趙少婷 王改玲 張菁 劉煥煥

摘 要：為研究復(fù)墾過程中植物和土壤養(yǎng)分生態(tài)計量特征及其相關(guān)關(guān)系，對山西安太堡露天礦排土場不同復(fù)墾年限（3a、8a、20a、原地貌耕地）苜蓿地土壤和植物總有機(jī)碳（C）、全氮（N）、全磷（P）及其化學(xué)計量比進(jìn)行分析，結(jié)果表明：20a苜蓿中莖、葉C∶N顯著降低，N∶P顯著升高，其中20a莖的N∶P為17.09，是3a的3.5倍;20a苜蓿莖中P含量明顯降低，從而使莖C∶P明顯增高。土壤C、N隨復(fù)墾年限延長遞增，P略有降低;土壤C∶P，N∶P隨復(fù)墾年限增加而上升，C∶N呈先增加、后降低趨勢。莖的C∶P、N∶P與0～10cm土壤的C∶P、N∶P分別呈極顯著正相關(guān)（p<0.01），莖的N∶P與0～10cm土壤全P含量極顯著負(fù)相關(guān)（p<0.01）。葉片N含量與0～10cm、10～20cm土壤N含量極顯著正相關(guān)（p<0.01）。長期復(fù)墾提高了土壤C、N含量，苜蓿生長主要受到氮素限制向受到氮和磷的共同限制轉(zhuǎn)變。研究結(jié)果為礦區(qū)土地復(fù)墾中植被恢復(fù)及土壤質(zhì)量提升提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：土壤養(yǎng)分;植物養(yǎng)分;化學(xué)計量特征;復(fù)墾年限;苜蓿

中圖分類號：S-3

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20200415048

收稿日期：2020-03-19

作者簡介：趙少婷（1972-），女，碩士，高級農(nóng)藝師。研究方向：土壤環(huán)境監(jiān)測與治理修復(fù);通訊作者王改玲（1971-），女，博士，教授。研究方向：土壤與礦區(qū)土地復(fù)墾。

生態(tài)化學(xué)計量學(xué)是分析生態(tài)系統(tǒng)中多種化學(xué)元素相互作用及其平衡，特別是碳、氮、磷平衡的科學(xué)[1，2]，是研究植物與土壤之間碳、氮、磷相關(guān)性及植物生長與養(yǎng)分供應(yīng)關(guān)系的有效手段[3]。礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)是一個受采礦嚴(yán)重干擾的極度退化生態(tài)系統(tǒng)。在煤炭的露天開采過程中，原地貌形態(tài)完全改變，地層結(jié)構(gòu)徹底破壞，土壤養(yǎng)分的初始狀態(tài)徹底改變，植物種群亦不復(fù)存在[4，5]。土壤是植被恢復(fù)的物質(zhì)基礎(chǔ)，土壤碳、氮、磷等化學(xué)元素含量及生態(tài)計量比影響植物體內(nèi)碳、氮、磷代謝及生態(tài)計量比，從而影響植物的生長發(fā)育。尤其是N素和P素，常常由于自然供應(yīng)的限制，成為生態(tài)系統(tǒng)平衡及植被生長主要的限制性元素[6-8]。隨著礦區(qū)植被的恢復(fù)，土壤中化學(xué)元素積累，生態(tài)計量比也隨之改變[9]，這些變化又可以促進(jìn)植被的恢復(fù)。

