高潛水位采煤沉陷區(qū)有機(jī)碳庫演替特征研究*

渠俊峰 張紹良 李 鋼 徐占軍

(1.中國礦業(yè)大學(xué)低碳能源研究院;2.中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪學(xué)院;3.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院)

高潛水位煤礦開采導(dǎo)致地表破壞、推移、變形、土壤侵蝕、沉積等現(xiàn)象，形成深淺不等、大小不一的沉陷積水、季節(jié)性積水區(qū)和大面積的坡面區(qū)，在降水、徑流、風(fēng)力等因素的作用下，由陸地生態(tài)環(huán)境演變?yōu)樗鷳B(tài)環(huán)境，形成水陸相互作用的自然綜合體［1］。2002年國際濕地公約對(duì)濕地進(jìn)行了明確定義:濕地系指天然、人工或暫時(shí)之沼澤地、濕地、泥碳地或水域地帶，具有或靜止、或流動(dòng)、或淡水、半咸水或咸水水體者，包括低潮時(shí)不超過6 m的水域。煤礦開采破壞地表的同時(shí)也擾動(dòng)了礦區(qū)水資源的時(shí)空賦存條件，高潛水位采煤沉陷后出現(xiàn)大面積積水，煤礦區(qū)通常采用疏排積水結(jié)合煤矸石、粉煤灰充填和土方挖填等措施復(fù)墾新增耕地，但采煤沉陷區(qū)將仍存在一定的常年積水區(qū)，這部分區(qū)域符合濕地的定義和特征。一般來說，濕地是由植物、動(dòng)物、微生物等生物要素和陽光、水分、土壤等非生物要素組成的生態(tài)系統(tǒng)，具有顯著的生態(tài)“碳匯”功能［2］。對(duì)于森林生態(tài)系統(tǒng)碳匯方面的研究成果較多，但對(duì)于沼澤、湖泊和河流等各類濕地生態(tài)系統(tǒng)碳匯進(jìn)行系統(tǒng)研究的較少，并且一些濕地生態(tài)系統(tǒng)作為陸地生態(tài)一部分，其碳循環(huán)尚未納入陸地溫室氣體平衡的評(píng)估中［3-4］。本研究以徐州九里采煤沉陷區(qū)作為研究對(duì)象，對(duì)于未沉陷區(qū)域、未積水坡面區(qū)、積水坡面區(qū)和常年積水區(qū)的土壤有機(jī)碳密度進(jìn)行分析，為促進(jìn)經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益協(xié)調(diào)發(fā)展提供參考。

1 采煤沉陷區(qū)形成及其碳循環(huán)過程

1.1 采煤沉陷區(qū)濕地形成及治理

高潛水位煤礦持續(xù)開采導(dǎo)致地形、地貌的變化，同時(shí)也改變了原有的地表徑流方向等水文條件，采煤沉陷區(qū)水位長期低于沉陷區(qū)外防洪河道水位，由于積水強(qiáng)排工程措施成本高，并且復(fù)墾后新增耕地的產(chǎn)出能力較低，后期的積水排除管理不便。另外農(nóng)田的開墾一般會(huì)降低碳儲(chǔ)量［5-6］，過度地將沉陷積水區(qū)域復(fù)墾為旱地將會(huì)影響土壤有機(jī)碳分布［7］，所以一般不將采煤沉陷區(qū)大面積積水區(qū)域復(fù)墾成耕地，采煤沉陷區(qū)碳循環(huán)過程中 CO2交換通量(NEE)、生態(tài)系統(tǒng)呼吸、土壤呼吸均存在明顯變化［8］，沉陷積水區(qū)域作為景觀生態(tài)濕地進(jìn)行規(guī)劃和開發(fā)既可以發(fā)揮景觀功能，又可以實(shí)現(xiàn)碳匯的長期保持。保留采煤沉陷積水區(qū)的濕地特征不僅因地制宜、節(jié)約成本，而且還能充分發(fā)揮濕地涵養(yǎng)水源、凈化空氣、生態(tài)景觀和有利于生物多樣性等重要作用。徐州九里礦區(qū)、賈汪礦區(qū)和淮北礦區(qū)等一些高潛水位采煤沉陷區(qū)都規(guī)劃了生態(tài)景觀濕地公園。

