露天煤礦復(fù)墾生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)研究進(jìn)展

原野，趙中秋， 2，白中科， 2，牛姝燁. 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京 00083；2. 國(guó)土資源部土地整治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 00035

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露天煤礦復(fù)墾生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)研究進(jìn)展

原野1，趙中秋1， 2，白中科1， 2，牛姝燁1
1. 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京 100083；2. 國(guó)土資源部土地整治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100035

摘要：露天煤礦開(kāi)采作為世界范圍內(nèi)的主要采煤方式，在滿足人類(lèi)能源需求和促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，也造成礦區(qū)生態(tài)環(huán)境破壞和生態(tài)系統(tǒng)固碳能力退化。研究露天煤礦土地復(fù)墾過(guò)程中生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)動(dòng)態(tài)變化不僅對(duì)認(rèn)識(shí)區(qū)域碳平衡具有重要意義，該變化過(guò)程還可以作為露天煤礦土地復(fù)墾效果的重要判斷指標(biāo)。綜述了國(guó)內(nèi)外露天煤礦復(fù)墾林地、復(fù)墾草地以及復(fù)墾耕地生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)動(dòng)態(tài)變化的研究。已有的研究成果表明，（1）露天煤礦復(fù)墾林地、復(fù)墾草地和復(fù)墾耕地生態(tài)系統(tǒng)土壤碳庫(kù)均較自然恢復(fù)地要高，有的礦區(qū)甚至比原地貌要高。干旱區(qū)煤礦土地復(fù)墾初期以草地固碳效果較好，而半干旱和濕潤(rùn)區(qū)煤礦復(fù)墾以林地效果較好。同一生態(tài)系統(tǒng)，碳儲(chǔ)量隨植物物種及植物配置方式而異。（2）礦區(qū)土壤碳庫(kù)呈現(xiàn)“U”型動(dòng)態(tài)恢復(fù)過(guò)程。林地土壤有機(jī)碳年均增長(zhǎng)量為0.20～6.27 Mg·hm-2；草地為0.30～3.37 Mg·hm-2；林草混合復(fù)墾模式為0.31～2.80 Mg·hm-2。（3）復(fù)墾林地生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)主要存儲(chǔ)在植被中，而復(fù)墾草地則主要存儲(chǔ)在土壤中。（4）土壤碳庫(kù)主要受土壤理化性質(zhì)、地上植被、復(fù)墾年限、立地條件以及復(fù)墾工藝等因素影響。因此，礦區(qū)土地復(fù)墾中應(yīng)注重排土場(chǎng)微地形優(yōu)化，篩選適宜物種，優(yōu)化植被配置模式和改進(jìn)復(fù)墾措施，以加快礦區(qū)復(fù)墾生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)恢復(fù)。針對(duì)露天煤礦生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)研究現(xiàn)狀，提出未來(lái)我國(guó)露天煤礦復(fù)墾生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)的研究重點(diǎn)，包括加強(qiáng)植被碳庫(kù)、土壤無(wú)機(jī)碳庫(kù)及總碳庫(kù)全生命周期研究，加強(qiáng)荒漠區(qū)露天煤礦碳庫(kù)研究，以期為全面認(rèn)識(shí)我國(guó)露天煤礦復(fù)墾生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)研究提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：露天煤礦；復(fù)墾；生態(tài)系統(tǒng)；碳庫(kù)

引用格式：原野， 趙中秋， 白中科， 牛姝燁. 露天煤礦復(fù)墾生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)研究進(jìn)展［J］. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)， 2016， 25（5）: 903-910.

YUAN Ye， ZHAO Zhongqiu， BAI Zhongke， NIU Shuye. Research Advances in Carbon Sequestration of Reclaimed Ecosystems in Opencast Coal Mining Area ［J］. Ecology and Environmental Sciences， 2016， 25（5）: 903-910.

碳在水圈、大氣圈、巖石圈和生物圈循環(huán)，是自然界中與人類(lèi)密切相關(guān)的重要物質(zhì)之一（賈宇平，2004）。目前，全球大氣 CO2濃度持續(xù)升高，根據(jù)世界煤炭組織2005年年度報(bào)告估計(jì)，到2030年大氣CO2濃度將比2005年增加63%，幾乎比1990年翻一番（World Coal Institute，2005）。因CO2等溫室氣體排放導(dǎo)致的全球氣候變暖已成為全球關(guān)注的熱點(diǎn)。陸地生態(tài)系統(tǒng)作為重要的碳匯，在全球碳循環(huán)中起著重要作用（Shrestha et al.，2006），將大氣中的碳固存到陸地生態(tài)系統(tǒng)被認(rèn)為是降低大氣CO2濃度、緩解全球氣候變暖的一種經(jīng)濟(jì)可行、環(huán)境友好的方法（Schimel，1995）。

