安徽省淮南市采煤沉陷生態(tài)修復(fù)區(qū)表層土壤有機(jī)碳分布

周育智+陳孝楊+王芳+陳敏+劉本樂

摘要：以采煤沉陷生態(tài)修復(fù)區(qū)為研究對(duì)象，分析了不同煤矸石充填復(fù)墾區(qū)表層土壤有機(jī)碳的分布特征，及其與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性。結(jié)果表明，各生態(tài)修復(fù)區(qū)表層土壤有機(jī)碳含量由大到小依次為大通礦生態(tài)修復(fù)區(qū)>潘一礦生態(tài)修復(fù)區(qū)>新莊孜礦生態(tài)修復(fù)區(qū)>創(chuàng)大生態(tài)園修復(fù)區(qū)；不同覆土厚度復(fù)墾土壤表層有機(jī)碳含量為5.56～9.31 g/kg，覆土較薄的地塊（0～20 cm）有機(jī)碳含量最高，為9.31 g/kg；土壤微生物生物量碳含量與有機(jī)碳含量呈極顯著正相關(guān)，且對(duì)工程措施（煤矸石充填復(fù)墾）響應(yīng)較有機(jī)碳更加劇烈，可以將微生物生物量碳作為土壤有機(jī)碳庫動(dòng)態(tài)變化的敏感性指標(biāo)。

關(guān)鍵詞：煤矸石充填復(fù)墾區(qū)；覆土厚度；植被類型；土壤有機(jī)碳；微生物生物量碳

中圖分類號(hào)： S154.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2016）09-0439-04

土壤有機(jī)碳（soil organic carbon，SOC）是土壤的重要組成部分，也是土壤質(zhì)量的核心，其質(zhì)量和數(shù)量影響土壤物理特征、化學(xué)特征、生物特征及其過程，并在土壤肥力、環(huán)境保護(hù)、農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和全球碳平衡等方面都有重要作用和意義[1]。土壤碳庫是全球第3大碳庫，僅次于海洋和地質(zhì)庫，其碳庫約有1 550 Pg有機(jī)碳和750 Pg無機(jī)碳（0～1 m土層），約是大氣碳庫（760 Pg）的3.3倍、植被碳庫（560 Pg）的4.5倍[2]。研究發(fā)現(xiàn)，SOC對(duì)土壤結(jié)構(gòu)、土壤肥水保持、土壤碳收支以及全球氣候變化具有重要意義[3]。目前已經(jīng)有大量學(xué)者對(duì)土壤復(fù)墾工作進(jìn)行了研究，如劉會(huì)平等對(duì)不同覆土厚度煤矸石充填復(fù)墾區(qū)的土壤生產(chǎn)力分析發(fā)現(xiàn)，以煤矸石為基質(zhì)，上面覆蓋不同厚度表土的土壤生產(chǎn)力差異較大[4]；Bai等研究表明，土壤水分和土壤密度是影響SOC的2個(gè)重要因素[5]。安徽省淮南市是華東地區(qū)重要的煤炭基地。隨著城市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和對(duì)能源的巨大需求，必然導(dǎo)致煤炭開采量不斷加大，同時(shí)煤炭開采伴生物煤矸石的量也會(huì)不斷增加。但由于煤矸石利用率不高，必然會(huì)導(dǎo)致煤矸石的隨意堆放，這不僅會(huì)占用大量土地，也會(huì)給當(dāng)?shù)卦斐蓢?yán)重生態(tài)環(huán)境問題。因此，為了改善當(dāng)前礦區(qū)所面臨的生態(tài)環(huán)境問題，亟需解決煤矸石隨意堆放和恢復(fù)采煤沉陷區(qū)的土地利用價(jià)值等一系列重大問題。在采煤沉陷區(qū)，煤矸石充填復(fù)墾工作就很好地解決了煤矸石隨意堆放的問題，同時(shí)也適當(dāng)恢復(fù)了采煤沉陷區(qū)的土地利用價(jià)值。目前國內(nèi)外對(duì)采煤沉陷區(qū)的充填復(fù)墾治理以及充填復(fù)墾后土地性狀的研究不斷更新[6-7]，對(duì)其他類型土壤有機(jī)碳動(dòng)態(tài)變化的研究也相當(dāng)多，但對(duì)開采塌陷區(qū)重構(gòu)SOC含量、分布特征以及在一定區(qū)域尺度內(nèi)對(duì)溫室效應(yīng)影響的研究卻很少。本研究以煤矸石充填復(fù)墾區(qū)為對(duì)象，分析不同覆土厚度（即以煤矸石為基質(zhì)，上覆表土的厚度）、植被類型、復(fù)墾時(shí)間對(duì)SOC含量及其分布的影響，以期為提高煤矸石充填復(fù)墾土地的碳匯功能及以后的土壤復(fù)墾工作提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于淮南市主要煤矸石充填復(fù)墾區(qū)[創(chuàng)大生態(tài)園修復(fù)區(qū)（A）、大通礦生態(tài)修復(fù)區(qū)（B）、新莊孜礦生態(tài)修復(fù)區(qū)（C）、潘一礦生態(tài)修復(fù)區(qū)（D）]，地處淮河以南地區(qū)，是暖溫帶和亞熱帶的過渡地帶，兼具南北氣候特點(diǎn)，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥，年平均氣溫在16.6 ℃左右，年平均降水量893.4 mm，季節(jié)性降水分布不均，降水主要集中在6—8月，雨熱同季。修復(fù)區(qū)的植被類型存在較大差異，創(chuàng)大生態(tài)園修復(fù)區(qū)以草地為主，潘一礦生態(tài)修復(fù)區(qū)以喬木林為主，大通礦生態(tài)修復(fù)區(qū)、新莊孜礦生態(tài)修復(fù)區(qū)以灌木林為主。同時(shí)重構(gòu)土地的覆土厚度也存在較大差異，主要表現(xiàn)在創(chuàng)大生態(tài)園修復(fù)區(qū)的覆土厚度分別為20～40、40～80、80～100 cm；大通礦生態(tài)修復(fù)區(qū)的覆土厚度基本在13 cm左右；新莊孜礦生態(tài)修復(fù)區(qū)的覆土厚度分別為40～80、80～100 cm；潘一礦生態(tài)修復(fù)區(qū)的覆土厚度分別為0～20、20～40、40～80 cm。不同生態(tài)修復(fù)區(qū)土壤基本理化性質(zhì)如表1所示。

