蚯蚓糞、沼液+飼料桑模式對廢棄稀土礦區(qū)土壤改良效果研究

陳榮強，雷小文*，歐陽克蕙，謝華亮，黃際發(fā)，邱靜蕓，李建軍，徐樹明，李建明

(1.贛州市畜牧研究所，341401，江西，贛州；2.江西農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，330045，南昌；3.定南縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，341900，江西，贛州；4.定南縣鼎瑞肉牛養(yǎng)殖專業(yè)合作社，341909，江西，贛州)

0 引言

江西贛州素有“稀土王國”稱號，蘊含全國 30%以上的離子型稀土礦。2018 年末，贛州市共有廢棄稀土礦山面積93.88 km2[1]，生態(tài)系統(tǒng)脆弱不堪。不僅水土流失嚴(yán)重、地表荒漠化，幾乎寸草不生；還遺留大量有毒元素，雨水淋漓后嚴(yán)重污染水體[2-3]。廢棄稀土礦區(qū)土壤理化性質(zhì)遭受破壞，土壤呈強酸性，pH值分布為4～5.6(n=165)，低于背景區(qū)的土壤pH值5～6[4]；土壤有機質(zhì)處于較低水平(五級)，土壤中全氮含量為0.03%，低于最低水平臨界值(0.05%)；有效磷含量3 mg/kg，處于五級水平[5]。這導(dǎo)致了普通植物無法生長，依靠自然恢復(fù)植被通常需要50—100 a。必須依靠人工干預(yù)進(jìn)行土壤改良，選擇先鋒植物采用科學(xué)模式加快廢棄稀土礦區(qū)的土壤重建和植被恢復(fù)。有關(guān)植物修復(fù)廢棄稀土礦區(qū)的研究較多。江西省贛州市龍南縣稀土尾礦區(qū)耐性植物的調(diào)查發(fā)現(xiàn) 18 種植物在尾礦區(qū)境內(nèi)生長，主要以狗牙根、百喜草、芒草、巴茅、芒基、桉樹、松樹為主，優(yōu)勢物種為禾本科植物[6]。百喜草、兩耳草、早熟禾、高羊茅、雜交狼尾草、高丹草[7-9]等禾本科牧草對稀土尾砂都具有較好的改良作用，但禾本科牧草多為一年生、季節(jié)性覆蓋、生物量小。前人研究多局限于盆栽試驗，缺乏野外試驗數(shù)據(jù)。植物修復(fù)搭配使用土壤改良劑對廢棄稀土礦區(qū)土壤的改良有更好的效果。如陳鶯燕[10]等發(fā)現(xiàn)雞糞配比麻桿生物炭或鋸末處理改良稀土尾砂地基質(zhì)長效性較好，環(huán)境風(fēng)險低，可加快植被復(fù)墾。鐘云平[11]等發(fā)現(xiàn)利用蚯蚓糞種植桂牧1號象草，能改善和修復(fù)稀土尾礦土壤，土壤中有機質(zhì)含量明顯增加。飼料桑較禾本科牧草壽命長，生物量大，能常年覆蓋；具有根系發(fā)達(dá)、生長迅速、抗沙埋能力強、適應(yīng)性強、造林成活率高、耐刈割、萌發(fā)力極強等生態(tài)學(xué)特性[12]。目前尚無飼料桑在植物修復(fù)廢棄稀土礦區(qū)方面的報道，飼料桑的生態(tài)學(xué)特性使得成為植物修復(fù)廢棄稀土礦區(qū)的先鋒植物可能性較大。因此，本課題組選取飼料桑(粵桑11號)作為先鋒植物，以蚯蚓糞、沼液為肥料充當(dāng)有機土壤改良劑，野外試驗研究蚯蚓糞、沼液+飼料桑模式對廢棄稀土礦區(qū)土壤的改良效果，為加快廢棄稀土礦區(qū)的植被恢復(fù)提供良好土壤基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于江西省贛州市定南縣嶺北鎮(zhèn)蔡陽村定南縣鼎瑞肉牛養(yǎng)殖專業(yè)合作社。定南稀土資源分布廣、品種多、儲量大、質(zhì)量優(yōu)，是首批11個國家稀土規(guī)劃礦區(qū)之一。定南中心緯度24.79°，中心經(jīng)度115.03°，定南縣屬中亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候區(qū)，境內(nèi)氣候溫和，多年最高氣溫38 ℃，年平均氣溫19 ℃，冬季河流無冰凍現(xiàn)象，無霜期293 d，多年平均日照時數(shù)為1 777.1 h，太陽總幅射量0.45 MJ/cm2。

