1 引言(Introduction)

离子型稀土矿是我国重要的战略资源，主要分布在南方的江西、广东、福建、湖南和广西，其中以江西省赣州市开采时间最早、开采量最多(李永绣等, 2010).但长期以来，离子型稀土矿多采用传统落后的硫酸铵堆浸工艺进行开采，遗留了大面积的稀土矿废弃尾砂地.据统计，截止2011年江西赣州稀土矿废弃尾砂地面积已达116 km²(温小军, 2012).这些尾砂地不仅占用大量土地资源，而且破坏矿区及周边正常植被(王平等, 2008)；其土壤物理结构差，保水保肥能力弱，易造成严重的水土及养分流失(高志强等, 2011)；此外，尾砂地中稀土含量(温小军, 2012)及硫酸铵含量较高，易随水土流失污染周边水体和农田，威胁生态环境和人体健康.因此，尾砂地的生态修复已刻不容缓.我们前期的野外调查研究表明，离子型稀土矿尾砂地土壤物理结构极差，粘粒含量低，容重大，土壤养分和有机质匮乏，生物多样性少，这些恶劣的土壤结构和性质严重阻碍了矿区土壤的生态自然演替(刘文深等, 2015).为加快尾砂地土壤重建和植被恢复，必须引入人工干预进行土壤改良，其中改善有机质含量是尾砂地土壤基质改良的重要基础.但目前为止，离子型稀土矿尾砂地土壤基质的相关改良研究仍然很少.

有机肥料富含有机质、N、P、K和微量元素(刘睿等, 2007)，添加到土壤中能有效提高土壤有机质和营养元素含量及土壤酶活性(仝少伟等, 2013)，从而促进植物生长(刘维涛等, 2010; 黄丽荣等, 2010).其中鸡粪等速效肥易分解，能在短期内快速提供植物生长所需的营养，但在保水保肥较弱的尾砂地中易造成营养元素的流失，改良长效性差；锯末等缓效肥含有较高木质素，分解释放营养元素缓慢，但改良效果持久性好.生物炭具有碳含量高、比表面积大等特点，不仅能提高土壤肥力，促进植物生长(李冬等, 2014; 陈晓旋等, 2018)，同时还可以固定土壤中的营养元素减少其流失(刘鸿骄等, 2014; 李江舟等, 2016).研究表明，锯末与碳氮比较低的有机肥如猪粪等配施时，可以显著增加植物产量(胡玮等, 2011).而碳氮比高的有机肥(如锯末)具有保氮的作用，锯末和鸡粪一起堆肥处理时可大大减少氮素的损失(黄懿梅等, 2003).

目前对离子型稀土矿尾砂地土壤治理和复垦的研究较少，主要关注复垦植物种类选择和效果评价(曹学章等, 2012; 杨期和等, 2013).另有少量研究通过施加有机肥或化肥改良土壤，使矿区水土流失明显减缓，但土壤肥力问题仍未得到有效解决(简丽华, 2012; 杨期和等, 2013).关于速效肥与缓效肥的配施对稀土矿尾砂地土壤基质的改良效果及改良机制的研究更是几乎没有.

杂交狼尾草(Pennisetumamericanum×P. Purpureum)为多年生禾本科狼尾草属植物，萌发力强，能适应多种土壤和气候条件，具有较强的水土保持能力，可作为复垦先锋植物.而且收获后的狼尾草可用于造纸、作饲料，也可作为能源草提供生物质能.红麻(Hibiscus cannabinus)为一年生草本韧皮纤维作物，其生长周期短，植株生物量大，耐干旱和贫瘠能力强，但其是否可以成为野外稀土尾砂地的修复物种还需确定.红麻还可被用作制造纺织品、吸附剂和建筑材料等，具有较高的经济价值.选用狼尾草和红麻作为复垦植物，可为当地居民带来一定的经济效益及环境效益.

本文针对离子型稀土矿尾砂地土壤，选取稻草、锯末、城市污泥和鸡粪4种有机改良剂及麻杆生物炭进行单施或配施，通过杂交狼尾草和红麻两组室内盆栽试验，研究有机改良剂及生物炭单施或配施对离子型稀土矿尾砂地土壤的改良效果和机理，从而为离子型稀土矿尾砂地生态修复提供科学依据.

