高寒礦區渣山坡向對恢復植物葉片養分重吸收的影響

梁德飛， 孫 熠， 蔣宏宇，3， 楊占芳，3， 李長慧*

(1. 青海大學省部共建三江源生態與高原農牧業國家重點實驗室， 青海 西寧 810016； 2. 青海大學農牧學院，青海 西寧 810016； 3. 青海大學生態環境工程學院， 青海 西寧 810016)

植物在衰老前將葉片中所含養分轉移到果實、種子和根等其他組織中供其生長代謝，此過程稱為養分重吸收[1]。植物養分重吸收作為重要的養分保護策略，重吸收效率的提升降低了生長對土壤基質的依賴度，有助于緩解養分脅迫的限制[2-3]。當前全球自然生態系統(草地，森林等)中有18%的區域受到較強的氮限制威脅，43%的區域面臨著磷素限制[4]。在此背景下植物養分重吸收效率對于提升植物逆境適應性具有重要意義[5]。前期研究表明植物對氮磷元素的重吸收過程因生境(如坡向)的變化而變化，如陰坡上較高的土壤含水量不利于氮素的重吸收，而陽坡上溫度的升高有助于植物磷素的再吸收利用等[6]；土壤氮素增加使得衰落葉片的養分含量升高[7]，進而使得植物養分重吸收效率下降[7-8]。另外在高寒區的研究發現過度放牧等因素的干擾導致天然草地土壤養分損失增大，禾草類物種優勢度逐漸下降[9]。禾草類植物葉片磷重吸收效率隨土壤養分的降低而降低[10]，說明養分重吸收過程是植物適應高寒草地退化的重要機制。發育時間較短的土壤基質由于淋溶雨蝕易使磷素流失[10]，在此背景下提高植物的磷素重吸收效率可以降低其對土壤磷元素的依賴。如在西班牙半干旱區礦山尾渣場的研究發現由于地中海松(Pinushalepensis)具有較高的養分重吸收效率而促進了渣山恢復[11]。植物葉片養分重吸收效率越高意味著能轉移到繁殖體以及植物根部的養分越多，特別對多年生植物來講，根部充足的養分儲備可以提升植物對生境脅迫的抵抗力，保證了來年的返青及生長[12]。因此選擇養分重吸收效率更高的物種應用于受損生態系統(如退化草地，礦區渣山等)的治理有助于提升恢復效率，降低恢復成本。

青海木里煤田片區是祁連山生態安全屏障的重要組成部分，然而由于多年煤炭露天開采，堆積形成的大面積渣山使草地生態系統嚴重受損。區域高寒、風大的氣候條件，以及由煤矸石組成的渣山養分匱乏，在此條件下前人通過引種在高寒區適應性較強的多年生禾本科牧草，鋪設無紡布保水保熵，結合添加有機肥補充養分等措施促進了渣山的恢復[13-14]；同時也發現由于區域環境惡劣，恢復植物難以完成種子成熟、返青養分儲備等生活史過程是限制渣山有效恢復關鍵因素[15]。更重要的是渣山不同坡向的溫度、水分和基質養分等條件存在差異，如陽坡上能接收到更充足的陽光照射，相反的陰坡作為迎風坡，溫度限制更劇烈的同時對植物生長的風蝕脅迫也更大。植物會通過養分的再吸收利用等過程適應坡向變化引起的生境脅迫[16]，以提高養分保存能力，促進返青等過程[17]，然而針對高寒礦區渣山植物養分重吸收的研究鮮見報道。本研究假設從礦區渣山的陰坡，平地到陽坡，光輻射以及風蝕作用使得溫度升高和水分下降，恢復植物養分重吸收效率逐漸增高，且重吸收效率的種間差異依賴于坡向變化。以三種典型恢復植物老芒麥(Elymussibiricus)，冷地早熟禾(Poacrymophila)和小花堿茅(Puccinelliatenuiflora)為研究對象，分析不同坡向下恢復植物成熟葉片及衰老葉片氮磷含量的變化，探討高寒礦區渣山坡向對不同植物的養分重吸收效率的影響。以期篩選養分保存效能更高的引種植物來促進渣山恢復，降低恢復成本，為高寒礦區的生態恢復提供支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗區位于青海省海西州天峻縣木里煤田江倉礦區4號井(38°03′33″N，99°26′58″E，海拔3 875 m)，該區域屬高原大陸性氣候，年均溫-4.2℃，無絕對無霜期，年均降水量477 mm，蒸發量1 049 mm，日照長，年均輻射量610～721 KJ·m-2，平均風速2.9 m·s-1。土壤類型主要以沼澤草甸土為主，且常年凍土覆蓋。近年來由于露天煤礦開采形成大面積渣山。渣山主要成分是以煤矸石為主，附有腐植表土，風化巖土，堅硬巖石以及少量煤炭和凍土等廢棄物組成。

