安太堡露天礦不同復(fù)墾年限苜蓿地土壤養(yǎng)分化學(xué)計(jì)量特征

王改玲， 江 山， 張 菁， 劉煥煥

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院， 山西 太谷030801)

生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)(ecological stoichiometry) 是分析元素相互作用、探究生態(tài)系統(tǒng)能量平衡與多種化學(xué)元素(主要是碳、氮、磷) 平衡的科學(xué)[1-2]。近年來，許多研究者應(yīng)用生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)的原理和方法，針對(duì)植物化學(xué)計(jì)量學(xué)的變化開展大量的研究[3-6]，而對(duì)土壤養(yǎng)分的生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)研究則相對(duì)較少[7]。土壤是植物生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，土壤元素的化學(xué)計(jì)量比和平衡影響著植物的生長(zhǎng)發(fā)育，直接影響植被群落的物種組成與生產(chǎn)力，尤其是其中的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(zhǎng)主要的限制性元素[8-10]。如土壤N∶P可以改變植物體N∶P，從而對(duì)植物生長(zhǎng)產(chǎn)生影響[11]。

礦區(qū)土壤是人為劇烈擾動(dòng)的極度退化土壤。中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局2016年度《全國(guó)礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查報(bào)告》顯示，我國(guó)礦山總面積1 040萬hm2，現(xiàn)有采礦損毀土地面積約220多萬hm2[12]。在露天開采過程中，由于直接挖掘引起地表挖損和巖土排棄等原因，原地貌形態(tài)、地層結(jié)構(gòu)、植物種群已不復(fù)存在，土壤養(yǎng)分的初始條件徹底改變[13-14]。安太堡露天煤礦地處黃土高原東部的干旱、半干旱生態(tài)脆弱區(qū)，是我國(guó)大型的露天煤礦。經(jīng)過20余年的復(fù)墾，已形成為林地、草地和耕地綜合復(fù)墾工程。苜蓿(Medicagosativa)因具有根瘤固氮、耐瘠薄等優(yōu)點(diǎn)，作為先鋒植物在安太堡露天礦復(fù)墾區(qū)被廣泛種植。目前，已建成以苜蓿為主的優(yōu)質(zhì)牧草種植試驗(yàn)示范區(qū)、耕地快熟恢復(fù)試驗(yàn)示范區(qū)等面積達(dá)100余 hm2。隨著植被恢復(fù)的進(jìn)行，土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，土壤酶活性提高，微生物總數(shù)增加，土壤質(zhì)量得到了恢復(fù)與重建。然而，植被恢復(fù)對(duì)土壤質(zhì)量影響的研究多集中于不同植被配置和復(fù)墾年限對(duì)林地土壤質(zhì)量的影響[15-17]。不同種植年限苜蓿植物和土壤的化學(xué)計(jì)量特征也有一些研究[18-22]。而長(zhǎng)期苜蓿種植對(duì)礦區(qū)復(fù)墾土壤質(zhì)量影響研究較少，其對(duì)復(fù)墾土壤碳、氮、磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)及其耦合關(guān)系影響的報(bào)道則更為鮮見，這限制了對(duì)苜蓿生長(zhǎng)過程中復(fù)墾土壤元素平衡及循環(huán)機(jī)制的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)。

本研究以安太堡露天礦不同復(fù)墾年限的紫花苜蓿地為研究對(duì)象，研究復(fù)墾年限對(duì)土壤C，N，P生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征，以期為生態(tài)脆弱區(qū)的植被及土壤恢復(fù)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，與黃土高原的晉陜蒙“黑三角”相連，地理位置為112o11′～113o30′ E，39o23′～39o37′ N。氣候春冬干旱少雨、寒冷、多風(fēng)，夏秋降水集中、溫涼少風(fēng)。土壤類型為栗鈣土與栗褐土的過渡類型，土壤物理風(fēng)化作用強(qiáng)烈，土質(zhì)偏砂。礦區(qū)對(duì)環(huán)境變化敏感，生態(tài)環(huán)境十分脆弱。經(jīng)過20余年的復(fù)墾，以安太堡露天煤礦為主的平朔礦區(qū)現(xiàn)已獲得農(nóng)用地面積為2 000 hm2，取得了良好的復(fù)墾效果。

