新邱露天煤礦排土場(chǎng)土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征

王丹寧，王東升，潘 帥，鹿之慧

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧阜新 123000)

排土場(chǎng)是煤炭在露天開(kāi)采過(guò)程中，剝離的巖土堆積體經(jīng)過(guò)搬運(yùn)倒堆形成了大面積的松散堆積體，煤礦的開(kāi)采在產(chǎn)生大量煤炭資源的同時(shí)，也在開(kāi)采過(guò)程中對(duì)生態(tài)系統(tǒng)造成了一些不利影響，如土地被壓占無(wú)法利用，礦渣中的重金屬不僅會(huì)污染周?chē)h(huán)境，更加制約了植物根系生長(zhǎng)，物料中的細(xì)小顆粒造成大氣揚(yáng)塵污染空氣，排土場(chǎng)邊坡容易產(chǎn)生滑坡崩塌、水土流失等地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題，其中，土壤和自然植被受破壞的程度尤為明顯，土壤養(yǎng)分貧瘠，自然植被演替受到干擾[1-5]。因此，在恢復(fù)和重建排土場(chǎng)生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程中，研究土壤和植被的演變和恢復(fù)成為重要課題。

良好的土壤條件是植物正常生長(zhǎng)發(fā)育的基礎(chǔ)，同時(shí)，土壤對(duì)維持生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力和碳匯等都起到重要作用。人類不合理的活動(dòng)對(duì)土壤表層造成擾動(dòng)，使其土壤質(zhì)量和覆蓋的植被受到破壞，研究土壤養(yǎng)分狀況是探究土壤演替和成土作用的重要評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)之一，對(duì)于露天煤礦排土場(chǎng)生態(tài)重建與恢復(fù)工作有著十分重要的意義[6]。在國(guó)外，對(duì)排土場(chǎng)恢復(fù)重建的研究起步較早，Levi等[7]利用有機(jī)質(zhì)等土壤物化屬性評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn)恢復(fù)區(qū)土壤質(zhì)量高于臨近自然區(qū)；Bennett等[8]通過(guò)監(jiān)測(cè)氮、磷等土壤養(yǎng)分判定露天礦恢復(fù)區(qū)已具有土地生產(chǎn)力；Roy等[9]通過(guò)溫室和田間試驗(yàn)相結(jié)合來(lái)探究改善干旱半干旱煤礦退化土壤的生態(tài)恢復(fù)問(wèn)題；Ribeiro等[10]通過(guò)研究有機(jī)碳、全氮等土壤養(yǎng)分含量，并進(jìn)行相關(guān)分析，得出土壤有機(jī)碳、全氮等養(yǎng)分可以改善土壤質(zhì)量。在國(guó)內(nèi)，包玉英等[11-12]對(duì)排土場(chǎng)理化性質(zhì)的研究得出一些土壤養(yǎng)分間具有相關(guān)關(guān)系；珊丹等[13-14]通過(guò)對(duì)排土場(chǎng)不同植被類型下的土壤養(yǎng)分的研究，得出相對(duì)最優(yōu)植被模式；李鵬飛等[15-16]對(duì)不同利用方式下不同土層的土壤碳氮磷進(jìn)行養(yǎng)分測(cè)定，得出養(yǎng)分限制對(duì)生態(tài)恢復(fù)有重要作用。同時(shí)對(duì)于阜新露天排土場(chǎng)前人也有一定研究，許麗等[17]對(duì)孫家灣矸石山的物種多樣性進(jìn)行研究，得出在不同排矸年限地段，物種組成變化較大，且由一年生草本群落逐漸演變?yōu)橛軜?shù)群落；王凱等[18]研究得出坡位和坡向是影響排土場(chǎng)邊坡生態(tài)恢復(fù)過(guò)程中植物多樣性的重要因子；王東麗等[19]從土壤物理性角度發(fā)現(xiàn)可利用土壤分形維數(shù)表征土壤特性，進(jìn)行適宜的利用與改造；呂剛等[20]對(duì)排土場(chǎng)邊坡水土流失效應(yīng)進(jìn)行模擬降雨研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著侵蝕溝的增大，土壤侵蝕越嚴(yán)重。惡劣的土壤結(jié)構(gòu)條件和有限的養(yǎng)分有效性是排土場(chǎng)恢復(fù)為本地植被的關(guān)鍵制約因素。土壤養(yǎng)分在退化礦區(qū)土壤恢復(fù)中發(fā)揮著重要作用，作為研究土壤質(zhì)量狀況的重要指標(biāo)，土壤有機(jī)碳(SOC)、全氮(TN)、全磷(TP)、全鉀(TK)是研究土壤肥力的重要指標(biāo)，對(duì)植物的生長(zhǎng)起著關(guān)鍵作用。同時(shí)，采用的生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)的研究手段也可以更好地理解不同植被與自然環(huán)境養(yǎng)分循環(huán)過(guò)程和相互作用關(guān)系。該研究通過(guò)對(duì)排土場(chǎng)植物-土壤發(fā)展不同階段土壤SOC、TN、TP、TK含量及其生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征研究，探討土壤形成及植物發(fā)展過(guò)程中排土場(chǎng)生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)與積累機(jī)制，為該地區(qū)排土場(chǎng)生態(tài)恢復(fù)提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況研究區(qū)位于遼寧省阜新市新邱露天煤礦排土場(chǎng)，地處126°46′～126°48′E、42°03′～42°04′N。該區(qū)域?qū)贉貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候。7—9月為降水集中月份，且雨量分布不均，易出現(xiàn)階段性干旱。多年平均降水量約519.9 mm，年際間變率大；年平均蒸發(fā)量1 700 mm，是降水量的3.27倍。年平均氣溫8.1 ℃，相對(duì)濕度57%，無(wú)霜期150 d，全年日照時(shí)數(shù)為2 859.5 h。年平均風(fēng)速2.4 m/s，6級(jí)以上大風(fēng)日數(shù)年均75 d以上[21]。

