露天煤礦排土場復墾土地土壤有機碳的動態(tài)變化

劉偉紅 王金滿，2 白中科，2 張耿杰

(1.中國地質(zhì)大學土地科學技術學院，北京 100083；2.國土資源部土地整治重點實驗室，北京 100035；3.云南農(nóng)業(yè)大學國土資源科學技術工程研究中心，云南 昆明 650201)

露天煤礦排土場復墾土地土壤有機碳的動態(tài)變化

劉偉紅1王金滿1，2白中科1，2張耿杰3

(1.中國地質(zhì)大學土地科學技術學院，北京 100083；2.國土資源部土地整治重點實驗室，北京 100035；3.云南農(nóng)業(yè)大學國土資源科學技術工程研究中心，云南 昆明 650201)

為探討黃土區(qū)露天煤礦復墾土壤剖面有機碳的動態(tài)變化，以山西平朔露天煤礦排土場不同復墾階段的耕地、林地和草地為研究對象，通過野外分層采集土樣，探討了不同復墾方向土壤有機碳含量的剖面分布特征及其與土壤pH值、全氮和w(C/N)的相關關系。結(jié)果表明：土壤有機碳的剖面分布隨土壤深度和復墾方向的變化而變化，不同復墾方向土壤有機碳的垂直分布表現(xiàn)出一定的規(guī)律性，即隨著土層深度的增加而逐漸遞減；與未復墾的排土場相比，復墾2 a和18 a的耕地表層土壤有機碳含量分別增加22.73%和46.06%，復墾18 a和22 a的林地土壤有機碳含量分別增加38.86%和29.55%，復墾14 a的草地土壤有機碳含量增加30.96%，而復墾18 a的草地土壤有機碳含量變化不大；礦區(qū)3種復墾方向土壤有機碳含量整體表現(xiàn)為：林地>耕地>草地；復墾后的耕地土壤有機碳與全氮含量之間有顯著的正相關性，相關系數(shù)R=0.642，林地和草地土壤有機碳含量與全氮之間有極顯著的正相關性，相關系數(shù)R≥0.812；不同復墾方向土壤有機碳與w(C/N)的相關性都極為顯著，相關系數(shù)≥0.679；耕地和林地土壤有機碳含量與pH具有明顯的負相關性，相關系數(shù)分別為-0.685和-0.723，而草地土壤有機C含量與土壤pH沒有明顯的相關性。本研究可為黃土區(qū)露天煤礦排土場土地復墾與生態(tài)重建提供一定的借鑒和參考。

土壤有機碳 復墾方向 垂直分布 動態(tài)變化 露天煤礦 排土場

土壤碳庫是地球表面最大的有機碳庫，以有機質(zhì)形態(tài)儲存于土壤中的碳大約是植被中的3倍。因此，土壤有機碳庫的微小變化可顯著地引起大氣中二氧化碳濃度的變化[1-3]。隨著全球變化研究的深入，土壤碳固定問題已成為陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)研究的熱點問題[2-3]。土壤有機碳既可能是大氣碳匯也可能是碳源[4]，其動態(tài)變化是土壤有機碳輸入與輸出之間平衡的結(jié)果。目前國內(nèi)外對不同土地利用方式土壤有機碳庫的含量、形態(tài)、動態(tài)過程、調(diào)控機理及其影響因素等已經(jīng)做了很多研究[5-8]，李新宇等[5]研究得出防護林土壤有機碳(SOC)最高，草地SOC最低。邵華等[6]研究了江西省不同農(nóng)業(yè)土地利用方式下的SOC，發(fā)現(xiàn)農(nóng)業(yè)土地利用方式下表層SOC一般為菜地>稻田>有林地>旱地>荒草地。Li和Zhao[7]對中國熱帶、亞熱帶地區(qū)不同土地利用方式下SOC含量及儲量進行了估算，發(fā)現(xiàn)不同土地利用方式下SOC儲量有較大差異。王小利等[8]研究發(fā)現(xiàn)黃土丘陵區(qū)林地全氮含量比農(nóng)地高89.4%。

當前針對不同利用方向SOC變化的研究主要集中在原地貌上，而針對礦區(qū)排土場不同復墾方向SOC的動態(tài)變化研究較為缺乏。礦區(qū)在露天開采以及復墾過程中，土壤的剝離和擾動改變了原地貌土壤的構(gòu)造，并將不同物質(zhì)重新組合，導致不同復墾方向SOC的變化規(guī)律是有差異的，但目前對這些差異并不清楚。為了探討復墾地SOC的剖面變化規(guī)律，本研究借助SPSS軟件和統(tǒng)計分析技術，對山西平朔礦區(qū)不同復墾方向的SOC、土壤剖面上分布的差異及其與土壤pH值、全氮、w(C/N)的相關關系及各系統(tǒng)碳動態(tài)進行了對比，這對了解復墾前后土壤碳吸存狀況、確定合理的復墾方向、減排溫室氣體等具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

