南方稀土礦區植物根際與非根際土壤碳氮含量與pH值變化

張青青, 陳志強,3, 陳志彪,3, 馬秀麗

(1.福建師范大學 地理科學學院, 福建 福州 350007; 2.濕潤亞熱帶山地生態國家重點實驗室培育基地, 福建 福州 350007; 3.福建師范大學地理研究所, 福建 福州 350007)

南方稀土礦區植物根際與非根際土壤碳氮含量與pH值變化

張青青1,2, 陳志強1,2,3, 陳志彪1,2,3, 馬秀麗1,2

(1.福建師范大學 地理科學學院, 福建 福州 350007; 2.濕潤亞熱帶山地生態國家重點實驗室培育基地, 福建 福州 350007; 3.福建師范大學地理研究所, 福建 福州 350007)

[目的] 揭示南方稀土礦區根際與非根際養分含量變化，為南方稀土礦區的生態恢復和侵蝕退化區的水土保持提供科學依據。[方法] 以福建省長汀縣稀土礦治理區為研究對象，采用野外調查與室內分析相結合的方法，選取3個稀土礦開采區進行植物樣方調查及土壤取樣，對研究區的主要水土保持植物(芒萁、楓香)根際與非根際土壤碳氮含量、pH值變化以及根際與非根際間土壤碳氮含量、pH值的差異性進行研究分析。[結果] (1) 隨著治理年限的增加，芒萁根際土壤的有機碳、全氮含量逐漸升高，硝態氮含量逐漸減少，pH值先增加后減少，銨態氮含量無顯著性差異；楓香根際土壤的硝態氮隨著治理年限的增加而減少，而有機碳、全氮、銨態氮含量和pH值均無顯著性差異。(2) 隨著治理年限的增加，芒萁非根際土壤的有機碳、全氮、銨態氮、硝態氮均無顯著性差異，pH值先增加后減少；楓香非根際土壤的有機碳、全氮、銨態氮、硝態氮、pH值均無顯著性差異。(3) 芒萁根際土壤的有機碳含量顯著高于非根際土壤的有機碳含量，全氮、銨態氮、硝態氮和pH值均無顯著性差異；而楓香根際與非根際土壤養分含量均無顯著性差異。[結論] 植被能夠改善土壤，但土壤肥力恢復卻是一個長期的過程。

稀土礦區; 根際; 非根際; 養分含量

文獻參數： 張青青, 陳志強, 陳志彪, 等.南方稀土礦區植物根際與非根際土壤碳氮含量與pH值變化[J].水土保持通報，2017,37(3)：102-106.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.03.018； Zhang Qingqing, Chen Zhiqiang, Chen Zhibiao, et al. Variations of carbon, nitrogen and pH value in rhizosphere and non rhizosphere soil in rare earth mining area in Southern China[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(3)：102-106.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.03.018

根際(rhizosphere)是指受植物根系生長影響，在物理、化學和生物特性上不同于原土體的土壤微域，是植物、土壤和微生物三者相互作用的場所，也是各種養分、水分和有益或有害物質進入根系參與食物鏈物質循環的門戶，是一個特殊的生態系統[1]。在20世紀60年代末、70年代初，Riley等[1]根據在根系表面抖落和粘著的程度來區分根際土與非根際土，松散粘附在根系表面，約距根面0～4 mm的土壤為根際土(rhizosphere soil)，抖落下的為非根際土(原土體，non-rhizosphere soil)。通過研究根際與非根際，可以間接了解植物生活環境的變化，因而受到很多學者的重視，早在1998年，劉建軍等[2]就對秦嶺火地塘林區主要樹種根際微生態系統土壤性狀進行了研究，研究表明根際土壤的全氮含量和水解性氮含量均大于非根際土壤；董兆佳等[3]在2010年對海南蕉園根際與非根際土壤氮素含量特征進行研究分析，認為根際土壤各種形態氮素均高于非根際土壤；孟令軍等[4]在2012年對秦嶺太白山區6種中草藥根際與非根際土壤的化學性質及酶活性進行了研究，結果表明根際土壤有機質比非根際土壤的有機質含量高，富集現象明顯；Erktan A等[5]在2014年對地中海地區嚴重侵蝕的溝床生態系統中植物演替與土壤團聚體的關系進行研究，結果表明植物根際是其主要的驅動因子。目前根際與非根際土壤的研究日益增多，但在南方紅壤區稀土礦區中的研究鮮見報道。

