土壤有机碳和氮素是植物生长所必须的营养元素，也是土壤养分和生态系统中的关键生态因子，是陆地碳库和氮库的重要组成部分，其含量多少将会直接影响土壤中微生物数量和凋落物的分解速率(Nasholm et al.，1998; Dormaar et al.，1990; 任书杰等，2006)。土壤有机碳和氮素的变化与土地利用/覆盖密切相关，地表植物群落的变化，往往会造成土壤碳和氮分布格局的变化，进而影响整个生态系统的稳定性和可持续性(刘全友等，2005)。

目前有关矿区废弃地植被修复过程中形成的人工林生态系统的研究主要集中在植被修复过程与特征(杨修等，2001; Brads，1997)、林分生物量(田大伦等，2006)及生长规律(杨红旗等，2002)、土壤动物、土壤微生物、土壤酶活性(王艳超等，2008)和理化性质(王丽等，2010)等方面，而基于不同时间序列矿区废弃地人工林生态系统土壤碳、氮以及土壤C/N比值的动态研究较少。

本研究采用空间代替时间的方法，研究湘潭锰矿废弃地不同恢复阶段(1，3和7年)栾树(Koelreuteria paniculata)人工林及对照地(距造林地400 m以外的未经人工恢复的锰矿废弃地)土壤碳、氮含量及C/N比值。以期为矿区植被恢复过程中土壤碳、氮含量变化管理提供参考，为矿区土壤肥力和质量变化特征提供理论依据和基础数据，为矿区森林和土壤对气候变化的响应机制研究提供科学依据。

湘潭锰矿矿渣废弃地位于湖南省湘潭市北部约14 km处(112°45'—112°55'E，27°53'—28°03'N)，年均气温17.4 ℃; 年均降水量1 431.4 mm。区域内是矿渣堆砌所形成的一种特殊的退化生态系统，主要植被为草本植物，如艾蒿(Artemisia argyi)、灯心草(Juncus effusus)、五节芒(Miscanthus floridulus)和一年蓬(Erigeron annuns)等。

2004，2008和2010年分别在矿区的矿渣废弃地采用2年生栾树(苗高约1.3 m，地径约1.5 cm)实生苗，挖穴(0.5 m×0.5 m×0.5 m)，客土1.0 kg，苗木根系蘸黄土浆进行人工造林恢复，株行距为1.0 m×1.3 m。2011年10月分别在3个年龄的造林地内各设置1块20 m×30 m标准地，在距造林地400 m以外未造林的锰矿废弃地设置1块20 m×30 m对照地。分别在每块标准地及对照地中随机设置4块10 m×10 m样地，每块样地按"品"字形各设置3个样点，每个样点按0~15，15~30和30~45 cm分别采集土壤样品1 kg，共采土样144个。去除石砾与杂物，风干后过20和100目筛，备用。造林地林分特征见表 1。

表 1 不同林龄栾树人工林林分特征 Tab.1 Characteristics of different aged Koelreuteria paniculata plantations

表 1 不同林龄栾树人工林林分特征 Tab.1 Characteristics of different aged Koelreuteria paniculata plantations 林龄 St and age/a 林分密度 St and density/ (individual·hm-2) 平均胸径 Average DBH/cm 平均树高 Average tree height/m 单株生物量 Biomass of individual plant/kg 林分生物量 St and biomass/ (t·hm-2) 林分生产力 St and productivity/ (t·hm-2a-1) 1 2 250 1.51±0.94 1.73±1.02 1.03±0.27 2.32 2.32 3 2 566 6.12±1.13 5.81±0.51 13.30±4.93 34.12 11.37 7 3 100 25.05±2.97 8.38±0.65 32.92±8.00 102.06 14.58