平朔礦區(qū)位于山西省北部，朔州市平魯區(qū)境內(nèi)，其地理坐標為東經(jīng)112°10′58″～113°30′，北緯39°23′～39°37′。平朔礦區(qū)屬于黃土高原與北方土石山區(qū)接壤地帶，西北沿長城與內(nèi)蒙古自治區(qū)接壤，西南與本省忻州地區(qū)相鄰，東連山陰縣，北接右玉縣，礦區(qū)總面積380 km2，保有地質(zhì)儲量112.21億t，其中包含特大型露天礦3個，分別是安太堡露天煤礦、安家?guī)X露天礦和東露天礦。另外，還有井工礦13個[9]。本區(qū)域海拔高度1 300～1 400 m，年均溫6.2 ℃，年均降雨量450 mm，年均蒸發(fā)量2 160 mm，年均風速2.3～4.7 m/s。平朔礦區(qū)屬黃土高原東部生態(tài)脆弱區(qū)，地帶性土壤為黃綿土和栗鈣土，地帶性植被類型屬于干草原植被。

采礦活動改變了礦區(qū)的土壤環(huán)境，損毀了土壤有機碳物理保護層，造成土壤中大量的碳釋放到大氣中，進而影響了土壤C、N循環(huán)，導致礦區(qū)生態(tài)環(huán)境日趨惡化。為了恢復礦區(qū)生態(tài)環(huán)境，促進礦區(qū)經(jīng)濟與環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展，近年來，平朔礦區(qū)通過合理的“采、運、排、復墾一條龍”作業(yè)法，徹底改善了礦區(qū)的環(huán)境形象，到2011年安太堡礦已復墾排土場37.69 hm2，南排與西排土場已經(jīng)進行植生態(tài)恢復。目前礦區(qū)已復墾的2 000 hm2土地，生長著良好的牧草和樹木[10]。

2 材料與方法

2.1 樣品的采集與測試

根據(jù)現(xiàn)場踏勘，結(jié)合復墾年限在平朔礦區(qū)及其周邊取原地貌和復墾后的耕、林、草地共9塊樣地，另外選擇1個新形成但還未種植的排土場作為對照。每塊樣地10 m×10 m，在每個樣地中選取3個大小為1 m×1 m的樣點，除去枯枝落葉層后，挖取土壤剖面，每個剖面分5層(0～10、10～20、20～30、30～40和40～50 cm)采集土壤樣品，并觀察剖面特征。原地貌的耕地和林地在丘陵地帶采樣，原地貌草地在山前緩坡平原區(qū)采樣。復墾耕地按照復墾的初期(S3)和后期(S2)選擇了2塊采樣地；復墾林地在復墾中后期選擇了2塊采樣樣地(S5、S6)；復墾草地依據(jù)地形在排土場的平臺(S8)和邊坡(S9)處各選擇了1塊樣地。采樣過程中應用GPS對每個地塊準確定位，并現(xiàn)場記錄每個地塊的基本情況，各采樣地的基本信息見表1。

表1 采樣地基本信息Table 1 Information of the studied soil profiles

土壤樣品采集后，將各樣點的土樣按照層次進行分層混合，然后用四分法取出足夠樣品，自然風干后磨碎過2 mm孔徑的土壤篩，測定其SOC、pH值和全氮含量。SOC采用重鉻酸鉀-水合加熱法測定，土壤pH值采用電位法測定，全氮采用凱氏半微量定氮法測定[11]。

2.2 數(shù)據(jù)分析

為了分析不同復墾方向SOC與全氮、w(C/N)、pH的相互關系，采用SPSS13.0和Excel的回歸分析方法對SOC與全氮、w(C/N)、pH的相關性進行分析處理，文中各圖表示多次重復實驗的平均值。

3 結(jié) 果

3.1 不同復墾方向SOC分布特征

SOC的變化是不同利用方向下土壤質(zhì)量演變的主要標志，礦區(qū)SOC受復墾方向、排土模式、耕作制度、地形、不同經(jīng)營管理措施等多種因素影響。其中，土地利用方向強烈地影響著SOC的輸入和輸出[12]，從而影響了SOC。因此，不同復墾方向的SOC在土壤剖面的分布規(guī)律應該是有差異的。