安太堡露天礦是我國最大的露天煤礦。經(jīng)過20多年的復(fù)墾，已形成集林地、草地和耕地為一體的綜合復(fù)墾工程。苜蓿（Medicago sativa）是一種多年生豆科草本植物，具有根瘤固氮能力、耐瘠薄等特點，能改良土壤。同時，苜蓿產(chǎn)草量高，草質(zhì)優(yōu)良，具有較高的飼用價值。作為一種生態(tài)經(jīng)濟(jì)效益兼優(yōu)的生物復(fù)墾措施，在安太堡露天礦復(fù)墾區(qū)苜蓿已被大量種植，建成了以苜蓿為主的耕地快熟恢復(fù)、優(yōu)質(zhì)牧草種植等試驗示范區(qū)100hm2有余。然而，礦區(qū)土地復(fù)墾研究多集中于土壤重構(gòu)技術(shù)和植被配置模式的篩選[10，11]，以及不同復(fù)墾模式對土壤質(zhì)量的影響研究[12-14]，生態(tài)計量研究則主要集中在自然生態(tài)系統(tǒng)或人工草地培育過程中植物和土壤的化學(xué)計量特征方面[15-23]，生態(tài)重建過程中植物和土壤生態(tài)計量特征研究較少[9]，長期苜蓿復(fù)墾條件下植物和土壤生態(tài)計量特征及其耦合關(guān)系的研究則更不多見，限制了對礦區(qū)土地復(fù)墾及生態(tài)重建過程中元素循環(huán)及平衡機(jī)制的認(rèn)識。

本文以安太堡露天礦為研究區(qū)，探討不同復(fù)墾年限苜蓿地植物和土壤C、N、P化學(xué)計量特征及其耦合關(guān)系，為礦區(qū)土地復(fù)墾中植被恢復(fù)及土壤質(zhì)量提升提供理論依據(jù)。

1?材料與方法

1.1?研究區(qū)概況

安太堡露天煤礦地處黃土高原東部，E112o11′～113o30′，N39o23′～39o37′。屬溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均氣溫4.8～7.8℃，平均降雨量428.2～449.0mm。土壤類型為栗鈣土與栗褐土的過渡類型，物理風(fēng)化強(qiáng)烈，土質(zhì)偏砂。礦區(qū)地帶性植被為干草原類型，生態(tài)環(huán)境十分脆弱。

1.2?樣地選擇和取樣

通過資料查證、走訪相關(guān)部門，并詢問在該地進(jìn)行長期研究的專家，綜合考慮海拔、坡度以及基本土壤狀況相近的立地條件，從中選擇生物復(fù)墾年限分別為3a、8a和20a的3個復(fù)墾樣地及1個原地貌耕地（對照）為研究樣地（表1）。3個復(fù)墾樣地，復(fù)墾開始時人工種植紫花苜蓿，之后不進(jìn)行施肥和其它耕作管理。原地貌樣地為未受采礦干擾的原有耕地。

2016年9月進(jìn)行土壤和植物樣品采集。采樣時，3a和8a復(fù)墾地，苜蓿長勢旺盛，野生雜草很少侵入;20a復(fù)墾地，苜蓿已退化，雜草大量侵入。將每個樣地分為3個小區(qū)，每個小區(qū)內(nèi)按“S”型5點法采樣。土壤樣品分層采集0～10cm，10～20cm土樣。將土樣自然風(fēng)干后，過0.149mm篩。每個樣點采集植物樣4株，每個樣區(qū)20株。將采集的植物樣洗凈，莖、葉分開，烘干，過篩，過篩后的土壤和植物樣品用于總有機(jī)碳、全氮、全磷的測定。

1.3?測定項目及方法

總有機(jī)碳、全氮、全磷的測定均采用常規(guī)方法[24]。

1.4?數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用IBM SPSS 22.0軟件中單因素方差分析（one-way ANOVA）以及最小顯著性檢驗法（LSD），檢驗不同復(fù)墾年限間土壤和植物C、N、P含量及其化學(xué)計量比之間的差異，并對各個指標(biāo)之間采用Pearson相關(guān)系數(shù)法進(jìn)行相關(guān)性分析，用Excel進(jìn)行植物和土壤C、N、P含量及生態(tài)計量比作圖。