南方紅壤區面積達2.035×106km2，水土流失面積占6.00×105km2，是南方水土流失最嚴重的地區之一[6]；離子型稀土礦是中國實施保護性開采的特定稀土礦種，也是世界上稀缺的礦種，廣泛分布于中國南方的福建、廣東、江西、湖南、云南、廣西、浙江等7省區，具有稀土元素配分齊全、富含中重稀土元素、放射性元素含量低等特點，其中，中重稀土儲量占世界的80%以上[7]。其因切溝、沖溝和崩塌廣泛分布，導致土壤養分大量流失，形成大面積嚴重退化的生態系統。

本文擬以南方紅壤區長汀縣稀土礦區為研究區，通過實地調查、植物采樣及土壤取樣，對3個不同治理年限的稀土礦區(牛屎塘、下坑和三洲桐壩)中的芒萁和楓香進行研究分析，通過對其根際與非根際土壤有機碳含量、不同形態的氮素以及pH值進行方差分析，來揭示南方稀土礦區根際與非根際養分含量變化，以期為南方稀土礦區的生態恢復和侵蝕退化區的水土保持提供科學依據和數據支持。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

長汀縣地處福建省的西南部(25°38′15″—25°42′55″N，116°23′30″—116°30′30″E)，屬中亞熱帶季風性濕潤氣候，年均相對濕度80%，年均氣溫18.5 ℃，年均蒸發量1 403 mm，年均降雨量1 710 mm，降水主要集中在3—8月；地貌以丘陵為主；土壤類型以紅壤為主。該地區人類活動劇烈，水土流失極為嚴重，原生植被破壞殆盡，以馬尾松、灌叢等次生植被為主，由于地面植被遭到破壞，紅色風化殼直接受到流水的強烈侵蝕，坡面呈現千溝萬壑的景象，近幾年來，經過植被恢復措施，已經取得了一定的成效，水土流失也得到了一定程度的遏制。但與全省平均值相比，長汀縣仍屬福建省水土流失嚴重地區[8]。1940年福建省研究院即在此設立土壤保肥試驗區，開展土壤侵蝕治理的試驗研究[9]。

選取不同植被蓋度但立地條件基本一致的3個不同治理年限的稀土礦區作為研究區。牛屎塘稀土礦區治理時間為2006年，植被覆蓋度較高，主要的植被類型有芒萁(Dicranopterisdichotoma)、楓香(Liquidambarformosana)、木荷(Schimasuperba)、寬葉雀稗(Paspalumwetsfeteini)、馬尾松(Pinusmassoniana)5種植物，芒萁長勢較好，覆蓋度達到了73%左右，野外調查顯示，芒萁呈蔓延擴張的態勢；下坑稀土礦區治理時間為2008年，主要的植被類型有芒萁、楓香、寬葉雀稗、木荷等，寬葉雀稗蓋度達到了69%左右，而芒萁的長勢較牛屎塘差，土壤采樣過程中發現有明顯的黏層，水土流失現象較為嚴重；三洲桐壩稀土礦區治理時間為2011年，裸露地表比例較大，植被覆蓋度不高，植被類型主要是寬葉雀稗，芒萁比下坑的更為矮小。芒萁為中國亞熱帶地區廣泛分布的古老蕨類植物，耐旱、喜酸性土、耐瘠薄，繁殖力極強，是侵蝕劣地的先鋒草種植物[10]；楓香屬金縷梅科，抗風力強，具有耐干旱、耐貧瘠，是稀土礦區恢復過程中分布最廣的植物，所以本文以芒萁和楓香為各稀土礦區的代表植物，以分析3個礦區根際與非根際土壤養分含量的時間變化。

1.2 野外調查與采樣

根據典型性和代表性的原則，在實地勘察的基礎上，于2013年11月對牛屎塘、下坑和三洲桐壩進行植物群落樣方調查。為避免植樹造林措施所挖溝穴對試驗數據的干擾，在采樣中我們避開了溝穴的位置，分別在牛屎塘、下坑和三洲桐壩這3個稀土礦區選取植被長勢基本相近的區域構建3個5 m×5 m的灌木樣方，在每個灌木樣方內沿對角線構建2個2 m×2 m的草本樣方。采用抖落分離法獲取根際土壤與非根際土壤，取土前先將土壤表面枯枝落葉清除，然后用土壤刀從植物底部開始逐段、逐層挖去0—10 cm的上層覆土，沿著直徑大于2 mm根系的生長方向，找到植株的須根部分，用剪刀剪下分枝，將抖動后掉下的土壤作為非根際土壤，收到自封袋中標記保存，仍然附著在根系上并距根圍0—5 mm為根際土壤，用毛刷收集到土壤袋保存，供分析用[11-13]。

