的測定。

測定方法如下：pH采用土∶水=1∶2.5水浸-電位測定;機械組成采用馬爾文粒度分析儀(Masterrizer 2000, 英國)測定;土壤有機碳及全氮使用碳氮元素分析儀(Elementar Vario MAX, 德國)測定;全磷采用高氯酸消煮法、鉬銻抗比色法測定;土壤稀土元素采用高溫消解ICP-MS(XSERIES 2, Thermo Scientific, 美國)測定[17]。土壤基本理化性質(zhì)及稀土元素含量見表2。

表2 土壤基本理化性質(zhì)及稀土元素含量

∑REE指土壤稀土元素含量

1.3 數(shù)據(jù)分析

全部實驗數(shù)據(jù)均在Microsoft Excel 2003和SPSS 19.0軟件下處理完成。采用單因素方差分析(One-Way ANOVA)的最小顯著差異(LSD)法對土壤碳氮磷養(yǎng)分和生態(tài)化學(xué)計量特征進行差異性檢驗,并采用Pearson相關(guān)分析法進行相關(guān)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同治理年限的土壤碳氮磷含量特征

由表3可以看出,土壤有機碳含量變化范圍為0.69—15.7 g/kg,在不同采樣深度,龍頸(對照地)都顯著高于其他3個采樣地(P<0.05),3個樣地不同土層之間土壤均沒有顯著差異;0—10cm土壤有機碳含量大小排序為龍頸(對照地)>牛屎塘>三洲桐壩>下坑,10—20cm土壤有機碳含量大小排序為龍頸(對照地)>三洲桐壩>牛屎塘>下坑。土壤全氮含量變化范圍為0.26—1.21 g/kg,除了治理年限最長的牛屎塘10—20cm土壤顯著低于其他兩個樣地和對照地(P<0.05),各個樣地之間的差異都不顯著;0—10cm土壤大小排序為龍頸(對照地)>三洲桐壩>牛屎塘>下坑,10—20cm土壤大小排序為三洲桐壩>龍頸(對照地) >下坑>牛屎塘,不同土層之間除了治理年限較短的三洲桐壩外,其余均呈0—10cm土層高于10—20cm土層。土壤全磷含量變化范圍為0.05—0.11 g/kg,龍頸(對照地)不同采樣深度含量都高于其他3個采樣地,除了10—20cm土層與下坑治理地沒有呈顯著差異外,其他均呈顯著差異(P<0.05);0—10cm和10—20cm土壤全磷含量大小排序均為龍頸(對照地) >下坑>三洲桐壩>牛屎塘。

表3 土壤碳氮磷含量特征

小寫字母不同表示同一樣地不同采樣深度土壤之間差異性顯著,大寫字母不同表示不同樣地同一采樣深度土壤之間差異性顯著(P<0.05)

2.2 不同治理年限的土壤生態(tài)化學(xué)計量特征

不同治理年限的稀土礦區(qū)土壤生態(tài)化學(xué)計量特征統(tǒng)計見表4。由表4可以看出,土壤C∶N比變化范圍為0.89—15.42,其比值3個樣地和龍頸(對照地)均呈0—10cm土壤高于10—20cm土壤,除了下坑,其他兩個樣地和對照地不同土層均呈顯著差異(P<0.05),龍頸(對照地)不同土層土壤C∶N比均顯著高于其他3個樣地(P<0.05);0—10cm土壤C∶N比大小排序為龍頸(對照地)>牛屎塘>三洲桐壩>下坑,10—20cm土壤C∶N比大小排序為龍頸(對照地)>牛屎塘>下坑>三洲桐壩。土壤C∶P比變化范圍較大,為9.50—136.46,龍頸(對照地)不同土層均顯著高于其他3個樣地(P<0.05),不同土層之間只有牛屎塘和龍頸(對照地)呈顯著差異(P<0.05);0—10cm土壤C∶P比大小排序為龍頸(對照地)>牛屎塘>三洲桐壩>下坑,10—20cm土壤C∶N比大小排序為龍頸(對照地)>三洲桐壩>牛屎塘>下坑。土壤N∶P比變化范圍為4.17—20.87,最大值出現(xiàn)在治理年限最短的三洲桐壩的10—20cm土壤,與其他兩個樣地和對照地之間呈顯著差異(P<0.05),0—10cm土壤最大值也為三洲桐壩;0—10cm土壤C∶P比大小排序為三洲桐壩>龍頸(對照地)>牛屎塘>下坑,10—20cm土壤C∶N比大小排序為三洲桐壩>牛屎塘>龍頸(對照地)>下坑。

