周育智+陳孝楊+王芳+陳敏+劉本樂

摘要：以采煤沉陷生態(tài)修復(fù)區(qū)為研究對象，分析了不同煤矸石充填復(fù)墾區(qū)表層土壤有機碳的分布特征，及其與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性。結(jié)果表明，各生態(tài)修復(fù)區(qū)表層土壤有機碳含量由大到小依次為大通礦生態(tài)修復(fù)區(qū)>潘一礦生態(tài)修復(fù)區(qū)>新莊孜礦生態(tài)修復(fù)區(qū)>創(chuàng)大生態(tài)園修復(fù)區(qū)；不同覆土厚度復(fù)墾土壤表層有機碳含量為5.56～9.31 g/kg，覆土較薄的地塊（0～20 cm）有機碳含量最高，為9.31 g/kg；土壤微生物生物量碳含量與有機碳含量呈極顯著正相關(guān)，且對工程措施（煤矸石充填復(fù)墾）響應(yīng)較有機碳更加劇烈，可以將微生物生物量碳作為土壤有機碳庫動態(tài)變化的敏感性指標。

關(guān)鍵詞：煤矸石充填復(fù)墾區(qū)；覆土厚度；植被類型；土壤有機碳；微生物生物量碳

中圖分類號： S154.1 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2016）09-0439-04

土壤有機碳（soil organic carbon，SOC）是土壤的重要組成部分，也是土壤質(zhì)量的核心，其質(zhì)量和數(shù)量影響土壤物理特征、化學特征、生物特征及其過程，并在土壤肥力、環(huán)境保護、農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和全球碳平衡等方面都有重要作用和意義[1]。土壤碳庫是全球第3大碳庫，僅次于海洋和地質(zhì)庫，其碳庫約有1 550 Pg有機碳和750 Pg無機碳（0～1 m土層），約是大氣碳庫（760 Pg）的3.3倍、植被碳庫（560 Pg）的4.5倍[2]。研究發(fā)現(xiàn)，SOC對土壤結(jié)構(gòu)、土壤肥水保持、土壤碳收支以及全球氣候變化具有重要意義[3]。目前已經(jīng)有大量學者對土壤復(fù)墾工作進行了研究，如劉會平等對不同覆土厚度煤矸石充填復(fù)墾區(qū)的土壤生產(chǎn)力分析發(fā)現(xiàn)，以煤矸石為基質(zhì)，上面覆蓋不同厚度表土的土壤生產(chǎn)力差異較大[4]；Bai等研究表明，土壤水分和土壤密度是影響SOC的2個重要因素[5]。安徽省淮南市是華東地區(qū)重要的煤炭基地。隨著城市經(jīng)濟的快速發(fā)展和對能源的巨大需求，必然導致煤炭開采量不斷加大，同時煤炭開采伴生物煤矸石的量也會不斷增加。但由于煤矸石利用率不高，必然會導致煤矸石的隨意堆放，這不僅會占用大量土地，也會給當?shù)卦斐蓢乐厣鷳B(tài)環(huán)境問題。因此，為了改善當前礦區(qū)所面臨的生態(tài)環(huán)境問題，亟需解決煤矸石隨意堆放和恢復(fù)采煤沉陷區(qū)的土地利用價值等一系列重大問題。在采煤沉陷區(qū)，煤矸石充填復(fù)墾工作就很好地解決了煤矸石隨意堆放的問題，同時也適當恢復(fù)了采煤沉陷區(qū)的土地利用價值。目前國內(nèi)外對采煤沉陷區(qū)的充填復(fù)墾治理以及充填復(fù)墾后土地性狀的研究不斷更新[6-7]，對其他類型土壤有機碳動態(tài)變化的研究也相當多，但對開采塌陷區(qū)重構(gòu)SOC含量、分布特征以及在一定區(qū)域尺度內(nèi)對溫室效應(yīng)影響的研究卻很少。本研究以煤矸石充填復(fù)墾區(qū)為對象，分析不同覆土厚度（即以煤矸石為基質(zhì)，上覆表土的厚度）、植被類型、復(fù)墾時間對SOC含量及其分布的影響，以期為提高煤矸石充填復(fù)墾土地的碳匯功能及以后的土壤復(fù)墾工作提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于淮南市主要煤矸石充填復(fù)墾區(qū)[創(chuàng)大生態(tài)園修復(fù)區(qū)（A）、大通礦生態(tài)修復(fù)區(qū)（B）、新莊孜礦生態(tài)修復(fù)區(qū)（C）、潘一礦生態(tài)修復(fù)區(qū)（D）]，地處淮河以南地區(qū)，是暖溫帶和亞熱帶的過渡地帶，兼具南北氣候特點，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥，年平均氣溫在16.6 ℃左右，年平均降水量893.4 mm，季節(jié)性降水分布不均，降水主要集中在6—8月，雨熱同季。修復(fù)區(qū)的植被類型存在較大差異，創(chuàng)大生態(tài)園修復(fù)區(qū)以草地為主，潘一礦生態(tài)修復(fù)區(qū)以喬木林為主，大通礦生態(tài)修復(fù)區(qū)、新莊孜礦生態(tài)修復(fù)區(qū)以灌木林為主。同時重構(gòu)土地的覆土厚度也存在較大差異，主要表現(xiàn)在創(chuàng)大生態(tài)園修復(fù)區(qū)的覆土厚度分別為20～40、40～80、80～100 cm；大通礦生態(tài)修復(fù)區(qū)的覆土厚度基本在13 cm左右；新莊孜礦生態(tài)修復(fù)區(qū)的覆土厚度分別為40～80、80～100 cm；潘一礦生態(tài)修復(fù)區(qū)的覆土厚度分別為0～20、20～40、40～80 cm。不同生態(tài)修復(fù)區(qū)土壤基本理化性質(zhì)如表1所示。

