王丹寧，王東升，潘 帥，鹿之慧

(遼寧工程技術大學環(huán)境科學與工程學院，遼寧阜新 123000)

排土場是煤炭在露天開采過程中，剝離的巖土堆積體經(jīng)過搬運倒堆形成了大面積的松散堆積體，煤礦的開采在產(chǎn)生大量煤炭資源的同時，也在開采過程中對生態(tài)系統(tǒng)造成了一些不利影響，如土地被壓占無法利用，礦渣中的重金屬不僅會污染周圍水環(huán)境，更加制約了植物根系生長，物料中的細小顆粒造成大氣揚塵污染空氣，排土場邊坡容易產(chǎn)生滑坡崩塌、水土流失等地質災害問題，其中，土壤和自然植被受破壞的程度尤為明顯，土壤養(yǎng)分貧瘠，自然植被演替受到干擾[1-5]。因此，在恢復和重建排土場生態(tài)系統(tǒng)過程中，研究土壤和植被的演變和恢復成為重要課題。

良好的土壤條件是植物正常生長發(fā)育的基礎，同時，土壤對維持生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力和碳匯等都起到重要作用。人類不合理的活動對土壤表層造成擾動，使其土壤質量和覆蓋的植被受到破壞，研究土壤養(yǎng)分狀況是探究土壤演替和成土作用的重要評價標準之一，對于露天煤礦排土場生態(tài)重建與恢復工作有著十分重要的意義[6]。在國外，對排土場恢復重建的研究起步較早，Levi等[7]利用有機質等土壤物化屬性評價發(fā)現(xiàn)恢復區(qū)土壤質量高于臨近自然區(qū)；Bennett等[8]通過監(jiān)測氮、磷等土壤養(yǎng)分判定露天礦恢復區(qū)已具有土地生產(chǎn)力；Roy等[9]通過溫室和田間試驗相結合來探究改善干旱半干旱煤礦退化土壤的生態(tài)恢復問題；Ribeiro等[10]通過研究有機碳、全氮等土壤養(yǎng)分含量，并進行相關分析，得出土壤有機碳、全氮等養(yǎng)分可以改善土壤質量。在國內，包玉英等[11-12]對排土場理化性質的研究得出一些土壤養(yǎng)分間具有相關關系；珊丹等[13-14]通過對排土場不同植被類型下的土壤養(yǎng)分的研究，得出相對最優(yōu)植被模式；李鵬飛等[15-16]對不同利用方式下不同土層的土壤碳氮磷進行養(yǎng)分測定，得出養(yǎng)分限制對生態(tài)恢復有重要作用。同時對于阜新露天排土場前人也有一定研究，許麗等[17]對孫家灣矸石山的物種多樣性進行研究，得出在不同排矸年限地段，物種組成變化較大，且由一年生草本群落逐漸演變?yōu)橛軜淙郝?；王凱等[18]研究得出坡位和坡向是影響排土場邊坡生態(tài)恢復過程中植物多樣性的重要因子；王東麗等[19]從土壤物理性角度發(fā)現(xiàn)可利用土壤分形維數(shù)表征土壤特性，進行適宜的利用與改造；呂剛等[20]對排土場邊坡水土流失效應進行模擬降雨研究，結果發(fā)現(xiàn)，隨著侵蝕溝的增大，土壤侵蝕越嚴重。惡劣的土壤結構條件和有限的養(yǎng)分有效性是排土場恢復為本地植被的關鍵制約因素。土壤養(yǎng)分在退化礦區(qū)土壤恢復中發(fā)揮著重要作用，作為研究土壤質量狀況的重要指標，土壤有機碳(SOC)、全氮(TN)、全磷(TP)、全鉀(TK)是研究土壤肥力的重要指標，對植物的生長起著關鍵作用。同時，采用的生態(tài)化學計量學的研究手段也可以更好地理解不同植被與自然環(huán)境養(yǎng)分循環(huán)過程和相互作用關系。該研究通過對排土場植物-土壤發(fā)展不同階段土壤SOC、TN、TP、TK含量及其生態(tài)化學計量特征研究，探討土壤形成及植物發(fā)展過程中排土場生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)與積累機制，為該地區(qū)排土場生態(tài)恢復提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況研究區(qū)位于遼寧省阜新市新邱露天煤礦排土場，地處126°46′～126°48′E、42°03′～42°04′N。該區(qū)域屬溫帶大陸性季風氣候。7—9月為降水集中月份，且雨量分布不均，易出現(xiàn)階段性干旱。多年平均降水量約519.9 mm，年際間變率大；年平均蒸發(fā)量1 700 mm，是降水量的3.27倍。年平均氣溫8.1 ℃，相對濕度57%，無霜期150 d，全年日照時數(shù)為2 859.5 h。年平均風速2.4 m/s，6級以上大風日數(shù)年均75 d以上[21]。

