不同復墾年限煤矸山重構土壤有機碳及其組分差異①

張宇婕，于亞軍

不同復墾年限煤矸山重構土壤有機碳及其組分差異①

張宇婕，于亞軍*

(山西師范大學地理科學學院，山西臨汾 041000)

土壤有機碳含量是土壤肥力狀況的重要標志之一，其活性組分對田間管理措施反映敏感。因此，分析煤矸山復墾重構土壤有機碳含量及其組分差異對于揭示土壤碳庫變化、指導復墾地田間管理措施的實施有重要意義。本研究以山西省霍州曹村煤矸山復墾后5 a(R-5a)、7 a(R-7a)和9 a(R-9a)的果園為對象，通過與當地原地貌果園(CK)對比，分析了3種復墾樣地土壤總有機碳(TOC)及其組分可溶性有機碳(DOC)、微生物生物量碳(MBC)、輕組有機碳(LFOC)和重組有機碳(HFOC)的差異，以及與土壤環(huán)境因子間的關系。結果表明：①隨復墾年限的增加，3種復墾樣地土壤TOC、LFOC和HFOC含量均呈先增后減趨勢，DOC含量呈增加趨勢，MBC含量呈先減后增趨勢；但與CK相比，3種復墾樣地土壤TOC、DOC、MBC、LFOC和HFOC含量均明顯偏低。②DOC/TOC和MBC/TOC在R-7a樣地中最低，LFOC/TOC隨復墾年限的增加呈增加趨勢，HFOC/TOC呈減少趨勢，表明土壤中更多的有機碳從穩(wěn)定態(tài)轉變?yōu)榛钚詰B(tài)。③土壤全氮、全磷、堿解氮、碳氮比、黏粒含量、pH和含水量均不同程度影響有機碳含量，其中全氮、全磷、黏粒含量和土壤pH為關鍵因子。

煤矸山；土壤有機碳；活性有機碳；重構土壤

煤矸山是采煤過程產生的固廢物煤矸石堆積形成的[1]，其堆存中不僅侵占土地，而且通過揚塵、自燃、雨水淋溶等方式造成土壤、水體和空氣污染[2]，導致礦區(qū)生態(tài)環(huán)境惡化[3-4]。因此，煤矸山治理是改善礦區(qū)環(huán)境、實施礦區(qū)生態(tài)重建的迫切任務[5]。在我國北方地區(qū)，煤矸山治理多采用推平覆土后進行植被綠化的方式，其作業(yè)過程包括灌漿滅火、推平碾壓和覆土造地3個階段[6]。但由于推平覆土時所用土壤基本是沒有熟化或熟化程度很低的生土，加之推平碾壓和覆土造地時通過工程措施改變了原有土壤結構和層次特點，所形成的“重構土壤”存在結構差，養(yǎng)分、水分極度匱缺等問題，成為后續(xù)植被恢復的主要限制因素；并且煤矸山復墾地往往優(yōu)先被利用為農業(yè)用途[7]，因而其土壤養(yǎng)分狀況的優(yōu)劣尤為關鍵。所以培肥地力，增加土壤碳、氮等養(yǎng)分是復墾地利用的關鍵。土壤有機碳含量是土壤肥力高低的重要標志，其活性組分可溶性有機碳(DOC)、輕組有機碳(LFOC)和微生物生物量碳(MBC)雖占總有機碳(TOC)含量的比例較小，卻是植物養(yǎng)分的直接來源[8]，也可以靈敏地反映農田管理措施對土壤肥力的影響[9]。同時，查明土壤有機碳庫動態(tài)變化和固碳能力的影響因素，實現土壤碳庫由“碳源”向“碳匯”轉變，對于維護土壤生態(tài)環(huán)境，實現礦區(qū)復墾地可持續(xù)性利用具有重要意義[10-11]。

目前，針對山西省礦區(qū)復墾土壤有機碳含量動態(tài)變化的研究結論仍存在爭議，如：王金滿等[12]認為安太堡煤礦排土場復墾后土壤有機碳隨復墾時間增加呈先增后減趨勢，但也有研究認為該礦區(qū)復墾后土壤有機碳含量呈逐漸增加趨勢[13]。而針對復墾土壤有機碳含量的影響因素[14]有研究認為，土壤有機碳與含水量呈正相關，與容重和pH呈負相關[10]；也有研究認為與含水量負相關，與pH正相關[15]；還有的認為與含水量、容重和pH均為負相關[16]，可見研究結論存在爭議，因此，該問題仍有待研究。同時，目前以煤矸山重構土壤為樣地進行有機碳動態(tài)變化和影響因素方面的研究較少，由于煤矸山復墾重構土壤可能受到下層低pH和高重金屬含量矸石的影響，并且復墾土壤本身水肥匱缺、結構緊實[17]等也會影響復墾土壤有機碳積累和轉化。相較其他類型的復墾地，煤矸山重構地中有機碳含量的影響因素更多、也可能更復雜。因此，以此為對象研究有機碳隨復墾年限變化動態(tài)及影響因素，對于查明重構土壤有機碳庫的變化動態(tài)、揭示土壤碳累積的主要影響因子、探索煤矸山復墾地合理的田間管理措施、實現復墾地持續(xù)利用具有重要意義。

