排土場不同復(fù)墾模式土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征

劉寶勇,潘 琪*，甄博珺，何志勇

(1.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；2.阜新市林業(yè)發(fā)展服務(wù)中心，遼寧阜新 123000)

生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)是將生物學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)的基本原理統(tǒng)合起來，并在化學(xué)元素的生態(tài)過程中研究其數(shù)量關(guān)系。它把生態(tài)學(xué)中各種研究的理論有機(jī)地結(jié)合到一起，提供了研究元素化學(xué)循環(huán)與過程中的計(jì)量關(guān)系和規(guī)律的方法，主要強(qiáng)調(diào)元素的化學(xué)計(jì)量特征關(guān)系。近年來生態(tài)化學(xué)計(jì)量的研究逐漸成為熱點(diǎn)，王紹強(qiáng)等[1]分析了生態(tài)系統(tǒng)中C、N和P元素之間的相互關(guān)系，研究了元素之間的平衡與生態(tài)的相互作用和影響。土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量研究可以較為直觀地闡明土壤養(yǎng)分的限制性因素，所以，為了更好地理解生態(tài)系統(tǒng)中的養(yǎng)分循環(huán)及其限制因子，就要從土壤的化學(xué)計(jì)量入手。

目前土壤的化學(xué)計(jì)量研究主要集中在森林系統(tǒng)[2-3]，關(guān)于礦區(qū)排土場退化生態(tài)系統(tǒng)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(fù)的退化生態(tài)系統(tǒng)，利用化學(xué)計(jì)量學(xué)對(duì)排土場主要的4種復(fù)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(jìn)行研究，研究其養(yǎng)分變化及相互關(guān)系進(jìn)而更好地理解C、N、P潛在的生態(tài)學(xué)過程和影響機(jī)理，對(duì)于掌握排土場生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)過程中養(yǎng)分循環(huán)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(fù)與重建提供理論與實(shí)踐指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)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(fēng)氣候，春季干旱多以風(fēng)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(fā)量約為降水量的4倍。無霜期156 d左右，凍結(jié)深度1.4 m左右。

海州露天礦排土場復(fù)墾地區(qū)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(fēng)化物殘積母質(zhì)、黃土以及紅土母質(zhì)上的淋溶褐土、褐土性土組成，土壤厚度薄、營養(yǎng)成分低。經(jīng)過一系列的修復(fù)工作，環(huán)境得到了一定的改善，栽植適應(yīng)性強(qiáng)、抗逆性強(qiáng)、根系發(fā)達(dá)、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(nèi)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(fù)墾區(qū)作為研究區(qū)，在每個(gè)研究區(qū)內(nèi)設(shè)置10 m×10 m 的樣方，采用“S布點(diǎn)法”在樣方中選擇5個(gè)樣點(diǎn)，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?bào)w等雜物，風(fēng)干，過100目篩(0.149 mm)。

1.3 土壤指標(biāo)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(shù)據(jù)分析利用 Excel軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行整理和計(jì)算，利用SPSS 23對(duì)結(jié)果進(jìn)行方差分析，并利用Pearson相關(guān)系數(shù)對(duì)各個(gè)因子的相關(guān)性進(jìn)行判定，利用Origin 2021軟件進(jìn)行制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同復(fù)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(fù)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(xiàn)“表聚”現(xiàn)象。在同一土層深度不同復(fù)墾模式中，0～10、10～20 cm土層中土壤C含量各復(fù)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(fù)墾模式(P<0.05)，草地土壤C含量均顯著低于其他復(fù)墾模式(P<0.05)。

表1 不同復(fù)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(fù)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(fù)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(xiàn)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(fù)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(fù)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(fù)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(fù)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(fù)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(fù)墾模式土壤C、N、P化學(xué)計(jì)量比從圖1可以看出，不同復(fù)墾模式土壤C∶N和C∶P隨土層深度的變化并未呈現(xiàn)一致的規(guī)律。在刺槐純林、白榆純林、刺槐白榆混交林和草地復(fù)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(fù)墾模式(P<0.05)。

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

所有復(fù)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(fù)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(fù)墾模式(P<0.05)。

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

表2 不同復(fù)墾模式土壤C、N、P含量及其比值的相關(guān)性

3 結(jié)論與討論

3.1 不同復(fù)墾模式土壤C、N、P含量變化特征土壤養(yǎng)分是植物生長的關(guān)鍵因素，它的供應(yīng)與植物的光合作用、代謝等過程有著緊密的相關(guān)性，同時(shí)植物也能有效提高土壤的C、N、P含量，且不同的復(fù)墾模式會(huì)影響土壤養(yǎng)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(biāo)志，在林業(yè)可持續(xù)發(fā)展中發(fā)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(yǎng)狀況的主要因子，是反映土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)[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(jù)全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[8]，土壤C含量為一級(jí)，土壤N含量為六級(jí)，土壤P含量為四級(jí)，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(fù)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(chǎn)生的C和N在表層積累，通過水等介質(zhì)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(shí)正處于植物的生長發(fā)育期，根系從下向上吸收養(yǎng)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(fù)墾模式。土壤P含量在3個(gè)土層之間沒有顯著差別(P>0.05)，P含量基本是穩(wěn)定狀態(tài)，呈“圓柱體”分布，與湘潭錳礦欒樹土壤P含量呈現(xiàn)一致規(guī)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(yǎng)分累積作用，證實(shí)了呂文強(qiáng)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(jié)果。

3.2 不同復(fù)墾模式土壤C、N、P化學(xué)計(jì)量比變化特征土壤C、N、P化學(xué)計(jì)量特征是土壤肥力和養(yǎng)分循環(huán)變化的重要指標(biāo)[11-12]。阜新海州露天礦排土場4種不同復(fù)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(guān)，微生物需要從土壤中攝取N來滿足生長需要[14]，有機(jī)質(zhì)的分解速率較慢，何高迅等[15]認(rèn)為當(dāng)土壤C∶N越高，越有利于有機(jī)物的積累，4種復(fù)墾模式土壤均在有機(jī)物積累階段。土壤C∶P的高低與全磷含量關(guān)系密切，是P有效性的重要指標(biāo)。土壤C∶P高不利于微生物分解有機(jī)質(zhì)，且微生物會(huì)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(yù)測不同土壤養(yǎng)分的限制類型。研究表明，N∶P<10時(shí)受N限制[17]，該研究發(fā)現(xiàn)4種復(fù)墾模式土壤養(yǎng)分受N限制。

3.3 土壤C、N、P含量及其比值的相關(guān)性分析該研究結(jié)果表明，土壤C含量與土壤C∶N呈顯著負(fù)相關(guān)，土壤P含量與土壤C含量呈極顯著正相關(guān)，與土壤C∶N呈極顯著負(fù)相關(guān)，說明土壤養(yǎng)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(fù)。