排土场不同复垦模式土壤生态化学计量特征

刘宝勇,潘 琪*，甄博珺，何志勇

(1.辽宁工程技术大学环境科学与工程学院，辽宁阜新 123000；2.阜新市林业发展服务中心，辽宁阜新 123000)

生态化学计量学是将生物学、化学、物理学的基本原理统合起来，并在化学元素的生态过程中研究其数量关系。它把生态学中各种研究的理论有机地结合到一起，提供了研究元素化学循环与过程中的计量关系和规律的方法，主要强调元素的化学计量特征关系。近年来生态化学计量的研究逐渐成为热点，王绍强等[1]分析了生态系统中C、N和P元素之间的相互关系，研究了元素之间的平衡与生态的相互作用和影响。土壤生态化学计量研究可以较为直观地阐明土壤养分的限制性因素，所以，为了更好地理解生态系统中的养分循环及其限制因子，就要从土壤的化学计量入手。

目前土壤的化学计量研究主要集中在森林系统[2-3]，关于矿区排土场退化生态系统的研究还很少。阜新海州露天矿排土场作为人为破坏后简单修复的退化生态系统，利用化学计量学对排土场主要的4种复垦模式[刺槐(RobiniapseudoacaciaL.)纯林、白榆(UlmuspumilaL.)纯林、刺槐白榆混交林和草地]的土壤进行研究，研究其养分变化及相互关系进而更好地理解C、N、P潜在的生态学过程和影响机理，对于掌握排土场生态系统修复过程中养分循环及限制因素具有重要意义，为阜新海州露天矿排土场植被恢复与重建提供理论与实践指导。

1 材料与方法

1.1 研究区概况阜新市海州露天矿排土场位于121°39′25″E、41°57′22″N，东西长7 km，南北宽3 km，占地16 km2，海拔240.7 m。温带半干旱大陆性季风气候，春季干旱多以风沙天气为主，夏季高温，秋季温度适宜，早晚温差较大，冬季干冷，降雪较少。降水集中于7、8、9月，年平均降水量为500 mm 左右，蒸发量约为降水量的4倍。无霜期156 d左右，冻结深度1.4 m左右。

海州露天矿排土场复垦地区土壤条件极差，属于地带性土壤，主要是由不同类型的岩石风化物残积母质、黄土以及红土母质上的淋溶褐土、褐土性土组成，土壤厚度薄、营养成分低。经过一系列的修复工作，环境得到了一定的改善，栽植适应性强、抗逆性强、根系发达、生长快、能有效改良土壤、播种栽植简单、成活率高的植物。

1.2 样品采集该研究于2021年5月在阜新海州露天矿排土场内选择造林年限相同、立地条件相似的刺槐纯林、白榆纯林、刺槐白榆混交林和草地复垦区作为研究区，在每个研究区内设置10 m×10 m 的样方，采用“S布点法”在样方中选择5个样点，除去表层的枯落物层，然后按0～10、10～20、20～30 cm分层，将收集的土壤用“四分法”混合，样品分别压缩到500 g装袋。将土壤样本除去石块、植物残体等杂物，风干，过100目筛(0.149 mm)。

1.3 土壤指标测定方法土壤C含量采用重铬酸钾容量法-外加热法测定；土壤N含量采用凯式定氮法测定；土壤P含量采用氢氧化钠熔融-钼锑抗比色法[4]测定。

1.4 数据分析利用 Excel软件对试验结果进行整理和计算，利用SPSS 23对结果进行方差分析，并利用Pearson相关系数对各个因子的相关性进行判定，利用Origin 2021软件进行制图。

2 结果与分析

2.1 不同复垦模式土壤C、N、P含量从表1可以看出，在刺槐纯林、白榆纯林、刺槐白榆混交林和草地复垦模式下，0～30 cm土层土壤C平均含量分别为64.87、53.39、147.65、5.65 g/kg，即土壤C平均含量从大到小依次为刺槐白榆混交林>刺槐纯林>白榆纯林>草地。刺槐白榆混交林土壤C含量在各土层之间无显著差异(P>0.05)。白榆纯林和草地土壤C含量随土层加深而降低(P<0.05)，表层含量最大，出现“表聚”现象。在同一土层深度不同复垦模式中，0～10、10～20 cm土层中土壤C含量各复垦模式之间差异显著(P<0.05)，20～30 cm土层中白榆纯林和刺槐纯林土壤C含量差异不显著(P>0.05)。在各土层中刺槐白榆混交林土壤C含量均显著高于其他复垦模式(P<0.05)，草地土壤C含量均显著低于其他复垦模式(P<0.05)。

