典型復墾地的SOC和δ13C分布特征及與土壤理化特性的關系

李奇超,李新舉*,閔祥宇,肖楊

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典型復墾地的SOC和δ13C分布特征及與土壤理化特性的關系

李奇超1,2,李新舉1,2*,閔祥宇1,2,肖楊1,2

1. 土肥資源高效利用國家工程實驗室, 山東 泰安 271018 2. 山東農業大學資環學院, 山東 泰安 271018

在濟寧市采煤礦區中，選取充填復墾（M1）、非充填復墾（M2）和預復墾（M3）的地塊研究土壤有機碳（SOC）和穩定性碳同位素（δ13C）的空間特征并篩選敏感理化指標，分析SOC和δ13C與土壤理化特性的關系，比較不同復墾方式的恢復效果。研究表明：(1)3種復墾方式中，M2的SOC含量已恢復到正常耕地的水平，M1和M3的SOC含量與各自對照相比仍有一定的差距。M1的δ13C在數值和變化趨勢上和CK1相比有較大差異，M2的δ13C值在表層（0~20 cm）與CK2有微小差異，M3的δ13C值在0~60 cm土層間均有微小差異。(2)通過與篩選出的敏感理化指標進行相關性分析，發現SOC受敏感化學指標的影響較大，δ13C值受敏感物理指標的影響較大。(3)非充填復墾方式中SOC恢復效果最好，對土壤層次損傷最小，土壤理化指標的副敏感最輕，因而建議濟寧礦區優先使用非充填復墾方式進行礦區塌陷地治理。

復墾方式; 土壤有機碳; 穩定性碳同位素; 敏感理化指標

由于高潛水位礦區易積水[1]、煤糧重疊度高[2]的特點，在該類礦區發生土地塌陷往往意味著更多農田甚至是基本農田的損毀，造成重大財產損失[3]，如何恢復因采礦造成塌陷的土地是采煤區亟待解決的問題[4-6]。土地復墾是治理土地塌陷的重要措施，但是由于復墾中對土壤的擾動、機械碾壓等原因，往往復墾土壤質量較低，因而對復墾后土壤肥力和土壤層次的監測成為當前研究熱點。

土壤有機碳是衡量土壤肥力的重要指標[7]，部分學者已經針對復墾土壤有機碳開展了相關研究。張沛沛[8]研究發現，采煤沉陷區的有機碳含量顯著低于正常耕地。王金滿[9]研究復墾后土壤與植被的演變規律發現，復墾后的有機碳含量隨著復墾年限呈現“S”型增長。王智同[10]在研究不同復墾方式對有機碳的影響發現，復墾14a的排土場的有機碳仍未恢復到對照耕地的有機碳水平。劉偉紅[11]研究復墾土地土壤有機碳的動態變化時發現，不同復墾方式土壤中有機碳的剖面分布具有一致性，即均隨著土層深度的增加而逐漸遞減。李俊穎[12]在研究濟寧礦區不同復墾方式的土壤養分特征時發現，不同復墾方式間恢復效果差異較大。以δ13C為代表的穩定同位素技術在最近幾十年迅速發展，它可以用來觀測過去氣候和環境信息[13]，衡量SOC的周轉速率[14]、土壤新舊層次[15]的界定和C3、C4植物演替[16]的分析。由上可知，專家學者研究不同復墾方式的恢復效果時，往往只通過研究土壤有機碳的空間特征來分析復墾土壤質量的恢復狀況，卻鮮有人研究δ13C在復墾土壤中的變化情況。本文通過分析3種復墾土壤中的SOC和δ13C的空間特征并篩選敏感理化指標，分析SOC和δ13C的影響因素特征以比較不同復墾方式的恢復效果差異。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

濟寧煤礦區地處高潛水位礦區，煤炭資源豐富，是山東省重要的產煤地之一。隨著煤炭產業的發展出現土地塌陷的問題，主要集中在鄒城市、任城區、兗州區、微山縣等地。土地塌陷造成重大財產損失，影響社會穩定。濟寧市從上世紀80年代開展采煤礦區塌陷地的治理工作，多年來形成了三大典型復墾方式[17]：充填復墾、非充填復墾和預復墾。充填復墾方式根據填充物的不同分為引黃充填、引湖充填、矸石充填、粉煤灰充填等，非充填復墾包括區域調平、挖深墊淺等，預復墾是一種優化的充填復墾方式,指在地表大面積塌陷積水之前取出寶貴的耕作層土壤，等到穩定沉陷后再進行充填物充填和表土回填，從而使破壞的耕地能夠得到提前治理，使耕地資源得到有效保護。