1.2 土壤樣品的采集及測定土壤樣品于2020年10月采集，在研究區(qū)域內選取4種植物群落，即草本植物藜科豬毛菜(SalsolacollinaPall.)、禾本科狗尾草[Setariavividis(L.)Beauv]、灌木蘿藦科杠柳(PeriplocasepiumBunge)、喬木榆科榆樹(UlmuspumilaL.)，以坡面裸地為對照，采用多點混合采樣法，按0～10、10～20和20～30 cm分層取土壤樣品，樣品在實驗室經(jīng)風干、研磨、過篩后進行指標測定。土壤有機碳(SOC)采用重鉻酸鉀外加熱氧化法測定，全氮(TN)采用半微量凱氏定氮法測定，全磷(TP)采用NaOH熔融-鉬銻抗比色法測定，全鉀(TK)采用NaOH熔融-火焰光度法[22]測定。

1.3 數(shù)據(jù)處理所有數(shù)據(jù)采用Excel 2016整理，應用SPSS 26.0軟件進行統(tǒng)計分析，采用單因素方差分析(One-way ANOVA)檢驗不同植被下土壤中SOC、TN、TP、TK含量和C∶N、C∶P、C∶K、N∶P(全量比值)之間差異，采用最小顯著差異法(LSD)進行多重比較，對土壤養(yǎng)分含量及化學計量特征進行Pearson相關分析，應用SigmaPlot 14.0軟件進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同植被類型下土壤養(yǎng)分含量

2.1.1表層土壤養(yǎng)分含量。從圖1可以看出，土壤SOC、TN、TP和TK含量在4種典型植被間存在差異，4種植被下表層土壤(0～10 cm)SOC、TN、TP和TK含量平均值分別為32.17、0.77、0.66和31.48 g/kg。不同植被條件下，0～10 cm土壤SOC、TN、TK含量從大到小依次為榆樹>杠柳>狗尾草>豬毛菜>裸地，TP含量從大到小依次為榆樹>豬毛菜>狗尾草>杠柳>裸地?？梢姡軜浜透芰参锶郝湎碌耐寥繱OC、TN、TK在土壤表層的養(yǎng)分積累效果較佳，達到了差異顯著水平(P<0．05)，土壤TP含量在榆樹和豬毛菜不同植被類型下土壤間差異不顯著，但土壤SOC、TN、TP、TK含量均顯著高于裸地坡面。排土場土壤演替過程中，土壤肥力的變化在最初級的恢復階段，豬毛菜作為先鋒物種最先侵入，雖覆蓋率較低，但由于其耐旱耐瘠薄的植物特性得以生存，隨著土壤環(huán)境的改善，各元素指標也有所改善，狗尾草逐漸替代豬毛菜成為優(yōu)勢物種，此時仍屬于植被演替的早期階段，狗尾草和豬毛菜的共同作用下土壤條件不斷得到優(yōu)化，灌木杠柳和小型喬木榆樹的出現(xiàn)和生長逐漸代替草本植物(豬毛菜、狗尾草)成為優(yōu)勢物種，在一定程度上對土壤肥力產(chǎn)生更加積極的影響。

注：不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)

