风沙黄土区排土场不同植被类型下土壤生态化学计量特征

王东丽, 于百和, 赵晓亮, 郭莹莹, 谢 伟,, 郭建军

(1.辽宁工程技术大学 环境科学与工程学院, 辽宁 阜新 123000;2.内蒙古神东天隆集团股份有限公司, 内蒙古 鄂尔多斯 017000)

煤炭开采及排土场堆放,造成地表景观破坏、土地被占用,导致土壤性质不佳,植被损毁或退化,生物多样性减少等[1],影响当地的生态环境及人居安全等。土地复垦和生态修复是解决矿山环境保护和综合治理的重要途径,而健康稳定的土壤生态系统是其实现的基础与关键。自然条件下,植被与土壤具有协同正向演替效应。排土场作为人工重塑生态系统,土壤具有层次紊乱、容重增加、含水量减少、养分贫瘠等问题[2],人工恢复排土场生态效应和土壤质量一直是其治理的重点与难点,而有效地进行人工植被重建是恢复排土场复垦的生态功能、防止生态环境恶化的基本与关键途径[3]。

黄河流域生态环境治理的相关研究一直受到国内外学者的高度关注,近年来黄土高原的生态环境明显改善,但由于该区煤炭资源的不断开发,导致矿区及周边环境不佳,尤其对于生态脆弱的风沙黄土区影响尤甚。该区排土场土壤主要为沙化黄土,因其干燥疏松极易遭受土壤侵蚀,水土流失严重[4],复垦初期快速实现植被恢复并防治土壤侵蚀意义重大。此外,该区气候条件恶劣、复垦土壤瘠薄、生态需水短缺,人工植被重建困难或者效果差,急需探究适宜、有效的人工植被恢复模式。

生态化学计量特征通常指的是有机体元素组成,对系统中主要元素的相对含量及其平衡关系发挥着重要作用,能更好地揭示生态系统各组分养分比例的调控机制,土壤碳氮磷及其比值是反映土壤肥力状况和土壤养分均衡性的重要指标,对于揭示土壤中养分的可获得性以及碳、氮、磷相互作用及平衡与制约机制具有重要意义[5-6]。近年来,国内学者关于土壤的生态化学计量学研究多集中于森林、草地、沙地、湿地、石漠化区等自然生态系统的不同立地、植被类型、发展阶段、利用方式、干扰胁迫等内容[7-9]。对于矿区废弃地,相关报道主要见于矿区不同植被群落叶片及枯落物之间的生态化学计量方面[10],以土壤为对象的研究相对较少。故明确不同人工植被类型恢复下土壤养分的平衡与限制机制对于矿区复垦初期快速、有效的生态恢复至关重要。

因此,本研究以武家塔排土场复垦初期不同植被类型恢复模式下土壤为研究对象,运用生态化学计量学手段,研究不同植被类型下的土壤养分含量与生态化学计量特征及相互关系,探讨不同植被类型恢复下排土场土壤养分状况及限制性,为理解土壤养分循环状况与平衡机制提供理论依据,为准确评价与预测植被恢复效益提供科学的建议,为该区复垦初期有效的植被恢复模式构建提供参考价值,对防治与改善该区生态环境问题具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本研究区选取武家塔露天矿4号排土场,地处内蒙古鄂尔多斯市伊金霍洛旗补连乡境内,位于东胜煤田补连矿区的东南部,南与陕西神府煤田接壤,东与乌兰木伦河相邻,具体位置分布图见图1。在地形上从西北向东南倾斜近似为一坡面,海拔高程可达1 162～1 200 m。在半干旱地区且气候类型上为典型的高原大陆性气候,故该地区冬寒夏燥、气温剧变,温差高达74.9℃;全年少雨、暴雨集中,矿区年平均降水量357.4 mm;多大风天气,年均风速3.2 m/s,最大风速24 m/s,多发生沙尘暴,年大风日数44 d,年均沙尘暴日数21.5 d(平均风速> 17 m/s)。研究区内土壤类型为黄绵土和风沙土,土壤整体表现为碱性,水土流失严重[4]。植被以草原和沙生植物为主,包括阿尔泰狗娃花(Heteropappusaltaicus)、狗尾草(Setariaviridis)、猪毛蒿(Artemisiascoparia)、沙生针茅(Stipaglareosa)、沙蒿(A.desertorum)等。