2 材料与方法(Materials and methods) 2.1 供试土壤、改良剂和植物

供试土壤采自江西省赣州市定南县南丰村长坑尾矿区(24°57′N, 115°5′E).该矿区为当地典型的因传统堆浸工艺而废弃的离子型尾砂地，已废弃10年左右.尾矿土壤采集深度为0~30 cm，将土壤样品风干后，拣除碎石、植物残体，过5 mm筛.城市污泥采自广州市猎德污水处理厂，符合《城镇污水处理厂污泥处置农用泥质》标准(郭金平等, 2012)；鸡粪购于广州市花卉苗木基地，施用前经过堆肥腐熟、风干、磨碎处理；稻草采自华南农业大学，锯末来自木材加工厂，红麻秸秆和红麻种子来自中国农业科学院麻类研究所，杂交狼尾草种子购自广州市种子市场.麻杆生物炭为红麻秸秆粉碎后过10目筛，于550 ℃下烧制1 h而成.供试土壤理化性质和供试改良剂化学成分详见表 1.

2.2 实验设计

采用室内盆栽实验，共设置对照、单施和配施等16个处理(表 2)，每个处理3个重复.每盆装有混匀后的供试土壤及有机改良剂共1.0 kg，保持最大持水量50%左右平衡2周.杂交狼尾草和红麻种子经过催芽后，挑选发芽状况良好的种子，每盆播种20颗，覆土3 mm左右.待幼苗生长高度达3 cm左右时进行间苗，狼尾草每盆保留3颗幼苗，红麻每盆保留6颗幼苗.实验期间土壤含水量保持50%左右，40 d后收获.盆栽实验在中山大学环境科学与工程学院温室进行，白天温度为24~28 ℃，晚上为18~20 ℃.

2.3 分析项目及方法

土壤pH采用水土比为2.5:1提取，pH计测定；土壤粘粒含量采用简易比重计法测定，大于5 mm石粒含量采用称重法测定；土壤电导率采用水土比5:1提取，电导率仪(DDS-307A，上海雷磁)测定；土壤有机质采用油浴-重铬酸钾容量法；土壤碱解氮采用碱解扩散法；土壤有效磷采用1 mol·L^-1碳酸氢钠提取(pH=7，水土比1:10)，土壤有效K、Ca、Mg采用1 mol·L^-1醋酸铵浸取(pH=7，水土比1:10)(鲍士旦, 1990)，土壤全磷和全钾采用HF-HNO₃—HClO₄消解，Optima 5300DV型ICP-OES测定各元素含量(吴玉萍等, 2013).土壤脲酶活性采用苯酚钠-次氯酸钠比色法测定，土壤酸性磷酸酶活性采用磷酸苯二钠比色法测定，过氧化氢酶活性采用高锰酸钾滴定法测定(闫晗等, 2014).

2.4 数据处理

采用Microsoft Office Excel 2010进行数据的整理计算，每个样品测定时设置3个平行样, 取平均值作为结果，分析结果采用平均值及标准偏差形式；采用SPSS 16.0软件的单因素方差分析(One-way ANOVA)及邓肯(Duncan)新复极差测验法进行数据的方差分析和差异显著性检验(差异显著性水平均采用p < 0.05)；采用Origin 8.0软件对实验数据进行绘图.

3 结果与讨论(Results and discussion) 3.1 单施4种有机改良剂对稀土矿尾砂地土壤的改良效果 3.1.1 不同有机改良剂对杂交狼尾草生长状况的影响

相对于空白对照(C-1)，单施NPK复合肥对狼尾草生物量的促进效果不明显；而单施有机肥的处理，不管是稻草、锯末、城市污泥还是鸡粪，都能显著促进狼尾草的生物量和根系总表面积，特别是城市污泥和鸡粪处理后生物量分别是对照的10和13倍，而锯末和稻草处理对狼尾草生长的促进效果相对较差(表 3).这可能与城市污泥和鸡粪含有较高的速效养分有关(表 1)，能在较短时间内提供植物生长所需的营养元素.