1.2 樣地選擇和取樣

經(jīng)過走訪、資料查證，選擇確定海拔、坡度相近而植被復(fù)墾年限不同的3塊苜蓿地為研究對(duì)象，以自然恢復(fù)草地和耕地為對(duì)照。3塊苜蓿地的生物復(fù)墾年限分別為3年、8年和20年。復(fù)墾開始人工種植紫花苜蓿，之后無施肥和其它農(nóng)業(yè)管理措施。采樣時(shí)，3年和8年苜蓿地，苜蓿生長(zhǎng)旺盛，雜草侵入很少；20年苜蓿地，由于苜蓿退化，野生雜草大量侵入。自然恢復(fù)樣地為排土場(chǎng)形成后不再進(jìn)行人工種植及其它人為干預(yù)的樣地。耕地樣地為未受采礦干擾的原有耕地。

2016年9月中旬在各個(gè)樣地內(nèi)(表1)進(jìn)行采樣。每塊樣地分為3個(gè)采樣小區(qū)，每個(gè)小區(qū)內(nèi)按S型5點(diǎn)采樣法分層采集0～40 cm土樣，每10 cm為一層。將每個(gè)小區(qū)內(nèi)同層土樣充分混合，最后將所采的土樣放入樣品袋中，記錄樣品編號(hào)和土樣深度，土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干后，剔除植物根系等雜物，采用四分法取適量土壤樣品，風(fēng)干后過篩。過篩后的土樣用于測(cè)定土壤養(yǎng)分。

表1 樣地基本信息Tab.1 Basic information of sampling lands

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

土壤有機(jī)碳含量采用外加熱-重鉻酸鉀容量法測(cè)定；全氮含量用半微量凱氏法，全磷含量用高氯酸-硫酸消煮-鉬銻抗比色法測(cè)定[23]。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同復(fù)墾年限苜蓿地土壤C，N，P含量

隨復(fù)墾時(shí)間延長(zhǎng)，0～40 cm土壤剖面有機(jī)碳、全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增加(表2)。不同樣地土壤有機(jī)碳，3年苜蓿地最低，為2.13 g·kg-1；20年苜蓿地達(dá)到4.44 g·kg-1，接近耕地(4.97 g·kg-1)水平；3年自然恢復(fù)地為2.18 g·kg-1，與3年苜蓿地差異不顯著，較耕地降低56.1%。土壤全氮，3年苜蓿地為0.15 g·kg-1，隨復(fù)墾時(shí)間增加，8年和20年樣地的土壤全氮逐漸提高到0.21 g·kg-1和0.31 g·kg-1，20年苜蓿地已接近耕地的0.34 g·kg-1。3年自然恢復(fù)地為0.16 g·kg-1，較耕地降低52.9%。

表2 不同復(fù)墾年限下不同深度土壤C，N，P的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Tab.2 Variation of soil organic carbon,total N,total P with different restoration years and at different depth/g·kg-1

注：同行數(shù)據(jù)后不同字母表示差異顯著(P<0.05)，下同

Note:Different letters within same row indicate significant difference at the 0.05 level,the same as below

隨復(fù)墾時(shí)間延長(zhǎng)，各土層有機(jī)碳、全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)亦呈增加趨勢(shì)。0～10 cm土壤有機(jī)碳，20年苜蓿地達(dá)到7.77 g·kg-1，較耕地(5.94 g·kg-1)提高30.1%。0～10 cm土壤全氮，20年苜蓿地為0.52 g·kg-1，分別較3年自然恢復(fù)地和苜蓿地提高224.8%和115.2%，較耕地提高28.8%。隨土層深度的加深，耕地和20年苜蓿地土壤有機(jī)碳、全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸降低，且在20年苜蓿地表層0～10 cm更明顯高于其他土層；3年自然恢復(fù)、3年苜蓿和8年苜蓿地呈波動(dòng)式變化趨勢(shì)。

磷也是植物生長(zhǎng)所必需的重要營(yíng)養(yǎng)元素之一，全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)反映了土壤對(duì)磷素的潛在供應(yīng)能力。各樣地0～40 cm土壤全磷變化范圍為0.45～0.51 g·kg-1。與有機(jī)碳、全氮變化趨勢(shì)不同，不同土壤剖面全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)除3年自然恢復(fù)地外，其他總體表現(xiàn)為由表層向深層逐層遞減?？傮w上，土壤全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨復(fù)墾時(shí)間及土層深度的變化而變化，但變異幅度較小。

