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第42卷 第5期 生 态 科 学 42(5):266272 2023 年 9 月 Ecological Science Sep.2023 收稿日期:2021-03-30;修订日期:2021-06-07 基金项目:中国博士后面上基金(2019M651143);辽宁省自然科学基金(2020-MS-307);沈阳市中青年科技创新人才项目(RC210321)作者简介:赵志芳(1996),女,山东临沂人,硕士研究生,主要从事退化生态系统修复与废弃物资源化利用研究,E-mail:*通信作者:张鸿龄,女,教授,主要从事退化生态系统修复与废弃物资源化利用研究,E-mail: 赵志芳,张鸿龄,王斅誉,等.矿区土壤氮磷形态变化及对复垦措施响应研究进展J.生态科学,2023,42(5):266272.ZHAO Zhifang,ZHANG Hongling,WANG Xiaoyu,et al.Research progress on the dynamics of soil nitrogen and phosphorus form and their responses to reclamation measures in mining areasJ.Ecological Science,2023,42(5):266272.矿区土壤氮磷形态变化及对复垦措施响应研究进展 赵志芳,张鸿龄*,斅王誉,唐雪寒 沈阳大学区域污染环境生态修复教育部重点实验室,沈阳 110044 【摘要】氮磷等大量养分是衡量土壤肥力高低的重要指标,矿区由于受到开采和复垦措施的干扰,土壤氮磷养分的变化显著影响其生态系统恢复进程。开展废弃地复垦土壤氮磷养分动态变化研究,对矿区复垦及生态系统恢复具有重要意义。综述了矿区复垦土壤氮磷含量及形态的时空变化特征及其对复垦模式和培肥措施等因素的响应。整体上,矿区土壤总氮、硝态氮、氮磷活性组分含量及总氮储量与复垦年限成正相关,且有明显的表聚特征,但铵态氮和全磷的变化趋势不稳定,总氮固存速率前期增加快速,随后趋于稳定,而施肥有利于氮磷活性组分的增加。随时间推移,复垦土壤质量、结构和功能不断改善。今后应加强组分间循环转化机制及影响因素作用机制的研究,为矿区复垦提供理论依据和技术支持。关键词：关键词：复垦矿区土壤;氮;磷;动态变化 doi:10.14108/ki.1008-8873.2023.05.031 中图分类号：X53 文献标识码：A 文章编号：1008-8873(2023)05-266-07 Research progress on the dynamics of soil nitrogen and phosphorus form and their responses to reclamation measures in mining areas ZHAO Zhifang,ZHANG Hongling*,WANG Xiaoyu,TANG Xuehan Key Laboratory of Eco-restoration of Regional Contaminated Environment,Ministry of Education,Shenyang University,Shenyang 110044,China Abstract:Nitrogen,phosphorus,and other nutrients are significant indexes to characterize soil fertility.On account of mining and rehabilitation,the nutrients dynamics have great effects on the restorative process of the mining