叶绿素是一个反映植物光合作用强度、生长状况的指标，其含量可以间接体现植物对氮素和磷素的利用情况(梁剑, 2015).在各处理中，叶绿素a和叶绿素b含量均呈现城市污泥 > 锯末 > 鸡粪 > NPK > 稻草 > 对照的趋势.说明污泥、锯末和鸡粪的处理使土壤中可供植物利用的氮磷等营养元素增多，进一步表明施加城市污泥和鸡粪改良剂后的土壤更有利于狼尾草的生长.

3.1.2 不同有机改良剂对土壤有效态营养元素和土壤有机质的影响

与空白对照C-1相比，施加NPK复合肥及有机改良剂稻草、锯末、城市污泥和鸡粪均显著增加土壤有效磷、碱解氮和交换态钾钙钠镁的含量(图 1a~1c).其中鸡粪和污泥处理的土壤有效磷及交换态钾钙钠镁增加量远高于其它处理；土壤中碱解氮增加最显著的是污泥处理，鸡粪、锯末和NPK复合肥处理效果相近，稻草处理最低.

由于鸡粪、城市污泥自身含有较高的碱解氮、有效磷等营养元素(表 1)，在短时间内能高效改善尾砂地中流失的植物生长所需的营养元素，从而显著促进植物生长(表 2).而相对于污泥、鸡粪，稻草和锯末本身有效营养元素含量较低，养分释放缓慢，而且C/N及C/P较高，矿化出的氮磷素会被微生物固持(李玲玲等, 2012)，导致可供植物利用的氮、磷素减少，从而导致短期内狼尾草的增产效果较差.因此，短期内改良剂本身营养状况对土壤营养供应能力起了决定作用.但尾砂地土壤保水保肥能力弱(刘文深等, 2015)，城市污泥和鸡粪处理增加的大量有效态营养元素，易随水土流失污染当地水体，具有一定的环境风险，而锯末则有利于水土保持及速效养分的保持(关见留等, 2009).

稻草、锯末、城市污泥和鸡粪处理后土壤中有机质含量分别为12.78、16.76、8.42和4.83 g·kg^-1，与对照组C-1(0.99 g·kg^-1)相比均显著增加土壤有机质含量；其中稻草和锯末处理效果最好(图 1d).鸡粪处理使实验前后土壤有机质出现极大亏损，亏损百分比达73.8%，其次是污泥(30.8%)和锯末(16.0%)处理，稻草(-6.9%)处理反而使实验前后土壤有机质增加(图 1e).

实验前后土壤有机质含量的变化，一方面是由于根际分泌物及沉淀物而增加，另一方面是由于微生物对有机质的分解而导致其减少.从土壤酶活性数据来看(图 2)，稻草处理中的微生物活动是最活跃的，对土壤有机质的分解程度应当较高.因此，在稻草处理中，促使土壤有机质增加的过程(如根际分泌过程)应该更加活跃，才会导致土壤有机质的轻微增加.鸡粪处理使有机质发生极大亏损，说明鸡粪中含有的有机质极易被矿化分解(沈其荣等，1992)，在短时间能高效补充土壤营养，但难以使土壤维持较高的有机质含量，改良效果同样也难以持久.污泥含有的有机质是污水厂处理余下的不易被分解的部分，锯末和稻草中大量的木质素也使其在短时间内不易分解(Rahman et al., 2013)，使得盆栽种植期间营养难以释放，因此，短时间内污泥、锯末和稻草处理对狼尾草生物量的促进效果比鸡粪处理的效果差，但锯末和稻草可以让土壤保持较高的有机质含量，改良效果更持久，而且不易分解的有机物会缓慢且持久地促进团聚体稳定(Diacono et al., 2011).以往研究采用的施肥方法往往采用短期可大量补充养分的肥料(简丽华, 2012)，这也可能是导致长时间后土壤有机质增长并不明显的原因之一.因此，在实际应用时，易分解与不易分解的成分都应该被考虑到，以互补促进复垦效果.

