內(nèi)蒙古草原露天礦區(qū)復(fù)墾地重構(gòu)土壤碳氮比差異及影響因素研究

王玲玲 ，況欣宇，曹銀貴, ，黃雨晗，王 凡，白中科

（1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京 100083；2.自然資源部土地整治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100035）

煤炭資源是不可再生資源，隨著其不斷開(kāi)采，會(huì)對(duì)煤礦區(qū)土地利用和生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生或輕或重的負(fù)面影響[1-2]，煤炭開(kāi)采造成的土地浪費(fèi)、生態(tài)破壞早已經(jīng)成為了全球性的問(wèn)題[3]，早在第二次工業(yè)革命后，各國(guó)就開(kāi)始了對(duì)礦產(chǎn)資源的采掘，使土地遭到了破壞[4]，國(guó)外的復(fù)墾工作研究起步較早，煤礦區(qū)的土地復(fù)墾問(wèn)題最早在德國(guó)和美國(guó)受到重視和關(guān)注，隨后也召開(kāi)了一系列有關(guān)土地復(fù)墾的會(huì)議，使其在全球范圍內(nèi)的研究也更加深入[3]。中國(guó)是礦業(yè)大國(guó)，礦區(qū)開(kāi)挖嚴(yán)重破壞了當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)壞境，據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)煤炭資源開(kāi)發(fā)過(guò)程中，因采礦破壞的各類(lèi)土地超過(guò)400 萬(wàn)hm2，并以1.3 萬(wàn)hm2/a 的速度增長(zhǎng)，露天采區(qū)尤為嚴(yán)重[5]，如不注重土地復(fù)墾、環(huán)境修復(fù)，礦區(qū)終將形成土地荒蕪、環(huán)境惡化，經(jīng)濟(jì)衰退的局面[6]。

土壤碳氮比是土壤有機(jī)物中碳的總含量與氮的總含量的比值，其主要通過(guò)影響微生物繁殖和活動(dòng)來(lái)影響有機(jī)質(zhì)的分解速率，從而影響土壤碳氮循環(huán)，是評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)[7]，同時(shí)它也是衡量土壤碳氮營(yíng)養(yǎng)平衡狀況的指標(biāo)[8]，它的變化會(huì)影響土壤微生物生物量和有機(jī)肥中元素的固定與釋放，進(jìn)而影響土壤肥力和土壤碳氮循環(huán)[9]。土壤碳氮比較小時(shí)，微生物分解活動(dòng)能力會(huì)增強(qiáng)，從而使土壤有效養(yǎng)分增加[7]；碳氮比較高時(shí)，雖然能提高土壤固定有機(jī)碳的能力，但土壤氮素活性低，作物生長(zhǎng)可能會(huì)受到氮素供應(yīng)不足的制約[10]；適當(dāng)?shù)耐寥捞嫉壤?，有助于土壤微生物發(fā)酵分解。受一些因素影響，導(dǎo)致土壤中碳和氮在空間分布上呈現(xiàn)非均勻性[11-13]，目前國(guó)內(nèi)對(duì)土壤碳氮比的研究主要集中在不同的土地利用方式、地貌類(lèi)型、溫度等對(duì)碳氮比的影響及土壤碳氮比在空間尺度上的變異情況上，對(duì)土壤碳氮比的差異性研究還比較少，而研究礦區(qū)土壤碳氮比在未損毀地和復(fù)墾地上的差異性可為礦區(qū)土壤重構(gòu)提供支撐。為此，以國(guó)家能源集團(tuán)北電勝利露天煤礦未損毀地和復(fù)墾地南、北排土場(chǎng)為研究對(duì)象，以采樣測(cè)試所得不同剖面的有機(jī)質(zhì)和全氮數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用方差分析和相關(guān)分析的方法，旨在探索草原露天礦區(qū)未損毀地和復(fù)墾地南、北排土場(chǎng)土壤碳氮比的差異及影響因素，為礦區(qū)重構(gòu)土壤土壤質(zhì)量的提高提供一定的理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

