黃土區(qū)大型露天煤礦復(fù)墾24a土壤碳氮組分特征

原 野，高國卿，高 嫄，趙藝芳，趙中秋

（1. 山西財經(jīng)大學(xué)公共管理學(xué)院，太原 030006；2. 山西財經(jīng)大學(xué)礦區(qū)生態(tài)修復(fù)研究中心，太原 030006.；3. 中國地質(zhì)大學(xué)（北京）土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京 100083）

0 引 言

煤礦露天開采造成礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的劇烈擾動，土地復(fù)墾則被證明是恢復(fù)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的有效手段[1]。然而，由于土地復(fù)墾中大型機(jī)械壓實、粉塵污染等原因，復(fù)墾土壤呈現(xiàn)高壓實、低養(yǎng)分、低滲透性、水土流失嚴(yán)重、土壤污染等特征。研究表明，山西平朔露天煤礦復(fù)墾土壤的容重比原生境土壤高0.2～0.5 g/cm3，有機(jī)質(zhì)含量較原生境土壤低20.42～22.82 g/kg，穩(wěn)滲率較原地貌土壤低0.12～0.84 mm/min，徑流系數(shù)則達(dá)到原地貌土壤的2.9～6.1 倍[2]。觀測極度擾動的復(fù)墾土壤質(zhì)量的恢復(fù)過程為研究土壤成土過程提供了條件。王金滿等[3]發(fā)現(xiàn)平朔礦復(fù)墾23a后土壤孔隙度由35.09%上升到42.26%。Ahirwal等[4]認(rèn)為印度Singareni Collieries煤礦復(fù)墾8a后土壤持水量由25.9%增加到44.1%，pH值由7.6降低到6.4，電導(dǎo)率由0.09 dS/m上升到0.24 dS/m，有效磷則由0.3 kg/hm2上升到2.2 kg/hm2。Yuan等[5]則發(fā)現(xiàn)復(fù)墾土壤容重由復(fù)墾2a時的1.62 g/cm3降低到復(fù)墾30a的1.36 g/cm3?？傊?，植被重建后礦區(qū)土壤質(zhì)量得到顯著改善：土壤結(jié)構(gòu)優(yōu)化、持水量上升、緊實度降低、pH值降低、電導(dǎo)率上升、養(yǎng)分含量增加。

先鋒植物在礦區(qū)土壤質(zhì)量演替中扮演了“啟動器”的角色，先鋒植物的凋落物附著在地表開啟了復(fù)墾土壤的成土過程[6]。伴隨著復(fù)墾土壤物理結(jié)構(gòu)改善的土壤有機(jī)碳、氮的恢復(fù)則是復(fù)墾土壤成土過程中的重要環(huán)節(jié)。研究表明，土地復(fù)墾可以顯著提高復(fù)墾土壤碳、氮儲量。印度奧里薩邦一露天煤礦復(fù)墾8a后，土壤氮庫由25.6 kg/hm2上升到192 kg/hm2[4]；中國內(nèi)蒙古黑岱溝露天煤礦植被恢復(fù)15a后，復(fù)墾土壤有機(jī)碳密度較未復(fù)墾土壤高15.47 Mg/hm2[7]；山西平朔露天煤礦植被重建23 a后，復(fù)墾土壤有機(jī)碳密度甚至可以達(dá)到未復(fù)墾土壤的70倍[8]。