1.2 研究區(qū)的確定與土樣采集

為了全面了解煤矸石充填復(fù)墾區(qū)SOC分布特征及其與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系，分別選取不同覆土厚度和植被類型的地塊作為研究對(duì)象。通過實(shí)際調(diào)查和現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)，在每塊研究區(qū)布置具有代表性的6個(gè)采樣區(qū)域，然后按照隨機(jī)性原則在每個(gè)采樣區(qū)域布置3個(gè)采樣點(diǎn)。采樣前去除可見地表植被、枯枝落葉、石子等雜物，每個(gè)采樣點(diǎn)分別收集3個(gè)土樣組成混合土樣。一部分土樣自然烘干后，過0.2 mm篩，用于有機(jī)碳測(cè)定；其他土樣在4 ℃下保存，用于土壤微生物生物量碳（soil microbial biomass carbon，SMBC）測(cè)定。

1.3 測(cè)定方法

采用環(huán)刀取樣法測(cè)定土壤容重和質(zhì)量含水量；采用酸度計(jì)法測(cè)定土壤pH值（水土比2.5 ∶1）；土壤顆粒組成分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)采用中國制的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；土壤有機(jī)碳含量測(cè)定采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法[8]；土壤微生物生物量碳測(cè)定采用氯仿熏蒸浸提法。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

運(yùn)用SPSS 18.0軟件和Excel軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析與作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 SOC、SMBC、溶解性有機(jī)碳（DOC）含量的分布特征

2.1.1 不同生態(tài)修復(fù)區(qū)SOC、SMBC、DOC含量的分布特征

生態(tài)修復(fù)區(qū)SOC含量與覆土厚度、復(fù)墾時(shí)間以及植被類型有關(guān)。從圖1可以看出，各生態(tài)修復(fù)區(qū)SOC含量由高到低依次為大通礦生態(tài)修復(fù)區(qū)>潘一礦生態(tài)修復(fù)區(qū)>新莊孜礦生態(tài)修復(fù)區(qū)>創(chuàng)大生態(tài)園修復(fù)區(qū)。大通礦生態(tài)修復(fù)區(qū)SOC含量極顯著高于創(chuàng)大生態(tài)園修復(fù)區(qū)（P<0.01），潘一礦生態(tài)修復(fù)區(qū)SOC含量顯著高于創(chuàng)大生態(tài)園修復(fù)區(qū)（P<0.05）；其他修復(fù)區(qū)SOC含量之間的差異不顯著。由圖2可知，不同煤矸石復(fù)墾區(qū)MBC、DOC含量變化基本一致，表現(xiàn)為大通礦生態(tài)修復(fù)區(qū)的MBC、DOC含量最高，分別是84.01、62.57 mg/kg。從復(fù)墾時(shí)間來看，大通礦生態(tài)修復(fù)區(qū)復(fù)墾時(shí)間最長，說明在一定時(shí)間內(nèi)，隨著復(fù)墾年限增加SOC含量不斷增加。

