安太堡露天礦不同復墾年限苜蓿地土壤養分化學計量特征

王改玲， 江 山， 張 菁， 劉煥煥

(山西農業大學資源環境學院， 山西 太谷030801)

生態化學計量學(ecological stoichiometry) 是分析元素相互作用、探究生態系統能量平衡與多種化學元素(主要是碳、氮、磷) 平衡的科學[1-2]。近年來，許多研究者應用生態化學計量學的原理和方法，針對植物化學計量學的變化開展大量的研究[3-6]，而對土壤養分的生態化學計量學研究則相對較少[7]。土壤是植物生存的物質基礎，土壤元素的化學計量比和平衡影響著植物的生長發育，直接影響植被群落的物種組成與生產力，尤其是其中的N素和P素，常常由于自然供應的限制，成為生態系統平衡及植被生長主要的限制性元素[8-10]。如土壤N∶P可以改變植物體N∶P，從而對植物生長產生影響[11]。

礦區土壤是人為劇烈擾動的極度退化土壤。中國地質調查局2016年度《全國礦山地質環境調查報告》顯示，我國礦山總面積1 040萬hm2，現有采礦損毀土地面積約220多萬hm2[12]。在露天開采過程中，由于直接挖掘引起地表挖損和巖土排棄等原因，原地貌形態、地層結構、植物種群已不復存在，土壤養分的初始條件徹底改變[13-14]。安太堡露天煤礦地處黃土高原東部的干旱、半干旱生態脆弱區，是我國大型的露天煤礦。經過20余年的復墾，已形成為林地、草地和耕地綜合復墾工程。苜蓿(Medicagosativa)因具有根瘤固氮、耐瘠薄等優點，作為先鋒植物在安太堡露天礦復墾區被廣泛種植。目前，已建成以苜蓿為主的優質牧草種植試驗示范區、耕地快熟恢復試驗示范區等面積達100余 hm2。隨著植被恢復的進行，土壤養分質量分數增加，土壤酶活性提高，微生物總數增加，土壤質量得到了恢復與重建。然而，植被恢復對土壤質量影響的研究多集中于不同植被配置和復墾年限對林地土壤質量的影響[15-17]。不同種植年限苜蓿植物和土壤的化學計量特征也有一些研究[18-22]。而長期苜蓿種植對礦區復墾土壤質量影響研究較少，其對復墾土壤碳、氮、磷質量分數及其耦合關系影響的報道則更為鮮見，這限制了對苜蓿生長過程中復墾土壤元素平衡及循環機制的進一步認識。

本研究以安太堡露天礦不同復墾年限的紫花苜蓿地為研究對象，研究復墾年限對土壤C，N，P生態化學計量特征，以期為生態脆弱區的植被及土壤恢復提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

安太堡露天煤礦地處黃土高原東部，與黃土高原的晉陜蒙“黑三角”相連，地理位置為112o11′～113o30′ E，39o23′～39o37′ N。氣候春冬干旱少雨、寒冷、多風，夏秋降水集中、溫涼少風。土壤類型為栗鈣土與栗褐土的過渡類型，土壤物理風化作用強烈，土質偏砂。礦區對環境變化敏感，生態環境十分脆弱。經過20余年的復墾，以安太堡露天煤礦為主的平朔礦區現已獲得農用地面積為2 000 hm2，取得了良好的復墾效果。

1.2 樣地選擇和取樣

經過走訪、資料查證，選擇確定海拔、坡度相近而植被復墾年限不同的3塊苜蓿地為研究對象，以自然恢復草地和耕地為對照。3塊苜蓿地的生物復墾年限分別為3年、8年和20年。復墾開始人工種植紫花苜蓿，之后無施肥和其它農業管理措施。采樣時，3年和8年苜蓿地，苜蓿生長旺盛，雜草侵入很少；20年苜蓿地，由于苜蓿退化，野生雜草大量侵入。自然恢復樣地為排土場形成后不再進行人工種植及其它人為干預的樣地。耕地樣地為未受采礦干擾的原有耕地。

2016年9月中旬在各個樣地內(表1)進行采樣。每塊樣地分為3個采樣小區，每個小區內按S型5點采樣法分層采集0～40 cm土樣，每10 cm為一層。將每個小區內同層土樣充分混合，最后將所采的土樣放入樣品袋中，記錄樣品編號和土樣深度，土壤樣品帶回實驗室自然風干后，剔除植物根系等雜物，采用四分法取適量土壤樣品，風干后過篩。過篩后的土樣用于測定土壤養分。