2?結(jié)果與分析

2.1?不同復(fù)墾年限苜蓿地植物C、N、P含量及生態(tài)計量比

對不同復(fù)墾年限苜蓿地植物莖、葉的碳、氮、磷含量進(jìn)行統(tǒng)計分析（圖1）。結(jié)果表明，隨著復(fù)墾年限的增加，苜蓿莖、葉的碳、氮、磷含量表現(xiàn)為不同的變化規(guī)律。莖的C含量范圍為401.12～410.37g/kg，隨復(fù)墾年限的增加呈先降低后增加的趨勢，8a顯著低于3a和20a（p<0.05），而3a與20a差異不顯著（p>0.05）。葉片C含量范圍為361.00～456.65g/kg，隨復(fù)墾年限延長呈先增加后降低的趨勢，不同復(fù)墾年限間均存在顯著性差異（p<0.05）。

莖的N含量范圍為16.716～45.110g/kg，葉片的N含量范圍為39.732～45.049g/kg，莖、葉N含量均隨復(fù)墾時間延長遞增，且不同復(fù)墾年限間差異顯著（p<0.05），其中20a莖N含量最高，達(dá)到45.110g/kg，是3a莖含量的2.70倍。

莖的P含量范圍為2.640～3.610g/kg，隨復(fù)墾時間延長呈先增加后降低的趨勢，8a苜蓿莖P含量顯著高于3a，20a苜蓿莖P含量顯著低于8a和3a（p<0.05）;葉片P含量范圍為3.480～3.819g/kg，20a苜蓿葉片P含量顯著高于3a和8a（p<0.05），而3a和8a差異不顯著（p>0.05）。

不同樣地苜蓿莖的C∶N隨復(fù)墾年限延長顯著降低，N∶P則隨復(fù)墾年限的延長明顯提高，其中20a莖的C∶N為9.10，較3a的24.37降低60.7%;20a莖的N∶P為17.09，是3a的3.5倍。20a莖的C∶P明顯高于3a，高于8a（p<0.05）。不同樣地苜蓿葉片的C∶N、C∶P表現(xiàn)為8a>3a>20a，且不同樣地差異顯著。葉片N∶P則表現(xiàn)為8a和20a顯著高于3a（p<0.05），而8a和20a差異不顯著（p>0.05）（圖2）。與莖相比，葉片C∶N、N∶P的變異幅度較大。

2.2?不同復(fù)墾年限苜蓿地土壤C、N、P含量及生態(tài)計量比

不同樣地0～10cm、10～20cm土層有機(jī)碳含量變化范圍分別為2.64～7.77g/kg、1.84～5.57g/kg。隨復(fù)墾時間延長，各土層有機(jī)碳含量增加，且20a苜蓿地0～10cm土層有機(jī)碳含量顯著高于原地貌耕地及其它樣地。與原地貌耕地相比，20a苜蓿地0～10cm土層有機(jī)碳含量提高了30.1%，10～20cm土層亦逐漸接近原地貌耕地（圖3）。

不同樣地0～10cm、10～20cm土層全氮含量變化范圍分別為0.208～0.523g/kg、0.103～0.406g/kg。與有機(jī)碳含量變化趨勢相似，隨復(fù)墾時間延長，各土層全氮含量增加，且20a苜蓿地0～10cm土層全氮含量顯著高于原地貌耕地及其它樣地。20a苜蓿地0～10cm土層全氮含量達(dá)到0.523g/kg，較原地貌耕地提高28.8%;10～20cm土層達(dá)到0.268g/kg，相當(dāng)于原地貌耕地的66.0%。

不同樣地0～10cm、10～20cm土層全磷變化范圍分別為0.472～0.637g/kg、0.452～0.502g/kg。與有機(jī)碳、全氮的變化趨勢不同，土壤全磷含量總體上表現(xiàn)為0～10cm土壤全磷含量低于10～20cm，且隨復(fù)墾時間的延長而降低，但變異幅度較小。

