荒漠草原不同重金屬污染對牛枝子葉片—土壤生態(tài)化學計量特征的影響

虎學鋒 米楠

摘要 探究荒漠草原牛枝子（Lespedeza potaninii ）在不同重金屬污染梯度下的生長狀況，通過其不同重金屬污染梯度下牛枝子葉片及土壤中碳（C）、氮（N）、磷（P）含量的變化以及對其他土壤理化性質的變化，明確在不同重金屬污染梯度下牛枝子對養(yǎng)分的利用狀況、生態(tài)適應策略。結果表明：在不同污染梯度下牛枝子葉片總C含量變化差異不明顯，牛枝子葉片全N、全P含量呈先上升后下降的趨勢。土壤總C、全N、全P含量在對照組CK下最高，隨著重金屬污染梯度的升高整體呈下降的趨勢，隨著重金屬污染梯度的升高，土壤速效P、速效K、電導率整體上呈先上升后下降的趨勢，土壤堿解氮整體呈下降趨勢，土壤pH變化不顯著。牛枝子葉片全N與全P與土壤總C呈極顯著正相關（P＜0.01），土壤總C與土壤全N、土壤C/N、C/P、N/P表現出極顯著正相關（P＜0.01）。在低濃度重金屬下促進植物吸收營養(yǎng)元素，但過了其承載的重金屬濃度時就會阻礙植物對營養(yǎng)元素的吸收。

關鍵詞 荒漠草原；重金屬污染；C、N、P含量；土壤理化性質

中圖分類號 X131 文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2024）02-0050-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.02.011

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Effects of Heavy Metal Pollution on Ecological Stoichiometric Characteristics of Lespedeza potaninii Leaves and Soil in Desert Steppe

HU Xue-feng，MI Nan

（ 1.School of Agriculture，Ningxia University，Yinchuan，Ningxia 750021;2.Laboratory of Forage Cultivation and Breeding，Ningxia University，Yinchuan，Ningxia 750021）

Abstract To explore the growth status of Lespedeza potaninii in desert steppe under different heavy metal pollution gradients，through the changes of carbon （C），nitrogen （N），phosphorus （P） contents in leaves and soil of Lestaninii and the changes of other soil physicochemical properties.To clarify the nutrient utilization status and ecological adaptation strategy of bough branches under different heavy metal pollution gradients.The results showed that there was no significant difference in total C content under different pollution gradients，and the total N and P contents in leaves of M.sativa increased first and then decreased.The contents of total C，total N and total P in soil were the highest in the control group CK，and showed an overall downward trend with the increase of heavy metal pollution gradient.With the increase of heavy metal pollution gradient，soil available P，available K and electrical conductivity showed a trend of first increase and then decrease on the whole，soil alkali-hydrolyzed nitrogen showed a trend of decline on the whole，and the change of soil pH was not significant.Total N and total P of M.sativa leaves were positively correlated with total C （P<0.01），and total C was positively correlated with total N，C/N，C/P and N/P （P<0.01）.The low concentration of heavy metals can promote the absorption of nutrient elements，but it will hinder the absorption of nutrient elements when the heavy metal concentration exceeds the load.

Key words Desert steppe;Heavy metal pollution;C，N，P content;Physical and chemical properties of soil

基金項目 寧夏自然科學基金項目（2020AAC03081）。

作者簡介 虎學鋒（1997—），男，回族，寧夏同心人，碩士研究生，研究方向：草地資源與環(huán)境。*通信作者，副教授，博士，從事草地生態(tài)、資源與環(huán)境研究工作。

收稿日期 2023-02-13

全球草原面積占陸地總面積的25%以上。我國是草地資源大國，居世界第二。由于其氣候干旱，生態(tài)系統(tǒng)不穩(wěn)定，荒漠草原極易出現荒漠化。草原生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的組成部分之一，不僅防風固沙、保持水土，而且在保護生物多樣性和陸地生態(tài)系統(tǒng)循環(huán)中起著重要作用。草地生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性受到了人類活動和自然條件的共同干擾。從生態(tài)系統(tǒng)的角度出發(fā)，可持續(xù)發(fā)展就是要協調好自然環(huán)境和經濟發(fā)展的關系，也就是要協調好人與自然是一個整體。研究表明，工業(yè)生產排出的廢水、廢氣與汽車排出的尾氣等容易釋放出重金屬等污染物，這些污染物沉積在土壤中，通過植物根系富集到植物體內，隨著食物鏈的傳遞，最終將會威脅人類健康。

