新邱露天煤矿排土场土壤生态化学计量特征

摘要 ［目的］以阜新露天矿排土场土壤为研究对象，分析不同植被下不同土层土壤演变规律，为排土场生态修复提供一定的理论指导。［方法］通过对露天煤矿排土场不同植被下土壤有机碳（SOC）、全氮（TN）、全磷（TP）、全钾（TK）含量变化及其生态化学计量特征研究，分析排土场区植被-土壤协同演变过程中土壤养分循环规律及影响机制。［结果］4种植被类型土壤SOC、TN、TP和TK含量分别为22.25～51.31、0.57～1.52、0.35～0.67和23.37～38.94 g/kg，不同植被土壤养分含量均高于裸地对照，表明植被对研究区土壤养分有一定改良作用。土壤养分含量呈表层富集现象，且随着土层深度的增加，不同植被类型下土壤SOC、TN、TP、TK含量均呈现逐渐下降的趋势，与对照的差异逐渐变小。表层SOC、TN、TK含量从大到小依次为榆树>杠柳>狗尾草>猪毛菜>裸地，TP含量从大到小依次为榆树>猪毛菜>狗尾草>杠柳>裸地；4种植被类型土壤C∶N、C∶P、C∶K和N∶P平均值分别为39.56、64.35、1.10和1.64，且表层土壤全量比值差异显著。［结论］在排土场土壤演变和形成过程中，不同植被类型影响土壤养分含量，该排土场生态系统中土壤的生态化学计量特征的变化是制约生态恢复的原因之一，并且不同植被对生态环境的恢复具有促进作用。

关键词 露天煤矿；排土场；植被类型；养分含量；化学计量特征

中图分类号 S 153  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2022）21-0061-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.21.017

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Ecological Chemometric Characteristics of Soil at Xinqiu Open Pit Coal Mine Disposal Site

WANG Dan-ning，WANG Dong-sheng，PAN Shuai et al

（College of Environmental Science and Engineering，Liaoning Technical University，Fuxin，Liaoning 123000）

Abstract ［Objective］Taking the soil of Fuxin open pit mine drainage site as the research object，the soil evolution pattern of different soil layers under different vegetation were analyzed，which had some theoretical guidance for the ecological restoration of the drainage site.［Method］By studying the changes of soil organic carbon （SOC），total nitrogen （TN），total phosphorus （TP） and total potassium （TK） contents and their ecological chemometric characteristics under different vegetation in the open-pit coal mine drainage site， the soil nutrient cycling patterns and influence mechanisms during the vegetation-soil synergistic evolution in the drainage site area were analyzed.［Result］The contents of SOC， TN， TP and TK in the soil of the four vegetation types were 22.25-51.3  0.57-1.52， 0.35-0.67 and 23.37-38.94 g/kg， respectively， and the soil nutrient contents of different vegetation were higher than those of the bare ground control， indicating that vegetation had a certain improvement effect on soil nutrients in the study area. Soil nutrient contents showed surface enrichment phenomenon，and with the increase of soil depth， the contents of soil SOC，TN，TP and TK under different vegetation types showed a gradual decrease，and the difference with the control gradually became smaller.The contents of SOC， TN， and TK in the surface layer from large to small were elm>periploca sepium>green bristlegrass>salsola collina>bare land;the order of TP content from large to small was elm>salsola collina>green bristlegrass>periploca sepium>bare land.The mean values of soil C∶N，C∶P，C∶K and N∶P of the four vegetation types were 39.56，64.35，1.10 and 1.64，respectively，and the differences of surface soil allotropic ratio were significant.［Conclusions］During the evolution and formation of the soil in the drainage site， different vegetation types influence the soil nutrient content，and the variation in the ecological stoichiometric characteristics of the soil in this drainage site ecosystem is one of the constraints to ecological restoration，and the different vegetation contributes to the ecological restoration.

Key words Open-pit coal mine;Disposal site;Vegetation type;Nutrient content;Stoichiometric characteristics

排土场是煤炭在露天开采过程中，剥离的岩土堆积体经过搬运倒堆形成了大面积的松散堆积体，煤矿的开采在产生大量煤炭资源的同时，也在开采过程中对生态系统造成了一些不利影响，如土地被压占无法利用，矿渣中的重金属不仅会污染周围水环境，更加制约了植物根系生长，物料中的细小颗粒造成大气扬尘污染空气，排土场边坡容易产生滑坡崩塌、水土流失等地质灾害问题，其中，土壤和自然植被受破坏的程度尤为明显，土壤养分贫瘠，自然植被演替受到干扰［1-5］。因此，在恢复和重建排土场生态系统过程中，研究土壤和植被的演变和恢复成为重要课题。

