周金华，余 浪，王奕舒，肖亚楠，朱尤龙，李云驹

(云南磷化集团有限公司/国家磷资源开发利用工程技术研究中心，云南 昆明 650600)

磷矿山在开采的过程中，必须砍伐植物和剥离表土，因而地表植物往往荡然无存，取而代之的是大片的裸地。矿山废弃地地貌地形被改变，土壤层被破坏，失去了土壤的贮水功能和地下水的补给功能，致使土壤有机质含量低、理化性质差、pH值低、保肥供肥能力差、抗风化能力弱，加之地表植物被破坏，无法涵养土壤，因此极易导致水土流失[1]。依靠生态的自我恢复能力可能需要几十年甚至上百年才能够形成一个稳定的生态群落结构，只有人为干预矿山恢复才能快速地构建稳定的植物群落[2]。但是，能够在这样极端的环境下生长的植物十分稀少，所以研究筛选适生的植物对磷矿山的修复具有十分重要的价值和实践意义。

通过对矿山废弃地修复植物的研究和初步筛选，发现多花木蓝(Magnoliamultiflora)在磷矿山废弃地上生长良好，同时根系发达、枝叶茂密、覆盖度高、生长迅速、寿命长，能有效截留降水、固持土壤，是一种抗性强的水土保持树种[3]，对矿山废弃地、采石场废弃地及公路边坡等有较好的水土保持及复绿作用[4]。多花木蓝属于豆科多年生落叶灌木，其根系能够与根瘤菌形成根瘤共生固氮系统，通过吸收空气中的氮气为自身生长提供养分[5]，具有抗旱、耐寒、耐瘠薄的特点，且适应性广，对土壤要求不严，在pH值4.5～7.0的红壤、黄壤或紫红壤上均能良好生长。该灌木在夏季良好的水热条件下生长旺盛，日均增高1.1～1.3 cm；在冬季无持续霜冻情况下可保持青绿，遇重霜时叶片会脱落，呈休眠状态，但枝条仍能安全越冬，再生能力强。郑明新等[6]研究发现多花木蓝根系具有较强的抗拉强度，用于边坡修复时，其生长年限越长边坡的安全系数越高。赵雅姣等[7]研究发现，豆科植物可作为绿肥，通过根瘤菌能固定空气中游离的氮，具有改良土壤、增加土壤肥力的作用。因此，本研究拟通过比较磷矿山废弃地边坡不同生长年限多花木蓝根区土壤中的养分状况和理化性质，来揭示多花木蓝用于矿山生态修复的机理。

1 试验材料与方法

1.1 试验地概况

试验地点位于云南省昆明市晋宁区云南磷化集团有限公司昆阳磷矿生态修复区排土场边坡，地理位置24°43′24.97″N、102°33′40.74″E，海拔2 058 m，属亚热带季风气候区，年平均气温15 ℃，年平均降水量1 100 mm，光热条件较好，热量资源丰富，夏季雨量充沛。试验区域土壤覆盖厚度为60 cm，坡度为60°，水土保持能力差。以该排土场未种植多花木蓝边坡的土壤养分条件作为试验区域土壤养分基本条件，其中土壤pH值为5.97，有机质、全氮、全磷、全钾含量分别为2.51、0.18、0.56、21.49 g/kg，电导率为22.9 μS/cm，阳离子交换量(CEC)为3.31 cmol/kg。

1.2 试验材料

多花木蓝均种植于云南磷化集团有限公司昆阳磷矿排土场边坡，其种子来源于本土多花木蓝品种。以生长年限分别为1、2、3、4、5 a的多花木蓝植株根区土壤作为试验研究对象，以同一坡位未生长多花木蓝的边坡土壤作为对照。