2.1.2土壤養(yǎng)分含量垂直變化。從圖2可以看出，土壤SOC、TN、TP和TK含量分別為22.25～51.31、0.57～1.52、0.35～0.67和23.37～38.94 g/kg。不同植物在不同土層養(yǎng)分含量存在差異性，在0～10、10～20 cm土層土壤SOC、TN含量從大到小依次為榆樹>杠柳>狗尾草>豬毛菜，土壤TK在0～10、10～20 cm土層表現(xiàn)為榆樹植物群落下土壤含量最高。土壤碳、氮、磷元素在0～20 cm土層間受植物群落種類不同的影響顯著，土壤鉀元素對土層深度影響更大，表現(xiàn)為灌木喬木植物群落>草本植物群落。榆樹、杠柳、狗尾草、豬毛菜養(yǎng)分含量在各土層均高于裸地。SOC、TN、TP、TK含量均表現(xiàn)為0～10 cm>10～20 cm>20～30 cm，土壤養(yǎng)分含量受垂直深度的影響，各元素含量在不同植被類型間存在一定差異，隨著土層加深，與裸地的差異逐漸變小，且隨著土層深度的增加，各土壤養(yǎng)分元素含量與裸地之間的差異逐漸減小。

注：不同小寫字母表示同一植被不同土層之間差異顯著(P<0.05)，不同大寫字母表示同一土層不同植被之間差異顯著(P<0.05)

2.1.3表層土壤SOC、TN、TP、TK的相關關系。為探究該研究區(qū)表層土壤(0～10 cm)不同植被下土壤生態(tài)化學計量特征的相關關系，對不同植被下土壤SOC、TN、TP、TK含量進行Pearson相關分析，結果發(fā)現(xiàn)(表1)，不同植被類型間的相關關系存在明顯差異。豬毛菜植被下土壤中各養(yǎng)分相關關系不顯著；狗尾草植被下土壤中SOC與TN呈顯著正相關；在杠柳植被下土壤中SOC與TN呈極顯著正相關，SOC和TN與TK均呈極顯著負相關；在榆樹植被下土壤中TN與TP、TK分別呈顯著、極顯著負相關，TK與TP呈顯著正相關；在裸地土壤中SOC與TN、TK均呈極顯著正相關，TN與TK呈顯著正相關。

表1 不同植被下表層土壤SOC、TN、TP、TK含量之間的相關性

2.2 不同植被類型下土壤C、N、P、K化學計量特征從圖3可以看出，4種植被類型下不同土層土壤的C∶N、C∶P、C∶K、N∶P(全量比值)與裸地坡面變化具有一定差異。豬毛菜、狗尾草、杠柳和榆樹下的土壤的C∶P、N∶P在0～30 cm下明顯低于裸地坡面(P<0.05)。0～10 cm土層，C∶N從大到小依次為豬毛菜>狗尾草>杠柳>榆樹，C∶P、N∶P從大到小依次為榆樹>杠柳>狗尾草>豬毛菜，C∶K從大到小依次為杠柳>榆樹>狗尾草>豬毛菜。10～20 cm土層，C∶N從大到小依次為榆樹>杠柳>豬毛菜>狗尾草，C∶P從大到小依次為榆樹>杠柳>狗尾草>豬毛菜，C∶K、N∶P從大到小依次為杠柳>榆樹>狗尾草>豬毛菜。20～30 cm土層，C∶N從大到小依次為杠柳>榆樹>豬毛菜>狗尾草，C∶P從大到小依次為榆樹>豬毛菜>杠柳>狗尾草，C∶K從大到小依次為豬毛菜>狗尾草>榆樹>杠柳，N∶P從大到小依次為狗尾草>豬毛菜>榆樹>杠柳。

注：不同小寫字母表示同一植被不同土層之間差異顯著(P<0.05)，不同大寫字母表示同一土層不同植被之間差異顯著(P<0.05)

