煤炭開采沉陷區土壤有機碳空間變化

程靜霞,聶小軍,劉昌華

(河南理工大學測繪與國土信息工程學院,河南焦作 454000)

煤炭開采沉陷區土壤有機碳空間變化

程靜霞,聶小軍,劉昌華

(河南理工大學測繪與國土信息工程學院,河南焦作 454000)

為研究礦區土壤碳動態,以焦作礦區為例,分析了沉陷坡與裂縫區兩種破壞地表的土壤有機碳空間變化。結果表明:與未沉陷的礦區土壤相比較,沉陷坡與裂縫區表土(0～10 cm)有機碳含量降低且空間變異性增大,土壤剖面各層次有機碳含量均出現降低,特別是10～30 cm的土壤剖面層有機碳含量降低最明顯,降幅為29%～38%;兩種破壞地表土壤剖面有機碳庫損失高達20.8～47.3 t/hm2。沉陷坡上,表土有機碳含量從上坡到中坡明顯的降低,從中坡到坡底逐漸增加;中坡、下坡與坡底有機碳含量沿土壤剖面層次向下表現出一致的線性下降趨勢,但上坡在土壤剖面內的波動較大;各坡位土壤剖面有機碳儲量均出現損失,尤其是坡底以上的坡位有機碳儲量損失最大。礦區土壤有機碳的空間變化與土壤侵蝕、土地利用、裂隙滲漏及低生物量輸入有關。

有機碳;礦區土壤;土壤侵蝕;采煤沉陷

煤炭作為我國最主要的能源,在推動國民經濟快速發展的同時,其開采也帶來了一系列嚴重的問題,諸如土地退化、環境污染及糧食安全風險。隨著我國耕地資源日趨緊張,礦區土地退化問題備受關注。目前的研究主要從土壤理化特性、水土環境演變2個方面探討開采沉陷對礦區土地退化的影響[1-7]。作為人類干擾強烈的礦區農業土壤,其質量退化引起的糧食安全風險近年來逐漸被重視,相應的礦區土地整治工作正在漸次開展;但是,與氣候變化相關的礦區土壤碳動態卻很少被關注。有機碳在全球碳循環中處于核心地位[8]。在全球陸地生態系統中,土壤作為最大的有機碳庫,碳儲量高達1.55×1012t[9],是大氣與生物量碳庫總和的2倍[10-11]。在人類社會農業文明的漫長發展過程中,絕大部分農業土壤受強烈人為干擾活動而使其有機碳庫相較于農業文明前已經損失了25%～75%[12]。農業土壤有機碳庫的微小變動即可導致大氣CO2濃度的較大變化,從而影響全球氣候變化[11,13-14]。大量的研究探討了土地利用變化、土壤侵蝕、植被退化、土壤管理等干擾因素對草地、森林、濕地、耕地等農業土壤有機碳的影響[15-23],從而為區域農業土壤有機碳庫的評價提供了理論支持。對于礦區土壤這種特殊的農業土壤來說,影響其有機碳動態的因素極其復雜。地表破壞、土地利用、植被退化、土壤侵蝕等干擾因素均有可能影響礦區土壤有機碳的空間分布。然而,目前有關礦區土壤有機碳動態這方面研究開展的還很少,這不利于以采礦業為主的區域農業土壤有機碳庫的準確評價。

基于以上背景,筆者以焦作礦區為例,選取有代表性的采煤沉陷區,調查沉陷坡與裂縫區兩種破壞地表的土壤有機碳空間分布,分析土壤有機碳空間變化的影響因素,以期為礦區有機碳管理提供理論依據。

1 研究區概況

焦作礦區(112.53°～113.63°E,34.8°～35.5N)位于河南省北部,地處太行山南麓,區域地貌為山前沖洪積扇平原。該礦區屬于溫帶區大陸性季風氣候,年均氣溫14℃,年均降雨量695.7 mm,蒸發量2 039 mm;降雨量集中在7—9月,占全年雨量的70%。礦區從20世紀初開始規模開發,目前采煤沉陷區面積高達149 km2,沉陷坡度≤8°,局部破壞嚴重,地表上的裂縫寬度多在20 cm左右[24]。采煤沉陷區土地利用類型主要為耕地與林地,耕地作物循環為小麥(Triticum aestivum L.)—玉米(Zea mays L.),林地喬木基本上為單一的毛白楊(Paulownia tomentosa)。土壤類型為石灰性褐土,母質是石灰巖和第四系砂礫石。