3.1.3 不同有机改良剂对土壤酶活性的影响

土壤酶活性与土壤养分具有良好的相关性，而且土壤脲酶和磷酸酶活性与土壤氮磷循环密切相关(Zantua et al., 1977; 刘善江等, 2011).施加稻草、城市污泥和鸡粪后显著增加过土壤氧化氢酶、脲酶和磷酸酶活性，施加锯末显著增加土壤酸性磷酸酶活性(图 2).进一步说明单施4种有机改良剂，能有效提高土壤养分，改善稀土矿尾砂地土壤基质，促进植物生长.其中锯末处理的土壤过氧化氢酶和脲酶活性低于对照C-1(图 2)，可能是由于锯末C/N较高，会固定土壤中的营养元素，从而减少营养元素淋失，降低环境风险.

尾砂地改良的目标，除了要考虑增加土壤营养元素含量，促进植物生长；另一方面也要注意使土壤有机质不易分解并保持在一定水平，维持改良效果的长久性；同时也要考虑到土壤保水保肥的特性，尽量使土壤可溶性营养物质维持在较低水平，以免造成严重的营养流失.因此可以考虑将速效肥(鸡粪)与缓效肥(锯末、生物炭)进行组合施用，提高对尾砂地的改良效果.

红麻是一年生草本韧皮纤维作物，其生长周期短，植物生物量大，在我国南北各地均可种植(王国庆等, 2006)；而且红麻极易成活，对营养要求低(粟建光等, 2004)，尤其具有耐受土壤低氮水平的能力(赵丹等, 2011)，因此，在氮含量较低的稀土矿区具有成为先锋物种的潜力.另外，红麻的用途广泛，其韧皮纤维可被用作制造纺织品、吸附剂和建筑材料等，还可用于造纸、塑料填充剂、工艺品制造等，具有极高的经济价值(粟建光等, 2004).基于以上原因，在配施中选择红麻代替杂交狼尾草进行实验.

3.2 配施有机改良剂及生物炭对尾砂地土壤的改良效果 3.2.1 鸡粪与锯末、麻杆生物炭配施对红麻生长的影响

单施鸡粪及配施麻杆生物炭和锯末均显著增加红麻生物量(表 4)，各处理的红麻生物量为对照的2倍左右，说明单施鸡粪或配施均有良好的改良效果.但单施与配施没有显著差异，可能是由于麻杆生物炭和锯末难以分解，其改良效果在短时间内未能体现出来.单施2.5%与单施5%鸡粪也没有显著差异，可能是盆栽时间较短，致使差异无法体现，也可能红麻对于营养元素的要求较低，短时间内2.5%鸡粪就已经可以满足红麻最大生长速度的需求.

叶绿素指标显示所有处理之间差异性并不大，说明尾砂地贫瘠的士壤条件对红麻生理活动并未产生不利影响.有研究表明，红麻是低洼易涝地区及盐碱地区的稳产作物，不仅耐旱及耐盐碱能力很强，而且生物量高(兰涛等, 2007; Danalatos et al., 2010).因此，如果将红麻栽种在未修复的尾砂地上，生长虽然可能比较缓慢，但其光合作用等生理活动正常，耐瘠性良好，说明红麻具有作为复垦先锋植物的潜力.

3.2.2 鸡粪与锯末、麻杆生物炭配施对土壤营养元素和有机质的影响

鸡粪及配施生物炭或锯末处理均显著增加土壤有效态氮磷和钾钠钙镁含量(图 3a~3c).等量鸡粪处理下，土壤碱解氮含量随生物炭用量的增加而增加，1%锯末与1%生物炭处理效果最佳.不同于碱解氮，等量鸡粪不同处理的有效磷和有效态钾钙钠镁增加量无显著差别.

生物炭、锯末在提高土壤持水力的同时，也避免了磷素流失(Biederman et al., 2013).此外，土壤的磷流失变换点随着生物炭用量的增加而提高，淋失风险也逐渐降低(Zhao et al., 2014).这可能是因为生物炭的添加可以提高土壤pH(图 3d)，Fe、Al、Ca等元素易被土壤胶体吸附或沉淀，增加了磷素在土壤胶体表面吸附或沉淀的位点，因此也避免了磷素流失.在这一过程中，Ca所起的阻得作用要大于铁铝氧化物(Xu et al., 2014).本实验中不同的生物炭、锯末处理并没有对有效磷含量产生影响，可能与鸡粪矿化的磷素过多相关(表 1).