山西省是我國北方地區(qū)最早開展礦區(qū)生態(tài)治理的省份之一。目前，早期形成的煤矸山大都通過推平覆土的方式進行了復墾治理。本文選取山西省霍州市霍煤集團典型復墾煤矸山，以復墾5、7和9 a的果園為研究對象，分析3種復墾年限土壤TOC及其組分DOC、MBC、LFOC和HFOC (重組有機碳)含量的差異，揭示影響重構土壤有機碳組分變化的土壤因子，研究結果可為煤矸山復墾地田間管理措施的實施和復墾地的持續(xù)利用提供理論指導。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山西省霍州市霍煤集團曹村礦區(qū)，該礦距霍州市7 km。該區(qū)為溫帶大陸性季風氣候，年均氣溫12.2℃，年降水量353 ~ 688 mm，主要集中在7、8、9三個月，年日照時數2 265 h，土壤類型主要為褐土。研究樣地位于該礦南下莊矸石山(36°30'47.9″ N，111°42'11.1″E)，海拔為560 m。煤矸石堆存時形成東、南、西3個山頭，矸石堆存量約200萬t，占地約1.6萬m2。于2008年、2010年和2012年分別對煤矸山東、南和西3個山頭采用推平覆土的方式進行了復墾治理(包括灌漿滅火、推平碾壓和覆土造地3個技術環(huán)節(jié))，覆土厚度約為100 cm，覆土土壤均取自煤矸山附近。覆土之后進行了植被綠化，先后分別種植桃樹(L.)、石榴樹(Linn.)和山楂樹()。由此，形成3種復墾年限的果園(面積分別約為700、650和500 m2)。3種復墾果園水肥管理措施與當地原地貌果園一致，每年3月中旬施農家肥一次(施肥量約為N 100 kg/hm2，P2O5200 kg/hm2)，每年初春和入冬時各澆水1次。

1.2 樣品采集

土樣采集時間為 2017年10月，樣地為復墾5、7和9 a果園(分別記作R-5a、R-7a和R-9a)，并選擇煤矸山附近原地貌果園(種植桃樹，L)為對照(CK)。采樣時各樣地隨機用S型選取5個樣點，每樣點3次重復，采樣深度為0 ~ 20、20 ~ 40 cm，采樣工具為土鉆(直徑3 cm)。將各樣點土樣分層混合，去除矸石、植物殘體等雜質后裝袋。土樣運回實驗室后按四分法分為兩部分，過孔徑10目土壤篩(2 mm)，一部分置于4℃冰箱中保存用于測定DOC和MBC，另一部分置于室內自然風干，用于測定TOC、LFOC、HFOC和土壤理化性質。

1.3 測定方法與數據分析

土壤TOC測定采用重鉻酸鉀外加熱法；DOC測定采用去離子水浸提，TOC-VCSH分析儀(日本島津公司)測定；LFOC和HFOC測定采用有機碳密度分組法；MBC測定采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提，TOC- VCSH分析儀測定[18]。土壤全氮(TN)、全磷(TP)、全鉀(TK)、堿解氮(AN)、速效鉀(AK)、有效磷(AP)、黏粒含量、pH和含水量(SWC)等理化性質測定均采用國標方法進行[19]。

本研究數據采用Excel和SPSS軟件處理、計算及分析。采用 SPSS 21.0 統(tǒng)計分析軟件進行單因素方差分析(Tukey法)、主成分分析和Pearson相關分析，制圖采用 Origin 8.6 軟件。