煤炭開(kāi)采在推動(dòng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和滿足人類(lèi)能源需求的同時(shí)也造成了生態(tài)環(huán)境的嚴(yán)重破壞（李晉川等，2015）。根據(jù)《2001中國(guó)國(guó)土資源公報(bào)》顯示，我國(guó)礦山生態(tài)環(huán)境破壞和污染十分嚴(yán)重，累積毀壞土地面積約4×106km2，其中采煤破壞土地?cái)?shù)量最大（郝蓉等，2003）。露天煤礦開(kāi)采中對(duì)土地資源的挖損、塌陷、壓占導(dǎo)致礦區(qū)植被破壞、土壤退化以及生態(tài)系統(tǒng)固碳能力衰退（白中科等，1999）。因此，礦區(qū)土地復(fù)墾和生態(tài)重建具有極強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)緊迫性。通過(guò)礦區(qū)土地復(fù)墾和生態(tài)重建，恢復(fù)礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)固碳能力，使礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)由采礦擾動(dòng)后的“碳源”向“碳匯”轉(zhuǎn)變，不僅對(duì)促進(jìn)區(qū)域碳平衡和緩解氣候變暖具有重要意義，還可以作為判斷露天煤礦土地復(fù)墾效果的重要指示指標(biāo)。因此，復(fù)墾生態(tài)系統(tǒng)固碳效應(yīng)研究成了礦區(qū)土地復(fù)墾與生態(tài)恢復(fù)領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。

目前，美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)碳管理和固存中心（Carbon Management and Sequestration Center）的Lal、Shrestha等學(xué)者對(duì)美國(guó)中西部阿巴拉契亞山煤田復(fù)墾過(guò)程中碳庫(kù)及其動(dòng)態(tài)變化過(guò)程進(jìn)行了較為深入和系統(tǒng)的研究，而國(guó)內(nèi)學(xué)者也對(duì)平朔露天煤礦及黑岱溝露天煤礦復(fù)墾碳庫(kù)進(jìn)行了一定程度研究。總體來(lái)說(shuō)，目前對(duì)露天煤礦復(fù)墾生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)的研究尚不完善：從研究區(qū)域上講，美國(guó)露天煤礦碳庫(kù)研究較為系統(tǒng)，其他國(guó)家則尚不充分；從研究?jī)?nèi)容上講，土壤碳庫(kù)研究較多，植被碳庫(kù)的研究較少，土壤碳庫(kù)中有機(jī)碳庫(kù)研究較多，而無(wú)機(jī)碳庫(kù)研究較少。鑒于此，本文從露天煤礦復(fù)墾生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)構(gòu)成、露天煤礦開(kāi)采過(guò)程中碳損失、土壤碳庫(kù)總量研究、土壤碳庫(kù)恢復(fù)趨勢(shì)與累積速率研究、植被碳庫(kù)總量及總碳庫(kù)分布等角度總結(jié)國(guó)內(nèi)外露天煤礦復(fù)墾生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)研究進(jìn)展，并展望未來(lái)研究重點(diǎn)，以期進(jìn)一步認(rèn)識(shí)土地復(fù)墾中生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)變化特征，為礦區(qū)土地復(fù)墾提供新的研究思路和理論支持。

1　露天煤礦復(fù)墾生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)構(gòu)成

露天煤礦復(fù)墾生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)主要包括植被碳庫(kù)和土壤碳庫(kù)（圖1），其中，植被碳庫(kù)又包括地上植被碳庫(kù)、地表凋落物碳庫(kù)以及地下植被碳庫(kù)；土壤碳庫(kù)包括土壤有機(jī)碳庫(kù)和土壤無(wú)機(jī)碳庫(kù)。從全球范圍來(lái)講，濕潤(rùn)和半濕潤(rùn)礦區(qū)土壤碳庫(kù)多以有機(jī)碳形式存在；干旱和半干旱礦區(qū)土壤碳庫(kù)主要以無(wú)機(jī)碳形式存在（Shrestha et al.，2006；余健等，2014）。

2　露天煤礦開(kāi)采中的碳損失

露天煤礦開(kāi)采生態(tài)系統(tǒng)碳損失主要表現(xiàn)在植被固碳能力的徹底喪失和土壤固碳能力下降方面，其中，植被固碳能力喪失是由于采煤過(guò)程中植被被移除導(dǎo)致，土壤固碳能力下降是由于采煤過(guò)程中土壤物理性質(zhì)（土壤結(jié)構(gòu)、濕度、穩(wěn)定性）、化學(xué)性質(zhì)（土壤養(yǎng)分及 pH、重金屬、鹽分）等的改變引起土壤團(tuán)聚體破壞，有機(jī)質(zhì)分解導(dǎo)致。據(jù)Akala et al.（2001）和Ghose（2001）等估計(jì)，露天煤礦開(kāi)采中土壤有機(jī)碳損失約為80%。