土壤有機(jī)碳中不穩(wěn)定、周轉(zhuǎn)速率較快且易被微生物分解礦化的碳稱為土壤活性碳。土壤活性氮則是指能被植物、動物和微生物等直接吸收利用的一類氮素[9]。土壤活性碳、氮組分對外界環(huán)境變化敏感，是土壤碳、氮庫中的活躍部分且直接參與土壤養(yǎng)分循環(huán)。由于土壤活性碳、氮組分能全面反映外界環(huán)境對土壤有機(jī)質(zhì)組分?jǐn)?shù)量和質(zhì)量的影響，近年來常被用作土壤質(zhì)量變化的重要監(jiān)測指標(biāo)[10-11]。森林生態(tài)系統(tǒng)中，植物的葉片和根系凋落物作為土壤碳的主要來源，經(jīng)過土壤酶和微生物等生物有機(jī)體的破碎、分解轉(zhuǎn)化后，其殘茬和微生物代謝產(chǎn)物以可溶性的化合物等形式淋溶進(jìn)入土壤，最終以不同的物理化學(xué)形態(tài)賦存于土壤中[12]。然而，進(jìn)入土壤中的有機(jī)質(zhì)由于其碳、氮源、立地條件、管理措施等不同，導(dǎo)致不同植被類型下土壤活性碳、氮組分有很大差異[13]。比如，來自根系的碳、氮較來自葉片的碳、氮更穩(wěn)定[14]，而來自微生物的碳、氮則較來自植物的碳、氮更穩(wěn)定；此外，季節(jié)、溫度、海拔等也顯著影響土壤中的碳、氮組分含量[9]。

露天礦土壤復(fù)墾中往往采用多種植被恢復(fù)模式來提高礦區(qū)景觀的異質(zhì)性，進(jìn)而保證復(fù)墾生態(tài)系統(tǒng)的抗逆性/穩(wěn)定性。研究表明，不同植被恢復(fù)模式下林分結(jié)構(gòu)、立地環(huán)境等存在差異顯著，比如，趙冰清[15]研究發(fā)現(xiàn)，平朔礦區(qū)復(fù)墾5a后，油松純林、刺槐-油松和油松-沙棘混交林模式下喬木的存活率顯著高于其他植被恢復(fù)模式。郭春燕等[16]研究表明，復(fù)墾19a后，刺槐純林6月的土壤溫度可以達(dá)到26℃，遠(yuǎn)高于刺槐油松混交林的17℃。不同植被恢復(fù)模式間因林分結(jié)構(gòu)、立地環(huán)境等差異必然會對復(fù)墾土壤成土過程尤其是對環(huán)境敏感的土壤活性碳、氮組分恢復(fù)產(chǎn)生影響。然而不同植被恢復(fù)模式下土壤活性碳、氮組分含量有何差異，這些差異有何土壤學(xué)的指示意義，對礦區(qū)土壤重構(gòu)工作又有何指導(dǎo)價值等問題目前尚沒有明確答案。江山等[17]研究了復(fù)墾耕作土壤的氮組分特征，揭示了復(fù)墾耕作土壤氮組分的時間變化特征，但由于復(fù)墾耕作土壤恢復(fù)過程中受到較多人為因素（如耕作、施肥）的干擾，很難揭示高壓實復(fù)墾土壤碳、氮庫的自然演替規(guī)律。鑒于此，本研究以中國黃土丘陵區(qū)大型露天煤礦—平朔露天煤礦為例，研究該礦區(qū)刺槐（Robinia pseudoacaciaLinn.）-油松（Pinus tabuliformisCarr.）混交林、刺槐純林、白桿（Picea meyeri Rehd.etWils.）-青桿（Picea wilsaniiMast.）-沙棘（Hippophae rhamnoidesLinn.）混交林、沙棘純林等4種典型植被恢復(fù)模式下復(fù)墾24a的土壤碳、氮組分特征，以期為黃土丘陵區(qū)礦區(qū)土壤重構(gòu)和植被重建等生態(tài)修復(fù)工作提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

