高寒矿区渣山坡向对恢复植物叶片养分重吸收的影响

梁德飞， 孙 熠， 蒋宏宇，3， 杨占芳，3， 李长慧*

(1. 青海大学省部共建三江源生态与高原农牧业国家重点实验室， 青海 西宁 810016； 2. 青海大学农牧学院，青海 西宁 810016； 3. 青海大学生态环境工程学院， 青海 西宁 810016)

植物在衰老前将叶片中所含养分转移到果实、种子和根等其他组织中供其生长代谢，此过程称为养分重吸收[1]。植物养分重吸收作为重要的养分保护策略，重吸收效率的提升降低了生长对土壤基质的依赖度，有助于缓解养分胁迫的限制[2-3]。当前全球自然生态系统(草地，森林等)中有18%的区域受到较强的氮限制威胁，43%的区域面临着磷素限制[4]。在此背景下植物养分重吸收效率对于提升植物逆境适应性具有重要意义[5]。前期研究表明植物对氮磷元素的重吸收过程因生境(如坡向)的变化而变化，如阴坡上较高的土壤含水量不利于氮素的重吸收，而阳坡上温度的升高有助于植物磷素的再吸收利用等[6]；土壤氮素增加使得衰落叶片的养分含量升高[7]，进而使得植物养分重吸收效率下降[7-8]。另外在高寒区的研究发现过度放牧等因素的干扰导致天然草地土壤养分损失增大，禾草类物种优势度逐渐下降[9]。禾草类植物叶片磷重吸收效率随土壤养分的降低而降低[10]，说明养分重吸收过程是植物适应高寒草地退化的重要机制。发育时间较短的土壤基质由于淋溶雨蚀易使磷素流失[10]，在此背景下提高植物的磷素重吸收效率可以降低其对土壤磷元素的依赖。如在西班牙半干旱区矿山尾渣场的研究发现由于地中海松(Pinushalepensis)具有较高的养分重吸收效率而促进了渣山恢复[11]。植物叶片养分重吸收效率越高意味着能转移到繁殖体以及植物根部的养分越多，特别对多年生植物来讲，根部充足的养分储备可以提升植物对生境胁迫的抵抗力，保证了来年的返青及生长[12]。因此选择养分重吸收效率更高的物种应用于受损生态系统(如退化草地，矿区渣山等)的治理有助于提升恢复效率，降低恢复成本。

青海木里煤田片区是祁连山生态安全屏障的重要组成部分，然而由于多年煤炭露天开采，堆积形成的大面积渣山使草地生态系统严重受损。区域高寒、风大的气候条件，以及由煤矸石组成的渣山养分匮乏，在此条件下前人通过引种在高寒区适应性较强的多年生禾本科牧草，铺设无纺布保水保熵，结合添加有机肥补充养分等措施促进了渣山的恢复[13-14]；同时也发现由于区域环境恶劣，恢复植物难以完成种子成熟、返青养分储备等生活史过程是限制渣山有效恢复关键因素[15]。更重要的是渣山不同坡向的温度、水分和基质养分等条件存在差异，如阳坡上能接收到更充足的阳光照射，相反的阴坡作为迎风坡，温度限制更剧烈的同时对植物生长的风蚀胁迫也更大。植物会通过养分的再吸收利用等过程适应坡向变化引起的生境胁迫[16]，以提高养分保存能力，促进返青等过程[17]，然而针对高寒矿区渣山植物养分重吸收的研究鲜见报道。本研究假设从矿区渣山的阴坡，平地到阳坡，光辐射以及风蚀作用使得温度升高和水分下降，恢复植物养分重吸收效率逐渐增高，且重吸收效率的种间差异依赖于坡向变化。以三种典型恢复植物老芒麦(Elymussibiricus)，冷地早熟禾(Poacrymophila)和小花碱茅(Puccinelliatenuiflora)为研究对象，分析不同坡向下恢复植物成熟叶片及衰老叶片氮磷含量的变化，探讨高寒矿区渣山坡向对不同植物的养分重吸收效率的影响。以期筛选养分保存效能更高的引种植物来促进渣山恢复，降低恢复成本，为高寒矿区的生态恢复提供支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验区位于青海省海西州天峻县木里煤田江仓矿区4号井(38°03′33″N，99°26′58″E，海拔3 875 m)，该区域属高原大陆性气候，年均温-4.2℃，无绝对无霜期，年均降水量477 mm，蒸发量1 049 mm，日照长，年均辐射量610～721 KJ·m-2，平均风速2.9 m·s-1。土壤类型主要以沼泽草甸土为主，且常年冻土覆盖。近年来由于露天煤矿开采形成大面积渣山。渣山主要成分是以煤矸石为主，附有腐植表土，风化岩土，坚硬岩石以及少量煤炭和冻土等废弃物组成。