1.3 樣品處理與測定

將所采集的土壤樣品迅速帶回實驗室，自然風干后，挑去植物根系、殘體等，采用四分法將其混合均勻，將混合土樣研磨，過2 mm篩用于樣品銨態氮、硝態氮和pH值的測定，過0.149 mm篩用于樣品有機碳、全氮的測定。測定方法如下：有機碳和全氮采用德國Elemantar vario MAX碳氮元素分析儀測定；銨態氮和硝態氮采用2 mol/L KCl溶液浸提，用連續流動分析儀(Skalar san++，荷蘭)測定；pH值采用水∶土=1∶2.5水浸—電位測定。

1.4 數據分析

本文的全部試驗數據均是在Microsoft Excel 2007和SPSS 19.0軟件下處理完成。應用SPSS 19.0分別對根際與非根際土壤養分含量進行單因素方差分析，對根際與非根際的土壤養分含量進行獨立樣本t檢驗，分別探討各土壤養分含量在根際與非根際土壤中的時間變化，以及各土壤養分含量在根際與非根際土壤中的差異性。

2 結果與分析

2.1 不同植物根際土壤養分含量變化

由圖1可知，隨著稀土礦區治理年限的增加，芒萁根際土壤的有機碳、全氮含量趨于升高(p<0.05)，銨態氮含量無顯著性差異，硝態氮含量趨于減少(p<0.05)，pH值先增加后減少(p<0.05)；楓香根際土壤的硝態氮含量隨著治理年限的增加而減少(p<0.05)，而有機碳、全氮、銨態氮含量和pH值均無顯著性差異。牛屎塘稀土礦區芒萁根際土壤的有機碳、全氮含量分別比三洲桐壩稀土礦區芒萁根際土壤的有機碳、全氮含量高62%和48%，硝態氮含量比三洲桐壩稀土礦區芒萁根際土壤的硝態氮含量低92%；三洲桐壩稀土礦區楓香根際土壤的硝態氮含量分別比下坑和牛屎塘稀土礦區楓香根際土壤的硝態氮含量高75%和85%。

圖1 芒萁和楓香在不同稀土礦區的根際土壤養分含量

注：不同字母表示同一土壤養分在不同樣區具有顯著性差異(p<0.05)，反之，則無顯著性差異，其中，有機碳和全氮(g/kg)，硝態氮和銨態氮(mg/kg)。下同。

2.2 不同植物非根際土壤養分含量變化

由圖2可知，芒萁非根際土壤的pH值存在顯著性差異(p<0.05)，隨著治理年限的增加，芒萁非根際土壤的pH值先增加后減少，有機碳、全氮、銨態氮、硝態氮含量均無顯著性差異；而楓香非根際土壤的有機碳、全氮、銨態氮、硝態氮含量和pH值均無顯著性差異。

2.3 不同植物根際與非根際土壤養分含量的差異性

由圖3可知，在芒萁根際土壤與非根際土壤之間，有機碳含量呈現出了顯著的差異(p<0.05)，芒萁根際土壤的有機碳含量比非根際土壤的有機碳含量高46%，而全氮、銨態氮、硝態氮和pH值均無顯著性差異；在楓香根際土壤與非根際土壤之間，有機碳、全氮、銨態氮、硝態氮含量和pH值均無顯著性差異。

圖2 芒萁和楓香在不同稀土礦區的非根際土壤養分含量

圖3 芒萁和楓香根際與非根際土壤養分含量

3 討 論

3.1 植被能有效改善根際土壤的養分狀況

本研究表明，隨著稀土礦區治理年限的增加，芒萁根際土壤的有機碳含量、全氮含量逐漸升高，銨態氮含量無顯著差異，硝態氮含量逐漸減少，pH值先增加后減少；芒萁非根際土壤的有機碳、全氮、銨態氮、硝態氮均無顯著性差異，pH值先增加后減少。楓香根際土壤的硝態氮含量隨著治理年限的增加而減少，而有機碳、全氮、銨態氮含量和pH值均無顯著性差異；楓香非根際土壤的有機碳、全氮、銨態氮、硝態氮含量和pH值均無顯著性差異。根際土壤是植物生長過程中形成的復雜的、動態的微型生態系統[14]；它的性質與植物的生長有著直接的聯系，植物在生長過程中吸收的養分主要來自根際土壤，根際微區的養分狀況很大程度上決定了植物的生長狀況[15]。相較于根際土壤，非根際土壤養分含量的年際變化不大，未達到顯著性差異，這主要是因為根系的影響范圍有限，只能影響到根際的土壤，對非根際的土壤影響不大，因此隨著治理年限的增加，部分根際土壤的養分含量達到了顯著性差異，而非根際土壤的養分含量變化不大。

