安太堡露天矿不同复垦年限苜蓿草地植物和土壤化学计量特征

赵少婷 王改玲 张菁 刘焕焕

摘 要：为研究复垦过程中植物和土壤养分生态计量特征及其相关关系，对山西安太堡露天矿排土场不同复垦年限（3a、8a、20a、原地貌耕地）苜蓿地土壤和植物总有机碳（C）、全氮（N）、全磷（P）及其化学计量比进行分析，结果表明：20a苜蓿中茎、叶C∶N显著降低，N∶P显著升高，其中20a茎的N∶P为17.09，是3a的3.5倍;20a苜蓿茎中P含量明显降低，从而使茎C∶P明显增高。土壤C、N随复垦年限延长递增，P略有降低;土壤C∶P，N∶P随复垦年限增加而上升，C∶N呈先增加、后降低趋势。茎的C∶P、N∶P与0～10cm土壤的C∶P、N∶P分别呈极显著正相关（p<0.01），茎的N∶P与0～10cm土壤全P含量极显著负相关（p<0.01）。叶片N含量与0～10cm、10～20cm土壤N含量极显著正相关（p<0.01）。长期复垦提高了土壤C、N含量，苜蓿生长主要受到氮素限制向受到氮和磷的共同限制转变。研究结果为矿区土地复垦中植被恢复及土壤质量提升提供了理论依据。

关键词：土壤养分;植物养分;化学计量特征;复垦年限;苜蓿

中图分类号：S-3

文献标识码：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20200415048

收稿日期：2020-03-19

作者简介：赵少婷（1972-），女，硕士，高级农艺师。研究方向：土壤环境监测与治理修复;通讯作者王改玲（1971-），女，博士，教授。研究方向：土壤与矿区土地复垦。

生态化学计量学是分析生态系统中多种化学元素相互作用及其平衡，特别是碳、氮、磷平衡的科学[1，2]，是研究植物与土壤之间碳、氮、磷相关性及植物生长与养分供应关系的有效手段[3]。矿区生态系统是一个受采矿严重干扰的极度退化生态系统。在煤炭的露天开采过程中，原地貌形态完全改变，地层结构彻底破坏，土壤养分的初始状态彻底改变，植物种群亦不复存在[4，5]。土壤是植被恢复的物质基础，土壤碳、氮、磷等化学元素含量及生态计量比影响植物体内碳、氮、磷代谢及生态计量比，从而影响植物的生长发育。尤其是N素和P素，常常由于自然供应的限制，成为生态系统平衡及植被生长主要的限制性元素[6-8]。随着矿区植被的恢复，土壤中化学元素积累，生态计量比也随之改变[9]，这些变化又可以促进植被的恢复。

安太堡露天矿是我国最大的露天煤矿。经过20多年的复垦，已形成集林地、草地和耕地为一体的综合复垦工程。苜蓿（Medicago sativa）是一种多年生豆科草本植物，具有根瘤固氮能力、耐瘠薄等特点，能改良土壤。同时，苜蓿产草量高，草质优良，具有较高的饲用价值。作为一种生态经济效益兼优的生物复垦措施，在安太堡露天矿复垦区苜蓿已被大量种植，建成了以苜蓿为主的耕地快熟恢复、优质牧草种植等试验示范区100hm2有余。然而，矿区土地复垦研究多集中于土壤重构技术和植被配置模式的筛选[10，11]，以及不同复垦模式对土壤质量的影响研究[12-14]，生态计量研究则主要集中在自然生态系统或人工草地培育过程中植物和土壤的化学计量特征方面[15-23]，生态重建过程中植物和土壤生态计量特征研究较少[9]，长期苜蓿复垦条件下植物和土壤生态计量特征及其耦合关系的研究则更不多见，限制了对矿区土地复垦及生态重建过程中元素循环及平衡机制的认识。

本文以安太堡露天矿为研究区，探讨不同复垦年限苜蓿地植物和土壤C、N、P化学计量特征及其耦合关系，为矿区土地复垦中植被恢复及土壤质量提升提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

