虎学锋 米楠

摘要 探究荒漠草原牛枝子（Lespedeza potaninii ）在不同重金屬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-feng，MI Nan

（ 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。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。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。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。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，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。

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。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。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、不同植物群落、不同水盐梯度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HClO-HSO消煮法；采用HSO-HO消煮，采用钼锑抗比色法测定土壤速效磷；土壤速效钾采用NHAC浸提-火焰光度计法测定；堿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，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：

式中：P为土壤中重金属元素ｉ污染指数；C为重金属元素ｉ的实测含量（mg/kg），采用宁夏环境土壤背景值。P为土壤重金属元素的综合污染指数；为单因子污染指数的平均数；Pmax为最大单因子污染指数；0.7＜P≤1 为清洁区，1＜P≤2.0 为轻度污染，2.0 ＜P≤3.0 为中度污染，P＞3.0 为严重污染。

2 结果与分析

2.1 研究区土壤重金属含量

对研究区的土壤重金属含量进行测定结果如表1所示。Cu、Cd、Cr、Pb、Zn和Mn的平均值分别为19.10、0.16、31.03、71.94、73.91、534.76 mg/kg。分别为宁夏土壤背景值的0.86、1.70、0.51、3.49、1.26、1.02倍。发现不同污染区域的土壤重金属污染之间存在显著差异（P＜0.05）。Pb、Zn的超标率最高，对研究区土壤的污染最为严重。乔雯等和曾晓娜等的研究表明，Pb、Zn等重金属对矿区和冶炼厂周边的土壤受Pb、Zn等重金属污染较为严重。

结合污染程度，根据单因子指数法和内梅罗综合指数法计算得：无污染CK的P为0.06±0.05，清洁 Ⅰ 的P为0.96±0.02，轻微污染Ⅱ的P为1.51±0.04，中度污染Ⅲ的P为2.57±0.06，重度污染Ⅳ的P为3.46±0.07，严重污染Ⅴ的P为4.32±0.11。

2.2 不同重金属污染梯度下牛枝子叶片C、N、P生态化学计量特征的变化

由不同重金属污染梯度下植物叶片生态化学计量特征分析结果（表2）可知，植物叶片C含量变化范围在364.80～371.22 g/kg。污染梯度Ⅱ、Ⅳ、Ⅴ与对照组CK的差异显著（P＜0.05）；植物叶片全N含量变化范围在28.30～34.96 g/kg，植物叶片全N含量在梯度Ⅱ下最高，与对照组CK以及梯度Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ存在显著差异（P＜0.05）。植物叶片P含量变化范围为1.32～1.90 g/kg，梯度Ⅱ下植物叶片P含量最高，梯度Ⅱ与梯度Ⅴ之间存在显著差异（P＜0.05）。不同梯度下植物叶片C/N变化范围为10.50～12.90，梯度Ⅴ下C/N最高，与其余几个梯度以及对照组CK之间均存在差异（P＜0.05）；C/P的变化范围是192.73～276.26，梯度Ⅴ下C/P最高，与除梯度Ⅰ和Ⅲ外的其余3种梯度下的植物叶片C/P含量存在显著差异（P＜0.05）；N/P的变化范围是18.39～22.45，梯度Ⅴ下N/P最高，与梯度Ⅱ、Ⅳ及CK的植物叶片N/P含量存在显著差异（P＜0.05），其中梯度Ⅱ下植物叶片N/P最低。

2.3 不同污染梯度下土壤生态化学计量特征的变化

如图1所示，土壤总C含量变化为5.43～11.75  g/kg。随着污染梯度的不断增加，土壤总C含量总体呈下降的趋势，对照组CK与梯度Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ存在显著差异（P＜0.05）；土壤N含量变化为0.29～0.57  g/kg，土壤全N含量随着污染梯度的不断增加逐渐降低，对照组CK土壤全N含量最高且与其余污染梯度之间存在显著差异（P＜0.05）；土壤全P含量变化为0.26～0.40  g/kg，随着污染梯度的不断增加，土壤全P含量也呈现下降的趋势，对照组CK土壤全N含量最高且与梯度Ⅴ存在显著差异（P＜0.05）。