2.1.2 不同覆土厚度下SOC、SMBC含量的分布特征

由圖3可見，不同覆土厚度復(fù)墾土壤平均有機(jī)碳含量為5.56～9.31 g/kg，覆土較薄的地塊（0～20 cm）有機(jī)碳含量最高，為9.31 g/kg，分別比覆土20～40、40～80、80～100 cm的地塊高49.20%、67.45%、53.88%，這可能是由于植被類型對(duì)復(fù)墾區(qū)有機(jī)碳的影響大于覆土厚度（覆土厚度在13cm左右的大通礦生態(tài)修復(fù)區(qū)的有機(jī)碳含量較高）的影響。覆土0～20 cm的地塊SOC含量顯著高于覆土40～80、80～100 cm地塊（P>0.05），而其他覆土厚度處理SOC含量之間差異不顯著。由圖4可見，不同覆土厚度下SMBC含量與SOC含量的變化規(guī)律基本一致，但不同覆土厚度下SMBC含量之間差異不顯著。綜合比較不同覆土厚度下的SOC含量，可以發(fā)現(xiàn)覆土0～20 cm 的地塊SOC含量最高，但這并不能說明覆土較薄的地塊有機(jī)碳含量較高，因?yàn)楦餐梁穸葘?duì)表土有機(jī)碳含量的影響部分被植被類型所覆蓋。

由表2可見，大通礦生態(tài)修復(fù)區(qū)（灌木林）SOC含量最高，其次是潘一礦生態(tài)修復(fù)區(qū)（喬木林），創(chuàng)大生態(tài)園修復(fù)區(qū)（草地） 最低，這與Wiesmeier等的研究結(jié)果[9]一致，即林地的SOC含量高于草地。創(chuàng)大生態(tài)園修復(fù)區(qū)（草地）有機(jī)碳含量偏低，也可能與修復(fù)過程中所覆表土來源有關(guān)。在各生態(tài)修復(fù)區(qū)，SOC含量均隨覆土厚度的增加而增加，而SMBC含量變化的規(guī)律性不強(qiáng)，原因可能是煤矸石在氧化過程中放出大量熱量，加快靠近填充層（煤矸石）土壤中有機(jī)碳的礦化，進(jìn)而表現(xiàn)出SOC易受覆土厚度的影響。

2.2 SOC含量與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性分析

2.2.1 不同植被類型下SOC含量與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性分析

由表3可知，在喬木林，SOC含量與土壤容重、pH值、砂粒含量呈負(fù)相關(guān)，與土壤含水量呈極顯著負(fù)相關(guān)。對(duì)于灌木林，SOC含量與土壤容重、pH值、砂粒含量呈負(fù)相關(guān)，而與土壤含水量呈正相關(guān)；新莊孜礦生態(tài)修復(fù)區(qū)SOC含量與土壤含水量極顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.566，但大通礦生態(tài)修復(fù)區(qū)SOC含量與土壤含水量相關(guān)性不顯著；大通礦生態(tài)修復(fù)區(qū)SOC含量與土壤砂粒含量極顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.721，但新莊孜礦生態(tài)修復(fù)區(qū)SOC含量與土壤砂粒含量相關(guān)性不顯著。對(duì)于草地，SOC含量與土壤容重、土壤含水量、pH值均呈負(fù)相關(guān)，其中與土壤含水量呈極顯著負(fù)相關(guān)。從表3可以看出，不同植被類型下SOC含量與pH值之間均存在負(fù)相關(guān)性，但相關(guān)性不顯著（P>0.05），這與曹小玉等的研究結(jié)論[10]基本一致。綜上所述，不同植被類型下，SOC含量與土壤容重、pH值均存在負(fù)相關(guān)性，但與其他土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性存在差異。

2.2.2 不同覆土厚度下SOC含量與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性分析

如表4所示，不同覆土厚度下SOC含量均與土壤砂粒含量存在極顯著相關(guān)性；覆土0～20 cm的地塊SOC含量與土壤砂粒含量存在極顯著負(fù)相關(guān)，而與土壤容重、土壤含水量、pH值的相關(guān)性不顯著；覆土20～40 cm的地塊SOC含量與土壤含水量、砂粒含量存在極顯著相關(guān)性；覆土40～80 cm的地塊SOC含量與土壤容重、pH值存在極顯著負(fù)相關(guān)性，與土壤含水量的相關(guān)性不顯著；覆土80～100 cm的地塊SOC含量與土壤容重存在極顯著負(fù)相關(guān)性，與土壤含水量和砂粒含量存在極顯著正相關(guān)性?？傊煌餐梁穸认?，SOC含量與砂粒含量均存在極顯著相關(guān)性，但與其他土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性存在差異。