2 結果與分析

2.1 3種復墾年限樣地土壤總有機碳含量的差異

圖1是3種復墾年限樣地和CK樣地土壤TOC含量的對比情況。首先，從3種復墾樣地間的差異來看，在0 ~ 20 cm土層，相比R-5a樣地，R-7a和R-9a樣地土壤TOC含量分別增加了71.1% 和11.2%；而在20 ~ 40 cm土層，相比R-5a樣地，R-7a樣地TOC含量增加了107%，但R-9a樣地TOC含量下降了4.5%。可見，與R-5a樣地相比，R-7a樣地土壤TOC含量明顯增加，但R-9a樣地增幅減小甚至出現下降趨勢。其次，從復墾樣地與CK樣地的差異看，3種復墾樣地土壤TOC含量在2個土層中均明顯低于CK樣地。

(圖中不同小寫字母表示同一土層不同樣地間差異顯著(P<0.05)，下同)

2.2 3種復墾年限樣地土壤有機碳各組分含量的差異

圖2是3種復墾樣地和CK樣地有機碳組分DOC、LFOC、HFOC和MBC含量差異情況。從DOC含量來看(圖2A)，0 ~ 20 cm和20 ~ 40 cm土層R-5a和R-7a樣地無差異，但R-9a樣地明顯偏高；從MBC含量來看(圖2B)，0 ~ 20 cm土層R-7a樣地低于R-5a和R-9a樣地，而20 ~ 40 cm土層則表現為R-5a高于R-7a和R-9a樣地；再從3種樣地LFOC和HFOC含量的差異看(圖2C、D)，0 ~ 20 cm土層兩者變化一致，均表現為隨復墾年限增加先增后減的趨勢，但20 ~ 40 cm土層LFOC無差異，HFOC則呈現為R-7a樣地高于R-5a和R-9a樣地。同時，與CK樣地相比，3種復墾樣地0 ~ 20 cm和20 ~ 40 cm土層DOC、LFOC、HFOC和MBC含量均明顯偏低或與之相當。

此外，從3種復墾樣地土壤有機碳各組分占TOC比例的差異來看(表1)，3種復墾樣地DOC/TOC和MBC/TOC分別在0 ~ 20 cm和20 ~ 40 cm兩個土層變化趨勢一致，均為R-7a樣地低于R-5a和R-9a樣地，且R-5a與R-9a相當。但LFOC/TOC和HFOC/TOC在兩土層趨勢不同，隨復墾年限增加在0 ~ 20 cm土層LFOC/TOC呈遞增趨勢，HFOC/TOC則呈遞減趨勢；在20 ~ 40 cm土層LFOC/TOC為先降后增，而HFOC/TOC為先增后降。但從LFOC/TOC和HFOC/TOC在兩土層中平均值的變化趨勢看，隨復墾年限增加前者表現為先減后增，后者表現為先增后減，但R-5a和R-7a差異不顯著。表明，隨復墾年限的增加，土壤中更多的有機碳從穩(wěn)定態(tài)轉化為活性態(tài)。

2.3 3種復墾年限樣地土壤有機碳變化的影響因子

2.3.1 土壤有機碳組分與土壤理化性質的相關性 選取土壤TN、TP、TK、AN、AP、AK、SWC、黏粒含量、pH和C/N等因子與土壤有機碳各組分含量進行相關分析。從表2中可見，TN、TP、AN、C/N、pH、黏粒含量和SWC均是TOC含量的主要影響因子，TN、TP、AN和黏粒含量是DOC的主要影響因子，TP和C/N是MBC的主要影響因子，TN、TP、AN、C/N、黏粒含量和SWC是LFOC的主要影響因子，TN、TP、AN、pH和SWC是HFOC的主要影響因子。

圖2 各樣地土壤DOC、MBC、LFOC和HFOC含量的差異

表1 各樣地土壤有機碳各組分占總有機碳的比例(%)

注：同列不同小寫字母表示同一土層不同樣地間差異顯著(<0.05)。

表2 總有機碳及其各組分含量與土壤性質的Pearson相關系數

注：=45，* 表示在< 0.05 水平上顯著相關，** 表示在< 0.01 水平上顯著相關。

2.3.2 土壤有機碳影響因子的主成分分析 將相關分析結果中與土壤有機碳含量顯著相關的指標TN、TP、AN、C/N、黏粒含量、pH和SWC進行主成分分析。結果表明(圖3)，前兩個成分方差貢獻率分別為58.49%、24.71%，累積貢獻率達83.20%，涵蓋了原始數據的大部分信息。從成分圖來看，對第一主成分起主要貢獻的指標為TN和TP；對第二主成分起主要貢獻的指標為黏粒含量、pH、C/N、SWC和AN。說明對3種復墾年限樣地有機碳影響最大的是TN和TP，且TN是影響第一主成分的主要因子，黏粒含量是影響第二主成分的主要因子，其次是pH。其余指標的貢獻較小。

