新邱露天煤矿排土场土壤生态化学计量特征

2022-11-23王丹宁王东升鹿之慧

安徽农业科学 2022年21期

王丹宁，王东升，潘帅，鹿之慧

(辽宁工程技术大学环境科学与工程学院，辽宁阜新 123000)

排土场是煤炭在露天开采过程中，剥离的岩土堆积体经过搬运倒堆形成了大面积的松散堆积体，煤矿的开采在产生大量煤炭资源的同时，也在开采过程中对生态系统造成了一些不利影响，如土地被压占无法利用，矿渣中的重金属不仅会污染周围水环境，更加制约了植物根系生长，物料中的细小颗粒造成大气扬尘污染空气，排土场边坡容易产生滑坡崩塌、水土流失等地质灾害问题，其中，土壤和自然植被受破坏的程度尤为明显，土壤养分贫瘠，自然植被演替受到干扰[1-5]。因此，在恢复和重建排土场生态系统过程中，研究土壤和植被的演变和恢复成为重要课题。

良好的土壤条件是植物正常生长发育的基础，同时，土壤对维持生态系统生产力和碳汇等都起到重要作用。人类不合理的活动对土壤表层造成扰动，使其土壤质量和覆盖的植被受到破坏，研究土壤养分状况是探究土壤演替和成土作用的重要评价标准之一，对于露天煤矿排土场生态重建与恢复工作有着十分重要的意义[6]。在国外，对排土场恢复重建的研究起步较早，Levi等[7]利用有机质等土壤物化属性评价发现恢复区土壤质量高于临近自然区；Bennett等[8]通过监测氮、磷等土壤养分判定露天矿恢复区已具有土地生产力；Roy等[9]通过温室和田间试验相结合来探究改善干旱半干旱煤矿退化土壤的生态恢复问题；Ribeiro等[10]通过研究有机碳、全氮等土壤养分含量，并进行相关分析，得出土壤有机碳、全氮等养分可以改善土壤质量。在国内，包玉英等[11-12]对排土场理化性质的研究得出一些土壤养分间具有相关关系；珊丹等[13-14]通过对排土场不同植被类型下的土壤养分的研究，得出相对最优植被模式；李鹏飞等[15-16]对不同利用方式下不同土层的土壤碳氮磷进行养分测定，得出养分限制对生态恢复有重要作用。同时对于阜新露天排土场前人也有一定研究，许丽等[17]对孙家湾矸石山的物种多样性进行研究，得出在不同排矸年限地段，物种组成变化较大，且由一年生草本群落逐渐演变为榆树群落；王凯等[18]研究得出坡位和坡向是影响排土场边坡生态恢复过程中植物多样性的重要因子；王东丽等[19]从土壤物理性角度发现可利用土壤分形维数表征土壤特性，进行适宜的利用与改造；吕刚等[20]对排土场边坡水土流失效应进行模拟降雨研究，结果发现，随着侵蚀沟的增大，土壤侵蚀越严重。恶劣的土壤结构条件和有限的养分有效性是排土场恢复为本地植被的关键制约因素。土壤养分在退化矿区土壤恢复中发挥着重要作用，作为研究土壤质量状况的重要指标，土壤有机碳(SOC)、全氮(TN)、全磷(TP)、全钾(TK)是研究土壤肥力的重要指标，对植物的生长起着关键作用。同时，采用的生态化学计量学的研究手段也可以更好地理解不同植被与自然环境养分循环过程和相互作用关系。该研究通过对排土场植物-土壤发展不同阶段土壤SOC、TN、TP、TK含量及其生态化学计量特征研究，探讨土壤形成及植物发展过程中排土场生态系统养分循环与积累机制，为该地区排土场生态恢复提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 研究区概况研究区位于辽宁省阜新市新邱露天煤矿排土场，地处126°46′～126°48′E、42°03′～42°04′N。该区域属温带大陆性季风气候。7—9月为降水集中月份，且雨量分布不均，易出现阶段性干旱。多年平均降水量约519.9 mm，年际间变率大；年平均蒸发量1 700 mm，是降水量的3.27倍。年平均气温8.1 ℃，相对湿度57%，无霜期150 d，全年日照时数为2 859.5 h。年平均风速2.4 m/s，6级以上大风日数年均75 d以上[21]。