ecosystem.Studying the changes in soil nitrogen and phosphorus is conducive to realizing the reclamation process and the recovery of ecological systems in mined areas.This paper reviewed the temporal and spatial variations of the two elements contents and forms in rehabilitated mine lands and their responses to the reclamation model and fertilization practice.In general,the content of total nitrogen,nitrate nitrogen,the active constituents of nitrogen and phosphorus,and also the storage of total nitrogen in reclaimed mine soils augment with increasing duration but decline with soil depth increment.However,the variation tendency of ammonium nitrogen and total phosphorus is not constant.The sequestration rate of total nitrogen grows fast initially and then tends to be stable.And fertilization can increase the active forms of these two elements.This phenomenon reveals that with time going by,the soils of rejuvenated mining have gradually developed better quality,structure,and function.In order to provide theoretical and technical support for the recovery of mining areas,future studies should focus on the mechanisms of circulations between their different forms and the action modes of influencing factors.Key words:reclaimed mine soils;nitrogen;phosphorus;dynamic changes 5 期 赵志芳,等.矿区土壤氮磷形态变化及对复垦措施响应研究进展 267 0 前言 采矿业是国民经济的重要支柱产业,在创造经济效益的同时,矿区生态环境,特别是土体结构也遭受不同程度的破坏,原有生态平衡被完全打破,土壤中元素含量及存在形态受到影响。复垦是改善矿区土壤环境的有效措施,复垦后矿山废弃地土体结构产生较大变化,与自然土壤存在显著差异,特别是土壤中氮磷养分含量及形态的变化,对矿区生态环境的恢复进程具有重要意义1。土壤氮素是植物需求量最大的元素,是作物生长的主要限制因子,其动态变化对生态系统的养分循环意义显著。磷是植被生长所必需的营养元素之一,在土壤中充当重要角色,但数据显示我国约有2/3 的土壤缺磷2。