图1 研究区与采样点示意图

武家塔露天矿为国家绿色矿山,总面积为9.24 km2,外排土场已停用,内排土场由东向西发展,本研究选取的4号排土场属于内排土场,于2010年开始排土堆放,现在仍在使用中,海拔高程为1 160～1 270 m,排土线长度为 2 100 m[11]。土地复垦采取边堆放边复垦的方式,采用周边沙化黄土进行客土,覆土厚度约为1 m,土壤pH值7.84,容重为1.69 g/cm3,电导率100.43 μS/cm,土壤有机质为2.53 g/kg,全氮和全磷含量分别为0.15 g/kg和0.14 g/kg。完成复垦面积近270 hm2,涉及农作物、牧草、经济植物、林木等种植区及水域,复垦植物主要包括刺槐(Robiniapseudoacacia)、榆树(Ulmuspumila)、沙枣(Elaeagnusangustifolia)、新疆杨(Populusalba)、沙棘(Hippophaerhamnoides)、苜蓿(Medicastaiva)等。

在武家塔露天矿4号排土场复垦区选取复垦初期立地条件一致的10种植被恢复模式为样地,涉及乔木林地、灌木林地、草地3种植被类型,以新排土场为对照。各样地的具体位置分布图见图1,样地的具体信息见表1。

表1 样地基本信息Table 1 Basic information of sample sites

1.2 样品的采集与测定

针对上述各样地,2017年8月进行土壤样品的采集。在所选择样地内,随机选取出3个样带,每个样地选取3个样带,每个标准带选取6个样点,于距植株中心为圆心、半径为30 cm的圆周上采取多点混合取样法,采集土样时需先用工具将其植被枯枝落叶层去掉,对每个样点进行分表层(0—5 cm)、浅层(5—10 cm,10—20 cm)、中层(20—30 cm,30—40 cm)、深层(40—60 cm)六层取样,对取出的土体分别进行编号并带回实验室备用。对于土壤主要测定土壤有机碳、土壤全氮、土壤全磷、碱解氮、电导率、土壤含水量、土壤pH值,土壤有机碳采用重铬酸钾容量外加热法(油浴)测定,全氮采用开氏消煮法进行测定,全磷采用氢氧化钠碱熔—钼锑抗比色法测定,碱解氮用碱解扩散法测定,电导率用浸提法测定,含水量用烘干法测定,pH采用PHS-P型酸度计测定。

1.3 数据分析处理

采用Excel 2018进行数据处理,采用Sigmaplot10.0制作结果图,不同植被类型间数据组的差异采用SPSS 20.0进行单因素方差分析(one-way ANOVA)和最小显著差异法LSD进行分析比较;采用Pearson相关分析法分析各因子之间的相关性,采用RStudio1.4.1制作相关结果图。

2 结果与分析

2.1 土壤C,N,P含量

不同植被类型下土壤有机碳、全氮和全磷含量表现出不一致的规律(图2)。土壤有机碳含量由高到低依次表现为乔木林地>灌木林地>草地>新排土,其中乔木林地平均值高达5.81 g/kg,乔、灌木林地显著高于新排土(p≤0.05);土壤全氮含量由高到低依次表现为灌木林地>乔木林地>草地>新排土,其中灌木林地平均值最高可达0.20 g/kg,乔、灌木林地土壤全氮含量显著高于草地和新排土(p≤0.05);土壤全磷含量由高到低依次表现为草地>灌木林地>新排土>乔木林地,草地平均值最大达到0.15 g/kg,草地、灌木林地和排土场之间差异未达到显著水平,但均显著高于乔木林地(p≤0.05)。