用重铬酸钾-水合加热法测定土壤有机碳含量，凯氏定氮法测定全氮含量，土壤pH值采用电位法测定，每个样品重复3次。

采用Excel2003和SPSS13.0软件进行数据处理。

由表 2可以看出: 随着恢复时间增加，土壤有机碳含量逐渐增加，恢复1，3和7年的土壤(0~45 cm)有机碳含量分别为13.36，14.78和26.96 g·kg^-1，与对照地(10.27 g·kg^-1)相比，分别增加了23.12%，30.43%和61.90%; 不同恢复阶段土壤有机碳含量随深度的变化情况并不完全相同，对照地和1年生林地土壤表现出先减少后增加的趋势，3年生与其相反，7年生林地土壤则随深度增加而逐渐增加。7年生林地土壤有机碳含量与其他恢复阶段林地都存在显著差异(P<0.05)。

表 2 不同林龄栾树林土壤碳氮含量的垂直分布^① Tab.2 Vertical distribution of soil carbon and nitrogen of different recovery stage of Koelreuteria paniculata plantations

表 2 不同林龄栾树林土壤碳氮含量的垂直分布① Tab.2 Vertical distribution of soil carbon and nitrogen of different recovery stage of Koelreuteria paniculata plantations g·kg-1 林龄 St and age/a C N 0~15 cm 15~30 cm 30~45 cm 0~45 cm 0~15 cm 15~30 cm 30~45 cm 0~45 cm ①同列不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。 Different lowercase in the same column represents significant difference(P<0.05). CK 10.62±1.10a 9.83±0.49a 10.37±0.89a 10.27±0.24a 0.39±0.02a 0.39±0.02a 0.38±0.03a 0.39±0.01a 1 13.36±1.07a 11.74±4.55a 14.99±5.96a 13.36±0.94b 0.55±0.02ab 0.50±0.06ab 0.56±0.08a 0.54±0.02b 3 14.08±1.63a 15.84±3.72a 14.41±2.96a 14.78±0.54b 0.63±0.04b 0.58±0.02b 0.55±0.03a 0.59±0.02b 7 24.56±4.66b 27.18±3.60b 29.14±3.40b 26.96±1.33c 1.11±0.10c 1.05±0.09c 1.19±0.09b 1.12±0.04c

由表 2还可以看出: 土壤全氮含量随恢复时间的增加，变化趋势与有机碳类似，呈逐渐增加的趋势。恢复1，3和7年的林地土壤(0~45 cm)全氮含量分别为0.54，0.59和1.12 g·kg^-1，与对照(0.39 g·kg^-1)相比分别增加了38%，151%和187%; 对照地和3年生林地土壤氮含量随深度增加而逐渐减小，1和7年生林地土壤氮含量随深度增加则表现为先减小后增大。7年生林地土壤氮含量要显著高于其他恢复阶段(P<0.05)。

由表 3可以看出: 植被恢复前，土壤不同深度的碳氮比均超过25，平均值为26.60，植被恢复后，各林龄不同深度土壤碳/氮比变动较大，为21.52~27.12; 同一恢复阶段不同深度间，土壤碳/氮比没有显著差异; 对照地和1年生林地土壤碳/氮比随深度变化表现出先减小后增加，而3和7年生林地土壤则相反; 在同一深度不同林龄间，除表层土壤(0~15 cm)碳/氮比存在显著差异外(P<0.05)，其他深度都不存在显著差异; 0~15 cm土壤碳/氮比随恢复时间的增加而逐渐减小，15~30 cm土壤碳/氮比随深度变化未表现出明显的规律性，30~45 cm土壤碳/氮比呈波动性下降的趋势; 恢复地0~45 cm土层土壤碳/氮比均小于对照地，但不同恢复阶段0~45 cm土层的土壤碳/氮比没有显著差异，经过7年的植被恢复，土壤碳/氮比较对照地下降了2.79。

表 3 不同恢复阶段各土层的土壤碳氮比^① Tab.3 Ratio of soil carbon to nitrogen in different soil layers for every recovery stages