安太堡露天煤矿地处黄土高原东部，E112o11′～113o30′，N39o23′～39o37′。属温带半干旱大陆性季风气候区，多年平均气温4.8～7.8℃，平均降雨量428.2～449.0mm。土壤类型为栗钙土与栗褐土的过渡类型，物理风化强烈，土质偏砂。矿区地带性植被为干草原类型，生态环境十分脆弱。

1.2 样地选择和取样

通过资料查证、走访相关部门，并询问在该地进行长期研究的专家，综合考虑海拔、坡度以及基本土壤状况相近的立地条件，从中选择生物复垦年限分别为3a、8a和20a的3个复垦样地及1个原地貌耕地（对照）为研究样地（表1）。3个复垦样地，复垦开始时人工种植紫花苜蓿，之后不进行施肥和其它耕作管理。原地貌样地为未受采矿干扰的原有耕地。

2016年9月进行土壤和植物样品采集。采样时，3a和8a复垦地，苜蓿长势旺盛，野生杂草很少侵入;20a复垦地，苜蓿已退化，杂草大量侵入。将每个样地分为3个小区，每个小区内按“S”型5点法采样。土壤样品分层采集0～10cm，10～20cm土样。将土样自然风干后，过0.149mm筛。每个样点采集植物样4株，每个样区20株。将采集的植物样洗净，茎、叶分开，烘干，过筛，过筛后的土壤和植物样品用于总有机碳、全氮、全磷的测定。

1.3 测定项目及方法

总有机碳、全氮、全磷的测定均采用常规方法[24]。

1.4 数据处理

应用IBM SPSS 22.0软件中单因素方差分析（one-way ANOVA）以及最小显著性检验法（LSD），检验不同复垦年限间土壤和植物C、N、P含量及其化学计量比之间的差异，并对各个指标之间采用Pearson相关系数法进行相关性分析，用Excel进行植物和土壤C、N、P含量及生态计量比作图。

2 結果与分析

2.1 不同复垦年限苜蓿地植物C、N、P含量及生态计量比

对不同复垦年限苜蓿地植物茎、叶的碳、氮、磷含量进行统计分析（图1）。结果表明，随着复垦年限的增加，苜蓿茎、叶的碳、氮、磷含量表现为不同的变化规律。茎的C含量范围为401.12～410.37g/kg，随复垦年限的增加呈先降低后增加的趋势，8a显著低于3a和20a（p<0.05），而3a与20a差异不显著（p>0.05）。叶片C含量范围为361.00～456.65g/kg，随复垦年限延长呈先增加后降低的趋势，不同复垦年限间均存在显著性差异（p<0.05）。

茎的N含量范围为16.716～45.110g/kg，叶片的N含量范围为39.732～45.049g/kg，茎、叶N含量均随复垦时间延长递增，且不同复垦年限间差异显著（p<0.05），其中20a茎N含量最高，达到45.110g/kg，是3a茎含量的2.70倍。

茎的P含量范围为2.640～3.610g/kg，随复垦时间延长呈先增加后降低的趋势，8a苜蓿茎P含量显著高于3a，20a苜蓿茎P含量显著低于8a和3a（p<0.05）;叶片P含量范围为3.480～3.819g/kg，20a苜蓿叶片P含量显著高于3a和8a（p<0.05），而3a和8a差异不显著（p>0.05）。

不同样地苜蓿茎的C∶N随复垦年限延长显著降低，N∶P则随复垦年限的延长明显提高，其中20a茎的C∶N为9.10，较3a的24.37降低60.7%;20a茎的N∶P为17.09，是3a的3.5倍。20a茎的C∶P明显高于3a，高于8a（p<0.05）。不同样地苜蓿叶片的C∶N、C∶P表现为8a>3a>20a，且不同样地差异显著。叶片N∶P则表现为8a和20a显著高于3a（p<0.05），而8a和20a差异不显著（p>0.05）（图2）。与茎相比，叶片C∶N、N∶P的变异幅度较大。

2.2 不同复垦年限苜蓿地土壤C、N、P含量及生态计量比

不同样地0～10cm、10～20cm土层有机碳含量变化范围分别为2.64～7.77g/kg、1.84～5.57g/kg。隨复垦时间延长，各土层有机碳含量增加，且20a苜蓿地0～10cm土层有机碳含量显著高于原地貌耕地及其它样地。与原地貌耕地相比，20a苜蓿地0～10cm土层有机碳含量提高了30.1%，10～20cm土层亦逐渐接近原地貌耕地（图3）。