1.2 研究區(qū)的確定與土樣采集

為了全面了解煤矸石充填復(fù)墾區(qū)SOC分布特征及其與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系，分別選取不同覆土厚度和植被類型的地塊作為研究對象。通過實際調(diào)查和現(xiàn)場勘測，在每塊研究區(qū)布置具有代表性的6個采樣區(qū)域，然后按照隨機性原則在每個采樣區(qū)域布置3個采樣點。采樣前去除可見地表植被、枯枝落葉、石子等雜物，每個采樣點分別收集3個土樣組成混合土樣。一部分土樣自然烘干后，過0.2 mm篩，用于有機碳測定；其他土樣在4 ℃下保存，用于土壤微生物生物量碳（soil microbial biomass carbon，SMBC）測定。

1.3 測定方法

采用環(huán)刀取樣法測定土壤容重和質(zhì)量含水量；采用酸度計法測定土壤pH值（水土比2.5 ∶1）；土壤顆粒組成分級標準采用中國制的分級標準；土壤有機碳含量測定采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法[8]；土壤微生物生物量碳測定采用氯仿熏蒸浸提法。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

運用SPSS 18.0軟件和Excel軟件進行統(tǒng)計分析與作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 SOC、SMBC、溶解性有機碳（DOC）含量的分布特征

2.1.1 不同生態(tài)修復(fù)區(qū)SOC、SMBC、DOC含量的分布特征

生態(tài)修復(fù)區(qū)SOC含量與覆土厚度、復(fù)墾時間以及植被類型有關(guān)。從圖1可以看出，各生態(tài)修復(fù)區(qū)SOC含量由高到低依次為大通礦生態(tài)修復(fù)區(qū)>潘一礦生態(tài)修復(fù)區(qū)>新莊孜礦生態(tài)修復(fù)區(qū)>創(chuàng)大生態(tài)園修復(fù)區(qū)。大通礦生態(tài)修復(fù)區(qū)SOC含量極顯著高于創(chuàng)大生態(tài)園修復(fù)區(qū)（P<0.01），潘一礦生態(tài)修復(fù)區(qū)SOC含量顯著高于創(chuàng)大生態(tài)園修復(fù)區(qū)（P<0.05）；其他修復(fù)區(qū)SOC含量之間的差異不顯著。由圖2可知，不同煤矸石復(fù)墾區(qū)MBC、DOC含量變化基本一致，表現(xiàn)為大通礦生態(tài)修復(fù)區(qū)的MBC、DOC含量最高，分別是84.01、62.57 mg/kg。從復(fù)墾時間來看，大通礦生態(tài)修復(fù)區(qū)復(fù)墾時間最長，說明在一定時間內(nèi)，隨著復(fù)墾年限增加SOC含量不斷增加。

