王東麗, 于百和, 趙曉亮, 郭瑩瑩, 謝 偉,, 郭建軍

(1.遼寧工程技術大學 環(huán)境科學與工程學院, 遼寧 阜新 123000;2.內蒙古神東天隆集團股份有限公司, 內蒙古 鄂爾多斯 017000)

煤炭開采及排土場堆放,造成地表景觀破壞、土地被占用,導致土壤性質不佳,植被損毀或退化,生物多樣性減少等[1],影響當?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境及人居安全等。土地復墾和生態(tài)修復是解決礦山環(huán)境保護和綜合治理的重要途徑,而健康穩(wěn)定的土壤生態(tài)系統(tǒng)是其實現(xiàn)的基礎與關鍵。自然條件下,植被與土壤具有協(xié)同正向演替效應。排土場作為人工重塑生態(tài)系統(tǒng),土壤具有層次紊亂、容重增加、含水量減少、養(yǎng)分貧瘠等問題[2],人工恢復排土場生態(tài)效應和土壤質量一直是其治理的重點與難點,而有效地進行人工植被重建是恢復排土場復墾的生態(tài)功能、防止生態(tài)環(huán)境惡化的基本與關鍵途徑[3]。

黃河流域生態(tài)環(huán)境治理的相關研究一直受到國內外學者的高度關注,近年來黃土高原的生態(tài)環(huán)境明顯改善,但由于該區(qū)煤炭資源的不斷開發(fā),導致礦區(qū)及周邊環(huán)境不佳,尤其對于生態(tài)脆弱的風沙黃土區(qū)影響尤甚。該區(qū)排土場土壤主要為沙化黃土,因其干燥疏松極易遭受土壤侵蝕,水土流失嚴重[4],復墾初期快速實現(xiàn)植被恢復并防治土壤侵蝕意義重大。此外,該區(qū)氣候條件惡劣、復墾土壤瘠薄、生態(tài)需水短缺,人工植被重建困難或者效果差,急需探究適宜、有效的人工植被恢復模式。

生態(tài)化學計量特征通常指的是有機體元素組成,對系統(tǒng)中主要元素的相對含量及其平衡關系發(fā)揮著重要作用,能更好地揭示生態(tài)系統(tǒng)各組分養(yǎng)分比例的調控機制,土壤碳氮磷及其比值是反映土壤肥力狀況和土壤養(yǎng)分均衡性的重要指標,對于揭示土壤中養(yǎng)分的可獲得性以及碳、氮、磷相互作用及平衡與制約機制具有重要意義[5-6]。近年來,國內學者關于土壤的生態(tài)化學計量學研究多集中于森林、草地、沙地、濕地、石漠化區(qū)等自然生態(tài)系統(tǒng)的不同立地、植被類型、發(fā)展階段、利用方式、干擾脅迫等內容[7-9]。對于礦區(qū)廢棄地,相關報道主要見于礦區(qū)不同植被群落葉片及枯落物之間的生態(tài)化學計量方面[10],以土壤為對象的研究相對較少。故明確不同人工植被類型恢復下土壤養(yǎng)分的平衡與限制機制對于礦區(qū)復墾初期快速、有效的生態(tài)恢復至關重要。

因此,本研究以武家塔排土場復墾初期不同植被類型恢復模式下土壤為研究對象,運用生態(tài)化學計量學手段,研究不同植被類型下的土壤養(yǎng)分含量與生態(tài)化學計量特征及相互關系,探討不同植被類型恢復下排土場土壤養(yǎng)分狀況及限制性,為理解土壤養(yǎng)分循環(huán)狀況與平衡機制提供理論依據,為準確評價與預測植被恢復效益提供科學的建議,為該區(qū)復墾初期有效的植被恢復模式構建提供參考價值,對防治與改善該區(qū)生態(tài)環(huán)境問題具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究區(qū)選取武家塔露天礦4號排土場,地處內蒙古鄂爾多斯市伊金霍洛旗補連鄉(xiāng)境內,位于東勝煤田補連礦區(qū)的東南部,南與陜西神府煤田接壤,東與烏蘭木倫河相鄰,具體位置分布圖見圖1。在地形上從西北向東南傾斜近似為一坡面,海拔高程可達1 162～1 200 m。在半干旱地區(qū)且氣候類型上為典型的高原大陸性氣候,故該地區(qū)冬寒夏燥、氣溫劇變,溫差高達74.9℃;全年少雨、暴雨集中,礦區(qū)年平均降水量357.4 mm;多大風天氣,年均風速3.2 m/s,最大風速24 m/s,多發(fā)生沙塵暴,年大風日數(shù)44 d,年均沙塵暴日數(shù)21.5 d(平均風速> 17 m/s)。研究區(qū)內土壤類型為黃綿土和風沙土,土壤整體表現(xiàn)為堿性,水土流失嚴重[4]。植被以草原和沙生植物為主,包括阿爾泰狗娃花(Heteropappusaltaicus)、狗尾草(Setariaviridis)、豬毛蒿(Artemisiascoparia)、沙生針茅(Stipaglareosa)、沙蒿(A.desertorum)等。

