趙俊峰,肖 禮,安韶山,2,方 瑛,馬任甜,黃懿梅, *

1 西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院, 農(nóng)業(yè)部西北植物營(yíng)養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，楊凌 712100 2 西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，楊凌 712100

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永利煤礦復(fù)墾區(qū)植物葉片和枯落物生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征

趙俊峰1,肖 禮1,安韶山1,2,方 瑛1,馬任甜1,黃懿梅1, *

1 西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院, 農(nóng)業(yè)部西北植物營(yíng)養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，楊凌 712100 2 西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，楊凌 712100

為了明確煤礦復(fù)墾區(qū)植被恢復(fù)與重建以及不同物種的合理配置,以內(nèi)蒙古永利露天煤礦復(fù)墾區(qū)不同植物群落葉片和枯落物為研究對(duì)象,通過(guò)對(duì)其碳(C)、氮(N)、磷(P)、鉀(K)含量(質(zhì)量含量)及生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征的研究,探討煤礦復(fù)墾區(qū)植物養(yǎng)分狀況及限制因子,同時(shí)研究葉片和枯落物之間的養(yǎng)分循環(huán)狀況。結(jié)果表明：①不同植物類型葉片C含量變化較大,表現(xiàn)為喬木(側(cè)柏537.96 g/kg)最大,草本(沙打旺423.73 g/kg)最??；N、P、K含量變化較小。枯落物中沙棘C含量(417.84 g/kg)顯著高于沙打旺、檸條； N、P含量差異顯著,氮含量表現(xiàn)為沙打旺(20.30 g/kg)最大,檸條最小,磷含量表現(xiàn)為沙打旺(1.57 g/kg)最大,沙棘最??；沙打旺K含量(6.31 g/kg)顯著高于沙棘、檸條。葉片C、N、P、K含量高于枯落物。N、P、K的回收率分別為5.17%—50.16%、4.19%—6.41%、11.27%—23.24%,其中P回流率表現(xiàn)為沙打旺(6.41%)最大,檸條最?。籏回流率表現(xiàn)為沙棘(23.24%)最大,檸條最小。②灌木、草本植物N/P>16,喬木類N/P<14,灌木類、草本類生長(zhǎng)受制于P,喬木類生長(zhǎng)受制于N。結(jié)合土壤C、N、P含量,建議在植被恢復(fù)初期種植豆科等先鋒植物,隨著土壤肥力的提高再逐步種植灌木、喬木。

礦區(qū)植被恢復(fù)；養(yǎng)分循環(huán)；葉片；枯落物；生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)

生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)(ecological stoichiometry)是分析多種化學(xué)元素在生態(tài)系統(tǒng)中相互作用平衡的一門新興學(xué)科[1],主要研究生態(tài)系統(tǒng)中化學(xué)元素的組成、相互作用和過(guò)程的平衡[2],同時(shí)涉及能量的變化、平衡,并分析這種平衡對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響[3]。從生物學(xué)角度,碳(C)、氮(N)和磷(P)是3種主要化學(xué)元素,同時(shí)是植物的物質(zhì)基礎(chǔ),三者之間的比例能夠顯著反映重要生態(tài)過(guò)程(如枯落物分解)[4- 5]。在植物的個(gè)體水平上,C、N、P 等營(yíng)養(yǎng)元素之間的相互作用以及與外界環(huán)境的關(guān)系共同決定著植物的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程和營(yíng)養(yǎng)水平[6]。C/N和C/P代表植物吸收C的能力[7],N/P能反映土壤養(yǎng)分和植物營(yíng)養(yǎng)需求之間的動(dòng)態(tài)平衡[8]。植物N/P營(yíng)養(yǎng)限制理論被廣泛接受,并用于不同生態(tài)系統(tǒng)研究[9]。在陸地生態(tài)系統(tǒng)中生態(tài)化學(xué)計(jì)量研究取得了較大進(jìn)展[10]。陸地植物N、P含量及N/P化學(xué)計(jì)量特征及其影響因素已成為生態(tài)學(xué)的研究熱點(diǎn)[11]。較大地域尺度[12]、不同區(qū)域[13]、不同植物功能群[14]、不同植物生長(zhǎng)階段[15]化學(xué)計(jì)量特征有較多研究,但由于研究尺度、環(huán)境的不同造成結(jié)果差異很大。同時(shí)生態(tài)系統(tǒng)各組分養(yǎng)分循環(huán)規(guī)律研究尚顯不足[16],也鮮見(jiàn)關(guān)于鉀(K)的限制的研究[17]?？萋湮锸巧鷳B(tài)系統(tǒng)的重要組分,有著重要的生態(tài)功能[18]。研究葉片-枯落物的生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征對(duì)于揭示生態(tài)系統(tǒng)各組分之間的養(yǎng)分循環(huán)規(guī)律,闡明系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及促進(jìn)生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)理論的發(fā)展具有重要的意義[19]。