平朔露天煤礦位于山西省北部的朔州市平魯區(qū)境內(nèi)，礦區(qū)總面積為376 km2。該區(qū)屬典型的溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，春、冬季氣候寒冷干燥、風(fēng)沙嚴(yán)重，夏季涼爽，年平均氣溫為6.2 ℃，年降水量為428.2 mm，年蒸發(fā)量為1 786.6～2 598.0 mm。該區(qū)地帶性土壤為栗鈣土與栗褐土的過渡帶，植被覆蓋率低且植物多為耐旱性植物。平朔礦目前煤炭年產(chǎn)量為7 000～8 000萬t，隨著煤炭資源的大量開采，采煤區(qū)原生生態(tài)系統(tǒng)被完全破壞。平朔礦從1988年開始土地復(fù)墾，經(jīng)過30多年的復(fù)墾，礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)得到有效的恢復(fù)。目前為止，平朔礦共復(fù)墾土地超過4 000 hm2，形成南排土場、西排土場和內(nèi)排土場三大排土場，形成以刺槐（R.pseudoacacia）、油松（P.tabuliformis）、沙棘（H.rhamnoides）、榆樹（U.pumila）為主的喬-灌-草多層次植物群落結(jié)構(gòu)，排土場植被覆蓋率達(dá)到95%以上。

1.2 樣地設(shè)計

選擇平朔礦西排土場和南排土場4個永久性固定監(jiān)測樣地以及1個未復(fù)墾樣地和礦區(qū)外1處原地貌樣地（各樣地基本情況見表1）。4個永久性固定監(jiān)測樣地的植被恢復(fù)類型代表了平朔礦區(qū)典型植被恢復(fù)模式。4個永久性固定監(jiān)測樣地是復(fù)墾于1992年的按熱帶森林學(xué)中心（Centre for Tropical Forest Science，CTFS）的標(biāo)準(zhǔn)建立的面積為1 hm2的樣地。在每個永久性固定監(jiān)測樣地內(nèi)用全站儀將樣地劃分100個10 m×10 m的樣方，準(zhǔn)確測定每個樣方的4個角在大樣地中的位置，并用水泥樁作標(biāo)記。

表1 樣地概況Table 1 Plots information

1.3 土壤樣品采集與分析

課題組于2016年7月進(jìn)行了土壤樣品采集。在4個永久性固定監(jiān)測樣地內(nèi)隨機(jī)選擇5個10 m×10 m的小樣地采集土壤樣品，在每個小樣地選擇3個樣點，用土鉆采集0～20 cm表層土壤樣品并混合均勻后采用四分法取1 kg土樣裝于自封袋中冷藏運回實驗室。在未復(fù)墾樣地和原地貌樣地則采用“S”型采樣法選擇5個樣點采樣，在每個樣點用土鉆采集0～20 cm混合土壤樣品1個，并用四分法取1 kg土樣裝于自封袋中冷藏運回實驗室。將采集的土樣分揀去植物根系、碎屑等雜物后分為2部分：一部分新鮮土樣過2 mm篩后供測定土壤微生物量碳、氮及水溶性碳、氮，并置4℃冰箱低溫保存；一部分自然風(fēng)干后過0.25 mm篩，用于測定其他土壤指標(biāo)。

全氮（Total Nitrogen，TN）采用凱氏定氮法測定；全鉀（Total Potassium，TK）采用氫氟酸消解法測定；速效鉀（Available Potassium，AK）采用乙酸銨浸提—火焰光度法測定；全磷（Total Phosphorus，TP）采用氫氧化鈉熔融—鉬銻抗比色法測定；有效磷（Available Phosphorus，AP）采用碳酸氫鈉浸提—火焰光度法測定；土壤有機(jī)碳（Soil Organic Carbon，SOC）采用重鉻酸鉀高溫氧化法測定；水溶性碳（Dissolved Organic Carbon，DOC）和水溶性氮（Water-soluble Nitrogen，WSN）采用去離子水浸提法測定；易氧化碳（Easily Organic Carbon，EOC）采用高錳酸鉀氧化法測定；微生物生物量碳（Microbial Biomass Carbon，MBC）和微生物生物量氮（Microbial Biomass Nitrogen，MBN）采用氯仿熏蒸—硫酸鉀浸提法。

