煤矸山复垦林、草地土壤有机碳差异及其影响因素

　　摘要土壤有机碳及其活性组分既能表征土壤肥力状况，又可反映土壤质量变化。因此，研究煤矸山不同植被复垦地土壤有机碳含量差异及其影响因素，有助于查明不同植被复垦方式下土壤肥力和质量状况的差异及其原因，对于指导煤矸山植被恢复具有重要意义。以山西省霍州曹村煤矸山复垦后9年的草地(GR-9a)和林地(SR-9a)为对象，分析了2种植被类型复垦地0~10和10~20cm土层总有机碳(SOC)、可溶性有机碳(DOC)、水溶性有机碳(WSOC)、微生物生物量碳(MBC)、轻组有机碳(LFOC)和重组有机碳(HFOC)的差异，研究了土壤有机碳组分含量与土壤环境因子间的关系。

　　结果表明：(1)复垦草地SOC和HFOC含量分别较复垦林地高26.1%和70.5%(P<0.05)，LFOC含量则低53.1%(P<0.05)，但2种样地中DOC、WSOC和MBC含量相当。表明复垦草地土壤总有机碳含量高于复垦林地，且主要增加了重组有机碳含量，但其活性组分并无明显差异。(2)土壤TN、TP、AN、C/N、黏粒含量和pH值均对土壤SOC及其组分产生影响，其中TN、AN、TP和pH值是造成2种复垦样地有机碳及其组分含量差异的主要因子。因此，提高土壤氮、磷含量，降低pH值可能会促进煤矸山复垦地土壤有机碳的积累。

　　关键词土壤有机碳;活性有机碳;植被恢复;土壤质量;矸石山

　　煤矸山长期推存会引发一系列生态环境问题(Zhaoetal.,2008;王丽艳等，2011;Tangetal.,2015)，因此，对其进行复垦治理是改善矿区生态环境问题的迫切需要。我国北方地区对早期形成的煤矸山往往采用推平覆土的方法进行治理(胡振琪，1995)，该方法包括灌浆灭火、推平碾压、覆土造地和植被绿化4个环节(王煜琴等，2009;于亚军等，2018;Lietal.，2018)。但由于推平覆土时就近挖取的土壤为熟化程度很低的生土，加之推平时铲平和碾压改变了原有土壤结构，造成“重构土壤”存在水肥不足和结构差等诸多质量问题(于亚军等，2017)，往往导致植被复垦工作“半途而废”或“劳而无功”。

　　因此，查明煤矸山复垦地土壤质量状况是保证植被恢复工作成功的关键。土壤有机碳是土壤的重要组成部分，不仅可为植物生长提供碳源(苏永中等，2002;王清奎等，2005)，直接影响土壤肥力和作物产量的高低(徐薇薇等，2014)，也是反映土壤质量或土壤健康的重要指标(王金满等，2012;Bodlàketal.,2012)。同时，土壤轻组有机碳(LFOC)是土壤养分的重要来源(徐明岗等，2000)，水溶性有机碳(WSOC)和可溶性有机碳(DOC)还对土壤中养分和环境污染物的迁移转化起着重要作用(李俊超等，2015)。

　　因此，土壤有机碳各组分碳库情况可以作为衡量煤矸山复垦地养分状况和土壤质量的重要指标，分析其含量及影响因素对明确复垦地土壤质量，采用合理的措施促进复垦地持续利用具有重要意义。一般认为，不同植被复垦地土壤有机碳含量和组分的差异主要缘于植物枯落物的量、性质及植物根系作用的差异(刘伟红等，2014)，但由于煤矸山重构土壤与自然立地(原地貌)土壤存在显著差异，如土层浅薄、结构紧实、水肥亏缺、物质迁移不畅、还可能受底层矸石中重金属污染的影响等(Vinduškováetal.,2013;张蓉等，2018)，这不仅会阻碍植物生长、影响枯落物的积累量，也会影响土壤微生物活性，造成对枯落物分解和转化能力下降，也会影响土壤有机碳迁移，导致植物利用困难和土壤碳库失衡(Dawudetal.，2016)。

　　因此，以煤矸山复垦重构土壤为样地开展研究，对查明多种胁迫因子下土壤有机碳库及其转化情况很有意义。当前有关土壤有机碳变化及其影响因素的研究结果主要来自非重构复垦样地(李新宇等，2000)，针对煤矸山重构土壤的研究并不多。

　　为此，本研究选取山西省霍州市以推平覆土方式复垦的煤矸山，以复垦后9年草地(GR-9a)和林地(SR-9a)为研究对象，分析两种植被类型复垦地土壤总有机碳(SOC)、可溶性有机碳(DOC)、水溶性有机碳(WSOC)、微生物生物量碳(MBC)、轻组有机碳(LFOC)和重组有机碳(HFOC)含量的差异及其影响因素，揭示土壤有机碳组分变化特征及其关键影响因子，研究结果对于查明不同植被类型复垦地土壤质量的差异，实现复垦地持续利用具有重要意义，也可为煤矸山选择合适的植被重建模式提供理论指导。

