安徽省淮南市采煤沉陷生态修复区表层土壤有机碳分布

周育智+陈孝杨+王芳+陈敏+刘本乐

摘要：以采煤沉陷生态修复区为研究对象，分析了不同煤矸石充填复垦区表层土壤有机碳的分布特征，及其与土壤理化性质的相关性。结果表明，各生态修复区表层土壤有机碳含量由大到小依次为大通矿生态修复区>潘一矿生态修复区>新庄孜矿生态修复区>创大生态园修复区；不同覆土厚度复垦土壤表层有机碳含量为5.56～9.31 g/kg，覆土较薄的地块（0～20 cm）有机碳含量最高，为9.31 g/kg；土壤微生物生物量碳含量与有机碳含量呈极显著正相关，且对工程措施（煤矸石充填复垦）响应较有机碳更加剧烈，可以将微生物生物量碳作为土壤有机碳库动态变化的敏感性指标。

关键词：煤矸石充填复垦区；覆土厚度；植被类型；土壤有机碳；微生物生物量碳

中图分类号： S154.1 文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2016）09-0439-04

土壤有机碳（soil organic carbon，SOC）是土壤的重要组成部分，也是土壤质量的核心，其质量和数量影响土壤物理特征、化学特征、生物特征及其过程，并在土壤肥力、环境保护、农业可持续发展和全球碳平衡等方面都有重要作用和意义[1]。土壤碳库是全球第3大碳库，仅次于海洋和地质库，其碳库约有1 550 Pg有机碳和750 Pg无机碳（0～1 m土层），约是大气碳库（760 Pg）的3.3倍、植被碳库（560 Pg）的4.5倍[2]。研究发现，SOC对土壤结构、土壤肥水保持、土壤碳收支以及全球气候变化具有重要意义[3]。目前已经有大量学者对土壤复垦工作进行了研究，如刘会平等对不同覆土厚度煤矸石充填复垦区的土壤生产力分析发现，以煤矸石为基质，上面覆盖不同厚度表土的土壤生产力差异较大[4]；Bai等研究表明，土壤水分和土壤密度是影响SOC的2个重要因素[5]。安徽省淮南市是华东地区重要的煤炭基地。随着城市经济的快速发展和对能源的巨大需求，必然导致煤炭开采量不断加大，同时煤炭开采伴生物煤矸石的量也会不断增加。但由于煤矸石利用率不高，必然会导致煤矸石的随意堆放，这不仅会占用大量土地，也会给当地造成严重生态环境问题。因此，为了改善当前矿区所面临的生态环境问题，亟需解决煤矸石随意堆放和恢复采煤沉陷区的土地利用价值等一系列重大问题。在采煤沉陷区，煤矸石充填复垦工作就很好地解决了煤矸石随意堆放的问题，同时也适当恢复了采煤沉陷区的土地利用价值。目前国内外对采煤沉陷区的充填复垦治理以及充填复垦后土地性状的研究不断更新[6-7]，对其他类型土壤有机碳动态变化的研究也相当多，但对开采塌陷区重构SOC含量、分布特征以及在一定区域尺度内对温室效应影响的研究却很少。本研究以煤矸石充填复垦区为对象，分析不同覆土厚度（即以煤矸石为基质，上覆表土的厚度）、植被类型、复垦时间对SOC含量及其分布的影响，以期为提高煤矸石充填复垦土地的碳汇功能及以后的土壤复垦工作提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于淮南市主要煤矸石充填复垦区[创大生态园修复区（A）、大通矿生态修复区（B）、新庄孜矿生态修复区（C）、潘一矿生态修复区（D）]，地处淮河以南地区，是暖温带和亚热带的过渡地带，兼具南北气候特点，夏季高温多雨，冬季寒冷干燥，年平均气温在16.6 ℃左右，年平均降水量893.4 mm，季节性降水分布不均，降水主要集中在6—8月，雨热同季。修复区的植被类型存在较大差异，创大生态园修复区以草地为主，潘一矿生态修复区以乔木林为主，大通矿生态修复区、新庄孜矿生态修复区以灌木林为主。同时重构土地的覆土厚度也存在较大差异，主要表现在创大生态园修复区的覆土厚度分别为20～40、40～80、80～100 cm；大通矿生态修复区的覆土厚度基本在13 cm左右；新庄孜矿生态修复区的覆土厚度分别为40～80、80～100 cm；潘一矿生态修复区的覆土厚度分别为0～20、20～40、40～80 cm。不同生态修复区土壤基本理化性质如表1所示。

