渠俊峰 張紹良 李 鋼 徐占軍

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)低碳能源研究院;2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院;3.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院)

高潛水位煤礦開(kāi)采導(dǎo)致地表破壞、推移、變形、土壤侵蝕、沉積等現(xiàn)象，形成深淺不等、大小不一的沉陷積水、季節(jié)性積水區(qū)和大面積的坡面區(qū)，在降水、徑流、風(fēng)力等因素的作用下，由陸地生態(tài)環(huán)境演變?yōu)樗鷳B(tài)環(huán)境，形成水陸相互作用的自然綜合體［1］。2002年國(guó)際濕地公約對(duì)濕地進(jìn)行了明確定義:濕地系指天然、人工或暫時(shí)之沼澤地、濕地、泥碳地或水域地帶，具有或靜止、或流動(dòng)、或淡水、半咸水或咸水水體者，包括低潮時(shí)不超過(guò)6 m的水域。煤礦開(kāi)采破壞地表的同時(shí)也擾動(dòng)了礦區(qū)水資源的時(shí)空賦存條件，高潛水位采煤沉陷后出現(xiàn)大面積積水，煤礦區(qū)通常采用疏排積水結(jié)合煤矸石、粉煤灰充填和土方挖填等措施復(fù)墾新增耕地，但采煤沉陷區(qū)將仍存在一定的常年積水區(qū)，這部分區(qū)域符合濕地的定義和特征。一般來(lái)說(shuō)，濕地是由植物、動(dòng)物、微生物等生物要素和陽(yáng)光、水分、土壤等非生物要素組成的生態(tài)系統(tǒng)，具有顯著的生態(tài)“碳匯”功能［2］。對(duì)于森林生態(tài)系統(tǒng)碳匯方面的研究成果較多，但對(duì)于沼澤、湖泊和河流等各類濕地生態(tài)系統(tǒng)碳匯進(jìn)行系統(tǒng)研究的較少，并且一些濕地生態(tài)系統(tǒng)作為陸地生態(tài)一部分，其碳循環(huán)尚未納入陸地溫室氣體平衡的評(píng)估中［3-4］。本研究以徐州九里采煤沉陷區(qū)作為研究對(duì)象，對(duì)于未沉陷區(qū)域、未積水坡面區(qū)、積水坡面區(qū)和常年積水區(qū)的土壤有機(jī)碳密度進(jìn)行分析，為促進(jìn)經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益協(xié)調(diào)發(fā)展提供參考。

1 采煤沉陷區(qū)形成及其碳循環(huán)過(guò)程

1.1 采煤沉陷區(qū)濕地形成及治理

高潛水位煤礦持續(xù)開(kāi)采導(dǎo)致地形、地貌的變化，同時(shí)也改變了原有的地表徑流方向等水文條件，采煤沉陷區(qū)水位長(zhǎng)期低于沉陷區(qū)外防洪河道水位，由于積水強(qiáng)排工程措施成本高，并且復(fù)墾后新增耕地的產(chǎn)出能力較低，后期的積水排除管理不便。另外農(nóng)田的開(kāi)墾一般會(huì)降低碳儲(chǔ)量［5-6］，過(guò)度地將沉陷積水區(qū)域復(fù)墾為旱地將會(huì)影響土壤有機(jī)碳分布［7］，所以一般不將采煤沉陷區(qū)大面積積水區(qū)域復(fù)墾成耕地，采煤沉陷區(qū)碳循環(huán)過(guò)程中 CO2交換通量(NEE)、生態(tài)系統(tǒng)呼吸、土壤呼吸均存在明顯變化［8］，沉陷積水區(qū)域作為景觀生態(tài)濕地進(jìn)行規(guī)劃和開(kāi)發(fā)既可以發(fā)揮景觀功能，又可以實(shí)現(xiàn)碳匯的長(zhǎng)期保持。保留采煤沉陷積水區(qū)的濕地特征不僅因地制宜、節(jié)約成本，而且還能充分發(fā)揮濕地涵養(yǎng)水源、凈化空氣、生態(tài)景觀和有利于生物多樣性等重要作用。徐州九里礦區(qū)、賈汪礦區(qū)和淮北礦區(qū)等一些高潛水位采煤沉陷區(qū)都規(guī)劃了生態(tài)景觀濕地公園。