土壤中水解氮主要以铵态氮(NH₄⁺-N)和硝态氮(NO₃^--N)的形式存在，生物炭对氮素的保持能力主要与其良好的持水能力对铵态氮的吸附能力及对固持能力的加强有关(Zheng et al., 2013).生物炭有机质带有负电基团，它对NH₄⁺的吸附避免了铵态氮的流失，而对NO₃^-而言，既不容易被有机质吸附，在土壤溶液中也难以形成沉淀，因此非常容易流失.然而实验证明生物炭的添加能够显著减缓硝酸盐的流失，其阻碍机制仍有待探究.

5%鸡粪处理比2.5%鸡粪处理显著增加土壤有效态营养元素含量，但对红麻生长促进效果无差别，过量的鸡粪处理反而使营养元素淋失更多，从而增加环境风险.因此，2.5%鸡粪配比1%生物炭或1%锯末能更安全有效改善尾砂地土壤有效态营养元素含量.

鸡粪及鸡粪配比生物炭或锯末处理均显著增加土壤有机质含量(图 3e~3f)，其中单施5%、2.5%鸡粪有机质亏损分别高达78.43%、69.36%，使实验后土壤有机质增加最少；配施1%生物炭，尤其是配施1%锯末有机质亏损最少(45.4%)，使实验后土壤有机质存留更多.在狼尾草改良试验中也证实鸡粪易分解，而生物炭和锯末含碳量高且较难分解.但随着时间流逝，锯末和生物炭中的难分解有机质在缓慢分解中可以不断释放出营养元素，同时改造土壤理化性质，使得改良效果较持久.说明配比1%生物炭和锯末处理能显著且持久改善尾砂地土壤有机质含量，从而促进矿区土壤重建和植被恢复.5%鸡粪各处理比2.5%鸡粪各处理明显增加土壤有机质含量，但产生的有机质亏损量更大，不仅改良时效性差，也使更多的营养元素淋失，从而增加环境风险.

3.2.3 鸡粪与锯末、麻杆生物炭配施对土壤田间持水量和电导率的影响

田间最大持水量是在地下水埋藏较深的条件下，土壤中所能保持的毛管悬着水(Capillary hanging water)的最大量，是土壤保水性能的一个重要指标(颜永毫等, 2013).除NPK复合肥处理外，各处理均显著增加尾砂地土壤田间持水量(Water-holding capacity, WHC)，且配施生物炭或锯末的效果显著优于单施鸡粪，尤其是配施1%生物炭的效果最佳(图 4a)，说明添加锯末和麻杆生物炭能显著改善土壤田间最大持水量，提高土壤保水保肥能力.尾砂地由于极差的物理结构和南方地区的季节性干旱，在夏秋季节易产生严重的干旱(李小青等, 2012)，改良尾砂地田间最大持水量，对缓解尾砂地上植物干旱症状具有重要作用.

土壤电导率是土壤中水溶性盐的指标，若土壤电导率较高，对于粘粒含量低、保水保肥能力极弱的尾砂地土壤来说，大量的可溶性营养元素极易随水土流失.野外调查显示，废弃3~10年的稀土尾砂地土壤电导值低于20 μS·cm^-1, 明显低于废弃1年的尾砂地土壤(< 50 μS·cm^-1)和对照区土壤电导率(< 30 μS·cm^-1)，表明物理结构极差的尾砂地其水土流失严重，导致尾砂地营养元素流失，植物难以存活(刘文深等, 2015).5%鸡粪处理的土壤电导值(180 μS·cm^-1)要明显高于2.5%鸡粪处理(130 μS·cm^-1)，也明显高于对照土壤(60 μS·cm^-1)(图 4b).说明单施鸡粪及配施生物炭或锯末均能显著提高尾砂地可溶性营养元素含量，改善土壤中植物生长的营养条件.但5%鸡粪处理中大量增加的土壤营养元素，在保水保肥能力极弱的尾砂地土壤中极可能造成严重的氮磷钾等营养元素流失，从而污染周边环境.而相对于单施鸡粪处理，配施生物炭或者锯末对土壤电导值未有明显影响，而且还能增加土壤有机质含量，降低有机质亏损.因此考虑到改良的长效性，以及改良前后的环境风险，2.5%鸡粪配比1%麻杆生物炭或者锯末都是较好的选择.

