荒漠草原不同重金属污染对牛枝子叶片—土壤生态化学计量特征的影响

摘要 探究荒漠草原牛枝子（Lespedeza potaninii ）在不同重金属污染梯度下的生长状况，通过其不同重金属污染梯度下牛枝子叶片及土壤中碳（C）、氮（N）、磷（P）含量的变化以及对其他土壤理化性质的变化，明确在不同重金属污染梯度下牛枝子对养分的利用状况、生态适应策略。结果表明：在不同污染梯度下牛枝子叶片总C含量变化差异不明显，牛枝子叶片全N、全P含量呈先上升后下降的趋势。土壤总C、全N、全P含量在对照组CK下最高，随着重金属污染梯度的升高整体呈下降的趋势，随着重金属污染梯度的升高，土壤速效P、速效K、电导率整体上呈先上升后下降的趋势，土壤碱解氮整体呈下降趋势，土壤pH变化不显著。牛枝子叶片全N与全P与土壤总C呈极显著正相关（P＜0.01），土壤总C与土壤全N、土壤C/N、C/P、N/P表现出极显著正相关（P＜0.01）。在低浓度重金属下促进植物吸收营养元素，但过了其承载的重金属浓度时就会阻碍植物对营养元素的吸收。

关键词 荒漠草原；重金属污染；C、N、P含量；土壤理化性质

中图分类号 X131 文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2024）02-0050-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.02.011

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Effects of Heavy Metal Pollution on Ecological Stoichiometric Characteristics of Lespedeza potaninii Leaves and Soil in Desert Steppe

HU Xue-feng¹，MI Nan^1，2

（ 1.School of Agriculture，Ningxia University，Yinchuan，Ningxia 750021;2.Laboratory of Forage Cultivation and Breeding，Ningxia University，Yinchuan，Ningxia 750021）

Abstract To explore the growth status of Lespedeza potaninii in desert steppe under different heavy metal pollution gradients，through the changes of carbon （C），nitrogen （N），phosphorus （P） contents in leaves and soil of Lestaninii and the changes of other soil physicochemical properties.To clarify the nutrient utilization status and ecological adaptation strategy of bough branches under different heavy metal pollution gradients.The results showed that there was no significant difference in total C content under different pollution gradients，and the total N and P contents in leaves of M.sativa increased first and then decreased.The contents of total C，total N and total P in soil were the highest in the control group CK，and showed an overall downward trend with the increase of heavy metal pollution gradient.With the increase of heavy metal pollution gradient，soil available P，available K and electrical conductivity showed a trend of first increase and then decrease on the whole，soil alkali-hydrolyzed nitrogen showed a trend of decline on the whole，and the change of soil pH was not significant.Total N and total P of M.sativa leaves were positively correlated with total C （P<0.01），and total C was positively correlated with total N，C/N，C/P and N/P （P<0.01）.The low concentration of heavy metals can promote the absorption of nutrient elements，but it will hinder the absorption of nutrient elements when the heavy metal concentration exceeds the load.

Key words Desert steppe;Heavy metal pollution;C，N，P content;Physical and chemical properties of soil

基金项目 宁夏自然科学基金项目（2020AAC03081）。

作者简介 虎学锋（1997—），男，回族，宁夏同心人，硕士研究生，研究方向：草地资源与环境。*通信作者，副教授，博士，从事草地生态、资源与环境研究工作。

收稿日期 2023-02-13

全球草原面积占陆地总面积的25%以上。我国是草地资源大国，居世界第二。由于其气候干旱，生态系统不稳定，荒漠草原极易出现荒漠化^[1-2]。草原生态系统是陆地生态系统的组成部分之一，不仅防风固沙、保持水土，而且在保护生物多样性和陆地生态系统循环中起着重要作用^[3]。草地生态系统的可持续性受到了人类活动和自然条件的共同干扰^[4]。从生态系统的角度出发，可持续发展就是要协调好自然环境和经济发展的关系，也就是要协调好人与自然是一个整体^[5]。研究表明，工业生产排出的废水、废气与汽车排出的尾气等容易释放出重金属等污染物^[6-7]，这些污染物沉积在土壤中，通过植物根系富集到植物体内，随着食物链的传递，最终将会威胁人类健康^[8-9]。