礦山廢棄地是一類特殊的退化生態(tài)系統(tǒng),國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了大量的修復(fù)研究與實(shí)踐工作,針對(duì)不同種類廢棄地的不同退化機(jī)制和性質(zhì),采取的修復(fù)及重建措施也不相同[20]。但目前對(duì)生態(tài)系統(tǒng)脆弱的半干旱地區(qū)的研究與實(shí)踐較少,對(duì)于廢棄地與植物的相互關(guān)系還不了解,對(duì)于礦山廢棄地地上植物與枯落物的養(yǎng)分限制關(guān)系的研究很少[21]。而生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)可以用于指導(dǎo)礦山廢棄地生態(tài)恢復(fù)[22]。因此本研究以永利露天煤礦復(fù)墾區(qū)不同層次植被葉片與枯落物作為研究對(duì)象,運(yùn)用生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)手段,研究不同植被類型的葉片與枯落物的養(yǎng)分變化以及相互關(guān)系,探討不同植被類型在礦山廢棄地中的限制因子,為理解葉片和枯落物養(yǎng)分循環(huán)狀況提供理論支撐,為該復(fù)墾區(qū)植物的選擇及復(fù)墾效果評(píng)價(jià)提供科學(xué)合理的建議與參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

永利煤礦(110°12′E、39°43′N)位于鄂爾多斯市準(zhǔn)格爾旗烏蘭哈達(dá)鄉(xiāng)哈拉慶溝與賈明溝的區(qū)域,現(xiàn)井田面積為3.567 km2,系露天開(kāi)采A類煤礦。海拔1324—1423 m。屬于典型的中溫帶半干旱大陸性氣候,干旱少雨,常年平均溫度7℃,年積溫3000℃,年日照都在3000 h以上,全年降水量約為380 mm。

礦區(qū)屬于中部丘陵溝壑砒砂巖區(qū),位于準(zhǔn)格爾旗西部,是由3世紀(jì)上統(tǒng)砂質(zhì)泥巖,中統(tǒng)的含礫砂巖,泥質(zhì)粉砂巖和棕紅色砂質(zhì)泥巖、砂礫砂巖構(gòu)成。植被特點(diǎn)為抗旱,抗貧瘠、生長(zhǎng)緩慢、種類單純。本研究所選試驗(yàn)地為排土場(chǎng),排土場(chǎng)復(fù)墾都采用未經(jīng)熟化的深層黃土,復(fù)墾年限5—10a,復(fù)墾方式是在不同區(qū)域人工栽植喬木(主要樹(shù)種是油松(PinustabulaeformisCarr.)、側(cè)柏(Platycladusorientalis(L.) Franco)等)、灌木(主要是酸刺(HippophaerhamnoidesLinn)、檸條(CaraganaKorshinskiiKom.)等)、草本(主要是沙打旺(AstragalusadsurgensPall.)、苜蓿(Medicago)等),不同生活型相互區(qū)分以便于比較恢復(fù)效果。