圖1　露天煤礦復(fù)墾生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)構(gòu)成圖（改編自Shrestha et al.，2010；Wu et al.，2009）Fig. 1　The composition of carbon pool in opencast coal-mine reclamation ecological systems （modified form Shrestha et al.， 2010； Wu et al.， 2009）

3　復(fù)墾生態(tài)系統(tǒng)土壤碳庫(kù)研究

依據(jù)礦區(qū)復(fù)墾后土地利用方向，露天煤礦復(fù)墾生態(tài)系統(tǒng)主要有3類(lèi)：林地生態(tài)系統(tǒng)、草地生態(tài)系統(tǒng)和耕地生態(tài)系統(tǒng)。目前對(duì)林地、草地生態(tài)系統(tǒng)研究較多，而對(duì)耕地生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)研究較少。

3.1 林地生態(tài)系統(tǒng)

阿巴拉契亞山煤田復(fù)墾 37年松樹(shù)林地土壤有機(jī)碳含量為 148～154 Mg·hm-2，硬木林地為 130 Mg·hm-2；混合林地為118 Mg·hm-2，均小于未擾動(dòng)區(qū)硬木林地（210 Mg·hm-2）（Amichev et al.，2008）。德國(guó)勞濟(jì)茨露天礦0～10 cm土層土壤有機(jī)碳含量變化范圍為26～70 Mg·hm-2，較原地貌（26 Mg·hm-2）要高（Fettweis et al.，2005）。印度Gumgaon礦復(fù)墾5年林地土壤有機(jī)碳含量為11.77 Mg·hm-2，高于自然恢復(fù)地（9.53 Mg·hm-2）；復(fù)墾10年土壤有機(jī)碳為 22.98 Mg·hm-2，高于自然恢復(fù)地（12.3 Mg·hm-2）（Pal et al.，2014）。波蘭南部礦區(qū)，復(fù)墾 30年松樹(shù)林土壤有機(jī)碳含量為 41 Mg·hm-2（Pietrzykowski et al.，2010）。我國(guó)黑岱溝露天煤礦0～100 cm 土層，喬木林地土壤有機(jī)碳碳儲(chǔ)量為22.06 Mg·hm-2，小于未擾動(dòng)喬木林地（39.72 Mg·hm-2）；和未復(fù)墾地相比，復(fù)墾樣地的土壤有機(jī)碳庫(kù)儲(chǔ)量都有所增加；和原地貌相比，部分復(fù)墾地有機(jī)碳含量高于原地貌樣地（李俊超等，2015）。山西平朔露天煤礦復(fù)墾地0～100 cm土層，刺槐×榆樹(shù)×臭椿混交林土壤有機(jī)碳庫(kù)含量高于楊樹(shù)純林，而楊樹(shù)純林高于刺槐純林（王蕓，2014）。

總而言之，由于植被配置模式、立地條件、人為干擾等因素差異，各礦區(qū)復(fù)墾林地土壤有機(jī)碳含量在幾十到上百M(fèi)g·hm-2變動(dòng)。盡管各復(fù)墾林地土壤有機(jī)碳含量有差異，但土壤有機(jī)碳變化總趨勢(shì)為：隨著復(fù)墾時(shí)間增加，復(fù)墾林地土壤有機(jī)碳庫(kù)不斷增加，且復(fù)墾林地土壤有機(jī)碳含量要高于未復(fù)墾自然恢復(fù)地，復(fù)墾若干年后，其含量甚至?xí)^(guò)原地貌水平。

3.2 草地生態(tài)系統(tǒng)

Akala et al.（2000）發(fā)現(xiàn)阿巴拉契亞山煤田復(fù)墾25年草地0～30 cm土層土壤有機(jī)碳含量為36.7 Mg·hm-2。Jacinthe et al.（2004）發(fā)現(xiàn)阿巴拉契亞山煤田復(fù)墾地土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量干草地（79 Mg·hm-2）＞刈草地（68 Mg·hm-2）＞牧草地（65 Mg·hm-2），而Ussiri et al.（2006）的研究結(jié)果表明牧草地（89 Mg·hm-2）和干草地（76 Mg·hm-2）土壤有機(jī)碳含量顯著高于刈草地（64 Mg·hm-2）和未擾動(dòng)草地（72 Mg·hm-2）。唐駿等（2015）發(fā)現(xiàn)，黑岱溝露天煤礦復(fù)墾區(qū)人工草地顯著提高了表層土壤有機(jī)碳含量，其中0～10 cm土層土壤有機(jī)碳含量表現(xiàn)為苜蓿地＞沙打旺 Astragalus adsurgens地＞甘草地＞冰草地，10～100 cm則為甘草地＞冰草地＞苜蓿地＞沙打旺地。苜蓿和沙打旺較大程度地提高了表層土壤有機(jī)碳含量，冰草和甘草地0～100 cm各土層有機(jī)碳含量均有一定程度的提高。與復(fù)墾地相比，未復(fù)墾撂荒草地土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量沒(méi)有顯著提高。

