煤礦復墾區重構土壤溶解性有機碳空間分布特征①

鄭永紅，胡友彪，張治國,2

(1 安徽理工大學地球與環境學院，安徽淮南 232001；

2安徽理工大學安徽省礦山地質災害防治重點實驗室，安徽淮南 232001)

煤礦復墾區重構土壤溶解性有機碳空間分布特征①

鄭永紅1，胡友彪1，張治國1,2

(1 安徽理工大學地球與環境學院，安徽淮南 232001；

2安徽理工大學安徽省礦山地質災害防治重點實驗室，安徽淮南 232001)

為探究煤礦復墾區重構土壤中溶解性有機碳(DOC)含量的空間分布特征，以淮南潘一礦區煤矸石山和周邊復墾區林地土壤為研究對象，從空間分布和顆粒組成上，分析了煤矸石山山頂、山腰和山腳的煤矸石風化物及周邊林地土壤中DOC的含量。結果表明：自上而下山頂、山腰、山腳的煤矸石風化物中DOC含量呈遞減趨勢，并隨采樣深度的增加而增大；但林地土壤中DOC含量隨采樣深度的增加而減少。不同粒徑顆粒物中DOC含量分布不同，煤矸石風化物和林地土壤均以細砂(0.2 ～ 0.05 mm)DOC含量最高，石礫(10 ～ 2 mm)DOC含量最低。在雨水淋溶作用下，煤矸石風化物對周邊土壤DOC含量貢獻較大，距離山腳1 ～ 100 m范圍，隨著距離的增加，土壤中DOC含量由325.46 mg/kg減少至177.89 mg/kg，煤矸石風化物對周邊土壤DOC含量的貢獻率由85.78% 降低到1.54%，在距離山腳100 m處土壤中DOC含量已接近正常對照土壤含量。

復墾區；煤矸石風化物；土壤；溶解性有機碳

土壤溶解性有機碳(DOC)是指分子量比較小、結構簡單的有機碳水化合物，它們能溶解于水中，且能通過0.45 μm微孔濾膜，是土壤有機碳中最活躍的組成部分[1-5]，受植物和微生物影響強烈，在土壤中移動比較快，不穩定，易氧化分解，是對植物與微生物活性比較高的那一部分土壤有機碳素[6]。DOC雖然只占土壤總有機碳0.04% ～ 0.22%[7]，但它的變化對土壤碳庫及溫室效應和全球氣候變化有著重要的控制作用[8-11]，同時可直接影響微生物的活性和植物的養分供應[12-13]。

淮南礦區煤矸石山多以碳質泥巖為主，遇水極易風化。因而在長期露天堆放的情況下，經過不同程度的風化和淋溶作用，煤矸石山表層及山腳下的煤矸石風化物顆粒組成已接近土壤[14]，并與周圍農田、林地土壤混合。煤矸石中所含的有機碳及鉀、鈉等鹽基物質不斷釋放，流失，減少[15]，向周圍土壤和水體遷移富集，使土壤中有機碳及營養元素含量發生變化。鄭永紅等[14]對淮南潘一礦煤矸石山風化物有機碳分布規律進行了初步研究，結果表明煤矸石風化物在淋溶作用下，已經出現有機碳向周邊土壤遷移的趨勢。但是，仍然缺乏淮南煤矸石山煤矸石風化物-土壤系統中DOC的時空分布、遷移富集規律的研究。因此，本文以淮南潘一礦煤矸石山風化物、復墾區土壤為研究對象，從不同深度和不同粒徑對其中DOC含量變化及空間分布特征進行研究，為科學地利用煤矸石、提高復墾區土壤質量提供科學決策依據。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

潘一礦煤矸石山位于潘一礦東側約1.0 km 處，于2005 年12 月正式開工礦山地質環境治理(覆土造地)工程項目，并于2006 年12 月結束。其中復墾區是在采煤沉陷區回填煤矸石，上覆黏土工藝所形成。該區域屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，年平均氣溫15.3℃，7 月份氣溫最高，1 月份氣溫最低；年平均降水量926 mm，夏季降水量最多，占全年降水量的55%，春季次之，秋季較少，冬季最少。復墾區土壤類型為砂姜黃土，成土母質為黃土性古河流沉積物[16]。