1.4 數(shù)據(jù)處理

運用SPSS 13.5對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，采用單因素方差分析（One-way ANOVA）和最小顯著差異法（LSD）分析不同植被恢復(fù)模式下土壤理化性質(zhì)和碳、氮組分的差異顯著性。運用R 3.3.2（https://www.r-project.org）計算土壤碳、氮組分與土壤理化性質(zhì)相關(guān)關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 平朔礦不同植被恢復(fù)模式下土壤理化特征

經(jīng)過24a演替，平朔礦各樣地復(fù)墾土壤理化性質(zhì)呈現(xiàn)顯著差異（表2）。各樣地pH值范圍為7.77～8.22，其中，PPH復(fù)墾樣地的pH值顯著低于UR和UD樣地（P＜0.05）。6個樣地土壤容重為1.37～1.68 g/cm3，其中，RM、PPH、HM樣地與UR樣地的差異達(dá)到顯著水平（P＜0.05），這表明土地復(fù)墾后礦區(qū)土壤容重呈現(xiàn)降低趨勢。各樣地全磷含量為0.43～0.60 g/kg，與UR樣地相比，4個復(fù)墾樣地（RP、RM、PPH、HM）分別提高39.53%、23.26%、18.60%、30.23%；與UD樣地相比，RP和HM樣地分別提高20.00%和12.00%；4個復(fù)墾樣地間，RP和HM樣地土壤全磷含量顯著高于PPH（P＜0.05）。各樣地有效磷含量為3.53～11.90 mg/kg，與UR樣地相比，PPH樣地提高104.11%；與UD相比，PPH和RM樣地分別提高237.11%和135.13%；4個復(fù)墾樣地間，PPH樣地含量最高，而HM樣地含量最低（P＜0.05）。各樣地全鉀含量為1.33～1.78 g/kg，與UR樣地相比，RP、RM和PPH樣地分別降低25.28%、8.99%和15.17%；與UD樣地相比，RP樣地降低11.92%，而RM和HM樣地則分別提高7.28%和17.22%；4個復(fù)墾樣地間，HM＞RM＞PPH＞RP。6個樣地速效鉀含量為60.33～233.00 mg/kg，同UR樣地相比，RP、RM樣地土壤速效鉀含量99.66%、136.14%；同UD樣地相比，4個復(fù)墾樣地（RP、RM、PPH、HM）土壤速效鉀含量分別提高226.53%、286.21%、97.25%和65.21%（P＜0.05）；4個復(fù)墾樣地間，RM和RP速效鉀含量顯著高于PPH和HM。

表2 平朔礦不同樣地土壤理化性質(zhì)Table 2 Soil physicochemical properties of different plots in Pingshuo mine

2.2 平朔礦不同植被恢復(fù)模式下土壤碳組分特征

各樣地土壤有機(jī)碳含量為6.70～46.50 g/kg（圖1），同UR樣地相比，RP、RM和PPH樣地分別提高594.03%、158.66%、99.25%；同UD樣地相比，RP、RM樣地分別提高411.55%、90.65%；4個復(fù)墾樣地間，RP樣地最高而HM樣地最低。6個樣地微生物生物量碳變化范圍為28.16～108.61 mg/kg，同UR樣地相比，RP和PPH樣地分別提高174.68%、209.34%；4個復(fù)墾樣地間，HM樣地最低。各樣地水溶性碳含量變化范圍為97.15～204.14 mg/kg，同UR樣地相比，RP和HM樣地分別提高110.13%和82.99%；4個復(fù)墾樣地間，PPH樣地最低。6個樣地易氧化碳含量為0.63～21.42 g/kg，RP、RM樣地分別為UR樣地的35.55倍和7倍；RP樣地為UD樣地的3.69倍；4個復(fù)墾樣地間，RP樣地最高。