而废弃矿山植被覆盖遭到严重破坏,土壤养分贫瘠3,植被重建成为矿区生态修复的核心之一4,因此,矿区复垦后,土壤氮磷养分动态变化是决定矿区生态恢复的重要因素,掌握复垦过程中氮磷动态变化趋势,有助于了解复垦区土壤恢复状态及效果,进一步指导矿区生态修复。1 矿区复垦土壤氮素 1.1 复垦土壤总氮及其固存速率 总氮(TN)含量、储量及固存速率是衡量土壤氮水平的重要指标。TN 在矿区复垦土壤中存在累积性和表聚性57,但在不同土层中其随时间变化的趋势可能存在差异。如在林草混合复垦 219 年的煤矿区,土壤 TN 含量在 010 cm 表层中不断增加,同其在整体研究剖面上变化一致,但在 1020 cm 和 2030 cm 土层中则先增加后减少8。复垦模式910和植被类型1112对土壤 TN 含量也产生显著影响,一般复垦草地中TN含量高于复垦耕地13和复垦林地14,主要是草地生态系统中,细根生物量大且生长快,更易于固定氮素并将其转移至表层土壤中14。复垦时间和模式对 TN 储量及固存速率的影响显示,复垦林地中 TN 储量在 010 年间不断增加,14 年时有所下降,之后又回升,而复垦草地中其增至15年后就基本稳定15,且表现为复垦草地高于复垦林地14。TN 固存速率在复垦林/草地中整体为先升后降,分别在第 4、15 年时达最高15,Avera 等16认为其在复垦为混合林地后的 511 年间明显增加,随后稳定。从林草混合复垦铜矿区土壤剖面来看,TN 分布表现为 015 cm 土层(7.3 gm2a1)大于 1530 cm 土层(4.1 gm2a1)17。随复垦年限增加,矿区土壤剖面整体的总氮含/储量增加,固存速率前期增加较快,最终趋于稳定,表明复垦后矿区土壤质量得到改善。不同土层总氮含量变化不一致,一般上层增加显著,这主要由有机质输入、肥料施用和微生物固定大气氮等引起,但复垦初期植物生长需大量氮素,此时枯枝落叶较少,供给失衡,表层总氮含量也可能先降低再逐步积累1819。垂直分布上,土壤总氮含量具有表聚特征,与碳源的表聚效应及深层土壤有机质含量低、微生物数量少、分解代谢弱有关7。复垦模式对总氮含/储量及固存速率的影响,主要由不同植被下有机质数量和形态差异引起。选择固氮植物进行矿区复垦也会更利于土壤氮素的增加。另外气候和土壤质地等也有一定效应19。1.2 复垦土壤无机氮含量变化 土 壤 无 机 氮 以 硝 态 氮(NO3-N)和 铵 态 氮(NH4+-N)为主,是植物利用的有效态,其含量高低决定了矿区植被恢复速度及生态重建进程。研究表明,在复垦为耕地的矿区,受肥料积累等因素的影响,土壤 NO3-N 及表层 NH4+-N 含量随复垦时间延长而增加2021。复垦模式影响无机氮恢复效果,如沙棘林可显著增加 NO3-N 含量,但对不同土层间NH4+-N 的作用存在差异22。王晓琳等12发现不同植被对复垦林地土壤中无机氮垂直分布影响不一致,其中刺槐林和樟子松林 040 cm 土壤中 NO3-N 和NH4+-N 含量最高,复垦耕地中作物种类及生长期也显著影响二者含量23。另外在对复垦为耕地的煤矿区进行施肥管理时,化肥能显著增加 NO3-N,但对NH4+-N影响较小20,有机肥或生物有机肥则能促进有机氮转化而累积矿质氮21。且有研究进一步指出,在采煤塌陷区复垦土壤中,鸡粪肥提高NO3-N的效果优于猪/牛粪肥,但对NH4+-N作用效果不同2324。从剖面分布看,复垦矿区土壤中NO3-N表聚性明显,但NH4+-N表现不一,Chen等17研究复垦为林地的铜矿区发现 015 cm 土层中 NH4+-N 含量高于1530 cm 土层,王丽丽19和胡宜刚等11则指出复垦区不同土层中其差异并不显著。NO3-N 是最易被植物吸收的形态,对复垦时268 生 态 科 学 42 卷 间、复垦模式、土壤深度和培肥措施响应敏感,表现为随复垦时间增加而增加、随土壤深度增加而降低,化肥+有机肥/生物有机肥对其作用显著,单施有机肥时,鸡粪肥改良效果优于猪/牛粪肥。复垦模式主要通过植被固氮及凋落物、分泌物的数量/质量作用于两种无机氮。