黃土丘陵區(qū)露天煤礦復墾排土場地形因子對土壤有機碳的影響*

王 平王金滿，2劉偉紅

（1.中國地質(zhì)大學（北京）土地科學技術學院，北京市海淀區(qū)，100083；2.國土資源部土地整治重點實驗室，北京市西城區(qū)，100035）

★節(jié)能與環(huán)保★

黃土丘陵區(qū)露天煤礦復墾排土場地形因子對土壤有機碳的影響*

王 平1王金滿1，2劉偉紅1

（1.中國地質(zhì)大學（北京）土地科學技術學院，北京市海淀區(qū)，100083；2.國土資源部土地整治重點實驗室，北京市西城區(qū)，100035）

為研究坡度、坡向和海拔等地形因子對黃土丘陵區(qū)露天煤礦復墾土壤有機碳空間分布的影響，選擇山西平朔礦區(qū)安太堡露天煤礦西排土場為研究對象進行土壤采樣，以1 m等高線圖為基礎圖件在GIS平臺下對等高線圖進行數(shù)字化處理生成DEM，并進行綜合分析，結(jié)果表明，黃土丘陵區(qū)復墾土壤有機碳含量與海拔呈負相關關系，但相關性不顯著；坡度與有機碳呈顯著單峰型曲線關系，二者擬合較好；坡向在一定程度上也會影響有機碳的空間分布，有機碳含量整體表現(xiàn)為：陰坡＜陽坡＜半陽坡＜半陰坡。

露天煤礦 土地復墾 地形因子 有機碳 黃土丘陵區(qū)

黃土高原地區(qū)煤炭資源豐富，大規(guī)模的煤炭開采破壞了該地區(qū)的地形地貌和水文生態(tài)等，為改善礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境，需對露天煤礦排土場進行地貌重塑、土壤重構(gòu)和植被恢復等活動。其中，對露天煤礦排土場進行地貌重塑后，會在一定程度上對土壤的多種特性產(chǎn)生影響，如土壤地貌重塑會通過影響地表養(yǎng)分資源的遷移與分配，進而影響土壤有機碳的積累和分解。因此，在科學準確的評價研究區(qū)域的植被恢復土壤固碳效應時，需要考慮因地形因子的差異而造成的土壤有機碳積累的差異。

當前關于地形因子對土壤碳匯的影響主要集中在原地貌上，針對復墾土地的較少。為彌補重構(gòu)土壤有機碳因地形條件不同而導致的空間異質(zhì)性方面的不足，以平朔安太堡煤礦西排土場為研究區(qū)域，研究地形因子對表層20 cm深的復墾土壤有機碳匯的影響。

1　材料與方法

1.1研究區(qū)概況

平朔礦區(qū)地處山西省北部，朔州市平魯區(qū)境內(nèi)，屬于典型的溫帶半干旱大陸性季風氣候，平均降水量為428.2～449.0 mm/a。礦區(qū)地帶性土壤為栗鈣土與栗褐土的過渡帶，土壤有機碳含量比較低，土壤質(zhì)量不高。平朔礦區(qū)位于低山丘陵帶，分布在黃土高原東部生態(tài)脆弱地區(qū)。山西平朔礦區(qū)安太堡露天煤礦西排土場所處地理位置為E112°18′39″，N39°29′15"，1985年開始排棄，于1992年復墾，復墾面積為308.18 hm2。西排土場構(gòu)筑的基底為疏水型，巖石土壤混合排棄，逐層堆疊、壓實，然后將黃土母質(zhì)直接覆蓋在地表上，由此形成了邊坡與平臺相間的大型人工堆積地形。

1.2樣品采集與測定

通過Arcgis軟件，對研究區(qū)1 m等間距的等高線圖和高程點進行數(shù)字化處理，生成數(shù)字高程模型（柵格2 m×2 m），對生成的DEM提取海拔、坡度和坡向地形因子。綜合分析DEM和World-View-2衛(wèi)星遙感影像，進行土壤采樣點預設。

根據(jù)研究區(qū)的實際情況總共設置63個采樣點，采集0～20 cm深的表層土壤，每個樣地設置3個重復，使用坡度儀來測量樣地的坡度，利用羅盤儀測定樣地的坡向，并且用GPS記錄每一個樣地所處地理位置的海拔高度。