1.2 試驗設計

2016年，在4號井南渣山的山頂平地，陽坡(坡度17°，坡向南偏東12°)和陰坡(坡度25°，坡向北偏西8°)分別選取3個10 m×10 m樣地布設試驗。人工撿除地面大于5 cm的石塊后，將樣區耙平；撒播草種為高寒區典型的恢復物種老芒麥(E.sibiricus)，冷地早熟禾(P.crymophila)和小花堿茅(P.tenuiflora)；播種量為5 g·m-2，根據種子大小設定播種比例為2∶1∶1[13]；之后均勻施加有機肥(3 kg·m-2)；輕耙地表并鎮壓踩實，以保證播種種子充分接觸土壤；播種完成后覆蓋無紡布(20 g·m-2)。樣地布設完成3年后，于2019年8月26日和10月20日，在每個樣地內選取5個樣方(50 cm×50 cm)，分別在其中采集播種的3種恢復植物生長旺盛期的成熟葉片及和凋亡期的衰落葉片。將形態完整、大小相似、顏色相近的葉片作為成熟葉片，將自然衰老、顏色灰黃、尚未完全從植株脫落的葉片作為衰落葉片。試驗共需采集樣方45個。每個物種采集5 g(烘干重)葉片以保證生物量足夠測定養分含量。將采集葉片帶回實驗室在65℃烘干至恒重，粉碎過0.05 mm篩后測定葉片氮、磷含量。在每個樣方隨機采集5鉆0～10 cm表層渣山土壤并充分混合均勻后測定土壤理化性質。同時在不同坡向的樣地內用土壤溫濕度速測儀測定土壤表層(0～10 cm)的瞬時溫度及水分含量。

1.3 植物及土壤理化性質測定方法

植物氮、磷含量用濃硫酸+雙氧水消解，土壤全氮用濃硫酸+催化劑(硫酸鉀∶硫酸銅∶硒粉=100∶10∶1)消解，土壤全磷用濃硫酸+高氯酸消解，之后利用流動分析儀測定(SEAL A++，德國)[18]；土壤有機質用濃硫酸+重鉻酸鉀法測定[19]；土壤速效氮和速效磷測定將過2 mm篩的新鮮土壤分別用2 mol·L-1氯化鉀和0.5 mol·L-1碳酸氫鈉浸提后流動分析儀測定(SEAL A++，德國)；土壤酸堿度利用pH計測定(METTLER TOLEDO S400，瑞士)；土壤瞬時溫度和水分利用便攜式土壤水分溫度電導率速測儀(TDR 350，美國)。

1.4 統計分析

葉片養分重吸收效率(Nutrient resorption efficiency,NRE)計算公式如下[20]：

式中，Nm和Ns分別表示成熟和衰老葉片的養分含量；MLCF代表葉片衰老過程中質量下降的重量損失校正系數，在此其值為0.762[21]。

葉片相對重吸收效率(Relative resorption,RR)為氮、磷重吸收效率之差，計算公式如下：

RR(%)=(NRE-PRE)×100%

式中，NRE和PRE分別代表氮素重吸收效率和磷素重吸收效率。當RR與零沒有差異時表示植物生長不受氮磷限制或受氮磷的共同限制，RR大于零時表示植物生長受氮限制，RR小于零時植物生長受磷限制[22]。

單因素方差分析隨后進行多重比較坡向對土壤理化性質的影響以及不同坡向間的差異，雙因素方差分析坡向和植物物種對成熟葉片氮磷含量，衰老葉片氮磷含量以及葉片氮磷重吸收效率和相對重吸收率的影響，隨后用多重比較不同坡向和處理間的差異。線性回歸分析葉片氮磷重吸收效率，以及相對重吸收率分別和土壤理化性質之間的關系。

