林业科学  2015, Vol. 51 Issue (5): 12-20   PDF    
DOI: 10.11707/j.1001-7488.20150502
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文章信息

张宝娟, 郭耸松, 李继泉, 李玉灵
Zhang Baojuan, Guo Songsong, Li Jiquan, Li Yuling
掺土和施肥对铁尾矿基质理化性质及油松、樟子松幼苗生长的影响
Effects of Mixing Soil and Applying Fertilizer Measures on Physicochemical Properties of Iron Tailings and Growth of Pinus tabulaeformis and Pinus sylvestris var. mongolica Seedlings
林业科学, 2015, 51(5): 12-20
Scientia Silvae Sinicae, 2015, 51(5): 12-20.
DOI: 10.11707/j.1001-7488.20150502

文章历史

收稿日期:2014-08-11
修回日期:2015-04-06

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张宝娟
郭耸松
李继泉
李玉灵

掺土和施肥对铁尾矿基质理化性质及油松、樟子松幼苗生长的影响
张宝娟, 郭耸松, 李继泉, 李玉灵    
河北农业大学 保定 071000
摘要【目的】 砂寻求最合理的铁尾矿基质改良措施,为铁尾矿土壤改良与植被恢复提供理论依据。【方法】 通过铁尾矿砂与无机肥、有机肥和土壤的不同配比处理的盆栽试验,研究不同改良方法对尾矿基质理化性质及油松和樟子松幼苗生长的影响。【结果】 随无机肥施肥比例增加,铁尾矿土壤密度、田间持水量、毛管持水量、饱和持水量和总孔隙度与100%尾矿砂处理均无明显差异; 随着有机肥施用量增加,田间持水量、毛管持水量、饱和持水量及总孔隙度均明显增大,土壤密度呈下降趋势,其中10%猪粪施肥配比与100%尾矿砂处理差异显著(P<0.05); 随着掺土量增加,铁尾矿土壤密度逐渐降低,而田间持水量、毛管持水量、饱和持水量逐渐升高,掺土比例达到75%时,除了田间持水量,其他指标均与100%尾矿砂处理差异达到显著水平(P<0.05),电导率和土壤阳离子交换量、全氮全磷全钾养分含量、碱解氮、速效磷和速效钾含量均随施肥与掺土比例的增加而显著增大;10%猪粪施肥配比处理的全氮、全磷含量最大,分别是100%尾矿砂处理的6.38和3.33倍,碱解氮、速效磷和速效钾含量分别是100%尾矿砂处理的5.78,12.5和4.32倍; 随掺土比例增大,尾矿中全磷含量减小,而掺土后全钾含量显著增高; 掺土比例达到25%时,速效养分含量开始明显提升,客土处理达到最大值(78.41,44.43和58.67 mg·kg-1); 施5%比例的有机肥和添加无机肥NH4NO31.76 g、KH2PO40.88 g的混合处理的速效养分含量与单纯施5%比例猪粪的单因子处理差异不明显; 掺土比例25%和添加无机肥NH4NO31.76g、KH2PO40.88 g混合处理的速效养分含量也和掺土比例25%的单因子处理无显著差异;掺土和施加无机肥会促进油松和樟子松幼苗的生长, 施有机肥则会抑制它们的生长,相同处理情况下,油松较樟子松出苗率高、生长情况好。【结论】 有机肥对铁尾矿基质的理化性质、全效养分含量和速效养分含量都有显著的改善作用,掺土处理对提高碱解氮、速效钾含量作用明显,但有机肥与无机肥、掺土与无机肥的混合配比对提升速效养分的效果不明显。不同处理对油松和樟子松的生长也会有不同程度的影响,表现为掺土和施加无机肥促进2树种生长,施加有机肥抑制2树种生长; 在相同的处理情况下,油松比樟子松的生长要好,更适合作为铁尾矿废弃地修复树种。
关键词铁尾矿    改良措施    基质理化性质    植被恢复    
Effects of Mixing Soil and Applying Fertilizer Measures on Physicochemical Properties of Iron Tailings and Growth of Pinus tabulaeformis and Pinus sylvestris var. mongolica Seedlings
Zhang Baojuan, Guo Songsong, Li Jiquan, Li Yuling    
Agricultural University of Hebei Baoding 071000
Abstract: [Objective] The aim of this study was to find the most reasonable improvement measures for iron tailings to improve its suitability for growing Pinus tabulaeformis and Pinus sylvestris var. mongolica, in order to provide a theoretical basis for soil improvement and vegetation restoration for iron tailing. [Method] Application of inorganic fertilizer, organic fertilizer (pig manure) and addition of soil were taken as measures for improving substrate of the iron tailing, pot experiment with treatments of application of different proportions of inorganic fertilizer and organic fertilizer, and addition of soil to the iron tailings was established to study the influences of different improvement methods on physicochemical properties of the iron tailings and the growth of seedlings of P. tabulaeformis and P. sylvestris var. mongolica. [Result] With increase of the proportion of inorganic fertilizer, the soil density, field water-holding capacity, capillary water-holding capacity, saturation water-holding capacity and total porosity were not significantly different from those of 100% tailing used as the control.With increase of the proportion of organic fertilizer, the field water-holding capacity,capillary water-holding capacity, saturation water-holding capacity and total porosity showed a trend of obvious increase, soil density showed a trend of decrease, but significant difference (P<0.05) was found between the treatment