1.2 試驗材料

飼料桑(粵桑11號)由廣東四季桑園蠶業(yè)科技有限公司提供。蚯蚓糞(成分檢測見表1)由贛州東山嘉禾現(xiàn)代農(nóng)業(yè)有限公司提供。沼液(成分檢測見表2)由贛州銳源生物科技有限公司提供。

表1 蚯蚓糞成分檢測

表2 沼液成分檢測

1.3 飼料桑種植與生長數(shù)據(jù)收集方法

選擇土壤基礎(chǔ)條件一致的連片約667 m2廢棄稀土礦區(qū)尾砂土壤，平整后設(shè)置裸地300 m2為對照組(CG)和飼料桑種植區(qū)300 m2為試驗組(TG)。試驗組在種植飼料桑之前1星期(即2019年3月6日)施用沼液以便增加土壤肥力和調(diào)節(jié)土壤pH，沼液與水按1:4的比例兌勻后潑灑土壤表面，施用量為300 m3/hm2；對照組在同等時間施用自來水300 m3/hm2。試驗組在2019年3月13日按照株距0.25 m，行距0.6 m種植飼料桑，穴施新鮮蚯蚓糞250 g/株。試驗組每隔2個月施用1次沼液，沼液與水按1:4的比例兌勻后潑灑土壤表面，施用量為30 m3/hm2，對照組則在同等時間施用自來水30 m3/hm2。觀察飼料桑的長勢。分別在2019年5月9日、7月1日、8月20日收集生長數(shù)據(jù)。每組隨機選取4個2 m×2 m小區(qū)，每個小區(qū)隨機選取5株進(jìn)行測量。測量莖粗、株高、枝條總數(shù)、總?cè)~片數(shù)、最大葉長、最大葉寬、主枝葉片數(shù)、主枝第5片葉長與主枝第5片葉寬。地徑用游標(biāo)卡尺測量，其他用刻度米尺測量。在距地面2 cm高度剪伐飼料桑，2019年10月21日測定產(chǎn)量。

1.4 飼料桑分析方法

收集試驗組飼料桑枝葉鮮樣，風(fēng)干后保存。按照各指標(biāo)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)方法對飼料桑進(jìn)行檢測。水分含量測定參照GB/T 6435—2014，粗蛋白含量測定參照GB/T 6432—2018，粗纖維含量測定參照GB/T 6434—2006，粗灰分含量測定參照GB/T 6438—2007，粗脂肪含量測定參照GB/T 6433—2006，鈣含量測定參照GB/T 13885—2017，磷含量測定參照GB/T 6437—2018。

1.5 土壤取樣方法

2019年10月21日，采用蛇形布點法分別在對照組和試驗組選取15個土壤采樣點，取樣深度0～20 cm，制成3個混合樣。土樣按四分法混合均勻后取1 kg 帶回實驗室，棄去動植物殘體，經(jīng)風(fēng)干過2 mm篩，裝瓶備用。

1.6 土壤分析方法

pH值測定參照NY/T 1121.2—2006、有機質(zhì)含量測定參照NY/T 1121.6—2006，全氮含量測定參照NY/T 53—1987，全磷含量測定參照LY/T 1232—2015，有效磷含量測定參照LY/T 1232—2015，速效鉀含量測定參照LY/T 1234—2015，砷含量測定參照GB/T 22105.2—2008，鉻含量測定參照GB/T 14506.30—2010，銅含量測定參照GB/T 14506.30—2010，鋅含量測定參照GB/T 14506.30—2010，鎘含量測定參照GB/T 14506.30—2010，鉛含量測定參照GB/T 22105.2—2008。

1.7 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)先用EXCEL軟件處理，再用 SPSS 19.0 軟件進(jìn)行單因素方差分析，結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)(Mean±SD)差表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 飼料桑在廢棄稀土礦區(qū)的生長性能

一年生飼料桑的生長數(shù)據(jù)見表3。莖粗、株高、枝條總數(shù)、總?cè)~片數(shù)、最大葉長、最大葉寬、主枝葉片數(shù)、主枝第5片葉長與主枝第5片葉寬均隨著時間的推移有增加的趨勢，表明飼料桑能夠適應(yīng)廢棄稀土礦區(qū)的生長環(huán)境。飼料桑一年生的枝葉鮮樣平均產(chǎn)量為(17.99±2.83)t/hm2(見表4)。由表5可知，飼料桑枝葉干物質(zhì)中的粗蛋白含量為19.3%，粗纖維含量18.69%，表明蚯蚓糞、沼液+飼料桑模式在廢棄稀土礦區(qū)依然能夠保持飼料桑高粗蛋白、低粗纖維的性狀。

