排土場不同復墾模式土壤生態化學計量特征

劉寶勇,潘 琪*，甄博珺，何志勇

(1.遼寧工程技術大學環境科學與工程學院，遼寧阜新 123000；2.阜新市林業發展服務中心，遼寧阜新 123000)

生態化學計量學是將生物學、化學、物理學的基本原理統合起來，并在化學元素的生態過程中研究其數量關系。它把生態學中各種研究的理論有機地結合到一起，提供了研究元素化學循環與過程中的計量關系和規律的方法，主要強調元素的化學計量特征關系。近年來生態化學計量的研究逐漸成為熱點，王紹強等[1]分析了生態系統中C、N和P元素之間的相互關系，研究了元素之間的平衡與生態的相互作用和影響。土壤生態化學計量研究可以較為直觀地闡明土壤養分的限制性因素，所以，為了更好地理解生態系統中的養分循環及其限制因子，就要從土壤的化學計量入手。

目前土壤的化學計量研究主要集中在森林系統[2-3]，關于礦區排土場退化生態系統的研究還很少。阜新海州露天礦排土場作為人為破壞后簡單修復的退化生態系統，利用化學計量學對排土場主要的4種復墾模式[刺槐(RobiniapseudoacaciaL.)純林、白榆(UlmuspumilaL.)純林、刺槐白榆混交林和草地]的土壤進行研究，研究其養分變化及相互關系進而更好地理解C、N、P潛在的生態學過程和影響機理，對于掌握排土場生態系統修復過程中養分循環及限制因素具有重要意義，為阜新海州露天礦排土場植被恢復與重建提供理論與實踐指導。

1 材料與方法

1.1 研究區概況阜新市海州露天礦排土場位于121°39′25″E、41°57′22″N，東西長7 km，南北寬3 km，占地16 km2，海拔240.7 m。溫帶半干旱大陸性季風氣候，春季干旱多以風沙天氣為主，夏季高溫，秋季溫度適宜，早晚溫差較大，冬季干冷，降雪較少。降水集中于7、8、9月，年平均降水量為500 mm 左右，蒸發量約為降水量的4倍。無霜期156 d左右，凍結深度1.4 m左右。

海州露天礦排土場復墾地區土壤條件極差，屬于地帶性土壤，主要是由不同類型的巖石風化物殘積母質、黃土以及紅土母質上的淋溶褐土、褐土性土組成，土壤厚度薄、營養成分低。經過一系列的修復工作，環境得到了一定的改善，栽植適應性強、抗逆性強、根系發達、生長快、能有效改良土壤、播種栽植簡單、成活率高的植物。

1.2 樣品采集該研究于2021年5月在阜新海州露天礦排土場內選擇造林年限相同、立地條件相似的刺槐純林、白榆純林、刺槐白榆混交林和草地復墾區作為研究區，在每個研究區內設置10 m×10 m 的樣方，采用“S布點法”在樣方中選擇5個樣點，除去表層的枯落物層，然后按0～10、10～20、20～30 cm分層，將收集的土壤用“四分法”混合，樣品分別壓縮到500 g裝袋。將土壤樣本除去石塊、植物殘體等雜物，風干，過100目篩(0.149 mm)。

1.3 土壤指標測定方法土壤C含量采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定；土壤N含量采用凱式定氮法測定；土壤P含量采用氫氧化鈉熔融-鉬銻抗比色法[4]測定。

1.4 數據分析利用 Excel軟件對試驗結果進行整理和計算，利用SPSS 23對結果進行方差分析，并利用Pearson相關系數對各個因子的相關性進行判定，利用Origin 2021軟件進行制圖。

2 結果與分析

2.1 不同復墾模式土壤C、N、P含量從表1可以看出，在刺槐純林、白榆純林、刺槐白榆混交林和草地復墾模式下，0～30 cm土層土壤C平均含量分別為64.87、53.39、147.65、5.65 g/kg，即土壤C平均含量從大到小依次為刺槐白榆混交林>刺槐純林>白榆純林>草地。刺槐白榆混交林土壤C含量在各土層之間無顯著差異(P>0.05)。白榆純林和草地土壤C含量隨土層加深而降低(P<0.05)，表層含量最大，出現“表聚”現象。在同一土層深度不同復墾模式中，0～10、10～20 cm土層中土壤C含量各復墾模式之間差異顯著(P<0.05)，20～30 cm土層中白榆純林和刺槐純林土壤C含量差異不顯著(P>0.05)。在各土層中刺槐白榆混交林土壤C含量均顯著高于其他復墾模式(P<0.05)，草地土壤C含量均顯著低于其他復墾模式(P<0.05)。