3.1.1 耕 地

耕地復墾前后SOC分布見圖1。從圖中可以看出耕地SOC集中分布于0～30 cm，這主要是因為植被根系集中在0～30 cm，這直接影響SOC的垂直分布[13]。復墾18 a和2 a的耕地SOC剖面分布均呈現(xiàn)折線型，復墾的耕地在20～30 cm SOC均高于0～10 cm的，可能是由于農(nóng)田耕翻措施將表層0～10 cm植物殘體翻入亞表層，增加了地表枯落物中C素向土壤的輸入所致。在垂直方向上，隨著土層深度的增加，SOC總體表現(xiàn)為下降的趨勢，不同層次SOC自上而下差異變小，分層不明顯。在0～30 cm土層，復墾2 a和18 a的耕地SOC平均含量分別比未復墾的排土場高22.73%(p<0.05)和46.06%(p<0.01)，表明耕地土壤剖面不同層次SOC隨著復墾年限的增加而呈現(xiàn)增大的趨勢。

圖1 耕地剖面SOC垂直分布Fig.1 Contents of SOC distribution in farmland profiles◆—S1；●—S2；▲—S3；■—S10

3.1.2 林 地

林地復墾前后SOC分布見圖2。原地貌林地的SOC在表層最高，在垂直方向上，復墾林地SOC剖面分布呈折線型，不同層次SOC的表現(xiàn)為0～10 cm>20～30 cm>10～20 cm>30～40 cm>40～50 cm。隨著土壤深度增加SOC在上層土壤中減小幅度較大，到一定深度后SOC變化趨緩，這可能由于林地植被枯落物較多，表層SOC積累與分解的速率變化較大，而低層土缺氧，碳含量變化較小[7]。在0～50 cm土層，復墾18 a和22 a的林地SOC平均含量均低于原地貌林地，比未復墾的排土場分別高38.86%(p<0.01)和29.55%(p<0.05)。林地土壤剖面的SOC并未表現(xiàn)出隨著復墾年限的增加而增大，可能是因為相對復墾22 a的楊樹來說，復墾18 a的林地種植的是喬灌草混交林，喬灌草混交林有很強的適應性、生長快、凋落物多，對增加土壤碳固存有很大的作用。

圖2 林地剖面SOC垂直分布Fig.2 Contents of SOC distribution in forestland profiles◆—S4；●—S5；▲—S6；■—S10

3.1.3 草 地

草地復墾前后SOC分布見圖3。原地貌草地的SOC平均含量遠遠高于未復墾的排土場和已復墾的草地，復墾的草地SOC在剖面上的分布具有一定的差異性，平臺處復墾18 a的草地SOC分布規(guī)律性不強，而邊坡處復墾14 a的草地的SOC在10～20 cm處達到最大值，隨后沿著土層深度呈現(xiàn)折線遞減趨勢。與未復墾的排土場相比，復墾14 a的草地在0～50 cm SOC高30.96%(p<0.05)，而復墾18 a的苜蓿地SOC變化不大。說明草地的SOC并未表現(xiàn)出隨著復墾年限增加而逐漸增加的趨勢。可能是因為復墾18 a紫花苜蓿受土壤擾動和人為刈割頻繁，使得地表植被凋落物大大減少。同時，人為刈割會增加土壤呼吸作用[16]，加速了SOC的消耗。

3.2 不同復墾方向SOC與土壤理化特性的相關性分析

3.2.1 全 氮

土壤氮素是植物生長發(fā)育所必須的營養(yǎng)元素之一，全氮水平不僅能衡量土壤供氮能力的高低，還能反映土壤氮素總量和植物有效氮素供給的源和庫[14]。對不同復墾方向SOC和全氮含量進行相關分析(圖4)。兩者的回歸分析表明，復墾后的耕、林、草地SOC均與全氮呈顯著正相關，相關系數(shù)分別為0.642(p<0.05)、0.894(p<0.01)和0.812(p<0.01)，可見關聯(lián)度都很高。因此，表明在復墾后土壤氮素水平對土壤碳固定有正效應。

圖3 草地剖面SOC垂直分布Fig.3 Contents of SOC distribution in grassland profiles◆—S4；●—S5；▲—S6；■—S10

圖4 不同復墾方向SOC與土壤全氮的關系Fig.4 The relationship between SOC and total nitrogen under different reclamation directions

3.2.2 w(C/N)