2.1.2 不同覆土厚度下SOC、SMBC含量的分布特征

由圖3可見，不同覆土厚度復(fù)墾土壤平均有機碳含量為5.56～9.31 g/kg，覆土較薄的地塊（0～20 cm）有機碳含量最高，為9.31 g/kg，分別比覆土20～40、40～80、80～100 cm的地塊高49.20%、67.45%、53.88%，這可能是由于植被類型對復(fù)墾區(qū)有機碳的影響大于覆土厚度（覆土厚度在13cm左右的大通礦生態(tài)修復(fù)區(qū)的有機碳含量較高）的影響。覆土0～20 cm的地塊SOC含量顯著高于覆土40～80、80～100 cm地塊（P>0.05），而其他覆土厚度處理SOC含量之間差異不顯著。由圖4可見，不同覆土厚度下SMBC含量與SOC含量的變化規(guī)律基本一致，但不同覆土厚度下SMBC含量之間差異不顯著。綜合比較不同覆土厚度下的SOC含量，可以發(fā)現(xiàn)覆土0～20 cm 的地塊SOC含量最高，但這并不能說明覆土較薄的地塊有機碳含量較高，因為覆土厚度對表土有機碳含量的影響部分被植被類型所覆蓋。

由表2可見，大通礦生態(tài)修復(fù)區(qū)（灌木林）SOC含量最高，其次是潘一礦生態(tài)修復(fù)區(qū)（喬木林），創(chuàng)大生態(tài)園修復(fù)區(qū)（草地） 最低，這與Wiesmeier等的研究結(jié)果[9]一致，即林地的SOC含量高于草地。創(chuàng)大生態(tài)園修復(fù)區(qū)（草地）有機碳含量偏低，也可能與修復(fù)過程中所覆表土來源有關(guān)。在各生態(tài)修復(fù)區(qū)，SOC含量均隨覆土厚度的增加而增加，而SMBC含量變化的規(guī)律性不強，原因可能是煤矸石在氧化過程中放出大量熱量，加快靠近填充層（煤矸石）土壤中有機碳的礦化，進而表現(xiàn)出SOC易受覆土厚度的影響。

2.2 SOC含量與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性分析

2.2.1 不同植被類型下SOC含量與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性分析

由表3可知，在喬木林，SOC含量與土壤容重、pH值、砂粒含量呈負相關(guān)，與土壤含水量呈極顯著負相關(guān)。對于灌木林，SOC含量與土壤容重、pH值、砂粒含量呈負相關(guān)，而與土壤含水量呈正相關(guān)；新莊孜礦生態(tài)修復(fù)區(qū)SOC含量與土壤含水量極顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.566，但大通礦生態(tài)修復(fù)區(qū)SOC含量與土壤含水量相關(guān)性不顯著；大通礦生態(tài)修復(fù)區(qū)SOC含量與土壤砂粒含量極顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.721，但新莊孜礦生態(tài)修復(fù)區(qū)SOC含量與土壤砂粒含量相關(guān)性不顯著。對于草地，SOC含量與土壤容重、土壤含水量、pH值均呈負相關(guān)，其中與土壤含水量呈極顯著負相關(guān)。從表3可以看出，不同植被類型下SOC含量與pH值之間均存在負相關(guān)性，但相關(guān)性不顯著（P>0.05），這與曹小玉等的研究結(jié)論[10]基本一致。綜上所述，不同植被類型下，SOC含量與土壤容重、pH值均存在負相關(guān)性，但與其他土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性存在差異。