總之，復(fù)墾草地生態(tài)系統(tǒng)土壤有機(jī)碳含量變化范圍為0～100 Mg·hm-2，且隨著復(fù)墾時(shí)間增加不斷累積，和撂荒草地相比，復(fù)墾草地土壤有機(jī)碳含量增加顯著。此外，草地類(lèi)型對(duì)土壤有機(jī)碳含量影響顯著，而同一草種對(duì)同一研究區(qū)不同土層深度土壤有機(jī)碳含量影響也不同。

3.3 各生態(tài)系統(tǒng)土壤有機(jī)碳含量比較

Shrestha et al.（2007）發(fā)現(xiàn)俄亥俄州礦區(qū)，0～5 cm土層中土壤有機(jī)碳含量表現(xiàn)為干草地＞牧草地＞林地，0～30 cm表現(xiàn)為干草地=牧草地＞林地＞未擾動(dòng)林地=中度擾動(dòng)耕地。李俊超等（2015）發(fā)現(xiàn)黑岱溝礦區(qū)，0～10、10～20 cm土壤有機(jī)碳含量表現(xiàn)為草地＞灌木＞喬木＞自然恢復(fù)地，而劉偉紅等（2014）發(fā)現(xiàn)，山西平朔露天煤礦土壤有機(jī)碳含量整體表現(xiàn)為林地＞耕地＞草地。

有學(xué)者提出，隨著復(fù)墾時(shí)間增加，不同生態(tài)系統(tǒng)土壤有機(jī)碳庫(kù)差異可能會(huì)越來(lái)越小，如Anderson et al.（2008）認(rèn)為俄懷明州11～26 a復(fù)墾地草地、灌木地土壤有機(jī)碳（13～40 Mg·hm-2）含量差異不大，其原因是復(fù)墾方式在短時(shí)間（＜10 a）內(nèi)對(duì)土壤有機(jī)碳含量有影響，隨著復(fù)墾時(shí)間增加，由礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程（植被生長(zhǎng)/死亡、根系的腐敗、凋落物的產(chǎn)生、細(xì)菌真菌的生長(zhǎng)、土壤團(tuán)聚體的形成、腐殖質(zhì)形成）及環(huán)境因素（降雨、氣候）引起的土壤有機(jī)碳差異要遠(yuǎn)大于原復(fù)墾方式帶來(lái)的影響。

此外，復(fù)墾后土地利用方向的變化引起的生態(tài)系統(tǒng)變化也會(huì)對(duì)土壤碳庫(kù)產(chǎn)生影響。Ussiri et al. （2005）等發(fā)現(xiàn)草地生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成澳洲松10年后0～50 cm土層土壤有機(jī)碳增加6 Mg·hm-2（11%），轉(zhuǎn)換成刺槐后增加24 Mg·hm-2（42%）。

綜上所述，俄懷明州、內(nèi)蒙古黑岱溝等干旱區(qū)礦區(qū)復(fù)墾初期草地恢復(fù)模式較林地和耕地更有利于土壤有機(jī)碳累積（Anderson et al.，2008；李俊超等，2014），而俄亥俄州、山西平朔等降水條件較好的礦區(qū)，復(fù)墾初期林地恢復(fù)模式較草地和耕地有利于土壤有機(jī)碳累積（Sperow，2006）。隨著復(fù)墾時(shí)間的延續(xù)，某些礦區(qū)不同生態(tài)系統(tǒng)間土壤碳庫(kù)的總量還可能會(huì)趨于一致。此外，復(fù)墾方向的改變會(huì)引起土壤有機(jī)碳總量的改變。

4　恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)土壤碳庫(kù)恢復(fù)趨勢(shì)與碳累積速率

4.1 露天煤礦復(fù)墾土壤碳庫(kù)恢復(fù)趨勢(shì)

Akala et al.（2002）認(rèn)為草原和森林生態(tài)系統(tǒng)復(fù)墾前5年土壤有機(jī)碳含量在下降；5～10年間，草原、森林復(fù)墾地土壤有機(jī)碳處于一個(gè)迅速增長(zhǎng)期；25年后草原地土壤有機(jī)碳處于一個(gè)穩(wěn)定水平，而森林地尚未達(dá)到穩(wěn)定水平。復(fù)墾林地生態(tài)系統(tǒng)土壤有機(jī)碳庫(kù)達(dá)到再穩(wěn)定時(shí)的含量要大于復(fù)墾草地，但是在前25年，草地要大于森林。Guzman et al.（2014）認(rèn)為Muskingum煤礦復(fù)墾0～3年過(guò)程中土壤有機(jī)碳含量是減少的。Pal et al.（2014）認(rèn)為印度Gumgaon礦復(fù)墾5年和10年后土壤有機(jī)碳分別較復(fù)墾初期增加了22.2%和19.18%。丁青坡等（2007）等認(rèn)為撫順礦區(qū)復(fù)墾后0～5年土壤有機(jī)碳呈現(xiàn)減低趨勢(shì)，5年以后開(kāi)始呈現(xiàn)升高趨勢(shì)。