表4 土壤生態(tài)化學(xué)計量特征

小寫字母不同表示同一樣地不同采樣深度土壤之間差異性顯著,大寫字母不同表示不同樣地同一采樣深度土壤之間差異性顯著(P<0.05)

2.3 土壤養(yǎng)分與生態(tài)化學(xué)計量比的相關(guān)性

土壤養(yǎng)分與生態(tài)化學(xué)計量比的Pearson相關(guān)性分析結(jié)果如表5。從表5可以看出土壤有機碳與全氮(α=0.05)、全磷(α=0.01)呈顯著相關(guān),而土壤全氮與全磷之間相關(guān)性不顯著。土壤有機碳與C∶N、C∶P比均呈顯著相關(guān)(α=0.01),與N∶P比相關(guān)性不顯著;土壤全氮與C∶P比呈顯著相關(guān)(α=0.05),與N∶P比呈顯著相關(guān)(α=0.01),與C∶N比相關(guān)性不顯著;土壤全磷與C∶N、C∶P比均呈顯著相關(guān)(α=0.01),與N∶P比相關(guān)性不顯著。

表5 土壤C、N、P及生態(tài)化學(xué)計量比的相關(guān)性

**表示在0.01水平顯著相關(guān), *表示在0.05水平顯著相關(guān)

3 討論

3.1 土壤碳氮磷含量變化特征比較

土壤碳氮磷作為土壤養(yǎng)分的主要指標,可以反映土壤肥力的基本狀況[18]。本研究結(jié)果表明,稀土礦區(qū)未開采的治理地土壤有機碳都顯著高于開采區(qū)的治理地,未開采地經(jīng)過8年的治理時間,0—10cm土壤有機碳含量已達15.7 g/kg,與福建省紅壤平均值22.1 g/kg較為接近[19],說明稀土礦區(qū)未開采的流失地隨著植被的恢復(fù),有效減少了水土流失,土壤有機碳含量逐步提高[20];而10—20cm土壤有機碳含量僅為4.19 g/kg,說明土壤恢復(fù)是一個緩慢的過程,恢復(fù)前期植被枯落物的歸還和對土壤養(yǎng)分的提高更多還集中在土壤0—10cm土層。張秋芳在該地區(qū)的研究也表明,10—20cm土壤經(jīng)過30a的治理土壤有機碳含量也基本在5 g/kg左右[21]。3個開采區(qū)土壤有機碳含量就更低,最高值為經(jīng)過8a治理時間的牛屎塘樣地的0—10cm土壤,僅為3.76 g/kg,并呈現(xiàn)出隨治理時間的推進先降低后增加的趨勢。稀土礦區(qū)治理初期,為使種植的植物能夠更好地生長,都施用一定的肥料,但是由于初期種植的植物很難適應(yīng)礦區(qū)惡劣的生長環(huán)境,成活率并不高。李永銹[22]在贛南稀土礦區(qū)的研究也表明,在治理的前兩三年相當(dāng)一部分植物都枯死。隨著植物的枯死,雨水對土壤的沖刷,土壤有機碳含量在3a后開始呈下降的趨勢,之后在芒萁(Dicranopterisdichotoma)等一些本地草種逐漸入侵后,才使得土壤有機碳有所提高。