1.2 土壤样品的采集及测定土壤样品于2020年10月采集，在研究区域内选取4种植物群落，即草本植物藜科猪毛菜(SalsolacollinaPall.)、禾本科狗尾草[Setariavividis(L.)Beauv]、灌木萝藦科杠柳(PeriplocasepiumBunge)、乔木榆科榆树(UlmuspumilaL.)，以坡面裸地为对照，采用多点混合采样法，按0～10、10～20和20～30 cm分层取土壤样品，样品在实验室经风干、研磨、过筛后进行指标测定。土壤有机碳(SOC)采用重铬酸钾外加热氧化法测定，全氮(TN)采用半微量凯氏定氮法测定，全磷(TP)采用NaOH熔融-钼锑抗比色法测定，全钾(TK)采用NaOH熔融-火焰光度法[22]测定。

1.3 数据处理所有数据采用Excel 2016整理，应用SPSS 26.0软件进行统计分析，采用单因素方差分析(One-way ANOVA)检验不同植被下土壤中SOC、TN、TP、TK含量和C∶N、C∶P、C∶K、N∶P(全量比值)之间差异，采用最小显著差异法(LSD)进行多重比较，对土壤养分含量及化学计量特征进行Pearson相关分析，应用SigmaPlot 14.0软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 不同植被类型下土壤养分含量

2.1.1表层土壤养分含量。从图1可以看出，土壤SOC、TN、TP和TK含量在4种典型植被间存在差异，4种植被下表层土壤(0～10 cm)SOC、TN、TP和TK含量平均值分别为32.17、0.77、0.66和31.48 g/kg。不同植被条件下，0～10 cm土壤SOC、TN、TK含量从大到小依次为榆树>杠柳>狗尾草>猪毛菜>裸地，TP含量从大到小依次为榆树>猪毛菜>狗尾草>杠柳>裸地。可见，榆树和杠柳植物群落下的土壤SOC、TN、TK在土壤表层的养分积累效果较佳，达到了差异显著水平(P<0．05)，土壤TP含量在榆树和猪毛菜不同植被类型下土壤间差异不显著，但土壤SOC、TN、TP、TK含量均显著高于裸地坡面。排土场土壤演替过程中，土壤肥力的变化在最初级的恢复阶段，猪毛菜作为先锋物种最先侵入，虽覆盖率较低，但由于其耐旱耐瘠薄的植物特性得以生存，随着土壤环境的改善，各元素指标也有所改善，狗尾草逐渐替代猪毛菜成为优势物种，此时仍属于植被演替的早期阶段，狗尾草和猪毛菜的共同作用下土壤条件不断得到优化，灌木杠柳和小型乔木榆树的出现和生长逐渐代替草本植物(猪毛菜、狗尾草)成为优势物种，在一定程度上对土壤肥力产生更加积极的影响。

注：不同小写字母表示差异显著(P<0.05)

2.1.2土壤养分含量垂直变化。从图2可以看出，土壤SOC、TN、TP和TK含量分别为22.25～51.31、0.57～1.52、0.35～0.67和23.37～38.94 g/kg。不同植物在不同土层养分含量存在差异性，在0～10、10～20 cm土层土壤SOC、TN含量从大到小依次为榆树>杠柳>狗尾草>猪毛菜，土壤TK在0～10、10～20 cm土层表现为榆树植物群落下土壤含量最高。土壤碳、氮、磷元素在0～20 cm土层间受植物群落种类不同的影响显著，土壤钾元素对土层深度影响更大，表现为灌木乔木植物群落>草本植物群落。榆树、杠柳、狗尾草、猪毛菜养分含量在各土层均高于裸地。SOC、TN、TP、TK含量均表现为0～10 cm>10～20 cm>20～30 cm，土壤养分含量受垂直深度的影响，各元素含量在不同植被类型间存在一定差异，随着土层加深，与裸地的差异逐渐变小，且随着土层深度的增加，各土壤养分元素含量与裸地之间的差异逐渐减小。

注：不同小写字母表示同一植被不同土层之间差异显著(P<0.05)，不同大写字母表示同一土层不同植被之间差异显著(P<0.05)