2.3 平朔礦土壤碳組分占總有機(jī)碳的比例

各樣地微生物生物量碳占土壤總有機(jī)碳比例（MBC/SOC）為0.21%～1.17%（表3），4個復(fù)墾樣地的MBC/SOC與UR樣地差異不顯著，但顯著低于UD樣地。這表明復(fù)墾24a后，復(fù)墾土壤MBC/SOC仍沒有達(dá)到原地貌水平。6個樣地水溶性碳占土壤總有機(jī)碳比例（DOC/SOC）為0.44%～2.09%，其中，4個復(fù)墾樣地間HM顯著高于PPH、RM與RP樣地；RP與PPH樣地DOC/SOC顯著低于UR樣地和UD樣地。各樣地易氧化碳占土壤總有機(jī)碳比例（EOC/SOC）為8.69%～62.51%，其中，4個復(fù)墾樣地間RP最高而PPH最低；RP樣地顯著高于UR樣地，而UD樣地顯著高于RM、PPH和HM樣地。

各樣地3種活性碳組分占總有機(jī)碳的比例（MBC+DOC+EOC）/SOC的變化范圍為10.67%～65.27%（表3），其中，UR樣地活性有機(jī)碳組分比例低于其他5樣地，而UD樣地活性有機(jī)碳組分比例最高。4個復(fù)墾樣地中，RP最高而PPH最低。

2.4 平朔礦不同植被恢復(fù)模式下土壤氮組分特征

6個樣地全氮含量為0.34～1.75 g/kg（圖2），與UR樣地相比，4個復(fù)墾樣地（RP、RM、PPH、HM）分別提高413.24%、250.00%、100%和82.35%；與UD樣地相比，RP、RM樣地分別提高148.57%和70.00%；4個復(fù)墾樣地間，RP最高而HM最低。各樣地土壤水溶性氮變化范圍為14.07～43.10 mg/kg，與UR樣地相比，RP、PPH、HM樣地分別提高206.33%、153.02%、99.95%；與UD樣地相比，RM樣地降低51.73%；4復(fù)墾樣地間RM樣地最低。6個樣地土壤微生物生物量氮變化范圍為3.79～17.74 mg/kg，與UR樣地相比，PPH樣地提高368.07%；與UD樣地相比，HM樣地降低77.57%；4復(fù)墾樣地間HM樣地最低。

表3 平朔不同樣地復(fù)墾土壤碳組分占有機(jī)碳比例Table 3 Proportions of soil organic carbon fractions accounting for the SOC in different plots in Pingshuo mine %

各樣地土壤C/N變化范圍為12.95～26.57（圖2），RP樣地C/N顯著高于其他3個復(fù)墾樣地，但與UR樣地差異不顯著（P＞0.05），UD樣地C/N顯著低于RP、PPH及UR樣地（P＜0.05）。

2.5 平朔礦土壤碳、氮組分與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性

土壤碳、氮組分與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性見表4。復(fù)墾土壤有機(jī)碳和全氮、易氧化碳呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)（P＜0.01），與水溶性氮、全磷呈現(xiàn)正相關(guān)（P＜0.05），而與全鉀呈現(xiàn)極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01）。微生物生物量碳與微生物生物量氮呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），而與全鉀呈現(xiàn)極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01）。水溶性碳與全磷呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)（P＜0.01），與易氧化碳、全氮呈現(xiàn)顯著正相關(guān)（P＜0.05）；易氧化碳與全氮呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)，與全磷、速效鉀呈現(xiàn)顯著正相關(guān)（P＜0.05），而與全鉀呈現(xiàn)極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01）；全氮與全磷、速效鉀呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)（P＜0.01），與水溶性氮呈現(xiàn)顯著正相關(guān)（P＜0.05），而與全鉀呈現(xiàn)極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01）；水溶性氮與全磷呈現(xiàn)顯著正相關(guān)（P＜0.05），而與全鉀呈現(xiàn)極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01）；微生物生物量氮與與全鉀呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05）?？傊瑥?fù)墾土壤碳、氮組分之間呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，但與全鉀呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系。

