采煤塌陷區(qū)土壤碳儲量變化及其影響因素分析

史娜娜，韓 煜，王 琦，寇 許，全占軍（.中國環(huán)境科學研究院，北京000；.中煤科工集團 北京華宇工程有限公司，北京000）

土壤圈具有陸地生態(tài)系統(tǒng)最大的碳庫，是大氣碳庫的2倍，陸地植被碳庫的2～3倍。由于土壤碳儲量巨大，其較小幅度的變化就可明顯影響到土壤碳向大氣的排放，因而在全球碳循環(huán)中至關重要，影響全球氣候變化過程、陸地生態(tài)系統(tǒng)的結構和功能。土壤碳一方面直接影響著全球碳平衡；另一方面，土壤碳可以改善土壤結構，提高土壤肥力，是植物和各種微生物的重要可利用碳源，對于其生長和活動具有重要影響［1－2］。因此，它一直是土壤領域研究的熱點問題之一。

采煤塌陷引起一系列的地質(zhì)環(huán)境問題，如地表塌陷、形成地表移動盆地、產(chǎn)生地裂縫、引起地下水位上升、改變土壤結構、養(yǎng)分及理化性狀等［3－4］。采煤塌陷地的存在具有普遍性，而我國耕地面積少，土地資源嚴重不足，因此，采煤塌陷地的綜合利用與生態(tài)恢復重建工作具有重要意義。已有研究多局限于采煤地表沉陷引起的地形地貌改變［4－6］、土壤理化性質(zhì)變化［7－9］，以及群落 多 樣 性 變 化 等［10－11］。 不 同 學 者 因 地貌類型及研究尺度的不同，研究結論差異較大。采煤塌陷對土壤碳庫的擾動是煤炭開采生態(tài)影響研究的熱點之一，已有研究對采煤塌陷這種強烈擾動下土壤碳儲量變化特征及其影響因素缺乏認識，特別是在西北半干旱地區(qū)，生態(tài)系統(tǒng)脆弱，土壤是生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的物質(zhì)基礎［12］，土壤元素的循環(huán)與平衡［13－14］，特別是土壤碳的變化，直接影響著生態(tài)系統(tǒng)的結構穩(wěn)定和功能發(fā)揮，導致不能從根本上對半干旱采煤沉陷區(qū)的生態(tài)修復問題提出實質(zhì)措施。因此，本文以陜西省神木縣大柳塔礦區(qū)為例，分析采煤塌陷前后土壤碳儲量的變化，繼而采用因子分析提煉引起其變化的影響因素，在此基礎上，采用相關分析和回歸分析揭示二者之間的關系，以期為采煤塌陷區(qū)土壤改良和土地資源利用提供參考。

1 材料及方法

1.1 試驗樣地情況

試驗研究樣地選擇在大柳塔礦區(qū)，該區(qū)位于烏蘭木倫河流域煤炭資源開發(fā)最強烈的地區(qū)，行政區(qū)劃上屬于陜西省神木縣，東經(jīng)109°33′—110°10′，北緯39°01′—39°30′，北有毛烏素沙地，南有黃土高原，是風沙地貌向黃土丘陵地貌的過渡帶，同時也是典型草原向荒漠草原過渡的半干旱地帶。這一地區(qū)屬于暖溫帶典型草原區(qū)，代表群系為本氏針茅草原。區(qū)內(nèi)海拔900～1 200m，年蒸發(fā)量高達1 753.8mm，年平均降水量362mm，主要集中在6—9月份，年際與年內(nèi)降水分配極不均勻。研究區(qū)地帶性土壤為淡栗鈣、栗鈣土和灰鈣土，由于風蝕沙化嚴重，沙丘、沙梁、灘地相間分布。硬梁地以針茅（StipacapillataLinn.）、百里香（ThymusmongolicusRonn）、達烏里胡枝子（Lespedezadavurica）以及禾本科（Poaceae）植物為主；流沙地以沙蒿（ArtemisiadesterorumSpreng）、豬毛菜（SalsolacollinaPall.）等為建群種。

