植被恢复对矿区废弃地土壤养分及化学计量特征的影响

刘怀涛 姜威娜 张锦豪

1.黑龙江省濒危野生动物救护繁育中心宾西示范林场，黑龙江 哈尔滨 150400；2.东北林业大学林学院，黑龙江 哈尔滨 150040

0 引言

碳（C）、氮（N）、磷（P）是土壤中的三大重要元素［1］，研究它们的化学计量比，是了解区域和全球范围内土壤C、N 和P 的平衡和相互作用、生物地球化学循环和生物过程的有力依据。生态系统类型差异常导致土壤C、N、P化学计量比的巨大变异［2］。

黑龙江省是矿产资源大省，矿产资源的开发和利用为黑龙江省经济发展做出了重要贡献，但也对区域生态环境造成了很大破坏，如何尽快恢复矿区废弃地的植被和生态环境，成为黑龙江省生态建设的一个重要内容。为此，笔者选取黑龙江省濒危野生动物救护繁育中心宾西示范林场（以下简称宾西示范林场）退矿还林地与退矿荒地，分析退矿还林地与退矿荒地土壤C、N、P 含量及化学计量比的差异，探究植被恢复对矿区废弃地土壤养分及其化学计量特征的影响，以期为矿区废弃地生态恢复提供科学参考。

1 试验材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于宾西示范林场，属中温带大陆性季风气候区。根据中国地面基本气象观测数据，宾西示范林场年平均气温3.0 ℃，年降水量550～650 mm，年日照时间2 700 h，年无霜期130 d 左右；春季风力最高可达8 级，冬季冻土最深可达180 cm。2020 年7 月以来，宾西示范林场实施了大规模退矿还林工程。退矿还林地主要植被类型为樟子松纯林，退矿荒地只有零星草本植物分布。

1.2 样品采集

土壤样品于2022年8月中旬采集。在宾西示范林场内选择海拔、坡度、坡位等立地条件一致的退矿还林地和退矿荒地，退矿还林地栽植有3 年生樟子松容器苗。在退矿还林地和退矿荒地分别选取3 个规格一致的样方（20 m×30 m），在每个样方内随机选取3个距离5 m 以上的样点，清理地表枯落物后开挖土壤剖面，采用四分法取土，使用环刀采集0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm土层土壤，每层样品取3个重复。

1.3 测定指标与方法

采用环刀法测定土壤容重（Bulk Density，BD）［3］，采用烘干法测量土壤含水量（Soil Water Content，SWC）［4］；采用Vario-TOC 仪器测定土壤全碳（Total Carbon，TC）质量分数，采用AA3连续流动分析仪测定土壤全氮（Total Nitrogen，TN）质量分数［5］，采用H2SO4-H2O2消解，钒钼黄分光光度法测定土壤全磷（Total Phosphorous，TP）质量分数［6］。

2 试验结果与分析

2.1 植被恢复对矿区废弃地土壤容重和土壤含水量的影响

由表1 可知，退矿还林地土壤容重随土层的加深有增大趋势；在10～20 cm、20～40 cm 土层，退矿还林地土壤容重大于退矿荒地；在0～10 cm 土层中，退矿还林地土壤含水量明显大于退矿荒地。这说明植被恢复可在一定程度上增加矿区废弃地10～20 cm、20～40 cm 土层土壤容重和0～10 cm土层土壤含水量。

表1 退矿还林地及退矿荒地土壤容重和含水量

2.2 植被恢复对矿区废弃地土壤养分的影响

由图1 可知，退矿还林地土壤TC 质量分数随着土层深度增加而逐渐减小，退矿荒地土壤TC质量分数随土层深度增加先减小后增大。在0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm 土层中，退矿还林地土壤TC 质量分数均大于退矿荒地土壤TC 质量分数，说明植被恢复可提升矿区废弃地土壤碳储量。

图1 退矿还林和退矿荒地土壤TC质量分数

由图2可知，退矿还林地TN 质量分数随土层深度增加先减小后增大；退矿荒地土壤TN 质量分数随土层深度增加变化较小；在0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm 土层中，退矿还林地土壤TN 质量分数均大于退矿荒地土壤TN 质量分数，说明植被恢复可增加矿区废弃地土壤氮储量。

图2 退矿还林和退矿荒地土壤TN质量分数

由图3 可知，在0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm土层中，退矿还林地土壤TP 质量分数均小于退矿荒地。这说明植被恢复可降低矿区废弃地土壤磷储量，这与植被恢复提升矿区废弃地土壤碳储量和氮储量的规律相反。

图3 退矿还林和退矿荒地土壤TP质量分数

2.3 植被恢复对矿区废弃地土壤C、N、P 化学计量比特征的影响

由图4、图5、图6可知，在0～10 cm土层，退矿还林地土壤C∶N、C∶P、N∶P 均大于退矿荒地；在10～20 cm土层，退矿还林地土壤C∶N、C∶P、N∶P 均大于退矿荒地；在20～40 cm土层，退矿还林地土壤C∶P、N∶P均大于退矿荒地，这说明植被恢复可提高矿区废弃地的土壤质量，也说明磷亏缺是矿区废弃地生态修复的重要限制因素。

图4 退矿还林地和退矿荒地土壤C、N化学计量比

图5 退矿还林地和退矿荒地土壤C、P化学计量比

图6 退矿还林地和退矿荒地土壤N、P化学计量比

2.4 退矿还林地及退矿荒地土壤C、N、P 化学计量比与环境因子的相关性

由图7、图8可知，退矿还林地土壤TC质量分数与土壤TN 质量分数、N∶P、C∶P 呈显著正相关，退矿荒地土壤TC质量分数与土壤TN 质量分数、C∶N、C∶P呈显著正相关；退矿还林地土壤TN 质量分数与土壤C∶P、N∶P 呈显著正相关，与退矿荒地规律一致；BD 与土壤养分指标未表现出显著相关性。

图7 退矿还林地土壤C、N、P化学计量比与环境因子的Person相关性分析

图8 退矿荒地土壤C、N、P化学计量比与环境因子的Person相关性分析

退矿还林地SWC 与土壤TC、TN 质量分数和土壤C∶P、N∶P 呈显著正相关，然而这种相关性并没有在退矿荒地有所体现，这说明SWC是控制矿区废弃地土壤质量的关键因素。

3 结论与讨论

通过对宾西示范林场退矿还林地及退矿荒地土壤化学计量特征进行分析比较，得出以下结论。

第一，矿区废弃地土壤养分和化学计量特征与植被恢复措施密切相关。退矿还林地土壤TC、TN 质量分数均大于退矿荒地，植被恢复明显增加了矿区废弃地土壤的碳、氮储量；退矿还林地土壤TP 质量分数小于退矿荒地，植被恢复降低了矿区废弃地土壤的磷储量；退矿还林地土壤C∶P和N∶P均大于退矿荒地，这说明磷亏缺是矿区废弃地生态修复的重要限制因子。

第二，退矿还林地SWC 与土壤TC、TN 质量分数和C∶P、N∶P 呈显著正相关，但这种相关性并没有在退矿荒地有所体现，这说明SWC是控制矿区废弃地土壤质量的关键因素。