1.2 采煤沉陷區(qū)“碳匯”、“碳源”轉(zhuǎn)換過(guò)程

采煤沉陷區(qū)碳循環(huán)過(guò)程除了土壤有機(jī)碳時(shí)空分布等產(chǎn)生了變化外，還包括沉陷區(qū)、坡面區(qū)植被初級(jí)生產(chǎn)力(NPP)形成過(guò)程和有機(jī)碳分解、排放過(guò)程，沉陷區(qū)“碳匯”、“碳源”轉(zhuǎn)換過(guò)程包括:①采煤沉陷區(qū)的植被通過(guò)光合作用和大氣中的CO2形成NPP，并且釋放CO2，植被殘?bào)w在微生物作用下分解轉(zhuǎn)化，分轉(zhuǎn)化成CO2、顆粒有機(jī)碳(POC)、簡(jiǎn)單可溶性有機(jī)碳(DOC)，在微生物作用下形成基質(zhì)或直接氧化為CO2(HCO－3);②采煤沉陷區(qū)中土壤有機(jī)碳的變化取決于外源碳輸入量和土壤有機(jī)碳的分解量等，當(dāng)外源碳在分解過(guò)程中進(jìn)入土壤碳庫(kù)的分量大于土壤有機(jī)碳分解的損失量時(shí)，土壤有機(jī)碳增加，反之則減少，兩者相等時(shí)動(dòng)態(tài)平衡。采煤沉陷區(qū)水文條件等要素的改變影響了其好氧與厭氧環(huán)境，從而導(dǎo)致采煤沉陷區(qū)導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)物理及化學(xué)過(guò)程的變化［9-10］。采煤沉陷區(qū)濕地碳轉(zhuǎn)化過(guò)程見(jiàn)圖1。

圖1 煤沉陷區(qū)濕地碳循環(huán)過(guò)程

2 高潛水位采煤沉陷區(qū)碳密度變化分析

2.1 基本情況

徐州九里煤礦區(qū)屬于典型的平原高潛水位煤礦，該礦區(qū)投產(chǎn)時(shí)間在1960年，涉及張小樓、龐莊、東城、寶應(yīng)和王莊 5個(gè)煤礦，目前沉陷區(qū)面積1 064 hm2，目前大部分礦區(qū)沉陷趨于穩(wěn)定，2003年徐州九里采煤沉陷區(qū)被列為徐州市復(fù)墾重點(diǎn)工程項(xiàng)目并得到了實(shí)施，2005年徐州九里采煤沉陷區(qū)先后又進(jìn)行了水系調(diào)整、沉陷區(qū)公園規(guī)劃建設(shè)等。現(xiàn)狀徐州九里采煤沉陷區(qū)面積分類見(jiàn)表1。

表1 徐州九里采煤塌陷地土地劃分 hm2

在完成徐州九里采煤沉陷土地復(fù)墾工程的基礎(chǔ)上，將低洼地帶、常年積水區(qū)域規(guī)劃為以生態(tài)修復(fù)和景觀功能為目標(biāo)的濕地，輔以蓄水、養(yǎng)殖和滯洪等功能，促進(jìn)了沉陷積水資源化利用。除了在207.66 hm2常年積水區(qū)域規(guī)劃了浮水植物、挺水植物和沉水植物外，在季節(jié)性積水等坡面區(qū)經(jīng)過(guò)復(fù)墾也發(fā)展了一些水土保持生物措施，抑制水土流失導(dǎo)致土壤養(yǎng)分的下降，徐州九里采煤沉陷區(qū)地類結(jié)構(gòu)分布見(jiàn)圖2。

圖2 徐州九里采煤沉陷區(qū)地類分布

2.2 采煤沉陷區(qū)土壤樣本采集

徐州九里煤礦開(kāi)采過(guò)程較長(zhǎng)，先后經(jīng)過(guò)了采煤前、采煤后和復(fù)墾前、復(fù)墾后4個(gè)階段，采煤沉陷區(qū)的生態(tài)環(huán)境和土壤有機(jī)碳時(shí)空分布狀態(tài)等具有一定的代表性，徐州九里采煤沉陷區(qū)土壤有機(jī)碳庫(kù)的演替和分布特征也趨于相對(duì)穩(wěn)定。煤礦開(kāi)采前土壤有機(jī)碳的密度處于相對(duì)的穩(wěn)定狀態(tài)，但是采煤沉陷對(duì)于土壤出現(xiàn)了一定的擾動(dòng)，根據(jù)土壤有機(jī)碳密度變化的特征，來(lái)說(shuō)明采煤沉陷區(qū)有機(jī)碳的時(shí)空分布受到的影響和應(yīng)該采取的增加碳匯的相關(guān)措施。徐州九里采煤沉陷區(qū)現(xiàn)狀地貌外高內(nèi)低，未沉陷區(qū)至沉陷洼地經(jīng)過(guò)坡面區(qū)過(guò)渡帶，從高到低依次為農(nóng)田、未積水坡面區(qū)、季節(jié)性積水坡面區(qū)、常年積水坡面區(qū)、沉陷洼地積水區(qū)。沉陷區(qū)地帶劃分見(jiàn)圖3所示。