表1 不同復墾模式土壤C、N、P含量

在刺槐純林、白榆純林、刺槐白榆混交林和草地復墾模式下，0～30 cm土層土壤N平均含量分別為0.73、0.07、0.78、0.12 g/kg，即土壤N平均含量從大到小依次為刺槐白榆混交林>刺槐純林>草地>白榆純林，0～30 cm土壤N含量均值差異不大(P>0.05)。同一復墾模式不同土層深度中，除白榆純林、草地外，土壤N含量都表現出0～10 cm土層顯著高于其他土層(P<0.05)。在10～20、20～30 cm土層之間，白榆純林土壤N含量差異顯著(P<0.05)，其余復墾模式土壤N含量無顯著差異(P>0.05)。在同一土層深度不同復墾模式中，0～10 cm土層中白榆純林土壤N含量顯著低于刺槐純林和刺槐白榆混交林(P<0.05)，10～20、20～30 cm土層中刺槐白榆混交林和刺槐純林土壤N含量顯著高于白榆純林和草地(P<0.05)。

在刺槐純林、白榆純林、刺槐白榆混交林和草地復墾模式下，0～30 cm土層土壤P平均含量為0.54、0.62、0.64、0.24 g/kg，即土壤P平均含量從大到小依次為刺槐白榆混交林>白榆純林>刺槐純林>草地。同一復墾模式不同土層深度中，土壤P含量均無顯著差異(P>0.05)。在同一土層深度不同復墾模式中，0～10、10～20 cm土層中土壤P含量在刺槐純林、白榆純林和刺槐白榆混交林之間無顯著差異(P>0.05)，20～30 cm土層中土壤P含量白榆純林和刺槐白榆混交林之間無顯著差異(P>0.05)。

2.2 不同復墾模式土壤C、N、P化學計量比從圖1可以看出，不同復墾模式土壤C∶N和C∶P隨土層深度的變化并未呈現一致的規律。在刺槐純林、白榆純林、刺槐白榆混交林和草地復墾模式下，0～30 cm土壤C∶N分別為266.30、760.01、793.16和136.57，即刺槐白榆混交林>白榆純林>刺槐純林>草地。刺槐白榆混交林和草地土壤C∶N在10～20和20～30 cm土層顯著高于0～10 cm(P<0.05)，且刺槐白榆混交林土壤C∶N在10～20和20～30 cm土層顯著高于其他復墾模式(P<0.05)。

注：不同大寫字母表示相同土層深度不同復墾模式間差異顯著(P<0.05)，不同小寫字母表示相同復墾模式不同土層深度差異顯著(P<0.05)

在刺槐純林、白榆純林、刺槐白榆混交林和草地復墾模式下，0～30 cm土壤C∶P分別為119.43、93.36、230.43和23.62，即刺槐白榆混交林>刺槐純林>白榆純林>草地。刺槐白榆混交林土壤C∶P在土層中無顯著差異(P>0.05)，刺槐純林、刺槐白榆混交林和草地土壤C∶P均在10～20 cm土層中最大，且刺槐白榆混交林在各土層中均顯著高于其他復墾模式(P<0.05)。

所有復墾模式土壤N∶P都隨土層深度加深而減少。在刺槐純林、白榆純林、刺槐白榆混交林和草地模式下，0～30 cm土壤N∶P為1.35、0.12、1.25和0.45，即刺槐純林>刺槐白榆混交林>草地>白榆純林。各復墾模式土壤N∶P均在0～10 cm土層顯著高于其他土層(P<0.05)。刺槐純林和刺槐白榆混交林土壤N∶P在所有土層均顯著高于其他復墾模式(P<0.05)。