SPSS 23.0進行數據分析，Origin 2015進行作圖，顯著性水平為P<0.05。

2 結果與分析

2.1 礦區渣山不同坡向的土壤理化特征

礦區渣山陽坡土壤有機質含量顯著高于陰坡(P=0.040)，而土壤水分低于陰坡(P=0.011)，平地介于二者之間且與彼此都沒有顯著差異；陽坡土壤全氮含量高于陰坡和平地，而其pH值顯著低于陰坡和平地，陰坡和平地之間沒有顯著差異；陰坡土壤溫度顯著低于其他兩種坡向；另外，渣山坡向對土壤全磷以及速效養分含量沒有影響(表1)。

表1 不同坡向土壤理化特征Table 1 Soil physicochemical characteristics of different slope aspect

渣山土壤水分與全氮，以及土壤pH值分別與土壤有機質、全氮和全磷均呈顯著的負相關關系；而土壤溫度與土壤有機質和全氮顯著正相關；渣山土壤速效養分與物理性質沒有相關性(表2)。

表2 渣山土壤物理性質和養分含量的相關性分析Table 2 Relationship between soil physical characteristics and nutrient concentration

2.2 坡向對植物葉片養分含量的影響

恢復植物的成熟葉片氮含量在不同坡向間存在顯著差異(表3)，表現在陽坡植物顯著高于陰坡，平地介于二者之間且與彼此沒有顯著差異(圖1)；不同恢復植物間成熟葉片氮含量差異顯著(表3)，老芒麥成熟葉片氮含量顯著高于小花堿茅，冷地早熟禾與二者沒有顯著差異(圖1)。

表3 雙因素方差分析坡向和物種對成熟葉片和衰落葉片氮、磷含量的影響Table 3 Two-way ANOVA analyze the effect of slope aspect and plant species on nitrogen and phosphorus of mature and senesced leaves,respectively

圖1 坡向對植物成熟葉片氮含量的影響Fig.1 Effects of slope aspect on nitrogen concentration of plant mature leaves注：不同小寫字母表示相同坡向內植物種間差異顯著，不同大寫字母表示坡向間差異顯著，誤差棒表示平均值±標準誤Note:Different lowercase letters within the slope aspect indicate significant differences among different plant species. Different capital letters indicate significant differences among slope aspect. Error bars denote Means±standard errors

坡向對衰落葉片氮含量的影響依賴于物種(表3)，表現在：在陽坡的老芒麥和冷地早熟禾衰落葉片氮含量顯著低于小花堿茅，在平地的冷地早熟禾衰落葉片氮含量顯著低于老芒麥，陰坡上小花堿茅顯著低于冷地早熟禾，且冷地早熟禾顯著低于老芒麥(圖2)。不同恢復植物間衰落葉片氮含量差異顯著(表3)，老芒麥衰落葉片氮含量顯著高于小花堿茅和冷地早熟禾，后二者間沒有顯著差異。

圖2 坡向對植物衰落葉片氮含量的影響Fig.2 Effects of slope aspect on nitrogen concentration of plant senescenced leaves注：不同小寫字母表示相同坡向內植物種間差異顯著，誤差棒表示平均值±標準誤Note:Different lowercase letters within the slope aspect indicate significant differences among different plant species. Error bars denote means±standard errors

恢復植物成熟葉片磷含量在坡向間差異顯著(表3)，表現在陰坡成熟葉片磷含量顯著低于陽坡和平地，而后二者間沒有顯著差異(圖3)。

圖3 坡向對植物成熟葉片磷含量的影響Fig.3 Effects of slope aspect on phosphorus concentration of plant mature leaves注：不同小寫字母表示坡向間差異顯著，誤差棒表示平均值±標準誤Note：Different lowercase letters indicate significant differences among slope aspect. Error bars denote Means±standard errors

2.3 坡向對恢復植物養分重吸收效率的影響

坡向改變了恢復植物葉片氮素重吸收效率(表4)，表現為：陽坡恢復植物葉片氮素重吸收效率顯著高于陰坡，平地介于二者之間且與之沒有顯著差異。坡向與物種之間的交互作用對氮素重吸收效率影響顯著(表4)。在陽坡，老芒麥和冷地早熟禾的葉片氮素重吸收效率顯著高于小花堿茅，在平地上冷地早熟禾的葉片氮重吸收效率高于老芒麥和小花堿茅，而在陰坡上小花堿茅的葉片氮素重吸收效率顯著高于老芒麥(圖4)。