土壤全氮含量在治理初期都比較高,由于離子型稀土開采采用的是硫酸銨浸提的工藝,礦區(qū)廢棄后還會殘留大量的硫酸銨,經(jīng)過3a治理時間的三洲桐壩10—20cm土壤全氮含量達1.21 g/kg,而該地區(qū)未侵蝕紅壤也僅為0.6 g/kg左右[21],可見礦區(qū)治理前期硫酸銨的殘留使土壤氮素含量增加。由于植物在治理前期很難生長,不能有效利用土壤中殘留的氮素,而土壤中殘留的硫酸銨很容易受雨水沖刷流失[22],氮素的流失使得礦區(qū)的肥力進一步下降,治理時間為6a的下坑樣地氮素含量就僅為0.3 g/kg左右。氮素由于雨水的沖刷淋溶作用而呈現(xiàn)10—20cm土層的含量高于0—10cm 土層的含量,所以在治理過程當(dāng)中還要注意加大對上下層土壤的翻動,以提高植物對氮素的有效利用。

土壤磷素主要來源于母巖,南亞熱帶土壤普遍都缺乏磷素,未侵蝕紅壤山地0—20cm全磷含量也僅為0.15 g/kg[23],對照地經(jīng)過8年的治理,0—10cm土壤全磷含量已和未侵蝕紅壤山地接近,但10—20cm土壤全磷含量還是相對較低。采礦區(qū)的全磷含量則更低,磷的缺乏限制土壤微生物的生長,導(dǎo)致礦區(qū)土壤環(huán)境的改善更為困難,一定程度上也限制植物更好地生長[23]。3個采礦區(qū)治理地的全磷含量的變化趨勢基本隨治理時間的延長先遞增后遞減,治理初期由于種植植物吸收一定的磷,治理3a的三洲桐壩樣地土壤中全磷含量相對較低;隨著植物的死亡,磷素又歸還到土壤當(dāng)中,治理6a的下坑樣地全磷含量就相對提高;之后隨著新的植物入侵吸收利用磷,土壤全磷含量又呈下降趨勢。

3.2 土壤化學(xué)計量特征及限制因子分析

土壤碳氮磷比值是反映土壤養(yǎng)分循環(huán)的主要指標,綜合反映了整個生態(tài)系統(tǒng)功能的變異性,有助于確定土壤生態(tài)系統(tǒng)過程對環(huán)境變化的響應(yīng)[9-10,24]。稀土礦區(qū)的生態(tài)修復(fù)方法主要采用植物修復(fù)方法,由于稀土礦采礦所形成新的土壤環(huán)境條件[25],利用生態(tài)化學(xué)計量比探討其所形成生態(tài)系統(tǒng)功能有助于揭示利于植物生長的環(huán)境條件。由于成土過程受多種因素的影響,土壤碳氮磷比值差異較大,本研究中土壤C∶N比變化范圍在0.89—15.42之間,福建省山地土壤C∶N比變化范圍為11.7—18.2[19],全國土壤平均值為11.9[11],除了未開采的對照地,開采區(qū)都低于中國和福建省的平均水平。未開采地經(jīng)過8a時間的治理,基本恢復(fù)到福建省的平均范圍內(nèi),趨向平衡的狀態(tài)。而稀土礦開采地C∶N比治理時間最長的牛屎塘0—10cm土壤僅為7.02,還達不到全國土壤的平均值,治理時間為3a的三洲桐壩10—20cm土壤C∶N比甚至僅為0.89,可見開采地的C∶N比處于嚴重失衡的狀態(tài)。從C、N元素的相關(guān)性分析中也可看出,多數(shù)的研究表明C、N元素在0.01水平呈顯著相關(guān)性[13,21,26-27],對環(huán)境的響應(yīng)也幾乎同步,而本研究表明C、N元素只在0.05水平呈顯著相關(guān),相關(guān)系數(shù)也僅為0.446,可見礦區(qū)土壤由于經(jīng)過人工搬運壓實及硫酸銨等藥水的浸泡淋溶使得土壤結(jié)構(gòu)遭到嚴重破壞,土壤C、N元素相關(guān)性減弱。從治理年限來看在初期由于大量氮素的存在使得土壤C∶N比較低,而土壤C∶N比較低時微生物超量的氮素又會釋放到土壤中[28],使得土壤氮素進一步積累。可見在稀土礦治理初期要加大有機碳的投入,從而創(chuàng)造更有利植物生長的環(huán)境條件,使土壤C∶N比能處于較平衡的狀態(tài)。