C、N、P在植物生長過程中參與各種生理機能的調解以及供給。在生態(tài)系統(tǒng)中，植物與土壤相互關聯。因此，研究重金屬污染條件下植物與土壤中C、N、P含量及其化學元素C、N、P之間的比值關系對如何能最大限度保障生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性發(fā)展有著重大意義。牛枝子（Lespedeza potaninii）作為一種優(yōu)質的牧草，抗風沙、再生力強、耐旱性強，是改良荒漠草原草種之一。近些年有學者針對不同年限、不同植物群落、不同水鹽梯度下植物與土壤的生態(tài)化學計量做了大量研究。但是關于不同重金屬污染梯度下植物與土壤的生態(tài)化學計量相對較少。以高沙窩工業(yè)園區(qū)的重金屬污染地為研究樣地，對不同污染程度下植物葉片及土壤中C、N、P含量及其比值進行測定比較，研究不同重金屬污染程度下的生態(tài)化學計量特征。探討不同污染梯度下C、N、P含量的差異性，進一步分析牛枝子在不同污染梯度下葉片及土壤內養(yǎng)分元素的利用和生態(tài)適應策略，為荒漠草原生態(tài)修復以及環(huán)境保護提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于寧夏鹽池縣高沙窩工業(yè)園區(qū)。地理位置處于37°04′～38°10′N，106°30′～107°41′E。研究區(qū)屬于典型的荒漠草原，土壤呈堿性且為砂質性土壤，土壤養(yǎng)分貧瘠。白天日照充足，晝夜溫差較大。該地區(qū)植被稀疏，主要生長植被有豬毛蒿（Artemisia scoparia）、長芒草（Stipa bungeana）、牛枝子（Lespedeza potaninii）、短花針茅（Stipa breviflora）、苦豆子（Sophora alopecuroides）等。

1.2 試驗方法

1.2.1 樣地設置。

根據寧夏土壤背景值以及前期課題組許喆對工業(yè)園區(qū)土壤重金屬含量的調查研究，將高沙窩工業(yè)園區(qū)周邊荒漠草地根據單因子指數法和內梅羅綜合指數法將樣地分為5個污染梯度：清潔Ⅰ、輕微污染Ⅱ、中度污染Ⅲ、重度污染Ⅳ、嚴重污染Ⅴ，在距高沙窩工業(yè)園區(qū)附近20 km處選取一個無污染樣地作為對照組CK。根據已有的研究選擇牛枝子優(yōu)勢種作為研究樣地。

1.2.2 樣品采集。

在提前設置好的重金屬樣地采集牛枝子和土壤樣品，每個污染梯度下設置３個樣地，每個樣地設置3個樣方，樣方內取牛枝子10株，齊地剪下，在65 ℃下恒溫烘干，并將莖葉分離后，粉碎測定植物葉片Ｃ、Ｎ、Ｐ含量。土壤取樣采用五點交叉取樣法取土壤（0～30 cm）的表層土，去除土壤中的石塊、根系，將每部分新鮮土壤樣品混勻裝入到自封袋中保存，將土樣自然風干后研磨過2 mm、1 mm篩后測定土壤化學性質、重金屬含量。

1.2.3 指標測定。

重金屬送檢沈陽博實植物與土壤生態(tài)檢驗檢測中心有限公司測定；使用元素分析儀測定牛枝子葉片全碳與土壤總碳；用凱氏定氮儀測定牛枝子葉片全氮與土壤全氮；牛枝子葉片全磷采用釩鉬黃比色法。土壤全磷采用HClO-HSO消煮法；采用HSO-HO消煮，采用鉬銻抗比色法測定土壤速效磷；土壤速效鉀采用NHAC浸提-火焰光度計法測定；堿解氮采用堿解擴散法；pH和電導率使用電位法（水土比5∶1）測定。