首先挑去野外采集到的樣品中混雜的磚頭、瓦塊及樹根等侵入體，再采用四分法取樣后，過2 mm土壤篩，研磨樣品直至能夠通過100目土壤篩，然后使用重絡酸鉀外加熱氧化法來獲取土壤中有機質(zhì)的含量，最后把有機質(zhì)的含量轉(zhuǎn)換為有機碳的含量。采用國際上常用的0.58作為有機質(zhì)與有機碳之間的轉(zhuǎn)換系數(shù)。采用國際上通用的SPSS17.0統(tǒng)計分析軟件，對不同處理之間的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。

圖1　安太堡西排土場遙感影像和DEM土壤采樣分布圖

2　結(jié)果與分析

2.1坡度對土壤有機碳含量的影響

坡度是通過影響熱量及物質(zhì)的分配來影響土壤中養(yǎng)分的含量。根據(jù)研究區(qū)的實際情況，將坡度劃分為6個坡度等級，分別為＜2°、2°～6°、6°～15°、15°～25°、25°～35°和＞35°，其對應的坡度級分別是Ⅰ～Ⅵ級。在坡度與土壤有機碳的關系分析中，把各個坡度分級范圍內(nèi)所對應的有機碳均值作為有機碳數(shù)值。

把研究區(qū)的土壤有機碳的克里格差值圖和坡度圖進行疊加，輸出坡度與有機碳二者相對應的屬性數(shù)據(jù)庫，并進行坡度與土壤有機碳含量的相關性分析，二者的相關分析如圖2所示。從圖中可以看出，有機碳含量在各個坡度間存在著差異。坡度在0°～15°范圍內(nèi)，土壤有機碳隨坡度的增加呈上升的趨勢，在6°～15°坡度范圍內(nèi)達到最大值，為7.19 g/kg，之后出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，隨坡度的增大土壤有機碳含量逐漸減少，坡度＞35°時，有機碳含量出現(xiàn)最低值，為4.69 g/kg。對坡度和土壤有機碳進行曲線擬合，擬合曲線最終呈單峰型曲線，擬合公式為:

式中:x——坡度等級，級；

y——土壤有機碳含量，g/kg；

r——相關系數(shù)。

2.2坡向?qū)ν寥烙袡C碳含量的影響

對研究區(qū)的采樣點進行坡向的劃分，并且使用GPS來測定采樣點的方位，由此確定了東、南、西、北、西南、西北、東南和東北8個方向線，并且確定了四分區(qū)，分別為陽區(qū)、半陽區(qū)、半陰區(qū)和陰區(qū)。其中，西南方向線和東南方向線相夾的區(qū)域為陽區(qū)（135°～225°），西南方向線和西北方向線相夾的區(qū)域為半陽區(qū)（225°～315°），東南方向線和東北方向線之間的部分為半陰區(qū)（45°～135°），西北方向線和東北方向線之間的部分為陰區(qū)（0°～45°）和（315°～360°）。

圖2　坡度等級與土壤有機碳關系

圖3　采樣區(qū)坡向分類圖

分析土壤有機碳與坡向的關系時，把各個坡向分級范圍內(nèi)所對應的有機碳均值作為有機碳數(shù)值。4個不同坡向所對應的表層復墾土壤有機碳的含量見表1。從表中可以看出，復墾后表層的土壤有機碳的含量按著坡向由低到高為:陰坡＜陽坡＜半陽坡＜半陰坡。

表1　不同坡向土壤有機碳統(tǒng)計分析

2.3海拔對土壤有機碳含量的影響

海拔是用來表征地形變化的重要因子，一方面可以對水熱條件產(chǎn)生影響，進而通過制約植被的類型、生產(chǎn)能力及土壤的性質(zhì)，最終影響土壤有機碳的輸入和分解，另一方面還會通過在垂直方向上影響土壤水熱條件的分布，對土壤有機碳的積累和分解產(chǎn)生一定的影響。

