程靜霞,聶小軍,劉昌華

(河南理工大學(xué)測繪與國土信息工程學(xué)院,河南焦作 454000)

煤炭開采沉陷區(qū)土壤有機(jī)碳空間變化

程靜霞,聶小軍,劉昌華

(河南理工大學(xué)測繪與國土信息工程學(xué)院,河南焦作 454000)

為研究礦區(qū)土壤碳動態(tài),以焦作礦區(qū)為例,分析了沉陷坡與裂縫區(qū)兩種破壞地表的土壤有機(jī)碳空間變化。結(jié)果表明:與未沉陷的礦區(qū)土壤相比較,沉陷坡與裂縫區(qū)表土(0～10 cm)有機(jī)碳含量降低且空間變異性增大,土壤剖面各層次有機(jī)碳含量均出現(xiàn)降低,特別是10～30 cm的土壤剖面層有機(jī)碳含量降低最明顯,降幅為29%～38%;兩種破壞地表土壤剖面有機(jī)碳庫損失高達(dá)20.8～47.3 t/hm2。沉陷坡上,表土有機(jī)碳含量從上坡到中坡明顯的降低,從中坡到坡底逐漸增加;中坡、下坡與坡底有機(jī)碳含量沿土壤剖面層次向下表現(xiàn)出一致的線性下降趨勢,但上坡在土壤剖面內(nèi)的波動較大;各坡位土壤剖面有機(jī)碳儲量均出現(xiàn)損失,尤其是坡底以上的坡位有機(jī)碳儲量損失最大。礦區(qū)土壤有機(jī)碳的空間變化與土壤侵蝕、土地利用、裂隙滲漏及低生物量輸入有關(guān)。

有機(jī)碳;礦區(qū)土壤;土壤侵蝕;采煤沉陷

煤炭作為我國最主要的能源,在推動國民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時,其開采也帶來了一系列嚴(yán)重的問題,諸如土地退化、環(huán)境污染及糧食安全風(fēng)險。隨著我國耕地資源日趨緊張,礦區(qū)土地退化問題備受關(guān)注。目前的研究主要從土壤理化特性、水土環(huán)境演變2個方面探討開采沉陷對礦區(qū)土地退化的影響[1-7]。作為人類干擾強(qiáng)烈的礦區(qū)農(nóng)業(yè)土壤,其質(zhì)量退化引起的糧食安全風(fēng)險近年來逐漸被重視,相應(yīng)的礦區(qū)土地整治工作正在漸次開展;但是,與氣候變化相關(guān)的礦區(qū)土壤碳動態(tài)卻很少被關(guān)注。有機(jī)碳在全球碳循環(huán)中處于核心地位[8]。在全球陸地生態(tài)系統(tǒng)中,土壤作為最大的有機(jī)碳庫,碳儲量高達(dá)1.55×1012t[9],是大氣與生物量碳庫總和的2倍[10-11]。在人類社會農(nóng)業(yè)文明的漫長發(fā)展過程中,絕大部分農(nóng)業(yè)土壤受強(qiáng)烈人為干擾活動而使其有機(jī)碳庫相較于農(nóng)業(yè)文明前已經(jīng)損失了25%～75%[12]。農(nóng)業(yè)土壤有機(jī)碳庫的微小變動即可導(dǎo)致大氣CO2濃度的較大變化,從而影響全球氣候變化[11,13-14]。大量的研究探討了土地利用變化、土壤侵蝕、植被退化、土壤管理等干擾因素對草地、森林、濕地、耕地等農(nóng)業(yè)土壤有機(jī)碳的影響[15-23],從而為區(qū)域農(nóng)業(yè)土壤有機(jī)碳庫的評價提供了理論支持。對于礦區(qū)土壤這種特殊的農(nóng)業(yè)土壤來說,影響其有機(jī)碳動態(tài)的因素極其復(fù)雜。地表破壞、土地利用、植被退化、土壤侵蝕等干擾因素均有可能影響礦區(qū)土壤有機(jī)碳的空間分布。然而,目前有關(guān)礦區(qū)土壤有機(jī)碳動態(tài)這方面研究開展的還很少,這不利于以采礦業(yè)為主的區(qū)域農(nóng)業(yè)土壤有機(jī)碳庫的準(zhǔn)確評價。