1.2 试验设计

2016年，在4号井南渣山的山顶平地，阳坡(坡度17°，坡向南偏东12°)和阴坡(坡度25°，坡向北偏西8°)分别选取3个10 m×10 m样地布设试验。人工捡除地面大于5 cm的石块后，将样区耙平；撒播草种为高寒区典型的恢复物种老芒麦(E.sibiricus)，冷地早熟禾(P.crymophila)和小花碱茅(P.tenuiflora)；播种量为5 g·m-2，根据种子大小设定播种比例为2∶1∶1[13]；之后均匀施加有机肥(3 kg·m-2)；轻耙地表并镇压踩实，以保证播种种子充分接触土壤；播种完成后覆盖无纺布(20 g·m-2)。样地布设完成3年后，于2019年8月26日和10月20日，在每个样地内选取5个样方(50 cm×50 cm)，分别在其中采集播种的3种恢复植物生长旺盛期的成熟叶片及和凋亡期的衰落叶片。将形态完整、大小相似、颜色相近的叶片作为成熟叶片，将自然衰老、颜色灰黄、尚未完全从植株脱落的叶片作为衰落叶片。试验共需采集样方45个。每个物种采集5 g(烘干重)叶片以保证生物量足够测定养分含量。将采集叶片带回实验室在65℃烘干至恒重，粉碎过0.05 mm筛后测定叶片氮、磷含量。在每个样方随机采集5钻0～10 cm表层渣山土壤并充分混合均匀后测定土壤理化性质。同时在不同坡向的样地内用土壤温湿度速测仪测定土壤表层(0～10 cm)的瞬时温度及水分含量。

1.3 植物及土壤理化性质测定方法

植物氮、磷含量用浓硫酸+双氧水消解，土壤全氮用浓硫酸+催化剂(硫酸钾∶硫酸铜∶硒粉=100∶10∶1)消解，土壤全磷用浓硫酸+高氯酸消解，之后利用流动分析仪测定(SEAL A++，德国)[18]；土壤有机质用浓硫酸+重铬酸钾法测定[19]；土壤速效氮和速效磷测定将过2 mm筛的新鲜土壤分别用2 mol·L-1氯化钾和0.5 mol·L-1碳酸氢钠浸提后流动分析仪测定(SEAL A++，德国)；土壤酸碱度利用pH计测定(METTLER TOLEDO S400，瑞士)；土壤瞬时温度和水分利用便携式土壤水分温度电导率速测仪(TDR 350，美国)。

1.4 统计分析

叶片养分重吸收效率(Nutrient resorption efficiency,NRE)计算公式如下[20]：

式中，Nm和Ns分别表示成熟和衰老叶片的养分含量；MLCF代表叶片衰老过程中质量下降的重量损失校正系数，在此其值为0.762[21]。

叶片相对重吸收效率(Relative resorption,RR)为氮、磷重吸收效率之差，计算公式如下：

RR(%)=(NRE-PRE)×100%

式中，NRE和PRE分别代表氮素重吸收效率和磷素重吸收效率。当RR与零没有差异时表示植物生长不受氮磷限制或受氮磷的共同限制，RR大于零时表示植物生长受氮限制，RR小于零时植物生长受磷限制[22]。

单因素方差分析随后进行多重比较坡向对土壤理化性质的影响以及不同坡向间的差异，双因素方差分析坡向和植物物种对成熟叶片氮磷含量，衰老叶片氮磷含量以及叶片氮磷重吸收效率和相对重吸收率的影响，随后用多重比较不同坡向和处理间的差异。线性回归分析叶片氮磷重吸收效率，以及相对重吸收率分别和土壤理化性质之间的关系。

