造林對烏海露天煤礦復墾地土壤養分和碳庫的影響

嚴 潔，于小娟，唐 明，段文艷，李 鑫，郝一鳴，盛敏

(西北農林科技大學 林學院，陜西 楊凌 712100)

煤炭作為一種重要的化石燃料，是全球第二大能源，占全球能源消耗總量的24%，在我國能源供應中也占據著重要地位[1]。露天采礦是世界上重要的煤炭開采方式，其生產的煤炭量占全世界生產量增長值的75%，占我國年總產量的15%[2]。露天采礦不僅會移除地表植被，還有大規模土石方的時空轉移，造成礦區大面積土地損毀或占用。據統計資料顯示[3]，我國每年由煤炭的露天開采造成的土地損毀或占用的面積高達10 000 hm2。土壤養分和碳庫是衡量土壤質量的重要指標，其含量直接影響土壤肥力及生態功能，從而決定地上植被的生長。土壤養分主要包括氮（N）、磷（P）、鉀（K）3種元素，為植物生長提供必要的營養支持，影響著生態系統的健康穩定與持續發展[4]。對不同形態碳的系統研究是明確土壤碳庫變化和調控機理的關鍵，是研究陸地生態系統碳循環及全球碳平衡的關鍵[5]。土壤碳庫由無機碳庫和有機碳庫兩部分組成。土壤無機碳庫可通過測定可溶性無機碳（DIC）含量表征，在土壤碳庫中所占比例較小，往往為人們所忽視。而近來研究表明，土壤無機碳庫是一個有效碳匯，在土壤-大氣碳循環中發揮著重要作用[6]。土壤有機碳庫則較為復雜，可根據其穩定性將其分為活性有機碳庫（周轉期0.1～4.5年）、慢性有機碳庫（周轉期5～50年）和惰性有機碳庫（周轉期50～3 000年）[7]。土壤活性有機碳庫是植物營養的主要來源，可溶性有機碳（DOC）、還原性糖碳（HC）、微生物量碳（MBC）均屬于活性碳庫這一范疇。慢性有機碳庫是指介于“活性”和“惰性”庫之間具有中等周轉時間的土壤有機碳，包括微生物和微型動物殘體以及碎屑物質。顆粒物有機碳（POC）屬于慢性有機碳庫這一范疇。惰性有機碳庫很穩定，對土地利用的短期變化幾乎沒有響應。非顆粒物有機碳（NPOC）屬于惰性有機碳庫這一范疇。

西北干旱荒漠區煤礦資源豐富，蘊藏著巨大的開發潛力，是我國重要的能源基地[8]。該區域的典型特征是風大沙多、降水稀少、物種貧乏、生境脆弱。煤礦的露天開采是一種高強度的生態擾動行為，在生境脆弱地區尤其要重視其復墾地土壤質量和生態功能的恢復情況。植樹造林作為西北干旱荒漠區生態恢復的一種重要手段[9]，評價其對該區域礦區復墾地土壤質量的恢復情況具有重要的意義。目前國內對露天礦區復墾地的研究多集中于黃土高原地區[10-11]，少有學者將研究重點放在西北干旱荒漠地區，而近年來我國大型煤炭基地越來越多地向西北區域匯集，其中內蒙古自治區2019年上半年的煤炭生產量位列全國第一[12]。本研究以內蒙古自治區烏海市露天煤礦復墾地為例，研究其造林前后土壤養分及碳庫各組分含量變化及相互關系，系統探究不同形態碳含量的變化規律以及各養分含量對土壤碳庫組成變化的影響，可為深入探討和評價造林前后礦區復墾地土壤質量和生態功能提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