1.2 樣品采集

2013年9月在內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾旗永利煤礦復(fù)墾區(qū)采集植物葉片、枯落物和土樣樣品。植物樣采集根據(jù)植被恢復(fù)中栽種的主要植物,選取樣地9塊(表1),每塊樣地隨機(jī)設(shè)置3個(gè)樣方,樣方間距100 m,樣方大小為草本樣方1 m×1 m,灌木樣方5 m×5 m,喬木樣方10 m×10 m,首先選擇喬木樣方,在喬木樣方內(nèi)選擇灌木樣方、在灌木樣方內(nèi)選擇草本樣方。在樣方內(nèi)根據(jù)生活型(表2)選取植物群落中優(yōu)勢(shì)物種的代表性樣株,根據(jù)不同方位、層次剪取單一物種葉片。在樣方內(nèi)多點(diǎn)收集單一物種枯落物(新鮮凋落物),每種植物收集到的枯落物混勻,枯落物只收集到沙棘(HippophaerhamnoidesLinn.)、沙打旺(AstragalusadsurgensPall.)、檸條3種植物。采集的植物葉片質(zhì)量大約為300 g左右,葉片于105℃下殺青15 min, 然后65℃烘干至恒重。土樣采用“S”形布點(diǎn)采樣法,多點(diǎn)混合取樣,依次在選定的9塊樣地里采集0—10 cm,10—20 cm混合樣土壤樣品。

表1 采樣點(diǎn)信息

表2 采集的植物物種

1.3 樣品測(cè)定

用粉碎機(jī)將植物葉片以及葉片枯落物粉碎成0.15 mm的粉末后測(cè)定其全碳、全氮、全磷、全鉀。植物葉片與枯落物的全碳用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定；全氮、全磷、全鉀采用H2SO4-H2O2消煮,消煮液分別用凱氏法測(cè)定全氮(KDY- 9830),釩鉬黃比色法測(cè)定全磷(UV- 2450),火焰光度法測(cè)定全鉀[23]。

凋落物養(yǎng)分回收能力用養(yǎng)分回收率(R) 表示,可以將其定義為: 在秋季來(lái)臨時(shí),正常生長(zhǎng)器官養(yǎng)分含量與凋落物中養(yǎng)分含量的差值,即凋落物在凋落前轉(zhuǎn)移養(yǎng)分的量。養(yǎng)分回收率可按下式計(jì)算:

式中，R為養(yǎng)分回收率(%)；T葉為正常生長(zhǎng)葉片中養(yǎng)分含量(g/kg)；T枯為凋落物中養(yǎng)分含量(g/kg)。

土壤全碳采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定；全氮采用凱氏定氮法(KDY- 9830)測(cè)定；全磷采用高氯酸-硫酸消解鉬銻抗比色法(UV- 2450)測(cè)定[23]。

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

采用SPSS 20.0統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析、單因素方差分析(One-Way ANOVA)以及多重比較,運(yùn)用Excel 2013進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,運(yùn)用Origin9.0作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同植物葉片和枯落物C、N、P、K含量變化

由表3可以看出,不同植物葉片C含量變化為423.73—537.96 g/kg,平均值為483.16 g/kg,變異系數(shù)為10.04%；N含量變化范圍為15.96—29.01 g/kg,均值為23.36 g/kg,變異系數(shù)為21.18%；P含量變化范圍為1.13—1.94 g/kg,均值為1.43 g/kg,變異系數(shù)為20.22%；K含量變化范圍為5.18—10.52 g/kg,均值為7.93 g/kg,變異系數(shù)為25.54%。

從整體來(lái)看,植物葉片C含量表現(xiàn)為側(cè)柏最大,沙打旺最小,沙棘、檸條、側(cè)柏、油松顯著高于沙打旺、苜蓿(P<0.05)；N含量表現(xiàn)為沙棘最大,油松最?。籔含量表現(xiàn)為側(cè)柏最大,檸條最??；N、P含量在不同植物葉片中差異不顯著。K含量表現(xiàn)為苜蓿最大,油松最小,苜蓿顯著高于油松。

表3 不同植物葉片C、N、P、K含量

不同的小寫字母代表C、N、P、K含量在不同植物葉片之間存在顯著差異(P<0.05)