注：小写字母表示不同植被类型的土壤C,N,P含量的差异显著性(p≤0.05);虚线表示中位数,实线表示平均值;N为新排土,G为草地,S为灌木林地,A为乔木林地,下同。

不同植被类型土壤有机碳、全氮和全磷含量在垂直土层的分布各异(图3)。对于土壤有机碳,3种植被类型均表现为在0—5 cm高于其他土层,尤其是乔灌林地明显较高,除草地在40—60 cm明显有所增加,且均高于其他植被类型;对于土壤全氮,3种植被类型整体表现为随着土层的增加呈下降趋势,且在0—5 cm明显高于其他土层,而且在各土层全氮含量均表现为灌木林地>乔木林地>草地;对于土壤全磷,3种植被类型在土层垂直剖面变化不大,但始终表现为草地>灌木林地>乔木林地,而新排土表现为随土层深度增加而增大的变化趋势;此外,新排土的土壤有机碳和全氮含量在20—40 cm土层均有所增加,可能与其覆土来源有关。

图3 不同植被类型下土壤CNP在垂直土层的分布特征

2.2 土壤C,N,P生态化学计量

不同植被类型下土壤生态化学计量比变化不同(图4)。C/N的变化范围在9.58～80.35之间,3种植被类型均较新排土场高,草地平均值达到最大(35.33),灌木林地平均值为最小(29.02);C/P的变化范围在10.82～218.88之间,3种植被类型也均高于新排土,其中乔木林地显著较高(p≤0.05),可达61.67;N/P的变化范围在0.62～5.78之间,草地平均值最小(1.07),乔木林地平均值达到最大(1.94),显著高于其他类型(p≤0.05)。

图4 不同植被类型下土壤生态化学计量比

由图5可以看出,不同植被类型下土壤生态化学计量比在垂直土层上变化趋势各不相同。对于土壤C/N,各类土壤表现为在20—30 cm趋同,无明显差异,其他土层存在不同程度的差异,不同植被类型在0—5 cm和10—20 cm均高于新排土,乔木林地在表层(0—5 cm)最大,草地在深层(40—60 cm)最大;不同植被类型下土壤C/P在各土层均大于新排土,且乔木林地C/P比值总是大于其他植被类型,乔灌林地土壤C/P随着土层深度增加整体呈逐渐减小的变化趋势,而新排土与草地无明显变化,在土壤表层(0—5 cm)表现为乔木林地>灌木林地>草地,在深层(40—60 cm)表现为乔木林地>草地>灌木林地;对于土壤N/P,草地的垂直剖面变化较小,且均低于其他植被类型,而乔灌林地土壤N/P随土层深度增加整体呈变小趋势,且在表层明显高于其他土层。

图5 不同植被类型下土壤生态化学计量比在垂直剖面的变化特征

2.3 土壤生态化学计量及其比值与土壤理化性质的关系

对不同植被类型下土壤生态化学计量及其比值与土壤理化性质之间进行相关性分析结果如图6所示。研究表明土壤有机碳与全氮,C/N,C/P,N/P,速效钾呈极显著正相关关系(p≤0.01),与速效钾的相关性最强;土壤全氮与C/P,N/P,速效钾呈极显著正相关关系(p≤0.01),其中速效钾相关系数最大,与速效磷、土壤含水量、pH呈显著正相关关系(0.01