圖3 土壤指標主成分分析

3 討論

3.1 煤矸山不同復墾年限果園土壤有機碳庫的變化特征

土壤有機碳是植物養(yǎng)分的重要來源，也是土壤質量的核心[20]。本研究發(fā)現，3種復墾年限樣地R-5a、R-7a和R-9a土壤TOC含量呈先增后減的趨勢，這與王金滿等[12]在朔州安太堡礦區(qū)復墾土壤中的研究結果一致。土壤有機碳累積量是增加和損失之間的凈平衡決定的[21-22]。對本研究樣地，土壤有機碳的增加主要為有機肥施用和凋落物歸還，而有機碳的損失主要為植物吸收和土壤動物、微生物分解消耗。造成3種樣地TOC含量如此變化的原因可能在于，由于本樣地為逐年施肥，因而R-5a樣地相比R-7a樣地有機肥施入總量偏低，加之果樹植株小，凋落物歸還量也少，因而養(yǎng)分輸入小于輸出，土壤TOC為凈損失；而R-9a樣地由于果樹生長旺盛，對養(yǎng)分的消耗大于輸入，加之土壤動物和微生物快速分解，從而造成土壤TOC含量較R-7a樣地相對減少。因此，隨著復墾年限的增加，在植物生長茂盛期，加大施肥力度是緩解煤矸山重構土壤有機碳損失、保證有機碳庫穩(wěn)定的關鍵。

此外，3種復墾樣地DOC含量總體呈隨復墾年限增加而增加的趨勢，結合3種樣地TOC呈先升后降的情形，說明相比R-5a和R-7a樣地，R-9a樣地中有更多TOC轉化為DOC，這可能由于隨復墾年限增加，植物根系和微生物作用增強使復墾時被壓實的土壤結構改善(R-7a和R-9a樣地黏粒含量較R-5a樣地分別增加36.3% 和60.0%)，土壤貯水能力相應提高，有利于土壤中TOC向DOC的轉化[23]。此外，本研究發(fā)現，土壤MBC含量在R-7a樣地明顯低于R-5a和R-9a樣地，這可能是由于R-7a樣地中較高的C/N(R-7a樣地C/N為29.8%，較R-5a和R-9a分別高57.1% 和27.2%)會對土壤微生物代謝活動產生抑制[24]，造成MBC含量下降，也導致MBC/TOC(微生物熵)相應下降，即土壤有機碳周轉速率減慢[25]。研究認為，土壤C/N比過高(>25%)會因氮元素缺乏造成土壤微生物活性減弱[26]，導致有機碳礦化量減少。復墾地單施有機肥可能會因氮素供應不足而難以保持合理的C/N比，使有機碳周轉速率減慢，因此，有機肥和無機肥配施至關重要。

本研究還發(fā)現，3種樣地土壤TOC、DOC、MBC、LFOC和HFOC含量均低于當地原地貌果園(CK)。當然，由于本研究樣地復墾年限相對較短，是否存在較長復墾年限后土壤有機碳及其組分含量達到與原地貌果園相當水平的狀況仍有待研究。但就現有結論看，復墾年限較短的果園(<9 a)土壤有機碳及其組分含量明顯低下，而造成該現象的主要原因可能是煤矸山復墾土壤本身碳元素缺乏。因此，在原地貌果園施肥量(N 100kg/hm2，P2O5200 kg/hm2)的基礎上適當加大施肥量對快速增加煤矸山復墾地土壤碳量十分必要。

3.2 煤矸山不同復墾年限果園土壤有機碳變化的影響因子

本研究分析表明，土壤TN、TP、AN、C/N、黏粒含量、pH和SWC均不同程度地影響有機碳及各組分含量，其中TN和TP為主要因子，其次為黏粒含量和pH，并且TN、TP、黏粒含量與有機碳含量呈正相關，而pH與有機碳含量呈負相關，這與其他研究結論一致[25,27]。氮、磷通過增加土壤營養(yǎng)元素的循環(huán)，促進植物地上部及根系的生長[28-29]，在增加土壤有機碳含量的同時增加進入土壤的根系分泌物，使土壤活性有機碳含量增加[30]。研究認為，土壤黏粒擁有大的比表面積對有機碳的吸附效應增強，土壤中黏粒含量升高，土壤孔隙變少，透氣性變弱，會抑制好氧微生物的活性，從而降低土壤有機碳的分解速率[31]，減少有機碳的輸出[32]，提高有機碳儲量。而土壤pH與有機碳含量呈負相關的原因可能在于，pH增高會造成溶解性酚類濃度升高[33]，降低水解酶活性，影響微生物數量和種類，并且也會抑制有機碳的溶解，從而減少土壤有機碳及組分含量。