2.1.3表层土壤SOC、TN、TP、TK的相关关系。为探究该研究区表层土壤(0～10 cm)不同植被下土壤生态化学计量特征的相关关系，对不同植被下土壤SOC、TN、TP、TK含量进行Pearson相关分析，结果发现(表1)，不同植被类型间的相关关系存在明显差异。猪毛菜植被下土壤中各养分相关关系不显著；狗尾草植被下土壤中SOC与TN呈显著正相关；在杠柳植被下土壤中SOC与TN呈极显著正相关，SOC和TN与TK均呈极显著负相关；在榆树植被下土壤中TN与TP、TK分别呈显著、极显著负相关，TK与TP呈显著正相关；在裸地土壤中SOC与TN、TK均呈极显著正相关，TN与TK呈显著正相关。

表1 不同植被下表层土壤SOC、TN、TP、TK含量之间的相关性

2.2 不同植被类型下土壤C、N、P、K化学计量特征从图3可以看出，4种植被类型下不同土层土壤的C∶N、C∶P、C∶K、N∶P(全量比值)与裸地坡面变化具有一定差异。猪毛菜、狗尾草、杠柳和榆树下的土壤的C∶P、N∶P在0～30 cm下明显低于裸地坡面(P<0.05)。0～10 cm土层，C∶N从大到小依次为猪毛菜>狗尾草>杠柳>榆树，C∶P、N∶P从大到小依次为榆树>杠柳>狗尾草>猪毛菜，C∶K从大到小依次为杠柳>榆树>狗尾草>猪毛菜。10～20 cm土层，C∶N从大到小依次为榆树>杠柳>猪毛菜>狗尾草，C∶P从大到小依次为榆树>杠柳>狗尾草>猪毛菜，C∶K、N∶P从大到小依次为杠柳>榆树>狗尾草>猪毛菜。20～30 cm土层，C∶N从大到小依次为杠柳>榆树>猪毛菜>狗尾草，C∶P从大到小依次为榆树>猪毛菜>杠柳>狗尾草，C∶K从大到小依次为猪毛菜>狗尾草>榆树>杠柳，N∶P从大到小依次为狗尾草>猪毛菜>榆树>杠柳。

注：不同小写字母表示同一植被不同土层之间差异显著(P<0.05)，不同大写字母表示同一土层不同植被之间差异显著(P<0.05)

3 讨论

3.1 表层土壤养分含量分析该研究中，4种植被下表层土壤(0～10 cm)SOC、TN、TP含量平均值分别为32.17、0.77、0.66 g/kg，与全国表层土壤C含量(10.32 g/kg)、N含量(1.86 g/kg)和P含量(0.78 g/kg)相比，SOC含量显著高于全国均值，TN和TP低于全国均值[23]。SOC、TN、TK含量从大到小依次为乔木植被(榆树)>灌木植被(杠柳)>草本植被(狗尾草>猪毛菜)，TP含量从大到小依次为灌木植被(杠柳)>草本植被(狗尾草>猪毛菜)>乔木植被(榆树)，所以土壤肥力水平在不同植被间表现为乔木树种SOC、TN、TK含量高、草本植被含量低的特点，这一研究结果与王琛[24]对于土壤演替规律的研究结果一致。同时，4种植被下的土壤SOC、TN、TP、TK含量均高于裸地坡面，也在一定程度上说明自然植被可以改善土壤质量，这与王晓琳等[25-26]对于排土场研究适生植物对土壤形成和演变有积极作用，使得土壤养分条件得到改善，从而促进植被重建的研究结果一致。

3.2 不同土层土壤养分变化分析该研究对4种典型植被SOC、TN、TP、TK含量进行比较，发现各元素含量在不同植被类型间存在一定差异，且随着土层加深，与裸地对照的差异逐渐变小，说明植被对土壤表层养分含量的影响较大，垂直分布存在表层聚集现象。同时，土壤SOC、TN含量在3层土壤间表现为显著的趋同现象，越向下养分含量越接近裸地土壤养分含量，TP、TK含量则表现不显著，分析其原因在于随着土层的加深，成土作用越来越弱，养分含量就越来越接近裸地。