NO3-N 增加可能是因为来源(有机质分解、铵态氮硝化、肥料施用等)广泛,其中表层凋落物等有机质分解是其表聚特性的主导因素11,20,降水也会影响其空间分布。NH4+-N 变化趋势多样则可能是因为其能在土壤水分、通气性及pH 影响下经硝化作用转变为 NO3-N,且作为吸附态速效氮,不同复垦模式及土层对其吸附点位也不相同19-20,22。1.3 复垦土壤有机氮组分动态变化 有机氮能矿化成植物可利用态无机氮,是潜在氮源,对评价复垦矿区土壤氮库意义重大。有机氮组分与复垦时间、模式和施肥措施等密切相关。土壤酸解总有机氮13和微生物量氮含量与复垦时间成正相关,且微生物量氮具有明显表聚性17,25。在复垦为耕地的矿区,有机氮组分动态变化显著,因为有机肥和菌肥能增加土壤中可溶性有机氮26、轻重组有机氮27、微生物量氮13,2021,26,2830、Bremner氮20,31及活性有机氮组分 I、II3132。肥料用量及配比对微生物量氮也有一定效应,当无机肥含量过高时,微生物活动反而会受到抑制,导致微生物量氮含量开始下降3334。有机肥的作用机制主要在于其可增加土壤有机质,为微生物提供充足的碳氮源和微量元素,改善土壤环境及碳氮比,提高微生物量及其生长代谢,从而影响有机氮组分2627,32。并且有机质矿化和腐殖化能固持 NH4+进而转化为酸解铵态氮,能释放氨基酸类物质而增加氨基酸态氮,也能直接增加酸解未知氮和非酸解氮31。Bremner 氮还响应于盐基离子浓度、土壤理化性质及水文环境13等,这可能是其随复垦时间变化不规律的原因。菌肥则能促进优势微生物生长繁殖和提高微生物量而增加有机氮组分34。复垦模式主要通过植被配置作用于有机氮分布,固氮植物能有效提高氮组分,且不同植被凋落物及分泌物的数量/质量效应显著。1.4 复垦土壤氮素转化 土壤氮素转化主要包括矿化、硝化、反硝化、生物固氮、氨挥发和氮淋溶等31,对复垦矿区研究较多的是前 3 个过程。有研究表明,在恢复为耕地的矿区,各施肥处理的矿化量和矿化势与复垦年限成正相关,而潜在可矿化氮、矿化率分别只在单施有机肥或化肥+有机肥/生物有机肥、化肥+有机肥时不断增加,复垦年限相同时上述指标均以化肥+生物有机肥处理最高21。另外,潜在可矿化氮和矿化势与复垦模式也密切相关,如江山13指出,复垦 3年时自然恢复土壤中矿化量和矿化势均大于人工复垦土壤。焦欢31研究发现,复垦为耕地 8 年时最大硝化速率和反硝化速率分别较复垦 4 年提高 1.64%47.13%和 11.62278.12%,最大硝化速率出现时间与施肥措施联系密切但与复垦年限相关性不显著,反硝化速率则对二者的交互作用敏感,复垦 4 年时不施肥或化肥+生物有机肥处理最低,复垦8年时各处理间却无明显差异。不同复垦模式下最大硝化速率及对应时间也相异,年限相同时耕地最大硝化速率是草地的 2.1 倍,出现时间却晚于草地 1.5 天13。施肥能促进复垦土壤氮素矿化和反硝化作用,有机无机肥配施效果最显著,因为其可协调土壤碳氮比,且有机肥包含大量有效碳和养分,能供给反硝化细菌能量和电子,增强微生物活性,加速消耗土壤孔隙 O2,创造厌氧环境,增加底物,促进反硝化过程,这也是有机肥提高反硝化速率效果优于氮肥的原因35。添加菌剂能提高微生物代谢,加快分解有机质,促进氮矿化。复垦年限及模式也显著影响土壤氮转化,可能主要取决于植被类型和生物群落重建,相关研究还有待加强。另外,酸碱度、通气性、温湿度和土壤质地等也影响微生物活性进而作用于氮素转化36。2 矿区复垦土壤磷素 2.1 复垦土壤全磷含量 有研究3739认为矿区复垦土壤全磷含量与复垦时间成正相关,但也有学者认为二者相关性不大4041甚至呈现负相关42。复垦时间与植被配置还能产生交互作用,如樊彦波等43发现,复垦 7 年沙枣刺槐柠条的全磷改良效果最佳,复垦 13 年 020 cm 和 2040 cm 土层全磷含量最高的分别是冰草刺槐柠条和云杉油松落叶松,且 2040 cm 土层更高。