不同樣地土壤0～10cm、10～20cm土層C∶N變化范圍分別為10.88～14.92、13.92～18.35。3a苜蓿地0～10cm土層C∶N顯著低于其它樣地（p<0.05），而其它樣地間差異不顯著（p>0.05）。隨復(fù)墾年限的延長，10～20cm土層C∶N表現(xiàn)出逐漸降低的趨勢，但各樣地間差異不顯著（p>0.05）。除原地貌耕地外，其它樣地土壤均表現(xiàn)為10～20cm土層C∶N高于0～10cm土層（圖4）。

不同樣地土壤0～10cm、10～20cm土層C∶P變化范圍分別為4.15～16.33、4.01～11.18?？傮w上表現(xiàn)為C∶P隨復(fù)墾時間的延長而提高，且0～10cm土層提高的幅度明顯高于10～20cm土層提高的幅度。復(fù)墾20a苜蓿地0～10cm土層C∶P明顯高于10～20cm，亦明顯高于原地貌耕地0～10cm土層C∶P（p<0.05）。

不同樣地土壤0～10cm、10～20cm土層N∶P變化范圍分別為0.38～1.10、0.22～0.81。與C∶P變化趨勢相似，N∶P亦表現(xiàn)為隨復(fù)墾時間的延長而提高，0～10cm土層提高的幅度高于10～20cm土層提高的幅度。復(fù)墾20a苜蓿地0～10cm土層N∶P明顯高于10～20cm土層，亦高于原地貌耕地土壤0～10cm土層N∶P（p<0.05）。

2.3?苜蓿莖、葉與土壤中C、N、P含量、生態(tài)計量比的相關(guān)性

2.3.1?苜蓿莖、葉中C、N、P含量及其生態(tài)計量比的相關(guān)性

對苜蓿莖、葉中的C、N、P含量及其生態(tài)計量比進(jìn)行相關(guān)性分析（表2），結(jié)果表明，莖的C、N含量與P含量呈極顯著負(fù)相關(guān)（p<0.01），C含量與N含量相關(guān)性不顯著（p>0.05）;莖的C∶N與N含量極顯著負(fù)相關(guān)（p<0.01），與P含量極顯著正相關(guān)（p<0.01）;莖的C∶P、N∶P均與P含量極顯著負(fù)相關(guān)（p<0.01），莖C∶P與C、N極顯著正相關(guān)（p<0.01），N∶P與N極顯著正相關(guān)（p<0.05），與C相關(guān)性不顯著（p>0.05）。說明莖的C∶P、N∶P分別由C、P含量以及N、P含量共同決定。

葉片N、P含量呈極顯著相關(guān)（p<0.01），與C相關(guān)性不顯著（p>0.05）;葉片C∶N、C∶P與C含量極顯著相關(guān)（p<0.01），與N、P含量顯著負(fù)相關(guān)（p<0.05）;N∶P與C、N、P含量均無顯著相關(guān)性（p>0.05）。

2.3.2?苜蓿莖中與土壤中的C、N、P含量、生態(tài)計量比的相關(guān)性

對苜蓿莖與0～10cm、10～20cm土壤C、N、P含量及其生態(tài)計量比進(jìn)行相關(guān)性分析（表3），結(jié)果表明，莖的N含量與0～10cm、10～20cm土壤N含量極顯著正相關(guān)（p<0.01），莖的P含量與0～10cm、10～20cm土壤P含量無顯著相關(guān)性（p>0.05）。莖的C∶P、N∶P與0～10cm土壤的C∶P、N∶P分別呈極顯著正相關(guān)（p<0.01），莖的C∶P與10～20cm土壤的C∶P、N∶P呈顯著正相關(guān)（p<0.05），而莖的N∶P與10～20cm土壤的C∶P、N∶P呈極顯著正相關(guān)（p<0.01）。C∶N與0～10cm土層C∶N極顯著正相關(guān)（p<0.01），與10～20cm土層C∶N相關(guān)性不顯著（p>0.05）。