圖1 研究區(qū)與采樣點示意圖

武家塔露天礦為國家綠色礦山,總面積為9.24 km2,外排土場已停用,內排土場由東向西發(fā)展,本研究選取的4號排土場屬于內排土場,于2010年開始排土堆放,現(xiàn)在仍在使用中,海拔高程為1 160～1 270 m,排土線長度為 2 100 m[11]。土地復墾采取邊堆放邊復墾的方式,采用周邊沙化黃土進行客土,覆土厚度約為1 m,土壤pH值7.84,容重為1.69 g/cm3,電導率100.43 μS/cm,土壤有機質為2.53 g/kg,全氮和全磷含量分別為0.15 g/kg和0.14 g/kg。完成復墾面積近270 hm2,涉及農作物、牧草、經濟植物、林木等種植區(qū)及水域,復墾植物主要包括刺槐(Robiniapseudoacacia)、榆樹(Ulmuspumila)、沙棗(Elaeagnusangustifolia)、新疆楊(Populusalba)、沙棘(Hippophaerhamnoides)、苜蓿(Medicastaiva)等。

在武家塔露天礦4號排土場復墾區(qū)選取復墾初期立地條件一致的10種植被恢復模式為樣地,涉及喬木林地、灌木林地、草地3種植被類型,以新排土場為對照。各樣地的具體位置分布圖見圖1,樣地的具體信息見表1。

表1 樣地基本信息Table 1 Basic information of sample sites

1.2 樣品的采集與測定

針對上述各樣地,2017年8月進行土壤樣品的采集。在所選擇樣地內,隨機選取出3個樣帶,每個樣地選取3個樣帶,每個標準帶選取6個樣點,于距植株中心為圓心、半徑為30 cm的圓周上采取多點混合取樣法,采集土樣時需先用工具將其植被枯枝落葉層去掉,對每個樣點進行分表層(0—5 cm)、淺層(5—10 cm,10—20 cm)、中層(20—30 cm,30—40 cm)、深層(40—60 cm)六層取樣,對取出的土體分別進行編號并帶回實驗室備用。對于土壤主要測定土壤有機碳、土壤全氮、土壤全磷、堿解氮、電導率、土壤含水量、土壤pH值,土壤有機碳采用重鉻酸鉀容量外加熱法(油浴)測定,全氮采用開氏消煮法進行測定,全磷采用氫氧化鈉堿熔—鉬銻抗比色法測定,堿解氮用堿解擴散法測定,電導率用浸提法測定,含水量用烘干法測定,pH采用PHS-P型酸度計測定。

1.3 數(shù)據分析處理

采用Excel 2018進行數(shù)據處理,采用Sigmaplot10.0制作結果圖,不同植被類型間數(shù)據組的差異采用SPSS 20.0進行單因素方差分析(one-way ANOVA)和最小顯著差異法LSD進行分析比較;采用Pearson相關分析法分析各因子之間的相關性,采用RStudio1.4.1制作相關結果圖。

2 結果與分析

2.1 土壤C,N,P含量

不同植被類型下土壤有機碳、全氮和全磷含量表現(xiàn)出不一致的規(guī)律(圖2)。土壤有機碳含量由高到低依次表現(xiàn)為喬木林地>灌木林地>草地>新排土,其中喬木林地平均值高達5.81 g/kg,喬、灌木林地顯著高于新排土(p≤0.05);土壤全氮含量由高到低依次表現(xiàn)為灌木林地>喬木林地>草地>新排土,其中灌木林地平均值最高可達0.20 g/kg,喬、灌木林地土壤全氮含量顯著高于草地和新排土(p≤0.05);土壤全磷含量由高到低依次表現(xiàn)為草地>灌木林地>新排土>喬木林地,草地平均值最大達到0.15 g/kg,草地、灌木林地和排土場之間差異未達到顯著水平,但均顯著高于喬木林地(p≤0.05)。

