植被恢復(fù)對(duì)礦區(qū)廢棄地土壤養(yǎng)分及化學(xué)計(jì)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(dòng)物救護(hù)繁育中心賓西示范林場(chǎng)，黑龍江 哈爾濱 150400；2.東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)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(xué)計(jì)量比，是了解區(qū)域和全球范圍內(nèi)土壤C、N 和P 的平衡和相互作用、生物地球化學(xué)循環(huán)和生物過程的有力依據(jù)。生態(tài)系統(tǒng)類型差異常導(dǎo)致土壤C、N、P化學(xué)計(jì)量比的巨大變異［2］。

黑龍江省是礦產(chǎn)資源大省，礦產(chǎn)資源的開發(fā)和利用為黑龍江省經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)，但也對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境造成了很大破壞，如何盡快恢復(fù)礦區(qū)廢棄地的植被和生態(tài)環(huán)境，成為黑龍江省生態(tài)建設(shè)的一個(gè)重要內(nèi)容。為此，筆者選取黑龍江省瀕危野生動(dòng)物救護(hù)繁育中心賓西示范林場(chǎng)（以下簡(jiǎn)稱賓西示范林場(chǎng)）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(xué)計(jì)量比的差異，探究植被恢復(fù)對(duì)礦區(qū)廢棄地土壤養(yǎng)分及其化學(xué)計(jì)量特征的影響，以期為礦區(qū)廢棄地生態(tài)恢復(fù)提供科學(xué)參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于賓西示范林場(chǎng)，屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)。根據(jù)中國地面基本氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)，賓西示范林場(chǎng)年平均氣溫3.0 ℃，年降水量550～650 mm，年日照時(shí)間2 700 h，年無霜期130 d 左右；春季風(fēng)力最高可達(dá)8 級(jí)，冬季凍土最深可達(dá)180 cm。2020 年7 月以來，賓西示范林場(chǎng)實(shí)施了大規(guī)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(chǎng)內(nèi)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(gè)規(guī)格一致的樣方（20 m×30 m），在每個(gè)樣方內(nèi)隨機(jī)選取3個(gè)距離5 m 以上的樣點(diǎn)，清理地表枯落物后開挖土壤剖面，采用四分法取土，使用環(huán)刀采集0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm土層土壤，每層樣品取3個(gè)重復(fù)。

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

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

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 植被恢復(fù)對(duì)礦區(qū)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(shì)；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(fù)可在一定程度上增加礦區(qū)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(fù)對(duì)礦區(qū)廢棄地土壤養(yǎng)分的影響

由圖1 可知，退礦還林地土壤TC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著土層深度增加而逐漸減小，退礦荒地土壤TC質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(zhì)量分?jǐn)?shù)均大于退礦荒地土壤TC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)，說明植被恢復(fù)可提升礦區(qū)廢棄地土壤碳儲(chǔ)量。

圖1 退礦還林和退礦荒地土壤TC質(zhì)量分?jǐn)?shù)

由圖2可知，退礦還林地TN 質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨土層深度增加先減小后增大；退礦荒地土壤TN 質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨土層深度增加變化較??；在0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm 土層中，退礦還林地土壤TN 質(zhì)量分?jǐn)?shù)均大于退礦荒地土壤TN 質(zhì)量分?jǐn)?shù)，說明植被恢復(fù)可增加礦區(qū)廢棄地土壤氮儲(chǔ)量。

圖2 退礦還林和退礦荒地土壤TN質(zhì)量分?jǐn)?shù)

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(zhì)量分?jǐn)?shù)均小于退礦荒地。這說明植被恢復(fù)可降低礦區(qū)廢棄地土壤磷儲(chǔ)量，這與植被恢復(fù)提升礦區(qū)廢棄地土壤碳儲(chǔ)量和氮儲(chǔ)量的規(guī)律相反。

圖3 退礦還林和退礦荒地土壤TP質(zhì)量分?jǐn)?shù)

2.3 植被恢復(fù)對(duì)礦區(qū)廢棄地土壤C、N、P 化學(xué)計(jì)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(fù)可提高礦區(qū)廢棄地的土壤質(zhì)量，也說明磷虧缺是礦區(qū)廢棄地生態(tài)修復(fù)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(xué)計(jì)量比

圖5 退礦還林地和退礦荒地土壤C、P化學(xué)計(jì)量比

圖6 退礦還林地和退礦荒地土壤N、P化學(xué)計(jì)量比

2.4 退礦還林地及退礦荒地土壤C、N、P 化學(xué)計(jì)量比與環(huán)境因子的相關(guān)性

由圖7、圖8可知，退礦還林地土壤TC質(zhì)量分?jǐn)?shù)與土壤TN 質(zhì)量分?jǐn)?shù)、N∶P、C∶P 呈顯著正相關(guān)，退礦荒地土壤TC質(zhì)量分?jǐn)?shù)與土壤TN 質(zhì)量分?jǐn)?shù)、C∶N、C∶P呈顯著正相關(guān)；退礦還林地土壤TN 質(zhì)量分?jǐn)?shù)與土壤C∶P、N∶P 呈顯著正相關(guān)，與退礦荒地規(guī)律一致；BD 與土壤養(yǎng)分指標(biāo)未表現(xiàn)出顯著相關(guān)性。

圖7 退礦還林地土壤C、N、P化學(xué)計(jì)量比與環(huán)境因子的Person相關(guān)性分析

圖8 退礦荒地土壤C、N、P化學(xué)計(jì)量比與環(huán)境因子的Person相關(guān)性分析

退礦還林地SWC 與土壤TC、TN 質(zhì)量分?jǐn)?shù)和土壤C∶P、N∶P 呈顯著正相關(guān)，然而這種相關(guān)性并沒有在退礦荒地有所體現(xiàn)，這說明SWC是控制礦區(qū)廢棄地土壤質(zhì)量的關(guān)鍵因素。

3 結(jié)論與討論

通過對(duì)賓西示范林場(chǎng)退礦還林地及退礦荒地土壤化學(xué)計(jì)量特征進(jìn)行分析比較，得出以下結(jié)論。

第一，礦區(qū)廢棄地土壤養(yǎng)分和化學(xué)計(jì)量特征與植被恢復(fù)措施密切相關(guān)。退礦還林地土壤TC、TN 質(zhì)量分?jǐn)?shù)均大于退礦荒地，植被恢復(fù)明顯增加了礦區(qū)廢棄地土壤的碳、氮儲(chǔ)量；退礦還林地土壤TP 質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于退礦荒地，植被恢復(fù)降低了礦區(qū)廢棄地土壤的磷儲(chǔ)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(qū)廢棄地生態(tài)修復(fù)的重要限制因子。

第二，退礦還林地SWC 與土壤TC、TN 質(zhì)量分?jǐn)?shù)和C∶P、N∶P 呈顯著正相關(guān)，但這種相關(guān)性并沒有在退礦荒地有所體現(xiàn)，這說明SWC是控制礦區(qū)廢棄地土壤質(zhì)量的關(guān)鍵因素。