由于采樣區(qū)的海拔介于1400～1520 m，海拔高度相差較小，通過綜合分析研究區(qū)的地形地貌等特征，以20 m為一個單元，將研究區(qū)的海拔劃分為6個等級，依次為1400～1420 m、1420～1440 m、1440～1460 m、1460～1480 m、1480～1500 m和1500～1520 m。在研究分析海拔與有機碳的關系時，選取每個海拔等級范圍內(nèi)的有機碳含量的均值作為有機碳的含量值。

復墾土壤表層有機碳含量與海拔高度關系如圖4所示。從圖中可以看出，土壤有機碳的含量隨著海拔的升高呈波動狀態(tài)，但在整體上隨海拔的增加呈現(xiàn)下降的趨勢，但二者之間的相關性不顯著。二者之間的直線擬合公式為:

式中:y——土壤有機碳含量，g/kg；

x——海拔，m；

r——相關系數(shù)。

海拔在1420～1440 m區(qū)段范圍內(nèi)，土壤有機碳含量達到最高，為8.04 g/kg，即為該區(qū)段土壤有機碳的最大值；海拔在1500～1520 m范圍之間，有機碳含量出現(xiàn)最小值，為4.35 g/kg。

圖4　海拔與表層土壤有機碳關系

3　討論

坡度、坡向和海拔等地形因子是影響土壤與環(huán)境物質(zhì)交換的重要條件和場所，不但能通過侵蝕使土壤有機碳的分布產(chǎn)生空間變異，還會通過影響水熱資源的分配、植被的空間分布和土地利用方式的空間配置，影響土壤有機碳的輸入和分解。

坡度與坡向主要是影響溫度、光照及水分等的空間配置而對植被的蒸騰及土壤的養(yǎng)分遷移產(chǎn)生一定的影響，進而影響有機碳的分解，從而改變土壤有機碳的含量。

（1）研究表明，坡度與表層土壤有機碳之間呈單峰型的曲線關系，坡度增加土壤有機碳并不是無限地減小或是增加，而是先隨坡度的增大而增加，當坡度達到15°～25°時，有機碳含量達到最大，之后又隨著坡度的增大而逐漸降低。坡度會影響水分的入滲和地表徑流等，坡度無論是過大還是過小都對土壤有機碳的空見分布產(chǎn)生不利的影響。坡度太大，地勢會比較陡峭，土壤肥力較低，不利于植被的生長，從而會使植被向土壤中輸送的有機碳含量降低，坡度大不利于水分的貯留，有機碳會隨著水流流走，使得該地的土壤有機碳含量降低；當坡度較小時，地表水流速降低，水分入滲增大，土壤有機碳會隨著土壤水分的垂向移動而發(fā)生淋失，同樣不利于土壤有機碳的積累。

（2）坡向主要是通過對水分和溫度產(chǎn)生影響，進而影響土壤有機碳的空間分布。陽坡光照充足，溫度較高，微生物的活性較高，土壤有機質(zhì)分解較快，導致土壤有機碳的含量較低；相反，陰坡溫度低，生物活性差，有利于有機碳的積累。然而，研究中坡向與有機碳的關系整體表現(xiàn)為:陰坡＜陽坡＜半陽坡＜半陰坡，這與相關研究成果相悖?？赡苁且驗檠芯繀^(qū)土壤為復墾土壤，表層土壤較大程度的受到人為的干擾，且復墾年限較短導致。

（3）海拔作為環(huán)境因子的綜合體現(xiàn)，主要是通過影響溫度、水分、植被和土壤性質(zhì)等因子的交互作用而導致土壤碳庫發(fā)生變化。研究結(jié)果表明，復墾土壤表層有機碳含量與海拔之間的相關性并不顯著，這可能是因為研究區(qū)地形復雜多樣，且采樣的海拔高度相差不大，對有機碳空間分布的影響不大；另一方面可能是因為植被恢復后，地形重塑使得海拔對土壤有機碳的影響弱化。

由此可見，地形因子對表層土壤有機碳空間分布的影響極其復雜，與研究區(qū)域的地理環(huán)境聯(lián)系緊密。坡度、坡向及海拔能夠綜合體現(xiàn)環(huán)境變量，不同環(huán)境變量梯度的植被類型和植被地帶性存在差異，使得土壤具有不同的特性，進而影響土壤有機碳的空間分布；同時，溫度、水分等生態(tài)因子發(fā)生變化也會影響土壤有機質(zhì)的分解和積累。