注：小寫字母表示不同植被類型的土壤C,N,P含量的差異顯著性(p≤0.05);虛線表示中位數(shù),實線表示平均值;N為新排土,G為草地,S為灌木林地,A為喬木林地,下同。

不同植被類型土壤有機碳、全氮和全磷含量在垂直土層的分布各異(圖3)。對于土壤有機碳,3種植被類型均表現(xiàn)為在0—5 cm高于其他土層,尤其是喬灌林地明顯較高,除草地在40—60 cm明顯有所增加,且均高于其他植被類型;對于土壤全氮,3種植被類型整體表現(xiàn)為隨著土層的增加呈下降趨勢,且在0—5 cm明顯高于其他土層,而且在各土層全氮含量均表現(xiàn)為灌木林地>喬木林地>草地;對于土壤全磷,3種植被類型在土層垂直剖面變化不大,但始終表現(xiàn)為草地>灌木林地>喬木林地,而新排土表現(xiàn)為隨土層深度增加而增大的變化趨勢;此外,新排土的土壤有機碳和全氮含量在20—40 cm土層均有所增加,可能與其覆土來源有關。

圖3 不同植被類型下土壤CNP在垂直土層的分布特征

2.2 土壤C,N,P生態(tài)化學計量

不同植被類型下土壤生態(tài)化學計量比變化不同(圖4)。C/N的變化范圍在9.58～80.35之間,3種植被類型均較新排土場高,草地平均值達到最大(35.33),灌木林地平均值為最小(29.02);C/P的變化范圍在10.82～218.88之間,3種植被類型也均高于新排土,其中喬木林地顯著較高(p≤0.05),可達61.67;N/P的變化范圍在0.62～5.78之間,草地平均值最小(1.07),喬木林地平均值達到最大(1.94),顯著高于其他類型(p≤0.05)。

圖4 不同植被類型下土壤生態(tài)化學計量比

由圖5可以看出,不同植被類型下土壤生態(tài)化學計量比在垂直土層上變化趨勢各不相同。對于土壤C/N,各類土壤表現(xiàn)為在20—30 cm趨同,無明顯差異,其他土層存在不同程度的差異,不同植被類型在0—5 cm和10—20 cm均高于新排土,喬木林地在表層(0—5 cm)最大,草地在深層(40—60 cm)最大;不同植被類型下土壤C/P在各土層均大于新排土,且喬木林地C/P比值總是大于其他植被類型,喬灌林地土壤C/P隨著土層深度增加整體呈逐漸減小的變化趨勢,而新排土與草地無明顯變化,在土壤表層(0—5 cm)表現(xiàn)為喬木林地>灌木林地>草地,在深層(40—60 cm)表現(xiàn)為喬木林地>草地>灌木林地;對于土壤N/P,草地的垂直剖面變化較小,且均低于其他植被類型,而喬灌林地土壤N/P隨土層深度增加整體呈變小趨勢,且在表層明顯高于其他土層。

圖5 不同植被類型下土壤生態(tài)化學計量比在垂直剖面的變化特征

2.3 土壤生態(tài)化學計量及其比值與土壤理化性質的關系

對不同植被類型下土壤生態(tài)化學計量及其比值與土壤理化性質之間進行相關性分析結果如圖6所示。研究表明土壤有機碳與全氮,C/N,C/P,N/P,速效鉀呈極顯著正相關關系(p≤0.01),與速效鉀的相關性最強;土壤全氮與C/P,N/P,速效鉀呈極顯著正相關關系(p≤0.01),其中速效鉀相關系數(shù)最大,與速效磷、土壤含水量、pH呈顯著正相關關系(0.01