由表4可以看出,3種植物枯落物C含量的變化范圍為320.23—417.84 g/kg,均值為359.9 g/kg,變異系數(shù)為14.25%；N含量變化范圍為15.19— 20.30 g/kg,均值為17.53 g/kg,變異系數(shù)為14.74%；P含量的變化范圍為0.96— 1.57 g/kg,均值為1.22 g/kg,變異系數(shù)為25.99%；K含量的變化范圍為3.91—6.31 g/kg,均值為4.85 g/kg,變異系數(shù)為26.43%。

枯落物C含量表現(xiàn)為沙棘最大,檸條最小,沙棘顯著高于沙打旺、檸條(P<0.05)；N含量表現(xiàn)為沙打旺最大檸條最小,沙棘、沙打旺、檸條之間差異顯著(P<0.05)；P含量表現(xiàn)為沙打旺最大,沙棘最小,沙棘、沙打旺、檸條之間差異顯著(P<0.05)；K含量表現(xiàn)為沙打旺最大,沙棘最小,沙打旺顯著高于沙棘、檸條(P<0.05)。

表4 不同植物枯落物C、N、P、K含量

不同的小寫字母代表C、N、P、K含量在不同植物枯落物之間存在顯著差異(P<0.05)

2.2 不同植物葉片和枯落物的生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征

由圖1可以看出,不同植物葉片的生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征C/N、C/P、N/P的變化范圍為18.32—32.44、276.18—457.54、10.24—22.53、除C/N比值外,C/K、N/K、P/K的變化范圍分別為46.10—100.57、2.57—4.64、0.11—0.29。 C/N表現(xiàn)為油松最大,苜蓿最小,油松顯著高于苜蓿、沙棘、檸條；C/P表現(xiàn)為沙打旺最大,側(cè)柏最小,側(cè)柏顯著低于苜蓿、沙打旺、沙棘、檸條(草本類、灌木類)；N/P表現(xiàn)為檸條最大,側(cè)柏最小,喬木類顯著低于灌木、草本類。C/K表現(xiàn)為油松最大,苜蓿最小,沙棘、油松顯著大于苜蓿、沙棘、檸條；N/K表現(xiàn)為沙棘最大,苜蓿最小,沙棘顯著高于其他植物；P/K表現(xiàn)為油松最大,檸條最小,側(cè)柏、油松顯著高于沙打旺、沙棘,沙打旺、沙棘顯著高于苜蓿、檸條。

圖1 不同植物葉片生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征Fig.1 The characteristics of ecological stoichiometry in leaf under different plan 不同的小寫字母代表C∶N∶P∶K在不同植物葉片之間存在顯著差異(P<0.05)

由圖2可以看出,植物枯落物的生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征N/P表現(xiàn)為沙棘>沙打旺>檸條,N/P變化范圍為12.80—17.28；P/K、N/K、C/P、C/N、C/K的變化范圍分別為0.21—0.29、2.73—4.70、236.63—632.67、18.49—31.08、50.52—148.38,表現(xiàn)為沙打旺>沙棘>檸條。在不同植物群落下枯落物C/P、C/N、C/K表現(xiàn)為沙棘顯著高于沙打旺、檸條。N/P、P/K、 N/K差異不顯著。

圖2 不同植物枯落物生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征Fig.2 The characteristics of ecological stoichiometry in litter under different plan不同的小寫字母代表C∶N∶P∶K在不同植物枯落物之間存在顯著差異(P<0.05)

圖3 不同植物葉片變成枯落物N、P、K養(yǎng)分回收率 Fig.3 Nutrients resorption efficiencies in leaf and litter of different plan communities

由圖3可以看出,9月份養(yǎng)分回收率,N回收率變化范圍是5.17—50.16%,表現(xiàn)為沙棘>檸條>沙打旺。P回收率變化范圍4.19%—6.41%,表現(xiàn)為沙打旺>沙棘>檸條。K回收率11.27%—23.24%,表現(xiàn)為沙棘>沙打旺>檸條。

2.3 植物葉片和枯落物C、N、P、K含量與生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征的關(guān)系