2.3.3?苜蓿葉片中與土壤中的C、N、P含量、生態(tài)計量比的相關(guān)性

對苜蓿葉片與0～10cm、10～20cm土壤C、N、P含量及其生態(tài)計量比進(jìn)行相關(guān)性分析（表4）。結(jié)果表明，葉片N含量與0～10cm、10～20cm土壤N含量極顯著相關(guān)（p<0.01）;葉片P含量與0～10cmN含量極顯著正相關(guān)（p<0.01），與10～20cm土壤N含量顯著正相關(guān)（p<0.05）。葉片N、P含量與0～10cm土壤P含量極顯著負(fù)相關(guān)（p<0.01），與10～20cm土壤P含量無顯著相關(guān)性（p>0.05）。葉片C∶P與0～10cm土壤C∶P極顯著負(fù)相關(guān)，與10～20cm土壤相關(guān)性不顯著（p>0.05），葉片C∶N、N∶P與0～10cm、10～20cm土壤C∶N、N∶P均無顯著相關(guān)（p>0.05）。

3?討論

植物作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的子系統(tǒng)，植物碳、氮、磷含量及其生態(tài)計量比是生態(tài)系統(tǒng)過程及其功能的重要特征，體現(xiàn)了生態(tài)系統(tǒng)中碳積累動態(tài)及氮和磷養(yǎng)分限制格局[25，26]。在對森林植物生態(tài)計量特征的研究中發(fā)現(xiàn)，隨年齡增加，植物木質(zhì)化程度加深，C的積累增加，進(jìn)而使森林植物C∶N呈增加的趨勢[27，28]。苜蓿是一種多年生豆科牧草，其平均壽命超過20a[29]。王振南對黃土高原雨養(yǎng)區(qū)不同時間尺度苜蓿草地C、N、P生態(tài)計量特征的研究發(fā)現(xiàn)，苜蓿C、N、P含量和計量比隨植物C同化和營養(yǎng)吸收能力、土壤營養(yǎng)供應(yīng)等發(fā)生變化。由于頻繁刈割，大量氮、磷移出草地生態(tài)系統(tǒng)，降低了高齡苜蓿中氮、磷含量，從而使高齡苜蓿（8齡）較低齡苜蓿（4齡、5齡）具有較高的C∶N[22，30]。本研究表明，不同復(fù)墾年限苜蓿莖、葉的C∶N隨復(fù)墾年限延長遞減。區(qū)別于王振南研究中苜蓿的頻繁刈割，本研究中苜蓿種植之后，任其自然生長，3a、8a和20a不同年限苜蓿莖的C含量變化幅度為401.12～410.37g/kg，但苜蓿莖中N的積累則分別由3a的16.716g/kg增加到20a的45.110g/kg，增加幅度明顯高于葉片C的變化幅度，從而使20a復(fù)墾土壤中苜蓿莖C∶N明顯低于3a。葉片P含量隨復(fù)墾時間延長呈增加趨勢，20a苜蓿莖P含量出現(xiàn)明顯降低，從而使得葉片C∶P明顯降低，莖C∶P明顯增高。其原因可能是磷在植物體內(nèi)具有較強(qiáng)的再利用能力，試驗區(qū)土壤為復(fù)墾土壤，磷含量較低。張菁等對相同樣地的研究表明，20a苜蓿地0～20cm土壤全磷平均含量0.465g/kg，有效磷含量8.6g/kg[31]。莖作為連接土壤和葉片的中間部分，磷素缺乏時可引起莖中P向葉片轉(zhuǎn)移。莖、葉N∶P則隨復(fù)墾年限延長明顯提高，且莖的變異幅度明顯高于葉片，說明N的累積速度高于P，也進(jìn)一步說明莖、葉中氮、磷分配的差異。

