劉美英，高 永，汪 季，金永昌，龔 萍

（1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 生態(tài)環(huán)境學(xué)院，呼和浩特010019；2.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息與網(wǎng)絡(luò)中心，呼和浩特010018）

土壤有機碳和氮素是土壤養(yǎng)分的重要組成部分，土壤有機質(zhì)被多數(shù)人認為是衡量土壤質(zhì)量最重要的指標，它能夠促進土壤團粒結(jié)構(gòu)的形成，改善土壤結(jié)構(gòu)［1］，是各種營養(yǎng)元素特別是氮、磷的主要來源，是酸、堿和有毒物質(zhì)的良好緩沖劑［2－3］。土壤氮素是植物的養(yǎng)分源，但也會造成水體和大氣的污染，進而影響土壤肥力和土壤環(huán)境質(zhì)量［4－5］。土壤有機碳和全氮既是作物生長必需的營養(yǎng)元素的主要來源，也是陸地土壤碳庫和氮庫的重要組成部分，并在一定程度上影響著大氣中溫室氣體的濃度和全球氣候變化，成為近年來全球變暖背景下最為關(guān)注的熱點問題之一［6］。土壤有機碳、氮的變化與土壤耕作制度及土地利用方式等因素有著密切的關(guān)系［7］。土壤氮素供應(yīng)中，土壤有機質(zhì)是土壤有機氮的源泉。土壤有機質(zhì)是由死微生物體、無機氮和活的有機分子構(gòu)成，其C／N較低。C／N可以反映植物養(yǎng)分利用的效率，控制植物碳生產(chǎn)與養(yǎng)分吸收及植物向土壤歸還有機物質(zhì)與養(yǎng)分的過程［8］，對生態(tài)系統(tǒng)中碳氮利用、貯存和轉(zhuǎn)移起著決定作用［9］。C／N通常被認為是土壤氮素礦化能力的標志，C／N低有利于微生物的分解，氮的礦化速率就高［10－11］。因此，土壤碳、氮含量及其動態(tài)平衡直接影響著土壤肥力和復(fù)墾地土壤生產(chǎn)力，而且生態(tài)系統(tǒng)中碳循環(huán)與氮循環(huán)緊密相連，表現(xiàn)出相互耦合作用［12－13］，故進行土壤碳氮養(yǎng)分研究具有重要的意義，尤其是在煤礦開采區(qū)大面積的復(fù)墾地，研究不同復(fù)墾植被下土壤碳氮含量特征變化對于復(fù)墾成效總結(jié)更具有現(xiàn)實意義。

本研究以神府東勝礦區(qū)馬家塔露天礦區(qū)復(fù)墾地土壤為研究對象，比較復(fù)墾區(qū)土壤與原狀土壤有機碳與氮含量的變化特征。以期為評估復(fù)墾對于土壤肥力質(zhì)量的影響提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對其他礦區(qū)土壤肥力的恢復(fù)實踐提供參考。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于神府東勝礦區(qū)馬家塔露天采區(qū)，地處鄂爾多斯高原東南部，烏蘭木倫河右岸Ⅰ級、Ⅱ級階地上。礦區(qū)居于沙漠化與水土流失復(fù)合侵蝕的中心地帶，土地生產(chǎn)力較低，屬于干旱半干旱大陸性季風(fēng)氣候，干旱少雨多風(fēng)沙是其顯著特征；地處草原與森林草原的過渡地帶，由于人類長期經(jīng)濟活動的影響，地帶性土壤基本消失，區(qū)內(nèi)植被稀少，長期受到干旱的威脅，生態(tài)環(huán)境十分脆弱。

實驗區(qū)位于烏蘭木倫河南北走向的Ⅰ級階地。其中一塊是馬家塔礦的原狀土壤所在地，至今一直未開采過，植被類型比較單一，以沙生植物為主；另一塊實驗地位于復(fù)墾區(qū)內(nèi)，主要包括混合回填區(qū)和分層回填區(qū)兩種回填類型，且都回填為平地?；旌匣靥钍侵嘎恫蓜冸x物不分層次混合回填平整，而分層回填則是按剝離順序回填，均為原位土壤回填，且表層有覆砂或覆土過程，覆砂或覆土深度平均為15cm。