1.2 樣品采集與處理

本實驗于2017年7月選取濟寧礦區中的中心店矸石充填耕地（M1）、何崗區域調平耕地（M2）和南陽湖預復墾耕地（M3）為研究對象，3類地塊的復墾年限均為5年，且在復墾后均種植小麥等農作物。在每類地塊100*100 m的典型樣區內用20*20 m的密度網格分割出36個1*1 m的采樣方格（如圖1所示）并按表層（0~20 cm）、心層（20~40 cm）和底層（40~60 cm）分別采集土樣，并在其周邊正常耕地用同樣的方法布點取土（CK1、CK2、CK3）作對照處理。土樣采集后經過自然風干和研磨過篩（60目）處理后，于2017年9月在土肥資源高效利用國家工程實驗室內完成土樣理化性質的化驗。

圖 1 采樣地及樣點分布示意圖

現場檢測：在典型樣區內使用SC900數顯式土壤緊實度儀測定土壤緊實度；使用PC－2R多通道土壤熱性質記錄儀測定土壤熱導率和溫度；室內化驗部分：含水率用烘干法測定;容重用環刀法測定；礫石比用過篩法測定；土壤堿解氮用堿解擴散法測定；土壤有效磷用鉬銻抗比色法測定；土壤速效鉀用乙酸銨浸提-火焰光度法測定；土壤有機碳用高溫外加熱重鉻酸鉀氧化法[18]測定；δ13C用同位素質譜儀[19]測定。

1.3 研究方法

本文數據均采用Excel2007和SPSS17.0軟件進行統計分析。將所得的數據通過LSD分析，檢驗數據間差異是否顯著。首先分析3種復墾土壤的SOC和δ13C空間分布特征；然后分析3種土壤理化指標的空間特征并通過敏感因子分析模型SFA篩選出敏感理化指標；接著將篩選出的敏感理化指標與SOC和δ13C進行相關性分析，以分析SOC和δ13C的影響因素特征以比較不同復墾方式的恢復效果差異。

2 結果與分析

2.1 復墾土壤的SOC和δ13C的空間特征

2.1.1 復墾土壤SOC的空間特征由圖2所示，在0~60 cm的土層中，3種復墾土壤的SOC均值在4.14~12.15 g/kg之間，對照耕地的SOC均值在6.05~13.85g/kg之間。其中M2的SOC含量比CK2高2.28%，說明M2的SOC含量已經恢復到周圍正常耕地的水平。M1和M3與各自對照相比仍有一定的差距，分別比對照耕地低31.57%和12.27%。在不同土層深度間，復墾土壤和對照土壤的SOC均隨著土深逐漸減少。其中M1和M3在不同土層深度間的SOC均顯著小于對照耕地（<0.05）,而M2在各層的SOC與對照相比差異均不顯著。

圖 2 復墾土壤SOC含量的剖面特征

2.1.2 復墾土壤δ13C的空間特征 δ13C值可以用來反映土壤層次[16]的新舊狀況，是區分土壤表層（0~20 cm）、心層(20~40 cm)和底層(40~60 cm)的重要依據。較新土層（如表層）的δ13C值由于受到新鮮有機質（如地表腐殖質滲入）的影響導致數值較低。而老舊的土層（底層）因有機質的長時間積累導致δ13C值較高。由圖3所示，3種復墾土壤的δ13C值的空間特征具有顯著的差異。在0~60 cm土層間M1的δ13C數值和變化趨勢與CK1相比均有較大差異。M2的δ13C值在0~20 cm間與CK2有微量差異，在20~60 cm土層間數值幾乎相同。M2和CK2在0~60 cm土層間的變化趨勢相一致。M3的δ13C值在0~60 cm土層間與CK3有微量差異，但在0~60 cm的變化趨勢上與對照保持一致。綜上可見，與各自對照相比，M1的土壤層次在0~60 cm間變動較大，M2的土壤層次在表層（0~20 cm）有微小變化，M3在0~60 cm間均有微小變化。