表3 飼料桑在廢棄稀土礦區(qū)的生長數(shù)據(jù)

表4 一年生飼料桑在廢棄稀土礦區(qū)的平均產(chǎn)量

表5 飼料桑的營養(yǎng)成分表

2.2 蚯蚓糞、沼液+飼料桑對廢棄稀土礦區(qū)土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

由表6可知，相比對照組，試驗組土壤的pH值、有機質(zhì)、全氮、全磷、有效磷、速效鉀均差異極顯著(P<0.01)，且pH值提高了38.73%，有機質(zhì)提高6.26倍，全氮提高6.76倍，全磷提高5.33倍，有效磷提高96.24倍，速效鉀提高6.98倍。試驗組的有機質(zhì)、全氮、全磷、有效磷、速效鉀均達(dá)到《南方地區(qū)耕地土壤肥力診斷與評價(NY/T 1749—2009)》中南方地區(qū)土壤肥力評價主要理化指標(biāo)建議參考標(biāo)準(zhǔn)值。表明蚯蚓糞、沼液+飼料桑模式具有改良廢棄稀土礦區(qū)土壤化學(xué)性質(zhì)作用。

表6 廢棄稀土礦區(qū)土壤化學(xué)性質(zhì)變化

2.3 蚯蚓糞、沼液+飼料桑模式對廢棄稀土礦區(qū)土壤重金屬含量的影響

由表7可知，相比對照組，試驗組土壤的砷、鉛、鎘、銅、鋅的含量差異極顯著(P<0.01)，且砷含量降低31.91%，鉛含量降低29.96%，鎘含量提高230.00%，銅含量提高133.98%，鋅含量提高26.55%。對照組砷、鉻、鎘、銅、鋅含量符合《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)(GB 15618—2018)》中農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險篩選值的標(biāo)準(zhǔn)，鉛含量符合農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管制值標(biāo)準(zhǔn)；試驗組砷、鉛、鉻、銅、鋅含量符合農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險篩選值的標(biāo)準(zhǔn)，鎘含量有超出農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險篩選值的概率，但符合農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管制值標(biāo)準(zhǔn)。表明廢棄稀土礦區(qū)土壤鉛含量應(yīng)當(dāng)受到重點監(jiān)測，蚯蚓糞、沼液+飼料桑模式可有效降低廢棄稀土礦區(qū)土壤砷、鉛含量。

表7 廢棄稀土礦區(qū)土壤重金屬含量變化/mg·kg-1

3 討論

3.1 飼料桑在廢棄稀土礦區(qū)的生長性能

孫鏖[13]等在湖南省長沙市芙蓉區(qū)省畜牧獸醫(yī)研究所牧草試驗基地按4.50 萬株/hm2密度種植的飼料桑(粵桑11號)粗蛋白含量為16.62%，粗纖維為27.62%，平均產(chǎn)量約16.75 t/hm2。本文在稀土尾礦以6.675 萬株/hm2密度種植的飼料桑(粵桑11號)干物質(zhì)粗蛋白含量為19.30%，比孫鏖等種植的高16.13%；粗纖維含量為18.69%，比孫鏖等種植的低32.33%；說明即使是廢棄稀土礦區(qū)惡劣的環(huán)境，采用科學(xué)的種植方法依然可以保證飼料桑(粵桑11號)品質(zhì)。本文飼料桑(粵桑11號)的平均產(chǎn)量約17.99 t/hm2，換算成相同密度，平均產(chǎn)量約是孫鏖等在丘陵地種植的72.41%。

3.2 廢棄稀土礦區(qū)土壤化學(xué)性質(zhì)的變化

土壤pH過酸是廢棄稀土礦區(qū)無植被覆蓋的主要因素之一。多數(shù)植物喜好在土壤pH值為6.0～6.5的環(huán)境下生長，土壤養(yǎng)分有效性的最高值大多出現(xiàn)在土壤pH值6.5～7.5之間。土壤過酸嚴(yán)重影響土壤養(yǎng)分有效性，土壤微生物的生物量急劇減少，土壤酶活性嚴(yán)重降低[14]，同時將加劇土壤重金屬的溶出和毒性增強[3]。有研究表明，動物糞便可以調(diào)解酸性土壤pH值趨于中性[15]。沼液為動物糞便尿液發(fā)酵產(chǎn)物，呈堿性[16-17]。因此，本文所使用的蚯蚓糞和沼液能中和廢棄稀土礦區(qū)土壤的部分酸性，飼料桑根的生理功能也起到部分調(diào)解土壤pH值功能。跟王麗艷等在贛南稀土礦區(qū)恢復(fù)植被后，土壤酸性得到一定的緩和的研究結(jié)果一致[18]。