1.3 數據處理

采用Excel2016進行數據的常規(guī)分析，借助SPSS26.0軟件以及Origin2021做以下分析：

（1）方差分析。對土壤重金屬含量及牛枝子葉片、土壤碳、氮、磷含量進行單因素方差分析。

（2）相關分析。在不同重金屬污染梯度下判定牛枝子葉片、土壤碳、氮、磷含量及其比值之間的關系。

（3）PCA分析。將重金屬含量與其他土壤理化性質做PCA分析。

1.4 土壤重金屬污染風險評價方法

根據不同采樣點的重金屬含量，采用單因子指數法、內梅羅綜合污染指數法對研究區(qū)域土壤重金屬污染狀況進行綜合評價。

單因子指數法適用于單一因子污染研究區(qū)域的評價，若環(huán)境污染是由多個污染因子復合導致的，內梅羅綜合指數評價方法可將單因子污染指數結合起來，采用綜合污染指數法全面反應研究區(qū)域的污染狀況，是當前國內外進行綜合污染指數計算的最常用的方法之一。計算公式為：

式中：P為土壤中重金屬元素ｉ污染指數；C為重金屬元素ｉ的實測含量（mg/kg），采用寧夏環(huán)境土壤背景值。P為土壤重金屬元素的綜合污染指數；為單因子污染指數的平均數；Pmax為最大單因子污染指數；0.7＜P≤1 為清潔區(qū)，1＜P≤2.0 為輕度污染，2.0 ＜P≤3.0 為中度污染，P＞3.0 為嚴重污染。

2 結果與分析

2.1 研究區(qū)土壤重金屬含量

對研究區(qū)的土壤重金屬含量進行測定結果如表1所示。Cu、Cd、Cr、Pb、Zn和Mn的平均值分別為19.10、0.16、31.03、71.94、73.91、534.76 mg/kg。分別為寧夏土壤背景值的0.86、1.70、0.51、3.49、1.26、1.02倍。發(fā)現不同污染區(qū)域的土壤重金屬污染之間存在顯著差異（P＜0.05）。Pb、Zn的超標率最高，對研究區(qū)土壤的污染最為嚴重。喬雯等和曾曉娜等的研究表明，Pb、Zn等重金屬對礦區(qū)和冶煉廠周邊的土壤受Pb、Zn等重金屬污染較為嚴重。

結合污染程度，根據單因子指數法和內梅羅綜合指數法計算得：無污染CK的P為0.06±0.05，清潔 Ⅰ 的P為0.96±0.02，輕微污染Ⅱ的P為1.51±0.04，中度污染Ⅲ的P為2.57±0.06，重度污染Ⅳ的P為3.46±0.07，嚴重污染Ⅴ的P為4.32±0.11。

2.2 不同重金屬污染梯度下牛枝子葉片C、N、P生態(tài)化學計量特征的變化

由不同重金屬污染梯度下植物葉片生態(tài)化學計量特征分析結果（表2）可知，植物葉片C含量變化范圍在364.80～371.22 g/kg。污染梯度Ⅱ、Ⅳ、Ⅴ與對照組CK的差異顯著（P＜0.05）；植物葉片全N含量變化范圍在28.30～34.96 g/kg，植物葉片全N含量在梯度Ⅱ下最高，與對照組CK以及梯度Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ存在顯著差異（P＜0.05）。植物葉片P含量變化范圍為1.32～1.90 g/kg，梯度Ⅱ下植物葉片P含量最高，梯度Ⅱ與梯度Ⅴ之間存在顯著差異（P＜0.05）。不同梯度下植物葉片C/N變化范圍為10.50～12.90，梯度Ⅴ下C/N最高，與其余幾個梯度以及對照組CK之間均存在差異（P＜0.05）；C/P的變化范圍是192.73～276.26，梯度Ⅴ下C/P最高，與除梯度Ⅰ和Ⅲ外的其余3種梯度下的植物葉片C/P含量存在顯著差異（P＜0.05）；N/P的變化范圍是18.39～22.45，梯度Ⅴ下N/P最高，與梯度Ⅱ、Ⅳ及CK的植物葉片N/P含量存在顯著差異（P＜0.05），其中梯度Ⅱ下植物葉片N/P最低。

2.3 不同污染梯度下土壤生態(tài)化學計量特征的變化

如圖1所示，土壤總C含量變化為5.43～11.75? g/kg。隨著污染梯度的不斷增加，土壤總C含量總體呈下降的趨勢，對照組CK與梯度Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ存在顯著差異（P＜0.05）；土壤N含量變化為0.29～0.57? g/kg，土壤全N含量隨著污染梯度的不斷增加逐漸降低，對照組CK土壤全N含量最高且與其余污染梯度之間存在顯著差異（P＜0.05）；土壤全P含量變化為0.26～0.40? g/kg，隨著污染梯度的不斷增加，土壤全P含量也呈現下降的趨勢，對照組CK土壤全N含量最高且與梯度Ⅴ存在顯著差異（P＜0.05）。