of application of 10% proportion of pig manure and the treatment of 100% tailing. With the increase of soil proportion, the soil density was decreased gradually, while the field water-holding capacity, capillary water-holding capacity and saturation water-holding capacity increased gradually. All the parameters (except the field water-holding capacity) reached the significant level (P<0.05) of difference between the treatments and the 100% tailing when the proportion of soil addition reached 75%. All of the electrical conductivity, soil cation exchange capacity and the contents of total nitrogen, total phosphorus, total potassium, available nitrogen, available phosphorus and available potassium increased significantly with the increase of the proportion of application of fertilizers and soil. The application of 10% pig manure had the largest content of total nitrogen and total phosphorus, 6.38 and 3.33 times respectively of those of the 100% tailing, and the contents of available nitrogen, available phosphorus and available potassium were 5.78, 12.5, and 4.32 times respectively of those of the 100% tailing.The content of total phosphorus decreased as the increase of the proportion of soil addition, and the total potassium content in the treatment of soil addition was significantly higher than that in the tailing.The content of available nutrients became obviously improved when the proportion of soil addition reached 25%, reaching the maximum values (78.41, 44.43, and 58.67 mg·kg-1).There was no significant difference in the contents of available nutrients between the treatment of application of 5% proportion of organic fertilizer together with inorganic fertilizers of 1.76 g NH4NO3and 0.88 g KH2PO4and the treatment of application of 5% proportion of pig manure. Similarly, the contents of available nutrients of the treatment of 25% proportion of soil addition together with application of inorganic fertilizers of 1.76 g NH4NO3and 0.88 g KH2PO4were not significantly different from the treatment of only 25% proportion of soil addition. The growth of P. tabulaeformis and P. sylvestris var. mongolica was promoted by the addition of soil and application of inorganic fertilizers, however application of organic fertilizer could inhibit the growth. Under the same condition, the growth and the survival rate of P. tabulaeformis were better than that of P. sylvestris var. mongolica [Conclusion] In summary, application of organic fertilizer can significantly improve the physical properties, contents of total nutrients and available nutrients of the iron tailings, and addition of soil had significant influence on contents of alkali hydrolyzable nitrogen and available potassium, but application of organic and inorganic fertilizers together, and addition of soil and applications of inorganic fertilizer together did not significantly improve the content of available nutrients. There were different effects of different treatments on the growth of P. tabulaeformis and P. sylvestris var. mongolica, addition of soil and application of inorganic fertilizers could promote the growth, but application of organic fertilizers could inhibit the growth; under the same condition, P. tabulaeformis was better than P. sylvestris var. mongolica in growth, more suitable for restoration of wasteland of iron tailings.
Key words: iron tailings    improvement measures    physical and chemical properties of substrate    vegetation restoration    