北電勝利礦區(qū)一號(hào)露天煤礦地處內(nèi)蒙古高原東北部，深居內(nèi)陸，位于內(nèi)蒙古錫林郭勒盟錫林浩特市西北部伊利勒特蘇木境內(nèi)，地表東西長(zhǎng)6.84 km，南北寬5.43 km、含煤面積37.14 km2，地質(zhì)儲(chǔ)量為1 934.43 t，可開(kāi)采的地質(zhì)儲(chǔ)量1 854.79 t，平均剝離率為2.59 m3/t。研究區(qū)包含3 座外排土場(chǎng)，分別為南排土場(chǎng)、北排土場(chǎng)和沿幫排土場(chǎng)，其中南、北排土場(chǎng)覆土以下為煤泥。勝利礦區(qū)一號(hào)露天煤礦排土場(chǎng)位置示意圖如圖1。整個(gè)礦區(qū)地勢(shì)較平坦，屬溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，氣候特點(diǎn)可概括為春季風(fēng)大多干旱，夏季溫?zé)嵊昙?，秋高氣爽霜雪早，冬季寒冷風(fēng)雪多，年均氣溫1.7 ℃，年降水量294.74 mm，年平均蒸發(fā)量為1 794.4 mm[14]，屬于典型草原地帶性植被類(lèi)型區(qū)，植被覆蓋率為40%～75%。目前，此煤礦區(qū)以草甸土為主，構(gòu)成非地帶性土壤，有機(jī)質(zhì)為2%～3.68%，土壤養(yǎng)分狀況一般為缺磷、富鉀、中氮，pH 值約為8，并且在土壤表層約20 cm 以下存在明顯鈣積層。

2 材料與方法

2.1 樣品采集與處理

采樣時(shí)間為2017 年9 月，在礦區(qū)原地貌未損毀地及南、北排土場(chǎng)復(fù)墾地分別隨機(jī)布設(shè)3 個(gè)采樣地，共布設(shè)9 個(gè)采樣地，采樣點(diǎn)情況見(jiàn)表1。

圖1 勝利礦區(qū)一號(hào)露天煤礦排土場(chǎng)位置示意圖

表1 采樣點(diǎn)情況

在每個(gè)土壤剖面上，利用環(huán)刀分層采集0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm 土壤樣品，同時(shí)收集各層土壤布袋樣，對(duì)樣品用保鮮袋或密封袋封存并編號(hào)，用于測(cè)定土壤密度、土壤含水率等指標(biāo)；用20 cm×30 cm 規(guī)格抽繩布袋分層采集0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm 土壤樣品，用于測(cè)定土壤養(yǎng)分等指標(biāo)。

2.2 數(shù)據(jù)測(cè)定

土壤理化性質(zhì)包括：土壤含水率、土壤密度、pH值、有機(jī)質(zhì)含量、全氮、有效磷和速效鉀7 個(gè)指標(biāo)。土壤含水率采用烘干法測(cè)定，土壤密度采用環(huán)刀法測(cè)定，土壤pH 值采用測(cè)定儀測(cè)定，土壤有機(jī)質(zhì)含量采用高錳酸鉀氧化法測(cè)定，土壤全氮采用半微量開(kāi)氏法測(cè)定，土壤有效磷采用0.5 mol/L 碳酸氰鈉浸提-鉬銻抗比色法測(cè)定，土壤速效鉀采用醋酸銨浸提-原子吸收光譜法測(cè)定。

2.3 數(shù)據(jù)分析

由于獲得的數(shù)據(jù)中只有土壤有機(jī)質(zhì)數(shù)據(jù)和土壤全氮數(shù)據(jù)，計(jì)算土壤碳氮比需要用到土壤有機(jī)碳數(shù)據(jù)，土壤有機(jī)碳數(shù)據(jù)計(jì)算方法利用1.724 的轉(zhuǎn)換系數(shù)來(lái)進(jìn)行計(jì)算[15-17]：

式中：SOC 為土壤有機(jī)碳含量，g/kg；SOM 為土壤有機(jī)碳含量，g/kg；C/N 為碳氮比；STN 為土壤全氮含量，g/kg。

利用SPSS22.0 軟件對(duì)土壤碳氮比數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析（one-way ANOVA）檢驗(yàn)，對(duì)土壤碳氮比與土壤理化性質(zhì)進(jìn)行相關(guān)分析，利用Excel 軟件進(jìn)行圖表繪制。

3 分析結(jié)果

3.1 未損毀地與復(fù)墾地土壤碳氮比總體差異

對(duì)未損毀地與復(fù)墾地南、北排土場(chǎng)土壤碳氮比差異進(jìn)行分析，土壤碳氮比總體差異如圖2（柱狀圖上方字母不同表示差異性顯著，下同）。