2.3 SOC含量和SMBC含量的關(guān)系

SMBC是指土壤中體積小于5～10 μm3的微生物總量（包括活的和死的細(xì)菌、真菌、小型動(dòng)物等），可調(diào)節(jié)土壤所有組分有機(jī)碳的轉(zhuǎn)化。SMBC是SOC中最活躍和最容易變化的部分，周轉(zhuǎn)期一般小于5年，因此可以將其作為衡量SOC含量變化的重要敏感指標(biāo)。從圖5中可以看出，SMBC含量與SOC含量呈顯著線性正相關(guān)，因此可以通過觀察SMBC的動(dòng)態(tài)變化來判斷土壤總有機(jī)碳含量的變化。

3 結(jié)論與討論

3.1 生態(tài)修復(fù)區(qū)表層SOC含量的分布特征

土壤是一種不均勻的固體介質(zhì)，具有高度的異質(zhì)性，SOC作為土壤中較為活躍的重要組成部分，其在土壤中的分布也具有高度不均勻性[11]。異質(zhì)性主要表現(xiàn)在不同植被類型、覆土厚度、成土母質(zhì)下SOC含量的不均勻分布，即異質(zhì)性產(chǎn)生原因包括成土母質(zhì)類型、降水分布、微地形因素、土壤動(dòng)植物及微生物活動(dòng)、植被類型、覆土厚度以及人為活動(dòng)影響程度等[12-13]。本研究從復(fù)墾時(shí)間、覆土厚度、植被類型方面對(duì)土壤理化性質(zhì)及其有機(jī)碳分布進(jìn)行分析，結(jié)果表明：表層SOC含量由高到低順序?yàn)榇笸ǖV生態(tài)修復(fù)區(qū)>潘一礦生態(tài)修復(fù)區(qū)>新莊孜礦生態(tài)修復(fù)區(qū)>創(chuàng)大生態(tài)園修復(fù)區(qū)，且林地SOC含量高于草地。從不同覆土厚度考慮，SOC含量為5.56～9.31 g/kg，覆土0～20 cm的地塊SOC含量最高；隨著覆土厚度進(jìn)一步增加，SOC含量逐漸降低；在覆土40～80 cm地塊SOC含量降到最小值；接著SOC含量又逐漸增加，覆土80～100 cm的地塊SOC含量達(dá)到6.05 g/kg。

3.2 生態(tài)修復(fù)區(qū)表層SOC含量分布的影響因子

容重是土壤物理性狀的重要指標(biāo)[14]，它顯著影響SOC含量，研究發(fā)現(xiàn)土壤容重降低，SOC含量增加[15]，這與本研究中覆土40～80、80～100 cm地塊的試驗(yàn)結(jié)果一致。研究區(qū)土壤容重均值偏高，為1.80～2.05 g/cm3。重構(gòu)土壤容重增加最主要的原因是復(fù)墾過程中機(jī)械設(shè)備對(duì)土壤的壓實(shí)作用，使大孔隙減少，土壤容重增加。土壤含水量也是影響土壤有機(jī)碳含量的一個(gè)重要因素，本研究發(fā)現(xiàn)草地、灌木林、喬木林SOC含量均與土壤含水量顯著相關(guān)。Hobley等研究表明，降水量與SOC含量呈正相關(guān)，表層SOC主要受氣候影響，隨著土壤深度增加，氣候的影響逐漸減小[16]。本研究中，pH值的變異系數(shù)為1.56～2.14，屬于小變異。本研究還發(fā)現(xiàn)，SOC含量與土壤pH值呈負(fù)相關(guān)，但Yao等卻在對(duì)高爾夫草地的研究中發(fā)現(xiàn)SOC含量與土壤pH值呈正相關(guān)[17]，這是由于在堿性土壤中溶解性酚類濃度較高，降低了土壤中水解酶活性，從而削弱了DOC降解，促進(jìn)堿性土壤中碳的積累。土壤微生物生物量碳與土壤有機(jī)碳之間存在顯著的線性正相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)r=0.726，這與以往研究結(jié)果[17]一致，因此為了彌補(bǔ)有機(jī)碳在反映土壤碳庫變化時(shí)所表現(xiàn)的滯后性，可以通過監(jiān)測(cè)SMBC的動(dòng)態(tài)變化來及時(shí)掌握土壤總碳庫的動(dòng)態(tài)變化。

本研究探討了不同植被類型、覆土厚度對(duì)煤矸石充填復(fù)墾區(qū)表層土壤有機(jī)碳分布的影響，但還需要進(jìn)一步深入研究，以期找到最優(yōu)的覆土厚度和最適宜的植被類型，以提高土壤肥力和增加復(fù)墾土壤碳固定。

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