圖3 沉陷區(qū)地帶劃分

土壤的取樣方法:①?gòu)某料葸吘壍匠料菟颍筛叩降兔拷档涂v深度的20%作為取樣點(diǎn)，即在1個(gè)斜坡取樣共分5個(gè)點(diǎn)，其中HM 0～HM 20%坡面區(qū)Ⅰ、HM 20% ～HM 40%坡面區(qū)Ⅱ和HM 40% ～HM 60%坡面區(qū)Ⅲ為不積水坡面區(qū)采樣編號(hào)，HM 60%～HM 80%坡面區(qū)Ⅳ為季節(jié)性積水坡面區(qū)編號(hào)，HM 80%～HM 100%Ⅴ為常年積水區(qū)采樣編號(hào);②每一沉陷坡面共布置5個(gè)采樣點(diǎn)，每一組采樣點(diǎn)連線垂直沉陷區(qū)等高線，在沿沉陷區(qū)坡面均勻布置4組采樣點(diǎn)，共取20個(gè)樣本，在每個(gè)采樣點(diǎn)按照1～20 cm、20～40 cm、40～60 cm 分別采樣，4組沉陷區(qū)有機(jī)碳密度采樣測(cè)試分析結(jié)果取相同點(diǎn)號(hào)的加權(quán)平均值，對(duì)照田土壤樣本采自自然條件一樣的平整農(nóng)田。

2.3 土壤樣本的測(cè)試方法

土壤樣本測(cè)試的目的主要是研究土壤碳庫(kù)的變化，所以有關(guān)土壤碳庫(kù)影響的土壤理化性都要進(jìn)行測(cè)試、分析。①土壤容重:放入烘箱烘干24 h稱重。②有機(jī)質(zhì)含量:TFC－203PCB土壤有機(jī)質(zhì)測(cè)定儀測(cè)定。土壤有機(jī)碳含量和有機(jī)質(zhì)含量按照Bemmelen系數(shù)相互轉(zhuǎn)換。③土壤微生物活動(dòng)指數(shù):選用氯仿熏蒸法測(cè)定土壤微生物量，原理是將待測(cè)土樣經(jīng)氯仿熏蒸后，因熏蒸而死亡的微生物被后來(lái)加入的原土樣中的微生物分解而釋放出CO2，根據(jù)釋放的CO2量和微生物礦化常數(shù)計(jì)算出該土樣中的微生物量。④土壤孔隙度:采用公式法計(jì)算，土壤孔隙度=(1－容重/密度)×100。

2.4 土壤樣本測(cè)試結(jié)果

采煤沉陷區(qū)土壤有機(jī)碳庫(kù)空間密度的變化能夠說(shuō)明其演變特征，根據(jù)采煤沉陷區(qū)各土壤樣本有機(jī)碳含量和土壤容重，計(jì)算不同類型區(qū)域單位面積的土壤有機(jī)碳密度OCj，計(jì)算公式為

式中，OCj是沉陷區(qū)第j個(gè)沉陷坡面的土壤有機(jī)碳密度(即PA M20% ～PA M100%，j=1～5);H是沉陷區(qū)土層厚度，0.4 m，取距表土約20 cm處土樣，其土壤理化性質(zhì)作為0～40 cm土層土壤理化性質(zhì)的平均值;ρi是沉陷區(qū)第j個(gè)沉陷坡面區(qū)的第i個(gè)取樣點(diǎn)的土壤容重;SOi是沉陷區(qū)第j個(gè)沉陷坡面區(qū)的第i個(gè)取樣點(diǎn)的土壤有機(jī)質(zhì)含量;(SOi)/1.724為沉陷區(qū)第j個(gè)沉陷坡面的第i個(gè)取樣點(diǎn)的土壤有機(jī)碳含量，1.724為Bemmelen轉(zhuǎn)換系數(shù)，即土壤有機(jī)質(zhì)和土壤有機(jī)碳之間的轉(zhuǎn)換系數(shù)。計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 沉陷區(qū)不同取樣點(diǎn)有機(jī)碳密度