在一定程度上，土壤中的氮素大體上決定了SOC含量，土壤碳的保持在很大程度上決定于土壤氮素的水平[15]。礦區(qū)土壤的w(C/N)受到水熱條件和人類活動的綜合影響，如排土場的堆墊模式、復墾方向、施肥手段和管理措施等都會影響到w(C/N)[15]。對復墾后的耕地、林地、草地SOC與w(C/N)之間作相關分析(圖5)，發(fā)現(xiàn)不同復墾方向SOC與w(C/N)的相關性都極為顯著(p<0.01)，相關系數(shù)分別為0.728、0.882和0.679。即隨著w(C/N)的增加，SOC也增加。因此，針對礦區(qū)復墾地SOC較低的問題，可通過施肥來增加土壤N元素含量從而提高SOC，增加土壤碳固存。

3.2.3 pH

土壤pH值是土壤的一個基本性質(zhì)，是植物生命活動所需的養(yǎng)分和能量的源泉。它直接影響著土壤中各種元素的存在形態(tài)、有效性及遷移轉(zhuǎn)化過程[16]，還可以通過影響微生物的活動而影響土壤對C、N的固定和累積能力。通過對復墾后的耕地、林地和草地SOC和pH作相關分析(圖6)，得出復墾的耕地和林地SOC與pH均呈顯著的負相關，相關系數(shù)分別為-0.685(p<0.01))和-0.723(p<0.01)，而草地的SOC與pH沒有明顯的相關性。

圖5 不同復墾方向SOC含量與w(C/N)的關系Fig.5 The relationship between SOC and w(C/N) ratio under different reclamation directions

4 討 論

4.1 不同復墾方向?qū)OC的影響

為進一步研究復墾方向?qū)OC的影響，選取復墾年限相同的耕地、林地、草地和未復墾的排土場進行了SOC比較(圖7)。復墾的耕地、林地和草地的SOC相比較于未復墾的排土場都有所提高，這充分說明了采礦活動排放出來的碳能通過合理的復墾措施而被重新吸收到土壤中，使土壤中的碳匯量得到一定程度的恢復。未復墾排土場的SOC除表層0～10 cm最低外，其余深度含量變化不大。這主要是由于未復墾排土場土壤緊實、保水、透氣性差，C周轉(zhuǎn)基本處于平衡狀態(tài)。不同復墾方向SOC分布規(guī)律基本一致，SOC垂直分布集中于0～20 cm土層，其含量隨著深度的增加呈減少趨勢，這與許多其他研究結(jié)果一致[7-9,13,15]。這可能是因為SOC的變化取決于其輸入和輸出的相對關系，表層SOC的重要來源是大量的地表枯落物[5-6,17]，而且表層土壤通氣性、結(jié)構(gòu)性好，利于有機碳的積累；而隨著土層加深，植物根系分布較少，有機物輸入量減少，土壤通氣性明顯下降，微生物較少，養(yǎng)分循環(huán)較慢，因而深層SOC顯著低于表層。

圖6 不同復墾方向SOC含量與pH的關系Fig.6 The relationship between SOC and pH under different reclamation directions

圖7 不同復墾方向SOC剖面分布Fig.7 Contents of SOC in soil profiles under different reclamation directions◆—S2；●—S6；▲—S8；■—S10

在同一土壤深度不同復墾方向下的SOC比較一般為林地>耕地>草地。林地最高，這可能是因為SOC主要取決于植被每年的歸還量和分解速率[18]，而平朔礦區(qū)的林地的植被扎根較深，林下地表凋落物豐富，相應地表現(xiàn)出地表養(yǎng)分的富集。許多研究表明，森林變成農(nóng)田或草地后SOC將發(fā)生一定程度的變化(下降40%左右)[19]。本研究表明，林地轉(zhuǎn)變成耕地以后，SOC平均下降幅度比上述研究結(jié)果低30%左右，這主要是由于耕地在植物生長過程中采取了耕作、施肥和農(nóng)作物秸稈還田等經(jīng)營措施補充土壤養(yǎng)分的消耗，土壤氮素富集促進SOC的恢復，最終使耕地SOC高于受人類活動干擾較強的草地。相比之下，耕地和草地SOC隨土層加深而變化幅度較小，林地隨土層加深而遞減的幅度較大，這可能因為林地根系在土壤表層分布多且復雜，且林地SOC分解速度比耕地和草地慢，而耕地和草地植物的根系分布淺，SOC輸入量少[20]。