SPSS 23.0进行数据分析，Origin 2015进行作图，显著性水平为P<0.05。

2 结果与分析

2.1 矿区渣山不同坡向的土壤理化特征

矿区渣山阳坡土壤有机质含量显著高于阴坡(P=0.040)，而土壤水分低于阴坡(P=0.011)，平地介于二者之间且与彼此都没有显著差异；阳坡土壤全氮含量高于阴坡和平地，而其pH值显著低于阴坡和平地，阴坡和平地之间没有显著差异；阴坡土壤温度显著低于其他两种坡向；另外，渣山坡向对土壤全磷以及速效养分含量没有影响(表1)。

表1 不同坡向土壤理化特征Table 1 Soil physicochemical characteristics of different slope aspect

渣山土壤水分与全氮，以及土壤pH值分别与土壤有机质、全氮和全磷均呈显著的负相关关系；而土壤温度与土壤有机质和全氮显著正相关；渣山土壤速效养分与物理性质没有相关性(表2)。

表2 渣山土壤物理性质和养分含量的相关性分析Table 2 Relationship between soil physical characteristics and nutrient concentration

2.2 坡向对植物叶片养分含量的影响

恢复植物的成熟叶片氮含量在不同坡向间存在显著差异(表3)，表现在阳坡植物显著高于阴坡，平地介于二者之间且与彼此没有显著差异(图1)；不同恢复植物间成熟叶片氮含量差异显著(表3)，老芒麦成熟叶片氮含量显著高于小花碱茅，冷地早熟禾与二者没有显著差异(图1)。

表3 双因素方差分析坡向和物种对成熟叶片和衰落叶片氮、磷含量的影响Table 3 Two-way ANOVA analyze the effect of slope aspect and plant species on nitrogen and phosphorus of mature and senesced leaves,respectively

图1 坡向对植物成熟叶片氮含量的影响Fig.1 Effects of slope aspect on nitrogen concentration of plant mature leaves注：不同小写字母表示相同坡向内植物种间差异显著，不同大写字母表示坡向间差异显著，误差棒表示平均值±标准误Note:Different lowercase letters within the slope aspect indicate significant differences among different plant species. Different capital letters indicate significant differences among slope aspect. Error bars denote Means±standard errors

坡向对衰落叶片氮含量的影响依赖于物种(表3)，表现在：在阳坡的老芒麦和冷地早熟禾衰落叶片氮含量显著低于小花碱茅，在平地的冷地早熟禾衰落叶片氮含量显著低于老芒麦，阴坡上小花碱茅显著低于冷地早熟禾，且冷地早熟禾显著低于老芒麦(图2)。不同恢复植物间衰落叶片氮含量差异显著(表3)，老芒麦衰落叶片氮含量显著高于小花碱茅和冷地早熟禾，后二者间没有显著差异。

图2 坡向对植物衰落叶片氮含量的影响Fig.2 Effects of slope aspect on nitrogen concentration of plant senescenced leaves注：不同小写字母表示相同坡向内植物种间差异显著，误差棒表示平均值±标准误Note:Different lowercase letters within the slope aspect indicate significant differences among different plant species. Error bars denote means±standard errors

恢复植物成熟叶片磷含量在坡向间差异显著(表3)，表现在阴坡成熟叶片磷含量显著低于阳坡和平地，而后二者间没有显著差异(图3)。

图3 坡向对植物成熟叶片磷含量的影响Fig.3 Effects of slope aspect on phosphorus concentration of plant mature leaves注：不同小写字母表示坡向间差异显著，误差棒表示平均值±标准误Note：Different lowercase letters indicate significant differences among slope aspect. Error bars denote Means±standard errors

2.3 坡向对恢复植物养分重吸收效率的影响

坡向改变了恢复植物叶片氮素重吸收效率(表4)，表现为：阳坡恢复植物叶片氮素重吸收效率显著高于阴坡，平地介于二者之间且与之没有显著差异。坡向与物种之间的交互作用对氮素重吸收效率影响显著(表4)。在阳坡，老芒麦和冷地早熟禾的叶片氮素重吸收效率显著高于小花碱茅，在平地上冷地早熟禾的叶片氮重吸收效率高于老芒麦和小花碱茅，而在阴坡上小花碱茅的叶片氮素重吸收效率显著高于老芒麦(图4)。

图4 坡向对氮素重吸收效率的影响Fig.4 Effects of slope aspect on nitrogen resorption efficiency注：不同小写字母表示相同坡向内植物种间差异显著，不同大写字母表示坡向间差异显著，误差棒表示平均值±标准误Note：Different lowercase letters within the slope aspect indicate significant differences among different plant species. Different capital letters indicate significant differences among slope aspect. Error bars denote Means±standard errors