圖 3 復墾土壤δ13C的剖面特征

2.2 復墾土壤理化指標的空間特征

2.2.1 復墾土壤物理指標的空間特征土壤的物理指標[6]是辨別土壤層次的重要依據。表1所示，與對照耕地相比，復墾土壤的壓實度、容重、礫石比和土壤溫度普遍偏高，熱導率偏低，含水率無明顯變化。具體來看，復墾土壤壓實度隨著土深逐漸增大，不同土層深度間差異顯著（<0.05），而對照耕地的壓實度在不同土層深度間差異不大。復墾土壤的熱導率均隨著土深呈現先增加在減少的“>”型變化，在不同土深間，復墾土壤的熱導率均顯著小于各自對照。復墾土壤的土溫隨著土深逐漸降低，在不同土層深度間，復墾土壤的土溫都略大于各自對照。復墾土壤的容重均隨著土深逐漸變大，在不同土層深度間，復墾土壤的容重均大于各自對照，復墾土壤礫石比在0~60 cm間無明顯變化規律，但在不同土層深度間，復墾土壤的礫石比均大于各自對照。

表 1 復墾土壤物理指標的空間特征

注：采用LSD檢驗，不同字母表示差異顯著，下同。

Note: Used LSD test, the different letters showed significant difference (< 0.05), The same as follows.

2.2.2 復墾土壤化學指標的空間特征堿解氮、有效磷和速效鉀是衡量復墾土壤肥力[20]的三大指標，其含量對土壤肥力和作物產量具有重要的影響。與各自對照相比，3種復墾土壤的養分狀況不佳，其中M1的養分狀況最差，堿解氮、有效磷和速效鉀在各土層深度均顯著小于對照。具體來看，在堿解氮方面，M1和M2在0~60 cm土層間均顯著小于對照耕地，M3在0~20 cm土層間與CK3相當，在20~60 cm土層間顯著小于CK3。在有效磷方面，M1和M3在0~60 cm土層間顯著小于CK1，M2在0~40 cm土層間與CK2相當，在40~60 cm土層間顯著小于CK3。在速效鉀方面，M1、M2和M3均顯著小于各自對照。

表 2 復墾土壤的化學指標空間特征

2.3 復墾土壤敏感理化指標的篩選及相關性分析

2.3.1 復墾土壤敏感理化指標的篩選為了更好的比較復墾前后土壤理化指標的變化，本文構建敏感因子分析模型SFA（Sensitivity Factor Analysis Model）。

SFA（）=（復墾均值-對照均值）/對照均值*100

式中，為具體某一土壤理化指標，SFA（）表示指標受復墾工作影響的敏感程度。數值為正數表示為正敏感，即復墾工作會導致該理化指標增大，反之亦然。數的絕對值越大，表示該指標受復墾影響的程度越強，反之亦然。規定，當|SFA()|≥10時，該指標對復墾活動顯著敏感。

根據SFA模型，我們得到了復墾土壤敏感理化指標表。由表3中0~60 cm土層間均值可得，M1的敏感物理指標（“+”表示正敏感指標，“-”表示負敏感指標）為壓實度（+）、熱導率（-）、容重（+）和礫石比（+）。同理可得M2的敏感物理指標為壓實度（+）、容重（+）和礫石比（+），M3的敏感物理指標為壓實度（+）、熱導率（-）和礫石比（+）。研究發現，土壤溫度和含水率均不是復墾土壤的敏感物理指標，在后面的研究中將其排除。如表4所示，M1在不同土層深度間，對堿解氮、有效磷和速效鉀均呈現顯著負敏感，即在0~60 cm土層間，M1的敏感化學指標是堿解氮（-）、有效磷（-）和速效鉀（-）。在M2中，堿解氮僅在40~60 cm呈顯著負敏感，速效鉀在20~60 cm顯著負敏感。綜合考慮0~60 cm均值來看，速效鉀（-）是M2的敏感化學指標。在M3中，堿解氮和速效鉀在0~60 cm間均呈現顯著的負敏感，有效磷僅在0~20 cm土層間表現為顯著負敏感，綜合分析，M3的敏感化學指標是堿解氮（-）和速效鉀（-）。

表 3 復墾土壤物理指標敏感度

注：數字后帶*表示為顯著敏感，下同。

Note: After the number with * that was significantly sensitive, The same as follows.