2.2.2 不同覆土厚度下SOC含量與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性分析

如表4所示，不同覆土厚度下SOC含量均與土壤砂粒含量存在極顯著相關(guān)性；覆土0～20 cm的地塊SOC含量與土壤砂粒含量存在極顯著負相關(guān)，而與土壤容重、土壤含水量、pH值的相關(guān)性不顯著；覆土20～40 cm的地塊SOC含量與土壤含水量、砂粒含量存在極顯著相關(guān)性；覆土40～80 cm的地塊SOC含量與土壤容重、pH值存在極顯著負相關(guān)性，與土壤含水量的相關(guān)性不顯著；覆土80～100 cm的地塊SOC含量與土壤容重存在極顯著負相關(guān)性，與土壤含水量和砂粒含量存在極顯著正相關(guān)性?？傊?，不同覆土厚度下，SOC含量與砂粒含量均存在極顯著相關(guān)性，但與其他土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性存在差異。

2.3 SOC含量和SMBC含量的關(guān)系

SMBC是指土壤中體積小于5～10 μm3的微生物總量（包括活的和死的細菌、真菌、小型動物等），可調(diào)節(jié)土壤所有組分有機碳的轉(zhuǎn)化。SMBC是SOC中最活躍和最容易變化的部分，周轉(zhuǎn)期一般小于5年，因此可以將其作為衡量SOC含量變化的重要敏感指標。從圖5中可以看出，SMBC含量與SOC含量呈顯著線性正相關(guān)，因此可以通過觀察SMBC的動態(tài)變化來判斷土壤總有機碳含量的變化。

3 結(jié)論與討論

3.1 生態(tài)修復(fù)區(qū)表層SOC含量的分布特征

土壤是一種不均勻的固體介質(zhì)，具有高度的異質(zhì)性，SOC作為土壤中較為活躍的重要組成部分，其在土壤中的分布也具有高度不均勻性[11]。異質(zhì)性主要表現(xiàn)在不同植被類型、覆土厚度、成土母質(zhì)下SOC含量的不均勻分布，即異質(zhì)性產(chǎn)生原因包括成土母質(zhì)類型、降水分布、微地形因素、土壤動植物及微生物活動、植被類型、覆土厚度以及人為活動影響程度等[12-13]。本研究從復(fù)墾時間、覆土厚度、植被類型方面對土壤理化性質(zhì)及其有機碳分布進行分析，結(jié)果表明：表層SOC含量由高到低順序為大通礦生態(tài)修復(fù)區(qū)>潘一礦生態(tài)修復(fù)區(qū)>新莊孜礦生態(tài)修復(fù)區(qū)>創(chuàng)大生態(tài)園修復(fù)區(qū)，且林地SOC含量高于草地。從不同覆土厚度考慮，SOC含量為5.56～9.31 g/kg，覆土0～20 cm的地塊SOC含量最高；隨著覆土厚度進一步增加，SOC含量逐漸降低；在覆土40～80 cm地塊SOC含量降到最小值；接著SOC含量又逐漸增加，覆土80～100 cm的地塊SOC含量達到6.05 g/kg。

3.2 生態(tài)修復(fù)區(qū)表層SOC含量分布的影響因子

容重是土壤物理性狀的重要指標[14]，它顯著影響SOC含量，研究發(fā)現(xiàn)土壤容重降低，SOC含量增加[15]，這與本研究中覆土40～80、80～100 cm地塊的試驗結(jié)果一致。研究區(qū)土壤容重均值偏高，為1.80～2.05 g/cm3。重構(gòu)土壤容重增加最主要的原因是復(fù)墾過程中機械設(shè)備對土壤的壓實作用，使大孔隙減少，土壤容重增加。土壤含水量也是影響土壤有機碳含量的一個重要因素，本研究發(fā)現(xiàn)草地、灌木林、喬木林SOC含量均與土壤含水量顯著相關(guān)。Hobley等研究表明，降水量與SOC含量呈正相關(guān)，表層SOC主要受氣候影響，隨著土壤深度增加，氣候的影響逐漸減小[16]。本研究中，pH值的變異系數(shù)為1.56～2.14，屬于小變異。本研究還發(fā)現(xiàn)，SOC含量與土壤pH值呈負相關(guān)，但Yao等卻在對高爾夫草地的研究中發(fā)現(xiàn)SOC含量與土壤pH值呈正相關(guān)[17]，這是由于在堿性土壤中溶解性酚類濃度較高，降低了土壤中水解酶活性，從而削弱了DOC降解，促進堿性土壤中碳的積累。土壤微生物生物量碳與土壤有機碳之間存在顯著的線性正相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)r=0.726，這與以往研究結(jié)果[17]一致，因此為了彌補有機碳在反映土壤碳庫變化時所表現(xiàn)的滯后性，可以通過監(jiān)測SMBC的動態(tài)變化來及時掌握土壤總碳庫的動態(tài)變化。