圖4 坡向對氮素重吸收效率的影響Fig.4 Effects of slope aspect on nitrogen resorption efficiency注：不同小寫字母表示相同坡向內植物種間差異顯著，不同大寫字母表示坡向間差異顯著，誤差棒表示平均值±標準誤Note：Different lowercase letters within the slope aspect indicate significant differences among different plant species. Different capital letters indicate significant differences among slope aspect. Error bars denote Means±standard errors

表4 雙因素方差分析坡向和物種對養分重吸收效率的影響Table 4 Two-way ANOVA analyze the effects of slope aspect and species on nutrient resorption efficiency

不同坡向間恢復植物葉片磷重吸收效率差異顯著(表4)。表現為陰坡恢復植物磷重吸收效率顯著低于陽坡和平地，且陽坡與平地間沒有顯著差異(圖5)。

圖5 坡向對磷重吸收效率的影響Fig.5 Effects of slope aspect on phosphorus resorption efficiency注：不同小寫字母表示不同坡向間差異顯著，誤差棒表示平均值±標準誤Note：Different lowercase letters indicate significant differences among different slope aspect. Error bars denote Means±standard errors

渣山坡向顯著改變了恢復植物葉片氮磷元素的相對重吸收效率(表4)，表現為陰坡恢復植物葉片相對養分重吸收效率顯著高于平地和陽坡，且陽坡與平地之間沒有差異(圖6)。

圖6 坡向對恢復植物相對重吸收效率的影響Fig.6 Effects of slope aspect on relative resorption efficiency注：不同小寫字母表示不同坡向間差異顯著，誤差棒表示平均值±標準誤Note:Different lowercase letters indicate significant differences among different slope aspect. Error bars denote Means±standard errors

2.4 恢復植物葉片重吸收效率和土壤理化性質的關系

恢復植物成熟葉片氮含量隨土壤全氮含量的升高而升高(圖7A)；植物葉片氮重吸收效率隨土壤全氮含量的升高而上升(圖7B)；同時葉片磷元素重吸收效率隨土壤含水量的升高而下降(圖7C)；磷元素重吸收效率隨有機質的升高而顯著升高(圖7D)。

圖7 恢復植物成熟葉片氮含量，養分重吸收效率和土壤理化性質的關系Fig.7 Relationships among mature leaves nitrogen concentration,nutrient resorption efficiency and soil physicochemical characteristics,respectively注：成熟葉片氮含量和土壤全氮(a)，氮重吸收效率和土壤全氮(b)，磷重吸收效率與土壤含水量(c)和土壤有機質(d)Note:Relationship between mature leaves nitrogen concentration and soil total nitrogen (a),nitrogen resorption efficiency and soil total nitrogen (b),phosphorus resorption efficiency and soil moisture content (c),and soil organic matter (d),respectively

3 討論

植物養分重吸收效能體現了植物在極端環境下的抗逆性和適應力，是競爭存活的重要機制[23]。主要由煤矸石組成的渣山基質，其養分、結構等特征與天然土壤有較大差別；且區域高寒低氧氣候條件決定了生長季短，引種植物難以完成種子成熟及根部養分積累等生活史進程[24]。該地區的恢復植物具有高效養分重吸收能力是適應生境以及保障來年生長的基礎[25]。更重要的是渣山陽坡、陰坡和平地的溫度、風速等條件不一致，針對坡向的生境差異篩選養分利用和保存效率更高的恢復植物是促進渣山恢復的有效措施。

3.1 渣山坡向對恢復植物葉片養分含量的影響

渣山坡向顯著改變了恢復植物的成熟葉片養分含量，原因可能在于渣山坡向土壤全氮水平的不同。渣山陽坡上接收到的光輻射能量更充足，有助于微生物活動、凋落物分解等過程而促進土壤氮素儲備[26-27]；相反的作為迎風坡的陰坡上光輻射較少且風蝕等脅迫更大而不利于氮素積累。土壤氮通過緩解植物生長的養分限制[28]，以及提升土壤磷酸酶活性而直接或間接的方式促進植物對養分的吸收和積累[29]。從渣山陰坡到陽坡，土壤養分水平的升高使得植物生長能獲取的養分增多，因此恢復植物成熟葉片養分含量在渣山陽坡更高，而在陰坡上較低。中國北方草地生態系統氮限制的背景下研究結果表明[4]，土壤氮儲量的增高促進了植物的養分積累[30-31]。與成熟葉片表現不一致的是，坡向未能顯著影響衰老葉片氮含量。衰老葉片養分含量體現了植物養分重吸收程度，含量越低表示養分轉移程度越高[32]。而坡向與物種對衰落葉片氮含量顯著的交互作用暗示了不同植物重吸收效率對坡向可能存在差異性響應。另外渣山坡向對植物衰落葉片磷含量沒有影響可能是因為相對于生態系統氮循環，磷元素很少參與大氣循環[33]。且渣山基質形成時間短且不穩定，因此風吹雨蝕等作用對磷循環的干擾可能更大[10]。