表 3 不同恢复阶段各土层的土壤碳氮比① Tab.3 Ratio of soil carbon to nitrogen in different soil layers for every recovery stages 林龄St and age/a 0~15 cm 15~30 cm 30~45 cm 0~45 cm ①同行相同小写字母表示在0.05水平上差异不显著; 同列不同大写字母表示在0.05水平上差异显著(P<0.05)。The same lowercase in the same row represents no significant difference; different capital in the same column represents significant difference(P<0.05). CK 26.84±0.32aA 25.55±0.59aA 27.41±0.71aA 26.60±0.59aA 3 24.36±0.63aAB 21.76±0.46aA 25.12±0.33aA 23.75±0.49aA 7 22.22±0.28aB 27.12±0.56aA 26.24±0.29aA 25.20±0.39aA 9 21.52±0.21aB 25.60±0.23aA 24.32±0.31aA 23.81±0.58aA

由表 4可以看出，植被恢复前后，土壤各因子间存在明显的相关关系。植被恢复前，土壤pH值与土壤碳含量和氮含量均呈正相关，但没有达到显著水平(r=0.509，0.400; P>0.05)，土壤碳含量和氮含量极显著正相关(r=0.890; P<0.01)，碳含量与碳/氮比间极显著正相关(r=0.736; P<0.01)，氮含量与碳/氮比间显著正相关(r=0.350; P>0.05)。植被恢复后，土壤pH值与土壤碳含量和氮含量仍为正相关，但相关性有所减弱，碳含量和氮含量间仍极显著正相关(r=0.923; P<0.01)，但相关性较植被恢复前有所增强，氮含量与碳/氮比间显著正相关(r=0.626; P<0.05)，碳含量与碳/氮比间极显著正相关(r=0.874; P<0.01)。

表 4 植被恢复前后土壤碳氮含量与pH值间的相关关系^① Tab.4 Correlationships among soil C content，N content and pH value before and after recovery

表 4 植被恢复前后土壤碳氮含量与pH值间的相关关系① Tab.4 Correlationships among soil C content，N content and pH value before and after recovery 项目Item 植被恢复前Before recovery 植被恢复后 After recovery pH N C C/N pH N C C/N ①* P<0.05;**P<0.01. pH 1 1 N 0.400 1 0.295 1 C 0.509 0.890** 1 0.378 0.923** 1 C/N 0.459 0.350 0.736** 1 0.384 0.626* 0.874** 1

土壤有机碳和全氮含量是土壤肥力高低的重要标志，也是评价土壤碳氮源汇功能的重要指示(董凯凯等，2011)。通过对矿区不同恢复年限土壤碳、氮含量的研究表明，植被恢复后土壤碳含量为11.74~29.14 g·kg^-1，高于植被恢复前土壤平均碳含量(10.27 g·kg^-1)，土壤氮含量为0.50~1.19 g·kg^-1，高于植被恢复前土壤平均氮含量(0.39 g·kg^-1)。随着恢复年限增加，土壤碳、氮含量都呈逐渐增加的趋势，7年生林地土壤碳、氮含量均值与其他恢复阶段土壤碳、氮含量均存在显著差异(P<0.05)，这可能是因为矿区废弃地经过人工植被恢复，一方面减缓了降雨对土壤碳和氮的淋溶作用，另一方面，林地内地表生物量和凋落物增加，不断分解的凋落物有可能增加了土壤碳和氮的含量。

不同恢复阶段土壤有机碳含量随深度变化并不完全相同，对照地和1年生林地土壤表现出先减少后增加的趋势，3年生与其相反，7年生林地土壤则随深度增加而逐渐增加。对照地和3年生林地土壤氮含量随深度增加而降低，而1和7年生林地土壤则先减少后增加。此外，土壤碳、氮含量随深度变化在不同恢复阶段未表现出明显的规律性，说明在矿区废弃地，不同深度土壤碳、氮含量存在不均衡性，主要原因可能是研究地为矿渣堆积而成的矿区废弃地，土壤碳、氮含量随深度变化趋势除受植被影响外，也受到人为因素的干扰，而后者作用要远大于前者。

植被恢复前，土壤碳氮比为25.55~27.41，平均值为26.60。植被恢复后，土壤碳氮比为25.20~23.75，随恢复年限的增加呈波动下降趋势。说明经过植被恢复后，土壤有机碳和氮素含量虽都有不同程度的增加，但土壤碳氮比却有所下降，腐殖质化程度和氮矿化能力都有所增强和提高。