1.2 采煤沉陷區(qū)“碳匯”、“碳源”轉(zhuǎn)換過程

采煤沉陷區(qū)碳循環(huán)過程除了土壤有機(jī)碳時(shí)空分布等產(chǎn)生了變化外，還包括沉陷區(qū)、坡面區(qū)植被初級(jí)生產(chǎn)力(NPP)形成過程和有機(jī)碳分解、排放過程，沉陷區(qū)“碳匯”、“碳源”轉(zhuǎn)換過程包括:①采煤沉陷區(qū)的植被通過光合作用和大氣中的CO2形成NPP，并且釋放CO2，植被殘?bào)w在微生物作用下分解轉(zhuǎn)化，分轉(zhuǎn)化成CO2、顆粒有機(jī)碳(POC)、簡單可溶性有機(jī)碳(DOC)，在微生物作用下形成基質(zhì)或直接氧化為CO2(HCO－3);②采煤沉陷區(qū)中土壤有機(jī)碳的變化取決于外源碳輸入量和土壤有機(jī)碳的分解量等，當(dāng)外源碳在分解過程中進(jìn)入土壤碳庫的分量大于土壤有機(jī)碳分解的損失量時(shí)，土壤有機(jī)碳增加，反之則減少，兩者相等時(shí)動(dòng)態(tài)平衡。采煤沉陷區(qū)水文條件等要素的改變影響了其好氧與厭氧環(huán)境，從而導(dǎo)致采煤沉陷區(qū)導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)物理及化學(xué)過程的變化［9-10］。采煤沉陷區(qū)濕地碳轉(zhuǎn)化過程見圖1。

圖1 煤沉陷區(qū)濕地碳循環(huán)過程

2 高潛水位采煤沉陷區(qū)碳密度變化分析

2.1 基本情況

徐州九里煤礦區(qū)屬于典型的平原高潛水位煤礦，該礦區(qū)投產(chǎn)時(shí)間在1960年，涉及張小樓、龐莊、東城、寶應(yīng)和王莊 5個(gè)煤礦，目前沉陷區(qū)面積1 064 hm2，目前大部分礦區(qū)沉陷趨于穩(wěn)定，2003年徐州九里采煤沉陷區(qū)被列為徐州市復(fù)墾重點(diǎn)工程項(xiàng)目并得到了實(shí)施，2005年徐州九里采煤沉陷區(qū)先后又進(jìn)行了水系調(diào)整、沉陷區(qū)公園規(guī)劃建設(shè)等?，F(xiàn)狀徐州九里采煤沉陷區(qū)面積分類見表1。

表1 徐州九里采煤塌陷地土地劃分 hm2

在完成徐州九里采煤沉陷土地復(fù)墾工程的基礎(chǔ)上，將低洼地帶、常年積水區(qū)域規(guī)劃為以生態(tài)修復(fù)和景觀功能為目標(biāo)的濕地，輔以蓄水、養(yǎng)殖和滯洪等功能，促進(jìn)了沉陷積水資源化利用。除了在207.66 hm2常年積水區(qū)域規(guī)劃了浮水植物、挺水植物和沉水植物外，在季節(jié)性積水等坡面區(qū)經(jīng)過復(fù)墾也發(fā)展了一些水土保持生物措施，抑制水土流失導(dǎo)致土壤養(yǎng)分的下降，徐州九里采煤沉陷區(qū)地類結(jié)構(gòu)分布見圖2。

圖2 徐州九里采煤沉陷區(qū)地類分布

2.2 采煤沉陷區(qū)土壤樣本采集

徐州九里煤礦開采過程較長，先后經(jīng)過了采煤前、采煤后和復(fù)墾前、復(fù)墾后4個(gè)階段，采煤沉陷區(qū)的生態(tài)環(huán)境和土壤有機(jī)碳時(shí)空分布狀態(tài)等具有一定的代表性，徐州九里采煤沉陷區(qū)土壤有機(jī)碳庫的演替和分布特征也趨于相對(duì)穩(wěn)定。煤礦開采前土壤有機(jī)碳的密度處于相對(duì)的穩(wěn)定狀態(tài)，但是采煤沉陷對(duì)于土壤出現(xiàn)了一定的擾動(dòng)，根據(jù)土壤有機(jī)碳密度變化的特征，來說明采煤沉陷區(qū)有機(jī)碳的時(shí)空分布受到的影響和應(yīng)該采取的增加碳匯的相關(guān)措施。徐州九里采煤沉陷區(qū)現(xiàn)狀地貌外高內(nèi)低，未沉陷區(qū)至沉陷洼地經(jīng)過坡面區(qū)過渡帶，從高到低依次為農(nóng)田、未積水坡面區(qū)、季節(jié)性積水坡面區(qū)、常年積水坡面區(qū)、沉陷洼地積水區(qū)。沉陷區(qū)地帶劃分見圖3所示。