表4 双因素方差分析坡向和物种对养分重吸收效率的影响Table 4 Two-way ANOVA analyze the effects of slope aspect and species on nutrient resorption efficiency

不同坡向间恢复植物叶片磷重吸收效率差异显著(表4)。表现为阴坡恢复植物磷重吸收效率显著低于阳坡和平地，且阳坡与平地间没有显著差异(图5)。

图5 坡向对磷重吸收效率的影响Fig.5 Effects of slope aspect on phosphorus resorption efficiency注：不同小写字母表示不同坡向间差异显著，误差棒表示平均值±标准误Note：Different lowercase letters indicate significant differences among different slope aspect. Error bars denote Means±standard errors

渣山坡向显著改变了恢复植物叶片氮磷元素的相对重吸收效率(表4)，表现为阴坡恢复植物叶片相对养分重吸收效率显著高于平地和阳坡，且阳坡与平地之间没有差异(图6)。

图6 坡向对恢复植物相对重吸收效率的影响Fig.6 Effects of slope aspect on relative resorption efficiency注：不同小写字母表示不同坡向间差异显著，误差棒表示平均值±标准误Note:Different lowercase letters indicate significant differences among different slope aspect. Error bars denote Means±standard errors

2.4 恢复植物叶片重吸收效率和土壤理化性质的关系

恢复植物成熟叶片氮含量随土壤全氮含量的升高而升高(图7A)；植物叶片氮重吸收效率随土壤全氮含量的升高而上升(图7B)；同时叶片磷元素重吸收效率随土壤含水量的升高而下降(图7C)；磷元素重吸收效率随有机质的升高而显著升高(图7D)。

图7 恢复植物成熟叶片氮含量，养分重吸收效率和土壤理化性质的关系Fig.7 Relationships among mature leaves nitrogen concentration,nutrient resorption efficiency and soil physicochemical characteristics,respectively注：成熟叶片氮含量和土壤全氮(a)，氮重吸收效率和土壤全氮(b)，磷重吸收效率与土壤含水量(c)和土壤有机质(d)Note:Relationship between mature leaves nitrogen concentration and soil total nitrogen (a),nitrogen resorption efficiency and soil total nitrogen (b),phosphorus resorption efficiency and soil moisture content (c),and soil organic matter (d),respectively

3 讨论

植物养分重吸收效能体现了植物在极端环境下的抗逆性和适应力，是竞争存活的重要机制[23]。主要由煤矸石组成的渣山基质，其养分、结构等特征与天然土壤有较大差别；且区域高寒低氧气候条件决定了生长季短，引种植物难以完成种子成熟及根部养分积累等生活史进程[24]。该地区的恢复植物具有高效养分重吸收能力是适应生境以及保障来年生长的基础[25]。更重要的是渣山阳坡、阴坡和平地的温度、风速等条件不一致，针对坡向的生境差异筛选养分利用和保存效率更高的恢复植物是促进渣山恢复的有效措施。

3.1 渣山坡向对恢复植物叶片养分含量的影响

渣山坡向显著改变了恢复植物的成熟叶片养分含量，原因可能在于渣山坡向土壤全氮水平的不同。渣山阳坡上接收到的光辐射能量更充足，有助于微生物活动、凋落物分解等过程而促进土壤氮素储备[26-27]；相反的作为迎风坡的阴坡上光辐射较少且风蚀等胁迫更大而不利于氮素积累。土壤氮通过缓解植物生长的养分限制[28]，以及提升土壤磷酸酶活性而直接或间接的方式促进植物对养分的吸收和积累[29]。从渣山阴坡到阳坡，土壤养分水平的升高使得植物生长能获取的养分增多，因此恢复植物成熟叶片养分含量在渣山阳坡更高，而在阴坡上较低。中国北方草地生态系统氮限制的背景下研究结果表明[4]，土壤氮储量的增高促进了植物的养分积累[30-31]。与成熟叶片表现不一致的是，坡向未能显著影响衰老叶片氮含量。衰老叶片养分含量体现了植物养分重吸收程度，含量越低表示养分转移程度越高[32]。而坡向与物种对衰落叶片氮含量显著的交互作用暗示了不同植物重吸收效率对坡向可能存在差异性响应。另外渣山坡向对植物衰落叶片磷含量没有影响可能是因为相对于生态系统氮循环，磷元素很少参与大气循环[33]。且渣山基质形成时间短且不稳定，因此风吹雨蚀等作用对磷循环的干扰可能更大[10]。