圖2 土壤碳氮比總體差異

由圖2 可知，復(fù)墾地南、北排土場(chǎng)土壤碳氮比均大于未損毀地，分別高43.76%和112.88%，且復(fù)墾地北排土場(chǎng)土壤碳氮比與未損毀地差異顯著。復(fù)墾8 年的北排土場(chǎng)土壤碳氮比大于復(fù)墾4 年的南排土場(chǎng)，高48.08%，但差異不顯著，這一結(jié)果表明復(fù)墾年限的增加不會(huì)對(duì)復(fù)墾地土壤碳氮比產(chǎn)生顯著影響，但隨著復(fù)墾年限的增加，實(shí)際復(fù)墾8 年的北排土場(chǎng)土壤碳氮比高于復(fù)墾4 年的南排土場(chǎng)。

3.2 未損毀地與復(fù)墾地土壤碳氮比的垂直差異性

按0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm 4個(gè)土層分析各場(chǎng)地土壤碳氮比的垂直差異。同一土層不同區(qū)域土壤碳氮比的差異性如圖3。

圖3 同一土層不同區(qū)域土壤碳氮比的差異性

由圖3 可知，在4 個(gè)土層處，復(fù)墾地南、北排土場(chǎng)土壤碳氮比均大于未損毀地，北排土場(chǎng)土壤碳氮比最高。其中在0～10 cm 土層處，北排土場(chǎng)土壤碳氮比顯著高于未損毀地，高45.80%。在10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm 土層處，土壤碳氮比差異均不顯著。

3.3 未損毀地與復(fù)墾地土壤碳氮比的水平差異性

同一區(qū)域不同土層土壤碳氮比的差異性如圖4。

圖4 同一區(qū)域不同土層土壤碳氮比的差異性

由圖4 可知，對(duì)比同一區(qū)域不同土層處土壤碳氮比發(fā)現(xiàn)，在未損毀地0～10 cm 土層處土壤碳氮比大于10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm 土層處，分別高14.12%、14.12%、8.73%，且差異顯著。復(fù)墾地南、北排土場(chǎng)不同土層處土壤碳氮比差異均不顯著，但均為30～40 cm 處最高，這可能與南、北排土場(chǎng)一定的覆土深度下存在煤泥有關(guān)。

3.4 土壤碳氮比與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)關(guān)系

礦區(qū)土壤碳氮比和土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性見(jiàn)表2。

由表2 可知，礦區(qū)土壤碳氮比與土壤含水率和土壤有機(jī)質(zhì)呈極顯著正相關(guān)，與速效鉀呈顯著正相關(guān)，相關(guān)強(qiáng)度大小為：土壤含水率＞有機(jī)質(zhì)＞速效鉀。礦區(qū)土壤碳氮比與土壤容重、pH 值、全氮呈負(fù)相關(guān)，與有效磷呈正相關(guān)，相關(guān)強(qiáng)度大小為：pH 值＞全氮＞土壤密度＞有效磷，但相關(guān)性均不顯著。

表2 礦區(qū)土壤碳氮比和土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性

4 討論

4.1 土壤含水率對(duì)土壤碳氮比的影響分析

土壤含水率與土壤碳氮比之間呈極顯著正相關(guān)，即土壤含水率越高土壤碳氮比越高，這與李興福等[18]和卓志清等[19]研究成果相一致，李智蘭[20]的研究表明土壤含水率對(duì)土壤碳氮比造成影響是因?yàn)橥寥乐泻蚀?，土壤含氧量、氧化還原能力處于較低水平，土壤活力低，進(jìn)而對(duì)其化學(xué)計(jì)量特征產(chǎn)生影響，最終影響土壤碳氮比。李紅林等[21]研究也表明土壤水分對(duì)土壤系統(tǒng)元素運(yùn)移及循環(huán)具有重要作用。

由未損毀地與復(fù)墾地土壤碳氮比的總體差異可知，復(fù)墾地北排土場(chǎng)土壤碳氮比大于未損毀地和南排土場(chǎng)，且與未損毀地差異顯著。由北排土場(chǎng)3 個(gè)采樣地的采樣數(shù)據(jù)可知，北排土場(chǎng)3 個(gè)采樣地0～40 cm 處的含水率大小均為30～40 cm 處最大，且以每個(gè)采樣地的覆土深度為分界線，在覆土深度以下有明顯增長(zhǎng)，這可能與北排土場(chǎng)在土壤表層約20 cm以下存在煤泥有關(guān)，煤泥是煤粉含水形成的半固體物，是煤炭生產(chǎn)過(guò)程中的一種產(chǎn)品，煤泥水中含有大量的黏土礦物，礦物顆粒表面荷電性強(qiáng)、粒度細(xì)、比表面積大、極性高等造成煤泥水分高[22]，是導(dǎo)致北排土場(chǎng)整體土壤含水率較高的一個(gè)主要原因，間接導(dǎo)致北排土場(chǎng)土壤碳氮比高于未損毀地和南排土場(chǎng)。由于數(shù)據(jù)的有限性，煤泥對(duì)土壤碳氮比產(chǎn)生的具體影響仍需進(jìn)一步分析研究。