不同样地0～10cm、10～20cm土层全氮含量变化范围分别为0.208～0.523g/kg、0.103～0.406g/kg。与有机碳含量变化趋势相似，随复垦时间延长，各土层全氮含量增加，且20a苜蓿地0～10cm土层全氮含量显著高于原地貌耕地及其它样地。20a苜蓿地0～10cm土层全氮含量达到0.523g/kg，较原地貌耕地提高28.8%;10～20cm土层达到0.268g/kg，相当于原地貌耕地的66.0%。

不同样地0～10cm、10～20cm土层全磷变化范围分别为0.472～0.637g/kg、0.452～0.502g/kg。与有机碳、全氮的变化趋势不同，土壤全磷含量总体上表现为0～10cm土壤全磷含量低于10～20cm，且随复垦时间的延长而降低，但变异幅度较小。

不同样地土壤0～10cm、10～20cm土层C∶N变化范围分别为10.88～14.92、13.92～18.35。3a苜蓿地0～10cm土层C∶N显著低于其它样地（p<0.05），而其它样地间差异不显著（p>0.05）。随复垦年限的延长，10～20cm土层C∶N表现出逐渐降低的趋势，但各样地间差异不显著（p>0.05）。除原地貌耕地外，其它样地土壤均表现为10～20cm土层C∶N高于0～10cm土层（图4）。

不同样地土壤0～10cm、10～20cm土层C∶P变化范围分别为4.15～16.33、4.01～11.18。总体上表现为C∶P随复垦时间的延长而提高，且0～10cm土层提高的幅度明显高于10～20cm土层提高的幅度。复垦20a苜蓿地0～10cm土层C∶P明显高于10～20cm，亦明显高于原地貌耕地0～10cm土层C∶P（p<0.05）。

不同样地土壤0～10cm、10～20cm土层N∶P变化范围分别为0.38～1.10、0.22～0.81。与C∶P变化趋势相似，N∶P亦表现为随复垦时间的延长而提高，0～10cm土层提高的幅度高于10～20cm土层提高的幅度。复垦20a苜蓿地0～10cm土层N∶P明显高于10～20cm土层，亦高于原地貌耕地土壤0～10cm土层N∶P（p<0.05）。

2.3 苜蓿茎、叶与土壤中C、N、P含量、生态计量比的相关性

2.3.1 苜蓿茎、叶中C、N、P含量及其生态计量比的相关性

对苜蓿茎、叶中的C、N、P含量及其生态计量比进行相关性分析（表2），结果表明，茎的C、N含量与P含量呈极显著负相关（p<0.01），C含量与N含量相关性不显著（p>0.05）;茎的C∶N与N含量极显著负相关（p<0.01），与P含量极显著正相关（p<0.01）;茎的C∶P、N∶P均与P含量极显著负相关（p<0.01），茎C∶P与C、N极显著正相关（p<0.01），N∶P与N极显著正相关（p<0.05），与C相关性不显著（p>0.05）。说明茎的C∶P、N∶P分别由C、P含量以及N、P含量共同决定。

叶片N、P含量呈极显著相关（p<0.01），与C相关性不显著（p>0.05）;叶片C∶N、C∶P与C含量极显著相关（p<0.01），与N、P含量显著负相关（p<0.05）;N∶P与C、N、P含量均无显著相关性（p>0.05）。

2.3.2 苜蓿茎中与土壤中的C、N、P含量、生态计量比的相关性

对苜蓿茎与0～10cm、10～20cm土壤C、N、P含量及其生态计量比进行相关性分析（表3），结果表明，茎的N含量与0～10cm、10～20cm土壤N含量极显著正相关（p<0.01），茎的P含量与0～10cm、10～20cm土壤P含量无显著相关性（p>0.05）。茎的C∶P、N∶P与0～10cm土壤的C∶P、N∶P分别呈极显著正相关（p<0.01），茎的C∶P与10～20cm土壤的C∶P、N∶P呈显著正相关（p<0.05），而茎的N∶P与10～20cm土壤的C∶P、N∶P呈极显著正相关（p<0.01）。C∶N与0～10cm土层C∶N极显著正相关（p<0.01），与10～20cm土层C∶N相关性不显著（p>0.05）。