铁尾矿是土壤元素匮乏、生物生境丧失的特殊立地类型,也是植被恢复的困难立地类型之一(Leishman et al., 1998Leck et al., 1989Levin,1990)。未经处理或再利用的尾矿不仅占用大量土地、污染环境,而且破坏生物多样性(林惠琴等,2004Luan et al., 1992宋书巧等,2001),因此对于铁尾矿的生态治理一直是人们关注的焦点(Skousen et al., 1990王艳超等,2008)。国外的铁尾矿废弃地生态恢复技术研究起步较早,我国虽起步稍晚,但发展较快。杨修等(2001)提出了尾矿植被恢复与重建的3种模式: 植被恢复演替、土壤生物改良及客土复垦。孙羽丰等(2007)利用盆栽正交试验研究尾矿掺土、施有机肥、添加矸石及粉煤灰等不同改良措施对尾矿基质pH值和速效养分含量的影响,发现掺土或施有机肥的效果最明显。张烨等(2008)以紫花苜蓿(Medicago sativa)为材料,以铁尾矿砂为盆栽土壤基质,按体积比例分别在铁尾矿砂中添加5%,10%和20%比例的蚯蚓粪,发现尾矿砂中添加10%比例的蚯蚓粪最适宜紫花苜蓿生长。王岩等(2012)指出,在铁尾矿地上引进耐贫瘠、具有固氮作用的植物种类不仅对铁尾矿具有改良作用,而且可提高当地物种多样性,实现铁尾矿的全面治理。李晓莹等(2014)研究结果表明,常绿针叶灌木沙地柏(Sabina vulgaris)在尾矿基质保水、深层改良方面作用显著,而且对尾矿区冬季景观改善有特殊意义。可见,铁尾矿基质改良和植物选择均为实现尾矿生态修复的关键技术(王丽艳等,2011高杰等,2012)。本研究以河北迁安铁尾矿砂为盆栽土壤基质,通过油松(Pinus tabulaeformis)和樟子松(Pinus sylvestris var. mongolica)的盆栽试验,探讨施无机肥、有机肥和掺土对铁尾矿基质理化性质的改良作用及其对油松、樟子松幼苗生长的影响,分析油松、樟子松在铁尾矿基质下的生长适应性,以期寻求最合理的改良措施,提高油松、樟子松在铁尾矿造林的可行性,为铁尾矿基质改良与植被恢复提供理论依据。

1 研究区概况

本研究使用的铁尾矿砂取自唐山迁安市马兰庄镇(118°29′—118°56′E,39°51′—40°51′N),马兰庄镇位于河北省东部,地处燕山南麓,滦河岸边,京、津、唐、秦腹地,总面积1 208 km2,北部为低山丘陵地,南部为平原沙地。气候属暖温带大陆性季风气候,春季干燥多风,夏季闷热多雨,秋季昼暖夜凉,冬季寒冷少雪。年均气温10.1 ℃,极端最高气温38.9 ℃,极端最低气温-28.2 ℃,昼夜温差5.4~15.6 ℃,年日照2 675.3 h,全年无霜期168天,年均降水量722 mm。境内植物稀少,草本以狗尾草(Setaria viridis)、猪毛菜(Salsola collina)、猪毛蒿(Artemisia scoparia)、抱茎苦荬菜(Ixeris sonchifolia)和灰绿藜(Chenopodium glaucum)为主; 乔木以当地乡土树种桑树(Morus alba)和紫穗槐(Amorpha fruticosa)为主。马兰庄镇矿产资源丰富,镇域铁矿石总贮量达10亿t,有包括首钢在内的多个中大型企业坐落境内。尾矿质地为沙质,结构松散、养分贫瘠。

2 研究方法 2.1 试验材料

盆栽试验在河北农业大学西校区试验场内进行。无机肥选用铵态硝态氮肥硝酸铵(NH4NO3,含氮量约35%)和高效磷钾复合肥磷酸二氢钾(KH2PO4,含氧化钾34.61%,五氧化二磷52.16%)。有机肥采用学校附近某养猪场的猪粪(已腐熟)。所掺土壤取自校内试验场,土壤质地为中壤土,<0.001,0.001~0.005和0.005~0.01 mm的黏粒含量分别为16.968%,10.637%和8.577%; 0.01~0.05,0.05~0.25和0.25~1 mm的砂粒含量分别为43.534%,20.121%和0.163%。植物材料选用抗瘠薄、抗逆耐寒性强的油松和樟子松,供试种子购于保定市富奥种子有限公司。