研究區域位于內蒙古自治區烏海市海勃灣區至海南區之間的露天煤礦復墾地（106°50′～106°57′E，39°29′～39°39′ N），占地面積約185 km2。露天煤礦在復墾時，以前移除的表土是不可能恢復的，結果就是用采煤產生的固體廢棄物作為復墾的基質。這些復墾地的主要特點為巖石碎塊高，土壤養分缺乏，容重高，而且復墾時采取的壓實處理使得土壤滲透率偏低[13-14]。烏海市屬典型的西北干旱荒漠區，干旱少雨，地表蒸發強烈，年均降水量157.9 mm，年均蒸發量3 249.0 mm，其蒸發量幾乎是其降水量的20倍[15]。建市初期，荒漠化面積占全市國土面積比重達60%，全市森林覆蓋率僅為0.38%。從2009年開始，烏海市全面鋪設節水灌溉系統，堅持水利設施建設到哪，植樹造林推進到哪。研究發現干旱荒漠區的很多植物的種子都適于傳播[16]，能隨風飄到很遠的地方，該礦區復墾地也能發現這些植物形成的荒草地。2010年春季，植樹造林工程推進到海南區礦區復墾地，形成成片人工林地。林地的絕對優勢種為新疆楊，其種植密度為0.17株·m?2，平均胸徑為21.80 cm。

1.2 試驗設計與樣品采集與制備

為比較造林前后土壤碳庫組分特征及影響因子，本研究于2017年10月在礦區復墾地選取荒草地（GH）和林地（FH）作為研究對象（表1）。在荒草地和林地內分別隨機設置10個不連續樣地（樣地面積為100 m×100 m），樣地之間間隔至少100 m；于每一樣地內隨機設置3個10 m×10 m 的調查樣方，于每個樣方內按5 點取樣法在0～15 cm 的土層范圍內采集5個直徑為15 cm 的土柱，然后將這5個土柱混合后作為本樣方的代表性樣品。將采集的每個土壤樣品分成兩份，一部分鮮土在現場過2 mm 篩后于4℃保溫冰箱中保存，另一部分帶回實驗室，在通風的走廊中將土樣風干兩周后，分別將風干土樣過1 mm 篩以測定土壤速效養分，過0.25 mm 篩以測定土壤有機碳、全氮和全磷，過0.15 mm 篩以測定土壤全鉀。

表1 樣地基本特征Table 1 Basic characteristics of the sample plots

1.3 土壤養分和生物學活性的測定

土壤養分含量測定方法參照《土壤農化分析》[17]：采用凱氏定氮儀（FOSS 2200）測定土壤全氮（TN）含量；采用AA3 連續流動分析儀測定土壤硝態氮（NN）和銨態氮（AN）含量；采用鉬銻抗比色法測定土壤全磷（TP）含量；采用碳酸氫鈉-鉬銻抗比色法測定速效磷（AP）含量；采用氫氧化鈉熔融火焰光度法測定土壤全鉀（TK）含量；采用NH4OAc 浸提—火焰光度法測定土壤速效鉀（AK）含量。

土壤總有機碳（SOC）含量采用重鉻酸鉀外加熱法[17]測定；可溶性有機碳（DOC）和可溶性無機碳（DIC）含量采用鮮土提取液，過0.45 μm 濾膜，再用總有機碳分析儀（日本島津TOC-VCPH）進行測定[18]；微生物量碳（MBC）含量采用氯仿熏蒸—K2SO4浸提法[19]測定；還原性糖碳（HC）含量采用3,5-二硝基水楊酸法[20]測定；顆粒物有機碳（POC）和非顆粒物有機碳（NPOC）含量采用Cambardella &Elliot 的方法[21]測定。

1.4 統計分析

采用Excel（2016 版本）對試驗數據進行整理和初步分析；再采用R 3.4.2 版本（R Core Team 2017,www.R-project.org）對數據進行單因素方差分析（One-way ANOVA）、Person 相關性分析和變差分析，其差異性檢驗采用最小二乘法（LSD）檢驗，顯著性水平為0.05；最后再通過R 軟件繪制箱線圖、關系網絡圖和變差分析圖。