　　1研究地区与研究方法

　　1.1研究区概况

　　研究区位于山西省霍州市曹村矿区，该区为温带大陆性季风气候，年均气温12.2℃，年降水量介于353~688mm，主要集中在7、8、9月，土壤类型主要为褐土。研究样地位于该矿南下庄矸石山(36°30′47.9″N，111°42′11.1″E)，海拔为560m。

　　该煤矸山形成于20世纪60年代，矸石堆存量约200万t，占地约1.6×104m2，垂直高度约50m，于2008年采用推平覆土方式进行了复垦治理，覆土厚度约为80cm，覆土土壤取自煤矸山附近，为熟化程度很低的黄土母质褐土(养分含量和结构状况均很差)。形成的复垦地面积约为3500m2，复垦后种植火炬树(Rhustyphina)、沙棘(Hippophaerhamnoides)和荆条(Vitexnegundo)，苗龄2年，株行距2m×3m。

　　但一年后复垦地南边一部分(面积约900m2)因未及时浇水造成植被死亡，后自生杂草，形成以白蒿(HerbaArtimisiaeSieversianae)、狗尾草(Setairaviridis)和白羊草(Bothriochloaischaemum)等为主的草地。由此，截止采样时(2017年10月)形成了以灌木为主的林地和以杂草为主的草地两种样地，用样线法测得林、草地物种数分别为6种和11种，目测盖度分别为65%和80%。

　　1.2材料与方法

　　1.2.1土样采集

　　土样采集时间为2017年10月上旬，样地为复垦9年草地(GR-9a)和林地(SR-9a)，并选择煤矸山附近(直线距离约100m)原地貌林草地(灌木有沙棘、荆条，草本有白蒿、狗尾草等)为对照(CK)。采样时用S形随机选取15个样点，每个样点3次重复，采样深度为0~10和10~20cm，采样工具为土钻(直径3cm)，后将各样点土样分层混合，后装入塑封袋带回实验室，去除植物残体等杂质后按四分法将样品分为2份，过孔径10目(约2mm)筛，一份用于测定DOC、WSOC和MBC。另一份风干后测定LFOC、HFOC和土壤理化性质。

　　1.2.2测定方法与数据分析

　　土壤总有机碳(SOC)测定采用浓硫酸-重铬酸钾消煮滴定法;可溶性有机碳(DOC)和水溶性有机碳(WSOC)均用去离子水(水土比分别为5︰1和2︰1)浸提，DOC在25℃下以250r·min-1的速度震荡1h，后以15000r·min-1速度离心10min;WSOC震荡30min后以4000r·min-1速度离心10min;微生物生物量碳(MBC)用氯仿熏蒸-K2SO4浸提，三者的浸提液分别过0.45μm滤膜。

　　轻组有机碳(LFOC)和重组有机碳(HFOC)测定采用有机碳密度分组法(张丽敏等，2014)。分析仪器为TOC-VCSH分析仪(日本岛津公司)。土壤全氮(TN)、全磷(TP)、全钾(TK)、碱解氮(AN)、速效钾(AK)、有效磷(AP)、黏粒含量、pH值和土壤含水量(SWC)等理化性质测定均采用国标方法进行(刘光崧，1996)。数据用Excel2010和SPSS21.0软件处理，用SPSS21.0软件进行单因素方差分析(Tukey多重比较)、主成分分析和Pearson相关分析，用Origin8.6软件绘图。

　　2结果与分析

　　2.1复垦林、草地土壤总有机碳(SOC)含量差异

　　GR-9a样地0~10cm土层SOC含量较SR-9a样地高49.7%(P<0.05)，但10~20cm土层2种复垦样地间并无差异。相比CK样地，2种复垦样地SOC含量分别偏低48.6%和71.2%(P<0.05)。

　　2.2复垦林、草地土壤轻、重组有机碳(LFOC、HFOC)含量差异

　　复垦林地(SR-9a)、草地(GR-9a)和CK样地轻组有机碳(LFOC)和重组有机碳(HFOC)含量及其占SOC的比例。2种复垦样地LFOC含量在0~10cm无差异，但10~20cm差异明显，HFOC含量在2个土层均表现为GR-9a>SR-9a。

　　再从2种复垦样地与CK样地的差异看，除GR-9a在10~20cm土层与CK样地差异不明显外，其余LFOC和HFOC含量在0~10和10~20cm土层相比均低于CK样地。LFOC/SOC和HFOC/SOC在2个土层变化趋势也不同，LFOC/SOC在2个土层均表现为SR-9a>GR-9a，而HFOC/SOC在2个土层表现为GR-9a>SR-9a。从平均值来看，LFOC含量和LFOC/SOC均为SR-9a>GR-9a，而HFOC和HFOC/SOC则与之相反。

　　2.3复垦林、草地活性有机碳(DOC、WSOC和MBC)含量的差异

　　2种复垦样地DOC和WSOC含量的差异主要出现在0~10cm土层，并均表现为GR-9a>SR-9a;而2种复垦样地WSOC含量在2个土层中均表现为GR-9a>SR-9a。同时，与CK相比，除GR-9a样地0~10cm土层MBC含量偏高外，其余2个土层DOC、MBC和WSOC含量均明显偏低。