由表5可以看出,植物葉片C含量只與C/K比值呈極顯著正相關(guān),與其他比值均呈負(fù)相關(guān),但相關(guān)性不顯著；植物葉片碳含量與C/P、C/K比值呈負(fù)相關(guān),且相關(guān)性極顯著(P<0.01)；植物葉片P含量與C/N比值呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,與N/K呈極顯著的正相關(guān)(P<0.01)；植物葉片K含量與C/N呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)。

由表6可以看出,植物枯落物C含量與N/P、N/K呈顯著相關(guān)(P<0.05),與其他比值均呈負(fù)相關(guān)；枯落物N含量與C/P、C/K呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01),與其他比值均呈負(fù)相關(guān)；枯落物P含量與C/N、C/K呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)；枯落物K含量與各比值之間均呈負(fù)相關(guān),其中與C/N、C/P呈極顯著的負(fù)相關(guān)(P<0.01)。

3 討論

3.1 不同植物葉片和枯落物C、N、P、K含量變化

本研究中草本類植物葉片C含量不僅遠(yuǎn)低于喬木和灌木植物葉片碳含量,更是低于全球植物葉片平均C含量(464 g/kg)。主要是由于不同植物對(duì)環(huán)境的適應(yīng)策略不同所導(dǎo)致,葉片C含量高,光合速率較低,生長(zhǎng)較為緩慢,而抗逆性相對(duì)較強(qiáng)[24]。灌木和草本植物葉片N含量均略高于我國(guó)植物葉片N含量(20.2 g/kg)[25]而喬木略低于該值。這與已有草本、灌木和喬木植物比較,葉片氮含量較高的研究結(jié)果較為一致[26],即壽命短的快速生長(zhǎng)的物種的葉片N含量高于壽命長(zhǎng)的生長(zhǎng)相對(duì)較慢的物種[27]。灌木和草本植物葉片P含量略低于植物葉片的平均P含量(1.5 g/kg)[28]而喬木類略高于該值。不同植物葉片N、P含量表現(xiàn)出差異可能是由于不同類型植物吸收養(yǎng)分的種類、數(shù)量以及對(duì)養(yǎng)分的利用效率均存在差異[29],也證明了不同生活型植物對(duì)資源利用的不同[30]。

表5 植物葉片C、N、P、K含量與生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征相關(guān)性分析

** 在 0.01 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān),* 在 0.05 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)

表6 植物枯落物C、N、P、K含量與生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征相關(guān)性分析

研究結(jié)果顯示,不同植物葉片C、N、P、K含量高于枯落物,這可能是因?yàn)槔匣蚵涞闹参锝M織即枯落物在老化前會(huì)將部分養(yǎng)分轉(zhuǎn)移到新鮮組織當(dāng)中去,實(shí)現(xiàn)了養(yǎng)分的再吸收利用[31]。比較植物葉片與枯落物C、N、P、K含量可以揭示生態(tài)系統(tǒng)各組分之間的養(yǎng)分循環(huán)規(guī)律。本研究中不同植物類型N、P、K回收率差異較大(圖3),沙棘中N的回收率明顯高于其他植物。對(duì)于相同生活型養(yǎng)分回收率也表現(xiàn)出較大的不同,說(shuō)明本研究中生活型不是影響?zhàn)B分回流的主要因素。K決定了植物的耐旱性,在植物水分競(jìng)爭(zhēng)中起著重要的作用[29]。本研究中K的回收率普遍低于李鑫等[29](3種植物類型K回收率均超過(guò)60%)的研究結(jié)果。這可能由于不同研究區(qū)域水分狀況的差異所導(dǎo)致的。同時(shí)本研究采樣時(shí)間是9月份,此時(shí)葉片可能已開(kāi)始轉(zhuǎn)移養(yǎng)分,導(dǎo)致結(jié)果略低于最大回收率。