但值得注意的是，已有原地貌樣地中研究表明，在旱地土壤上，當土壤水分含量低于田間持水量時，土壤水分與有機碳含量呈正相關，但本樣地中土壤含水量與有機碳含量呈負相關。出現此現象的原因可能在于，本研究中3種樣地土壤容重明顯偏高(3種樣地土壤容重平均值為1.59 g/cm3，較原地貌樣地偏高16.9%)，使土壤孔隙狀況較差，造成土壤通氣性能較差，而土壤水分主要通過調節(jié)通氣性能對有機碳的轉化產生影響[34]。此結果可能是由于復墾樣地土壤結構不良導致通氣不佳造成的。綜上表明，土壤性質不佳是限制復墾地土壤有機碳分解和轉化的另一原因。因此，采取合理的田間管理措施，如有機肥和無機肥配施以維持合理的土壤C/N比，果園深松以改善土壤結構，提高土壤通氣性能，必要時可通過使用土壤改良劑，改變土壤孔隙度、pH等可能會促進有機碳的積累。

4 結論

1)隨復墾年限的增加，3種復墾樣地土壤TOC、LFOC和HFOC含量均呈先增后減趨勢，但DOC含量呈增加趨勢，MBC含量則呈先減后增趨勢。同時，與當地原地貌果園(CK)相比，3種復墾樣地土壤TOC、DOC、MBC、LFOC和HFOC含量均明顯偏低，說明加大有機肥施用并采取合理的田間管理措施改善土壤性質，是增加煤矸山復墾地土壤碳庫的必要措施。

2)3種樣地中，DOC/TOC、MBC/TOC在R-7a樣地中最低，但是，隨復墾年限的增加，LFOC/TOC呈增加趨勢，HFOC/TOC呈遞減趨勢，表明土壤中更多的有機碳從穩(wěn)定態(tài)轉變?yōu)榛钚詰B(tài)。

3)土壤TN、TP、AN、黏粒含量、pH和SWC與有機碳及其組分含量均存在一定程度的相關性，其中TN、TP、黏粒含量和pH為關鍵因子，并且有機碳含量與TN、TP和黏粒含量呈正相關，而與pH呈負相關。

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Characteristics of Soil Organic Carbon and Its Components in Coal Waste Piles Reclaimed with Different Years

ZHANG Yujie, YU Yajun*

(College of Geography, Shanxi Normal University, Linfen, Shanxi 041000, China)

Soil organic carbon (SOC) content is one of important indicators of soil fertility, and its active components are sensitive to field management measures. Therefore, it is of great significance to analyze the characteristics of SOC and its components in the reclaimed coal waste piles to reveal the changes of soil carbon pool and guide the implementation of field management measures in the reclamation area. With the reclaimed piles of 5a (R-5a),7a (R-7a) and 9a (R-9a) in Caocun village in Huozhou City of Shanxi Province as the study objects and the local original orchard as CK, the paper analyzed the differences in soil total organic carbon (TOC) and its components of dissolved organic carbon (DOC), microbial biomass carbon (MBC), light carbon organic (LFOC) and heavy organic carbon (HFOC) in three kinds of reclaimed plots, and their relationships with other soil properties were also explored. The results showed that: 1) with the increase of reclamation year, TOC, LFOC and HFOC increased initially and then decreased in the three reclamation plots, DOC increased, and MBC decreased initially and then increased. However, the contents of TOC, DOC, MBC, LFOC and HFOC in the three reclaimed plots were significantly lower than those of CK. 2) DOC/TOC and MBC/TOC were the lowest in the R-7a plot. LFOC/TOC increased with the increase of reclamation year, while HFOC/TOC decreased, indicating that more organic carbon in soil changed from stable state to active state. 3) TN, TP, AN, C/N, clay content, pH value and SWC were all correlated with organic carbon content, among which TN, TP, clay content and pH value were the key factors.

Coal waste pile; Soil organic carbon; Active organic carbon; Reclamation soil

國家自然科學基金青年項目 ( 41301304) 和山西師范大學研究生科技創(chuàng)新項目(01053006)資助。

yuyajun0211@126.com)

張宇婕(1994—)，女，山西大同人，碩士研究生，研究方向為土壤生態(tài)恢復。E-mail: zhangyujie3936@163.com

S158

A

10.13758/j.cnki.tr.2019.04.014