4.2 不同復墾方向增加土壤碳匯的主要措施

不同復墾方向下SOC的消長變化趨勢與全氮含量、w(C/N)的變化具有高度依存性，這與以往的大量研究結(jié)果一致[5-6,23]，這種正相關可能是主要過土壤微生物建立起來的。因此，可通過人工施肥來改變土壤中氮素含量從而提高SOC的含量。已有研究[18-19]表明，隨著土壤pH值的下降，微生物活性減弱，致使SOC周轉(zhuǎn)下降，表現(xiàn)為土壤的碳積累，SOC與土壤pH值存在明顯負相關。本研究通過對土壤pH值與SOC進行相關性分析，驗證了復墾后的耕地和林地SOC與pH有顯著的負相關關系，而pH對復墾草地SOC的影響不顯著，可能是因為復墾土壤的pH值受復墾的物質(zhì)來源、排土模式、植物種類、凋落物量、土壤微生物環(huán)境、地形及人為干擾的綜合影響。

從整體上看，該區(qū)域內(nèi)的全氮含量、SOC本身較低，且土壤偏堿性，這種情況下會使得植物可直接利用的氮素缺乏，而土壤中的氮素含量是土壤碳固定的重要土壤因素，因此在后續(xù)的復墾中可以加強對全氮和SOC的動態(tài)監(jiān)測，采取主動的管理方式和積極的施肥措施以提高復墾土壤中全氮水平，在提高植被的生長量和生產(chǎn)力的同時，也能提高土壤微生物的活性，加速SOC的分解，從而增強土壤碳庫的儲碳能力，滿足植物生長的需要，加快復墾的進程。

5 結(jié) 論

(1)復墾方向在一定程度會導致SOC的差異，相比較于未復墾的排土場，各個復墾方向的SOC均有提高，整體來看，林地土壤固碳效果較好。不同復墾方向SOC分布規(guī)律基本一致，即隨著土壤深度增加而降低。

(2)全氮、w(C/N)、pH等因素均影響復墾SOC，不同復墾方向SOC與全氮、w(C/N)均存在顯著線性正相關，即隨著全氮、w(C/N)含量的增加，復墾土壤的SOC也增加。復墾后的耕地、林地SOC與pH存在極顯著地負相關性，而復墾的草地SOC與pH沒有明顯的相關關系。

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(責任編輯 徐志宏)

Soil Organic Carbon Dynamics of Reclaimed Soils at an Opencast Coal Mine

Liu Weihong1Wang Jinman1，2Bai Zhongke1，2Zhang Gengjie3

(1.CollegeofLandScienceandTechnology，ChinaUniversityofGeosciences，Beijing100083，China; 2.KeyLaboratoryofLandConsolidationandLandRehabilitationMinistryofLandandResources，Beijing100035，China；3.ScienceandTechnologyEngineeringResearchCenterofLandandResources，YunnanAgriculturalUniversity，Kunming650201，China)

To reveal the dynamics of organic carbon in the soil profiles of a open-pit coal mine in loess area，and taking the farmland，woodland and grassland in different reclamation phase in Pingshuo mine dump as research targets，the profile distribution of soil organic carbon (SOC) and its relationships with soil pH，total nitrogen andw(C/N) under different reclamation directions were studied.The results indicated: the profile distribution of SOC varies with soil depth and reclamation direction; the SOC vertical distribution in different reclamation directions exhibits a certain regularity，that is，the organic carbon content decreased with the increase of soil depth; Compared with the dump not being reclaimed，the surface SOC content of farmland that reclaimed for 2 years and 18 years，increased 22.73% and 46.06% respectively，the woodland reclaimed for 18 and 22 years increased 38.86% and 29.55%,the grassland reclaimed for 14 years increased 30.96%,while grassland reclaimed for 18 years changed slightly; the sequence of the organic carbon contents in different reclamation directions from high to low is generally as follows，woodland，farmland and grassland；Significant and positive correlations were found between SOC and total nitrogen under different reclamation directions withR=0.642 in farmland,R≥0.812 in forestland and grassland;SOC are in extremely significant and positive correlation withw(C/N)，with the correlation coefficient greater than or equal to 0.679;SOC content in farmland and woodland have a significant negative relationship with pH，(withR=-0.685 in farmland,R=-0.723 in forestland)，while SOC and pH under grassland has no significant correlation.This study can provide a certain reference for land reclamation and ecological reconstruction of opencast coal mine in Loess area.

Soil organic carbon，Reclamation direction，Vertical distribution，Dynamic change，Opencast coal mine，Dump

2013-11-03

國家自然科學基金項目(編號：41271528)。

劉偉紅(1989—)，女，碩士研究生。

X38

A

1001-1250(2014)-03-141-06