注：*表示p≤0.05,**表示0.01

3 討 論

3.1 植被類型對土壤碳、氮、磷含量的影響

土壤養(yǎng)分歸還的主要來源是地表凋落物,植被凋落物的歸還量一定程度上決定著土壤中碳、氮、磷的含量,故不同植被類型的凋落物儲量及構成和分解速率的不同會導致不同植被類型間土壤養(yǎng)分含量的差異[12]。本研究結果表明,3種植被類型恢復模式下土壤有機碳、全氮含量較新排土均不同程度地有所提高,主要在于研究區(qū)內任何植被恢復模式均可為礦區(qū)新排土不同程度地輸入凋落物,進而增加礦區(qū)土壤有機碳與全氮含量,這與胡宜剛等[13]研究人工植被重建能夠促進黃土高原晉陜蒙礦區(qū)排土場土壤中養(yǎng)分含量的結論一致,證實了人工植被類型對礦區(qū)排土場土壤養(yǎng)分均具有提高作用。然而不同植被類型對土壤有不同程度的改良作用,植被類型對土壤碳、氮、磷含量的影響取決于其凋落物的差異。本研究發(fā)現(xiàn)喬木林地與灌木林地的土壤有機碳、全氮含量均較草地高,這也與朱秋蓮等[14]對黃土高原不同植被區(qū)的研究結果較為一致,主要由于本研究區(qū)喬木林地和灌木林地的植被覆蓋度大,凋落物較為豐富,能夠為土壤補充更多的有機質,有助于土壤碳、氮的積累;而本研究中草地主要為苜蓿等豆科植物,放牧與定期刈割導致草地凋落物減少對土壤的歸還,而且土壤中的養(yǎng)分還被苜蓿吸收并且轉移出草地。土壤全磷含量則表現(xiàn)為喬木林地顯著低于草地和灌木林地,表明其生長受磷元素的限制相對較強,與其營養(yǎng)吸收規(guī)律密切相關。

土壤碳、氮、磷含量在垂直土層分布的差異性主要由于不同植被恢復類型因植物群落、根系深度的不同,從而影響土壤養(yǎng)分含量的吸收強度[15]。本研究發(fā)現(xiàn),土壤有機碳和全氮的含量均在表層明顯高于其他土層,而且喬灌林明顯高于草地,這與李鑫等[16]對黃土高原土壤的研究結果一致,一方面由于表層土壤水熱條件和透氣狀況較好,提高植物凋落物與土壤之間進行物質和能量轉換速率,在微生物作用下分解后以有機質或其他養(yǎng)分形式進入土壤[17],而且地表凋落物對土壤的影響隨著土層深度的增加而減弱[18];另一方面由于草本植物根系分布較淺,很少到達深層,而灌木和喬木根系在深層活動密集,特別是刺槐和竹柳林地,林下植被生長較好,不僅提供了大量的凋落物,而且根系生物量較大,有利于增加土壤碳含量。本研究還發(fā)現(xiàn)以灌木作為植被恢復的樣地土壤全氮含量最高,且在不同土層總是優(yōu)于其他植被類型,主要原因在于灌木林地為大葉槐與沙棘地,大葉槐屬豆科固氮樹種,沙棘屬于非豆科固氮樹種,其具有串根萌蘗的特性,龐大的根系具有較強的固氮作用,大幅增加土壤氮素儲量。土壤全磷含量受植被類型影響較大,但在土層剖面變化波動較小,這與趙彤等[19]研究的變化規(guī)律一致,本研究中喬木林地土壤全磷含量顯著低于其他3種土壤(p≤0.05),且在深層稍有下降,這主要是由于喬木林地處于中幼林階段,處于速生生長期,其根系相對較深,在相同的環(huán)境中吸收大量的土壤水分和養(yǎng)分來維系自身生長[20];同時該區(qū)域降水較少,而土壤磷素的遷移率小,從而使其上層含量大于下層。此外,全磷含量只能反映土壤中磷的總儲量[21],以往研究表明土壤全磷在土壤剖面呈現(xiàn)出表聚現(xiàn)象,但本研究未發(fā)現(xiàn)相似規(guī)律,反而新排土中土壤全磷隨土層有所增加,可能與其所覆土壤有關,有待進一步探明,表明土壤全磷受土壤基底影響更甚。

康冰[22]和劉中奇[23]等學者認為植被短時期內可依靠自然恢復和人工恢復達到很高的植被覆蓋度,不同植被恢復模式下土壤理化性質存在明顯差異,當植被群落結構性較大時,可通過人工修復合理的植物群落結構配置來縮短礦區(qū)生態(tài)恢復進程。因此,研究區(qū)排土場復墾初期優(yōu)先考慮恢復灌木和草本作為先鋒植被快速改良表淺層的土壤養(yǎng)分條件,土壤質量得到明顯改善時,再進行喬木的后配,特別是為其提供快速生長所需的磷元素進行積累;同時,改善群落的結構,豐富物種多樣性,保障風沙黃土區(qū)排土場土壤養(yǎng)分的提升與循環(huán),進而提高植被恢復速率。