概括來(lái)說(shuō)，由于露天煤礦復(fù)墾是破壞的生態(tài)系統(tǒng)重新建立的動(dòng)態(tài)過(guò)程，因此，露天煤礦復(fù)墾生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)總體遵循“U”型動(dòng)態(tài)恢復(fù)過(guò)程（圖2），即生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)由未擾動(dòng)前的穩(wěn)定狀態(tài)，到煤礦開(kāi)采后嚴(yán)重?fù)p失狀態(tài)，再到土地復(fù)墾后碳庫(kù)不斷增加，最后達(dá)到再平衡的過(guò)程。如圖2所示，露天煤礦復(fù)墾后生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)再平衡后與擾動(dòng)前碳庫(kù)總量相比，可能高于（A）、等于（B）或者低于（C）后者。露天煤礦復(fù)墾生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)這種“U”型動(dòng)態(tài)變化特征是其和其他未擾動(dòng)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)的最大不同之處。

4.2 露天煤礦復(fù)墾土壤有機(jī)碳庫(kù)年均增長(zhǎng)量

Anderson et al.（2008）認(rèn)為俄懷明州露天煤礦土壤有機(jī)碳累積速率前十年較快，十年以后增速減緩；Akala et al.（2001）認(rèn)為俄亥俄州礦區(qū)復(fù)墾15～20年間土壤有機(jī)碳快速增長(zhǎng)，之后增速降低，25年以后增速減緩；Shrestha et al.（2009）發(fā)現(xiàn)俄亥俄州東北部露天礦復(fù)墾10～15年土壤有機(jī)碳增速達(dá)到頂峰，10～15年后增速隨時(shí)間增加而降低；?ourková et al.（2005）發(fā)現(xiàn)捷克Sokolov露天礦土壤有機(jī)碳復(fù)墾15年內(nèi)增長(zhǎng)較快，25年后增速減緩。

圖2　露天煤礦復(fù)墾生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)動(dòng)態(tài)概念模型（改編自Ussiri et al.，2005）Fig. 2　Dynamic concept model of carbon pool in opencast coal-mine reclamation ecosystems （modified from Ussiri et al.， 2005）

表1　不同復(fù)墾模式下土壤有機(jī)碳年均增長(zhǎng)量統(tǒng)計(jì)表Table 1　Table of average annual increment of soil organic carbon under different reclamation modes

綜合各露天煤礦區(qū)土壤有機(jī)碳年均增長(zhǎng)量（表1），可以看出復(fù)墾林地土壤有機(jī)碳年均增長(zhǎng)量為 0.20～6.27 Mg·hm-2；復(fù)墾草地為 0.30～3.37 Mg·hm-2；林草混合復(fù)墾模式為0.31～2.80 Mg·hm-2。研究表明，復(fù)墾過(guò)程中改進(jìn)復(fù)墾措施，如植被重建前先進(jìn)行表土覆蓋（Shukla et al.，2005）或者施用有機(jī)肥（Shrestha et al.，2009）可以顯著提高土壤有機(jī)碳增長(zhǎng)速率。此外，不同生態(tài)系統(tǒng)土壤有機(jī)碳增速不同，如Ussiri et al.（2005）以及李俊超（2015）等學(xué)者所研究的礦區(qū)草地土壤有機(jī)碳增速要大于林地。

總體來(lái)說(shuō)，復(fù)墾初期（約10～20年）土壤有機(jī)碳增速較快，復(fù)墾后期增速下降。各生態(tài)系統(tǒng)土壤有機(jī)碳的年均增長(zhǎng)量在0.20～6.27 Mg·hm-2，不同生態(tài)系統(tǒng)增長(zhǎng)量有所不同，復(fù)墾過(guò)程中改進(jìn)復(fù)墾措施可以顯著提高土壤有機(jī)碳累積速率。

5　植被碳庫(kù)總量及總碳庫(kù)在植被和土壤中的分布

目前露天煤礦復(fù)墾中植被碳庫(kù)研究較少，從現(xiàn)有研究結(jié)果來(lái)看，植被碳庫(kù)的變動(dòng)范圍在幾十到上百M(fèi)g·hm-2之間，如俄亥俄州復(fù)墾25年植被碳庫(kù)為82 Mg·hm-2（Shrestha et al.，2010），復(fù)墾50年為120 Mg·hm-2（Amichev et al.，2008），南加利福尼亞州為140 Mg·hm-2（Richter et al.，1995），捷克西北部復(fù)墾32年露天礦為17～67 Mg·hm-2（Frouz et al.，2009）。