圖3 沉陷區(qū)地帶劃分

土壤的取樣方法:①從沉陷邊緣到沉陷水域，由高到低每降低縱深度的20%作為取樣點(diǎn)，即在1個(gè)斜坡取樣共分5個(gè)點(diǎn)，其中HM 0～HM 20%坡面區(qū)Ⅰ、HM 20% ～HM 40%坡面區(qū)Ⅱ和HM 40% ～HM 60%坡面區(qū)Ⅲ為不積水坡面區(qū)采樣編號(hào)，HM 60%～HM 80%坡面區(qū)Ⅳ為季節(jié)性積水坡面區(qū)編號(hào)，HM 80%～HM 100%Ⅴ為常年積水區(qū)采樣編號(hào);②每一沉陷坡面共布置5個(gè)采樣點(diǎn)，每一組采樣點(diǎn)連線垂直沉陷區(qū)等高線，在沿沉陷區(qū)坡面均勻布置4組采樣點(diǎn)，共取20個(gè)樣本，在每個(gè)采樣點(diǎn)按照1～20 cm、20～40 cm、40～60 cm 分別采樣，4組沉陷區(qū)有機(jī)碳密度采樣測試分析結(jié)果取相同點(diǎn)號(hào)的加權(quán)平均值，對(duì)照田土壤樣本采自自然條件一樣的平整農(nóng)田。

2.3 土壤樣本的測試方法

土壤樣本測試的目的主要是研究土壤碳庫的變化，所以有關(guān)土壤碳庫影響的土壤理化性都要進(jìn)行測試、分析。①土壤容重:放入烘箱烘干24 h稱重。②有機(jī)質(zhì)含量:TFC－203PCB土壤有機(jī)質(zhì)測定儀測定。土壤有機(jī)碳含量和有機(jī)質(zhì)含量按照Bemmelen系數(shù)相互轉(zhuǎn)換。③土壤微生物活動(dòng)指數(shù):選用氯仿熏蒸法測定土壤微生物量，原理是將待測土樣經(jīng)氯仿熏蒸后，因熏蒸而死亡的微生物被后來加入的原土樣中的微生物分解而釋放出CO2，根據(jù)釋放的CO2量和微生物礦化常數(shù)計(jì)算出該土樣中的微生物量。④土壤孔隙度:采用公式法計(jì)算，土壤孔隙度=(1－容重/密度)×100。

2.4 土壤樣本測試結(jié)果

采煤沉陷區(qū)土壤有機(jī)碳庫空間密度的變化能夠說明其演變特征，根據(jù)采煤沉陷區(qū)各土壤樣本有機(jī)碳含量和土壤容重，計(jì)算不同類型區(qū)域單位面積的土壤有機(jī)碳密度OCj，計(jì)算公式為

式中，OCj是沉陷區(qū)第j個(gè)沉陷坡面的土壤有機(jī)碳密度(即PA M20% ～PA M100%，j=1～5);H是沉陷區(qū)土層厚度，0.4 m，取距表土約20 cm處土樣，其土壤理化性質(zhì)作為0～40 cm土層土壤理化性質(zhì)的平均值;ρi是沉陷區(qū)第j個(gè)沉陷坡面區(qū)的第i個(gè)取樣點(diǎn)的土壤容重;SOi是沉陷區(qū)第j個(gè)沉陷坡面區(qū)的第i個(gè)取樣點(diǎn)的土壤有機(jī)質(zhì)含量;(SOi)/1.724為沉陷區(qū)第j個(gè)沉陷坡面的第i個(gè)取樣點(diǎn)的土壤有機(jī)碳含量，1.724為Bemmelen轉(zhuǎn)換系數(shù)，即土壤有機(jī)質(zhì)和土壤有機(jī)碳之間的轉(zhuǎn)換系數(shù)。計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 沉陷區(qū)不同取樣點(diǎn)有機(jī)碳密度