表1 樣地基本信息Tab.1 Basic information of sampling lands

1.3 測定項目及方法

土壤有機碳含量采用外加熱-重鉻酸鉀容量法測定；全氮含量用半微量凱氏法，全磷含量用高氯酸-硫酸消煮-鉬銻抗比色法測定[23]。

2 結果與分析

2.1 不同復墾年限苜蓿地土壤C，N，P含量

隨復墾時間延長，0～40 cm土壤剖面有機碳、全氮質量分數逐漸增加(表2)。不同樣地土壤有機碳，3年苜蓿地最低，為2.13 g·kg-1；20年苜蓿地達到4.44 g·kg-1，接近耕地(4.97 g·kg-1)水平；3年自然恢復地為2.18 g·kg-1，與3年苜蓿地差異不顯著，較耕地降低56.1%。土壤全氮，3年苜蓿地為0.15 g·kg-1，隨復墾時間增加，8年和20年樣地的土壤全氮逐漸提高到0.21 g·kg-1和0.31 g·kg-1，20年苜蓿地已接近耕地的0.34 g·kg-1。3年自然恢復地為0.16 g·kg-1，較耕地降低52.9%。

表2 不同復墾年限下不同深度土壤C，N，P的質量分數Tab.2 Variation of soil organic carbon,total N,total P with different restoration years and at different depth/g·kg-1

注：同行數據后不同字母表示差異顯著(P<0.05)，下同

Note:Different letters within same row indicate significant difference at the 0.05 level,the same as below

隨復墾時間延長，各土層有機碳、全氮質量分數亦呈增加趨勢。0～10 cm土壤有機碳，20年苜蓿地達到7.77 g·kg-1，較耕地(5.94 g·kg-1)提高30.1%。0～10 cm土壤全氮，20年苜蓿地為0.52 g·kg-1，分別較3年自然恢復地和苜蓿地提高224.8%和115.2%，較耕地提高28.8%。隨土層深度的加深，耕地和20年苜蓿地土壤有機碳、全氮質量分數逐漸降低，且在20年苜蓿地表層0～10 cm更明顯高于其他土層；3年自然恢復、3年苜蓿和8年苜蓿地呈波動式變化趨勢。

磷也是植物生長所必需的重要營養元素之一，全磷質量分數反映了土壤對磷素的潛在供應能力。各樣地0～40 cm土壤全磷變化范圍為0.45～0.51 g·kg-1。與有機碳、全氮變化趨勢不同，不同土壤剖面全磷質量分數除3年自然恢復地外，其他總體表現為由表層向深層逐層遞減。總體上，土壤全磷質量分數隨復墾時間及土層深度的變化而變化，但變異幅度較小。

2.2 不同復墾年限苜蓿地土壤營養元素化學計量比

各樣地0～40 cm土壤C∶N變化幅度為14.25～15.26，表現為20年苜蓿地小于3年苜蓿地及8年苜蓿地。不同樣地土壤0～10 cm，10～20 cm，20～30 cm，30～40 cm層C∶N變化范圍分別為10.88～14.92，13.92～18.80，12.85～16.48，11.99～16.36。除耕地20～30 cm土層C∶N略高于其它土層外，其它樣地土壤均表現為10～20 cm土層C∶N最高(表3)。

各樣地0～40 cm土壤剖面C∶P變化幅度為4.28～10.01，且隨復墾時間延長呈逐漸增加趨勢，其中復墾3年苜蓿地為4.28，20年苜蓿地提高到了9.69，接近耕地水平。不同樣地土壤0～10 cm，10～20 cm，20～30 cm，30～40 cm土層C∶P變化范圍分別為3.81～16.33，4.01～11.18，4.33～9.53，4.61～8.31。復墾20年苜蓿地C∶P表層0～10 cm明顯高于下層,亦明顯高于耕地。耕地和復墾8年苜蓿地表現為10～20 cm明顯高于其它土層，3年自然恢復和3年苜蓿地，土壤C∶P在土壤剖面中變化幅度較小，且呈現波動性。