2 研究方法

2.1 樣品采集

在焦作礦區選取一個有代表性的、具有15 a沉陷歷史的井工開采破壞地表作為研究區,沉陷地表的類型包括沉陷坡(局部分布一些小裂縫,但已經被人工簡單填補)和大裂縫集中分布區(裂縫區)。沉陷坡與裂縫區0～10 cm土壤質地均為粉壤土(43%砂粒,50%粉粒,7%黏粒)。沉陷坡、裂縫區的土地利用類型分別為耕地、林地,面積分別為0.8和1.5 hm2,地表平均坡度分別為3.04°和1.26°。由于地表沉陷,沉陷坡與裂縫區土地已變為旱地。同時,選取沉陷坡與裂縫區附近一塊平整的、未沉陷的、旱作耕地作為對照區,其土壤質地也為粉壤土(41%砂粒,52%粉粒,7%黏粒)。沉陷坡與對照區耕地作物殘茬管理一致,均為小麥收割后保留30 cm高度的秸稈,玉米秸稈全部保留,但是由于作物長勢不同,沉陷坡耕地作物生物量僅為未沉陷耕地作物生物量的50%左右。裂縫區種植楊樹,自沉陷以來前10 a由于生長不良,林木最大胸徑(地表以上1.3 m處)不超過12 cm,隨后全部被采伐,目前為具有5 a栽植歷史的楊樹幼林地。沉陷坡、裂縫區、對照區的土壤基本屬性見表1。

表1 采煤地表破壞區情況及其土壤屬性Table 1 Status of destroyed landscapes and selected soil properties in mining area

用取土鉆(?=8 cm)采樣,具體的采樣方案:①沉陷坡的土樣采集點分布如圖1(a)所示,在上、中、下、坡底位置均按之字形布點,每個坡位設置7個樣點,其中3個為剖面點,剖面點分5層采集,即0～10,10～20,20～30,30～40,40～50 cm;其余4個點采集0～10 cm的表土。沉陷坡總計采樣76個。②裂縫區沿2條主要的裂縫走向布點(圖1(b)),共布設15個點,其中4個剖面點,剖面點分3層取樣:0～10, 10～20,20～30 cm;其余11個點采集0～10 cm的表土。裂縫區總計采集23個樣品。③對照區樣點按照圖1(c)進行均勻布設,共布設9個樣點,其中6個土壤表層(0～10 cm)樣點,3個為剖面點,剖面點分5層采集:0～10,10～20,20～30,30～40,40～50 cm;總計采集21個樣品。利用DGPS對每個樣點的坐標及海拔進行測定。樣品采集結束,帶回實驗室測定。

圖1 沉陷區取樣點分布Fig.1 Soil sampling in study area

2.2 實驗分析及數據處理

吸管法測顆粒組成、電位法測pH值(水土質量比為1∶2.5),環刀法測土壤密度,重鉻酸鉀油浴外加熱法測土壤有機碳[25]。所有測定數據采用SPSS 19.0軟件進行統計分析。不同位置間土壤有機碳含量的比較采用ONE-ANOVA單因素方差法來分析。用于比較不同位置表土土壤有機碳含量差異的樣本數:沉陷坡28個,裂縫區15個,對照區9個;用于比較不同位置土壤剖面各層次有機碳含量及有機碳儲量差異的樣本數:沉陷坡12個,裂縫區4個,對照區3個;用于比較沉陷坡不同坡位表土有機碳含量差異的樣本數為7個/坡位;用于比較沉陷坡不同坡位土壤剖面各層次有機碳含量及有機碳儲量差異的樣本數為3個/坡位。剖面土壤有機碳儲量為