2.2 不同復(fù)墾年限苜蓿地土壤營(yíng)養(yǎng)元素化學(xué)計(jì)量比

各樣地0～40 cm土壤C∶N變化幅度為14.25～15.26，表現(xiàn)為20年苜蓿地小于3年苜蓿地及8年苜蓿地。不同樣地土壤0～10 cm，10～20 cm，20～30 cm，30～40 cm層C∶N變化范圍分別為10.88～14.92，13.92～18.80，12.85～16.48，11.99～16.36。除耕地20～30 cm土層C∶N略高于其它土層外，其它樣地土壤均表現(xiàn)為10～20 cm土層C∶N最高(表3)。

各樣地0～40 cm土壤剖面C∶P變化幅度為4.28～10.01，且隨復(fù)墾時(shí)間延長(zhǎng)呈逐漸增加趨勢(shì)，其中復(fù)墾3年苜蓿地為4.28，20年苜蓿地提高到了9.69，接近耕地水平。不同樣地土壤0～10 cm，10～20 cm，20～30 cm，30～40 cm土層C∶P變化范圍分別為3.81～16.33，4.01～11.18，4.33～9.53，4.61～8.31。復(fù)墾20年苜蓿地C∶P表層0～10 cm明顯高于下層,亦明顯高于耕地。耕地和復(fù)墾8年苜蓿地表現(xiàn)為10～20 cm明顯高于其它土層，3年自然恢復(fù)和3年苜蓿地，土壤C∶P在土壤剖面中變化幅度較小，且呈現(xiàn)波動(dòng)性。

各樣地0～40cm土壤剖面N∶P平均值變化幅度為0.30～0.69，其中以3年苜蓿地最小，隨復(fù)墾時(shí)間延長(zhǎng)呈逐漸增加趨勢(shì)，其中20年苜蓿地為0.67，接近于耕地N∶P(0.69)。不同樣地土壤0～10 cm，10～20 cm，20～30 cm，30～40 cm層N∶P變化范圍分別為0.34～1.10，0.22～0.81，0.28～0.61，0.30～0.57。與C∶P垂直分布趨勢(shì)相似，N∶P亦表現(xiàn)為復(fù)墾20年苜蓿地表層0～10 cm明顯高于下層，高于耕地土壤；耕地土壤10～20 cm土層明顯高于其它土層，其它樣地土壤剖面變化幅度較小，且呈現(xiàn)波動(dòng)性。自然恢復(fù)地不僅碳、氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)低，其C∶P，N∶P生態(tài)計(jì)量比也低。

表3 不同復(fù)墾年限下不同深度土壤C∶N，C∶P及N∶P比Tab.3 C∶N，C∶P，N∶P of soil with different vegetation restoration years and at different depth

2.3 土壤C，N，P質(zhì)量分?jǐn)?shù)與C∶N，C∶P，N∶P化學(xué)計(jì)量比的相關(guān)性

土壤總有機(jī)碳、全氮、全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)與C∶N，C∶P，N∶P生態(tài)計(jì)量比的相關(guān)性分析表明，土壤總有機(jī)碳和全氮極顯著相關(guān)，土壤C∶P與N∶P極顯著相關(guān)，土壤C∶P，N∶P與總有機(jī)碳、全氮極顯著相關(guān)，C∶N，C∶P，N∶P與土壤全磷的相關(guān)性均未達(dá)到(P<0.05)顯著水平(表4)。這也進(jìn)一步說明土壤全磷變異較小，C∶P，N∶P生態(tài)計(jì)量比主要受碳、氮的積累影響。土壤C∶N與土壤有機(jī)碳、全氮相關(guān)性均未達(dá)到0.05顯著水平，意味著C∶N受碳、氮共同控制。

表4 土壤C∶ N，C∶ P，N∶P與土壤C，N，P質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間的相關(guān)關(guān)系Tab.4 The relationship between soil C∶ N，C∶ P，N∶ P and C，N，P content

注：*表示在0.05水平上顯著相關(guān)，**表示在0.01水平上顯著相關(guān)

Note:* indicates significant correlation at the 0.05 level;** indicate significant correlation at the 0.01 level