各樣地0～40cm土壤剖面N∶P平均值變化幅度為0.30～0.69，其中以3年苜蓿地最小，隨復墾時間延長呈逐漸增加趨勢，其中20年苜蓿地為0.67，接近于耕地N∶P(0.69)。不同樣地土壤0～10 cm，10～20 cm，20～30 cm，30～40 cm層N∶P變化范圍分別為0.34～1.10，0.22～0.81，0.28～0.61，0.30～0.57。與C∶P垂直分布趨勢相似，N∶P亦表現為復墾20年苜蓿地表層0～10 cm明顯高于下層，高于耕地土壤；耕地土壤10～20 cm土層明顯高于其它土層，其它樣地土壤剖面變化幅度較小，且呈現波動性。自然恢復地不僅碳、氮質量分數低，其C∶P，N∶P生態計量比也低。

表3 不同復墾年限下不同深度土壤C∶N，C∶P及N∶P比Tab.3 C∶N，C∶P，N∶P of soil with different vegetation restoration years and at different depth

2.3 土壤C，N，P質量分數與C∶N，C∶P，N∶P化學計量比的相關性

土壤總有機碳、全氮、全磷質量分數與C∶N，C∶P，N∶P生態計量比的相關性分析表明，土壤總有機碳和全氮極顯著相關，土壤C∶P與N∶P極顯著相關，土壤C∶P，N∶P與總有機碳、全氮極顯著相關，C∶N，C∶P，N∶P與土壤全磷的相關性均未達到(P<0.05)顯著水平(表4)。這也進一步說明土壤全磷變異較小，C∶P，N∶P生態計量比主要受碳、氮的積累影響。土壤C∶N與土壤有機碳、全氮相關性均未達到0.05顯著水平，意味著C∶N受碳、氮共同控制。

表4 土壤C∶ N，C∶ P，N∶P與土壤C，N，P質量分數之間的相關關系Tab.4 The relationship between soil C∶ N，C∶ P，N∶ P and C，N，P content

注：*表示在0.05水平上顯著相關，**表示在0.01水平上顯著相關

Note:* indicates significant correlation at the 0.05 level;** indicate significant correlation at the 0.01 level

3 討論

土壤碳、氮、磷是維護生態系統健康及養分循環的重要生態因子，影響土壤微生物活性、凋落物的分解速率及土壤有機碳和養分的積累。土壤養分(主要是C，N，P)的積累主要來自于施肥、各種形式凋落物的歸還和根系的分泌物，其含量高低與覆蓋植被的種類、生長狀況以及凋落物的礦化密切相關[24]。本研究中，耕地0～10 cm土層的C，N，P的質量分數分別為5.94，0.406，0.540 g·kg-1，高于黃土高原0～20 cm土層的3.0，0.3，0.3 g·kg-1[25],低于山西省耕地土壤0～20 cm土層平均值的6.21，0.68，0.56 g·kg-1[26]。這與研究區地處山西北部地區，氣候干旱、寒冷，植被生長較差，且施肥量低有關。0～10 cm土層，3年自然恢復地、3年和8年苜蓿地，土壤C，N質量分數均明顯低于耕地；土壤全P質量分數，3年自然恢復地低于耕地，3年苜蓿地高于耕地，8年與耕地無顯著差異。按照第2次全國土壤普查技術標準[27]，土壤C的質量分數，耕地和20年苜蓿地屬于第4級，其它屬于第6級；N的質量分數，除20年苜蓿地屬于第5級外，其它均屬于第6級；土壤全磷均屬于第5級。說明復墾區土壤碳、氮、磷質量分數整體水平較低。

在復墾過程中，土壤C，N，P的變化趨勢并不相同。隨復墾時間延長，土壤C，N質量分數增加。0～10 cm土層，20年苜蓿地C，N已明顯高于耕地。這是因為在20年苜蓿地，侵入的草類植物生長茂盛，植物枯落物及其分解產物在土壤表層大量積累，使得表層土壤有機碳質量分數明顯提高。苜蓿根系及根瘤固氮作用對于有機碳、全氮提升亦起到一定作用。全磷質量分數則隨復墾時間延長呈逐漸減少的趨勢，這是因為全磷主要來自成土母質和施入的肥料。3年苜蓿地土壤全磷質量分數高于其它樣地土壤，主要由于苜蓿播種時有機肥及磷肥施用，隨著苜蓿的生長，前期施用的肥料肥效逐漸降低，植被對土壤C，N，P質量分數的影響逐漸顯現。苜蓿為大量需磷的作物[28]，苜蓿不斷吸收攜出，土壤磷素難以得到補充，使得全磷質量分數降低。