式中,SSOC為土壤有機碳儲量,kg/m2;Qi為i層土壤密度,g/cm3;Di為i層土壤深度,cm;SOCi為i層土壤有機碳含量,g/kg;n為土壤總層數。

3 結果與討論

3.1 表層土壤有機碳空間變化

沉陷坡表層土壤有機碳含量平均為11.55 g/kg,明顯低于裂縫區表層土壤有機碳含量(13.01 g/ kg)(P＜0.05)。與對照區(14.18 g/kg)相比較,沉陷坡表層土壤有機碳含量明顯降低了19%(P＜0.05),但裂縫區表層土壤有機碳含量降低不明顯(P＞0.05),這主要歸因于裂縫區土地利用類型為林地,林地凋落物增加的土壤有機質在一定程度上彌補了沿裂隙通道損失的表土有機碳。從空間變異性來看,沉陷坡與裂縫區表層土壤有機碳含量的變異系數(CV)分別為19%與14%,遠高于對照區(6%)(表2)。這些結果與Ussiri and Lai[26]的研究結論一致,表明煤炭開采造成的地表破壞導致表土有機碳含量的降低與空間變異性增大。

表2 不同破壞位置表層土壤有機碳含量Table 2 Organic carbon contents in surface soils of different destroyed landscapesg/kg

沉陷坡表層土壤有機碳坡面分布規律表現為:表土有機碳含量從上坡到中坡呈現出明顯的降低,然后,從中坡到坡底逐漸增加,但與對照區相比,沉陷坡面范圍內表土有機碳含量都是減小的(表2)。坡底(12.68 g/kg)與上坡(12.46 g/kg)2個位置的表土有機碳含量最高,且相差不大(P＞0.05)。相反,中坡(9.79 g/kg)與下坡(11.20 g/kg)表土有機碳含量較低;特別是中坡表現出最低的表土有機碳含量,明顯低于坡底與上坡的表土有機碳含量(P＜0.05)。研究區沉陷坡表土有機碳含量表現出的這種坡面分布規律有別于朱宗澤的研究結果,即沉陷坡表土有機碳含量往往被發現是從坡頂到坡底逐漸增加[27]。然而,在本研究中,表土有機碳含量是從中坡到坡底逐漸增加,也即有機碳的明顯損失最先發生在中坡位置。中坡與下坡2個位置表土有機碳含量低與土壤侵蝕有關。通過調查,發現沉陷坡上的土壤黏粒(＜0.002 mm)含量從上坡到坡底逐漸增大(圖2),這表明水蝕對土壤顆粒的分選性搬運過程。根據坡面侵蝕理論,水蝕的發生坡位主要在中坡與下坡,因為這兩個位置是坡面徑流匯集的場所[28]。而且,沉陷坡的中坡位置坡曲率變化較大,在耕作位移作用下可以誘發明顯的耕作侵蝕(在耕作工具作用下土壤發生的向下坡傳輸)[29]。據此推斷,土壤侵蝕導致了中坡與下坡兩個位置的表土有機碳損失。坡底由于接受來自上坡方向的侵蝕土壤,結果導致該位置表土有機碳含量最高。但是,與沒有土壤補給來源的上坡(12.46 g/kg)比較,坡底(12.68 g/kg)表土有機碳含量并沒有表現出明顯的增加。這與坡底存在的一些小裂縫有關。下文“沉陷坡土壤剖面有機碳含量深度分布格局(圖3)”顯示:坡底土壤30～50 cm深度范圍內的有機碳含量明顯高于其他坡位相同土壤深度的有機碳含量,這表明坡底表土有機碳存在沿裂縫通道滲漏到深層土壤而產生損失。另外,研究中發現的中坡表土有機碳含量明顯低于其他坡位,這個結果也不同于顧和和等的研究報道[2]。在他們的研究中,沉陷坡中坡表土有機碳含量也被發現最低,但與上坡、下坡與坡底表土有機碳含量并無顯著差異(P＞0.05)。這種結果的不一致性可能歸因于中坡位置土壤侵蝕強度的差異,即在他們的調查中,中坡土壤侵蝕程度輕微,而在筆者的研究調查中,中坡水蝕與耕作侵蝕聯合作用導致的土壤侵蝕強度較高。