2.4 不同污染梯度下土壤生态化学计量特征比的变化

如图2所示，土壤C/N的变化范围是18.27～26.91。梯度Ⅰ土壤C/N最高，与梯度Ⅳ、Ⅴ之间存在显著差异（P＜0.05），梯度Ⅳ土壤C/N最低；土壤C/P的变化范围是20.33～33.27。梯度Ⅰ土壤C/P与梯度Ⅳ、Ⅴ之间存在显著差异（P＜0.05），梯度Ⅴ土壤C/P最低；土壤N/P的变化范围是1.05～1.43，对照组CK土壤N/P最高，与梯度Ⅱ存在显著差异（P＜0.05）。

2.5 不同重金属污染梯度下牛枝子叶片-土壤生态化学计量相关性分析

通过相关性分析可知（图3），植物叶片总C与叶片全N、土壤总C和土壤全P呈极显著正相关（P＜0.01）；植物叶片全N与叶片全P、土壤总C之间表现出极显著正相关（P＜0.01）；植物叶片全P与土壤全P之间存在正相关（P＜0.05），植物叶片C/N、C/P、N/P与植物全P表现为极显著负相关（P＜0.01）；植物叶片C/N与C/P呈极显著正相關（P＜0.01），植物叶片C/N与土壤总C之间存在极显著负相关（P＜0.01）；植物叶片C/P与植物叶片N/P呈极显著正相关（P＜0.01），植物叶片C/P与土壤全P呈极显著负相关（P＜0.01）；土壤总C与土壤全N、土壤C/N、C/P、N/P呈极显著正相关（P＜0.01）；土壤全N与土壤全P呈极显著正相关（P＜0.01），土壤N/P与土壤全N呈极显著正相关（P＜0.01）；土壤C/N与土壤C/P呈极显著正相关（P＜0.01），土壤C/P与土壤N/P之间存在极显著正相关（P＜0.01）。

2.6 不同重金属污染梯度下其他土壤理化性质的变化

不同重金属污染梯度下其他土壤理化性质的变化如表3所示，碱解氮在梯度 Ⅰ 与污染梯度Ⅲ之间存在显著差异（P＜0.05）；速效磷对照组CK与梯度Ⅱ、Ⅲ之间差异显著（P＜0.05）；速效钾在梯度Ⅰ下含量最高，且梯度Ⅰ与其余梯度之间存在显著差异（P＜0.05）；pH随着污染梯度的升高变化差异不明显，与梯度Ⅴ之间存在显著差异（P＜0.05）；电导率值在梯度Ⅳ下最高，与其余梯度之间差异显著（P＜0.05），电导率值在对照组CK下最低。

研究区土壤重金属含量和土壤其他理化性质主成分分析结果如图4所示，第一主成分PC1和第二主成分PC2的贡献率分别为59.1%、13.5%。由图4可以看出，重金属Cu、Cr、Pb、Zn、Mn、Cd、pH和EC具有较大的贡献率。已有研究表明，矿区和冶炼厂周边的重金属Pb、Zn、Cd、Mn等通过污水、废气、废渣进入土壤中。由此表明这4种重金属在研究区土壤中累积严重。

3 讨论

随着工业的发展，矿区和冶炼厂释放的重金属Pb、Zn，Cd等随着污水、废气、废液排放到周边的土壤，并累积到土壤中。卜兴兵等研究四川某工业园区周边农田重金属Cd、Pb、Zn为重度污染。李军等对四川盆地某石化基地周边街尘重金属污染进行研究，发现重金属Cu、Pb、Cr、Zn污染较为严重，与该研究结果一致。该研究中，Cu、Cd、Cr、Pb、Zn和Mn含量分别为宁夏土壤背景值的0.86、1.67、0.51、3.49、1.26、1.02倍。其中Pb、Zn的超标率最高，对研究区土壤的污染最为严重。有研究表明，煤矿产生的粉尘是重金属Cd污染的主要来源。这与该研究样地重金属Cd污染严重相一致。