2 結果與分析

2.1 造林前后復墾地土壤養分含量變化

對復墾地土壤養分含量進行單因素方差分析，結果發現造林前后土壤TN、AN、TP、AP 含量無顯著差異，NN、TK、AK 含量差異顯著（圖1）。具體而言，復墾地土壤TN、AN、TP、AP、TK 和AK 的含量范圍分別為0.13～0.98 g·kg?1、4.05～9.01 mg·kg?1、0.35～3.29 g·kg?1、3.33～16.57 mg·kg?1、5.38～18.09 g·kg?1和22.79～71.20 mg·kg?1，林地TN、AN、TP、AP、TK 和AK 的含量（0.53 g·kg?1、7.22 mg·kg?1、0.16 g·kg?1、8.08 mg·kg?1、16.01 g·kg?1和58.12 mg·kg?1）相較于草地（0.41 g·kg?1、6.16 mg·kg?1、0.13 g·kg?1、6.36 mg·kg?1、10.59 g·kg?1和37.94 mg·kg?1）分別增加了29.27%、17.21%、23.08%、27.04%、51.18%和53.19%。復墾地土壤NN 的含量范圍為1.06～13.45 mg·kg?1，林地NN的含量（1.76 mg·kg?1）相較于草地（6.25 mg·kg?1）減少了71.84%。

圖1 造林前后礦區復墾地土壤養分變化特征Fig.1 Changes in soil nutrient characteristics in reclaimed mine before and after afforestation

2.2 造林前后復墾地土壤碳庫各組分含量變化

對復墾地各碳組分進行單因素方差分析，結果發現造林后土壤碳庫各組分含量均有所上升，其中無機碳庫和活性有機碳庫含量顯著增加（圖2）。具體而言，復墾地土壤SOC、POC 和NPOC 含量范圍分別為3.53～49.33 g·kg?1、1.41～51.98 g·kg?1和0.68～66.24 g·kg?1，林地SOC、POC 和NPOC 的含量（19.20 g·kg?1、16.10 g·kg?1和28.52 g·kg?1）相較于草地（12.77 g·kg?1、9.91 g·kg?1和23.27 g·kg?1）分別增加了50.35%、62.46% 和22.56%。DIC、DOC、MBC 和HC 在土壤碳庫中雖占比較低，但造林對其的影響卻很大；林地土壤DIC、DOC、MBC 和HC 的含量（85.69 mg·kg?1、134.24 mg·kg?1、75.30 mg·kg?1和313.81 mg·kg?1）相較于草地（40.13 mg·kg?1、40.65 mg·kg?1、20.10 mg·kg?1和181.88 mg·kg?1）分別增加了113.53%、230.23%、274.63%和72.54%。

圖2 造林前后礦區復墾地土壤碳庫變化特征Fig.2 Changes in soil carbon pool characteristics in reclaimed mine before and after afforestation

2.3 復墾地土壤碳庫各組分間的相關性分析

對復墾地各形態碳組分進行Pearson 相關性分析，再用達到顯著水平（P<0.05）的相關系數繪制碳組分間的關系網絡圖（圖3A）。分析發現，SOC 和HC 的連線最多，NPOC 的連線最少，且均呈正相關關系；SOC 與無機碳庫和各形態有機碳組分之間均呈顯著正相關，其中SOC 與POC 的相關性最強（r= 0.93）；DIC 與DOC、MBC 和HC呈顯著正相關（r分別為0.87、0.71 和0.42），與POC 和NPOC 無顯著相關性。這表明SOC 和HC 對碳庫的指示作用最強，NPOC 對碳庫的指示作用最弱。

圖3 礦區復墾地土壤碳組分之間（A）或與土壤養分之間（B）的關系網絡圖Fig.3 Networks of correlations among soil carbon components (A) or between soil nutrient and carbon components (B) in reclaimed mine.