3 討論

3.1 表層土壤養(yǎng)分含量分析該研究中，4種植被下表層土壤(0～10 cm)SOC、TN、TP含量平均值分別為32.17、0.77、0.66 g/kg，與全國表層土壤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含量顯著高于全國均值，TN和TP低于全國均值[23]。SOC、TN、TK含量從大到小依次為喬木植被(榆樹)>灌木植被(杠柳)>草本植被(狗尾草>豬毛菜)，TP含量從大到小依次為灌木植被(杠柳)>草本植被(狗尾草>豬毛菜)>喬木植被(榆樹)，所以土壤肥力水平在不同植被間表現(xiàn)為喬木樹種SOC、TN、TK含量高、草本植被含量低的特點，這一研究結果與王琛[24]對于土壤演替規(guī)律的研究結果一致。同時，4種植被下的土壤SOC、TN、TP、TK含量均高于裸地坡面，也在一定程度上說明自然植被可以改善土壤質量，這與王曉琳等[25-26]對于排土場研究適生植物對土壤形成和演變有積極作用，使得土壤養(yǎng)分條件得到改善，從而促進植被重建的研究結果一致。

3.2 不同土層土壤養(yǎng)分變化分析該研究對4種典型植被SOC、TN、TP、TK含量進行比較，發(fā)現(xiàn)各元素含量在不同植被類型間存在一定差異，且隨著土層加深，與裸地對照的差異逐漸變小，說明植被對土壤表層養(yǎng)分含量的影響較大，垂直分布存在表層聚集現(xiàn)象。同時，土壤SOC、TN含量在3層土壤間表現(xiàn)為顯著的趨同現(xiàn)象，越向下養(yǎng)分含量越接近裸地土壤養(yǎng)分含量，TP、TK含量則表現(xiàn)不顯著，分析其原因在于隨著土層的加深，成土作用越來越弱，養(yǎng)分含量就越來越接近裸地。

考慮是以下3方面原因：一是地表植被產(chǎn)生的凋落物的歸還，比如植物通過光合作用固定C，產(chǎn)生有機物，將其轉移或以凋落物形式補給到土壤中，而表層土壤的通氣狀況較好，根區(qū)土壤與凋落物中N、P具有較好的相關性，有利于微生物將凋落物分解后的一部分N、P返還土壤，致使土壤養(yǎng)分在凋落物和腐殖質的積累在不同土層中呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。二是降雨量不足導致成土作用的影響深度有限。該研究區(qū)域地處干旱半干旱地區(qū)，年降雨量500 mm左右，在排土場風化過程中，沉積巖通過降雨作用下的巖石風化進程緩慢，對土壤深度的影響有限，降雨對于成土作用的影響也就越來越微弱，巖石風化速度限制，因此土壤肥力狀況也受到土層深度受到限制。三是不同植被類型對土壤肥力的影響不同。杠柳和榆樹這類灌木、小型喬木一般生長高度可達1 m以上，深層次的植被相對比豬毛菜和狗尾草這類高度一般在10～50 cm的草本植物，在對土壤中營養(yǎng)物質、養(yǎng)分吸收和能量轉化過程，起到了更加積極的作用，表現(xiàn)出灌木、小型喬木高于裸地坡面的養(yǎng)分含量，且草本植物隨土壤深度加深，養(yǎng)分含量與裸地差異越來越小。不同土壤深度土壤SOC、TN、TP、TK含量存在差異，但土壤養(yǎng)分隨土壤深度的增加存在逐漸減小的趨勢，這一現(xiàn)象與前人[27-28]的研究規(guī)律一致。