土壤C∶P比變化范圍較大為9.50—136.46,Tian[11]等的研究結(jié)果表明,中國熱帶亞熱帶地區(qū)土壤C∶P比的均值為78,研究區(qū)只有對照地的0—10cm土壤高于平均值。當(dāng)土壤C∶P比較大時,會發(fā)生生物固定,反之則發(fā)生物礦化[28],說明研究區(qū)大部分土壤都進行磷的礦化,土壤磷有效性較高。亞熱帶地區(qū)土壤普遍都缺磷[20],未開采地治理8a后的土壤C∶P比達136.46,呈現(xiàn)缺磷狀況。治理初期土壤C∶P比較低,可能由于稀土礦治理初期植物生物較為緩慢,對磷素的需求量相對較低,所以磷素基本上還能滿足植物生長的需要。從不同治理年限上的變化也可以看出,土壤C∶P比隨治理時間的推進呈先遞減后遞增的趨勢,治理年限8a的牛屎塘土壤C∶P比才升高到61.62,而后磷素才逐漸成為限制植物生長的因子。土壤C∶P比與C、P元素的相關(guān)性也可以看出,土壤C∶P比受C元素變化的影響更為明顯。

土壤N∶P比的變化范圍在4.17—20.87之間,中國亞熱帶土壤的平均值為6.4[11],研究區(qū)除下坑及牛屎塘治理地和對照地的10—20cm土壤外,其余樣地土壤都高于平均值。按照Tessier[29]等的研究N∶P可作為診斷N飽和的指標,N∶P<14為氮限制,N∶P>16為磷限制。研究區(qū)除三洲桐壩10—20cm土壤外,其余樣地土壤主要還是受到氮限制,而三洲桐壩主要是由于治理年限較短還有硫酸銨殘留而不受氮限制,所以可以認為稀土礦區(qū)植被的恢復(fù)主要還是受到氮限制作用。張秋芳[18]等的研究也認為,該地區(qū)植物在生長過程中逐漸適應(yīng)了低磷土壤環(huán)境狀況,在生態(tài)恢復(fù)過程對氮素的響應(yīng)更為敏感。土壤N∶P比與土壤養(yǎng)分的相關(guān)性也可以看出,與氮素在0.01水平達顯著相關(guān),進一步說明土壤N∶P比主要受土壤氮素的影響。

稀土礦開采所造成的土壤養(yǎng)分的大量流失是造成植物難以生長甚至死亡的重要因素,而其所造成的土壤結(jié)構(gòu)的破壞及所形成的生理毒性也是造成礦區(qū)恢復(fù)困難問題所在,也是繼續(xù)開展研究的一個方向,可以從更全面的角度揭示稀土礦區(qū)治理所面臨的難題,為礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)提供實踐依據(jù)。