1.2 研究方法

1.2.1 土樣采集 在試驗區(qū)分別選取混合回填區(qū)的油松（Pinus tabulaeformis）、油蒿（Artemisia ordosica Kraxch）、苜 蓿 （Medicago sativa cv）、側(cè) 柏（Platycladus orientalis Linn.Franco）、檜 柏 （S.vulgaris Ant）以及楊樹（Populous）林和分層回填區(qū)的草木樨（Melilotus officinalis）地土壤（草木樨2代表復(fù)墾時間長，草木樨1代表復(fù)墾時間短）進行采樣，同時采集原狀土壤。所有的植被都是2004年人工種植的（草木樨2除外，2006年種植），其中檜柏和側(cè)柏按照1m×1m的株行距交錯栽植，冠幅0.5m；油松按3m×3m栽植，冠幅1.5m；楊樹按2m×4m栽植，冠幅1m；苜蓿、草木樨以及油蒿均為撒播種子種植，蓋度分別為80%，80%，75%。分別于2008年5月、7月、8月、9月、10月份各采集土樣一次。所有土樣都采用人工挖剖面50cm深，分0—20 cm和20—40cm兩個層次，在每個樣地上進行隨機取樣，同一種植被下的土樣采集按層次進行了混合，每個樣品由10～15個取樣點混合而成，5次重復(fù)，樣品采集好后帶回實驗室，用于碳氮指標的分析，所有測定數(shù)據(jù)都是按月測定后再進行平均。

1.2.2 測定方法 土壤有機碳的測定用重鉻酸鉀容量法［1］，全氮測定用半微量開氏定氮法，堿解氮測定采用堿解擴散法。數(shù)據(jù)處理采用SAS 9.0，作圖在Excel中進行。

2 結(jié)果與分析

2.1 復(fù)墾土壤氮素形態(tài)特征

研究區(qū)土壤全氮和堿解氮的變異幅度不一致，全氮的變異系數(shù)在11.53%～33.27%之間，而堿解氮的變異系數(shù)為10.88%～47.68%，表明各氮素對露天開采回填過程、復(fù)墾時人為因子及環(huán)境因素的敏感程度不同，特別是堿解氮，受人為影響較大，同時也體現(xiàn)出了復(fù)墾區(qū)土壤氮素的不均衡性，這主要是由于露天開采剝離過程中，擾動了土壤原有的構(gòu)造結(jié)構(gòu)，將不同土層重新混合起來，所以很大程度上受母質(zhì)影響，本研究取土層次較淺，故這種變化還未完全顯現(xiàn)出來。

全氮含量的高低與堿解氮的高低并不一致，也即全氮含量不缺乏并不意味著堿解氮素供應(yīng)充足，這主要是因為酸堿度在很大程度上控制著土壤氮素肥力，而土壤氮素主要來源于有機質(zhì)，復(fù)墾區(qū)土壤偏堿性，所以容易產(chǎn)生氨的揮發(fā)損失，導(dǎo)致全氮含量充足但有效的氮素可能缺乏的情況。另外，不同植被類型下土壤全氮和堿解氮含量也不一致，全氮和堿解氮含量均以苜蓿地和檜柏林下土壤為最高，而且也體現(xiàn)出了復(fù)墾時間的影響，同樣是草木樨地，復(fù)墾時間越長，全氮含量越高。

從表1中還可以看出，復(fù)墾區(qū)土壤表層堿解氮含量占全氮含量的平均百分比為10.02%，而原狀土壤則占到12.64%，說明復(fù)墾土壤中仍有90%多的有機態(tài)氮難以被植物直接利用，還需要經(jīng)過長期的礦化作用進行轉(zhuǎn)化。