2.3.3 苜蓿叶片中与土壤中的C、N、P含量、生态计量比的相关性

对苜蓿叶片与0～10cm、10～20cm土壤C、N、P含量及其生态计量比进行相关性分析（表4）。结果表明，叶片N含量与0～10cm、10～20cm土壤N含量极显著相关（p<0.01）;叶片P含量与0～10cmN含量极显著正相关（p<0.01），与10～20cm土壤N含量显著正相关（p<0.05）。叶片N、P含量与0～10cm土壤P含量极显著负相关（p<0.01），与10～20cm土壤P含量无显著相关性（p>0.05）。叶片C∶P与0～10cm土壤C∶P极显著负相关，与10～20cm土壤相关性不显著（p>0.05），叶片C∶N、N∶P与0～10cm、10～20cm土壤C∶N、N∶P均无显著相关（p>0.05）。

3 讨论

植物作为陆地生态系统的子系统，植物碳、氮、磷含量及其生态计量比是生态系统过程及其功能的重要特征，体现了生态系统中碳积累动态及氮和磷养分限制格局[25，26]。在对森林植物生态计量特征的研究中发现，随年龄增加，植物木质化程度加深，C的积累增加，进而使森林植物C∶N呈增加的趋势[27，28]。苜蓿是一种多年生豆科牧草，其平均寿命超过20a[29]。王振南对黄土高原雨养区不同时间尺度苜蓿草地C、N、P生态计量特征的研究发现，苜蓿C、N、P含量和计量比随植物C同化和营养吸收能力、土壤营养供应等发生变化。由于频繁刈割，大量氮、磷移出草地生態系统，降低了高龄苜蓿中氮、磷含量，从而使高龄苜蓿（8龄）较低龄苜蓿（4龄、5龄）具有较高的C∶N[22，30]。本研究表明，不同复垦年限苜蓿茎、叶的C∶N随复垦年限延长递减。区别于王振南研究中苜蓿的频繁刈割，本研究中苜蓿种植之后，任其自然生长，3a、8a和20a不同年限苜蓿茎的C含量变化幅度为401.12～410.37g/kg，但苜蓿茎中N的积累则分别由3a的16.716g/kg增加到20a的45.110g/kg，增加幅度明显高于叶片C的变化幅度，从而使20a复垦土壤中苜蓿茎C∶N明显低于3a。叶片P含量随复垦时间延长呈增加趋势，20a苜蓿茎P含量出现明显降低，从而使得叶片C∶P明显降低，茎C∶P明显增高。其原因可能是磷在植物体内具有较强的再利用能力，试验区土壤为复垦土壤，磷含量较低。张菁等对相同样地的研究表明，20a苜蓿地0～20cm土壤全磷平均含量0.465g/kg，有效磷含量8.6g/kg[31]。茎作为连接土壤和叶片的中间部分，磷素缺乏时可引起茎中P向叶片转移。茎、叶N∶P则随复垦年限延长明显提高，且茎的变异幅度明显高于叶片，说明N的累积速度高于P，也进一步说明茎、叶中氮、磷分配的差异。

植物的C∶N和C∶P代表植物在吸收营养过程中对碳的同化能力，在一定程度上反映了植物对养分的利用效率[32]。本研究中苜蓿植物地上部分C∶N平均值为13.6，C∶P平均值为120.6，明显低于全球尺度内植物的C∶N（22.5）和C∶P（232）[1]，说明植物对养分的利用效率相对较低。其原因可能是研究区位于黄土高原北部干旱半干旱地区，干旱寒冷，植被生长速度慢，固碳效率较低。不同年限，20a苜蓿茎、叶C∶N均出现明显低于3a和8a，叶片C∶P亦出现明显降低，说明长期复垦降低了苜蓿对氮、磷的利用效率。