4 結(jié)論

稀土礦區(qū)土壤養(yǎng)分含量經(jīng)過多年的治理有明顯變化,有機碳全氮含量呈先遞減后遞增的趨勢,全磷含量則呈先遞增后遞減的趨勢,經(jīng)過8a時間的治理,土壤養(yǎng)分含量還是遠低于對照地,表明礦區(qū)土壤養(yǎng)分的恢復(fù)是一個長期的過程。土壤C∶N、C∶P、N∶P比隨治理時間的推進呈先遞減而后遞增的趨勢,進一步揭示稀土礦區(qū)在治理過程中所受到的限制因素,在治理前期土壤養(yǎng)分主要是由于有機碳的匱乏而限制植物的生長,而到后期逐漸變?yōu)槭艿叵拗频挠绊?。因此離子型稀土礦在治理過程中,在礦區(qū)氨氮還沒完全流失前,要及時種植生存能力強的植物,并施以有機肥料以促其生長,既可以充分利用礦區(qū)殘留的氨氮,也可減少氨氮流失對下游的污染。隨著治理時間的推進,植物在礦區(qū)能夠較好生長后,則要施用一定氮肥以克服氮素缺乏對植物生長所造成的限制作用。

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Ecological stoichiometry characteristics of ionic rare earth mining area soil in different management years

CHEN Haibin1, 2, 3, CHEN Zhibiao1,2,*, CHEN Zhiqiang1, 2, MA Xiuli1, 2

1CollegeofGeographicalSciences,FujianNormalUniversity,Fuzhou350007,China2KeyLaboratoryofHumidSub-tropicalEco-geographicalProcessoftheMinistryofEducation,FujianNormalUniversity,Fuzhou350007,China3MinnanNormalUniversity,Zhangzhou363000,China

The mining of ionic rare earth elements causes serious ecological problems, and it has become an important issue for ecological restoration management in South China. Ecological stoichiometry, combined with the basic principles of physics, biology, and chemistry, can be used to investigate the ecological processes affecting chemical elements. It can be used to investigate soil ecosystem nutrient cycling and to identify the limiting factors on plant growth when it is used in ionic rare earth mining ecology restoration projects. The present study used ecological stoichiometry to analyze the topsoil nutrient contents at soil sampling depths of 0—10 cm and 10—20 cm over three different management years in an ionic rare earth mining area and one unexploited rare earth mine in Changting County, Fujian Province. The results showed that the soil organic carbon, total nitrogen, and total phosphorus contents were in the range of 0.69—15.7 g/kg, 0.26—1.21 g/kg, and 0.05—0.11 g/kg, respectively. The soil nutrient contents were higher in the 0—10 cm layer than in the 10—20 cm layer. The soil C∶N, C∶P, and N∶P ratios were in the range of 0.89—15.42, 9.50—136.46, and 4.17—20.87, respectively. The ratios first decreased, and then increased as management time progressed. The soil ecological stoichiometry characteristics were affected mainly by the organic matter content because of the residual nitrogen levels and the loss of organic matter in the early management years. In the later management years, soil ecological stoichiometry characteristics were mainly affected by nitrogen limitation due to its increased loss during the late management period. Our research suggested that stress resistant plant species should be planted to take full advantage of the residual nitrogen in the early years of management. Plant growth and soil nitrogen uptake as time progresses means that nitrogen should be applied during the late management years to overcome nitrogen limitations.

ionic rare earth mining area; management years; ecological stoichiometry; Changting County

國家自然科學(xué)基金資助項目(41171232,41371512);福建省社會發(fā)展引導(dǎo)性(重點)資助項目(2016Y0024)

2016- 08- 06;

2016- 10- 23

10.5846/stxb201608061615

*通訊作者Corresponding author.E-mail: chenzhib408@vip.163.com

陳海濱,陳志彪,陳志強,馬秀麗.不同治理年限的離子型稀土礦區(qū)土壤生態(tài)化學(xué)計量特征.生態(tài)學(xué)報,2017,37(1):258- 266.

Chen H B, Chen Z B, Chen Z Q, Ma X L.Ecological stoichiometry characteristics of ionic rare earth mining area soil in different management years.Acta Ecologica Sinica,2017,37(1):258- 266.