考虑是以下3方面原因：一是地表植被产生的凋落物的归还，比如植物通过光合作用固定C，产生有机物，将其转移或以凋落物形式补给到土壤中，而表层土壤的通气状况较好，根区土壤与凋落物中N、P具有较好的相关性，有利于微生物将凋落物分解后的一部分N、P返还土壤，致使土壤养分在凋落物和腐殖质的积累在不同土层中呈现逐渐降低的趋势。二是降雨量不足导致成土作用的影响深度有限。该研究区域地处干旱半干旱地区，年降雨量500 mm左右，在排土场风化过程中，沉积岩通过降雨作用下的岩石风化进程缓慢，对土壤深度的影响有限，降雨对于成土作用的影响也就越来越微弱，岩石风化速度限制，因此土壤肥力状况也受到土层深度受到限制。三是不同植被类型对土壤肥力的影响不同。杠柳和榆树这类灌木、小型乔木一般生长高度可达1 m以上，深层次的植被相对比猪毛菜和狗尾草这类高度一般在10～50 cm的草本植物，在对土壤中营养物质、养分吸收和能量转化过程，起到了更加积极的作用，表现出灌木、小型乔木高于裸地坡面的养分含量，且草本植物随土壤深度加深，养分含量与裸地差异越来越小。不同土壤深度土壤SOC、TN、TP、TK含量存在差异，但土壤养分随土壤深度的增加存在逐渐减小的趋势，这一现象与前人[27-28]的研究规律一致。

3.3 表层土壤SOC、TN、TP、TK的相关关系分析通过相关关系分析可以发现，不同植被类型间的相关关系存在明显差异，其中狗尾草和杠柳植被下土壤的SOC与TN存在显著正相关，这与刘卫华等[29-30]的研究结论一致。说明土壤生态化学计量特征间相互制约，反映在排土场的生态系统中，不同植被下的土壤养分因子的变化是紧密相关相互影响的。在植被发展与土壤演替的过程中，不同植被类型所需要的土壤养分存在差异，由于不同植被所需要的养分条件不同，表现出相关性差异大，这与李向磊等[31]研究得出植被群落对土壤养分的需求不同而在群落植被中表现不同的结论一致。随着土壤演替的不断进行，各植被类型在土壤养分间均存在一定相关关系，说明植被发展与土壤演替间存在相互作用、共同促进的积极影响，这与毕银丽等[1]研究得出土壤SOC、TN、TP、TK等营养元素含量的丰缺影响植被的生长，同时植被恢复有利于土壤肥力水平的提高的结论一致。

3.4 土壤SOC、TN、TP、TK化学计量特征分析该研究中，4种植被下表层土壤(0～10 cm)C∶N、C∶P、N∶P平均值分别为41.78、48.61、1.16，表层土壤全量比值与国内富含SOC的土壤中生物与环境间0～10 cm土层相对应的C∶N(14.4)、C∶P(136)和N∶P(9.3)比值相较[32]，C∶N显著高于全国均值，C∶P、N∶P低于全国均值。C∶N较高(>25)表明有机质的积累速度快于分解速度，可能原因是该研究区域露天煤矿排土场在排放过程中含有大量煤矸石，由于测定方法限制，导致测定的有机碳中有相当一部分是混杂到排土场当中的煤矸石中的碳，所以测定的有机质含量偏高，导致SOC含量高，所以C∶N全量比值高于全国水平。土壤N∶P在植物生长时受限制的临界值是14和16，N∶P≤14时，植物生长受N限制，在14

不同植被类型下土壤间化学计量特征存在差异，土壤C∶P、N∶P在不同植被类型间表现为裸地坡面>灌木乔木>草本植物；土壤C∶N、C∶K不同植被类型间差异不明显。猪毛菜、狗尾草作为先锋植物，C∶N、C∶K与裸地差异小，说明其表层土壤更加接近排土场未恢复的原土，土壤氮、钾元素尚未得到明显改善。4种植被C∶P、N∶P均与裸地差异大，且乔木(榆树)和灌木(杠柳)比值高于草本植物(猪毛菜和狗尾草)，说明土壤情况得到进一步改善。

在垂直方向(0～30 cm)，4种植被类型C∶N、C∶P、C∶K和N∶P与裸地坡面均存在差异。C∶P和N∶P 3层土壤全量比值与裸地差异随土层加深而增大，原因在于不同植被在0～30 cm全磷含量显著高于裸地，甚至3倍以上，且变化差异显著高于裸地，所以比值差异低于裸地比值。SOC和TK含量在0～30 cm土层也显著高于裸地，但程度没有TP高，因此C∶N和C∶K在3个土层与裸地相比的差异显著性低于C∶P和N∶P的显著程度。