陆地植物器官中相对恒定的N∶P是植物在地球上生存的重要适应机制，可根据植物的N∶P判断环境对植物生长的养分供应状况。根据Koerselman和Meuleman的研究结果，N∶P<14表示植物生长受到氮素限制，N∶P>16表示植物生长受到磷素限制，N∶P在14～16之间表示植物生长同时受到氮和磷的共同限制[26]。一般认为，苜蓿属于豆科植物，具有固氮能力，不容易缺氮。本研究中3a、8a、20a苜蓿植物地上部分N∶P比平均值分别为8.16、8.77和14.45，说明复垦前期，苜蓿生长主要受到氮的限制;随着复垦年限延长，土壤中氮素积累，磷含量降低，苜蓿生长逐渐受氮和磷的共同限制。其原因可能是试验区土壤为矿区复垦土壤，土壤缺氮严重，复垦3a苜蓿地0～20cm土壤全N含量仅为0.173g/kg，明显低于原地貌耕地土壤。按照我国土壤肥力分级标准，土壤全氮属于6级（最低级）。

茎、叶中N含量与0～10cm、10～20cm土层N含量均呈极显著相关，叶中P含量与0～10cm、10～20cm土层N呈极显著或显著相关;茎的C∶P、N∶P与0～10cm、10～20cm土壤的C∶P、N∶P分别呈显著或极显著正相关，茎的N∶P还与0～10cm全P含量极显著负相关，这与王振南的研究结果基本一致[21]，进一步佐证了土壤氮、磷供应对苜蓿生长的限制。

4 结论

复垦年限影响苜蓿体内C、N、P的含量及其化学计量比。20a复垦土壤中苜蓿茎、叶C∶N明显降低，N∶P比明显升高。叶片P含量随复垦时间延长呈增加趋势，20a苜蓿茎中P含量出现明显降低，从而使得叶片中C∶P明显降低，茎中C∶P明显增高。

复垦年限影响土壤C、N、P含量及其化学计量比。随复垦时间延长，土壤C、N的含量递增，土壤P的含量略有降低;C∶N呈先升高后降低趋势，土壤C∶P和N∶P呈增加趋势。20a苜蓿地土壤C∶N、C∶P和N∶P均接近原地貌耕地水平。

苜蓿茎的C∶P、N∶P与茎中P含量呈极显著负相关，叶片C∶P亦与叶片P含量显著负相关。苜蓿茎的C∶P、N∶P与0～10cm、10～20cm土壤的C∶P、N∶P分别呈显著或极显著正相关，茎N∶P与0～10cm全P含量极显著负相关。随复垦年限的延长，苜蓿生长由氮限制型向氮磷共同限制转变。

参考文献

[1] Elser J J ， Sterner R W， Gorokhova E，et al. Biological stoichiometry from genes to ecosystems[J].Ecology Letters， 2000，3（6）：540-550.

[2]曾德慧，陈广生.生态化学计量学：复杂生命系统奥秘的探索[J].植物生态学报，2005，29（6）：1007-1019.

[3]王维奇，徐玲琳，曾从盛，等.河口湿地植物活体-枯落物-土壤的碳氮磷生态化学计量特征[J].生态学报，2011，31（23）：7119-7124.

[4]白中科，赵景逵，李晋川，等.大型露天煤矿生态系统受损研究——以平朔露天煤矿为例[J].生态学报，1999，19（6）：870-875.

[5]李晋川，白中科.露天煤矿土地复垦与生态重建[M].北京：科学出版社，2000.

[6]Güsewell S， Koerselman W， Verhoeven J T A. Biomass N∶P ratios as indicators of nutrient limitation for plant populations in wetlands[J]. Ecological Applications， 2003， 13（2）：372-384.

[7]Tessier J T，Raynal D J. Use of nitrogen to phosphorus ratios in plant tissue as an indicator of nutrient limitation and nitrogen saturation[J]. Journal of Applied Ecology， 2003，40（3）：523-534.

[8]李曼，靳冰洁，钟全林，等.氮磷添加对刨花楠幼苗叶片N、P化学计量特征的影响[J].应用与环境生物学报，2016，22（2）：285-291.

[9]王改玲，江山，张菁，等.安太堡露天矿不同复垦年限苜蓿地土壤养分化学计量特征[J].草地学报，2018，26（5）：1118-1123.