注：*表示p≤0.05,**表示0.01

3 讨 论

3.1 植被类型对土壤碳、氮、磷含量的影响

土壤养分归还的主要来源是地表凋落物,植被凋落物的归还量一定程度上决定着土壤中碳、氮、磷的含量,故不同植被类型的凋落物储量及构成和分解速率的不同会导致不同植被类型间土壤养分含量的差异[12]。本研究结果表明,3种植被类型恢复模式下土壤有机碳、全氮含量较新排土均不同程度地有所提高,主要在于研究区内任何植被恢复模式均可为矿区新排土不同程度地输入凋落物,进而增加矿区土壤有机碳与全氮含量,这与胡宜刚等[13]研究人工植被重建能够促进黄土高原晋陕蒙矿区排土场土壤中养分含量的结论一致,证实了人工植被类型对矿区排土场土壤养分均具有提高作用。然而不同植被类型对土壤有不同程度的改良作用,植被类型对土壤碳、氮、磷含量的影响取决于其凋落物的差异。本研究发现乔木林地与灌木林地的土壤有机碳、全氮含量均较草地高,这也与朱秋莲等[14]对黄土高原不同植被区的研究结果较为一致,主要由于本研究区乔木林地和灌木林地的植被覆盖度大,凋落物较为丰富,能够为土壤补充更多的有机质,有助于土壤碳、氮的积累;而本研究中草地主要为苜蓿等豆科植物,放牧与定期刈割导致草地凋落物减少对土壤的归还,而且土壤中的养分还被苜蓿吸收并且转移出草地。土壤全磷含量则表现为乔木林地显著低于草地和灌木林地,表明其生长受磷元素的限制相对较强,与其营养吸收规律密切相关。

土壤碳、氮、磷含量在垂直土层分布的差异性主要由于不同植被恢复类型因植物群落、根系深度的不同,从而影响土壤养分含量的吸收强度[15]。本研究发现,土壤有机碳和全氮的含量均在表层明显高于其他土层,而且乔灌林明显高于草地,这与李鑫等[16]对黄土高原土壤的研究结果一致,一方面由于表层土壤水热条件和透气状况较好,提高植物凋落物与土壤之间进行物质和能量转换速率,在微生物作用下分解后以有机质或其他养分形式进入土壤[17],而且地表凋落物对土壤的影响随着土层深度的增加而减弱[18];另一方面由于草本植物根系分布较浅,很少到达深层,而灌木和乔木根系在深层活动密集,特别是刺槐和竹柳林地,林下植被生长较好,不仅提供了大量的凋落物,而且根系生物量较大,有利于增加土壤碳含量。本研究还发现以灌木作为植被恢复的样地土壤全氮含量最高,且在不同土层总是优于其他植被类型,主要原因在于灌木林地为大叶槐与沙棘地,大叶槐属豆科固氮树种,沙棘属于非豆科固氮树种,其具有串根萌蘖的特性,庞大的根系具有较强的固氮作用,大幅增加土壤氮素储量。土壤全磷含量受植被类型影响较大,但在土层剖面变化波动较小,这与赵彤等[19]研究的变化规律一致,本研究中乔木林地土壤全磷含量显著低于其他3种土壤(p≤0.05),且在深层稍有下降,这主要是由于乔木林地处于中幼林阶段,处于速生生长期,其根系相对较深,在相同的环境中吸收大量的土壤水分和养分来维系自身生长[20];同时该区域降水较少,而土壤磷素的迁移率小,从而使其上层含量大于下层。此外,全磷含量只能反映土壤中磷的总储量[21],以往研究表明土壤全磷在土壤剖面呈现出表聚现象,但本研究未发现相似规律,反而新排土中土壤全磷随土层有所增加,可能与其所覆土壤有关,有待进一步探明,表明土壤全磷受土壤基底影响更甚。

康冰[22]和刘中奇[23]等学者认为植被短时期内可依靠自然恢复和人工恢复达到很高的植被覆盖度,不同植被恢复模式下土壤理化性质存在明显差异,当植被群落结构性较大时,可通过人工修复合理的植物群落结构配置来缩短矿区生态恢复进程。因此,研究区排土场复垦初期优先考虑恢复灌木和草本作为先锋植被快速改良表浅层的土壤养分条件,土壤质量得到明显改善时,再进行乔木的后配,特别是为其提供快速生长所需的磷元素进行积累;同时,改善群落的结构,丰富物种多样性,保障风沙黄土区排土场土壤养分的提升与循环,进而提高植被恢复速率。