表4 復(fù)墾土壤碳、氮組分與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)關(guān)系Table 4 Correlation among soil carbon, nitrogen fractions and soil physicochemical properties

3 討 論

3.1 植被恢復(fù)模式對土壤碳、氮恢復(fù)的影響

經(jīng)過24a演替，平朔礦不同植被恢復(fù)模式下土壤物理結(jié)構(gòu)、化學(xué)屬性和生物肥力等較未復(fù)墾樣地都得到顯著提高，刺槐-油松樣地（RP樣地）的全磷、有效磷等指標(biāo)甚至超過原地貌（UD）水平，但不同植被恢復(fù)模式下復(fù)墾土壤理化性質(zhì)差異顯著。該結(jié)果與中國內(nèi)蒙古[18]，印度奧里薩邦[4]，美國俄亥俄州[19]等地露天煤礦相關(guān)研究結(jié)果相一致。這表明，植被恢復(fù)模式可以在較長時間內(nèi)對復(fù)墾土壤的質(zhì)量產(chǎn)生影響[20]。

本研究中，復(fù)墾24a后，土壤碳、氮含量不斷增加，但是不同復(fù)墾模型下土壤碳、氮含量差異顯著，尤其是RP樣地的土壤碳、氮含量顯著高于其他復(fù)墾樣地和未復(fù)墾樣地。不同植被恢復(fù)模式對土壤碳、氮的恢復(fù)的影響主要通過對碳、氮輸入與輸出體現(xiàn)：

1）不同植被恢復(fù)模式下凋落物C/N的差異導(dǎo)致凋落物分解速率不同，進(jìn)而導(dǎo)致輸入土壤的碳、氮含量不同。研究表明，闊葉林植被恢復(fù)模式下凋落物呈現(xiàn)低C/N特征，該類植被恢復(fù)模式下土壤有機(jī)質(zhì)O層很薄甚至沒有，但是有機(jī)礦物層A層則非常明顯，與此相反，針葉林恢復(fù)模式下凋落物呈現(xiàn)高C/N特征，該類恢復(fù)模式下土壤有機(jī)質(zhì)O層較厚，而有機(jī)礦物層A層很薄[21]。盧寧等[22]的研究結(jié)果表明：平朔礦區(qū)闊葉樹種刺槐的凋落物（C/N：27.07）的年分解速率為51.27%，遠(yuǎn)高于針葉樹種油松凋落物（C/N：57.12）29.05%的年分解速率。因此，本研究中樣地間碳氮含量的差異與各樣地因凋落物C/N的差異而導(dǎo)致的進(jìn)入土壤的凋落物含量的差異有關(guān)。

2）不同植被恢復(fù)模式下土壤C/N差異導(dǎo)致由土壤動物和土壤微生物介導(dǎo)的土壤有機(jī)質(zhì)分解速率差異顯著。據(jù)觀測，在高C/N復(fù)墾土壤中，土壤微生物活動受到抑制，降低了土壤有機(jī)質(zhì)的分解速率[21]；而在低C/N復(fù)墾土壤中，土壤微生物活性更高，土壤動物的豐度更高，一定程度上加速了土壤有機(jī)質(zhì)礦化速率[21]。本研究中，4個復(fù)墾樣地的土壤C/N均高于原地貌樣地（圖2），因此土壤微生物活動可能受到抑制，這可能是復(fù)墾地土壤有機(jī)質(zhì)積累的原因。值得注意的是，近年來，有學(xué)者提出：傳統(tǒng)的重鉻酸鉀高溫氧化法測試土壤有機(jī)碳不能很好將煤炭從有機(jī)碳中區(qū)分出來[23]，因此，本研究中復(fù)墾地土壤C/N顯著高于原地貌水平，除了受復(fù)墾土壤性質(zhì)影響，還可能和復(fù)墾土壤中煤炭的干擾有一定關(guān)系，未來有必要進(jìn)一步測算復(fù)墾土壤中煤炭含量對總有機(jī)碳含量估計的影響。