該區(qū)煤炭資源儲量豐富，煤礦開采與生態(tài)保護之前的矛盾日益突出，屬于典型的生態(tài)脆弱區(qū)，目前尚缺乏對該區(qū)采煤塌陷后土壤碳儲量內(nèi)在變化機制的研究。為分析采煤塌陷對該區(qū)土壤碳儲量的影響，本文選擇一處沉陷區(qū)為研究對象，同時，選擇與沉陷地剖面狀況一致但未受沉陷影響的坡地作為對照區(qū)。

1.2 土壤樣本采集及處理

在已選定的沉陷區(qū)及對照區(qū)進行土壤樣品采集工作。在沉陷區(qū)和對照區(qū)分別選擇一個典型坡面（坡向、坡度及坡面結構相似），在坡面的坡頂、坡中、坡底分別設置3個10m×10m樣方，每個樣方內(nèi)再隨機設置3個1m×1m的小樣方。每個樣方內(nèi)除去枯枝落葉層后，以梅花形選取5個點，用土鉆按0—10，10—20，20—30，30—40，40—50，50—60cm 分層采集土壤樣品，將采集的土樣分層混合，密封后帶回實驗室內(nèi)，仔細除去其中可見植物殘體及土壤動物，一部分風干，一部分－10℃冷凍保存。每期土壤樣品數(shù)量為270個。

1.3 測定方法與數(shù)據(jù)處理

1.3.1 測定方法

（1）土壤物理指標：土壤含水量采用烘干法，土壤孔隙度采用土壤密度換算法。

（2）土壤化學指標：有機質(zhì)測定采用容量法，全氮測定采用開氏法，速效氮測定采用減解擴散法，全磷測定采用酸溶—鉬銻抗比色法，速效磷測定采用NaHCO3浸提—鉬銻抗比色法，全鉀測定采用HF消解—火焰光度計法，速效鉀測定采用NH4COOH浸提—火焰光度計法。

（3）土壤生物指標：土壤脲酶采用比色法，蔗糖酶采用3，5－二硝基水楊酸比色法，過氧化氫酶測定采用高錳酸鉀滴定法。

（4）土壤碳采用元素分析儀進行測試，利用酸化后的土壤樣品中的無機碳轉化為二氧化碳，在富含氧氣的載氣中加熱酸化后的土壤樣品至900℃以上，有機碳被氧化為二氧化碳的原理，進行土壤碳的測定。

（5）土壤碳儲量計算模型。土壤碳儲量是指區(qū)域范圍內(nèi)1m深度的土壤有機碳總質(zhì)量，單位為kgC。土壤碳儲量計算模型：

式中：SOCden——土壤有機碳密度（kg/m2）；SOC——有機碳含量（g/kg）；γ——土壤容重（g/cm3）；h——土層厚度；δ2mm——土壤顆粒尺寸大于 2mm 的百分數(shù)；SOCtden——土壤碳儲量（kgC）；S——研究區(qū)面積（m2）。

1.3.2 數(shù)據(jù)處理 本文在分析采煤塌陷對大柳塔礦區(qū)不同土層深度、不同坡位的土壤碳儲量變化的基礎上，采用因子分析法辨識影響土壤碳儲量的因子，并結合方差分析提取的采煤塌陷前后差異顯著的因子進行相關性分析，在此基礎上，利用回歸分析進一步揭示影響碳儲量變化的主導因子，以期為礦區(qū)土壤修復和生態(tài)恢復提供理論參考。