2.2 试验设计

在试验场内选择一处通风良好、光照充足的空旷地,以无机肥、土壤和猪粪为配比材料(Borgegard et al.,1989),按照不同比例分别与尾矿砂混合,其中无机肥处理(Ⅱ和Ⅲ)按添加NH4NO3 1.76 g、KH2PO4 0.88 g和NH4NO3 3.52 g、KH2PO4 1.76 g的2个施肥水平量与尾矿砂混合; 掺土处理(Ⅳ,Ⅴ和Ⅵ)分别按照25%土壤和75%尾矿砂、50%土壤和50%尾矿砂、75%土壤和25%尾矿砂的质量比例混合,共计3个掺土比例处理; 施猪粪处理(Ⅷ,Ⅸ和Ⅹ)分别按照1%猪粪和99%尾矿砂、5%猪粪和95%尾矿砂、10%猪粪和90%尾矿砂的质量比例混合; 为了探讨无机肥与掺土的复合改良效应和无机肥与有机肥的混合改良作用,设计了25%土壤与75%尾矿砂混合的基础上添加无机肥NH4NO3 1.76 g、KH2PO4 0.88 g的复合处理(Ⅺ),5%猪粪与95%尾矿砂混合的基础上添加无机肥NH4NO3 1.76 g、KH2PO4 0.88 g的复合处理(Ⅻ)。另外,以100%尾矿砂(裸尾矿Ⅰ)和100%土壤(客土Ⅶ)作为对照,共计每个树种不同配比试验处理12个,每个处理3次重复。混合土样分别混匀后装盆,每盆装混合土样5 kg,盆口面积为0.176 m2,盆内分别均匀播入100粒经过预处理的油松或樟子松种子,共计油松、樟子松盆栽各36盆。为保证种子充分发芽和正常生长,播种前油松采用温水浸种快速催芽,当70%以上种子裂嘴时即行播种; 樟子松进行沙藏处理,并消毒杀菌,待60%以上种子咧嘴后开始播种。出苗期间适时遮荫浇水。

2.3 尾矿基质理化性质测定

2012年9月22日(植物收获时)分别用铝盒、环刀、土壤袋采集一定量的盆栽土样,带回实验室。铝盒、环刀的土样用来测定尾矿基质物理性质; 土壤袋的土样用来测定尾矿基质化学性质。土壤密度、总孔隙度和持水量采用环刀法测定(中国科学院南京土壤研究所,1978)。

将土壤袋采集的土样放于室内,阴干,过2 mm筛备用。电导率采用水土比5∶1浸提,电导法测定水溶性盐总量,阳离子交换量采用EDTA-铵盐快速法测定,全氮含量采用浓硫酸消煮,半微量凯式定氮法测定; 全磷含量采用浓硫酸消煮,钼蓝比色法测定; 碱解氮含量采用碱解扩散法测定; 速效磷含量采用0.5 mol·L-1 NaHCO3浸提钼蓝比色法测定; 有效钾含量采用2 mol·L-1 HNO3溶液浸提-火焰光度法测定(鲍士旦,2002)。

2.4 植物出苗情况调查

2012年5月底进行播种,播种后第2日开始记录种子的出苗时间和数量,直至不再有新的种子出苗,计算此时的种子出苗率。

2.5 植物生长和生物量调查

2012年9月中旬,植物停止生长,测定植物株高并记录株数,之后分别将植物地上、地下部分取出,并用封口袋包装编号,带回实验室,经过杀青、烘干处理后,称其干质量,计算生物量。