3.2 植被类型对土壤生态化学计量特征的影响

土壤C/N,C/P和N/P是反映土壤有机组成和土壤养分均衡性的重要指标,由于不同植被在生理生态特性、养分利用等方面的差异,其对各土壤肥力指标的恢复效果并不相同。C/N比值的大小会影响土壤中有机碳和氮的循环,一般情况下,C/N比值与有机质含量成反比,即C/N比值越低,凋落物分解速率越高,有机质含量也就越高[24]。C/N的全国平均水平10.0～12.0[25],而本研究中,土壤C/N的均值为31.67,高于全国平均水平,主要由于该区干旱缺水,导致凋落物难以分解或者分解速率缓慢,不利于氮的积累,而有机质和有机碳含量相对保留多。另外,有相关研究认为土壤C/N比值高于全国平均水平是因为酸性土壤影响了土壤的氮沉降和集聚,而本研究区土壤pH值呈碱性,相关分析表明土壤全氮与土壤pH呈显著正相关关系,表明研究区内碱性土壤同样影响土壤的氮含量。此外,本研究中各植被类型下土壤C/N均较新排土高,特别是草地土壤C/N较其他植被类型高,是因为草地多为豆科牧草地,定期会被刈割,生物量与凋落物积累少,不利于土壤有机碳归还,虽具有固氮作用,但由于其生长速率较快,消耗大于固定,均导致其值较高。C/P比值小有利于促进土壤中全磷的增加,C/P比值较大则会导致微生物在分解有机质过程中受到磷限制[26],本研究结果表明乔木林地土壤C/P显著高于新排土场,且表现出明显的随土层的增加而下降的趋势,且在各土层均高于其他类型,表明乔木林地受磷元素的制约,与其生长对磷需求较大有关。养分供应是否充足是影响有机体生长、种群结构、物种相互作用及生态系统稳定性的重要因素,其限制性成为系统稳定性维护的前提,生态计量比能够有效反映出限制性元素的种类。N/P是当前限制性养分判断的重要指标之一[27]。本研究中乔木林地的N/P显著高于灌木林地和草地,表明乔木林对土壤中的磷含量更新和周转速率较缓慢,再次证实其受磷素的制约。对于草地而言,虽然苜蓿具有固氮作用,但因刈割被转移走大量的氮素,导致草地的N/P最小,再次验证其受氮素的制约。在土壤垂直土层剖面上,草地的土壤N/P变化较小,且均低于其他植被类型,表明其在各土层均受氮限制影响最大;而乔灌林地土壤N/P随土层深度增加整体呈变小趋势,在表层明显高于其他土层,表明这两种林地随土层加深受氮限制逐渐加强;另外,乔木林地土壤N/P在各土层始终高于灌木林地,表明乔木林地较灌木林地受P限制更强。因此,在矿区植被恢复过程中可依据不同的植被类型适当配施相应的肥料来改善土壤养分含量,建议对于草灌恢复类型适当施加氮肥,对于乔木林地配施磷肥,保障植物生长所需的养分元素,进而增强复垦效果并保障人工重建生态系统的稳定。

4 结 论

不同植被类型对风沙黄土区矿区土壤质量均具有不同程度的改善作用,乔灌林显著提高土壤有机碳和全氮含量,草灌植被下土壤全磷含量较新排土稍有增加,而乔木林显著降低土壤全磷含量;土壤养分在垂直土层的变化因植被类型不同而异,乔灌植被下土壤有机碳与全氮均表现为表层聚集性,3种植被类型下土壤全磷在垂直土层剖面变化不大,但始终表现为草地>灌木林地>乔木林地。研究区各植被类型下土壤C/N和C/P均较新排土高,乔灌林地的土壤N/P较新排土高,其中草地土壤C/N最高,乔木林地土壤C/P和N/P最高,在垂直剖面呈逐渐下降趋势,且在各土层均高于其他类型,表明草地相对受氮元素限制,乔木林地受磷元素的制约。风沙黄土区矿区排土场不同植被类型的土壤N/P与全氮、全磷相关性更大,受氮含量与磷含量的双重影响,建议草地与灌木林地适当施加氮肥,乔木林地配施磷肥。为深入探明矿区植被恢复模式的生态改良效益及机制,有必要结合植物生长规律、营养需求及碳氮磷特征开展植物—土壤生态化学计量方面的研究。