3 討論

土壤碳、氮、磷是維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)健康及養(yǎng)分循環(huán)的重要生態(tài)因子，影響土壤微生物活性、凋落物的分解速率及土壤有機(jī)碳和養(yǎng)分的積累。土壤養(yǎng)分(主要是C，N，P)的積累主要來自于施肥、各種形式凋落物的歸還和根系的分泌物，其含量高低與覆蓋植被的種類、生長(zhǎng)狀況以及凋落物的礦化密切相關(guān)[24]。本研究中，耕地0～10 cm土層的C，N，P的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為5.94，0.406，0.540 g·kg-1，高于黃土高原0～20 cm土層的3.0，0.3，0.3 g·kg-1[25],低于山西省耕地土壤0～20 cm土層平均值的6.21，0.68，0.56 g·kg-1[26]。這與研究區(qū)地處山西北部地區(qū)，氣候干旱、寒冷，植被生長(zhǎng)較差，且施肥量低有關(guān)。0～10 cm土層，3年自然恢復(fù)地、3年和8年苜蓿地，土壤C，N質(zhì)量分?jǐn)?shù)均明顯低于耕地；土壤全P質(zhì)量分?jǐn)?shù)，3年自然恢復(fù)地低于耕地，3年苜蓿地高于耕地，8年與耕地?zé)o顯著差異。按照第2次全國(guó)土壤普查技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[27]，土壤C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，耕地和20年苜蓿地屬于第4級(jí)，其它屬于第6級(jí)；N的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，除20年苜蓿地屬于第5級(jí)外，其它均屬于第6級(jí)；土壤全磷均屬于第5級(jí)。說明復(fù)墾區(qū)土壤碳、氮、磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)整體水平較低。

在復(fù)墾過程中，土壤C，N，P的變化趨勢(shì)并不相同。隨復(fù)墾時(shí)間延長(zhǎng)，土壤C，N質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加。0～10 cm土層，20年苜蓿地C，N已明顯高于耕地。這是因?yàn)樵?0年苜蓿地，侵入的草類植物生長(zhǎng)茂盛，植物枯落物及其分解產(chǎn)物在土壤表層大量積累，使得表層土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯提高。苜蓿根系及根瘤固氮作用對(duì)于有機(jī)碳、全氮提升亦起到一定作用。全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)則隨復(fù)墾時(shí)間延長(zhǎng)呈逐漸減少的趨勢(shì)，這是因?yàn)槿字饕獊碜猿赏聊纲|(zhì)和施入的肥料。3年苜蓿地土壤全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于其它樣地土壤，主要由于苜蓿播種時(shí)有機(jī)肥及磷肥施用，隨著苜蓿的生長(zhǎng)，前期施用的肥料肥效逐漸降低，植被對(duì)土壤C，N，P質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響逐漸顯現(xiàn)。苜蓿為大量需磷的作物[28]，苜蓿不斷吸收攜出，土壤磷素難以得到補(bǔ)充，使得全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低。

耕地和20年苜蓿地土壤有機(jī)碳、全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)由表層向深層逐層遞減，這是由于土壤表層是植物根系主要分布和枯落物聚集的土層，隨土層加深植物根系減少，枯落物減少，這與饒麗仙等[29]的研究結(jié)果較為一致。3年自然恢復(fù)、3年苜蓿地和8年苜蓿地由表層向深層呈波動(dòng)式變化趨勢(shì)。這可能與苜蓿根系分布及根系分泌物有關(guān)。土壤C和N為土壤有機(jī)質(zhì)的重要組分，土壤C與N表現(xiàn)出耦合關(guān)系。全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化趨勢(shì)與全氮不同，除3年自然恢復(fù)地表現(xiàn)為波動(dòng)變化外，其他樣地由表層向深層呈遞減趨勢(shì)。