[10]倪含斌，張丽萍，吴希媛，等.矿区废弃地土壤重构与性能恢复研究进展[J].土壤通报，2007，38（2）：399-403.

[11]李晋川，白中科，柴书杰，等.平朔露天煤矿土地复垦与生态重建技术研究[J].科技导报，2009，27（17）：30-34.

[12]樊文华，白中科，李慧峰，等.不同复垦模式及复垦年限对土壤微生物的影响[J].农业工程学报，2011，27（2）：330-336.

[13]王翔，李晋川，岳建英，等.安太堡露天矿复垦地不同人工植被恢复下的土壤酶活性和肥力比较[J].环境科学，2013，34（9）：3601-3606.

[14]郭春燕，李晋川，岳建英，等.安太堡露天煤矿复垦区不同人工林土壤呼吸特征[J].水土保持通报，2015，35（3）：55-61.

[15]McGroddy M E， Daufresne T， Hedin L O. Scaling of C∶N∶P stoichiometry in forests worldwide： implications of terrestrial Redfield-type ratios[J]. Ecology， 2004， 85（9）：2390-2401.

[16]Oleksyn J， Reich P B. Global patterns of plant leaf N and P in relation to temperature and latitude[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of USA， 2004， 101 （30）：11001-11006.

[17]Han W X， Fang J Y， Guo D L，et al. Leaf nitrogen and phosphorus stoichiometry across 753 terrestrial plant species in China[J]. New Phytologist， 2005， 168 （2）： 377-385.

[18]阎恩荣，王希华，郭明，等.浙江天童常绿阔叶林、常绿针叶林与落叶阔叶林的C：N：P化学计量特征[J].植物生态学报，2010，34（1）：48-57.

[19]朱秋莲，邢肖毅，张宏，等.黄土丘陵沟壑区不同植被区土壤生态化学计量学特征[J].生态学报，2013，33（15）：4674-4682.

[20]饶丽仙，沈艳，聂明鹤.宁夏典型草原不同退耕年限草地植物-土壤生态化学计量特征[J].草业学报，2017，26（4）：43-52.

[21]杨菁，谢应忠，吴旭东，等.不同种植年限人工苜蓿草地植物和土壤化学计量特征[J].草业学报，2014，23（2）：340-345.

[22]王振南.黄土高原雨养农区不同时间尺度苜蓿草地C、N、P生态化学计量特征研究[D].兰州：兰州大学，2016.

[23]王惠，苗福泓，孙娟，等.鲁东南地区不同年龄紫花苜蓿N、P生态化学计量特征研究[J].草业学报，2017，26（8）：216-222.

[24]鲍士旦.土壤农化分析.第3版[M].北京：中国农业出版社，2005.

[25]栗忠飞，郭盘江，刘文胜，等.哀牢山常绿阔叶林幼树C、N、P生态化学计量特征[J].东北林业大学学报，2013，41（4）：22-26.

[26]Koerselman W， Meuleman A F M. The vegetation N∶P ratio： a new tool to detect the nature of nutrient limitation[J]. Journal of Applied Ecology， 1996， 33 （6）：1441-1450.

[27]Hooker T D， Compton J E. Forest ecosystem carbon and nitrogen accumulation during the first century after agricultural abandonment[J]. Ecological Applications， 2003（13）：299-313.

[28]Yang Y H， Luo Y Q. Carbon： nitrogen stoichiometry in forest ecosystems during stand development[J]. Global Ecology and Biogeography， 2011（20）：354-361.

[29]Bennett SM. Dry matter production of lucerne （Medicago sativa L.） under rotationalgrazing at Ashley Dene[D]. New Zealand： Lincoln University， 2012.

[30]王振南，杨惠敏.植物碳氮磷生态化学计量对非生物因子的响应[J].草业科学，2013，30（6）：927-934.

[31]张菁，江山，王改玲.安太堡露天矿不同复垦年限苜蓿地土壤养分和酶活性剖面特征[J].灌溉排水学报，2018，37（1）：42-48.

[32]羊留冬，杨燕，王根绪，等.短期增温对贡嘎山峨眉冷杉幼苗生长及其CNP化学计量学特征的影响[J].生态学报，2011，31（13）：3668-3676.

（责任编辑 李媛媛）