2.6 数据处理

采用Microsoft Office Excel 2003和SPSS V 19.0软件进行数据分析。

3 结果与分析 3.1 不同改良措施对铁尾矿基质物理性质的影响

表 1为不同处理下铁尾矿基质的物理性质。在无机肥不同施肥比例的处理中,铁尾矿基质的土壤密度、持水量和总孔隙度与100%尾矿砂处理均无明显差异,表明无机肥对铁尾矿基质物理性质无明显影响。不同比例有机肥配比处理中,田间持水量、毛管持水量、饱和持水量及总孔隙度均随着有机肥施用量的增加而呈明显增大趋势,土壤密度呈下降趋势,但1%和5%猪粪施肥配比处理(Ⅷ、Ⅸ)与裸尾矿相比,所有指标均差异不显著(P>0.05),只有10%猪粪施肥配比处理(Ⅹ)不仅与100%尾矿处理差异显著,而且与1%和5%猪粪施肥水平相比,各项指标均差异性显著(P<0.05),表明10%猪粪施肥水平可以明显改善铁尾矿基质物理性质。掺土处理中,随着掺土量增加,铁尾矿土壤密度逐渐降低,而田间持水量、毛管持水量、饱和持水量逐渐升高。掺土比例为25%(处理Ⅳ)时,只有总孔隙度一项指标与100%尾矿砂处理差异显著(P<0.05);掺土比例为50%(处理Ⅴ)时,土壤密度和总孔隙度2项指标与铁尾矿基质差异显著(P<0.05);掺土比例达到75%(处理Ⅵ)时,除了田间持水量,其他指标均与铁尾矿基质差异显著,土壤密度和总孔隙度已经与客土处理Ⅶ(掺土比例100%)无显著差异(P>0.05)。以上结果表明掺土比例达到25%就可以明显改善尾矿基质孔隙状况,掺土比例达到75%时可以全面改善铁尾矿基质的物理结构和持水性能。25%的掺土与无机肥NH4NO3 1.76 g、KH2PO4 0.88 g的复合处理(Ⅺ)时,除了总孔隙度外,其他指标与裸尾矿基质均无显著差异(P>0.05),与25%的掺土处理(Ⅳ)无显著差异(P>0.05),与添加无机肥NH4NO3 1.76 g、KH2PO4 0.88 g处理(Ⅱ)也无显著差异(P>0.05),说明25%的掺土和添加无机肥NH4NO3 1.76 g、KH2PO4 0.88 g的复合措施并未出现掺土和施肥对铁尾矿基质的复合改良效应; 而添加5%猪粪和无机肥NH4NO3 1.76 g、KH2PO4 0.88 g的复合处理(Ⅻ)的各项指标均与100%尾矿处理的各项指标差异显著(P<0.05),与添加5%猪粪处理(Ⅸ)的差异性也达到显著水平(P<0.05),可见有机肥与无机肥的复合措施可以起到改良铁尾矿物理性质的作用。

表 1 不同处理下铁尾矿物理性质 Tab.1 Physical properties of iron tailings under different treatments
3.2 不同改良措施对铁尾矿基质化学性质的影响 3.2.1 电导率和阳离子交换量

土壤电导率是测定土壤水溶性盐的指标。由不同处理下铁尾矿基质的电导率(图 1)可知,电导率分别随施肥与掺土比例的增加而显著增大。其中施有机肥处理提升作用最明显,猪粪比例10%处理(Ⅹ)的电导率最大(534.28 μS·cm-1),是尾矿比例100%处理(104.37 μS·cm-1)的5.23倍。添加5%猪粪和无机肥NH4NO3 1.76 g、KH2PO4 0.88 g的复合处理与掺猪粪比例5%单因子处理无显著差异(P>0.05),掺土比例25%和添加无机肥NH4NO3 1.76 g、KH2PO4 0.88 g的复合处理(Ⅺ)高于掺土比例25%单因子处理(Ⅳ),表明添加无机肥可以弥补掺土的不足。

图 1 不同处理下铁尾矿基质电导率和阳离子交换量 Fig. 1 Conductivity and the cation exchange capacity of iron tailings under different treatments

土壤阳离子交换量是评价土壤改良和保肥能力的重要依据。由图 1可知,阳离子交换量均随施肥与掺土比例的增加而明显上升,掺土处理中阳离子交换量整体水平优于2种施肥处理,掺土比例为25%(处理Ⅳ)时,阳离子交换量开始明显提升,直至客土处理(Ⅶ)达到最大值(26.2 cmol·kg-1)。猪粪比例5%和无机肥NH4NO3 1.76 g、KH2PO4 0.88 g复合处理(Ⅻ)的阳离子交换量高于猪粪比例5%单因子处理,其差异性达到显著水平(P<0.05),掺土比例25%和无机肥NH4NO3 1.76 g、KH2PO4 0.88 g复合处理(Ⅺ)的阳离子交换量也高于掺土比例25%单因子处理(Ⅳ),表明施无机肥对铁尾矿基质阳离子交换量有一定提升作用。

3.2.2 全效养分含量

图 2表明: 铁尾矿基质全氮全钾养分含量均随施肥与掺土比例的增加而升高; 施有机肥处理对尾矿全效养分含量影响最显著,全氮、磷含量均在施猪粪比例10%处理(Ⅹ)达到最大值(1.45和1.28 g·kg-1),分别是100%尾矿砂处理的(0.23和0.38 g·kg-1)的6.38和3.33倍; 掺土后全磷含量低于尾矿砂,表现为随着掺土比例增大,全磷含量减小; 而掺土后全钾含量显著高于尾矿砂; 25%掺土中添加无机肥NH4NO3 1.76 g、KH2PO4 0.88 g的复合处理(Ⅺ)和尾矿中25%掺土单因子处理(Ⅳ)无显著差异(P>0.05),表明25%掺土基础上添加无机肥对提高尾矿基质中全氮、全钾含量没有明显作用; 5%比例的有机肥和无机肥NH4NO3 1.76 g、KH2PO4 0.88 g的复合处理(Ⅻ)与单纯施5%比例猪粪的处理(Ⅸ)差异不显著(P>0.05),表明施5%比例猪粪的基础上混合一定的无机肥,对提高尾矿基质中全氮、全钾含量也没有明显作用。综合可知,有机肥不同配比处理对增加全氮、全磷效果显著,不同比例的掺土措施对全钾含量提高效果显著。

