貴州金川縣某礦區(qū)生態(tài)修復(fù)土壤養(yǎng)分循環(huán)與轉(zhuǎn)運(yùn)規(guī)律研究

貴州金川縣某礦區(qū)生態(tài)修復(fù)土壤養(yǎng)分循環(huán)與轉(zhuǎn)運(yùn)規(guī)律研究

生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)是研究生物、環(huán)境、生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能之間各種化學(xué)元素（主要是soc、n和p）的平衡的學(xué)科。煤礦開采造成植被損壞、生物多樣性減少等生態(tài)環(huán)境問題，同時(shí)也造成土壤碳匯功能急劇退化本研究以山西省煤礦廢棄區(qū)櫟樹、松樹和火炬樹三種典型人工修復(fù)區(qū)林地為研究對(duì)象，并選取該區(qū)自然恢復(fù)區(qū)作為對(duì)照，對(duì)其土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征進(jìn)行研究，旨在揭示礦區(qū)不同類型植被修復(fù)土壤的養(yǎng)分循環(huán)和平衡規(guī)律，以期為礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)與重建提供參考依據(jù)。1材料和方法1.1植被修復(fù)設(shè)計(jì)研究地位于太原市西山煤礦生態(tài)修復(fù)區(qū)（112°21′E,38°01′N），平均海拔約800m。氣候?qū)俦睖貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥。年平均氣溫在9.5℃左右。年降水量約為460mm，多集中于7～9月份。全年無霜期平均為212d。土壤類型為淡栗褐土，土壤呈微堿性且肥力低下，易遭受流水侵蝕。該區(qū)域治理前為煤矸石等廢棄物堆棄地，自2006年復(fù)墾以來，土壤質(zhì)量以及生態(tài)環(huán)境得到明顯改善。修復(fù)過程中先進(jìn)行密封防滲處理，并采用分層壓實(shí)處理技術(shù)以防矸石自燃，最后覆土、平整、種植人工林。人工林在栽植后的前2年進(jìn)行撫育管理，撫育措施為樹種周邊除草和人工澆灌，并將枯死林木移出林地，撫育2年后任其自然生長，撫育過程未施加任何肥料。目前，該礦區(qū)植被修復(fù)面積達(dá)到900hm火炬樹、松樹、櫟樹三樹種均耐干旱、耐貧瘠，在水土保持和保護(hù)生物多樣性等方面效果明顯，是礦區(qū)生態(tài)修復(fù)中常用的、具有代表性的樹種。選取礦區(qū)內(nèi)生長良好的火炬樹（Rhustyphina）、松樹（Pinustabuliformis）和櫟樹（Quercusliaotungensis）修復(fù)區(qū)為研究對(duì)象，并以礦區(qū)內(nèi)自然恢復(fù)區(qū)為對(duì)照。所選修復(fù)區(qū)林地均為人工林地，林齡在10～12年之間，林下植被覆蓋度均在80%以上，主要有鐵桿蒿（Artemisiagemelinii）、禾草（Gramineae）、紫菀（Astertatricus）以及苔蘚類（Bryophyte）植物等。樣地詳細(xì)信息見表1。1.2土壤樣品的采集本研究采樣時(shí)間為2017年9月。在實(shí)地調(diào)查的基礎(chǔ)上，根據(jù)不同類型植被地理位置，選擇成土母質(zhì)、土層厚度、坡度坡向、人工管理方式一致的火炬樹、松樹和櫟樹修復(fù)區(qū)作為采樣區(qū)域，并選擇林地周邊自然恢復(fù)區(qū)為對(duì)照。