2.5 土壤碳密度的變化討論

根據(jù)高潛水位采煤沉陷區(qū)不同地帶的土壤有機(jī)碳密度的測試結(jié)果，與未擾動(dòng)的對(duì)照田土壤有機(jī)碳密度進(jìn)行對(duì)照，其土壤有機(jī)碳庫的變化有如下特征:①采煤沉陷區(qū)中坡面區(qū)未積水區(qū)域3個(gè)測試點(diǎn)的土壤有機(jī)碳密度測試結(jié)果均小于對(duì)照田土壤有機(jī)碳密度，則說明在煤礦開采形成未積水坡面區(qū)的過程中土壤有機(jī)碳發(fā)生了流失;②季節(jié)性坡面區(qū)由于水位受季節(jié)的影響發(fā)生變化，會(huì)在不同的季節(jié)發(fā)揮“碳匯”和“碳源”的雙重角色，土壤有機(jī)碳的密度高于未積水區(qū)域的坡面區(qū)和對(duì)照田，其總體的土壤有機(jī)質(zhì)分解率小于碳積累的速率，“碳匯”作用略微明顯;③常年積水區(qū)的土壤有機(jī)碳密度均顯著高出其他坡面區(qū)地帶和對(duì)照田，形成了較為顯著的“碳匯”，由于水文條件和地形、地貌條件的改變影響了采煤沉陷區(qū)有機(jī)碳密度的變化，在采煤沉陷區(qū)復(fù)墾中，從增加“碳匯”的角度進(jìn)行生態(tài)修復(fù)，需要對(duì)于積水區(qū)域進(jìn)行合理的規(guī)劃。

3 結(jié)論

高潛水位采煤沉陷區(qū)的復(fù)墾、治理過程中，目前已經(jīng)越來越多的考慮到生態(tài)的因素，隨著國家對(duì)生態(tài)文明建設(shè)的日益重視，生態(tài)文明建設(shè)也將是采煤沉陷區(qū)開發(fā)治理面臨的新課題。滿足復(fù)墾新增耕地和生態(tài)效益協(xié)調(diào)發(fā)展的要求，需要提高復(fù)墾質(zhì)量和增加沉陷區(qū)的“碳匯”功能。根據(jù)徐州九里采煤沉陷區(qū)土地復(fù)墾兼濕地規(guī)劃治理的實(shí)證研究，增強(qiáng)采煤沉陷區(qū)“碳匯”功能的措施如下。

(1)采煤沉陷區(qū)水系理順。理順采煤沉陷區(qū)地表水系不僅僅是土地復(fù)墾的首要條件，也是采煤沉陷區(qū)確保相應(yīng)的水量、不發(fā)生陸化的重要條件。應(yīng)最大限度攔蓄降水、地表徑流、客水、土壤滲水等，滿足水資源循環(huán)過程中的滲漏、蒸發(fā)、生態(tài)耗水等，確保采煤沉陷區(qū)水位、水量相對(duì)穩(wěn)定，減少采煤沉陷區(qū)土壤有機(jī)碳的分解速率。

(2)加強(qiáng)坡面區(qū)的水土保持工程。由于采煤沉陷造成大面積的斜坡，在降水徑流和重力的作用下其保水、保肥性能較差。由于重力作用和地表徑流等影響，使土壤中一些可溶性有機(jī)碳流失，降低了土壤有機(jī)質(zhì)含量。根據(jù)土壤樣本的有機(jī)碳庫密度分析，坡面區(qū)土壤樣本測試有機(jī)碳含量中顯示低于對(duì)照的平整田塊，其土壤有機(jī)碳流失非常顯著，從客觀上降低了坡面區(qū)生產(chǎn)能力，需要強(qiáng)化坡面區(qū)水土保持工程，增強(qiáng)地表植被的覆蓋率，抑制坡面區(qū)地表水土流失，有效保護(hù)整個(gè)采煤沉陷區(qū)的產(chǎn)出能力。

(3)完善采煤沉陷區(qū)水域的植被規(guī)劃。采煤沉陷區(qū)季節(jié)性積水和常年積水區(qū)符合濕地的定義和特征，并且發(fā)揮了“碳匯”的生態(tài)功能。濕地植被群落作為生態(tài)景觀的重要因子，除了應(yīng)考慮其景觀要素外，還要綜合考慮其采煤沉陷區(qū)生態(tài)修復(fù)過程中的作用。應(yīng)根據(jù)景觀需求、生態(tài)修復(fù)目標(biāo)增加和完善采煤沉陷區(qū)的植被生物量，按照水面的空間梯度分別布局沉水植物帶、浮水植物帶、挺水植物帶。

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