3.2 不同植物葉片和枯落物的生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征變化

植物葉片C/N和C/P代表植物吸收營(yíng)養(yǎng)元素時(shí)所能同化C的能力,在一定程度上可反映植物的營(yíng)養(yǎng)利用效率[32]。本研究中灌木和草本C/N與Elser JJ等[33]對(duì)全球398種陸生植物的測(cè)定結(jié)果相差不大,同時(shí)顯著低于喬木；喬木C/P與鄭淑霞等[34]研究結(jié)果較為一致但顯著低于草本、灌木。本研究中草本灌木C/N顯著高于喬木,草本灌木C/P顯著低于喬木,說(shuō)明了草本、灌木與喬木的N、P利用效率不同,也間接說(shuō)明了草本、灌木與喬木在N、P需求量上的較大差異。

不同生活型植物對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力明顯不同,所表現(xiàn)出的養(yǎng)分適應(yīng)策略差異較大,導(dǎo)致喬木、灌木、禾本科植物以及非禾本科植物等生活型之間的葉片N含量、P含量和N/P差異均達(dá)極顯著水平[35]。植物葉片的N/P臨界比值被認(rèn)為可以作為判斷環(huán)境對(duì)植物生長(zhǎng)的養(yǎng)分供應(yīng)狀況,反映環(huán)境中養(yǎng)分制約的重要指標(biāo)[9]。N/P<14時(shí),植物受到N元素限制,N/P>16時(shí),植物受到P元素限制,N/P在兩者之間時(shí),則植物受N或P或N/P影響[9]。不同生活型植物葉片N含量、P含量差異導(dǎo)致灌木和草本葉片N/P平均值顯著高于Han等[25]、任書杰等[27]報(bào)道的結(jié)果,喬木類基本相近,可能是由于礦山廢棄地特殊的環(huán)境所導(dǎo)致的不同生活型之間的差異。在本研究中草本類(沙打旺、苜蓿)、灌木類(沙棘、檸條)N/P>16,表明草本類、灌木類生長(zhǎng)受制于P。喬木類側(cè)柏、油松N/P<14,表明喬木類生長(zhǎng)受制于N,這與鄭淑霞等[34]N/P無(wú)明顯差別的研究結(jié)論不一致,這可能是植被恢復(fù)初期(復(fù)墾5—10 a)對(duì)土壤的改良作用較小引起的。

在不同植物類型下枯落物C/P、 C/N、C/K比值表現(xiàn)為沙棘顯著高于沙打旺、檸條,是由于沙棘枯落物碳含量遠(yuǎn)高于沙打旺、檸條 引起的(如表4)。植物生長(zhǎng)后期N、P發(fā)生了不同程度的釋放和遷移[36],結(jié)合養(yǎng)分葉片N/P、回流率(圖3),3種植物枯落物N/P比差異不顯著,說(shuō)明植物對(duì)不同養(yǎng)分的回流能力不同。根據(jù)土壤的理化性質(zhì)(表7),永利礦區(qū)恢復(fù)土壤中N含量與內(nèi)蒙古放牧草原土壤比較含量偏低,結(jié)合喬木生長(zhǎng)受制于N的情況,說(shuō)明在目前階段不適宜栽種喬木。在礦山廢棄地恢復(fù)過(guò)程中,栽種物種一般是按照草本-灌木-木本植物的順序進(jìn)行的,其中豆科植物的添加起著關(guān)鍵性的作用[21]。因此建議在目前恢復(fù)階段種植豆科植物等先鋒植物,隨著土壤肥力的提高再逐步種植灌木、喬木。

表7 永利土壤C、N、P含量與其他研究比較

4 結(jié)論

本研究表明,1)不同植物葉片C、N、P、K含量均高于枯落物,植物葉片碳含量表現(xiàn)為喬木類(側(cè)柏、油松)、灌木類(沙棘、檸條)顯著高于草本類(沙打旺、苜蓿)。N、P含量在各種植物葉片中差異不顯著,在枯落物中差異顯著,結(jié)合各元素回流率差異,說(shuō)明植物對(duì)不同養(yǎng)分的回流能力有所差異。2)不同植物群落下植物葉片N/P比表現(xiàn)為灌木類(沙棘、檸條)最高,喬木類(側(cè)柏、油松)最低。灌木類(沙棘、檸條),草本類(沙打旺、苜蓿)N/P比大于16,喬木類(側(cè)柏、油松)N/P比小于14,表明灌木類、草本類生長(zhǎng)受制于P,喬木類生長(zhǎng)受制于N。結(jié)合土壤的C、N、P含量,建議在目前恢復(fù)階段種植豆科植物等先鋒植物,隨著土壤肥力的提高再逐步種植灌木、喬木。