3.2 植被模式對土壤碳、氮組分恢復(fù)的影響

土壤中MBC、MBN來自土壤微生物。MBC和MBN分別是有機(jī)碳和有機(jī)氮中最活躍、最易變化的部分，雖然其所占比例很小，但卻是整個生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分和能源循環(huán)的動力，該組分既反映土壤微生物數(shù)量，也體現(xiàn)土壤養(yǎng)分庫的狀況，可作為土壤擾動及健康質(zhì)量的重要評價指標(biāo)[24]。Culman等[25]通過對53個不同土壤類型樣地的1 379個樣品進(jìn)行分析并提出土壤MBC占SOC的比例為2%。本研究中，復(fù)墾樣地MBC/SOC值為0.21%～0.81%，低于Culman提出的2%[25]，也低于原地貌的1.17%。這表明復(fù)墾24a后，盡管復(fù)墾土地微生物量在增加，但與原地貌相比，土壤微生物量仍相對較少，且不同植被恢復(fù)模式下微生物量差異仍很明顯。該結(jié)果與目前關(guān)于礦區(qū)土壤微生物研究的相關(guān)結(jié)果相吻合[26-27]。樊文華等[26]的研究表明，平朔礦復(fù)墾7a后紫穗槐林、沙棗林和沙棘林土壤微生物數(shù)量最多的是紫穗槐林，其次是沙棗林，沙棘林微生物量最少。Guo等[27]研究表明，平朔礦區(qū)土地復(fù)墾使土壤微生物豐度不斷增加，但復(fù)墾20a后，土壤微生物豐度仍低于原地貌水平。本研究中復(fù)墾土壤C/N顯著高于原地貌（圖2），過高的C/N會抑制了土壤微生物的活性，這可能也是導(dǎo)致復(fù)墾土壤微生物量低于原地貌的潛在因素。事實上，從復(fù)墾土壤N含量來看，刺槐-油松混交林（RP）和刺槐純林（RM）TN含量高于UD樣地，而白桿-青桿-沙棘混交林（PPH）、沙棘純林（HM）全氮仍低于原地貌樣地。Frouz等[28]研究表明復(fù)墾土壤中存在N缺乏的問題，認(rèn)為N缺乏將導(dǎo)致復(fù)墾土壤動物和微生物活動所需養(yǎng)分不足，對復(fù)墾土壤成土過程構(gòu)成不利影響。因此，未來可能需要通過增施氮肥、有機(jī)肥等方式提高復(fù)墾土壤中N含量，以促進(jìn)復(fù)墾土壤質(zhì)量演替。

EOC主要由土壤中的易分解組分如多糖組成，同其他組分相比，EOC和土壤中微小粒徑、重組粒徑的結(jié)合比較密切，對有機(jī)碳中較穩(wěn)定組分的敏感性比較高[25]。EOC來源及其活性特征決定EOC含量在不同土壤中變異較大，比如，Bhattacharyya等[29]認(rèn)為印度一豆—麥輪作土壤中EOC占SOC比例為62%，而Culman[25]認(rèn)為土壤中EOC比例為4%。本研究中EOC/SOC為8.69%～62.51%，且復(fù)墾土壤EOC所占比例處于UR樣地和UD樣地之間，這表明土地復(fù)墾增加了EOC含量，但仍沒有達(dá)到原地貌水平。DOC主要來源于新鮮碳素，主要包括植物殘體、根系和有機(jī)酸、酚類、糖和氨基酸等分泌物[30]。DOC在土壤中的含量由土壤的吸附/解吸過程決定，受粘土負(fù)電荷和鐵氧化物正電荷平衡的影響[30]。本研究刺槐-油松混交林（RP）復(fù)墾土壤中DOC/SOC含量顯著低于其他樣地，這可能和RP樣地立地特征有關(guān)系。研究表明，雨水沖刷容易降低DOC與黏土的粘結(jié)力，進(jìn)而導(dǎo)致DOC隨降雨流失[31]，RP樣地為排土場邊坡，坡度達(dá)22°，大坡度造成的DOC流失可能是該樣地低DOC的原因。