图 2 不同处理下铁尾矿基质的全效养分含量 Fig. 2 Total nutrient content of iron tailings under different treatments
3.2.3 速效养分含量

图 3表明: 铁尾矿基质碱解氮、速效磷和速效钾含量均随施肥与掺土比例的增加而不断升高,且差异显著(P<0.05)。 有机肥对铁尾矿基质速效养分影响最大,且3种速效养分含量均在施猪粪比例10%处理(Ⅹ)下达到最大值(117.23,215.8和98.39 mg·kg-1),分别是100%尾矿处理的5.78,12.5和4.32倍; 掺土比例达到25%(Ⅳ)时,速效养分含量开始明显提升,客土处理达到最大值(78.41,44.43和58.67 mg·kg-1); 施5%比例猪粪的有机肥和添加无机肥NH4NO3 1.76 g、KH2PO4 0.88 g的复合处理(Ⅻ)时,其速效养分含量与单纯施5%比例猪粪的单因子处理(Ⅸ)差异不明显。掺土比例25%和无机肥NH4NO3 1.76 g、KH2PO4 0.88 g的复合处理(Ⅺ)的速效养分含量也和掺土比例25%单因子处理无显著差异。综合可知,有机肥对铁尾矿基质速效养分含量改善效果最显著,掺土处理对提高碱解氮、速效钾含量作用明显,但无机肥与有机肥、掺土的混合配比效果不明显。

图 3 不同处理下铁尾矿基质的速效养分含量 Fig. 3 Available nutrient content of iron tailings under different treatments
3.3 不同改良措施对植物生长的影响 3.3.1 植物出苗过程

表 2可知: 施无机肥的2个处理中,油松出苗率相差不大,表明无机肥对油松出苗无明显影响; 而施有机肥对油松种子出苗有一定的抑制作用,表现为出苗率低、出苗时间晚、幼苗死亡率高,猪粪施用量越大,油松种子出苗受到的抑制作用越明显,施猪粪比例5%的有机肥和添加N 100 mg·hm-2,P、 K 50 mg·hm-2无机肥的复合处理(Ⅻ)时油松全部死亡,表明无机肥与有机肥的混合配比不利于油松苗木成活; 掺土可以较好地改善油松出苗率,掺土比例达到25%(Ⅳ)时,油松出苗情况已明显好转,但25%的掺土与无机肥NH4NO3 1.76 g、KH2PO4 0.88 g的复合处理(Ⅶ)要比单纯25%掺土处理(Ⅳ)出苗率低。

表 2 出苗期不同处理下油松的出苗数量 Tab.2 Emergence amount of P.tabulaeformis under different treatments in emergence period

表 3可知: 与油松相比,樟子松出苗率较低,出苗波动大; 施无机肥、施有机肥和掺土不同配比处理中,樟子松与油松变化趋势基本相同,同样是不同施肥水平的无机肥处理对油松出苗无明显影响,而不同施肥水平的有机肥处理均抑制幼苗生长,施5%猪粪比例的有机肥与无机肥NH4NO3 1.76 g、KH2PO4 0.88 g的复合处理(Ⅻ)同样严重制约了幼苗生长。25%的掺土与无机肥NH4NO3 1.76 g、KH2PO4 0.88 g的复合处理(Ⅺ)也比单纯25%掺土处理(Ⅳ)出苗率低。

表 3 出苗期不同处理下樟子松的出苗数量 Tab.3 Emergence amount of P.sylvestris var. mongolica under different treatments in emergence period

综合可知: 相同配比处理下,油松较樟子松出苗率高、生长情况好; 掺土处理对2种植物出苗率均有明显改善作用; 高浓度有机肥严重抑制幼苗成活; 尾矿砂中添加土壤比补充肥料更有利于油松、樟子松幼苗生长,可见尾矿土壤含量是限制幼苗生长的主要因素。