2 結果與分析

2.1 采煤塌陷區(qū)土壤碳儲量變化特征

2.1.1 不同土層深度土壤碳儲量垂直變化特征 在不同土層深度上，采煤塌陷前后土壤碳儲量（表1）表現(xiàn)出以下規(guī)律：（1）對照區(qū)和沉陷區(qū)均基本呈現(xiàn)從表層向底層遞減的趨勢，0—20cm遞減趨勢明顯，20—60cm遞減趨勢變緩。這與以往的研究結論基本一致［15］，只對照區(qū)在50—60cm土層出現(xiàn)小幅回升。原因可能是，各不同土壤剖面上覆植被狀況、土壤孔隙度、土壤養(yǎng)分含量等性質(zhì)均會影響到土壤碳儲量的垂直分布格局。（2）土壤碳儲量主要集中在土壤表層（0—20cm），占總量的45%以上，其余各層基本呈現(xiàn)均衡分布態(tài)勢。（3）通過對比分析發(fā)現(xiàn)，采煤塌陷后，0—10cm土層降低，10—20cm土層增加，土壤表層（0—20cm）在采煤塌陷前后差異不明顯。這表明該區(qū)采煤塌陷對土壤表層碳儲量影響不大。原因可能是，雖然地表錯動、地裂縫發(fā)育等擾動了該區(qū)原有的土壤—植被系統(tǒng)生態(tài)平衡，但新平衡的形成也在一定程度上彌補了這種損失。（3）經(jīng)方差分析發(fā)現(xiàn)，采煤塌陷前后土壤碳儲量在含量上差異不顯著（p＜0.05），但在不同土層深度的空間分布上差異顯著。從表1可以看出，沉陷區(qū)0—10cm，10—20cm，40—50cm，50—60cm土層變異系數(shù)差異較大。原因可能是，采煤塌陷后，地形地貌發(fā)生改變，在一定程度上干擾或破壞了原有的土壤—植被系統(tǒng)，進而影響了表土的理化性狀和自身的營養(yǎng)條件，進一步威脅到土壤養(yǎng)分和水分的保持，最終引起土壤物質(zhì)的移動和流向變化，土壤結構發(fā)生變化，從而造成采煤塌陷前后土壤碳儲量垂向分布差異顯著。

2.1.2 不同坡位土壤碳儲量變化特征 對不同坡位土壤碳儲量進行分析發(fā)現(xiàn)，對照區(qū)和沉陷區(qū)的土壤碳儲量均表現(xiàn)出坡底＞坡中＞坡頂?shù)囊?guī)律（表2）。采煤塌陷前后，土壤碳儲量含量差異不顯著，但沉陷區(qū)坡底和坡中的土壤碳儲量比對照區(qū)增加，表明采煤塌陷后，由于地表錯位、植被覆蓋度降低等原因，迫使土壤碳儲量自坡頂向坡底流失，導致坡底土壤碳儲量匯集。

方差分析發(fā)現(xiàn)，采煤塌陷對坡底部位的土壤碳儲量影響差異顯著（p＜0.05）。原因可能是，沉陷區(qū)坡底土壤碳儲量變化劇烈，采煤塌陷加劇了坡面土壤侵蝕程度，形成沉陷前后碳儲量的顯著差異。采煤塌陷后，坡中部位土壤碳儲量富集速率比沉陷前高42.3%，受沉陷垂直錯動影響，土壤結構松散，不利于地表植被的生長，土壤養(yǎng)分更易沿著覆巖冒落帶和裂縫處向下滲漏，造成沉陷后坡中部位植物中的碳向坡底轉移，使得坡底部位土壤碳儲量富集速率顯著提高。

表2 對照區(qū)和沉陷區(qū)不同坡位土壤碳儲量變異系數(shù)

2.2 土壤碳儲量與土壤性質(zhì)相關性分析

為了辨識采煤塌陷對土壤碳儲量影響的主要因子，選擇表征物理性質(zhì)（pH、土壤孔隙度、土壤含水率）、化學性質(zhì)（全氮、全磷、全鉀、有機質(zhì)、速效氮、速效磷、速效鉀）和生物性質(zhì)（土壤脲酶、蔗糖酶）的12項指標，采用因子分析方法提取主成分，進而辨識出主要影響因子，并計算其影響程度。

在累計貢獻率達到80%的前提下，根據(jù)主成分載荷矩陣（表3）分析發(fā)現(xiàn)，對照區(qū)的土壤碳儲量主要與全氮、全磷、有機質(zhì)、土壤孔隙度、土壤含水率、速效鉀、速效氮7個指標關系密切；沉陷區(qū)的土壤碳儲量主要與脲酶、蔗糖酶、土壤孔隙度、土壤含水率、pH、全氮6個指標關系密切。同時，就沉陷區(qū)和對照區(qū)的上述12個指標進行方差分析發(fā)現(xiàn)，土壤孔隙度、土壤含水率、全氮、全磷、有機質(zhì)差異顯著（p＜0.05）。綜合上述，選擇土壤孔隙度、土壤含水率、全氮、全磷、有機質(zhì)進行采煤塌陷對土壤碳儲量影響分析。