從3種有機(jī)碳組分占總有機(jī)碳的比例看，復(fù)墾樣地活性碳比例顯著高于未復(fù)墾樣地，這表明復(fù)墾20a后土壤有機(jī)碳庫的活性組分在不斷增加。與原地貌相比，復(fù)墾土壤活性碳組分則較低，這表明復(fù)墾土壤有機(jī)碳活性仍沒有達(dá)到原地貌水平。張菁[32]發(fā)現(xiàn)隨著復(fù)墾年限增加，平朔礦復(fù)墾土壤有機(jī)質(zhì)由結(jié)構(gòu)簡單的低分子碳水化合物形態(tài)向分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜、多聚合較高芳香環(huán)結(jié)構(gòu)和大分子物質(zhì)演變，因此，復(fù)墾時間越長的土壤的分子量越大，芳香化和腐殖化程度越高。此外，由于復(fù)墾土壤缺乏分解木質(zhì)素的擔(dān)子菌等腐生真菌，隨著復(fù)墾年限增加，復(fù)墾土壤中木質(zhì)素等較難分解的穩(wěn)定性有機(jī)質(zhì)含量要高于原地貌土壤[33]。上述原因可能是復(fù)墾土壤活性碳組分低于原地貌土壤的原因之一?？傊?，植被重建后，隨著土壤總碳、氮庫總量的增加，土壤活性碳組分隨復(fù)墾時間而增加，但仍低于原地貌水平。值得注意的是，土壤碳、氮組分與土壤全鉀呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，這表明碳氮組分含量高的復(fù)墾土壤中全鉀含量低。其他礦區(qū)的相關(guān)結(jié)果表明，復(fù)墾土壤的鉀含量并沒有隨復(fù)墾時間增加而增加，反而在降低[34]，這可能是由于土壤質(zhì)量恢復(fù)過程中，植物生長消耗了土壤中的鉀，而鉀素沒有得到補充所致。鉀缺乏是否對土壤碳、氮組分恢復(fù)構(gòu)成抑制則尚需要進(jìn)一步探究。

4 結(jié) 論

1）復(fù)墾24 a后，平朔礦土壤碳、氮組分含量得到顯著提高，但各樣地碳、氮組分含量差異顯著。刺槐-油松混交林的土壤有機(jī)碳、水溶性碳、易氧化碳、全氮、水溶性氮等含量高于其他復(fù)墾樣地和未復(fù)墾樣地。

2）復(fù)墾24 a后，平朔礦土壤碳、氮組分仍沒有達(dá)到原地貌水平。4個復(fù)墾樣地微生物生物量碳含量占土壤有機(jī)碳含量的比例顯著低于原地貌樣地，刺槐-油松混交林的水溶性碳含量占土壤有機(jī)碳含量的比例顯著低于原地貌樣地，而原地貌易氧化碳含量占土壤有機(jī)碳含量的比例顯著高于刺槐純林、白桿-青桿-沙棘混交林和沙棘純林。從3種有機(jī)碳組分含量之和占總有機(jī)碳含量之比看，原地貌樣地高于4個復(fù)墾樣地。

3）土地復(fù)墾顯著提高了土壤碳、氮組分含量，尤以刺槐-油松混交林效果最優(yōu)，但復(fù)墾24 a后，土壤活性碳組分仍沒有達(dá)到原地貌水平。復(fù)墾土壤可能存在氮、鉀限制的特征，未來可通過施用氮肥、鉀肥等方式促進(jìn)復(fù)墾土壤質(zhì)量恢復(fù)。