1.2 土壤樣品的采集及測(cè)定土壤樣品于2020年10月采集，在研究區(qū)域內(nèi)選取4種植物群落，即草本植物藜科豬毛菜(SalsolacollinaPall.)、禾本科狗尾草[Setariavividis(L.)Beauv]、灌木蘿藦科杠柳(PeriplocasepiumBunge)、喬木榆科榆樹(shù)(UlmuspumilaL.)，以坡面裸地為對(duì)照，采用多點(diǎn)混合采樣法，按0～10、10～20和20～30 cm分層取土壤樣品，樣品在實(shí)驗(yàn)室經(jīng)風(fēng)干、研磨、過(guò)篩后進(jìn)行指標(biāo)測(cè)定。土壤有機(jī)碳(SOC)采用重鉻酸鉀外加熱氧化法測(cè)定，全氮(TN)采用半微量凱氏定氮法測(cè)定，全磷(TP)采用NaOH熔融-鉬銻抗比色法測(cè)定，全鉀(TK)采用NaOH熔融-火焰光度法[22]測(cè)定。

1.3 數(shù)據(jù)處理所有數(shù)據(jù)采用Excel 2016整理，應(yīng)用SPSS 26.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用單因素方差分析(One-way ANOVA)檢驗(yàn)不同植被下土壤中SOC、TN、TP、TK含量和C∶N、C∶P、C∶K、N∶P(全量比值)之間差異，采用最小顯著差異法(LSD)進(jìn)行多重比較，對(duì)土壤養(yǎng)分含量及化學(xué)計(jì)量特征進(jìn)行Pearson相關(guān)分析，應(yīng)用SigmaPlot 14.0軟件進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同植被類型下土壤養(yǎng)分含量