基于以上背景,筆者以焦作礦區(qū)為例,選取有代表性的采煤沉陷區(qū),調(diào)查沉陷坡與裂縫區(qū)兩種破壞地表的土壤有機(jī)碳空間分布,分析土壤有機(jī)碳空間變化的影響因素,以期為礦區(qū)有機(jī)碳管理提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

焦作礦區(qū)(112.53°～113.63°E,34.8°～35.5N)位于河南省北部,地處太行山南麓,區(qū)域地貌為山前沖洪積扇平原。該礦區(qū)屬于溫帶區(qū)大陸性季風(fēng)氣候,年均氣溫14℃,年均降雨量695.7 mm,蒸發(fā)量2 039 mm;降雨量集中在7—9月,占全年雨量的70%。礦區(qū)從20世紀(jì)初開始規(guī)模開發(fā),目前采煤沉陷區(qū)面積高達(dá)149 km2,沉陷坡度≤8°,局部破壞嚴(yán)重,地表上的裂縫寬度多在20 cm左右[24]。采煤沉陷區(qū)土地利用類型主要為耕地與林地,耕地作物循環(huán)為小麥(Triticum aestivum L.)—玉米(Zea mays L.),林地喬木基本上為單一的毛白楊(Paulownia tomentosa)。土壤類型為石灰性褐土,母質(zhì)是石灰?guī)r和第四系砂礫石。

2 研究方法

2.1 樣品采集

在焦作礦區(qū)選取一個有代表性的、具有15 a沉陷歷史的井工開采破壞地表作為研究區(qū),沉陷地表的類型包括沉陷坡(局部分布一些小裂縫,但已經(jīng)被人工簡單填補(bǔ))和大裂縫集中分布區(qū)(裂縫區(qū))。沉陷坡與裂縫區(qū)0～10 cm土壤質(zhì)地均為粉壤土(43%砂粒,50%粉粒,7%黏粒)。沉陷坡、裂縫區(qū)的土地利用類型分別為耕地、林地,面積分別為0.8和1.5 hm2,地表平均坡度分別為3.04°和1.26°。由于地表沉陷,沉陷坡與裂縫區(qū)土地已變?yōu)楹档亍Ｍ瑫r,選取沉陷坡與裂縫區(qū)附近一塊平整的、未沉陷的、旱作耕地作為對照區(qū),其土壤質(zhì)地也為粉壤土(41%砂粒,52%粉粒,7%黏粒)。沉陷坡與對照區(qū)耕地作物殘茬管理一致,均為小麥?zhǔn)崭詈蟊Ａ?0 cm高度的秸稈,玉米秸稈全部保留,但是由于作物長勢不同,沉陷坡耕地作物生物量僅為未沉陷耕地作物生物量的50%左右。裂縫區(qū)種植楊樹,自沉陷以來前10 a由于生長不良,林木最大胸徑(地表以上1.3 m處)不超過12 cm,隨后全部被采伐,目前為具有5 a栽植歷史的楊樹幼林地。沉陷坡、裂縫區(qū)、對照區(qū)的土壤基本屬性見表1。

表1 采煤地表破壞區(qū)情況及其土壤屬性Table 1 Status of destroyed landscapes and selected soil properties in mining area