表1 不同复垦模式土壤C、N、P含量

在刺槐纯林、白榆纯林、刺槐白榆混交林和草地复垦模式下，0～30 cm土层土壤N平均含量分别为0.73、0.07、0.78、0.12 g/kg，即土壤N平均含量从大到小依次为刺槐白榆混交林>刺槐纯林>草地>白榆纯林，0～30 cm土壤N含量均值差异不大(P>0.05)。同一复垦模式不同土层深度中，除白榆纯林、草地外，土壤N含量都表现出0～10 cm土层显著高于其他土层(P<0.05)。在10～20、20～30 cm土层之间，白榆纯林土壤N含量差异显著(P<0.05)，其余复垦模式土壤N含量无显著差异(P>0.05)。在同一土层深度不同复垦模式中，0～10 cm土层中白榆纯林土壤N含量显著低于刺槐纯林和刺槐白榆混交林(P<0.05)，10～20、20～30 cm土层中刺槐白榆混交林和刺槐纯林土壤N含量显著高于白榆纯林和草地(P<0.05)。

在刺槐纯林、白榆纯林、刺槐白榆混交林和草地复垦模式下，0～30 cm土层土壤P平均含量为0.54、0.62、0.64、0.24 g/kg，即土壤P平均含量从大到小依次为刺槐白榆混交林>白榆纯林>刺槐纯林>草地。同一复垦模式不同土层深度中，土壤P含量均无显著差异(P>0.05)。在同一土层深度不同复垦模式中，0～10、10～20 cm土层中土壤P含量在刺槐纯林、白榆纯林和刺槐白榆混交林之间无显著差异(P>0.05)，20～30 cm土层中土壤P含量白榆纯林和刺槐白榆混交林之间无显著差异(P>0.05)。

2.2 不同复垦模式土壤C、N、P化学计量比从图1可以看出，不同复垦模式土壤C∶N和C∶P随土层深度的变化并未呈现一致的规律。在刺槐纯林、白榆纯林、刺槐白榆混交林和草地复垦模式下，0～30 cm土壤C∶N分别为266.30、760.01、793.16和136.57，即刺槐白榆混交林>白榆纯林>刺槐纯林>草地。刺槐白榆混交林和草地土壤C∶N在10～20和20～30 cm土层显著高于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土层显著高于其他复垦模式(P<0.05)。

注：不同大写字母表示相同土层深度不同复垦模式间差异显著(P<0.05)，不同小写字母表示相同复垦模式不同土层深度差异显著(P<0.05)

在刺槐纯林、白榆纯林、刺槐白榆混交林和草地复垦模式下，0～30 cm土壤C∶P分别为119.43、93.36、230.43和23.62，即刺槐白榆混交林>刺槐纯林>白榆纯林>草地。刺槐白榆混交林土壤C∶P在土层中无显著差异(P>0.05)，刺槐纯林、刺槐白榆混交林和草地土壤C∶P均在10～20 cm土层中最大，且刺槐白榆混交林在各土层中均显著高于其他复垦模式(P<0.05)。

所有复垦模式土壤N∶P都随土层深度加深而减少。在刺槐纯林、白榆纯林、刺槐白榆混交林和草地模式下，0～30 cm土壤N∶P为1.35、0.12、1.25和0.45，即刺槐纯林>刺槐白榆混交林>草地>白榆纯林。各复垦模式土壤N∶P均在0～10 cm土层显著高于其他土层(P<0.05)。刺槐纯林和刺槐白榆混交林土壤N∶P在所有土层均显著高于其他复垦模式(P<0.05)。