良好的土壤条件是植物正常生长发育的基础，同时，土壤对维持生态系统生产力和碳汇等都起到重要作用。人类不合理的活动对土壤表层造成扰动，使其土壤质量和覆盖的植被受到破坏，研究土壤养分状况是探究土壤演替和成土作用的重要评价标准之一，对于露天煤矿排土场生态重建与恢复工作有着十分重要的意义［6］。在国外，对排土场恢复重建的研究起步较早，Levi等［7］利用有机质等土壤物化属性评价发现恢复区土壤质量高于临近自然区；Bennett等［8］通过监测氮、磷等土壤养分判定露天矿恢复区已具有土地生产力；Roy等［9］通过温室和田间试验相结合来探究改善干旱半干旱煤矿退化土壤的生态恢复问题；Ribeiro等［10］通过研究有机碳、全氮等土壤养分含量，并进行相关分析，得出土壤有机碳、全氮等养分可以改善土壤质量。在国内，包玉英等［11-12］对排土场理化性质的研究得出一些土壤养分间具有相关关系；珊丹等［13-14］通过对排土场不同植被类型下的土壤养分的研究，得出相对最优植被模式；李鹏飞等［15-16］对不同利用方式下不同土层的土壤碳氮磷进行养分测定，得出养分限制对生态恢复有重要作用。同时对于阜新露天排土场前人也有一定研究，许丽等［17］对孙家湾矸石山的物种多样性进行研究，得出在不同排矸年限地段，物种组成变化较大，且由一年生草本群落逐渐演变为榆树群落；王凯等［18］研究得出坡位和坡向是影响排土场边坡生态恢复过程中植物多样性的重要因子；王东丽等［19］从土壤物理性角度发现可利用土壤分形维数表征土壤特性，进行适宜的利用与改造；吕刚等［20］对排土场边坡水土流失效应进行模拟降雨研究，结果发现，随着侵蚀沟的增大，土壤侵蚀越严重。恶劣的土壤结构条件和有限的养分有效性是排土场恢复为本地植被的关键制约因素。土壤养分在退化矿区土壤恢复中发挥着重要作用，作为研究土壤质量状况的重要指标，土壤有机碳（SOC）、全氮（TN）、全磷（TP）、全钾（TK）是研究土壤肥力的重要指标，对植物的生长起着关键作用。同时，采用的生态化学计量学的研究手段也可以更好地理解不同植被与自然环境养分循环过程和相互作用关系。该研究通过对排土场植物-土壤发展不同阶段土壤SOC、TN、TP、TK含量及其生态化学计量特征研究，探讨土壤形成及植物发展过程中排土场生态系统养分循环与积累机制，为该地区排土场生态恢复提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 研究区概况 研究区位于辽宁省阜新市新邱露天煤矿排土场，地处126°46′～126°48′E、42°03′～42°04′N。该区域属温带大陆性季风气候。7—9月为降水集中月份，且雨量分布不均，易出现阶段性干旱。多年平均降水量约519.9 mm，年际间变率大；年平均蒸发量1 700 mm，是降水量的3.27倍。年平均气温8.1 ℃，相对湿度57%，无霜期150 d，全年日照时数为2 859.5 h。年平均风速2.4 m/s，6级以上大风日数年均75 d以上［21］。

1.2 土壤样品的采集及测定

土壤样品于2020年10月采集，在研究区域内选取4种植物群落，即草本植物藜科猪毛菜（Salsola collina Pall.）、禾本科狗尾草［Setaria vividis（L.）Beauv］、灌木萝藦科杠柳（Periploca sepium Bunge）、乔木榆科榆树（Ulmus pumila L.），以坡面裸地为对照，采用多点混合采样法，按0～10、10～20和20～30 cm分层取土壤样品，样品在实验室经风干、研磨、过筛后进行指标测定。土壤有机碳（SOC）采用重铬酸钾外加热氧化法测定，全氮（TN）采用半微量凯氏定氮法测定，全磷（TP）采用NaOH熔融-钼锑抗比色法测定，全钾（TK）采用NaOH熔融-火焰光度法［22］测定。

1.3 数据处理

所有数据采用Excel 2016整理，应用SPSS 26.0软件进行统计分析，采用单因素方差分析（One-way ANOVA）检验不同植被下土壤中SOC、TN、TP、TK含量和C∶N、C∶P、C∶K、N∶P（全量比值）之间差异，采用最小显著差异法（LSD）进行多重比较，对土壤养分含量及化学计量特征进行Pearson相关分析，应用SigmaPlot 14.0软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 不同植被类型下土壤养分含量

2.1.1 表层土壤养分含量。从图1可以看出，土壤SOC、TN、TP和TK含量在4种典型植被间存在差异，4种植被下表层土壤（0～10 cm）SOC、TN、TP和TK含量平均值分别为32.17、0.77、0.66和31.48 g/kg。不同植被条件下，0～10 cm土壤SOC、TN、TK含量从大到小依次为榆树>杠柳>狗尾草>猪毛菜>裸地，TP含量从大到小依次为榆树>猪毛菜>狗尾草>杠柳>裸地。可见，榆树和杠柳植物群落下的土壤SOC、TN、TK在土壤表层的养分积累效果较佳，达到了差异显著水平（P＜0．05），土壤TP含量在榆树和猪毛菜不同植被类型下