本研究探討了不同植被類型、覆土厚度對煤矸石充填復(fù)墾區(qū)表層土壤有機碳分布的影響，但還需要進一步深入研究，以期找到最優(yōu)的覆土厚度和最適宜的植被類型，以提高土壤肥力和增加復(fù)墾土壤碳固定。

參考文獻：

[1]黃昌勇.土壤學[M]. 北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2000.

[2]Lal R. Soil Carbon sequestration impacts on global climate change and food security[J]. Science，2004，304：1623-1627.

[3]Sartori F，Lal R，Ebinger M H，et al. Potential soil Carbon sequestration and CO2 offset by dedicated energy crops in the USA[J]. Critical Reviews in Plant Sciences，2006，25（5）：441-472.

[4]劉會平，嚴家平，樊 雯.不同覆土厚度的煤矸石充填復(fù)墾區(qū)土壤生產(chǎn)力評價[J]. 能源環(huán)境保護，2010，24（1）：52-56.

[5]Bai J，Xiao R，Zhang K，et al. Soil organic carbon as affected by land use in young and old reclaimed regions of a coastal estuary wetland，China[J]. Soil Use and Management，2013，29（1）：57-64.

[6]李新舉，胡振琪，李 晶，等. 采煤塌陷地復(fù)墾土壤質(zhì)量研究進展[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2007，23（6）：276-280.

[7]李媛媛，張怡康. 徐州采煤塌陷區(qū)復(fù)墾土壤的細菌群落多樣性[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學，2014，42（9）：312-315.

[8]鮑士旦.土壤農(nóng)化分析[M]. 北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2000.

[9]Wiesmeier M，Spoerlein P，Geuss U，et al. Soil organic carbon stocks in southeast Germany （Bavaria） as affected by land use，soil type and sampling depth[J]. Global Change Biology，2012，18（7）：2233-2245.

[10]曹小玉，李際平，張彩彩，等. 不同齡組杉木林土壤有機碳與土壤理化性質(zhì)的變化特征及其通徑分析[J]. 水土保持學報，2014，28（4）：200-205.

[11]王義祥，翁伯琦，黃毅斌，等. 不同墾殖方式下果園土壤有機碳的空間分布特征[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報，2011，30（12）：2511-2517.

[12]Gabarron-Galeote M A. Trigalet S，van Wesemael B. Effect of land abandonment on soil organic carbon fractions along a Mediterranean precipitation gradient[J]. Geoderma，2015，249：69-78.

[13]楊紅飛，穆少杰，李建龍.陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤有機碳儲量研究進展[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學，2012，40（2）：10-12.

[14]孫成明，曹 軍，劉 濤，等. 稻麥周年地區(qū)機械深松對土壤特性及小麥產(chǎn)量的影響[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學，2015，43（6）：76-77.

[15]閆俊華，周傳艷，文安邦，等. 貴州喀斯特石漠化過程中的土壤有機碳與容重關(guān)系[J]. 熱帶亞熱帶植物學報，2011，19（3）：273-278.

[16]Hobley E，Wilson B，Wilkie A，et al. Drivers of soil organic carbon storage and vertical distribution in Eastern Australia[J]. Plant and Soil，2015，390（1/2）：111-127.

[17]Yao H Y，Bowman D，Rufty T，et al. Interactions between N fertilization，grass clipping addition and pH in turf ecosystems：implications for soil enzyme activities and organic matter decomposition[J]. Soil Biology and Biochemistry，2009，41（7）：1425-1432.

[18]官會林，郭云周，張云峰，等. 不同復(fù)種模式對云南植煙紅壤根區(qū)有機碳和微生物量碳的影響[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報，2011，30（1）：133-138.