圖2 沉陷坡土壤黏粒分布Fig.2 Distribution of clay contents across the subsidence slope

3.2 土壤有機碳剖面分布

圖4顯示了沉陷坡與裂縫區有機碳在土壤剖面內的含量變化。總體上,沉陷坡與裂縫區有機碳含量隨著土壤剖面層次的加深呈現出降低的趨勢,這些趨勢類似于對照區土壤有機碳含量的剖面變化。但是,不同于對照區的是沉陷坡與裂縫區土壤剖面各層次的有機碳含量均較低;其中,10～30 cm的土壤剖面層有機碳含量降幅最大,分別下降29%～31%與31%～38%。這表明煤炭開采造成的地表破壞導致土壤剖面各層次的有機碳含量降低,特別是10～30 cm的土壤剖面層有機碳含量降低最為明顯。其次,沉陷坡與裂縫區兩種破壞地表的0～10 cm土壤剖面層有機碳含量最高,明顯高于10 cm以下各層次的有機碳含量(P＜0.05),這種特征不同于對照區,對照區有機碳含量最高的土壤剖面層表現為0～30 cm(0～10,10～20,20～30 cm層次間有機碳含量無顯著差異;P＞0.05)。這種不同可能是由于沉陷坡與裂縫區表土(0～10 cm)有機碳分別受地表侵蝕與垂直滲漏作用而無法在10～30 cm的土壤剖面層內有效積累。

圖3 沉陷坡土壤剖面有機碳含量深度分布格局Fig.3 Depth distribution of organic carbon contents in soil profile for different positions of the subsidence slope

圖4 不同破壞地表土壤剖面有機碳含量深度分布格局Fig.4 Depth distribution of organic carbon contents in soil profile for different types of destroyed landscapes

中坡與下坡土壤有機碳含量表現出一致的剖面變化規律,即在0～40 cm的剖面層內,隨著剖面層次的加深,土壤有機碳含量逐漸降低;而在40～50 cm的剖面層,有機碳含量變化不明顯。坡底有機碳含量在整個剖面層隨著土壤深度的增大呈現出很好的線性下降趨勢。上坡土壤有機碳含量在0～10 cm與20～30 cm的剖面層含量接近且最高(P＞0.05),而在其他剖面層明顯降低(P＜0.05)(圖3)。顯然,上坡與坡底有機碳剖面變化不同于中坡與下坡。對于坡景觀而言,雖然上坡地表徑流難以匯集,水蝕對土壤有機碳的搬運影響不明顯,但該坡位由于在耕作傳輸作用下表現為土壤凈輸出,因此也是耕作侵蝕一個主要發生場所[30]。在研究區,土壤耕作采用機械耕作,耕作深度在20 cm左右,這種耕作實踐導致10～20 cm深度的土壤有機碳明顯損失,同時,由于該上坡位置坡度(0.94°)較緩,從而表現出類似于未沉陷耕地CK在20～30 cm與0～10 cm土壤層相近的有機碳含量(圖4)。另外,坡底土壤有機碳含量線性降低的剖面變化與地表以下的潛在小裂縫使土壤各剖面層有機碳沿裂隙通道均勻滲漏有關。

3.3 土壤剖面有機碳儲量

表3顯示了沉陷坡與裂縫區土壤剖面有機碳的儲量(kg/m2)。與對照區CK(8.58 kg/m2)相比,沉陷坡(6.50 kg/m2)、裂縫區(3.85 kg/m2)土壤剖面有機碳儲量顯著降低(P＜0.05),分別降低了24%與 55%,損失量分別高達20.8與47.3 t/hm2,這些數值接近世界最嚴重退化土壤的有機碳庫損失(30～40 t/hm2)[31]。沉陷坡不同坡位土壤剖面有機碳儲量的變化表現為:上坡、中坡與下坡的土壤剖面有機碳儲量無明顯變化(P＞0.05),均顯著低于坡底(P＜0.05),表明沉陷坡土壤剖面有機碳儲量的嚴重損失主要來源于上坡到下坡的坡位。盡管坡底土壤剖面有機碳儲量(8.05 kg/m2)相對較高,但相較于對照地(8.58 kg/m2)仍呈現出輕微降低的變化(表3),這暗示作為礦區土壤沉積場所的坡底(或沉陷盆地中心),其土壤有機碳儲量并未增加,其主要原因同樣是由于地表以下潛在裂隙導致的有機碳滲漏。

表3 不同破壞位置土壤剖面有機碳儲量Table 3 Organic carbon storages in profile soils of different destroyed positionskg/m2