表1 研究區(qū)土壤有機質(zhì)和氮的分布

2.2 復(fù)墾土壤全氮與堿解氮的剖面分布

原狀土壤以及復(fù)墾土壤中全氮含量、堿解氮含量均表現(xiàn)為表層（0—20cm）高于下層（20—40cm），全氮含量差異不明顯，堿解氮含量差異顯著。而且，復(fù)墾區(qū)不同植被覆蓋下的土壤表現(xiàn)不一。對于堿解氮，苜蓿、檜柏、油蒿植被下表層與下層間的差異均十分顯著，而且表層顯著高于下層，這與表層植物枯枝落葉分解提高有機質(zhì)有關(guān)，因為有機質(zhì)是氮素的主要來源；對于全氮則或高或低表現(xiàn)不一致，分層回填區(qū)的草木樨土壤均表現(xiàn)為下層高于上層，這可能與豆科植物能夠固定氮素有關(guān)，而其它作物則是根系需要消耗大量氮素供植物生長，但是苜蓿土壤卻相反，原因還需進一步驗證。所以，從剖面氮素分布來看，全氮作為氮素的基礎(chǔ)肥力，復(fù)墾土壤顯著高于原狀土壤，但是復(fù)墾土壤上下層之間差異不顯著；堿解氮同樣是復(fù)墾后顯著高于原狀土壤，表層和下層平均分別高出2.17，4.51mg／kg?？傮w而言，復(fù)墾土壤氮素供應(yīng)的潛力比較好，但是全氮和堿解氮的總體含量比較低，未達到農(nóng)田土壤水平，還需進一步開展培肥。

2.3 復(fù)墾土壤有機質(zhì)含量變化特征

復(fù)墾區(qū)土壤有機質(zhì)的變異幅度較大，表明土壤有機質(zhì)對復(fù)墾管理與規(guī)劃以及一些人為因子和回填過程等環(huán)境因子具有一定程度的敏感性，同時也說明了復(fù)墾區(qū)有機質(zhì)分布的不均衡性。復(fù)墾區(qū)土壤均是表層有機質(zhì)含量最高，且除了側(cè)柏林和楊樹林土壤外，表層有機質(zhì)均顯著高于下層；分層回填區(qū)卻表現(xiàn)為下層顯著高于上層。這是因為混合回填區(qū)地上植物的枯枝落葉或殘茬的分解作用在表層表現(xiàn)最為明顯，而分層回填由于復(fù)墾時間較短，地表覆蓋物相對較少而出現(xiàn)相反現(xiàn)象。總體上下層剖面的有機質(zhì)含量均有下降，一方面植物生長需要有機質(zhì)的礦質(zhì)化過程供應(yīng)養(yǎng)分，另一方面是，隨著土層的加深，土壤含水量增加，通透性變差等，都影響著微生物的分解活動而不利于有機質(zhì)的形成［14］。對比原狀土壤和復(fù)墾土壤可以看出，復(fù)墾以后，有機質(zhì)含量平均增加了1.89g／kg，差異顯著。而且，尤以混合回填區(qū)差異更加明顯，最明顯的是苜蓿林和檜柏林，這可能與混合回填區(qū)復(fù)墾時間比較長有關(guān)，充分說明了植被恢復(fù)良好反過來改善了土壤的質(zhì)量，二者共同向好的方向發(fā)展。值得一提的是分層回填區(qū)和原狀土壤相比，雖然不存在顯著差異，但是已經(jīng)體現(xiàn)出了分層剝離、分層回填的優(yōu)越性，在很短的時間內(nèi)，草木樨生長旺盛，肥田的作用在下層（20—40cm）已有體現(xiàn)。

2.4 復(fù)墾土壤C／N特征

表1顯示，復(fù)墾土壤剖面層次的C／N與對照土壤對應(yīng)層次間部分存在顯著差異，仍以苜蓿、檜柏植被下差異最顯著。分層回填區(qū)剖面層次間差異不顯著，但是表層C／N較相對原狀土壤小，說明該區(qū)內(nèi)氮素還能釋放有效氮供植物生長，體現(xiàn)出了表層覆土的優(yōu)越性?？傮w上，復(fù)墾后，C／N在表層下降了0.88，下層卻增加了2.19，差異不顯著。除了苜蓿和檜柏林下表層C／N大于25外，其它均小于25，說明復(fù)墾以后，C／N整體上變小了，有利于有效氮素的積累，也有利于土壤的不斷熟化，使得土壤質(zhì)量不斷改觀，但是與農(nóng)田土壤相比還是比較高，說明復(fù)墾區(qū)土壤雖然比原狀土壤優(yōu)越很多，但是要想恢復(fù)到農(nóng)田土壤還需要進一步的復(fù)墾。