3.3.2 幼苗高度

不同处理下油松和樟子松幼苗高度见图 4。由于针叶植物生长缓慢,但油松幼苗株高整体高于樟子松。油松及樟子松幼苗高度在各处理中差异不明显,具体而言,油松幼苗高度均随无机肥和掺土比例的增加而增大,但差异不显著,樟子松幼苗高度也是随无机肥施加比例的增加而增大,差异也不显著,随掺土比例增加,幼苗高度差异更不明显。

图 4 油松和樟子松幼苗高度 Fig. 4 Seedling height of Pinus tabulaeformis and Pinus sylvestris var. mongolica
3.3.3 植物生物量、根冠比

图 5表明: 油松和樟子松幼苗生物量均随无机肥施用量及掺土比例的增加而增大,其中掺土处理作用更为明显; 25%的掺土与无机肥NH4NO3 1.76 g、KH2PO4 0.88 g的复合处理(Ⅺ)中油松、樟子松植物幼苗生物量均明显大于25%的掺土处理(Ⅳ),表明25%掺土与无机肥NH4NO3 1.76 g、KH2PO4 0.88 g复合处理能更大程度提高2种植物幼苗生物量; 不同施肥水平的有机肥(猪粪)处理中,油松和樟子松幼苗生物量均随猪粪施用量的增大呈下降趋势,2个树种比较而言,不论哪种处理,都是油松生物量远大于樟子松生物量。2种植物根冠比变化趋势与生物量变化趋势基本一致(图 5)。掺土处理对2种植物根冠比影响最明显,可以显著提高植物根冠比。

图 5 油松和樟子松幼苗生物量和根冠比 Fig. 5 Seedling biomass and the ratio of root to crown of P. tabulaeformis and P. sylvestris var. mongolica
4 结论与讨论

无机肥为矿质肥料,也称“速效性肥料”。添加无机肥不仅能改善矿砂物理结构,对速效养分的提高也十分明显,但只能用于短期肥力补给。有研究表明,长期施用有机肥是农业生产中合理施肥和改良土壤的重要措施之一(Leck et al.,1989)。本研究结果表明,无机肥虽然对尾矿化学性质有一定改善作用,但不及施有机肥猪粪和掺土处理。猪粪作为有机肥对矿砂化学性质的改善作用显著,但过量的有机肥会抑制植物的生长。有机肥施用量过大,会使土壤水溶性盐浓度过高,这是猪粪比例5%以上处理中油松、樟子松幼苗死亡的关键原因,故猪粪比例5%可以看作临界值,而猪粪比例1%可以看作是参考值。

掺土对于铁尾矿基质理化性质有较大的改善,且随着掺土比例增大,尾矿基质的理化性质改善效果明显。而且尾矿基质中补充土壤比添加肥料更有利于油松、樟子松幼苗生长。本研究的结果表明,随着掺土量增加,油松和樟子松幼苗生物量及根冠比均增加,这与他人的研究结果(王岩等,2012陈义群等,2008孙羽丰等,2007谷金锋等,2004)一致。但随掺土量增加,掺土处理工程量增大、成本高,在实际应用中难以实施,因此,如何以最少的掺土比例达到最好的改良效果,还需进一步研究。从本研究的结果可以看出,不同的掺土比例对铁尾矿基质各项指标作用不尽相同,掺土比例达到75%以上时,对物理性质改善明显; 而化学性质的改善相对容易,阳离子交换量只需掺土25%就有作用,电导率需要50%的掺土比例就和对照有明显差异。可见,短期内通过少量掺土,尾矿基质物理性质的改善是不可能的,只有采取植被恢复措施,利用植物根系,并伴随土壤微生物的作用,才是尾矿基质彻底变为土壤的根本措施。综合植物生长、土壤理化性质改善及植被恢复成本考虑,通过至少25%掺土,或1%猪粪施肥是铁尾矿基质改良的最佳措施。

树种选择是植被恢复的关键技术之一,种子萌发与生长是树种选择的重要参考(束文圣等,2000)。油松和樟子松的株高、生物量和根冠比的变化趋势基本一致。由于针叶植物生长缓慢,故植物生长指标整体较低。盆栽试验中,作为乔木树种,相同处理下,油松生长相对较好,说明油松比樟子松有更强的铁尾矿基质适应能力,适合作为铁尾矿废弃地修复树种。

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