1.2 研究方法

1.2.1 樣品采集 2016年7月，在潘一礦煤矸石山山體北側未覆土一面，沿雨水徑流方向從山頂、山腰至山腳共設置3條采樣線，分別采集煤矸石風化物；從煤矸石山腳下延伸至復墾區林地，分別在距離山腳1、2、5、10、15、20、40、60、80和100 m處設置采樣點采集林地土壤，同時以周邊閑置農田土壤作為對照。另外，在各采樣點，垂直方向以20 cm為取樣深度單位分3個層次(0 ～ 20、20 ～ 40、40 ～ 60 cm)采集垂直剖面上煤矸石風化物樣品和土壤樣品。

1.2.2 樣品處理 對采集的煤矸石風化物、土壤樣品，去除植物根系、樹葉、石塊等雜質后，采用四分法將所采樣品進行篩分，用于測定DOC，如不能及時測定，保存于4℃冰箱中，最好在24 h內測定完畢。

1.2.3 測定方法 因DOC在土壤中的含量與土壤水分、溫度、性質等因素有關，各研究者對土壤DOC的測定方法不盡相同，為獲得最優DOC測定條件，在參考各研究者試驗的基礎上[17-21]，經過改變水土比(5∶1、10∶1、20∶1、30∶1)、浸提劑(超純水、0.5 mol/L K2SO4、1 mol/L KCl、1 mol/L NaCl)、浸提溫度(20、30、40、50、60、70 ℃)和浸提時間(0.5、1、2、5 h)試驗，最終確定最優的煤矸石風化物和土壤DOC的測定條件見表1。

表1 煤矸石風化物和土壤DOC的測定條件Table 1 Determination conditions of DOC contents in gangue weathering materials and soils

按表1中DOC的測定條件，振蕩(200 r/min)浸提1 h后，離心(4 000 r/min)10 min，上清液過0.45 μm濾膜后，用TOC-VCPH總有機碳分析儀(島津公司)測定其中DOC含量。

1.2.4 數據處理與統計分析 原始數據利用SPSS17.0軟件進行統計分析，DOC含量分布圖利用Origin8.0軟件繪制。

2 結果與討論

2.1 溶解性有機碳含量的空間分布特征

2.1.1 垂直分布特征 潘一礦復墾區煤矸石風化物、林地土壤及對照農田土壤DOC含量的垂直分布特征見圖1。從圖1中可以看出，山頂、山腰、山腳的煤矸石風化物中DOC含量呈遞減趨勢，平均含量分別為398.80、303.8、254.82 mg/kg，并且隨著采樣深度(0 ～ 20、20 ～ 40、40 ～ 60 cm)的增加，DOC含量逐漸變大，與鄭永紅等[14]已有研究煤矸石風化物中總有機碳含量隨深度增加而變大的趨勢相一致；林地土壤DOC含量在214.38 ～ 309.48 mg/kg，平均為257.09 mg/kg，其含量隨深度的增加呈現先減少后增加的趨勢。40 ～ 60 cm這一層是復墾區土壤與煤矸石風化物最近的一層，DOC含量要明顯高于上一層土壤，這可能是由于受下部煤矸石的影響。Anne等[22]、陳孝楊等[23]的研究表明，復墾土壤下的煤矸石的理化特性和物質循環過程將影響上層復墾土壤。因此，復墾區土壤在雨水的淋溶過程中，下層煤矸石中的DOC溶出并進入土壤，使得40 ～ 60 cm土壤中DOC含量高于上一層土壤(20 ～ 40 cm)，而鄭永紅等[14]研究煤矸石風化物溶出特征，結果顯示DOC含量隨淋濾液的溶出而向周邊土壤遷移，正好證明了這一點；對照農田土壤DOC含量在156.66 ～ 197.16 mg/kg，平均為175.91 mg/kg，其含量隨土壤深度的增加呈現遞減趨勢，與孔范龍等[17]、衛東等[24]、程靜霞等[25]、郭洋等[26]的研究結果相一致。