2.1.1表層土壤養(yǎng)分含量。從圖1可以看出，土壤SOC、TN、TP和TK含量在4種典型植被間存在差異，4種植被下表層土壤(0～10 cm)SOC、TN、TP和TK含量平均值分別為32.17、0.77、0.66和31.48 g/kg。不同植被條件下，0～10 cm土壤SOC、TN、TK含量從大到小依次為榆樹(shù)>杠柳>狗尾草>豬毛菜>裸地，TP含量從大到小依次為榆樹(shù)>豬毛菜>狗尾草>杠柳>裸地?？梢?jiàn)，榆樹(shù)和杠柳植物群落下的土壤SOC、TN、TK在土壤表層的養(yǎng)分積累效果較佳，達(dá)到了差異顯著水平(P<0．05)，土壤TP含量在榆樹(shù)和豬毛菜不同植被類型下土壤間差異不顯著，但土壤SOC、TN、TP、TK含量均顯著高于裸地坡面。排土場(chǎng)土壤演替過(guò)程中，土壤肥力的變化在最初級(jí)的恢復(fù)階段，豬毛菜作為先鋒物種最先侵入，雖覆蓋率較低，但由于其耐旱耐瘠薄的植物特性得以生存，隨著土壤環(huán)境的改善，各元素指標(biāo)也有所改善，狗尾草逐漸替代豬毛菜成為優(yōu)勢(shì)物種，此時(shí)仍屬于植被演替的早期階段，狗尾草和豬毛菜的共同作用下土壤條件不斷得到優(yōu)化，灌木杠柳和小型喬木榆樹(shù)的出現(xiàn)和生長(zhǎng)逐漸代替草本植物(豬毛菜、狗尾草)成為優(yōu)勢(shì)物種，在一定程度上對(duì)土壤肥力產(chǎn)生更加積極的影響。

注：不同小寫(xiě)字母表示差異顯著(P<0.05)

2.1.2土壤養(yǎng)分含量垂直變化。從圖2可以看出，土壤SOC、TN、TP和TK含量分別為22.25～51.31、0.57～1.52、0.35～0.67和23.37～38.94 g/kg。不同植物在不同土層養(yǎng)分含量存在差異性，在0～10、10～20 cm土層土壤SOC、TN含量從大到小依次為榆樹(shù)>杠柳>狗尾草>豬毛菜，土壤TK在0～10、10～20 cm土層表現(xiàn)為榆樹(shù)植物群落下土壤含量最高。土壤碳、氮、磷元素在0～20 cm土層間受植物群落種類不同的影響顯著，土壤鉀元素對(duì)土層深度影響更大，表現(xiàn)為灌木喬木植物群落>草本植物群落。榆樹(shù)、杠柳、狗尾草、豬毛菜養(yǎng)分含量在各土層均高于裸地。SOC、TN、TP、TK含量均表現(xiàn)為0～10 cm>10～20 cm>20～30 cm，土壤養(yǎng)分含量受垂直深度的影響，各元素含量在不同植被類型間存在一定差異，隨著土層加深，與裸地的差異逐漸變小，且隨著土層深度的增加，各土壤養(yǎng)分元素含量與裸地之間的差異逐漸減小。

注：不同小寫(xiě)字母表示同一植被不同土層之間差異顯著(P<0.05)，不同大寫(xiě)字母表示同一土層不同植被之間差異顯著(P<0.05)

2.1.3表層土壤SOC、TN、TP、TK的相關(guān)關(guān)系。為探究該研究區(qū)表層土壤(0～10 cm)不同植被下土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征的相關(guān)關(guān)系，對(duì)不同植被下土壤SOC、TN、TP、TK含量進(jìn)行Pearson相關(guān)分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)(表1)，不同植被類型間的相關(guān)關(guān)系存在明顯差異。豬毛菜植被下土壤中各養(yǎng)分相關(guān)關(guān)系不顯著；狗尾草植被下土壤中SOC與TN呈顯著正相關(guān)；在杠柳植被下土壤中SOC與TN呈極顯著正相關(guān)，SOC和TN與TK均呈極顯著負(fù)相關(guān)；在榆樹(shù)植被下土壤中TN與TP、TK分別呈顯著、極顯著負(fù)相關(guān)，TK與TP呈顯著正相關(guān)；在裸地土壤中SOC與TN、TK均呈極顯著正相關(guān)，TN與TK呈顯著正相關(guān)。