相關研究表明，根系分泌物或溢泌產物、根組織的脫落物等根產物是土壤有機碳的重要來源之一[16]。土壤有機碳不僅能夠增強土壤的保肥和供肥能力，提高土壤養分的有效性，而且可促進團粒結構的形成，改善土壤的透水性、蓄水能力及通氣性，增強土壤的緩沖性等[17]。隨著治理年限的增加，芒萁根際土壤的有機碳含量也隨著增加，這與芒萁的生理學特征不無關系，芒萁作為一種草本植物，具有龐大的根系，枯枝落葉多，其凋落物可以更多歸還到土壤中去，從而增加了土壤中的有機碳含量，且植被恢復程度越高，土壤有機碳含量也就越高。

土壤全氮是衡量土壤肥力的重要指標，多項研究表明：植物的殘體以及根系脫落物等根的產物是土壤中全氮含量的重要來源之一，隨著治理年限的增加，芒萁根際土壤中的全氮含量隨之增加，這可能是由于芒萁具有較龐大的根系，根系的活動能夠更多地聚集氮素，同時植物根系產生了大量含氮分泌物，死亡的根系、根毛組織表皮的脫落物和大量根際微生物等有機物質在根際的聚集使得全氮含量逐漸增加。

土壤中的氮素形態包括無機態氮和有機態氮，銨態氮和硝態氮是土壤無機態氮的主要組成成分，這2種形態的氮素是土壤氨化與硝化作用的結果，它們是能夠直接被植物吸收利用的生物有效氮[18]。研究結果表明，芒萁和楓香根際土壤硝態氮含量隨著治理年限的增加逐漸減少，銨態氮含量無顯著性差異，一方面，這與兩者的物理性質有關，硝態氮隨水移動，易向土壤深層淋失，而銨態氮容易揮發損失[19]；另一方面也可能與大部分硝態氮被植物吸收，而銨態氮需求量不高有關。長汀縣是福建省稀土資源儲量最多，稀土產業發展最早的省份，但在最近幾年，隨著稀土礦區大規模的開采，地表植被及表層土壤遭到嚴重破壞，降低了抗侵蝕的能力，加上強降雨及地表徑流，造成嚴重的水土流失，硝態氮隨著水土流失的加劇而大量流失；植被蓋度下降，土壤氮素的氨揮發和反硝化損失提高，從而導致了銨態氮的流失加劇[20]；銨態氮和硝態氮是能被植物直接吸收利用的無機態氮，詹媛媛等[1]對阿拉善荒漠區的旱生灌木進行了研究分析，根際對銨態氮、硝態氮均有很強的富集作用，說明植物對硝態氮和銨態氮的需求量較高，且富集作用越強，植物越能適應貧瘠的生活環境，因此隨著治理年限的增加，硝態氮的含量逐漸減少，而銨態氮也有減少的趨勢。

根際pH值的變化，會很大程度影響根際土壤中養分的化學性質和有效性，對根系的生長、離子吸收、重金屬元素毒害作用的忍耐、分泌物的組成和數量以及微生物的種類數量和酶的活性都有重要影響[21]。研究結果表明：芒萁根際土壤的pH值與非根際土壤的pH值均隨著治理年限的增加先增加后減少，由此可知，根際土壤的pH值與非根際土壤的pH值具有相同的規律性，其變化規律的原因仍需進一步研究。

3.2 土壤肥力恢復是一個長期的過程

本研究表明，芒萁根際土壤的有機碳含量大于非根際土壤的有機碳含量，并達到了顯著性水平；在根際土壤與非根際土壤之間，全氮、銨態氮、硝態氮含量和pH值未表現出差異性。在楓香的根際土壤與非根際土壤之間，有機碳、全氮、銨態氮、硝態氮含量和pH值均未表現出顯著的差異性。