2.3 土壤C、N、P含量及其比值的相关性分析相关分析结果表明(表2)，土壤C含量与土壤P含量呈极显著正相关(P<0.01)，与土壤C∶N呈显著负相关(P<0.05)。土壤P含量与土壤C∶N呈极显著负相关(P<0.01)。土壤C∶N与土壤N∶P呈极显著负相关(P<0.01)。土壤C∶P与土壤N∶P呈显著负相关(P<0.05)。

表2 不同复垦模式土壤C、N、P含量及其比值的相关性

3 结论与讨论

3.1 不同复垦模式土壤C、N、P含量变化特征土壤养分是植物生长的关键因素，它的供应与植物的光合作用、代谢等过程有着紧密的相关性，同时植物也能有效提高土壤的C、N、P含量，且不同的复垦模式会影响土壤养分。C是土壤肥力的重要象征，是影响土壤和大气碳平衡的重要标志，在林业可持续发展中发挥着举足轻重的作用[5]。N、P是土壤的重要组成元素，是影响土壤肥力和植物营养状况的主要因子，是反映土壤质量的重要指标[6]。

该研究中，刺槐纯林、白榆纯林、刺槐白榆混交林和草地的土壤C含量(67.89 g/kg)高于全国平均水平(11.12 g/kg)，N、P含量(0.43、0.51 g/kg)均低于全国平均水平(1.06、0.65 g/kg)[7]。根据全国第二次土壤普查养分分级标准[8]，土壤C含量为一级，土壤N含量为六级，土壤P含量为四级，可知阜新海州露天矿排土场土壤C含量丰富，土壤N含量极为缺乏，土壤P含量较为缺乏。

该研究4种不同复垦模式土壤C含量和N含量集中在0～20 cm土层，在20～30 cm土层均低于0～10和10～20 cm土层，这是由于枯枝落叶分解产生的C和N在表层积累，通过水等介质向下迁移，随土层加深而减少。0～10和10～20 cm土层土壤C含量和N含量差距较少，可能是测定时正处于植物的生长发育期，根系从下向上吸收养分的缘故。由于草地凋落物量明显小于乔木，草地土壤C含量和N含量明显小于其他乔木复垦模式。土壤P含量在3个土层之间没有显著差别(P>0.05)，P含量基本是稳定状态，呈“圆柱体”分布，与湘潭锰矿栾树土壤P含量呈现一致规律[9]。

该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)均高于刺槐纯林(64.87、0.73、0.54 g/kg)、白榆纯林(53.39、0.07、0.62 g/kg)，表明混交林地比纯林具有更积极的养分累积作用，证实了吕文强等[10]研究的不同植物在土壤C、N元素的积累速率上存在差异的结果。

3.2 不同复垦模式土壤C、N、P化学计量比变化特征土壤C、N、P化学计量特征是土壤肥力和养分循环变化的重要指标[11-12]。阜新海州露天矿排土场4种不同复垦模式土壤C∶N、C∶P(489.01、116.71)显著高于全国水平(12.01、25.77)[13]，土壤N∶P(0.79)低于全国水平(2.15)[13]。土壤C∶N高与土壤N含量极少有关，微生物需要从土壤中摄取N来满足生长需要[14]，有机质的分解速率较慢，何高迅等[15]认为当土壤C∶N越高，越有利于有机物的积累，4种复垦模式土壤均在有机物积累阶段。土壤C∶P的高低与全磷含量关系密切，是P有效性的重要指标。土壤C∶P高不利于微生物分解有机质，且微生物会与植物争夺土壤P，植物生长受到限制[16]。土壤N∶P可以用来判别N的饱和度，也可以预测不同土壤养分的限制类型。研究表明，N∶P<10时受N限制[17]，该研究发现4种复垦模式土壤养分受N限制。

3.3 土壤C、N、P含量及其比值的相关性分析该研究结果表明，土壤C含量与土壤C∶N呈显著负相关，土壤P含量与土壤C含量呈极显著正相关，与土壤C∶N呈极显著负相关，说明土壤养分受到N的限制更大。因此，在海州露天矿排土场中要提高土壤氮的供给，以利于植被恢复。