植物的C∶N和C∶P代表植物在吸收營養(yǎng)過程中對碳的同化能力，在一定程度上反映了植物對養(yǎng)分的利用效率[32]。本研究中苜蓿植物地上部分C∶N平均值為13.6，C∶P平均值為120.6，明顯低于全球尺度內(nèi)植物的C∶N（22.5）和C∶P（232）[1]，說明植物對養(yǎng)分的利用效率相對較低。其原因可能是研究區(qū)位于黃土高原北部干旱半干旱地區(qū)，干旱寒冷，植被生長速度慢，固碳效率較低。不同年限，20a苜蓿莖、葉C∶N均出現(xiàn)明顯低于3a和8a，葉片C∶P亦出現(xiàn)明顯降低，說明長期復(fù)墾降低了苜蓿對氮、磷的利用效率。

陸地植物器官中相對恒定的N∶P是植物在地球上生存的重要適應(yīng)機(jī)制，可根據(jù)植物的N∶P判斷環(huán)境對植物生長的養(yǎng)分供應(yīng)狀況。根據(jù)Koerselman和Meuleman的研究結(jié)果，N∶P<14表示植物生長受到氮素限制，N∶P>16表示植物生長受到磷素限制，N∶P在14～16之間表示植物生長同時受到氮和磷的共同限制[26]。一般認(rèn)為，苜蓿屬于豆科植物，具有固氮能力，不容易缺氮。本研究中3a、8a、20a苜蓿植物地上部分N∶P比平均值分別為8.16、8.77和14.45，說明復(fù)墾前期，苜蓿生長主要受到氮的限制;隨著復(fù)墾年限延長，土壤中氮素積累，磷含量降低，苜蓿生長逐漸受氮和磷的共同限制。其原因可能是試驗區(qū)土壤為礦區(qū)復(fù)墾土壤，土壤缺氮嚴(yán)重，復(fù)墾3a苜蓿地0～20cm土壤全N含量僅為0.173g/kg，明顯低于原地貌耕地土壤。按照我國土壤肥力分級標(biāo)準(zhǔn)，土壤全氮屬于6級（最低級）。

莖、葉中N含量與0～10cm、10～20cm土層N含量均呈極顯著相關(guān)，葉中P含量與0～10cm、10～20cm土層N呈極顯著或顯著相關(guān);莖的C∶P、N∶P與0～10cm、10～20cm土壤的C∶P、N∶P分別呈顯著或極顯著正相關(guān)，莖的N∶P還與0～10cm全P含量極顯著負(fù)相關(guān)，這與王振南的研究結(jié)果基本一致[21]，進(jìn)一步佐證了土壤氮、磷供應(yīng)對苜蓿生長的限制。

4?結(jié)論

復(fù)墾年限影響苜蓿體內(nèi)C、N、P的含量及其化學(xué)計量比。20a復(fù)墾土壤中苜蓿莖、葉C∶N明顯降低，N∶P比明顯升高。葉片P含量隨復(fù)墾時間延長呈增加趨勢，20a苜蓿莖中P含量出現(xiàn)明顯降低，從而使得葉片中C∶P明顯降低，莖中C∶P明顯增高。

復(fù)墾年限影響土壤C、N、P含量及其化學(xué)計量比。隨復(fù)墾時間延長，土壤C、N的含量遞增，土壤P的含量略有降低;C∶N呈先升高后降低趨勢，土壤C∶P和N∶P呈增加趨勢。20a苜蓿地土壤C∶N、C∶P和N∶P均接近原地貌耕地水平。

苜蓿莖的C∶P、N∶P與莖中P含量呈極顯著負(fù)相關(guān)，葉片C∶P亦與葉片P含量顯著負(fù)相關(guān)。苜蓿莖的C∶P、N∶P與0～10cm、10～20cm土壤的C∶P、N∶P分別呈顯著或極顯著正相關(guān)，莖N∶P與0～10cm全P含量極顯著負(fù)相關(guān)。隨復(fù)墾年限的延長，苜蓿生長由氮限制型向氮磷共同限制轉(zhuǎn)變。

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（責(zé)任編輯?李媛媛）