2.4 復墾地土壤養分與碳庫間的相關性分析

分別將復墾地土壤各養分指標與各形態碳組分間進行Pearson 相關性分析，再用達到顯著水平的（P<0.05）相關系數繪制養分與碳庫間的關系網絡圖（圖3B）。分析結果顯示，復墾地土壤養分對碳庫指示作用由強到弱依此排序為TK= AK >TN= NN= AN >AP >TP。土壤TK 和AK 與各形態碳組分均呈顯著正相關，其中TK 與SOC、DIC、DOC、POC、NPOC、MBC 和HC 的相關系數分別為0.36、0.66、0.72、0.28、0.35、0.52 和0.47，AK 與SOC、DIC、DOC、POC、NPOC、MBC和HC的相關系數分別為0.54、0.74、0.61、0.40、0.46、0.73 和0.47。土壤TN 與SOC、NPOC、MBC 和HC呈顯著正相關，相關系數分別為0.48、0.80、0.47和0.56。土壤NN 與DIC、DOC、MBC 和HC 呈顯著負相關，相關系數分別為?0.68、?0.72、?0.46和?0.52。土壤AN 與DIC、DOC、NPOC 和MBC呈顯著正相關，相關系數分別為0.40、0.33、0.43和0.44。土壤TP 與各形態碳組分均無顯著相關性，AP 與DIC 呈顯著正相關（r= 0.45）。

2.5 復墾地土壤氮、磷和鉀對碳庫組成的變差分析

將土壤氮（N）、磷（P）和鉀（K）作為解釋變量，利用變差分析確定土壤N、P、K 對土壤碳庫組成的貢獻程度。如圖所示（圖4），土壤N、P 和K 總共解釋了40.7% 的變差，這表明復墾地造林前后土壤養分對土壤碳庫組成變化具有較好的解釋作用。其中24.5% 的變差為N 和K 共同解釋，11.3% 的變差為K 單獨解釋，8.7% 的變差為N 單獨解釋，3.7%的變差為P 單獨解釋。這表明土壤碳庫組成在N、P、K 三要素中主要受N 和K 的影響，P 對土壤碳庫的影響較低。

圖4 礦區復墾地土壤N、P 和K 對碳庫組成影響的變差分析Fig.4 Variation analysis of soil carbon pool composition by soil N,P and K in reclaimed mine.

3 討論

3.1 造林對干旱荒漠礦區復墾地土壤碳庫的影響

干旱荒漠礦區復墾地作為一個獨特的人工、半人工生態系統，在該區域自然恢復荒草地上栽植新疆楊會對土壤不同賦存形態碳含量造成不同程度的影響。林地不僅包含草地原有的灌木和草本植物，還新增了喬木，更多的植被凋落物和根系分泌物可以為土壤提供更豐富的碳庫來源[22]，造成不同形態碳含量均有所增加。前人研究表明[23]，SOC 對人為活動和環境因子變化的反應敏感度不強，而活性有機碳是土壤中活躍的化學組分，對土地管理措施的敏感度高于SOC。本研究同樣發現，造林后土壤SOC 含量變化不顯著而活性有機碳含量顯著增加。根據全國第二次土壤普查養分分級系統[24]，將土壤有機質含量由高到低劃分為6個級別：Ⅰ(>40 g·kg?1)、Ⅱ(30～40 g·kg?1)、Ⅲ(20～30 g·kg?1)、Ⅳ(10～20 g·kg?1)、Ⅴ(6～10 g·kg?1)、Ⅵ(<6 g·kg?1)。土壤有機質(SOM)= 土壤有機碳(SOC)×1.724，由此可知，干旱礦區復墾地SOC 總體中等偏上，草地屬于Ⅲ級水平，林地可達到Ⅱ級水平。造林后土壤活性有機碳含量顯著升高，而POC 和NPOC含量雖有所上升卻不顯著，原因可能是本研究所選林地種植新疆楊年限較短，滿足活性碳庫的周轉期，卻未達到慢性碳庫和惰性碳庫的有效周轉期。