表1 不同植被下表層土壤SOC、TN、TP、TK含量之間的相關(guān)性

2.2 不同植被類型下土壤C、N、P、K化學(xué)計(jì)量特征從圖3可以看出，4種植被類型下不同土層土壤的C∶N、C∶P、C∶K、N∶P(全量比值)與裸地坡面變化具有一定差異。豬毛菜、狗尾草、杠柳和榆樹(shù)下的土壤的C∶P、N∶P在0～30 cm下明顯低于裸地坡面(P<0.05)。0～10 cm土層，C∶N從大到小依次為豬毛菜>狗尾草>杠柳>榆樹(shù)，C∶P、N∶P從大到小依次為榆樹(shù)>杠柳>狗尾草>豬毛菜，C∶K從大到小依次為杠柳>榆樹(shù)>狗尾草>豬毛菜。10～20 cm土層，C∶N從大到小依次為榆樹(shù)>杠柳>豬毛菜>狗尾草，C∶P從大到小依次為榆樹(shù)>杠柳>狗尾草>豬毛菜，C∶K、N∶P從大到小依次為杠柳>榆樹(shù)>狗尾草>豬毛菜。20～30 cm土層，C∶N從大到小依次為杠柳>榆樹(shù)>豬毛菜>狗尾草，C∶P從大到小依次為榆樹(shù)>豬毛菜>杠柳>狗尾草，C∶K從大到小依次為豬毛菜>狗尾草>榆樹(shù)>杠柳，N∶P從大到小依次為狗尾草>豬毛菜>榆樹(shù)>杠柳。

注：不同小寫(xiě)字母表示同一植被不同土層之間差異顯著(P<0.05)，不同大寫(xiě)字母表示同一土層不同植被之間差異顯著(P<0.05)

3 討論

3.1 表層土壤養(yǎng)分含量分析該研究中，4種植被下表層土壤(0～10 cm)SOC、TN、TP含量平均值分別為32.17、0.77、0.66 g/kg，與全國(guó)表層土壤C含量(10.32 g/kg)、N含量(1.86 g/kg)和P含量(0.78 g/kg)相比，SOC含量顯著高于全國(guó)均值，TN和TP低于全國(guó)均值[23]。SOC、TN、TK含量從大到小依次為喬木植被(榆樹(shù))>灌木植被(杠柳)>草本植被(狗尾草>豬毛菜)，TP含量從大到小依次為灌木植被(杠柳)>草本植被(狗尾草>豬毛菜)>喬木植被(榆樹(shù))，所以土壤肥力水平在不同植被間表現(xiàn)為喬木樹(shù)種SOC、TN、TK含量高、草本植被含量低的特點(diǎn)，這一研究結(jié)果與王琛[24]對(duì)于土壤演替規(guī)律的研究結(jié)果一致。同時(shí)，4種植被下的土壤SOC、TN、TP、TK含量均高于裸地坡面，也在一定程度上說(shuō)明自然植被可以改善土壤質(zhì)量，這與王曉琳等[25-26]對(duì)于排土場(chǎng)研究適生植物對(duì)土壤形成和演變有積極作用，使得土壤養(yǎng)分條件得到改善，從而促進(jìn)植被重建的研究結(jié)果一致。