土壤C∶N是衡量土壤有機(jī)碳組成的重要指標(biāo)，受區(qū)域水熱條件和成土作用特征的控制；同時(shí)還是預(yù)測(cè)有機(jī)質(zhì)分解速率的有效指標(biāo)，一般與其分解速率呈反比[30]。陳文新[30]和黃昌勇[31]研究表明，當(dāng)土壤C∶N在5.6～11.3之間時(shí)，土壤微生物量碳開始增加，土壤氮的礦化明顯增加；當(dāng)C∶N在15.3～20.6之間時(shí)，土壤微生物量迅速增加，釋放礦化氮；當(dāng)C∶N在37.1～64.4之間時(shí)，礦化作用所釋放的有效氮遠(yuǎn)小于微生物吸收同化的需氮量，兩者平衡的結(jié)果使土壤中原來所含的一部分礦質(zhì)態(tài)有效氮也被微生物同化成有機(jī)態(tài)。復(fù)墾前期，苜蓿的生長(zhǎng)旺盛，土壤有機(jī)碳及氮主要來源于苜?？萋湮锏臍w還及根瘤固氮。苜蓿的C∶N一般大于12，苜?；芈涞酵寥乐械臍埩粑镌蕉?，將會(huì)更多地增加C和N質(zhì)量分?jǐn)?shù)，從而增加土壤C∶N[19-20]。之后，苜蓿進(jìn)入生理衰退期，枯落物減少、根瘤固氮作用減弱，而野生雜草侵入增加，有機(jī)碳進(jìn)一步積累，C∶N降低。因此，3年和8年苜蓿地，土壤C∶N高于20年復(fù)墾地及耕地。總體來講，研究區(qū)0～40 cm土壤C∶N變化范圍為14.25～15.26，C∶N與我國(guó)耕地土壤C∶N均值相近[28]，說明復(fù)墾過程中有機(jī)質(zhì)分解較快，有利于有機(jī)氮的礦化釋放。

研究區(qū)C∶P的變化范圍為4.28～10.01，N∶P的變化范圍為0.30～0.69。C∶P和N∶P均低于我國(guó)土壤C∶P和N∶P的均值[30,32-33]，亦低于黃土高原0～20 cm土壤C∶P和N∶P的值(分別為10和1)[25]。土壤C∶P，N∶P隨復(fù)墾時(shí)間延長(zhǎng)呈逐漸增加趨勢(shì)。20年苜蓿地0～10 cm土壤C∶P，N∶P已遠(yuǎn)高于耕地。這是由于隨著復(fù)墾時(shí)間的延長(zhǎng)，土壤有機(jī)C、總N增加，土壤全P質(zhì)量分?jǐn)?shù)有所波動(dòng)，但相對(duì)于C，N，土壤全P質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化幅度較小。因此，土壤C∶P，N∶P與土壤有機(jī)C，全N質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈顯著正相關(guān)，與土壤全P質(zhì)量分?jǐn)?shù)相關(guān)性不顯著。

除耕地外，其它復(fù)墾地C∶N表現(xiàn)為10～20 cm土層最高；C∶P，N∶P在20年苜蓿地表層0～10 cm明顯高于下層，由表層向深層逐層遞減,其它樣地土壤剖面變化幅度較小，且呈現(xiàn)波動(dòng)性。這是由于土壤C∶N，C∶P，N∶P變化所取決的因子不同而造成的。本研究中土壤C∶N與土壤有機(jī)C、全N相關(guān)性均不顯著，說明該區(qū)土壤C∶N受C，N共同控制。土壤C∶P，N∶P與總有機(jī)C、全N顯著相關(guān)，C∶N，C∶P，N∶P與土壤全磷的相關(guān)性均未達(dá)到(P<0.05)顯著水平。這也進(jìn)一步說明土壤全磷變異較小，C∶P，N∶P生態(tài)計(jì)量比主要受碳、氮的積累影響。

4 結(jié)論

復(fù)墾影響土壤C，N，P的質(zhì)量分?jǐn)?shù)及其化學(xué)計(jì)量比。隨復(fù)墾年限的增加，土壤C，N，C∶P及N∶P增加。20年苜蓿地0～10 cm土壤有機(jī)碳和全氮較耕地分別提高30.1%和28.8%；0～40 cm土壤有機(jī)碳、全氮與耕地接近。C∶N呈先升高后降低趨勢(shì)。土壤C，N，P質(zhì)量分?jǐn)?shù)及其化學(xué)計(jì)量比的垂直變異受復(fù)墾年限影響。耕地和20年苜蓿復(fù)墾地，土壤C，N的質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及C∶P，N∶P化學(xué)計(jì)量比隨深度的增加遞減，3年和8年復(fù)墾地，隨土層深度的增加，土壤C，N以及C∶P，N∶P呈現(xiàn)波動(dòng)性。土壤C∶P，N∶P與總有機(jī)碳、全氮顯著相關(guān)，與土壤全磷的相關(guān)性不顯著。表明復(fù)墾過程，植被對(duì)碳、氮的提升作用比磷明顯。