圖1 煤矸石風化物和周邊土壤中DOC含量的垂直分布Fig.1 Vertical distributions of DOC contents in gangue weathering materials and surrounding soils

2.1.2 水平分布特征 沿雨水徑流方向，煤矸石山腳下1 m處土壤DOC含量最高，為325.46 mg/kg，隨著距離的增加，土壤DOC含量逐漸減少，距離山腳下100 m處土壤DOC含量減少到177.89 mg/kg，而對照農田土壤DOC含量平均為175.19 mg/kg，表明降雨影響DOC在土壤中的橫向遷移[27]，周邊土壤受到了煤矸石山堆積的影響。

煤矸石山堆積對周邊土壤的影響可以用煤矸石風化物對周邊土壤DOC含量的貢獻率來表征[28-29]。由圖2可知，與對照土壤DOC含量相比，煤矸石風化物對周邊土壤DOC的貢獻率在85.78% ～ 1.54%，呈明顯的下降趨勢，離煤矸石山最近的山腳下1 m處，貢獻率最大，達到85.78%，隨著距離的增加，煤矸石風化物對周邊土壤DOC的貢獻率逐漸降低，距離煤矸石山腳下100 m處的貢獻率僅為1.54%，此處土壤DOC含量已經接近正常土壤DOC含量。這說明煤矸石風化物中的DOC在長期的淋溶作用下，向周邊土壤遷移趨勢明顯，對周邊土壤DOC含量貢獻較大。

圖2 煤矸石風化物對周邊土壤DOC含量的貢獻率Fig. 2 Contribution rate of gangue weathering materials to DOC contents in surrounding soils

2.2 粒徑對DOC含量的影響

煤矸石由于長期暴露在環境中，在風化和雨水的淋溶作用下，會破碎成大小不一的顆粒狀態的煤矸石風化物。為了解DOC在不同粒徑煤矸石風化物和土壤中的分布特征，結合我國土壤粒級劃分標準、國際制土粒分級標準和美國制土粒分級標準，將煤矸石和土壤樣品按粒徑篩分為大小不等的顆粒[30-31]，見表2。

表2 煤矸石和土壤樣品顆粒分級Table 2 Size grading of coal gangue and soil samples

由表3可以看出，潘一礦煤矸石風化物顆粒主要以石礫和粗砂為主，占92% ～ 95%，細砂以下的細顆粒含量很低，占5% ～ 8%，但山腳的煤矸石風化物中粗砂比例明顯增大，由山頂、山腰的34%、39% 增大到48%，說明山腳下的煤矸石風化程度較高，并且顆粒物組成已經近似土壤。林地土壤和對照土壤的機械組成中以砂粒(包括粗砂和細砂)為主，其中細砂占74% ～ 78%。

表3表明，不同粒徑顆粒物中DOC含量分布不同，煤矸石風化物中以細砂DOC含量最高，為355.8 ～530.10 mg/kg，石礫DOC含量最低，為216.74 ～235.95 mg/kg，粗砂與粉粒及以下DOC含量相差不大，但山腳煤矸石風化物中粉粒及以下顆粒中DOC含量最高，這與山腳煤矸石風化程度高，粒徑由大變小，風化物近似土壤化有關。土壤粒徑越小，黏粒含量越高，對DOC的吸附能力就越強[32-34]。林地土壤中以細砂DOC含量最高，為312.87 mg/kg，石礫DOC含量最低，為255.17 mg/kg。對照農田土壤中以細砂DOC含量最高，為233.54 mg/kg，石礫DOC含量最低，為183.32 mg/kg。總體上DOC含量分布以砂粒(包括粗砂和細砂)為最多，石礫最少，粉粒及以下顆粒DOC含量居中。土壤顆粒越小，表面積越大，對DOC的吸附就越強，因此，石礫中DOC含量最低，但由于DOC本身以溶于水，遷移能力強的特性，粉粒及以下細小顆粒中的DOC更易隨雨水的淋溶而流失，這就是導致粉粒及以下細小顆粒不及砂粒DOC含量高的原因[14]。