在每個(gè)采樣區(qū)域內(nèi)隨機(jī)設(shè)置3個(gè)面積為15×15m的樣方，所選樣方內(nèi)植被長勢良好。樣方內(nèi)隨機(jī)設(shè)置5個(gè)小樣方，面積為1.5×1.5m。去除地表枯落物層后，在每個(gè)樣方內(nèi)用“S布點(diǎn)法”選取3個(gè)樣點(diǎn)，按照0～10cm、10～20cm和20～30cm分層采集土壤，并將每個(gè)大樣方內(nèi)采集的同一土層土壤樣品混合。用“四分法”將每個(gè)大樣方內(nèi)同土層混合的樣品縮分至500g裝袋，標(biāo)注采樣深度并進(jìn)行編號(hào)。將采得的樣品帶回實(shí)驗(yàn)室，然后挑除根系、石塊以及動(dòng)植物殘?bào)w，并將其放置陰涼地自然風(fēng)干。風(fēng)干的土樣研磨后，過100目篩（0.149mm）用于測定土壤有機(jī)碳、全氮及全磷含量。土壤有機(jī)碳（SOC）、全氮（N）含量采用EURO-EA3000元素分析儀測定，全磷含量（以元素P計(jì)）用氫氧化鈉熔融-鉬銻抗顯色紫外分光光度法測定。1.3數(shù)據(jù)分析方法使用統(tǒng)計(jì)分析軟件SPSS21.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用單因素方差分析（one-wayANOVA）和最小顯著差法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)，采用Pearson相關(guān)系數(shù)判斷各因子之間的相關(guān)性，同時(shí)使用Origin8.0軟件進(jìn)行制圖。2結(jié)果與分析2.1不同植被修復(fù)類型區(qū)土壤全磷含量由表2可知，火炬樹、松樹、櫟樹修復(fù)區(qū)0～30cm土層土壤SOC含量平均值分別為6.42、3.89、8.04gkg火炬樹、松樹、櫟樹修復(fù)區(qū)0～30cm土層土壤N含量平均值分別為0.35、0.34、0.61gkg三種植被修復(fù)區(qū)0～30cm土層土壤全磷含量范圍為0.45～0.54gkg2.2不同植被恢復(fù)區(qū)土壤n/p的變化由圖1可知，不同類型植被修復(fù)區(qū)土壤C/N、C/P、N/P隨土層深度的變化并未呈現(xiàn)一致的規(guī)律?；鹁鏄?、松樹和櫟樹修復(fù)區(qū)0～30cm土層土壤C/N平均值分別為18.17、11.51和13.34，自然恢復(fù)區(qū)為8.38，即火炬樹區(qū)>櫟樹區(qū)>松樹區(qū)>自然恢復(fù)區(qū)，且火炬樹修復(fù)區(qū)土壤C/N顯著高于松樹和櫟樹修復(fù)區(qū)（P<0.05);0～30cm土層土壤N/P平均值分別為0.70、0.67和1.23，自然恢復(fù)區(qū)為0.42，即櫟樹區(qū)>火炬樹區(qū)>松樹區(qū)>自然恢復(fù)區(qū)，且火炬樹和松樹修復(fù)區(qū)土壤N/P顯著低于櫟樹修復(fù)區(qū)（P<0.05);0～30cm土層土壤C/P平均值分別為12.58、7.81和16.24，自然恢復(fù)區(qū)為2.88，即櫟樹區(qū)>火炬樹區(qū)>松樹工>自然恢復(fù)區(qū)，且三種植被修復(fù)區(qū)之間土壤C/P差異均達(dá)顯著水平（P<0.05）。三種植被修復(fù)區(qū)土壤C/N、C/P、N/P均顯著高于自然恢復(fù)區(qū)（P<0.05）。