1.2 研究区的确定与土样采集

为了全面了解煤矸石充填复垦区SOC分布特征及其与土壤理化性质的关系，分别选取不同覆土厚度和植被类型的地块作为研究对象。通过实际调查和现场勘测，在每块研究区布置具有代表性的6个采样区域，然后按照随机性原则在每个采样区域布置3个采样点。采样前去除可见地表植被、枯枝落叶、石子等杂物，每个采样点分别收集3个土样组成混合土样。一部分土样自然烘干后，过0.2 mm筛，用于有机碳测定；其他土样在4 ℃下保存，用于土壤微生物生物量碳（soil microbial biomass carbon，SMBC）测定。

1.3 测定方法

采用环刀取样法测定土壤容重和质量含水量；采用酸度计法测定土壤pH值（水土比2.5 ∶1）；土壤颗粒组成分级标准采用中国制的分级标准；土壤有机碳含量测定采用重铬酸钾容量法-外加热法[8]；土壤微生物生物量碳测定采用氯仿熏蒸浸提法。

1.4 数据处理与统计分析

运用SPSS 18.0软件和Excel软件进行统计分析与作图。

2 结果与分析

2.1 SOC、SMBC、溶解性有机碳（DOC）含量的分布特征

2.1.1 不同生态修复区SOC、SMBC、DOC含量的分布特征

生态修复区SOC含量与覆土厚度、复垦时间以及植被类型有关。从图1可以看出，各生态修复区SOC含量由高到低依次为大通矿生态修复区>潘一矿生态修复区>新庄孜矿生态修复区>创大生态园修复区。大通矿生态修复区SOC含量极显著高于创大生态园修复区（P<0.01），潘一矿生态修复区SOC含量显著高于创大生态园修复区（P<0.05）；其他修复区SOC含量之间的差异不显著。由图2可知，不同煤矸石复垦区MBC、DOC含量变化基本一致，表现为大通矿生态修复区的MBC、DOC含量最高，分别是84.01、62.57 mg/kg。从复垦时间来看，大通矿生态修复区复垦时间最长，说明在一定时间内，随着复垦年限增加SOC含量不断增加。

2.1.2 不同覆土厚度下SOC、SMBC含量的分布特征

由图3可见，不同覆土厚度复垦土壤平均有机碳含量为5.56～9.31 g/kg，覆土较薄的地块（0～20 cm）有机碳含量最高，为9.31 g/kg，分别比覆土20～40、40～80、80～100 cm的地块高49.20%、67.45%、53.88%，这可能是由于植被类型对复垦区有机碳的影响大于覆土厚度（覆土厚度在13cm左右的大通矿生态修复区的有机碳含量较高）的影响。覆土0～20 cm的地块SOC含量显著高于覆土40～80、80～100 cm地块（P>0.05），而其他覆土厚度处理SOC含量之间差异不显著。由图4可见，不同覆土厚度下SMBC含量与SOC含量的变化规律基本一致，但不同覆土厚度下SMBC含量之间差异不显著。综合比较不同覆土厚度下的SOC含量，可以发现覆土0～20 cm 的地块SOC含量最高，但这并不能说明覆土较薄的地块有机碳含量较高，因为覆土厚度对表土有机碳含量的影响部分被植被类型所覆盖。

由表2可见，大通矿生态修复区（灌木林）SOC含量最高，其次是潘一矿生态修复区（乔木林），创大生态园修复区（草地） 最低，这与Wiesmeier等的研究结果[9]一致，即林地的SOC含量高于草地。创大生态园修复区（草地）有机碳含量偏低，也可能与修复过程中所覆表土来源有关。在各生态修复区，SOC含量均随覆土厚度的增加而增加，而SMBC含量变化的规律性不强，原因可能是煤矸石在氧化过程中放出大量热量，加快靠近填充层（煤矸石）土壤中有机碳的矿化，进而表现出SOC易受覆土厚度的影响。

2.2 SOC含量与土壤理化性质的相关性分析

2.2.1 不同植被类型下SOC含量与土壤理化性质的相关性分析

由表3可知，在乔木林，SOC含量与土壤容重、pH值、砂粒含量呈负相关，与土壤含水量呈极显著负相关。对于灌木林，SOC含量与土壤容重、pH值、砂粒含量呈负相关，而与土壤含水量呈正相关；新庄孜矿生态修复区SOC含量与土壤含水量极显著相关，相关系数为0.566，但大通矿生态修复区SOC含量与土壤含水量相关性不显著；大通矿生态修复区SOC含量与土壤砂粒含量极显著相关，相关系数为-0.721，但新庄孜矿生态修复区SOC含量与土壤砂粒含量相关性不显著。对于草地，SOC含量与土壤容重、土壤含水量、pH值均呈负相关，其中与土壤含水量呈极显著负相关。从表3可以看出，不同植被类型下SOC含量与pH值之间均存在负相关性，但相关性不显著（P>0.05），这与曹小玉等的研究结论[10]基本一致。综上所述，不同植被类型下，SOC含量与土壤容重、pH值均存在负相关性，但与其他土壤理化性质的相关性存在差异。