4.2 土壤有機(jī)質(zhì)對(duì)土壤碳氮比的影響

土壤碳氮比是評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)，通過(guò)影響微生物的繁殖和活動(dòng)來(lái)影響有機(jī)質(zhì)的分解速率，在一定范圍內(nèi)，土壤碳氮比越高，土壤微生物分解有機(jī)殘?bào)w的速度就越慢[19]，即一定范圍內(nèi)，土壤有機(jī)質(zhì)與土壤碳氮比之間存在一定的正相關(guān)關(guān)系。本研究中土壤有機(jī)質(zhì)與土壤碳氮比之間呈極顯著正相關(guān)，這與張耿杰等[23]研究成果相一致，與盧志宏等[24]和徐薇薇等[25]的研究成果相似，盧志宏等研究結(jié)果表明土壤有機(jī)碳含量與土壤碳氮比之間呈極顯著正相關(guān)，徐薇薇等研究結(jié)果表明土壤有機(jī)碳與土壤碳氮比之間呈顯著正相關(guān)，研究中土壤有機(jī)碳是通過(guò)土壤有機(jī)質(zhì)換算出來(lái)的，因此土壤有機(jī)碳和土壤有機(jī)質(zhì)與土壤碳氮比之間的相關(guān)關(guān)系相同。與徐薇薇等的研究結(jié)果略有差異的原因可能是由于研究區(qū)域與所選樣地的不同所導(dǎo)致的。

4.3 礦區(qū)復(fù)墾對(duì)土壤碳氮比的影響

在露天采礦的復(fù)墾地中，經(jīng)過(guò)土壤重構(gòu)后形成的新的土壤剖面，其表層土壤的理化性質(zhì)與原地貌未損毀地存在明顯差異[23]，本研究中原地貌未損毀地土壤碳氮比小于復(fù)墾地土壤碳氮比。礦區(qū)在復(fù)墾過(guò)程中選擇種植一些耐貧瘠、生長(zhǎng)較快、水土保持能力強(qiáng)、改良效果明顯的植被類(lèi)型，比如：紫花苜蓿、沙打旺、檸條等，這些植被的根系可疏通土壤，改善土壤的通氣狀況，加深活土層，固持土壤，防止水土流失[26]，并且紫花苜蓿與沙打旺混播對(duì)土壤質(zhì)量有較好的改良作用[27]，對(duì)礦區(qū)復(fù)墾土壤的理化性質(zhì)產(chǎn)生了較大影響，間接影響了土壤碳氮比。

復(fù)墾年限對(duì)土壤碳氮比的影響在研究區(qū)內(nèi)不顯著，但復(fù)墾8 年的北排土場(chǎng)土壤碳氮比大于復(fù)墾4年的南排土場(chǎng)。實(shí)際在礦區(qū)調(diào)查取樣時(shí)南排土場(chǎng)植被長(zhǎng)勢(shì)優(yōu)于北排土場(chǎng)，而土壤碳氮比是表征土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)，因此南排土場(chǎng)土壤碳氮比大小對(duì)于土壤質(zhì)量的提高更有利，但最優(yōu)的土壤碳氮比例有待進(jìn)一步研究。

5 結(jié)論

1）礦區(qū)未損毀地與復(fù)墾地南、北排土場(chǎng)土壤碳氮比大小為：北排土場(chǎng)＞南排土場(chǎng)＞未損毀地，且北排土場(chǎng)土壤碳氮比與未損毀地差異顯著。在0～10 cm 土層處，北排土場(chǎng)土壤碳氮比顯著高于未損毀地，在未損毀地0～10 cm 土層處的碳氮比顯著高于10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm 土層處的碳氮比。

2）礦區(qū)土壤碳氮比與土壤含水率和土壤有機(jī)質(zhì)呈極顯著正相關(guān)，與速效鉀呈顯著正相關(guān)，相關(guān)強(qiáng)度大小為：土壤含水率＞有機(jī)質(zhì)＞速效鉀。

3）隨著復(fù)墾年限的增加，實(shí)際復(fù)墾8 年的北排土場(chǎng)土壤碳氮比要高于復(fù)墾4 年的南排土場(chǎng)，但差異不顯著。