2.4 不同污染梯度下土壤生態(tài)化學計量特征比的變化

如圖2所示，土壤C/N的變化范圍是18.27～26.91。梯度Ⅰ土壤C/N最高，與梯度Ⅳ、Ⅴ之間存在顯著差異（P＜0.05），梯度Ⅳ土壤C/N最低；土壤C/P的變化范圍是20.33～33.27。梯度Ⅰ土壤C/P與梯度Ⅳ、Ⅴ之間存在顯著差異（P＜0.05），梯度Ⅴ土壤C/P最低；土壤N/P的變化范圍是1.05～1.43，對照組CK土壤N/P最高，與梯度Ⅱ存在顯著差異（P＜0.05）。

2.5 不同重金屬污染梯度下牛枝子葉片-土壤生態(tài)化學計量相關性分析

通過相關性分析可知（圖3），植物葉片總C與葉片全N、土壤總C和土壤全P呈極顯著正相關（P＜0.01）；植物葉片全N與葉片全P、土壤總C之間表現出極顯著正相關（P＜0.01）；植物葉片全P與土壤全P之間存在正相關（P＜0.05），植物葉片C/N、C/P、N/P與植物全P表現為極顯著負相關（P＜0.01）；植物葉片C/N與C/P呈極顯著正相關（P＜0.01），植物葉片C/N與土壤總C之間存在極顯著負相關（P＜0.01）；植物葉片C/P與植物葉片N/P呈極顯著正相關（P＜0.01），植物葉片C/P與土壤全P呈極顯著負相關（P＜0.01）；土壤總C與土壤全N、土壤C/N、C/P、N/P呈極顯著正相關（P＜0.01）；土壤全N與土壤全P呈極顯著正相關（P＜0.01），土壤N/P與土壤全N呈極顯著正相關（P＜0.01）；土壤C/N與土壤C/P呈極顯著正相關（P＜0.01），土壤C/P與土壤N/P之間存在極顯著正相關（P＜0.01）。

2.6 不同重金屬污染梯度下其他土壤理化性質的變化

不同重金屬污染梯度下其他土壤理化性質的變化如表3所示，堿解氮在梯度 Ⅰ 與污染梯度Ⅲ之間存在顯著差異（P＜0.05）；速效磷對照組CK與梯度Ⅱ、Ⅲ之間差異顯著（P＜0.05）；速效鉀在梯度Ⅰ下含量最高，且梯度Ⅰ與其余梯度之間存在顯著差異（P＜0.05）；pH隨著污染梯度的升高變化差異不明顯，與梯度Ⅴ之間存在顯著差異（P＜0.05）；電導率值在梯度Ⅳ下最高，與其余梯度之間差異顯著（P＜0.05），電導率值在對照組CK下最低。

研究區(qū)土壤重金屬含量和土壤其他理化性質主成分分析結果如圖4所示，第一主成分PC1和第二主成分PC2的貢獻率分別為59.1%、13.5%。由圖4可以看出，重金屬Cu、Cr、Pb、Zn、Mn、Cd、pH和EC具有較大的貢獻率。已有研究表明，礦區(qū)和冶煉廠周邊的重金屬Pb、Zn、Cd、Mn等通過污水、廢氣、廢渣進入土壤中。由此表明這4種重金屬在研究區(qū)土壤中累積嚴重。

3 討論

隨著工業(yè)的發(fā)展，礦區(qū)和冶煉廠釋放的重金屬Pb、Zn，Cd等隨著污水、廢氣、廢液排放到周邊的土壤，并累積到土壤中。卜興兵等研究四川某工業(yè)園區(qū)周邊農田重金屬Cd、Pb、Zn為重度污染。李軍等對四川盆地某石化基地周邊街塵重金屬污染進行研究，發(fā)現重金屬Cu、Pb、Cr、Zn污染較為嚴重，與該研究結果一致。該研究中，Cu、Cd、Cr、Pb、Zn和Mn含量分別為寧夏土壤背景值的0.86、1.67、0.51、3.49、1.26、1.02倍。其中Pb、Zn的超標率最高，對研究區(qū)土壤的污染最為嚴重。有研究表明，煤礦產生的粉塵是重金屬Cd污染的主要來源。這與該研究樣地重金屬Cd污染嚴重相一致。