从红麻改良实验来看，2.5%鸡粪和5%鸡粪处理对红麻生长无显著差异，说明2.5%鸡粪能完全满足红麻的生长需求，而相对较高的营养供给(5%鸡粪)能促进红麻快速生长.两种处理下各种营养元素的含量存在显著差异，这可能与红麻本身生长对养分的要求不高、耐瘠性强的特性有关.因此可以认为红麻具有作为离子型稀土矿尾砂地复垦先锋植物的潜力.

配施1%麻杆生物炭或锯末能显著降低土壤有机质的亏损，从而大量增加尾砂地土壤有机质含量，甚至远高于单施5%鸡粪.同时1%配施生物炭或锯末后土壤具有更强的持水能力，能将营养元素保持在土壤中，避免流失，降低了改良之后尾砂地对周边环境的环境风险.因此速效有机肥(如鸡粪等厩肥)和缓效有机肥(如锯末、秸秆生物炭等)的配施是尾砂地基质改良的良好选择.

4 结论(Conclusions)

1) 单施稻草、锯末、城市污泥和鸡粪四种有机改良剂均能显著增加杂交狼尾草生物量，其中城市污泥和鸡粪处理效果最好.但鸡粪和污泥处理使土壤中有机质亏损分别高达73.8%、30.8%，难以让土壤保持较高的有机质含量，其改良效果持久性较差；而锯末(16.0%)和稻草(-6.88%)处理有机质亏损低，土壤有机质含量高，改良效果持久性更佳.

2) 2.5%鸡粪处理和5%鸡粪处理对红麻的生长促进作用无显著差别，但5%处理有机质亏损达78.4%，明显高于2.5%鸡粪处理(69.4%)，土壤电导率也高，易使尾砂地土壤营养元素淋失.因此，从改良的长效性和风险性来看，2.5%鸡粪处理更适用于尾砂地土壤的改良.

3) 相对于单施鸡粪，2.5%鸡粪配比1%麻杆生物炭或锯末均显著增加红麻生物量，显著提高土壤中有机质的含量及土壤持水性，有利于减缓营养元素的流失，降低了改良之后尾砂地对周边环境的环境风险；同时配施1%麻杆生物炭或锯末后明显降低土壤有机质亏损，配施锯末土壤有机质亏损最低，为45.4%，使土壤中有机质存留更久，提高改良效果的持久性.鸡粪配比麻杆生物炭或者锯末处理是速效有机肥和缓效有机肥的结合，改良长效性好，环境风险低，是较好的土壤改良剂，可以运用于尾砂地基质改良，加快植被复垦.

4) 鸡粪及生物炭的最适用量需要进一步确定.实验中2.5%鸡粪处理满足了红麻的生长需求，但仍存在一定的环境风险.2.5%鸡粪的处理将pH提高至7.0左右，增加了氮素淋失的风险，可能造成对土壤酶也存在抑制作用，影响营养元素的矿化，因此需要进一步探索鸡粪使用量对红麻生长及尾砂地土壤pH的影响，以确定最适用量，尽量降低环境风险.生物炭或者锯末的施用在有机质保持和养分保持方面发挥作用，防止营养元素淋失的风险，可以考虑进一步提高其施用量.

5) 应当开展野外小范围改良实验，以研究本实验结论在野外是否能够适用.为定量评价改良前后土壤肥力的变化，还可以采用适当的土壤质量评价体系进行量化，如选用江西红壤土壤肥力质量评价指标体系等.另外，本研究中仅使用了田间持水量及EC作为生物炭、锯末保持养分能力的指标，在野外实验可以设置更多的指标来反映生物炭、锯末对具体养分的保持能力，如测定不同提取态素以反映磷素流失情况等.