植被恢復對礦區廢棄地土壤養分及化學計量特征的影響

劉懷濤 姜威娜 張錦豪

1.黑龍江省瀕危野生動物救護繁育中心賓西示范林場，黑龍江 哈爾濱 150400；2.東北林業大學林學院，黑龍江 哈爾濱 150040

0 引言

碳（C）、氮（N）、磷（P）是土壤中的三大重要元素［1］，研究它們的化學計量比，是了解區域和全球范圍內土壤C、N 和P 的平衡和相互作用、生物地球化學循環和生物過程的有力依據。生態系統類型差異常導致土壤C、N、P化學計量比的巨大變異［2］。

黑龍江省是礦產資源大省，礦產資源的開發和利用為黑龍江省經濟發展做出了重要貢獻，但也對區域生態環境造成了很大破壞，如何盡快恢復礦區廢棄地的植被和生態環境，成為黑龍江省生態建設的一個重要內容。為此，筆者選取黑龍江省瀕危野生動物救護繁育中心賓西示范林場（以下簡稱賓西示范林場）退礦還林地與退礦荒地，分析退礦還林地與退礦荒地土壤C、N、P 含量及化學計量比的差異，探究植被恢復對礦區廢棄地土壤養分及其化學計量特征的影響，以期為礦區廢棄地生態恢復提供科學參考。

1 試驗材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于賓西示范林場，屬中溫帶大陸性季風氣候區。根據中國地面基本氣象觀測數據，賓西示范林場年平均氣溫3.0 ℃，年降水量550～650 mm，年日照時間2 700 h，年無霜期130 d 左右；春季風力最高可達8 級，冬季凍土最深可達180 cm。2020 年7 月以來，賓西示范林場實施了大規模退礦還林工程。退礦還林地主要植被類型為樟子松純林，退礦荒地只有零星草本植物分布。

1.2 樣品采集

土壤樣品于2022年8月中旬采集。在賓西示范林場內選擇海拔、坡度、坡位等立地條件一致的退礦還林地和退礦荒地，退礦還林地栽植有3 年生樟子松容器苗。在退礦還林地和退礦荒地分別選取3 個規格一致的樣方（20 m×30 m），在每個樣方內隨機選取3個距離5 m 以上的樣點，清理地表枯落物后開挖土壤剖面，采用四分法取土，使用環刀采集0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm土層土壤，每層樣品取3個重復。

1.3 測定指標與方法

采用環刀法測定土壤容重（Bulk Density，BD）［3］，采用烘干法測量土壤含水量（Soil Water Content，SWC）［4］；采用Vario-TOC 儀器測定土壤全碳（Total Carbon，TC）質量分數，采用AA3連續流動分析儀測定土壤全氮（Total Nitrogen，TN）質量分數［5］，采用H2SO4-H2O2消解，釩鉬黃分光光度法測定土壤全磷（Total Phosphorous，TP）質量分數［6］。

2 試驗結果與分析

2.1 植被恢復對礦區廢棄地土壤容重和土壤含水量的影響

由表1 可知，退礦還林地土壤容重隨土層的加深有增大趨勢；在10～20 cm、20～40 cm 土層，退礦還林地土壤容重大于退礦荒地；在0～10 cm 土層中，退礦還林地土壤含水量明顯大于退礦荒地。這說明植被恢復可在一定程度上增加礦區廢棄地10～20 cm、20～40 cm 土層土壤容重和0～10 cm土層土壤含水量。

表1 退礦還林地及退礦荒地土壤容重和含水量

2.2 植被恢復對礦區廢棄地土壤養分的影響

由圖1 可知，退礦還林地土壤TC 質量分數隨著土層深度增加而逐漸減小，退礦荒地土壤TC質量分數隨土層深度增加先減小后增大。在0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm 土層中，退礦還林地土壤TC 質量分數均大于退礦荒地土壤TC 質量分數，說明植被恢復可提升礦區廢棄地土壤碳儲量。

圖1 退礦還林和退礦荒地土壤TC質量分數

由圖2可知，退礦還林地TN 質量分數隨土層深度增加先減小后增大；退礦荒地土壤TN 質量分數隨土層深度增加變化較小；在0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm 土層中，退礦還林地土壤TN 質量分數均大于退礦荒地土壤TN 質量分數，說明植被恢復可增加礦區廢棄地土壤氮儲量。

圖2 退礦還林和退礦荒地土壤TN質量分數

由圖3 可知，在0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm土層中，退礦還林地土壤TP 質量分數均小于退礦荒地。這說明植被恢復可降低礦區廢棄地土壤磷儲量，這與植被恢復提升礦區廢棄地土壤碳儲量和氮儲量的規律相反。

圖3 退礦還林和退礦荒地土壤TP質量分數

2.3 植被恢復對礦區廢棄地土壤C、N、P 化學計量比特征的影響

由圖4、圖5、圖6可知，在0～10 cm土層，退礦還林地土壤C∶N、C∶P、N∶P 均大于退礦荒地；在10～20 cm土層，退礦還林地土壤C∶N、C∶P、N∶P 均大于退礦荒地；在20～40 cm土層，退礦還林地土壤C∶P、N∶P均大于退礦荒地，這說明植被恢復可提高礦區廢棄地的土壤質量，也說明磷虧缺是礦區廢棄地生態修復的重要限制因素。

圖4 退礦還林地和退礦荒地土壤C、N化學計量比

圖5 退礦還林地和退礦荒地土壤C、P化學計量比

圖6 退礦還林地和退礦荒地土壤N、P化學計量比

2.4 退礦還林地及退礦荒地土壤C、N、P 化學計量比與環境因子的相關性

由圖7、圖8可知，退礦還林地土壤TC質量分數與土壤TN 質量分數、N∶P、C∶P 呈顯著正相關，退礦荒地土壤TC質量分數與土壤TN 質量分數、C∶N、C∶P呈顯著正相關；退礦還林地土壤TN 質量分數與土壤C∶P、N∶P 呈顯著正相關，與退礦荒地規律一致；BD 與土壤養分指標未表現出顯著相關性。

圖7 退礦還林地土壤C、N、P化學計量比與環境因子的Person相關性分析

圖8 退礦荒地土壤C、N、P化學計量比與環境因子的Person相關性分析

退礦還林地SWC 與土壤TC、TN 質量分數和土壤C∶P、N∶P 呈顯著正相關，然而這種相關性并沒有在退礦荒地有所體現，這說明SWC是控制礦區廢棄地土壤質量的關鍵因素。

3 結論與討論

通過對賓西示范林場退礦還林地及退礦荒地土壤化學計量特征進行分析比較，得出以下結論。

第一，礦區廢棄地土壤養分和化學計量特征與植被恢復措施密切相關。退礦還林地土壤TC、TN 質量分數均大于退礦荒地，植被恢復明顯增加了礦區廢棄地土壤的碳、氮儲量；退礦還林地土壤TP 質量分數小于退礦荒地，植被恢復降低了礦區廢棄地土壤的磷儲量；退礦還林地土壤C∶P和N∶P均大于退礦荒地，這說明磷虧缺是礦區廢棄地生態修復的重要限制因子。

第二，退礦還林地SWC 與土壤TC、TN 質量分數和C∶P、N∶P 呈顯著正相關，但這種相關性并沒有在退礦荒地有所體現，這說明SWC是控制礦區廢棄地土壤質量的關鍵因素。