土壤有機質(zhì)含量過低是廢棄稀土礦區(qū)無植被覆蓋的另一主要因素。本文檢測的廢棄稀土礦區(qū)土壤有機質(zhì)、全氮、全磷、有效磷、速效鉀含量均遠(yuǎn)低于植物生長所需的含量。必須依靠外源添加有機質(zhì)、氮、磷、鉀等才能短時間內(nèi)讓廢棄稀土礦區(qū)土壤的有機質(zhì)和氮、磷、鉀含量大幅提高，滿足植物生長的需求。沼液、蚯蚓糞中有機質(zhì)和氮、磷、鉀含量較為豐富[16,19-20]，沼液施用可以增加象草、狼尾草產(chǎn)量和提高土壤氮含量[21-22]。蚯蚓糞在修復(fù)污染土壤上也應(yīng)用廣泛[23-24]。試驗組有蚯蚓糞、沼液為飼料桑提供養(yǎng)分，根系快速生長的同時，也在改變土壤的理化性狀和土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤肥力和保持水土。因此，蚯蚓糞、沼液+飼料桑模式使土壤有機質(zhì)、全氮、全磷、有效磷、速效鉀含量均成倍增加，跟張艷等施用廢棄菌糟和雞糞后種植早熟禾、高羊茅、雜交狼尾草和高丹草能有效提高稀土尾砂中有機質(zhì)、全氮、速效鉀和有效磷的結(jié)果相似[8]。

3.3 廢棄稀土礦區(qū)土壤重金屬含量的變化

砷、鉛、鎘皆是對動物有明顯毒害的重金屬元素，鉻、銅、鋅雖然是動物必須的微量元素，但是體內(nèi)富集過多也會造成機體損傷[25]。降低重金屬的遷移能力是避免動物重金屬中毒的有效方法之一。重金屬的種類、形態(tài)、土壤的理化性質(zhì)、植物累積效應(yīng)等均是影響土壤重金屬遷移的重要因素[26]。土壤pH值會影響鉛、鎘、鋅的遷移率和潛在生物有效性[27]，鉛、鎘、鋅可交換態(tài)重金屬濃度與土壤的pH值均呈顯著負(fù)相關(guān)[28]。生物有機肥中含有的有機質(zhì)和有益微生物對重金屬離子均有很強的吸附作用和螯合作用，可以部分降低土壤中重金屬的有效性，減少作物對重金屬的吸收[29]。鄭少玲[30]等發(fā)現(xiàn)，施用生物有機肥對廣東菜園土上芥藍(lán)的鉛、鎘、鉻、銅、鋅、鎳含量均有明顯的降低作用。劉曉輝[31]等發(fā)現(xiàn)鉛、銅、鋅3種元素在裸地中的含量高于有植被覆蓋的地區(qū)。本文試驗組土壤pH從4.26調(diào)節(jié)至5.91，有機質(zhì)增加6.26倍，飼料桑覆蓋裸地等因素均可能起到降低可交換態(tài)重金屬濃度、減緩重金屬遷移率的作用[32]，相關(guān)推論需要后續(xù)對重金屬各形態(tài)含量進(jìn)行檢測。

飼料桑的蛋白質(zhì)含量高、氨基酸種類豐富、纖維素含量低，富含多種生理活性物質(zhì)[33-34]，是非常好的飼料原料[35-36]。飼料桑有改良廢棄稀土礦區(qū)土壤的作用，若后續(xù)對它的飼用價值加以利用，將更有利于推廣“蚯蚓糞、沼液+飼料桑模式”，對廢棄稀土礦區(qū)的持續(xù)治理注入經(jīng)濟(jì)活力。

4 結(jié)論

飼料桑(粵桑11號)可作為改良廢棄稀土礦區(qū)土壤的先鋒植物，蚯蚓糞、沼液+飼料桑(粵桑11號)模式是改良廢棄稀土礦區(qū)土壤有效模式。