复垦为耕地的矿区土壤中,施肥处理对全磷的影响为有机肥+菌肥有机肥+无机肥+5 期 赵志芳,等.矿区土壤氮磷形态变化及对复垦措施响应研究进展 269 菌肥无机肥+菌肥有机肥无机肥有机肥+无机肥44,吴文丽45也指出各施肥处理下全磷含量正相关于复垦年限,其中复合肥+溶磷菌肥处理下增加最多,可见生物菌肥+有机/无机肥均能提高全磷含量,无机肥、有机肥和菌肥配施优于单独施用46。而菌种类型及浓度也效应显著,溶磷细菌和真菌都能提高全磷含量,细菌优于真菌47;李林轩48则指出被孢霉+黑曲霉+青霉组合能促进油菜吸收土壤磷而降低其含量,而其余溶磷真菌组合下全磷含量与对照接近。从剖面分布看,复垦土壤全磷含量随土层深度增加而增加19,22;总之,矿区土壤全磷含量随复垦时间变化不规律,可能是由复垦方式、植被类型、微生物和土壤母质等引起。垂直方向上其表聚效应显著,与表层根系密度大、植被吸收利用、微生物活性强、有机质含量高相关。另外受母质和成土条件影响,磷素易沉积,迁移能力低,不易流失,也是“表聚”的重要原因。复垦模式及施肥可通过磷添加量和植被吸收量或作用于微生物而起效应。溶磷菌能提高土壤全磷含量,但菌种类型及浓度的相关研究有待深化。2.2 复垦土壤分级磷组分 复垦矿区土壤分级磷的研究多集中于其对肥料配施的响应,矿区复垦土壤各形态磷含量对肥料及溶磷菌响应明显,主要表现为植物可吸收态磷增加,难吸收态磷减少,有机肥能增加各有机磷组分。如在复垦为耕地的矿区,施肥特别是添加溶磷菌肥能增加土壤 Hedley-P 组分中 H2O-P、Na2HCO3-P、NaOH-P 和 HCl-P 含量,而残渣态-P 含量有所降低45,49,也有研究认为添加菌群后 HCl-P 含量变化不大50甚至减少47,这可能与施加的菌种密切相关。从蒋顾分级磷组分来看,添加溶磷菌肥会减少 Ca10-P,增加 Ca2-P,但 Ca8-P、Al-P、Fe-P 和 O-P变化趋势不一致,可能与溶磷菌种类相关48,5153。杨毅44研究复垦矿区土壤Bowman-Cole 磷组分发现,施用有机肥能增加各种有机磷组分,他认为这是由有机肥含有大量微生物引起的。溶磷微生物能利用其代谢分泌的低分子有机酸、吲哚乙酸、铁载体等物质53来促进土壤磷素有效化和作物增产。施肥可直接增加磷含量,也能为微生物提供更佳的生活环境,从而提高有效磷,但其降低残渣态磷的机理仍有待深入研究。植被生长期也会影响磷素形态分布,因为不同生长期植被吸收养分的能力和数量存在差异。另外,复垦矿区土壤中各形态磷含量和垂直变化与菌种及添加浓度47、植被根系分布43和微生物状况48密切相关。2.3 复垦土壤微生物量磷 矿区复垦土壤微生物量磷周转速度快,是有效磷的重要来源,对环境变化反应敏感,开展相关研究对调控磷的植物有效性及其生物地球化学循环意义非凡,有助于了解由环境改变和人为活动引起的磷的固定和转化,对土壤肥力及养分具有重要指示作用。有试验48表明,复垦土壤微生物量磷平均为36.82 mgkg1,各溶磷真菌均可提高其含量,且以黑曲霉+青霉处理效果最显著;栗丽等51也认为接种溶磷菌可显著增加微生物量磷,其变化范围是 5.3220.34 mgkg1;Chen 等17发现矿区复垦土壤微生物量磷含量为418.3 mgkg1,并表现出一定的表聚性。关于矿区复垦土壤微生物量磷含量及分布的研究相对偏少,整体来看,施入土壤的溶磷菌生长时能同化大量无机磷,且在其转化难溶无机磷时也能增加自身的细胞磷,因而提高微生物量磷含量51。此外,影响微生物的温湿度、通气性等环境因素及施肥、耕作栽培等措施都会改变微生物量磷含量,施用无机肥也可显著增加其含量。2.4 复垦土壤磷的吸附/解吸特性 吸附解吸是维持磷素平衡的重要过程,影响土壤供磷能力,分析复垦土壤磷的吸附解吸性能,有助于确定被吸附磷的释放能力,为矿区修复及土壤肥力改善提供理论依据。