3.2 渣山坡向对恢复植物养分重吸收效率的影响

恢复植物养分重吸收效率从渣山阴坡、平地到阳坡逐渐升高，可能是因为植物养分重吸收效率主要受成熟叶片养分含量的影响[34]。如阳坡土壤氮水平更高使得植物成熟叶片的养分含量高，意味着养分重吸收“源”更充足[20]，而表现出较高的重吸收效率。同时阴坡作为迎风坡，接收到的阳光辐射更少，植物遭受的极端胁迫更剧烈，导致生活史维持时间较短，使得衰老叶片中的养分不能及时转移至根或繁殖体等其他组织[35]，养分重吸收效率呈现出降低的趋势。试验研究结果与在高寒区和半干旱区的研究结果相似，随着土壤水分的升高，植物叶片养分重吸收效率下降[36]。然而在陆地自然生态系统中的大部分研究发现土壤养分速效养分含量和植物养分重吸收效率呈显著负相关[37]；且一般生境胁迫越大，植物适应干扰的养分重吸收效率越高[38-39]。矿区渣山系统与自然生态系统之间的不一致可能是因为：渣山主要由煤矸石、风化岩石组成，基质物化性质与天然土壤差别很大；同时渣山堆积时间约5年，处于演替初期，地上-地下相互反馈关系以及生物与环境互作等过程尚不稳定[40]，与经历长时间演变的自然生态系统有极大的差异。本试验中渣山人工草地建植时间仅5年，因而在较短的演化序列上渣山植物养分重吸收等生活史过程可能主要受环境水分、温度等非生物因子调控[41]，而与生物因子的协同关系尚未完全建立，这可能是与自然系统最主要的差异。在高寒矿区，植物叶片氮重吸收效率主要受控于土壤氮的积累，而磷重吸收效率主要受到土壤水分含量和有机质的影响。在青藏高原的研究发现土壤有机质是影响植物叶片磷含量的重要因素[42]，而土壤水分降低有助于土壤气体交换进而促进有机质积累[43]。与衰落叶片氮含量相似，不同恢复植物氮素重吸收效率对坡向的响应幅度也不一致。特定生境下(阴坡、阳坡等)具有较高氮利用速率的引种植物暗示了植物对生境胁迫具有较强的适应能力[44]。基于生境变异和物种特征的物种筛选有助于提升煤田、流沙地等受损系统的生态恢复[45-46]。本试验中物种和坡向对氮素重吸收效率的显著交互作用可以为后续高寒矿区渣山恢复提供支撑，即阳坡上可以引种老芒麦和冷地早熟禾，平地上引种冷地早熟禾，而在阴坡恢复中可以优先考虑小花碱茅。

另外渣山恢复植物氮磷元素的相对重吸收效率都显著大于零，说明矿区渣山植物的生长受氮限制，这与青藏高原植物生长的首要限制因子是氮供给的研究结果相似[4]。更为重要的是，在阴坡上植物的相对重吸收效率显著高于阳坡和平地，说明阴坡上植物生长受到更为严重的氮限制。通常植物生长会根据不同元素的盈缺而选择性吸收或保护相应的元素[38]，因此在后续渣山恢复，特别在阴坡的恢复中，在通过施肥补充土壤氮供给的同时还要选择氮素重吸收效率较高的物种进行补播，养分损失率低的物种有更高的存活率[37]，从而有效的促进渣山恢复。

4 结论

本研究表明，从阳坡、平地到阴坡，植物成熟叶片养分含量以及养分重吸收效率逐渐下降；而且这种效应因恢复植物物种不同而不同：在阳坡上老芒麦和冷地早熟禾有较高的氮素重吸收率，而平地上冷地早熟禾较高，阴坡上小花碱茅较高。高寒矿区渣山植物生长受到氮限制，且在阴坡上此效应更大。在后续高寒矿区渣山恢复中，不仅要通过补充氮元素缓解生长的氮限制，还要根据坡向生境的差异引种养分重吸收效率更高的恢复物种，提升促进受损系统的恢复。