当植物受到重金属污染时，根部将会对矿质元素的吸收和转运有所影响，重金属会阻碍根系向地上部分的水分运输，干扰正常生理代谢过程，进而直接影响植物的生长、发育。当重金属污染梯度达到一定程度时，会影响植物对必需元素的吸收并产生拮抗作用。该试验中，随着重金属污染程度的加剧，植物叶片C、N、P出现了先上升后下降的变化。有研究指出，植株氮、磷的含量随着铅浓度的上升而显著下降，这与该试验结果相似。也有研究表明，随着重金属污染的加剧，金属敏感植物逐渐被淘汰。然而耐金属植物的出现部分弥补了物种的损失，与该研究结果一致。该试验中土壤全N随着重金属污染梯度的上升整体呈下降趋势，云南某矿区资源开采导致土壤中全N含量显著降低，与该研究结论一致。罗路云等通过镉污染对稻田土壤真菌群落结构及多样性的影响分析中得出土壤全N含量随着镉污染的增加而降低。土壤养分循环的主要指标就是通过土壤碳氮磷比值所体现，碳氮磷比值也反映整个生态系统功能的变化，且有助于确定土壤生态过程对环境变化做出的响应。

当Ｎ∶P＞16时，该生态系統受Ｐ限制，当N∶P＜14时，该生态系统受Ｎ限制，当14＜N∶P＜16时，共同受Ｎ、Ｐ的限制或不受二者限制。不同污染梯度下牛枝子植株的生长受P的限制。该试验中土壤全碳与牛枝子叶片全碳呈显著正相关，这与聂明鹤等研究结果一致。随着污染梯度的上升，植物叶片C∶P出现不规律的波动，但整体呈上升趋势，这是由于在工业活动的影响下牛枝子的生长环境出现不稳定性。牛枝子在梯度Ⅱ处理下，植物叶片N、P含量较其他处理最高，表现出较强的竞争力。

根据第一主成分分析可知，Cu、Cr、Pb、Zn、Mn、Cd的贡献率最高。该研究区聚集了多种工业，其主要以煤化工为主，在加工生产过程中的工业废水易流入土壤表层，再加上汽车尾气排放造成的多重污染，导致土壤中重金属Pb、Zn、Cd等含量加剧，这与李强等研究结果相同。重金属沉积在土壤中，沉积在土壤中的污染物长期积累容易导致土壤质量下降，土壤储存有机质的能力降低，导致养分可利用性显著性降低。

4 结论

该研究以宁夏盐池县高沙窝工业园区周边的荒漠草原为研究对象，测定表层土壤中重金属Cu、Cr、Pb、Zn、Mn、Cd的含量。其中重金属Pb、Zn、Cd和Mn含量均高于宁夏土壤背景值，这些重金属通过工业废水排放以及汽车尾气等进入土壤表层。通过PCA分析得知，Pb、Zn、Cu和Cd是影响荒漠草原土壤质量的主要原因。研究中不同重金属污染梯度下的牛枝子为适应被污染的环境条件，将自身的养分调节、限制在最低要求水平并维持荒漠草原的动态平衡。研究发现，牛枝子叶片C、N、P含量在梯度Ⅰ、Ⅱ下最高，牛枝子叶片N∶P值大于16，在梯度Ⅴ下最高。在一定重金属浓度下促进牛枝子吸收营养元素，但超过其承载的重金属浓度时就会阻碍牛枝子对营养元素的吸收。土壤C、N、P含量在对照组CK下最高，呈先下降后升高再下降的趋势，说明在低浓度和高浓度重金属梯度下土壤C、N、P含量受到不同程度的影响。重金属对土壤环境的污染会逐渐影响牛枝子的生长状况，最终导致植株对重金属的积累突破牛枝子本身所富集的能力，引发荒漠草原植被退化等一系列严重问题。

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