表 4 復墾土壤化學指標敏感度

2.3.2 敏感理化指標的相關性分析將復墾土壤的SOC含量與2.3.1中找到的敏感理化指標進行相關分析（表5），發現3種復墾土壤的SOC含量與代表土壤層次的壓實度、熱導率、容重和礫石比無顯著相關性，但與代表土壤肥力的堿解氮、有效磷和速效鉀呈顯著或極顯著相關。具體來看，M1的SOC含量與堿解氮和有效磷呈現極顯著正相關，與速效鉀呈現顯著正相關。M2的SOC含量與堿解氮和速效鉀呈現顯著正相關，與有效磷不相關。M3的SOC含量與堿解氮和速效鉀呈極顯著正相關，與有效磷不相關。與2.3.1的結論結合看，與SOC呈顯著或極顯著相關的指標均為敏感化學指標（M2的SOC與堿解氮關系除外），這說明復墾土壤的部分敏感化學指標影響土壤中SOC含量，同時也說明復墾土壤的SOC與土壤肥力指標有密切的關系，但與土壤層次指標關系不大。

將復墾土壤的δ13C與2.3.1中找到的敏感理化指標進行相關分析（表6），發現3種復墾土壤的δ13C與代表土壤肥力的堿解氮、有效磷和速效鉀無相關性，但與代表土壤層次（礫石比除外）的壓實度（M2關系除外）、熱導率和容重呈現顯著或極顯著相關。具體來看，M1的δ13C與熱導率和容重呈極顯著正相關，與壓實度呈顯著正相關，M2與容重呈顯著正相關，M3與熱導率呈顯著正相關，與壓實度呈顯著正相關。跟2.3.1的結論結合看，與δ13C有相關性的指標均為敏感物理指標，說明復墾土壤的部分敏感物理指標影響土壤中δ13C值，也說明復墾土壤的δ13C與土壤層次指標有密切的關系，但與土壤肥力指標關系不大。

表5 敏感理化指標與SOC的相關性

注：*表示在0.05的水平上顯著相關（<0.05）；**表示在0.01的水平上顯著相關（<0.01）。下同。

Note: * indicates significant correlation at 0.05 level (< 0.05); ** indicates significant correlation at 0.01 level (< 0.01). The same as follows.

表 6 敏感理化指標與δ13C的相關性

3 討論

充填復墾、非充填復墾和預復墾作為濟寧市3種典型復墾方式，其復墾后對土壤產生的影響和恢復效果各有不同。從SOC的角度來看，非充填復墾的SOC含量已恢復到周圍正常耕地的水平，充填復墾和預復墾的恢復效果一般，與對照耕地相比仍有一定差距。從δ13C值的角度看，充填復墾土壤的δ13C在數值和變化規律上與對照耕地相比差異較大，說明充填復墾對土壤結構的破壞最為嚴重，在0~60 cm土層間基本喪失了層次性。這是由于早期充填復墾表土剝離工作落實不到位造成的。預復墾作為一種優化的充填復墾方式，其對土壤層次具有一定程度的保留作用，但是仍然會對土壤中的δ13C值造成“損傷”。區域調平作為非充填復墾方式，能做到對土壤層次進行最大程度的保護，該方式僅會對土壤表層造成微小擾動，基本不會影響深度土壤的層次。

對復墾土壤的理化指標進行分層研究和敏感度分析，發現復墾土壤與對照耕地在理化指標上有較大差異。首先，壓實度和容重普遍偏高。由于早期復墾工作為了讓土地平整而過多使用大型機械進行壓實，導致土壤壓實度偏高、容重偏大，土壤結構遭到破壞，這與劉寧[21]閔翔宇[22]研究結果一致。其次，熱導率明顯偏低。熱導率作為土壤的一項基本物理性質，與土壤質地和容重[5]有密切的關系，復墾后的土壤由于受到土壤質地下降和容重增加的影響而導致熱導率偏低。再其次，復墾土壤的礫石比明顯增大。由于復墾工作人為影響較大，施工過程中外源性礫石（比如填充物攜帶礫石，堆放表土的地方存在礫石等）滲入“被動”造成礫石比偏大。土溫變化正是由于礫石比上升造成土壤熱容量變小，因而（夏季采樣的）復墾土壤溫度會偏大于對照耕地。而含水量在復墾前后沒有顯著變化，這是因為該指標受自然環境（當地的氣溫、降水，植被）的影響更大，人為干擾的變化程度有限。最后由表4可得，復墾工作會造成土壤中堿解氮、有效磷和速效鉀的減少，這與李俊穎[12]研究結果一致。具體上看，非充填復墾僅對速效鉀產生負面影響，對堿解氮和有效磷影響效果有限，而充填復墾和預復墾會對多種土壤肥力指標產生影響。