露天礦復(fù)墾林地和草地生態(tài)系統(tǒng)總碳庫(kù)在植被和土壤中分布不同?？傮w來(lái)說(shuō)，林地生態(tài)系統(tǒng)植被碳庫(kù)大于土壤碳庫(kù)，而草地生態(tài)系統(tǒng)則是土壤大于植被。Karu et al.（2009）發(fā)現(xiàn)復(fù)墾地生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)51%存儲(chǔ)在植被中；Shrestha et al.（2010）發(fā)現(xiàn)林地復(fù)墾1年時(shí)，土壤碳庫(kù)占總碳庫(kù)的94%，復(fù)墾時(shí)間超過(guò)14年時(shí)，土壤碳庫(kù)的比重下降到36%；草地復(fù)墾1年時(shí)，土壤碳庫(kù)比重為95%，復(fù)墾超過(guò)25年時(shí)則為89%；Frouz et al.（2009）認(rèn)為礦區(qū)自然恢復(fù)林地土壤碳庫(kù)占植被碳庫(kù)的21.8%；復(fù)墾林地土壤碳庫(kù)占植被碳庫(kù)的 98.1%。Amichev et al. （2008）的研究結(jié)果顯示，復(fù)墾松樹(shù)林地總碳庫(kù)的7%存儲(chǔ)在土壤中，硬木林地14%存儲(chǔ)在土壤中。

就全球范圍陸地生態(tài)系統(tǒng)來(lái)講，土壤碳庫(kù)較植被碳庫(kù)儲(chǔ)量大。Dixon et al.（1994）認(rèn)為全球2/3碳存儲(chǔ)在土壤中，1/3存儲(chǔ)在植被中；Lal（2005）認(rèn)為植被碳庫(kù)與土壤碳庫(kù)之比隨著緯度升高而增大，高、中、低緯分別為1.06～0.15、1.90～0.67、8.70～7.50；Houghton et al.（1985）、Schlesinger（1986）認(rèn)為全球3/4碳存儲(chǔ)在土壤中。總之，復(fù)墾林地生態(tài)系統(tǒng)總碳庫(kù)在植被和土壤中的分布和全球生態(tài)系統(tǒng)總碳庫(kù)分布規(guī)律不一致，其原因目前尚未有明確結(jié)論。

6　露天煤礦復(fù)墾生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)累積影響因素研究

據(jù)Stephenson et al.（2014）的研究，喬木固碳的速率與樹(shù)齡有關(guān)，即樹(shù)齡越大，固碳速率越快。但目前對(duì)露天煤礦復(fù)墾植被碳庫(kù)影響因素的研究并不多，相反對(duì)土壤碳庫(kù)影響因素的研究則較為成熟?？傮w來(lái)說(shuō)，土壤碳庫(kù)累積影響因素主要有土壤理化性質(zhì)、地上植被、復(fù)墾年限、立地條件以及復(fù)墾工藝等。

6.1 土壤理化性質(zhì)與土壤碳庫(kù)

史娜娜等（2015）認(rèn)為土壤碳儲(chǔ)量與土壤孔隙度、全氮、有機(jī)質(zhì)均呈顯著正相關(guān)。王蕓（2014）、劉偉紅等（2014）等認(rèn)為土壤有機(jī)碳與全氮、全鉀含量呈正相關(guān)，與土壤pH值、容重呈負(fù)相關(guān)。王同智等（2014）認(rèn)為復(fù)墾地土壤有機(jī)質(zhì)與土壤水分、土壤孔隙度呈正相關(guān)，與土壤容重、土壤黏粒含量和土壤pH值呈負(fù)相關(guān)，而Shi et al.（2013）認(rèn)為黏土更有利于土壤有機(jī)碳累積，唐駿等（2015）發(fā)現(xiàn)土壤有機(jī)碳與表層含水量關(guān)系不密切，與10～100 cm深層土壤含水量具有極顯著的相關(guān)關(guān)系。

總而言之，從土壤的化學(xué)性質(zhì)講，土壤有機(jī)碳和土壤全氮含量關(guān)系最緊密，和其他元素的關(guān)系因研究區(qū)的不同而不同。從土壤的物理性質(zhì)講，由于土壤碳輸入來(lái)源于凋落物、根系生物量、微生物量而輸出主要通過(guò)土壤呼吸、細(xì)菌分解（Littlefield et al.，2013；Maclean et al.，1986），因此，土壤孔隙度、團(tuán)聚體對(duì)土壤有機(jī)碳的存儲(chǔ)有重要作用，即土壤中團(tuán)聚體多而孔隙度小抑制了土壤呼吸和細(xì)菌分解，從而有利于土壤有機(jī)碳存儲(chǔ)；相反，則不利于土壤有機(jī)碳儲(chǔ)存（Shrestha et al.，2009）。