當植物受到重金屬污染時，根部將會對礦質元素的吸收和轉運有所影響，重金屬會阻礙根系向地上部分的水分運輸，干擾正常生理代謝過程，進而直接影響植物的生長、發(fā)育。當重金屬污染梯度達到一定程度時，會影響植物對必需元素的吸收并產生拮抗作用。該試驗中，隨著重金屬污染程度的加劇，植物葉片C、N、P出現了先上升后下降的變化。有研究指出，植株氮、磷的含量隨著鉛濃度的上升而顯著下降，這與該試驗結果相似。也有研究表明，隨著重金屬污染的加劇，金屬敏感植物逐漸被淘汰。然而耐金屬植物的出現部分彌補了物種的損失，與該研究結果一致。該試驗中土壤全N隨著重金屬污染梯度的上升整體呈下降趨勢，云南某礦區(qū)資源開采導致土壤中全N含量顯著降低，與該研究結論一致。羅路云等通過鎘污染對稻田土壤真菌群落結構及多樣性的影響分析中得出土壤全N含量隨著鎘污染的增加而降低。土壤養(yǎng)分循環(huán)的主要指標就是通過土壤碳氮磷比值所體現，碳氮磷比值也反映整個生態(tài)系統(tǒng)功能的變化，且有助于確定土壤生態(tài)過程對環(huán)境變化做出的響應。

當Ｎ∶P＞16時，該生態(tài)系統(tǒng)受Ｐ限制，當N∶P＜14時，該生態(tài)系統(tǒng)受Ｎ限制，當14＜N∶P＜16時，共同受Ｎ、Ｐ的限制或不受二者限制。不同污染梯度下牛枝子植株的生長受P的限制。該試驗中土壤全碳與牛枝子葉片全碳呈顯著正相關，這與聶明鶴等研究結果一致。隨著污染梯度的上升，植物葉片C∶P出現不規(guī)律的波動，但整體呈上升趨勢，這是由于在工業(yè)活動的影響下牛枝子的生長環(huán)境出現不穩(wěn)定性。牛枝子在梯度Ⅱ處理下，植物葉片N、P含量較其他處理最高，表現出較強的競爭力。

根據第一主成分分析可知，Cu、Cr、Pb、Zn、Mn、Cd的貢獻率最高。該研究區(qū)聚集了多種工業(yè)，其主要以煤化工為主，在加工生產過程中的工業(yè)廢水易流入土壤表層，再加上汽車尾氣排放造成的多重污染，導致土壤中重金屬Pb、Zn、Cd等含量加劇，這與李強等研究結果相同。重金屬沉積在土壤中，沉積在土壤中的污染物長期積累容易導致土壤質量下降，土壤儲存有機質的能力降低，導致養(yǎng)分可利用性顯著性降低。

4 結論

該研究以寧夏鹽池縣高沙窩工業(yè)園區(qū)周邊的荒漠草原為研究對象，測定表層土壤中重金屬Cu、Cr、Pb、Zn、Mn、Cd的含量。其中重金屬Pb、Zn、Cd和Mn含量均高于寧夏土壤背景值，這些重金屬通過工業(yè)廢水排放以及汽車尾氣等進入土壤表層。通過PCA分析得知，Pb、Zn、Cu和Cd是影響荒漠草原土壤質量的主要原因。研究中不同重金屬污染梯度下的牛枝子為適應被污染的環(huán)境條件，將自身的養(yǎng)分調節(jié)、限制在最低要求水平并維持荒漠草原的動態(tài)平衡。研究發(fā)現，牛枝子葉片C、N、P含量在梯度Ⅰ、Ⅱ下最高，牛枝子葉片N∶P值大于16，在梯度Ⅴ下最高。在一定重金屬濃度下促進牛枝子吸收營養(yǎng)元素，但超過其承載的重金屬濃度時就會阻礙牛枝子對營養(yǎng)元素的吸收。土壤C、N、P含量在對照組CK下最高，呈先下降后升高再下降的趨勢，說明在低濃度和高濃度重金屬梯度下土壤C、N、P含量受到不同程度的影響。重金屬對土壤環(huán)境的污染會逐漸影響牛枝子的生長狀況，最終導致植株對重金屬的積累突破牛枝子本身所富集的能力，引發(fā)荒漠草原植被退化等一系列嚴重問題。

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