通過把篩選出的敏感理化指標與SOC和δ13C進行相關性分析發現，SOC受敏感化學指標的影響較大，進而說明SOC能夠反映土壤養分狀況。δ13C值受敏感物理指標的影響較大，進而說明δ13C能夠反映土壤層次狀況，這與張美榮[7]田麗艷[15]研究結果一致。綜上可得，非充填復墾方式的有機碳恢復效果最好，對土壤層次的損傷最小，對土壤理化指標的副作用最輕，因而建議濟寧礦區優先使用非充填復墾方式進行礦區塌陷地治理。

4 結論

（1）3種復墾方式對土壤產生的影響各不相同：M2的SOC含量已恢復至周邊正常水平，M1和M3與對照相比仍有一定差距。M1的δ13C值在不同土層間的含量和變化趨勢均與對照有明顯差異，M2僅在0~20 cm表層與對照有微小差異，變化趨勢相一致。M3與對照在0~60 cm土層間均有微量差異，但變化趨勢一致；

（2）通過篩選敏感理化指標發現：壓實度、礫石比和速效鉀是3種復墾方式共同的敏感理化指標。通過相關性分析發現：SOC受敏感化學指標的影響較大，δ13C值受敏感物理指標的影響大；

（3）通過對濟寧3種典型復墾方式進行綜合比較，非充填復墾方式有機碳恢復效果最好，對土壤層次損傷最小，對土壤理化指標的副作用最輕，因而建議濟寧礦區優先使用非充填復墾方式進行礦區塌陷地治理。

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Distribution of SOC and δ13C in Typical Reclaimed Land and Relation with Soil Physicochemical Properties

LI Qi-chao1,2, LI Xin-ju1,2*, MIN Xiang-yu1,2, XIAO Yang1,2

1.271018,2.271018,

In Jining coal mining area, the spatial characteristics of soil organic carbon (SOC) and stable carbon isotope (δ 13C) and the sensitive physical and chemical indexes were studied and screened by the three different reclamation modes: filling reclamation (M1), non-filling reclamation (M2) and pre-reclamation (M3). The relation between SOC, δ 13C and soil physical and chemical properties was analyzed in order to compare the recovery effect of different reclamation methods. The result shows that: (1)Among the three reclamation methods, the SOC content of M2 has returned to the level of normal cultivated land, and the SOC content of M1 and M3 is still different from that of each respective control group. The value and variation trend ofδ13C of M1 are significantly different from that of CK1, δ13C of M2 is slightly different from that of CK2 in the surface layer (0-20cm), and there is a slight difference of the δ13C value of M3 between 0-60 cm soil layers. (2)Correlation analysis with the selected sensitive physical and chemical indicators shows that SOC is greatly affected by sensitive chemical indicators, while delta 13C value is greatly affected by sensitive physical indicators. (3)In the non-filling reclamation method, SOC has the best recovery effect, the least damage to soil layers and the less sensitivity to soil physical and chemical indexesTherefore, The non-filling reclamation method is preferred to be used for subsidence treatment Jining mining area.

Reclamation modes; soil organic carbon; stable carbon isotope; sensitive physical and chemical indicators

TD88;S151.9

A

1000-2324(2019)03-0513-07

10.3969/j.issn.1000-2324.2019.03.034

2018-03-04

2018-03-26

國家自然基金(41771324);采煤沉陷地綠色綜合治理與生態修復關鍵技術(2016ZDJS11A02)

李奇超(1993-),男,碩士研究生,主要從事土地復墾研究. E-mail:lqc4748@sina.com

Author for correspondence. E-mail:xinjuli@sdau.edu.cn