3.2 不同土層土壤養(yǎng)分變化分析該研究對(duì)4種典型植被SOC、TN、TP、TK含量進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)各元素含量在不同植被類型間存在一定差異，且隨著土層加深，與裸地對(duì)照的差異逐漸變小，說(shuō)明植被對(duì)土壤表層養(yǎng)分含量的影響較大，垂直分布存在表層聚集現(xiàn)象。同時(shí)，土壤SOC、TN含量在3層土壤間表現(xiàn)為顯著的趨同現(xiàn)象，越向下養(yǎng)分含量越接近裸地土壤養(yǎng)分含量，TP、TK含量則表現(xiàn)不顯著，分析其原因在于隨著土層的加深，成土作用越來(lái)越弱，養(yǎng)分含量就越來(lái)越接近裸地。

考慮是以下3方面原因：一是地表植被產(chǎn)生的凋落物的歸還，比如植物通過(guò)光合作用固定C，產(chǎn)生有機(jī)物，將其轉(zhuǎn)移或以凋落物形式補(bǔ)給到土壤中，而表層土壤的通氣狀況較好，根區(qū)土壤與凋落物中N、P具有較好的相關(guān)性，有利于微生物將凋落物分解后的一部分N、P返還土壤，致使土壤養(yǎng)分在凋落物和腐殖質(zhì)的積累在不同土層中呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)。二是降雨量不足導(dǎo)致成土作用的影響深度有限。該研究區(qū)域地處干旱半干旱地區(qū)，年降雨量500 mm左右，在排土場(chǎng)風(fēng)化過(guò)程中，沉積巖通過(guò)降雨作用下的巖石風(fēng)化進(jìn)程緩慢，對(duì)土壤深度的影響有限，降雨對(duì)于成土作用的影響也就越來(lái)越微弱，巖石風(fēng)化速度限制，因此土壤肥力狀況也受到土層深度受到限制。三是不同植被類型對(duì)土壤肥力的影響不同。杠柳和榆樹(shù)這類灌木、小型喬木一般生長(zhǎng)高度可達(dá)1 m以上，深層次的植被相對(duì)比豬毛菜和狗尾草這類高度一般在10～50 cm的草本植物，在對(duì)土壤中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、養(yǎng)分吸收和能量轉(zhuǎn)化過(guò)程，起到了更加積極的作用，表現(xiàn)出灌木、小型喬木高于裸地坡面的養(yǎng)分含量，且草本植物隨土壤深度加深，養(yǎng)分含量與裸地差異越來(lái)越小。不同土壤深度土壤SOC、TN、TP、TK含量存在差異，但土壤養(yǎng)分隨土壤深度的增加存在逐漸減小的趨勢(shì)，這一現(xiàn)象與前人[27-28]的研究規(guī)律一致。

3.3 表層土壤SOC、TN、TP、TK的相關(guān)關(guān)系分析通過(guò)相關(guān)關(guān)系分析可以發(fā)現(xiàn)，不同植被類型間的相關(guān)關(guān)系存在明顯差異，其中狗尾草和杠柳植被下土壤的SOC與TN存在顯著正相關(guān)，這與劉衛(wèi)華等[29-30]的研究結(jié)論一致。說(shuō)明土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征間相互制約，反映在排土場(chǎng)的生態(tài)系統(tǒng)中，不同植被下的土壤養(yǎng)分因子的變化是緊密相關(guān)相互影響的。在植被發(fā)展與土壤演替的過(guò)程中，不同植被類型所需要的土壤養(yǎng)分存在差異，由于不同植被所需要的養(yǎng)分條件不同，表現(xiàn)出相關(guān)性差異大，這與李向磊等[31]研究得出植被群落對(duì)土壤養(yǎng)分的需求不同而在群落植被中表現(xiàn)不同的結(jié)論一致。隨著土壤演替的不斷進(jìn)行，各植被類型在土壤養(yǎng)分間均存在一定相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明植被發(fā)展與土壤演替間存在相互作用、共同促進(jìn)的積極影響，這與畢銀麗等[1]研究得出土壤SOC、TN、TP、TK等營(yíng)養(yǎng)元素含量的豐缺影響植被的生長(zhǎng)，同時(shí)植被恢復(fù)有利于土壤肥力水平的提高的結(jié)論一致。