4　結(jié)論

通過研究安太堡西排土場地形因子對復墾土壤有機碳空間分布的影響，得出了如下結(jié)論:

（1）有機碳含量隨坡度的增加呈現(xiàn)先增加后降低的關系，在坡度為15°～25°時，有機碳含量達到最大值。

（2）復墾表層土壤有機碳含量受坡向影響，整體呈現(xiàn)為:陰坡＜陽坡＜半陽坡＜半陰坡。

（3）土壤有機碳含量隨海拔升高逐漸降低，但受海拔影響不顯著。

［1］ 程先富，史學正，于東升等.興國縣森林土壤有機碳庫及其與環(huán)境因子的關系［J］.地理研究，2004（2）

［2］ 劉偉紅.黃土丘陵區(qū)露天煤礦復墾土壤有機碳的變化特征及影響因素 ［D］.中國地質(zhì)大學（北京），2014

［3］ 周莉，李保國，周廣勝.土壤有機碳的主導影響因子及其研究進展［J］.地球科學進展，2005（1）

［4］ 王小利，郭勝利，馬玉紅等.黃土丘陵區(qū)小流域土地利用對土壤有機碳和全氮的影 ［J］.應用生態(tài)學報，2007（6）

［5］ 宋豐驥，常慶瑞，鐘德燕.黃土高原溝壑區(qū)土壤養(yǎng)分空間變異及其與地形因子的相關性 ［J］.西北農(nóng)林科技大學學報（自然科學版），2011（12）

［6］ 孫文義，郭勝利，宋小燕.地形和土地利用對黃土丘陵溝壑區(qū)表層土壤有機碳空間分布影響 ［J］.自然資源學報，2010（3）

［7］ 李晉川，白中科.露天煤礦土地復墾與生態(tài)重建——平朔露天礦的研究與實踐 ［M］.北京:科學出版社，2000

［8］ 秦倩，王金滿，王洪丹等.采煤塌陷地不同填充介質(zhì)水力特性對比研究［J］.中國煤炭，2015（2）

（責任編輯 孫英浩）

我國礦產(chǎn)資源市場化配置程度進一步提高

日前，國土資源部公布的初步統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2015年上半年，我國共出讓探礦權(quán)461個，同比下降22.7%；出讓價款為7.06億元，同比下降56%。出讓采礦權(quán)1002個，同比增長19%；出讓價款為51.26億元，同比增長208.6%。以招拍掛方式出讓探礦權(quán)、采礦權(quán)的比例分別為41.9%和89.2%，占比較2014年同期分別提高2.6個百分點和1.8個百分點，礦產(chǎn)資源的市場化配置程度進一步提高。

Impact of topographical factor on soil organic carbon in reclamation spoibank of an opencast coal mine in loess hilly area

Wang Ping1，Wang Jinman1，2，Liu Weihong1
（1.College of Land Science and Technology，China University of Geosciences，Haidian，Beijing 100083，China；2.Key Laboratory of Land Regulation Ministry of Land and Resources，Xicheng，Beijing 100035，China）

In order to study impact of gradient，slope aspect，altitude and other factors on reclamation soil organic carbon spatial distribution in opencast coal mine of loess hilly area，the authors selected soil sample from West spoibank of Antaibao opencast coal mine，Pingshuo，Shanxi as object of study，and digital processed contour map to DEM under GIS platform basing upon 1 m contour map.According to comprehensive analysis，the results indicated that in loess hilly area，the carbon content of organic reclamation soil was negatively correlated with altitude，but the correlation was not significant；the relationship between slope and organic carbon had a significantly single peak curve and preferably matching；and slope aspect affected spatial distribution of organic carbon to a certain degree.The overall performance of organic carbon content from low to high were cloudy slope，sunny slope，semi-sunny slope and semi-cloudy slope.

opencast coal mine，land reclaimed，topographical factor，organic carbon，loess hilly area

S153.6+21

A

王平（1991-），女，碩士研究生，從事土地復墾與植被恢復方面的研究。

國家自然科學基金項目（41271528）