3.3 表層土壤SOC、TN、TP、TK的相關關系分析通過相關關系分析可以發(fā)現(xiàn)，不同植被類型間的相關關系存在明顯差異，其中狗尾草和杠柳植被下土壤的SOC與TN存在顯著正相關，這與劉衛(wèi)華等[29-30]的研究結論一致。說明土壤生態(tài)化學計量特征間相互制約，反映在排土場的生態(tài)系統(tǒng)中，不同植被下的土壤養(yǎng)分因子的變化是緊密相關相互影響的。在植被發(fā)展與土壤演替的過程中，不同植被類型所需要的土壤養(yǎng)分存在差異，由于不同植被所需要的養(yǎng)分條件不同，表現(xiàn)出相關性差異大，這與李向磊等[31]研究得出植被群落對土壤養(yǎng)分的需求不同而在群落植被中表現(xiàn)不同的結論一致。隨著土壤演替的不斷進行，各植被類型在土壤養(yǎng)分間均存在一定相關關系，說明植被發(fā)展與土壤演替間存在相互作用、共同促進的積極影響，這與畢銀麗等[1]研究得出土壤SOC、TN、TP、TK等營養(yǎng)元素含量的豐缺影響植被的生長，同時植被恢復有利于土壤肥力水平的提高的結論一致。

3.4 土壤SOC、TN、TP、TK化學計量特征分析該研究中，4種植被下表層土壤(0～10 cm)C∶N、C∶P、N∶P平均值分別為41.78、48.61、1.16，表層土壤全量比值與國內富含SOC的土壤中生物與環(huán)境間0～10 cm土層相對應的C∶N(14.4)、C∶P(136)和N∶P(9.3)比值相較[32]，C∶N顯著高于全國均值，C∶P、N∶P低于全國均值。C∶N較高(>25)表明有機質的積累速度快于分解速度，可能原因是該研究區(qū)域露天煤礦排土場在排放過程中含有大量煤矸石，由于測定方法限制，導致測定的有機碳中有相當一部分是混雜到排土場當中的煤矸石中的碳，所以測定的有機質含量偏高，導致SOC含量高，所以C∶N全量比值高于全國水平。土壤N∶P在植物生長時受限制的臨界值是14和16，N∶P≤14時，植物生長受N限制，在14

不同植被類型下土壤間化學計量特征存在差異，土壤C∶P、N∶P在不同植被類型間表現(xiàn)為裸地坡面>灌木喬木>草本植物；土壤C∶N、C∶K不同植被類型間差異不明顯。豬毛菜、狗尾草作為先鋒植物，C∶N、C∶K與裸地差異小，說明其表層土壤更加接近排土場未恢復的原土，土壤氮、鉀元素尚未得到明顯改善。4種植被C∶P、N∶P均與裸地差異大，且喬木(榆樹)和灌木(杠柳)比值高于草本植物(豬毛菜和狗尾草)，說明土壤情況得到進一步改善。

在垂直方向(0～30 cm)，4種植被類型C∶N、C∶P、C∶K和N∶P與裸地坡面均存在差異。C∶P和N∶P 3層土壤全量比值與裸地差異隨土層加深而增大，原因在于不同植被在0～30 cm全磷含量顯著高于裸地，甚至3倍以上，且變化差異顯著高于裸地，所以比值差異低于裸地比值。SOC和TK含量在0～30 cm土層也顯著高于裸地，但程度沒有TP高，因此C∶N和C∶K在3個土層與裸地相比的差異顯著性低于C∶P和N∶P的顯著程度。

4 結論

該研究探究了新邱露天煤礦排土場4種典型植被類型(豬毛菜、狗尾草、榆樹、杠柳)土壤的生態(tài)化學計量特征，結果表明：

(1)4種植被類型下的土壤SOC、TN、TP、TK含量呈現(xiàn)表層富集，不同植被間的土壤元素含量存在一定差異，含量均高于裸地，說明植被對成土作用和土壤演替有積極作用，且榆樹植被對土壤SOC、TN、TP、TK元素的積累效果更好，更有利于土壤條件恢復。

(2)不同類型植被影響土壤養(yǎng)分循環(huán)，但影響深度有限，在土層垂直方向，4種典型植被土壤養(yǎng)分含量均存在隨土層加深而減小的趨勢，且差異逐漸減小，越向下層養(yǎng)分含量越接近裸地。

(3)在不同植被類型間，土壤養(yǎng)分含量存在一定的相關關系，化學計量特征存在一定差異，土壤養(yǎng)分富集影響不同植被間化學計量特征，不同植被類型與土壤演替相互作用，土壤養(yǎng)分主要受土壤氮素控制。