耕地和20年苜蓿地土壤有機碳、全氮質量分數由表層向深層逐層遞減，這是由于土壤表層是植物根系主要分布和枯落物聚集的土層，隨土層加深植物根系減少，枯落物減少，這與饒麗仙等[29]的研究結果較為一致。3年自然恢復、3年苜蓿地和8年苜蓿地由表層向深層呈波動式變化趨勢。這可能與苜蓿根系分布及根系分泌物有關。土壤C和N為土壤有機質的重要組分，土壤C與N表現出耦合關系。全磷質量分數變化趨勢與全氮不同，除3年自然恢復地表現為波動變化外，其他樣地由表層向深層呈遞減趨勢。

土壤C∶N是衡量土壤有機碳組成的重要指標，受區域水熱條件和成土作用特征的控制；同時還是預測有機質分解速率的有效指標，一般與其分解速率呈反比[30]。陳文新[30]和黃昌勇[31]研究表明，當土壤C∶N在5.6～11.3之間時，土壤微生物量碳開始增加，土壤氮的礦化明顯增加；當C∶N在15.3～20.6之間時，土壤微生物量迅速增加，釋放礦化氮；當C∶N在37.1～64.4之間時，礦化作用所釋放的有效氮遠小于微生物吸收同化的需氮量，兩者平衡的結果使土壤中原來所含的一部分礦質態有效氮也被微生物同化成有機態。復墾前期，苜蓿的生長旺盛，土壤有機碳及氮主要來源于苜蓿枯落物的歸還及根瘤固氮。苜蓿的C∶N一般大于12，苜蓿回落到土壤中的殘留物越多，將會更多地增加C和N質量分數，從而增加土壤C∶N[19-20]。之后，苜蓿進入生理衰退期，枯落物減少、根瘤固氮作用減弱，而野生雜草侵入增加，有機碳進一步積累，C∶N降低。因此，3年和8年苜蓿地，土壤C∶N高于20年復墾地及耕地。總體來講，研究區0～40 cm土壤C∶N變化范圍為14.25～15.26，C∶N與我國耕地土壤C∶N均值相近[28]，說明復墾過程中有機質分解較快，有利于有機氮的礦化釋放。

研究區C∶P的變化范圍為4.28～10.01，N∶P的變化范圍為0.30～0.69。C∶P和N∶P均低于我國土壤C∶P和N∶P的均值[30,32-33]，亦低于黃土高原0～20 cm土壤C∶P和N∶P的值(分別為10和1)[25]。土壤C∶P，N∶P隨復墾時間延長呈逐漸增加趨勢。20年苜蓿地0～10 cm土壤C∶P，N∶P已遠高于耕地。這是由于隨著復墾時間的延長，土壤有機C、總N增加，土壤全P質量分數有所波動，但相對于C，N，土壤全P質量分數的變化幅度較小。因此，土壤C∶P，N∶P與土壤有機C，全N質量分數呈顯著正相關，與土壤全P質量分數相關性不顯著。

除耕地外，其它復墾地C∶N表現為10～20 cm土層最高；C∶P，N∶P在20年苜蓿地表層0～10 cm明顯高于下層，由表層向深層逐層遞減,其它樣地土壤剖面變化幅度較小，且呈現波動性。這是由于土壤C∶N，C∶P，N∶P變化所取決的因子不同而造成的。本研究中土壤C∶N與土壤有機C、全N相關性均不顯著，說明該區土壤C∶N受C，N共同控制。土壤C∶P，N∶P與總有機C、全N顯著相關，C∶N，C∶P，N∶P與土壤全磷的相關性均未達到(P<0.05)顯著水平。這也進一步說明土壤全磷變異較小，C∶P，N∶P生態計量比主要受碳、氮的積累影響。

4 結論

復墾影響土壤C，N，P的質量分數及其化學計量比。隨復墾年限的增加，土壤C，N，C∶P及N∶P增加。20年苜蓿地0～10 cm土壤有機碳和全氮較耕地分別提高30.1%和28.8%；0～40 cm土壤有機碳、全氮與耕地接近。C∶N呈先升高后降低趨勢。土壤C，N，P質量分數及其化學計量比的垂直變異受復墾年限影響。耕地和20年苜蓿復墾地，土壤C，N的質量分數以及C∶P，N∶P化學計量比隨深度的增加遞減，3年和8年復墾地，隨土層深度的增加，土壤C，N以及C∶P，N∶P呈現波動性。土壤C∶P，N∶P與總有機碳、全氮顯著相關，與土壤全磷的相關性不顯著。表明復墾過程，植被對碳、氮的提升作用比磷明顯。