6.2 地上植被與土壤碳庫(kù)關(guān)系

唐駿等（2015）認(rèn)為苜蓿和沙打旺較大程度的提高了表層土壤有機(jī)碳含量，而冰草和甘草對(duì)0～100 cm 各土層有機(jī)碳含量提高均有一定的作用；Keskin et al.（2009）發(fā)現(xiàn)復(fù)墾過(guò)程中刺槐地雖然沒(méi)有日本金松 Sciadopitys verticillata地森林蓄積量大，但刺槐地森林生物量向土壤有機(jī)碳轉(zhuǎn)化率比后者更高；王金滿等（2013）認(rèn)為土壤質(zhì)量和植物生物量關(guān)系密切，兩者都呈現(xiàn)“S”型變化，且符合Logistic生長(zhǎng)演替模型；土壤環(huán)境因子與植被生物量二者交互作用明顯，符合Kolmogorov捕食模型?？傊?，地上植被是土壤有機(jī)碳的主要來(lái)源，因此，不同植被類(lèi)型對(duì)不同土層有機(jī)碳庫(kù)的累積影響不同。

6.3 立地條件與土壤碳庫(kù)

復(fù)墾地立地條件對(duì)碳庫(kù)也有顯著影響。例如，從坡位上講，土壤有機(jī)碳含量表現(xiàn)出坡底＞坡中＞坡頂；從坡度上講，坡度在 0～15°范圍內(nèi)土壤有機(jī)碳含量隨著坡度增加而增加，在 6～15°達(dá)到最大值，之后隨坡度增大而減小，當(dāng)坡度大于 35°時(shí)土壤有機(jī)碳含量最低；從坡向上講，土壤有機(jī)碳含量表現(xiàn)出陰坡＜陽(yáng)坡＜半陽(yáng)坡＜半陰坡（王平等，2015）。

6.4 復(fù)墾措施與土壤碳庫(kù)

復(fù)墾措施也會(huì)影響土壤有機(jī)碳累積。Shi et al.（2013）認(rèn)為復(fù)墾時(shí)沙土中摻入黏土可以改變土壤生物量和堿解氮，降低可溶性碳的分解率，從而更加有效地固存養(yǎng)分和有機(jī)質(zhì)。Shrestha et al.（2009）發(fā)現(xiàn)復(fù)墾時(shí)用稻草覆蓋表土對(duì)土壤有機(jī)碳增加作用不顯著，而施肥和深耕則有利于土壤有機(jī)碳累積，其中，施肥尤其是增施有機(jī)肥可以顯著提高土壤活性有機(jī)碳（范繼香等，2012）。土地復(fù)墾時(shí)長(zhǎng)期表土堆積會(huì)引起土壤有機(jī)碳的損失，而表土剝離后直接覆表土復(fù)墾則不僅有利于保護(hù)表土中的有機(jī)碳（Anderson et al.，2008）而且還對(duì)復(fù)墾過(guò)程中土壤有機(jī)碳的累積起到加速的作用（Akala et al.，2001）。

7　研究評(píng)論與展望

總體來(lái)說(shuō)，露天煤礦土地復(fù)墾加速了礦區(qū)碳庫(kù)的恢復(fù)，使礦區(qū)由“碳源”向“碳匯”演變，這對(duì)于礦區(qū)尺度碳均衡有重要意義。未來(lái)礦區(qū)土地復(fù)墾中應(yīng)注重排土場(chǎng)微地形優(yōu)化，篩選適宜物種，優(yōu)化植被配置模式和改進(jìn)復(fù)墾措施，以加快礦區(qū)復(fù)墾生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)恢復(fù)。從目前研究來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)外對(duì)露天煤礦復(fù)墾生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)的研究范圍主要涉及碳庫(kù)總量、碳庫(kù)累積速率、碳庫(kù)分布及碳庫(kù)累積影響因素研究等方面的內(nèi)容，未來(lái)的研究可能還需要加強(qiáng)以下幾方面的研究：

（1）加強(qiáng)植被碳庫(kù)研究。植被碳庫(kù)是礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)的重要組成部分（Ma et al.，2015），也是土壤碳庫(kù)的重要來(lái)源（Zhao et al.，2015）。研究植被碳庫(kù)隨復(fù)墾時(shí)間的動(dòng)態(tài)恢復(fù)過(guò)程及植被碳庫(kù)與土壤碳庫(kù)的相互作用機(jī)理對(duì)充分認(rèn)識(shí)露天礦復(fù)墾生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)具有重要意義。