表3 煤矸石風化物和周邊土壤的顆粒組成及其DOC含量Table 3 Particle compositions and DOC contents of gangue weathering materials and surrounding soils

3 結論

1) 潘一礦煤矸石山山頂、山腰、山腳的煤矸石風化物中DOC含量呈遞減趨勢，并隨深度的增加而增大；周邊土壤中DOC含量隨深度的增加而減少。

2) 煤矸石風化物在雨水的淋溶作用下，其中的DOC向周邊土壤遷移趨勢明顯，對周邊土壤DOC含量有較大的貢獻。距離煤矸石山腳1 m處，土壤中DOC含量為325.46 mg/kg，煤矸石風化物對土壤DOC含量貢獻率達到85.78%；隨著距離的增加，土壤中DOC含量逐漸減少，煤矸石風化物對周邊土壤DOC的貢獻率逐漸降低，距離煤矸石山腳100 m處土壤中DOC含量為177.89 mg/kg，已接近正常對照土壤(175.19 mg/kg)含量，煤矸石風化物對土壤DOC含量貢獻率僅為1.54%。

3) 煤矸石風化物顆粒組成以石礫和粗砂為主(占91% ～ 95%)，并且從山頂、山腰到山腳煤矸石風化程度加大，粗砂比例提高，山腳下的煤矸石風化物顆粒組成已接近土壤；土壤顆粒組成以細砂為主(占74% ～ 78%)。

4) DOC在煤矸石風化物細顆粒(＜2 mm)中的平均含量為372.89 mg/kg，粗顆粒(＞2 mm)中的平均含量為228.07 mg/kg；DOC在周邊土壤細顆粒中的平均含量為257.21 mg/kg，粗顆粒中的平均含量為219.25 mg/kg，因此，煤矸石風化物和土壤中DOC含量在細顆粒中明顯高于粗顆粒。

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Spatial Distribution Characteristics of Dissolved Organic Carbon in Reconstructed Soil in Coal Mine Reclamation Area

ZHENG Yonghong1, HU Youbiao1, ZHANG Zhiguo1,2
(1 School of Earth and Environment, Anhui University of Science and Technology, Huainan, Anhui 232001, China;2 Key Laboratory of Mine Geological Hazard and Control of Anhui Province, Anhui University of Science and Technology,Huainan, Anhui 232001, China)

In order to analyze the spatial distribution characteristics of dissolved organic carbon(DOC) in reconstructed soil in coal mine reclamation area, this study selected a coal gangue pile and peripheral reclaimed forestry soil in Panyi Coal Mine in Huainan as the study object, the contents of DOC in gangue weathering matters located at the peak, slope and foot of the gangue pile and in reclaimed forestry soil and in their different size particles were measured. The results showed that DOC contents in gangue weathering matters decreased from the peak to foot of gangue pile but increased with the increase of profile depth at the same site, while DOC content in forestry soil reduced with the increase of profile depth. DOC contents were different in different size particles, fine sand part (0.2-0.05 mm) had the highest DOC content while gravel part (10-2 mm) had the smallest DOC content. Under the leaching of rainwater, gangue weathering matter contributed significantly to DOC content in peripheral soil,within the range of 1-100 m, with the increase of the distance from the foot of gangue pile, DOC content in soil decreased from 325.46 mg/kg to 177.89 mg/kg, the contribution rate of gangue weathering matter to soil DOC content decreased from 85.78% to 1.54%, and DOC content in soil at 100 m far was near the normal level of CK soil.

Coal mine reclaimed area; Gangue weathering matter; Soil; Dissolved organic carbon(DOC)

TD88；X53

A

10.13758/j.cnki.tr.2017.05.018

安徽省自然科學基金項目(1508085SMD218)和“土壤衛士”創客實驗室項目(2016ckjh071)資助。

鄭永紅(1979—)，女，新疆烏魯木齊人，博士研究生，副教授，研究方向為土壤污染與防治。E-mail： zyhaust@163. com