不同學者對土壤活性有機碳定義不同[5]，但大致都認為其并非為一種單純的化合物，而是土壤系統中不穩定且具有較高活性的那部分有機碳的統稱，可以較為靈敏地反映土壤理化性質的微小變化。DOC、MBC 和HC 在土壤中含量低，占比小，其中DOC 和HC 可以作為活性有機質直接被微生物吸收利用[25]，MBC 是土壤微生物體內所含有機碳的總稱[26]。本研究中，干旱礦區復墾地造林后鋪設有人工灌溉系統，形成的干濕交替環境有利于土壤DOC 的釋放，增加了微生物可利用的碳源，造成林地DOC 含量顯著高于草地。這與李宗佩等[27]的研究結果一致，其認為干濕交替的環境可促進團聚體的分散進而增加土壤DOC 含量。Shi等[28]研究表明，干旱地區的土壤無機碳和有機碳含量呈正相關關系，本研究進一步發現干旱礦區復墾地土壤無機碳庫與活性有機碳庫之間呈顯著正相關性，與慢性有機碳庫和惰性有機碳庫無顯著相關性。POC 是與砂粒（53～2 000 μm）結合的土壤慢性有機碳組分，由相對粗大的非腐殖質化的植物殘體和微生物分解產物組成，是土壤有機質周轉和植物有效養分的暫時儲存庫[29]。NPOC 指同時受土壤粘粒和粉粒保護的腐殖質化的惰性有機碳組分，其結構穩定復雜，很難被微生物利用，在一定程度上反映了土壤保持有機碳的能力，因此提高這部分碳庫含量對緩解大氣CO2濃度上升具有重要意義[30]。

3.2 復墾地造林前后土壤養分對碳庫組成變化的影響

土壤養分是指植物生長的過程中由土壤提供的必需的營養元素，其中N、P、K 是維持植物體內物質和能量流動的重要組成部分[31]。已有研究表明，復墾地經營模式對土壤養分含量會產生重要影響[32]。本研究結果表明，與造林前相比，除NN外，造林后復墾地土壤養分含量均有所提高。其中，林地土壤TK 和AK 含量相較于草地增加顯著，TN、AN、TP 和AP 含量增加不顯著。與草地相比，林地經營模式可通過改變土壤結構、微生物生物量和小氣候，增加植物殘體和根際分解產物的數量和多樣性的方式影響土壤養分循環，因而有更高的土壤養分[33]。土壤速效氮主要以AN 和NN 這兩種形態存在于土壤溶液中，其中AN 易被土壤膠體吸附而NN 易隨水流失[34]，因而造林后復墾地土壤AN 含量增加而NN 含量降低，且AN 與土壤DIC、DOC、NPOC 和MBC 間呈顯著正相關性而NN 與土壤DIC、DOC、MBC 和HC 間呈顯著負相關性。土壤TK 和AK 與各形態碳庫因子均有顯著正相關性，所以土壤K 對碳庫因子的解釋率最高。土壤AP 只與DIC 呈顯著相關性，而TP 與各形態碳庫因子均無顯著相關性，所以土壤P 對碳庫因子的解釋率最低。本研究中變差分析和相關性分析只考慮土壤養分因子對土壤碳庫組成變化的影響，而未考慮其他環境因子，例如土壤微生物、植物地上地下部生物量、枯落物量等對土壤碳庫組成變化的影響。其中，土壤微生物作為分解者，其群落組成及活性決定了土壤有機碳的分解速率[35]，土壤微生物多樣性和數量與土壤碳庫組分含量之間存在密切關系[36]，因而土壤微生物也是土壤有機碳的重要影響因子之一。在未來的研究中，應當更加關注土壤微生物群落和植被群落及生物量對土壤碳庫組分變化的影響。

4 結論

造林能夠明顯改善和提高烏海露天煤礦復墾地土壤養分狀態和碳庫水平，這為進一步深入研究造林對干旱荒漠區露天煤礦復墾地土壤質量和生態功能的影響提供了理論和實踐基礎。造林后復墾地土壤有機質含量從原來的Ⅲ級水平上升至Ⅱ級水平，且除NN 含量外，造林后復墾地土壤不同形態碳含量和養分含量均有所增加。