經過多年的自然恢復，只有芒萁根際土壤與非根際土壤的有機碳含量表現出顯著性差異，而根際土壤與非根際土壤的全氮、硝態氮和銨態氮沒有顯著差異性，說明南方離子型稀土礦區的土壤肥力恢復十分緩慢且困難。長汀縣地處中國福建省西部，是中國南方亞熱帶水土流失典型區域，在亞熱帶高溫多雨的氣候條件下，花崗巖發育的風化殼殘積物深厚，加之長期以來不合理的開山砍樹以及開礦開荒等大量人為活動影響，使得地表植被遭受嚴重破壞，水土流失極其嚴重，土壤肥力恢復極慢；特別是南方離子型稀土礦區，由于多年的開采，礦區內沖溝、切溝和崩塌廣布，水土流失嚴重，環境非常惡劣，土壤養分大量流失，土壤肥力需要漫長時間恢復；根據長汀縣的生態恢復研究，森林生態系統的恢復約需40 a，土壤肥力的恢復則約需140 a[9]。我們認為，芒萁的持續生長將促使植物群落轉向灌叢或森林，今后可能會形成森林，隨著植物因子提高，土壤肥力也會隨之提高。

4 結 論

研究表明，隨著治理年限的增加，芒萁根際土壤中的全氮含量和有機碳含量隨之增加，說明根際土壤的養分狀況會隨著治理年限的增加而得到改善；芒萁根際土壤中的有機碳含量顯著高于非根際土壤中的有機碳含量，而全氮、銨態氮、硝態氮含量無顯著性差異，這間接證實了生態恢復的長期性，土壤肥力恢復的艱巨性。通過研究不同植物根際與非根際土壤性質的差異性，可以闡明典型植物根際對土壤化學性質和土壤肥力的影響，揭示植物根際對土壤質量作用的機理，為改善土壤質量、提高土壤養分資源利用效率和保護生態環境等提供重要科學依據。

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Variations of Carbon, Nitrogen and pH Value in Rhizosphere and Non Rhizosphere Soil in Rare Earth Mining Area in Southern China

ZHANG Qingqing1,2, CHEN Zhiqiang1,2,3, CHEN Zhibiao1,2,3, MA Xiuli1,2

(1.CollegeofGeographicalSciences,FujianNormalUniversity,Fuzhou,Fujian350007,China;2.KeyLaboratoryforSubtropicalMountainEcology,MinistryofScienceandTechnologyandFujianProvince,Fuzhou,Fujian350007,China; 3.InstituteofGeography,FujianNormalUniversity,Fuzhou,Fujian350007,China)

[Objective] To reveal the variations of nutrients in rhizosphere and non-rhizosphere soil in rare earth mining area in Southern China, and to provide scientific basis and data support for local ecological restoration and soil and water conservation in erosive area. [Methods] Sample survey of rare mine in Changting County of Fujian Province was conducted and soil samples were assayed indoor to obtain carbon and nitrogen contents, pH values of two main soil and water conservation plants (DicranopterisdichotomaandLiquidambarformosana) in three mines with different rehabilitation ages, and their values in the rhizosphere and the non-rhizosphere were compared among the three mines. [Results] (1) With the prolongation of mine harness, nutrients inD.dichotomarhizosphere soil exhibited different changes: the contents of organic carbon and total nitrogen both increased, nitrate nitrogen content gradually reduced, pH value increased first and then decreased, ammonium nitrogen had no obvious change. In Liquidambar rhizosphere, the nitrate nitrogen content decreased, organic carbon, total nitrogen, ammonium nitrogen, pH value had no significant differences. (2) With the prolongation of harness, items of organic carbon, total nitrogen, ammonium nitrogen, nitrate nitrogen inD.dichotomanon-rhizosphere soil all had no significant difference; pH value increased first and then decreased. InL.formosananon rhizosphere soil, no significant differences of organic carbon, total nitrogen, ammonium nitrogen, nitrate nitrogen, pH value among the three mines were observed. (3) The organic carbon content ofD.dichotomarhizosphere soil was significantly higher than that of non-rhizosphere soil. The contents of total nitrogen and ammonium nitrogen, nitrate nitrogen and pH value all had no significant differences; the soil nutrient content had no significant difference betweenL.formosanarhizosphere and non-rhizosphere. [Conclusions] Vegetation can improve soil, but the soil fertility restoration is a long-term process.

rare earth mining area; rhizosphere; non-rhizosphere; nutrient contents

2016-09-12

2016-10-15

國家自然科學基金面上項目“南方離子型稀土礦區芒萁的蔓延格局與稀土遷聚響應”(41371512)

張青青(1992—),女(漢族),江西省九江市人,碩士研究生,研究方向為水土保持。E-mail:15390825072@163.com。

陳志強(1978—),男(漢族),福建省莆田市人,博士,教授,主要從事生態恢復以及水土保持等方面的研究。E-mail:soiltuqiang061@163.com。

A

1000-288X(2017)03-0102-05

S154.1， S153