　　3讨论

　　3.1复垦林、草地不同形态有机碳含量的差异

　　研究发现，复垦草地土壤总有机碳(SOC)较复垦林地偏高26.1%。但从两样地轻、重组有机碳(LFOC、HFOC)含量的差异看，复垦草地HFOC含量较复垦林地偏高70.5%，LFOC含量偏低53.1%，并且复垦草地轻组有机碳占总有机碳的比例低于复垦林地，而重组有机碳占比偏高(复垦草地LFOC/SOC和HFOC/SOC分别为36.0%和64.0%，复垦林地LFOC/SOC和HFOC/SOC为74.5%和25.5%)。

　　可见，复垦草地土壤总有机碳含量的增加，主要体现在增加了土壤重组有机碳，而轻组有机碳含量却明显减少。此外，尽管复垦草地土壤SOC含量高于复垦林地，但其活性组分DOC、WSOC和MBC含量并无明显差异，这可能是由于复垦草地氮素含量相比复垦林地偏高引起的(复垦草地土壤全氮和碱解氮含量分别较复垦林地偏高57.3%和233.0%)，也可能与复垦草地pH值较低有关(Lietal.,2015)，因为较高的土壤氮含量和较低的pH值会抑制微生物活动，减少SOC分解(Christensenetal.，1992)。

　　3.2复垦林、草地有机碳含量差异的关键影响因子

　　相关分析表明，TN、TP、AN、C/N、pH值和黏粒含量均对SOC、DOC、WSOC、LFOC和HFOC产生影响，而主成分分析表明TN、AN、TP和pH值是影响有机碳及其组分含量的主要因子，并且TN、AN和TP与之均表现为极显著(P<0.01)或显著(P<0.05)正相关，表明土壤氮、磷含量增加有利于土壤有机碳的积累(Mendhametal.,2002;王长庭等，2005)。研究表明，土壤C与N、P之间的正相关关系可能主要是通过土壤微生物建立起来的，土壤N、P增加可以促进微生物活动，有利于土壤腐殖质的积累，从而增加有机碳含量(汤松波等，2018;Mendhametal.,2002;Norbyetal.,2010;Amendetal.,2015)。

　　土壤pH值与有机碳呈负相关的原因主要在于pH值增高会影响微生物数量和种类，抑制有机碳的溶解(廖丹等，2015)，从而减少土壤有机碳及组分含量。此外，本研究表明，2种复垦地土壤SOC、DOC、SWOC、MBC、LFOC和HFOC含量均低于当地原地貌林草地(CK)，尤其是SOC、MBC、LFOC和HFOC差异十分明显(复垦林、草地SOC、MBC、LFOC和HFOC分别较CK低58.7%、23.5%、58.9%和58.5%)，并且相较CK样地，2种复垦样地土壤N、P素分别偏低57.4%、37.8%和47.1%、44.4%，其原因可能在于煤矸山复垦时覆土土壤基本为生土，而后续复垦后仅靠植物枯落物归还很难有效改善氮、磷养分的情况。因此，通过施用有机肥提高氮、磷养分含量，改善土壤结构状况和pH值可能会增加有机碳的积累。

　　4结论

　　复垦草地SOC、HFOC分别较复垦林地偏高26.1%和70.5%，LFOC含量偏低53.1%，2种复垦样地DOC、WSOC、MBC含量相当，表明尽管复垦草地土壤总有机碳含量高于复垦林地，但活性组分含量并无明显差异，这主要是由于复垦草地较高的氮素含量和较低的pH值造成的。土壤TN、TP、AN、C/N、黏粒含量和pH值均对土壤SOC及其组分产生影响，其中，TN、AN、TP和黏粒含量是造成2种复垦样地有机碳及其组分含量差异的主要因子。因此，通过施用有机肥提高养分含量，改善土壤结构状况和pH值可能会增加有机碳的积累。

　　参考文献

　　胡振琪.1995.半干旱地区煤矸石山绿化技术研究.煤炭学报,20(3):322-327.

　　李新宇,唐海萍,赵云龙,等.2004.怀来盆地不同土地利用方式对土壤质量的影响分析.水土保持学报,18(6):103-107.

　　李俊超,党廷辉,薛江,等.2015.植被重建下露天煤矿排土场边坡土壤碳储量变化.土壤学报,52(2):453-460.

　　廖丹,于东升,赵永存,等.2015.成都典型区水稻土有机碳组分构成及其影响因素研究.土壤学报,52(3):517-527.

　　刘光崧.1996.土壤理化分析与土壤剖面描述.中国标准出版社.

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　　摘要:农作物的生长需要足够的营养物质。但是，随着近些年来我国工业化程度的不断升高，农村耕地土壤的肥力在不断下降。尤其是对于一些工业化程度较高的城市周边更是如此。农作物在这些肥力不足的土地中生长，其长势和最终的产量都会受到影响。因此，加强对土壤中肥力的研究，寻找当前土壤肥力下降的原因并采取相关对策是保证我国粮食生产的基础，本文将就此进行研究。