3.4 土壤SOC、TN、TP、TK化學(xué)計(jì)量特征分析該研究中，4種植被下表層土壤(0～10 cm)C∶N、C∶P、N∶P平均值分別為41.78、48.61、1.16，表層土壤全量比值與國(guó)內(nèi)富含SOC的土壤中生物與環(huán)境間0～10 cm土層相對(duì)應(yīng)的C∶N(14.4)、C∶P(136)和N∶P(9.3)比值相較[32]，C∶N顯著高于全國(guó)均值，C∶P、N∶P低于全國(guó)均值。C∶N較高(>25)表明有機(jī)質(zhì)的積累速度快于分解速度，可能原因是該研究區(qū)域露天煤礦排土場(chǎng)在排放過(guò)程中含有大量煤矸石，由于測(cè)定方法限制，導(dǎo)致測(cè)定的有機(jī)碳中有相當(dāng)一部分是混雜到排土場(chǎng)當(dāng)中的煤矸石中的碳，所以測(cè)定的有機(jī)質(zhì)含量偏高，導(dǎo)致SOC含量高，所以C∶N全量比值高于全國(guó)水平。土壤N∶P在植物生長(zhǎng)時(shí)受限制的臨界值是14和16，N∶P≤14時(shí)，植物生長(zhǎng)受N限制，在14

不同植被類型下土壤間化學(xué)計(jì)量特征存在差異，土壤C∶P、N∶P在不同植被類型間表現(xiàn)為裸地坡面>灌木喬木>草本植物；土壤C∶N、C∶K不同植被類型間差異不明顯。豬毛菜、狗尾草作為先鋒植物，C∶N、C∶K與裸地差異小，說(shuō)明其表層土壤更加接近排土場(chǎng)未恢復(fù)的原土，土壤氮、鉀元素尚未得到明顯改善。4種植被C∶P、N∶P均與裸地差異大，且喬木(榆樹(shù))和灌木(杠柳)比值高于草本植物(豬毛菜和狗尾草)，說(shuō)明土壤情況得到進(jìn)一步改善。

在垂直方向(0～30 cm)，4種植被類型C∶N、C∶P、C∶K和N∶P與裸地坡面均存在差異。C∶P和N∶P 3層土壤全量比值與裸地差異隨土層加深而增大，原因在于不同植被在0～30 cm全磷含量顯著高于裸地，甚至3倍以上，且變化差異顯著高于裸地，所以比值差異低于裸地比值。SOC和TK含量在0～30 cm土層也顯著高于裸地，但程度沒(méi)有TP高，因此C∶N和C∶K在3個(gè)土層與裸地相比的差異顯著性低于C∶P和N∶P的顯著程度。

4 結(jié)論

該研究探究了新邱露天煤礦排土場(chǎng)4種典型植被類型(豬毛菜、狗尾草、榆樹(shù)、杠柳)土壤的生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征，結(jié)果表明：

(1)4種植被類型下的土壤SOC、TN、TP、TK含量呈現(xiàn)表層富集，不同植被間的土壤元素含量存在一定差異，含量均高于裸地，說(shuō)明植被對(duì)成土作用和土壤演替有積極作用，且榆樹(shù)植被對(duì)土壤SOC、TN、TP、TK元素的積累效果更好，更有利于土壤條件恢復(fù)。

(2)不同類型植被影響土壤養(yǎng)分循環(huán)，但影響深度有限，在土層垂直方向，4種典型植被土壤養(yǎng)分含量均存在隨土層加深而減小的趨勢(shì)，且差異逐漸減小，越向下層養(yǎng)分含量越接近裸地。

(3)在不同植被類型間，土壤養(yǎng)分含量存在一定的相關(guān)關(guān)系，化學(xué)計(jì)量特征存在一定差異，土壤養(yǎng)分富集影響不同植被間化學(xué)計(jì)量特征，不同植被類型與土壤演替相互作用，土壤養(yǎng)分主要受土壤氮素控制。