1.3 试验方法

2020年10月16日采集试验区域5种不同生长年限多花木蓝根区土壤样品，取样区域选择处于同一坡位、生长面积大于50 m2的不同生长年限的多花木蓝生长优势区，采用5点取样法进行土壤取样，采集点距主根20～30 cm，取样深度0～20 cm，每个处理设置3个生物学重复；在同一坡位取对照土壤样品。样品装入自封袋带回实验室，去除其中的岩石和植物残留等杂物，自然风干2周后用四分法取样，过0.15 mm筛后保存备用，进行养分指标等测定。

1.4 测定项目

含水量测定采用烘干法，土壤全氮测定采用半微量凯氏定氮法，全磷测定采用硫酸-高氯酸-钼锑抗比色法，全钾测定采用NaOH熔融-火焰光度法，有机质测定采用重铬酸钾容量法-稀释热法，CEC值测定采用乙酸铵法，土壤水解性氮、硝态氮和铵态氮采用自动定氮仪测定，有效磷测定采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法，速效钾测定采用乙酸铵浸提-火焰光度法，具体操作方法参照《土壤农化分析》[8]。

1.5 数据分析

采用Excel 2019作图，采用SPSS 13.0进行显著性分析。

2 结果与分析

2.1 不同生长年限多花木蓝对土壤pH值及电导率的影响

不同生长年限多花木蓝根区土壤的pH值和电导率变化情况如图1所示。试验区域未种植多花木蓝时，土壤pH值为5.97，电导率为22.9 μS/cm，土壤呈酸性，电导率低；种植多花木蓝后，土壤pH值与电导率逐渐提高，当多花木蓝生长年限为2～5 a时，pH值与电导率变化趋于稳定，pH值分别为7.50、7.72、7.14、7.44，电导率分别为76.81、81.87、83.86、87.96 μS/cm，土壤酸碱度达到中性，土壤中矿质态离子增多并处于动态平衡。

图1 不同生长年限多花木蓝对根区土壤pH值及电导率的影响

2.2 不同生长年限多花木蓝对土壤氮素含量的影响

如图2所示，土壤全氮含量随多花木蓝生长年限增加而逐渐上升，不同形态的氮素含量亦随多花木蓝的生长不断增加与积累，生长年限达4 a时土壤速效态氮(水解性氮、硝态氮、铵态氮)含量开始降低。对照土壤全氮含量为0.19 g/kg，生长5 a增加至1.37 g/kg，生长年限为1～5 a的多花木蓝根区土壤全氮含量分别较对照增加68.4%、200.0%、268.4%、552.6%、621.1%。对照土壤水解性氮含量为6.25 mg/kg，生长5 a增加至82.00 mg/kg，生长年限为1～5 a的多花木蓝根区土壤水解性氮含量分别较对照增加235.5%、678.9%、904.6%、1 319.0%、1 212.0%。对照土壤硝态氮含量为0.48 mg/kg，生长5 a增加至4.13 mg/kg，生长年限为1～5 a的多花木蓝根区土壤硝态氮含量分别较对照增加130.4%、435.4%、570.4%、920.4%、762.8%。对照土壤铵态氮含量为0.66 mg/kg，生长年限为1 a的多花木蓝根区土壤铵态氮含量为0.59，较对照降低10.6%，之后呈不断上升的趋势，生长年限为2～5 a的多花木蓝根区土壤铵态氮含量分别为0.71、0.85、1.07、0.91 mg/kg，分别较对照增加6.7%、28.9%、61.0%、37.7%。

图2 不同生长年限多花木蓝对根区土壤氮素含量的影响

2.3 不同生长年限多花木蓝对土壤有效磷和速效钾含量的影响

如图3所示，试验区域土壤未种植多花木蓝时，其有效磷和速效钾含量分别为6.38和55.70 mg/kg，土壤中可被利用的磷、钾含量较低。种植多花木蓝后，有效磷含量逐渐提高，当多花木蓝生长年限为1 a时较对照增加30.6%，为8.33 mg/kg；当多花木蓝生长年限为2～5 a时有效磷含量显著增加，分别为30.58、38.49、47.97、46.48 mg/kg，生长5 a时土壤中有效磷含量较对照增加628.5%。土壤速效钾含量也随多花木蓝生长年限增加而逐渐增高，多花木蓝生长年限为1～5 a时土壤中的速效钾含量分别为72.66、197.67、166.56、258.04、238.00 mg/kg，生长5 a时土壤中速效钾含量较对照增加327.3%。