另外,結合前面結果(沉陷坡表土有機碳19%的明顯損失與裂縫區表土有機碳的不明顯損失)來看,沉陷坡、裂縫區這兩種采煤破壞地表的土壤剖面有機碳損失更為嚴重。沉陷坡土壤剖面有機碳儲量的嚴重降低不僅與土壤侵蝕有關,而且也與該破壞地表作物(小麥-玉米)的生物量低有關。由于沉陷坡耕地作物生物量僅為未沉陷耕地作物生物量的50%左右,因此,在相同的作物殘茬管理下(小麥收割后保留30 cm高度的殘茬,玉米秸稈全部保留),沉陷坡耕地有機殘體輸入到土壤中的數量明顯低于未沉陷耕地。裂縫區土壤剖面有機碳儲量的降低最嚴重,這主要歸因于裂隙滲漏導致的土壤嚴重損失,結果導致裂縫區林地土壤剖面厚度僅為30 cm,遠低于未沉陷耕地及沉陷坡耕地的土壤剖面厚度(50 cm)。

4 結 論

(1)沉陷坡與裂縫區表土有機碳含量降低且空間變異性增大。沉陷坡表土有機碳坡面分布規律表現為:表土有機碳含量從上坡到中坡呈現出明顯的降低,從中坡到坡底逐漸增加;但與對照區相比,沉陷坡面范圍內表土有機碳含量都是減小的;其中,土壤侵蝕導致的中坡表土有機碳損失明顯。

(2)沉陷坡與裂縫區有機碳含量沿土壤剖面層次向下而下降,剖面各層次的有機碳均出現損失,特別是10～30 cm的土壤剖面層有機碳損失最明顯。沉陷坡不同坡位之間土壤有機碳含量剖面分布規律表現不一:中坡、下坡與坡底有機碳含量均表現出沿剖面層次線性下降的趨勢;但是,上坡有機碳含量在土壤剖面內波動大。沉陷坡不同坡位間土壤有機碳含量剖面變化差異與土壤侵蝕、裂隙滲漏有關。

(3)土壤侵蝕、作物殘茬量低導致的沉陷坡土壤剖面有機碳庫損失與裂隙滲漏導致的裂縫區土壤有機碳庫損失均很嚴重,接近世界最嚴重退化土壤的有機碳庫損失。

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Spatial variation of soil organic carbon in coal-mining subsidence areas

CHENG Jing-xia,NIE Xiao-jun,LIU Chang-hua

(School of Surveying and Land Information Engineering,Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454000,China)

In order to understand carbon dynamics in mine soil,the spatial variation of soil organic carbon(SOC)contents was investigated in two types of landscapes destroyed by coal mining,i.e.,subsidence slope and ground fissure site from Jiaozuo mine area,China.It is found that the SOC contents in topsoil(0-10 cm)decreases and their spatial variability increases in both subsidence slope and ground fissure site in comparison with those in non-subsidence site.The SOC contents at all the layers of depth profile decrease,especially at the layers of 10-30 cm depth,where a decrease of 29%-38%in the SOC contents is observed.The depletion of SOC pool in the study area was estimated up to 20.8-47.3 t/hm2.For the subsidence slope,the SOC contents in topsoil obviously decrease from upper slope to middle slope positions,and then gradually increased from middle slope to toe slope positions.At the middle,lower and toe slope positions of soil profiles,the SOC contents decrease linearly along with depth,but vary irregularly in those of the upper slope positions.The loss of SOC storages occurs on the whole subsidence slope,especially at the upper,middle and lower slope positions.The spatial variation patterns of SOC in the study area could be attributed to soil erosion, land-use,and fissure-induced leakage as well as the low input of crop biomass to mine soils.

organic carbon;mine soils;soil erosion;coal-mining subsidence

X53

A

0253-9993(2014)12-2495-06

2013-12-06 責任編輯:王婉潔

國家自然科學基金委員會與神華集團有限責任公司聯合資助項目(U1261206);國家自然科學基金資助項目(41001157)

程靜霞(1988—),女,江西上饒人,碩士研究生。E-mail:cjx108cz@126.com。通訊作者:聶小軍(1977—),男,山西曲沃人,副教授,博士。E-mail:niexj2005@126.com

程靜霞,聶小軍,劉昌華.煤炭開采沉陷區土壤有機碳空間變化[J].煤炭學報,2014,39(12):2495-2500.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.1806

Cheng Jingxia,Nie Xiaojun,Liu Changhua.Spatial variation of soil organic carbon in coal-mining subsidence areas[J].Journal of China Coal Society,2014,39(12):2495-2500.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.1806