2.5 復(fù)墾土壤有機質(zhì)、全氮與堿解氮的相關(guān)性

土壤有機質(zhì)與全氮的相關(guān)關(guān)系表明（圖1），復(fù)墾土壤有機質(zhì)、全氮之間存在顯著的線性正相關(guān)關(guān)系，但相關(guān)系數(shù)較小，原因可能是由于回填過程中擾動了土壤原有的土體構(gòu)造，致使土壤均質(zhì)性較差，所以土壤有機質(zhì)、全氮之間的關(guān)系較差，在相近的土壤全氮含量下土壤有機質(zhì)變異很大深層次原因還需進一步的研究來驗證。復(fù)墾土壤中有機質(zhì)與堿解氮之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系（圖2），但相關(guān)系數(shù)同樣較小，說明了雖然土壤有機質(zhì)是土壤有機氮的源泉，但是對于堿解氮，它只包括部分有機質(zhì)中易分解的、比較簡單的有機態(tài)氮，而大部分是屬于無機礦物態(tài)氮（速效氮）。堿解氮可反映土壤近期內(nèi)氮供應(yīng)狀況，復(fù)墾土壤由于回填中的人為影響不一，所以堿解氮和有機質(zhì)受到植被、環(huán)境等的影響表現(xiàn)出不穩(wěn)定狀態(tài)，但是隨著復(fù)墾時間的延長，回填區(qū)的土壤也在逐步向好的方向發(fā)展。

復(fù)墾土壤全氮和堿解氮間的相關(guān)關(guān)系顯著（圖3），但相關(guān)系數(shù)比較小，進一步說明了全氮含量不缺乏并不意味著堿解氮素供應(yīng)充足。

圖1 復(fù)墾土壤有機質(zhì)與全氮相關(guān)關(guān)系

圖2 復(fù)墾土壤有機質(zhì)與堿解氮相關(guān)關(guān)系

圖3 復(fù)墾土壤全氮與堿解氮相關(guān)關(guān)系

3 結(jié)論與討論

在露天開采的過程中，不論是混合回填還是分層回填都會引起土壤肥力因素及其影響因素的變化，在復(fù)墾的過程中，回填土壤的肥力因素由于受到地上植被以及環(huán)境的改變而不斷的發(fā)生變化，這些變化能夠在很大程度上指示土壤質(zhì)量的變化。本研究結(jié)果顯示，整個復(fù)墾區(qū)表層土壤有機質(zhì)含量顯著高于下層，且有機質(zhì)分布不均衡。分層回填區(qū)有機質(zhì)的變異幅度不是很大，混合回填區(qū)則總體上變異較大。和原狀土壤相比，復(fù)墾以后，有機質(zhì)含量平均增加了1.89 g／kg，差異顯著。復(fù)墾以后，C／N減小，有利于有效氮素的積累，也有利于土壤的不斷熟化，使得土壤質(zhì)量不斷改觀。大部分植被下（除苜蓿和檜柏）復(fù)墾土壤C／N都低于25，表明微生物分解有機質(zhì)的過程不受氮的限制。

復(fù)墾區(qū)土壤氮素不均衡，90%以上氮素是植物難以利用的有機態(tài)氮，也即全量養(yǎng)分含量高，而有效養(yǎng)分供應(yīng)并不充足，全量只表示儲量，不能指導(dǎo)施肥。整個研究區(qū)全氮含量、堿解氮含量均表現(xiàn)為表層高于下層，全氮含量差異不明顯，堿解氮含量差異顯著。全氮和堿解氮都是復(fù)墾土壤顯著高于原狀土壤，整體上說明復(fù)墾土壤比原狀土壤的氮素供應(yīng)潛力好。

研究區(qū)有機質(zhì)和全氮之間、有機質(zhì)與堿解氮之間以及全氮與堿解氮之間均存在顯著的線性正相關(guān)關(guān)系，充分說明了有機質(zhì)是土壤有機氮的源泉。說明礦區(qū)開采復(fù)墾后土壤碳氮變化存在關(guān)聯(lián)性，復(fù)墾后土壤化學(xué)特征的改變將影響土壤有機碳與氮含量的變化。

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