2.3 土壤C、N、P含量及其比值的相關性分析相關分析結果表明(表2)，土壤C含量與土壤P含量呈極顯著正相關(P<0.01)，與土壤C∶N呈顯著負相關(P<0.05)。土壤P含量與土壤C∶N呈極顯著負相關(P<0.01)。土壤C∶N與土壤N∶P呈極顯著負相關(P<0.01)。土壤C∶P與土壤N∶P呈顯著負相關(P<0.05)。

表2 不同復墾模式土壤C、N、P含量及其比值的相關性

3 結論與討論

3.1 不同復墾模式土壤C、N、P含量變化特征土壤養分是植物生長的關鍵因素，它的供應與植物的光合作用、代謝等過程有著緊密的相關性，同時植物也能有效提高土壤的C、N、P含量，且不同的復墾模式會影響土壤養分。C是土壤肥力的重要象征，是影響土壤和大氣碳平衡的重要標志，在林業可持續發展中發揮著舉足輕重的作用[5]。N、P是土壤的重要組成元素，是影響土壤肥力和植物營養狀況的主要因子，是反映土壤質量的重要指標[6]。

該研究中，刺槐純林、白榆純林、刺槐白榆混交林和草地的土壤C含量(67.89 g/kg)高于全國平均水平(11.12 g/kg)，N、P含量(0.43、0.51 g/kg)均低于全國平均水平(1.06、0.65 g/kg)[7]。根據全國第二次土壤普查養分分級標準[8]，土壤C含量為一級，土壤N含量為六級，土壤P含量為四級，可知阜新海州露天礦排土場土壤C含量豐富，土壤N含量極為缺乏，土壤P含量較為缺乏。

該研究4種不同復墾模式土壤C含量和N含量集中在0～20 cm土層，在20～30 cm土層均低于0～10和10～20 cm土層，這是由于枯枝落葉分解產生的C和N在表層積累，通過水等介質向下遷移，隨土層加深而減少。0～10和10～20 cm土層土壤C含量和N含量差距較少，可能是測定時正處于植物的生長發育期，根系從下向上吸收養分的緣故。由于草地凋落物量明顯小于喬木，草地土壤C含量和N含量明顯小于其他喬木復墾模式。土壤P含量在3個土層之間沒有顯著差別(P>0.05)，P含量基本是穩定狀態，呈“圓柱體”分布，與湘潭錳礦欒樹土壤P含量呈現一致規律[9]。

該研究刺槐白榆混交林土壤C、N、P平均含量(147.65、0.78、0.64 g/kg)均高于刺槐純林(64.87、0.73、0.54 g/kg)、白榆純林(53.39、0.07、0.62 g/kg)，表明混交林地比純林具有更積極的養分累積作用，證實了呂文強等[10]研究的不同植物在土壤C、N元素的積累速率上存在差異的結果。

3.2 不同復墾模式土壤C、N、P化學計量比變化特征土壤C、N、P化學計量特征是土壤肥力和養分循環變化的重要指標[11-12]。阜新海州露天礦排土場4種不同復墾模式土壤C∶N、C∶P(489.01、116.71)顯著高于全國水平(12.01、25.77)[13]，土壤N∶P(0.79)低于全國水平(2.15)[13]。土壤C∶N高與土壤N含量極少有關，微生物需要從土壤中攝取N來滿足生長需要[14]，有機質的分解速率較慢，何高迅等[15]認為當土壤C∶N越高，越有利于有機物的積累，4種復墾模式土壤均在有機物積累階段。土壤C∶P的高低與全磷含量關系密切，是P有效性的重要指標。土壤C∶P高不利于微生物分解有機質，且微生物會與植物爭奪土壤P，植物生長受到限制[16]。土壤N∶P可以用來判別N的飽和度，也可以預測不同土壤養分的限制類型。研究表明，N∶P<10時受N限制[17]，該研究發現4種復墾模式土壤養分受N限制。

3.3 土壤C、N、P含量及其比值的相關性分析該研究結果表明，土壤C含量與土壤C∶N呈顯著負相關，土壤P含量與土壤C含量呈極顯著正相關，與土壤C∶N呈極顯著負相關，說明土壤養分受到N的限制更大。因此，在海州露天礦排土場中要提高土壤氮的供給，以利于植被恢復。