有关研究多采用等温吸附方程、吸附曲线及相关参数来定量描述土壤磷素,以衡量复垦土壤养分变化及恢复程度。孟会生等52发现复垦耕地土壤的磷吸附常数、磷最大吸附量和最大缓冲容量均在有机肥+化肥+生物菌肥处理下最小,但该处理下最大解吸量和解吸率最高,施用溶磷菌肥能降低吸附常数,提高磷的最大解吸量和解吸率,对最大吸附量影响较小,与其他研究45结果相似。李林轩48则探究了不同菌种及添加浓度对矿区复垦土壤中磷行为的影响,发现黑曲霉降低磷吸附的效果最显著,而磷解吸量和平均解吸率分别以被孢霉+黑曲霉+青霉和被孢霉+青霉处理最高。由此可见,施肥和接种溶磷菌可降低矿区复垦270 生 态 科 学 42 卷 土壤的磷吸附常数、最大磷吸附量和最大缓冲容量,同时提高磷解吸量和解吸率。有机/无机肥能直接影响磷转化,并通过影响 CaCO3、有机质含量及改变比表面积等土壤性质来间接影响磷的吸附解吸54。溶磷微生物则能分泌有机酸,竞争磷酸根吸附位点,从而降低磷的土壤吸附52。3 展望 复垦矿区是特殊的小生态系统,其结构环境和元素分布较扰动前产生明显变化,研究土壤氮磷动态变化有助于了解其恢复状况,对生态系统重建具有重要指导意义。国内外学者已在此方面做了大量工作,发现随时间推移,复垦矿区土壤质量得以改善,且氮磷含量及形态分布对复垦时间、复垦模式和施肥措施等响应敏感。但相关研究整体偏于宏观,对具体组分变化、循环和影响机制的研究相对偏少,因此后续工作应注重:(1)矿区土壤氮磷组分的时空变化和分子性质,及其对复垦时间和模式、培肥措施和比例的响应机制。土壤有机氮磷是速效养分的潜在来源,组分多样,耦合关系复杂,且易受人为干扰的影响。当前关于复垦矿区土壤有机氮磷的研究多集中于其含量变化,微观分子或具体组分的形态及动态仍有待深入探索,因此在研究中应完善其分离测定方法,同时可以联合红外、核磁共振等技术加强分子形态、结构的表征32,并细化各组分对复垦措施响应的相关研究,以建立更加完整的复垦矿区土壤有机氮磷动态变化的理论体系,进而指导废弃矿区的生态恢复。(2)复垦矿区土壤氮磷储量的主要决定因素和潜在机制。氮磷储量是反映土壤养分特征的重要指标,与植被类型、土壤性质等密切相关。矿区复垦使土体形态及生物分布受到扰动,氮磷储量在多重因素的作用下显著变化,但核心因子和机制不够清晰。明确复垦矿区土壤中氮磷储量变化的根本驱动因素和机制,有助于为该生态体系的养分改良提供理论基础和技术支持。(3)土壤微生物种类、浓度对氮磷含量及其动态转化的影响和作用机制,及不同植物根系对土壤氮磷的活化作用。土壤氮磷的有效性与植物和微生物联系密切,部分植物根系分泌物能够改变土壤有机氮磷的活性,微生物则主要通过降解作用增强其有效性。但目前关于微生物种类、浓度和植物根系活化土壤氮磷性能的研究相对偏少43,47,因此在日后的工作中应有所突出,以便充分发挥植被和微生物的优势,促进复垦模式不断优化。(4)复垦区连续监测及氮磷转化的田间试验研究。时程法研究复垦矿区土壤养分时空变化是目前较为常用的手段,但该方法不能保证样点的一致性55,因此连续多年监测同一复垦地,有利于消除土壤初始条件异质性的影响,保证结果的可比性。另外,很多研究采用室内模拟法研究氮矿化和磷吸附解吸,无法完全还原矿区复垦后土壤氮磷的转化行为,强化田间试验,有助于直接、准确地观察其动态变化。(5)矿区复垦措施的选择与优化。矿区类型、复垦方向、植被配置模式、微生物种类及自然条件的多样性均会对复垦效果产生一定的影响,因此复垦措施的优选与改进具有重要意义。目前关于不同复垦模式的研究较多,但并未形成相对完善的体系,对重建生态系统的植被选择和微生物调控功能的探索仍需继续加强。总之,加强上述几方面的研究,深入了解复垦矿区土壤中氮磷形态变化,能有效指导复垦模式的选择和优化,从而促进矿区环境改善和生态修复。参考文献 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