C、N、P在植物生长过程中参与各种生理机能的调解以及供给^[10-11]。在生态系统中，植物与土壤相互关联。因此，研究重金属污染条件下植物与土壤中C、N、P含量及其化学元素C、N、P之间的比值关系对如何能最大限度保障生态系统的可持续性发展有着重大意义^[12-13]。牛枝子（Lespedeza potaninii）作为一种优质的牧草，抗风沙、再生力强、耐旱性强，是改良荒漠草原草种之一。近些年有学者针对不同年限^[14]、不同植物群落^[15]、不同水盐梯度^[16]下植物与土壤的生态化学计量做了大量研究。但是关于不同重金属污染梯度下植物与土壤的生态化学计量相对较少。以高沙窝工业园区的重金属污染地为研究样地，对不同污染程度下植物叶片及土壤中C、N、P含量及其比值进行测定比较，研究不同重金属污染程度下的生态化学计量特征。探讨不同污染梯度下C、N、P含量的差异性，进一步分析牛枝子在不同污染梯度下叶片及土壤内养分元素的利用和生态适应策略，为荒漠草原生态修复以及环境保护提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于宁夏盐池县高沙窝工业园区。地理位置处于37°04′～38°10′N，106°30′～107°41′E。研究区属于典型的荒漠草原，土壤呈碱性且为砂质性土壤，土壤养分贫瘠。白天日照充足，昼夜温差较大。该地区植被稀疏，主要生长植被有猪毛蒿（Artemisia scoparia）、长芒草（Stipa bungeana）、牛枝子（Lespedeza potaninii）、短花针茅（Stipa breviflora）、苦豆子（Sophora alopecuroides）等。

1.2 试验方法

1.2.1 样地设置。

根据宁夏土壤背景值以及前期课题组许喆^[17]对工业园区土壤重金属含量的调查研究，将高沙窝工业园区周边荒漠草地根据单因子指数法和内梅罗综合指数法将样地分为5个污染梯度：清洁Ⅰ、轻微污染Ⅱ、中度污染Ⅲ、重度污染Ⅳ、严重污染Ⅴ，在距高沙窝工业园区附近20 km处选取一个无污染样地作为对照组CK。根据已有的研究^[18]选择牛枝子优势种作为研究样地。

1.2.2 样品采集。

在提前设置好的重金属样地采集牛枝子和土壤样品，每个污染梯度下设置３个样地，每个样地设置3个样方，样方内取牛枝子10株，齐地剪下，在65 ℃下恒温烘干，并将茎叶分离后，粉碎测定植物叶片Ｃ、Ｎ、Ｐ含量。土壤取样采用五点交叉取样法取土壤（0～30 cm）的表层土，去除土壤中的石块、根系，将每部分新鲜土壤样品混匀装入到自封袋中保存，将土样自然风干后研磨过2 mm、1 mm筛后测定土壤化学性质、重金属含量。

1.2.3 指标测定。

重金属送检沈阳博实植物与土壤生态检验检测中心有限公司测定；使用元素分析仪测定牛枝子叶片全碳与土壤总碳；用凯氏定氮仪测定牛枝子叶片全氮与土壤全氮；牛枝子叶片全磷采用钒钼黄比色法。土壤全磷采用HClO₄-H₂SO₄消煮法；采用H₂SO₄-H₂O₂消煮，采用钼锑抗比色法测定土壤速效磷；土壤速效钾采用NH₄AC浸提-火焰光度计法测定；碱解氮采用碱解扩散法；pH和电导率使用电位法（水土比5∶1）测定。

1.3 数据处理

采用Excel2016进行数据的常规分析，借助SPSS26.0软件以及Origin2021做以下分析：

（1）方差分析。对土壤重金属含量及牛枝子叶片、土壤碳、氮、磷含量进行单因素方差分析。

（2）相关分析。在不同重金属污染梯度下判定牛枝子叶片、土壤碳、氮、磷含量及其比值之间的关系。

（3）PCA分析。将重金属含量与其他土壤理化性质做PCA分析。

1.4 土壤重金属污染风险评价方法

根据不同采样点的重金属含量，采用单因子指数法、内梅罗综合污染指数法对研究区域土壤重金属污染状况进行综合评价。

单因子指数法适用于单一因子污染研究区域的评价，若环境污染是由多个污染因子复合导致的，内梅罗综合指数评价方法可将单因子污染指数结合起来，采用综合污染指数法全面反应研究区域的污染状况^[19]，是当前国内外进行综合污染指数计算的最常用的方法之一。计算公式为：