在提取主成分的基礎上，采用相關分析揭示土壤碳儲量與土壤性質(zhì)的關系（表4）。

（1）土壤孔隙度。大柳塔礦區(qū)主要為風沙土，該類型土壤結構性較差，而采煤塌陷產(chǎn)生的土體錯落加劇了該區(qū)土壤質(zhì)地、結構和有機質(zhì)含量等的破壞過程，使土壤孔隙度明顯增大，增強了其水熱交換能力、透氣能力、保水性能，有利于植被的生長。

由相關性分析結果可知（表4），土壤有機碳含量與土壤孔隙度呈現(xiàn)顯著正相關關系，相關系數(shù)達到了0.943（p＜0.01）。二者線性擬合分析結果顯示R2＝0.889 7（圖1a），說明土壤碳儲量隨土壤孔隙度的變化而變化。

（2）土壤含水率。采煤塌陷區(qū)的地表塌陷誘發(fā)土壤結構變化，如土壤孔隙度、土壤容重、層位的變化等，迫使土壤水分布隨之變化。對比采煤塌陷前后土壤含水率變化可知，采煤塌陷造成沉陷區(qū)土壤含水率顯著下降（p＜0.05）。由圖1b可知，土壤碳儲量與土壤含水率未在0.05水平上達到顯著負相關，但在0.1水平上為顯著負相關，且線性分析R2＝0.563 5，說明二者線性關系較明顯。有研究表明，較高的土壤含水率有利于土壤有機碳的分解，使土壤有機碳的積累量減少［15］，與本文研究結論一致。

表3 主成分載荷矩陣

表4 土壤碳儲量與土壤理化性質(zhì)相關性分析結果

（3）全氮。經(jīng)方差分析結果可知，采煤塌陷前后土壤全氮含量差異顯著（p＜0.05）。采煤塌陷后，沉陷區(qū)土壤碳儲量與土壤全氮呈現(xiàn)顯著正相關，相關系數(shù)為0.864（p＜0.01）。分析表明（圖1c），隨著土壤中全氮的增加，土壤碳儲量隨之增加，二者相關系數(shù)為0.746 2。這主要是因為土壤氮素富集可促進土壤碳的積累，土壤全氮主要以有機氮的形式存在于土壤有機質(zhì)中，揭示出土壤氮素水平對土壤碳固定具有正效應，即全氮含量是導致土壤碳儲量增加的誘因之一。土壤碳氮變化存在一定的關聯(lián)性，這與以往多數(shù)研究結論一致。

（4）全磷。采煤塌陷促使沉陷區(qū)的土壤全磷質(zhì)量分數(shù)比對照區(qū)增加了59.8%。這可能是由于土壤中存在較多的遲效性磷酸鹽，采煤塌陷使有機磷轉化受到影響，導致土壤中全磷不斷累積。雖然方差分析結果顯示，采煤塌陷前后土壤全磷含量差異顯著（p＜0.05），但在沉陷區(qū)進行土壤碳儲量與土壤全磷線性關系分析可知，二者線性關系并不明顯（圖1d）。

（5）土壤有機質(zhì)。大柳塔礦區(qū)的土壤有機質(zhì)主要集中在土壤表層（0—10cm），且未沉陷區(qū)土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)高于沉陷區(qū)。方差分析顯示，采煤塌陷前后，土壤有機質(zhì)含量差異顯著（p＜0.05）。由表4可知，采煤塌陷后，沉陷區(qū)土壤碳儲量與有機質(zhì)呈現(xiàn)顯著正相關關系（0.967），進一步進行線性分析發(fā)現(xiàn)（圖1e），二者R2＝0.953 3，二者的高度一致性表明采煤塌陷后，有機質(zhì)含量是影響土壤碳儲量分布的重要因素。