2.3土壤soc、n、p元素含量與化學(xué)計(jì)量比之間的相關(guān)性表3的Pearson相關(guān)分析結(jié)果顯示，不同類型植被修復(fù)區(qū)不同深度土層土壤SOC與N含量間呈極顯著相關(guān)（P<0.01）而SOC、N與P含量之間無顯著相關(guān)。SOC含量與N/P、C/P之間呈極顯著相關(guān)（P<0.01);N含量與N/P和C/P之間呈極顯著相關(guān)（P<0.01）；而P含量與C/N、C/P、N/P相關(guān)性均不顯著。C/N值與SOC、N、P含量的相關(guān)性均未達(dá)到顯著水平，而N/P與土壤SOC、N含量，C/P與土壤SOC、N含量都呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)關(guān)系且各相關(guān)系數(shù)相近，說明土壤N/P和C/P大小主要受土壤SOC和N影響；而C/P與N/P間呈極顯著相關(guān)（P<0.01）。3土壤養(yǎng)分元素含量隨立地深度的變化規(guī)律，主要表現(xiàn)為植被修復(fù)能有效提高土壤的有機(jī)碳、氮、磷含量，且植被類型影響土壤質(zhì)量恢復(fù)效果。本研究中，火炬樹、松樹、櫟樹修復(fù)區(qū)0～30cm土層土壤有機(jī)碳、氮和磷含量平均值分別為6.42、0.35、0.50gkg垂直方向上，三種植被修復(fù)區(qū)土壤SOC、N含量均隨土壤深度的增加而逐漸降低。這是由于植被枯枝落葉主要聚集于土壤表層，且土壤表層的微生物活性較高，枯枝落葉經(jīng)分解后碳、氮元素主要在土壤表層積累，經(jīng)淋溶作用向下遷移時(shí)隨土壤深度的增加而減少。土壤全磷含量并未在不同修復(fù)區(qū)土壤中表現(xiàn)出明顯的差異，這與土壤磷元素的來源有關(guān)，其含量在一定程度上取決于立地氣候、地質(zhì)特征，而受其它因素影響較小土壤碳氮比通常被認(rèn)為與有機(jī)質(zhì)的礦化速率有關(guān)，較高的C/N有利于土壤養(yǎng)分的維持本研究通過相關(guān)性分析顯示，不同修復(fù)類型土壤C、N呈極顯著正相關(guān)，與前人研究結(jié)果一致。不同植被修復(fù)區(qū)土壤C/N隨土壤剖面變化幅度較小，這說明土壤有機(jī)質(zhì)、氮作為植物生長所需的主要元素，在積累和消耗過程中存在相對(duì)穩(wěn)定的比值。土壤氮磷比反映了土壤供給植被所需養(yǎng)分的潛力，是衡量土壤肥力和判斷土壤養(yǎng)分限制的重要指標(biāo)土壤碳磷比是衡量微生物礦化土壤有機(jī)質(zhì)釋放磷或吸收固持磷素潛力的一種指標(biāo)4不同類型植被修復(fù)類型土壤soc、n、p含量(1）山西太原西山煤礦廢棄地經(jīng)栽植櫟樹、火炬樹、松樹三種植被13年修復(fù)后，土壤SOC、N、P含量顯著高于自然恢復(fù)區(qū)。植被修復(fù)區(qū)0～30cm土層土壤的SOC、N含量平均值依次為櫟樹區(qū)>火炬樹區(qū)>松樹區(qū)，而不同類型植被修復(fù)區(qū)土壤P含量差異不顯著。各類型植被修復(fù)區(qū)土壤SOC、N含量均隨土層加深而減少，但P含量隨土層深度變化不明顯。整個(gè)研究區(qū)土壤N含量相對(duì)缺乏。(2）該礦區(qū)植被修復(fù)區(qū)0～30cm土層土壤C/N、N/P、C/P均顯著高于自然恢復(fù)樣地，不同類型植被修復(fù)區(qū)土壤C/N大小依次為火炬樹區(qū)>櫟樹區(qū)>松樹區(qū)；N/P和C/P大小依次為櫟樹區(qū)>火炬樹區(qū)>松樹區(qū)。從研究區(qū)土壤SOC、N、P含量及其化學(xué)元素計(jì)量比分析，當(dāng)?shù)氐V區(qū)各類型植被修復(fù)區(qū)土壤N素不