图3 不同生长年限多花木蓝对根区土壤有效磷和速效钾含量的影响

2.4 不同生长年限多花木蓝对土壤含水量、CEC值及有机质含量的影响

如图4所示，土壤含水量、CEC值及有机质含量整体上随多花木蓝生长年限增加而逐渐上升，土壤保水能力、保肥能力及有机质含量不断增强。多花木蓝的生长显著提高了土壤对水分的保蓄能力，对照土壤含水量为4.69%，生长年限为1～5 a的多花木蓝的根区土壤含水量分别为8.39%、8.23%、9.08%、11.96%、9.19%，含水量最高为11.96%，较对照增加155.0%。同时，多花木蓝的生长显著提高了土壤的保肥能力及有机质含量，生长年限为1～5 a的多花木蓝的根区土壤CEC值分别为3.74、7.44、9.00、11.40、11.84 cmol/kg，有机质含量分别为3.54、4.91、5.43、7.43、8.80 g/kg，对照土壤CEC值和有机质含量分别为3.31 cmol/kg和2.51 g/kg，生长5 a时土壤CEC值较对照增加了257.7%、有机质含量增加了299.5%。

图4 不同生长年限多花木蓝对根区土壤含水量、CEC值及有机质含量的影响

3 讨 论

多花木蓝固氮能力的强弱受诸多外在因素的影响，包括养分状况、含水量、温度、土壤类型等，其中养分状况主要受限于土壤中氮素与磷素的含量。低氮条件下豆科植物根瘤共生固氮能力较强，植株生物量、根瘤数及植株氮含量会得到提高，但在高氮条件下对根瘤共生固氮具有抑制作用[11]。同时土壤磷的含量也会影响多花木蓝根瘤共生系统对氮的固定，根瘤共生固氮过程中共生体本身是需要通过膜与植物根细胞分开的，这些膜的形成需要消耗大量的磷，因此根瘤共生系统的形成和固氮酶固氮过程均需要消耗大量的磷。在多花木蓝生长过程中，植株不断从空气中固定氮以合成植株生长所需的氮素，同时分泌磷酸酶、解钾酶，促进矿物态的磷、钾解离出来形成可供给植物生长的磷、钾素[12]，并补充土壤中的速效磷、有效钾含量[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，速效钾含量由55.70 mg/kg提高至238.00 mg/kg，同时水解性氮、铵态氮、硝态氮均显著提高，土壤养分状况得以改善。

多花木蓝在生长过程中，土壤的水分保蓄能力、保肥能力及有机质含量均得到提高，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，有机质含量由2.51 g/kg提高至8.80 g/kg。这是因为多花木蓝根系的生长和地上部分的遮蔽对土壤的固定和水分的保持具有明显的促进作用，根瘤共生体系的固氮作用促进了土壤中养分的累积，增加了土壤的肥力水平，促进了土壤保肥能力的提高；同时多花木蓝属落叶灌木，其枯枝落叶腐解后对土壤有机质不断补充，促进了土壤有机质含量的不断提高。

4 结 论

在磷矿山排土场边坡修复过程中，修复植物的选择直接影响矿山生态修复的效果以及后续修复工作的开展。针对使用多花木蓝作为先锋植物进行生态修复，本研究通过测定不同生长年限的多花木蓝根区土壤的养分指标及土壤性质指标，探究该树种的种植对土壤性质及养分状况的影响，结果表明：多花木蓝的生长促进了土壤中不同形态氮素的积累，增加了磷、钾元素的有效性，稳定了土壤pH值和电导率等，促进了有机质的积累，增强了土壤的养分水平和保水保肥能力，提高了磷矿山废弃地的可塑性。因此，多花木蓝可作为磷矿山排土场边坡修复的优选先锋树种。