3.2 渣山坡向對恢復植物養分重吸收效率的影響

恢復植物養分重吸收效率從渣山陰坡、平地到陽坡逐漸升高，可能是因為植物養分重吸收效率主要受成熟葉片養分含量的影響[34]。如陽坡土壤氮水平更高使得植物成熟葉片的養分含量高，意味著養分重吸收“源”更充足[20]，而表現出較高的重吸收效率。同時陰坡作為迎風坡，接收到的陽光輻射更少，植物遭受的極端脅迫更劇烈，導致生活史維持時間較短，使得衰老葉片中的養分不能及時轉移至根或繁殖體等其他組織[35]，養分重吸收效率呈現出降低的趨勢。試驗研究結果與在高寒區和半干旱區的研究結果相似，隨著土壤水分的升高，植物葉片養分重吸收效率下降[36]。然而在陸地自然生態系統中的大部分研究發現土壤養分速效養分含量和植物養分重吸收效率呈顯著負相關[37]；且一般生境脅迫越大，植物適應干擾的養分重吸收效率越高[38-39]。礦區渣山系統與自然生態系統之間的不一致可能是因為：渣山主要由煤矸石、風化巖石組成，基質物化性質與天然土壤差別很大；同時渣山堆積時間約5年，處于演替初期，地上-地下相互反饋關系以及生物與環境互作等過程尚不穩定[40]，與經歷長時間演變的自然生態系統有極大的差異。本試驗中渣山人工草地建植時間僅5年，因而在較短的演化序列上渣山植物養分重吸收等生活史過程可能主要受環境水分、溫度等非生物因子調控[41]，而與生物因子的協同關系尚未完全建立，這可能是與自然系統最主要的差異。在高寒礦區，植物葉片氮重吸收效率主要受控于土壤氮的積累，而磷重吸收效率主要受到土壤水分含量和有機質的影響。在青藏高原的研究發現土壤有機質是影響植物葉片磷含量的重要因素[42]，而土壤水分降低有助于土壤氣體交換進而促進有機質積累[43]。與衰落葉片氮含量相似，不同恢復植物氮素重吸收效率對坡向的響應幅度也不一致。特定生境下(陰坡、陽坡等)具有較高氮利用速率的引種植物暗示了植物對生境脅迫具有較強的適應能力[44]。基于生境變異和物種特征的物種篩選有助于提升煤田、流沙地等受損系統的生態恢復[45-46]。本試驗中物種和坡向對氮素重吸收效率的顯著交互作用可以為后續高寒礦區渣山恢復提供支撐，即陽坡上可以引種老芒麥和冷地早熟禾，平地上引種冷地早熟禾，而在陰坡恢復中可以優先考慮小花堿茅。

另外渣山恢復植物氮磷元素的相對重吸收效率都顯著大于零，說明礦區渣山植物的生長受氮限制，這與青藏高原植物生長的首要限制因子是氮供給的研究結果相似[4]。更為重要的是，在陰坡上植物的相對重吸收效率顯著高于陽坡和平地，說明陰坡上植物生長受到更為嚴重的氮限制。通常植物生長會根據不同元素的盈缺而選擇性吸收或保護相應的元素[38]，因此在后續渣山恢復，特別在陰坡的恢復中，在通過施肥補充土壤氮供給的同時還要選擇氮素重吸收效率較高的物種進行補播，養分損失率低的物種有更高的存活率[37]，從而有效的促進渣山恢復。

4 結論

本研究表明，從陽坡、平地到陰坡，植物成熟葉片養分含量以及養分重吸收效率逐漸下降；而且這種效應因恢復植物物種不同而不同：在陽坡上老芒麥和冷地早熟禾有較高的氮素重吸收率，而平地上冷地早熟禾較高，陰坡上小花堿茅較高。高寒礦區渣山植物生長受到氮限制，且在陰坡上此效應更大。在后續高寒礦區渣山恢復中，不僅要通過補充氮元素緩解生長的氮限制，還要根據坡向生境的差異引種養分重吸收效率更高的恢復物種，提升促進受損系統的恢復。