3.2 植被類型對土壤生態(tài)化學計量特征的影響

土壤C/N,C/P和N/P是反映土壤有機組成和土壤養(yǎng)分均衡性的重要指標,由于不同植被在生理生態(tài)特性、養(yǎng)分利用等方面的差異,其對各土壤肥力指標的恢復效果并不相同。C/N比值的大小會影響土壤中有機碳和氮的循環(huán),一般情況下,C/N比值與有機質含量成反比,即C/N比值越低,凋落物分解速率越高,有機質含量也就越高[24]。C/N的全國平均水平10.0～12.0[25],而本研究中,土壤C/N的均值為31.67,高于全國平均水平,主要由于該區(qū)干旱缺水,導致凋落物難以分解或者分解速率緩慢,不利于氮的積累,而有機質和有機碳含量相對保留多。另外,有相關研究認為土壤C/N比值高于全國平均水平是因為酸性土壤影響了土壤的氮沉降和集聚,而本研究區(qū)土壤pH值呈堿性,相關分析表明土壤全氮與土壤pH呈顯著正相關關系,表明研究區(qū)內堿性土壤同樣影響土壤的氮含量。此外,本研究中各植被類型下土壤C/N均較新排土高,特別是草地土壤C/N較其他植被類型高,是因為草地多為豆科牧草地,定期會被刈割,生物量與凋落物積累少,不利于土壤有機碳歸還,雖具有固氮作用,但由于其生長速率較快,消耗大于固定,均導致其值較高。C/P比值小有利于促進土壤中全磷的增加,C/P比值較大則會導致微生物在分解有機質過程中受到磷限制[26],本研究結果表明喬木林地土壤C/P顯著高于新排土場,且表現(xiàn)出明顯的隨土層的增加而下降的趨勢,且在各土層均高于其他類型,表明喬木林地受磷元素的制約,與其生長對磷需求較大有關。養(yǎng)分供應是否充足是影響有機體生長、種群結構、物種相互作用及生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要因素,其限制性成為系統(tǒng)穩(wěn)定性維護的前提,生態(tài)計量比能夠有效反映出限制性元素的種類。N/P是當前限制性養(yǎng)分判斷的重要指標之一[27]。本研究中喬木林地的N/P顯著高于灌木林地和草地,表明喬木林對土壤中的磷含量更新和周轉速率較緩慢,再次證實其受磷素的制約。對于草地而言,雖然苜蓿具有固氮作用,但因刈割被轉移走大量的氮素,導致草地的N/P最小,再次驗證其受氮素的制約。在土壤垂直土層剖面上,草地的土壤N/P變化較小,且均低于其他植被類型,表明其在各土層均受氮限制影響最大;而喬灌林地土壤N/P隨土層深度增加整體呈變小趨勢,在表層明顯高于其他土層,表明這兩種林地隨土層加深受氮限制逐漸加強;另外,喬木林地土壤N/P在各土層始終高于灌木林地,表明喬木林地較灌木林地受P限制更強。因此,在礦區(qū)植被恢復過程中可依據不同的植被類型適當配施相應的肥料來改善土壤養(yǎng)分含量,建議對于草灌恢復類型適當施加氮肥,對于喬木林地配施磷肥,保障植物生長所需的養(yǎng)分元素,進而增強復墾效果并保障人工重建生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。

4 結 論

不同植被類型對風沙黃土區(qū)礦區(qū)土壤質量均具有不同程度的改善作用,喬灌林顯著提高土壤有機碳和全氮含量,草灌植被下土壤全磷含量較新排土稍有增加,而喬木林顯著降低土壤全磷含量;土壤養(yǎng)分在垂直土層的變化因植被類型不同而異,喬灌植被下土壤有機碳與全氮均表現(xiàn)為表層聚集性,3種植被類型下土壤全磷在垂直土層剖面變化不大,但始終表現(xiàn)為草地>灌木林地>喬木林地。研究區(qū)各植被類型下土壤C/N和C/P均較新排土高,喬灌林地的土壤N/P較新排土高,其中草地土壤C/N最高,喬木林地土壤C/P和N/P最高,在垂直剖面呈逐漸下降趨勢,且在各土層均高于其他類型,表明草地相對受氮元素限制,喬木林地受磷元素的制約。風沙黃土區(qū)礦區(qū)排土場不同植被類型的土壤N/P與全氮、全磷相關性更大,受氮含量與磷含量的雙重影響,建議草地與灌木林地適當施加氮肥,喬木林地配施磷肥。為深入探明礦區(qū)植被恢復模式的生態(tài)改良效益及機制,有必要結合植物生長規(guī)律、營養(yǎng)需求及碳氮磷特征開展植物—土壤生態(tài)化學計量方面的研究。