2.2.2 不同覆土厚度下SOC含量与土壤理化性质的相关性分析

如表4所示，不同覆土厚度下SOC含量均与土壤砂粒含量存在极显著相关性；覆土0～20 cm的地块SOC含量与土壤砂粒含量存在极显著负相关，而与土壤容重、土壤含水量、pH值的相关性不显著；覆土20～40 cm的地块SOC含量与土壤含水量、砂粒含量存在极显著相关性；覆土40～80 cm的地块SOC含量与土壤容重、pH值存在极显著负相关性，与土壤含水量的相关性不显著；覆土80～100 cm的地块SOC含量与土壤容重存在极显著负相关性，与土壤含水量和砂粒含量存在极显著正相关性。总之，不同覆土厚度下，SOC含量与砂粒含量均存在极显著相关性，但与其他土壤理化性质的相关性存在差异。

2.3 SOC含量和SMBC含量的关系

SMBC是指土壤中体积小于5～10 μm3的微生物总量（包括活的和死的细菌、真菌、小型动物等），可调节土壤所有组分有机碳的转化。SMBC是SOC中最活跃和最容易变化的部分，周转期一般小于5年，因此可以将其作为衡量SOC含量变化的重要敏感指标。从图5中可以看出，SMBC含量与SOC含量呈显著线性正相关，因此可以通过观察SMBC的动态变化来判断土壤总有机碳含量的变化。

3 结论与讨论

3.1 生态修复区表层SOC含量的分布特征

土壤是一种不均匀的固体介质，具有高度的异质性，SOC作为土壤中较为活跃的重要组成部分，其在土壤中的分布也具有高度不均匀性[11]。异质性主要表现在不同植被类型、覆土厚度、成土母质下SOC含量的不均匀分布，即异质性产生原因包括成土母质类型、降水分布、微地形因素、土壤动植物及微生物活动、植被类型、覆土厚度以及人为活动影响程度等[12-13]。本研究从复垦时间、覆土厚度、植被类型方面对土壤理化性质及其有机碳分布进行分析，结果表明：表层SOC含量由高到低顺序为大通矿生态修复区>潘一矿生态修复区>新庄孜矿生态修复区>创大生态园修复区，且林地SOC含量高于草地。从不同覆土厚度考虑，SOC含量为5.56～9.31 g/kg，覆土0～20 cm的地块SOC含量最高；随着覆土厚度进一步增加，SOC含量逐渐降低；在覆土40～80 cm地块SOC含量降到最小值；接着SOC含量又逐渐增加，覆土80～100 cm的地块SOC含量达到6.05 g/kg。

3.2 生态修复区表层SOC含量分布的影响因子

容重是土壤物理性状的重要指标[14]，它显著影响SOC含量，研究发现土壤容重降低，SOC含量增加[15]，这与本研究中覆土40～80、80～100 cm地块的试验结果一致。研究区土壤容重均值偏高，为1.80～2.05 g/cm3。重构土壤容重增加最主要的原因是复垦过程中机械设备对土壤的压实作用，使大孔隙减少，土壤容重增加。土壤含水量也是影响土壤有机碳含量的一个重要因素，本研究发现草地、灌木林、乔木林SOC含量均与土壤含水量显著相关。Hobley等研究表明，降水量与SOC含量呈正相关，表层SOC主要受气候影响，随着土壤深度增加，气候的影响逐渐减小[16]。本研究中，pH值的变异系数为1.56～2.14，属于小变异。本研究还发现，SOC含量与土壤pH值呈负相关，但Yao等却在对高尔夫草地的研究中发现SOC含量与土壤pH值呈正相关[17]，这是由于在碱性土壤中溶解性酚类浓度较高，降低了土壤中水解酶活性，从而削弱了DOC降解，促进碱性土壤中碳的积累。土壤微生物生物量碳与土壤有机碳之间存在显著的线性正相关性，相关系数r=0.726，这与以往研究结果[17]一致，因此为了弥补有机碳在反映土壤碳库变化时所表现的滞后性，可以通过监测SMBC的动态变化来及时掌握土壤总碳库的动态变化。

本研究探讨了不同植被类型、覆土厚度对煤矸石充填复垦区表层土壤有机碳分布的影响，但还需要进一步深入研究，以期找到最优的覆土厚度和最适宜的植被类型，以提高土壤肥力和增加复垦土壤碳固定。

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