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Ecological stoichiometry characteristics of leaves and litter in plant communities in the Yongli colliery reclamation area

ZHAO Junfeng1,XIAO Li1, AN Shaoshan1, 2, FANG Ying1,MA Rentian1,HUANG Yimei1, *

1KeyLaboratoryofPlantNutritionandtheAgri-environmentinNorthwestChina,MinistryofAgriculture,CollegeofNaturalResourcesandEnvironment,NorthwestAgricultural&ForestryUniversity,Yangling712100,China2StateKeyLaboratoryofSoilErosionandDryLandFarmingonLoessPlateau,Instituteofsoilandwaterconservation,NorthwestAgricultural&ForestryUniversity,Yangling712100,China

The objective of this study was to clarify the ecological stoichiometry characteristics of leaves and litter in different plant communities in the Yongli colliery reclamation area. Leaves and litter were collected, and organic carbon (C), total nitrogen (N), total phosphorous (P), and total potassium (K) content were measured．Plant nutrient values and restriction factors for the reclamation area were determined and nutrient cycling between leaves and litter was investigated. The results indicated that: (1) There were significant differences in leaf C content among the different plant types. C content was the highest in shrubs (Platycladusorientalis(L.) Franco, 537.96 g/kg) and the lowest in herbs (AstragalusadsurgensPall., 423.73 g/kg). Leaf N, P, and K content did not differ significantly between plant types. In contrast, there were significant differences between plant types for the N and P content of the litter. C content was significantly higher inHippophaerhamnoidesLinn. (417.84 g/kg) than inA.adsurgensandCaraganakorshinskiiKom. N content was the highest inA.adsurgens(20.30 g/kg) and the lowest inC.korshinskii, whereas P content was the highest inA.adsurgens(1.57 g/kg) and the lowest inH.rhamnoides. K content was significantly higher inA.adsurgens(6.31 g/kg) than inH.rhamnoidesandC.korshinskii. C, N, P, and K content were higher in the leaves than in the litter. The resorption efficiencies of N, P, and K was in the range of 5.17—50.16%, 4.19—6.41%, and 11.27—23.24%, respectively. N resorption was significantly higher inH.rhamnoidesthan inC.korshinskiiandA.adsurgens, P resorption was the highest inA.adsurgensand the lowest inC.korshinskii, and K resorption was the highest inH.rhamnoides(23.24%) and the lowest inC.korshinskii; and (2) Shrubs and herbs had an N/P ratio>16. This finding indicates that the growth of these plants was primarily limited by P. In contrast, macrophanerophytes had an N/P ratio<14, which indicates that growth was primarily limited by N. Combined with C, N, and P content in the soil, leguminous plants should be planted in the early stage of vegetation restoration, followed by shrubs or macrophanerophytes.

vegetation restoration; nutrient cycling; leaf; litter; ecological stoichiometry

中國(guó)科學(xué)院西部行動(dòng)計(jì)劃項(xiàng)目(KZCX2-XB3- 13)；國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(41171226)；教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才(NCET- 2-0479)

2016- 01- 20; 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2016- 12- 19

10.5846/stxb201601200136

*通訊作者Corresponding author.E-mail: ymhuang1971@nwsuaf.edu.cn

趙俊峰,肖禮,安韶山,方瑛,馬任甜,黃懿梅.永利煤礦復(fù)墾區(qū)植物葉片和枯落物生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征.生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(9):3036- 3045.

Zhao J F,Xiao L, An S S, Fang Y,Ma R T,Huang Y M.Ecological stoichiometry characteristics of leaves and litter in plant communities in the Yongli colliery reclamation area.Acta Ecologica Sinica,2017,37(9):3036- 3045.