（2）加強(qiáng)土壤無(wú)機(jī)碳庫(kù)的研究。土壤無(wú)機(jī)碳庫(kù)是干旱礦區(qū)土壤碳庫(kù)的主要組成部分，但目前學(xué)術(shù)界對(duì)土壤無(wú)機(jī)碳庫(kù)在露天礦復(fù)墾過(guò)程中的變化認(rèn)識(shí)仍較淺薄，強(qiáng)化對(duì)土壤無(wú)機(jī)碳庫(kù)尤其是干旱區(qū)礦區(qū)土壤無(wú)機(jī)碳庫(kù)的研究對(duì)深入認(rèn)識(shí)礦區(qū)碳庫(kù)具有重要意義。

（3）加強(qiáng)復(fù)墾生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)全生命周期監(jiān)測(cè)。露天煤礦復(fù)墾生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)具有明顯的“U”型動(dòng)態(tài)變化特點(diǎn)，應(yīng)從礦區(qū)土壤有機(jī)碳分子屬性變化等新視角（Chaudhuri et al.，2015）引進(jìn)新方法來(lái)加強(qiáng)露天礦采前、采中、采后碳庫(kù)生命周期監(jiān)測(cè)，以更好地預(yù)測(cè)礦區(qū)碳庫(kù)動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。

（4）加強(qiáng)荒漠礦區(qū)土壤碳庫(kù)研究。我國(guó)大型露天煤礦主要分布于北方地區(qū)的黃土區(qū)、草原區(qū)以及荒漠區(qū)（楊勤學(xué)等，2015），目前對(duì)黃土區(qū)和草原區(qū)土壤碳庫(kù)研究相對(duì)較多，而對(duì)荒漠區(qū)露天煤礦的碳庫(kù)研究嚴(yán)重不足，仍需加強(qiáng)對(duì)荒漠區(qū)露天礦碳庫(kù)研究。

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DOI：10.16258/j.cnki.1674-5906.2016.05.025

中圖分類(lèi)號(hào)：X171.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-5906（2016）05-0903-08

基金項(xiàng)目：中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)經(jīng)費(fèi)（2652014045）

作者簡(jiǎn)介：原野（1989年生），男，博士，研究方向?yàn)橥恋乩霉こ?。E-mail: 1054943649@qq.com

*通信作者：趙中秋（1975年生），女，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橥恋赝嘶沫h(huán)境效應(yīng)及其生態(tài)修復(fù)研究。E-mail:zhongqiuzhao@163.com

收稿日期：2016-03-07

Research Advances in Carbon Sequestration of Reclaimed Ecosystems in Opencast Coal Mining Area

YUAN Ye1， ZHAO Zhongqiu1， 2， BAI Zhongke1， 2， NIU Shuye1
1. School of Land Sciences & Technology， China University of Geosciences， Beijing 100083， China；2. Key Laboratory of Land Consolidation and Rehabilitation， the Ministry of Land and Resources， Beijing 100035， China

Abstract：As the main way of mining in the world， large scale opencast mining caused great damage of land， which deteriorates our environment and disturbs the carbon sequestration of the ecosystems in the mining area. The dynamic change of ecosystem carbon pool is important to balance the regional carbon recycle and it is also an important index for judging the effects of land reclamation in opencast coal mine. In this paper， the studies on carbon pool of reclamation ecosystems in opencast coal mines were summarized and discussed. To sum up， we can draw the conclusion that: （1） Compared with the natural restored ecosystems， soil carbon storage of the reclaimed ecosystems， including forest land， grassland and farmland， were much higher. Moreover， soil carbon of few sites was even higher than that of the original landform ecosystems. Grassland was proposed to be a priority reclamation pattern for mines in arid area in terms of carbon sequestration， while reforest was recommended for mines in semi arid and wet regions. In addition，ecosystem carbon storage efficiency varied with plant species and plant configuration. （2） The soil carbon pool showed a “U” type in the whole period. The average annual growth of soil organic carbon in reclaimed forest land is 0.20～6.27， 0.30～3.37 and 0.31～2.80 Mg·hm-2in grassland and forest-grass mixture， respectively. （3） Most carbon was stored in vegetation in reclaimed forest， while most carbon was in soil in reclaimed grass land. （4） The soil carbon sequestration efficiency is affected mainly by the physical and chemical properties of soil， up-ground vegetation， reclamation time， site conditions and reclamation technology. Therefore， measures should be ameliorated to speed up the recovery of carbon pool in the mine area. In addition， the optimization of the micro terrain of spoils， selecting of appropriate species and amelioration of vegetation allocation model should also be applied in the process of reclamation. Finally， the emphases for in the carbon pool research in mining area in the future in China was proposed， including strengthening the study of vegetation and soil inorganic carbon pool， the whole life cycle of total carbon pool and the desert opencast coal-mine carbon etc， which may provide a scientific basis for a comprehensive understanding of the dynamic condition of ecosystems carbon in opencast coal-mine.

Key words：opencast coal-mine； reclamation； ecosystems； carbon pool