2.3 土壤碳儲量與土壤理化性質(zhì)的回歸分析

為了更加明晰大柳塔礦區(qū)采煤塌陷對土壤碳儲量的影響，對制約其變化的土壤理化性質(zhì)（土壤孔隙度、全氮、有機質(zhì)），應用回歸分析方程，辨識影響土壤碳儲量的主導影響因子，并計算各因子的影響程度。回歸分析方程如下：

y＝0.435x1＋0.05x2＋0.590x3＋4.133E－16

式中：y——土壤碳儲量；x1——土壤孔隙度；x2——全氮；x3——有機質(zhì)。

分析結果表明，F(xiàn)統(tǒng)計量為46.369，自由度為5，系統(tǒng)自動檢測的顯著性水平為0.05，回歸關系較顯著，因此，所建方程能夠客觀反映出采煤塌陷后土壤碳儲量與其影響因子之間的關系。

通過比較回歸方程標準化回歸系數(shù)發(fā)現(xiàn)，對大柳塔礦區(qū)采煤塌陷后土壤碳儲量影響最大的是土壤有機質(zhì)，其次是土壤孔隙度。土壤有機質(zhì)的含量在不同土壤中差異很大，在荒漠土和風沙土中含量低的不足1%或0.5%。采煤塌陷對該區(qū)土壤有機質(zhì)具有一定的破壞作用，該區(qū)風沙土結構松散，本身有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)低，沉陷區(qū)土壤孔隙度比對照區(qū)在不同土層深度均有不同程度的減少，孔隙度越大，土壤呼吸作用越強，土壤碳的轉化越快，土壤碳儲量隨之增加。

圖1 土壤碳儲量與土壤性質(zhì)相關性分析結果

3 結論與討論

在野外調(diào)查采樣，實驗室數(shù)據(jù)分析的基礎上，采用方差分析揭示了土壤碳儲量的空間差異，進而采用因子分析提取影響其變化的主因子，并采用相關分析這一數(shù)學計量方法揭示二者之間的關系，客觀反映了采煤塌陷對土壤碳儲量的影響。

在不同土層深度上，沉陷區(qū)和對照區(qū)土壤碳儲量基本呈現(xiàn)從表層向底層遞減的趨勢。土壤碳儲量在含量上差異不顯著（p＜0.05），但在不同土層深度的空間分布上差異顯著。在不同坡位上，對照區(qū)和沉陷區(qū)的土壤碳儲量均表現(xiàn)出坡底＞坡中＞坡頂?shù)囊?guī)律。方差分析發(fā)現(xiàn)，采煤塌陷對坡底部位的土壤碳儲量影響差異顯著（p＜0.05）。這與劉偉紅［15］、周瑞平［16］的研究結論一致。由此可見，采煤塌陷造成塌陷前后土壤碳儲量變化方向和速率的不一致性。不同土層深度、不同坡位土壤碳儲量會因土壤孔隙度、土壤含水率、土壤養(yǎng)分、植被、海拔等因素的差異而不同。

土壤碳儲量與土壤孔隙度、全氮、有機質(zhì)呈現(xiàn)顯著正相關關系，相關系數(shù)分別為0.943，0.864，0.967（p＜0.01）。這與蔡奎［17］、孟慶俊［18］等的研究結論一致。由此說明，土壤碳儲量與土壤性質(zhì)關系密切，可以根據(jù)其土壤性質(zhì)特點，因地制宜采取土壤整治措施，從而恢復該區(qū)土壤肥力，最終促進生態(tài)恢復。

采煤塌陷導致大柳塔礦區(qū)土壤碳儲量的時空差異，因此，后續(xù)研究中需要繼續(xù)加強時間序列上土壤碳儲量變化空間變異特征分析。此外，土壤碳儲量的大小受植被、氣候、土壤性質(zhì)、土地利用方式變化等多種自然因素和人文因素的綜合影響。已有的采煤塌陷對土壤碳儲量影響的研究，尚沒有普遍性、確定性結論。這是由土壤自身結構復雜，空間差異大，采樣方法、估算方法、研究尺度不一致造成的。今后，進行礦區(qū)碳儲量研究，應加大地面監(jiān)測力度，增加調(diào)查樣本數(shù)量，提高基礎數(shù)據(jù)精度，減少碳儲量研究中的不確定性，從而為礦區(qū)碳循環(huán)研究積淀基礎數(shù)據(jù)。

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