2.5 土壤碳密度的變化討論

根據(jù)高潛水位采煤沉陷區(qū)不同地帶的土壤有機(jī)碳密度的測(cè)試結(jié)果，與未擾動(dòng)的對(duì)照田土壤有機(jī)碳密度進(jìn)行對(duì)照，其土壤有機(jī)碳庫(kù)的變化有如下特征:①采煤沉陷區(qū)中坡面區(qū)未積水區(qū)域3個(gè)測(cè)試點(diǎn)的土壤有機(jī)碳密度測(cè)試結(jié)果均小于對(duì)照田土壤有機(jī)碳密度，則說(shuō)明在煤礦開(kāi)采形成未積水坡面區(qū)的過(guò)程中土壤有機(jī)碳發(fā)生了流失;②季節(jié)性坡面區(qū)由于水位受季節(jié)的影響發(fā)生變化，會(huì)在不同的季節(jié)發(fā)揮“碳匯”和“碳源”的雙重角色，土壤有機(jī)碳的密度高于未積水區(qū)域的坡面區(qū)和對(duì)照田，其總體的土壤有機(jī)質(zhì)分解率小于碳積累的速率，“碳匯”作用略微明顯;③常年積水區(qū)的土壤有機(jī)碳密度均顯著高出其他坡面區(qū)地帶和對(duì)照田，形成了較為顯著的“碳匯”，由于水文條件和地形、地貌條件的改變影響了采煤沉陷區(qū)有機(jī)碳密度的變化，在采煤沉陷區(qū)復(fù)墾中，從增加“碳匯”的角度進(jìn)行生態(tài)修復(fù)，需要對(duì)于積水區(qū)域進(jìn)行合理的規(guī)劃。

3 結(jié)論

高潛水位采煤沉陷區(qū)的復(fù)墾、治理過(guò)程中，目前已經(jīng)越來(lái)越多的考慮到生態(tài)的因素，隨著國(guó)家對(duì)生態(tài)文明建設(shè)的日益重視，生態(tài)文明建設(shè)也將是采煤沉陷區(qū)開(kāi)發(fā)治理面臨的新課題。滿足復(fù)墾新增耕地和生態(tài)效益協(xié)調(diào)發(fā)展的要求，需要提高復(fù)墾質(zhì)量和增加沉陷區(qū)的“碳匯”功能。根據(jù)徐州九里采煤沉陷區(qū)土地復(fù)墾兼濕地規(guī)劃治理的實(shí)證研究，增強(qiáng)采煤沉陷區(qū)“碳匯”功能的措施如下。

(1)采煤沉陷區(qū)水系理順。理順采煤沉陷區(qū)地表水系不僅僅是土地復(fù)墾的首要條件，也是采煤沉陷區(qū)確保相應(yīng)的水量、不發(fā)生陸化的重要條件。應(yīng)最大限度攔蓄降水、地表徑流、客水、土壤滲水等，滿足水資源循環(huán)過(guò)程中的滲漏、蒸發(fā)、生態(tài)耗水等，確保采煤沉陷區(qū)水位、水量相對(duì)穩(wěn)定，減少采煤沉陷區(qū)土壤有機(jī)碳的分解速率。

(2)加強(qiáng)坡面區(qū)的水土保持工程。由于采煤沉陷造成大面積的斜坡，在降水徑流和重力的作用下其保水、保肥性能較差。由于重力作用和地表徑流等影響，使土壤中一些可溶性有機(jī)碳流失，降低了土壤有機(jī)質(zhì)含量。根據(jù)土壤樣本的有機(jī)碳庫(kù)密度分析，坡面區(qū)土壤樣本測(cè)試有機(jī)碳含量中顯示低于對(duì)照的平整田塊，其土壤有機(jī)碳流失非常顯著，從客觀上降低了坡面區(qū)生產(chǎn)能力，需要強(qiáng)化坡面區(qū)水土保持工程，增強(qiáng)地表植被的覆蓋率，抑制坡面區(qū)地表水土流失，有效保護(hù)整個(gè)采煤沉陷區(qū)的產(chǎn)出能力。

(3)完善采煤沉陷區(qū)水域的植被規(guī)劃。采煤沉陷區(qū)季節(jié)性積水和常年積水區(qū)符合濕地的定義和特征，并且發(fā)揮了“碳匯”的生態(tài)功能。濕地植被群落作為生態(tài)景觀的重要因子，除了應(yīng)考慮其景觀要素外，還要綜合考慮其采煤沉陷區(qū)生態(tài)修復(fù)過(guò)程中的作用。應(yīng)根據(jù)景觀需求、生態(tài)修復(fù)目標(biāo)增加和完善采煤沉陷區(qū)的植被生物量，按照水面的空間梯度分別布局沉水植物帶、浮水植物帶、挺水植物帶。

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