用取土鉆(?=8 cm)采樣,具體的采樣方案:①沉陷坡的土樣采集點分布如圖1(a)所示,在上、中、下、坡底位置均按之字形布點,每個坡位設(shè)置7個樣點,其中3個為剖面點,剖面點分5層采集,即0～10,10～20,20～30,30～40,40～50 cm;其余4個點采集0～10 cm的表土。沉陷坡總計采樣76個。②裂縫區(qū)沿2條主要的裂縫走向布點(圖1(b)),共布設(shè)15個點,其中4個剖面點,剖面點分3層取樣:0～10, 10～20,20～30 cm;其余11個點采集0～10 cm的表土。裂縫區(qū)總計采集23個樣品。③對照區(qū)樣點按照圖1(c)進(jìn)行均勻布設(shè),共布設(shè)9個樣點,其中6個土壤表層(0～10 cm)樣點,3個為剖面點,剖面點分5層采集:0～10,10～20,20～30,30～40,40～50 cm;總計采集21個樣品。利用DGPS對每個樣點的坐標(biāo)及海拔進(jìn)行測定。樣品采集結(jié)束,帶回實驗室測定。

圖1 沉陷區(qū)取樣點分布Fig.1 Soil sampling in study area

2.2 實驗分析及數(shù)據(jù)處理

吸管法測顆粒組成、電位法測pH值(水土質(zhì)量比為1∶2.5),環(huán)刀法測土壤密度,重鉻酸鉀油浴外加熱法測土壤有機(jī)碳[25]。所有測定數(shù)據(jù)采用SPSS 19.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析。不同位置間土壤有機(jī)碳含量的比較采用ONE-ANOVA單因素方差法來分析。用于比較不同位置表土土壤有機(jī)碳含量差異的樣本數(shù):沉陷坡28個,裂縫區(qū)15個,對照區(qū)9個;用于比較不同位置土壤剖面各層次有機(jī)碳含量及有機(jī)碳儲量差異的樣本數(shù):沉陷坡12個,裂縫區(qū)4個,對照區(qū)3個;用于比較沉陷坡不同坡位表土有機(jī)碳含量差異的樣本數(shù)為7個/坡位;用于比較沉陷坡不同坡位土壤剖面各層次有機(jī)碳含量及有機(jī)碳儲量差異的樣本數(shù)為3個/坡位。剖面土壤有機(jī)碳儲量為

式中,SSOC為土壤有機(jī)碳儲量,kg/m2;Qi為i層土壤密度,g/cm3;Di為i層土壤深度,cm;SOCi為i層土壤有機(jī)碳含量,g/kg;n為土壤總層數(shù)。

3 結(jié)果與討論

3.1 表層土壤有機(jī)碳空間變化

沉陷坡表層土壤有機(jī)碳含量平均為11.55 g/kg,明顯低于裂縫區(qū)表層土壤有機(jī)碳含量(13.01 g/ kg)(P＜0.05)。與對照區(qū)(14.18 g/kg)相比較,沉陷坡表層土壤有機(jī)碳含量明顯降低了19%(P＜0.05),但裂縫區(qū)表層土壤有機(jī)碳含量降低不明顯(P＞0.05),這主要?dú)w因于裂縫區(qū)土地利用類型為林地,林地凋落物增加的土壤有機(jī)質(zhì)在一定程度上彌補(bǔ)了沿裂隙通道損失的表土有機(jī)碳。從空間變異性來看,沉陷坡與裂縫區(qū)表層土壤有機(jī)碳含量的變異系數(shù)(CV)分別為19%與14%,遠(yuǎn)高于對照區(qū)(6%)(表2)。這些結(jié)果與Ussiri and Lai[26]的研究結(jié)論一致,表明煤炭開采造成的地表破壞導(dǎo)致表土有機(jī)碳含量的降低與空間變異性增大。

表2 不同破壞位置表層土壤有機(jī)碳含量Table 2 Organic carbon contents in surface soils of different destroyed landscapesg/kg

沉陷坡表層土壤有機(jī)碳坡面分布規(guī)律表現(xiàn)為:表土有機(jī)碳含量從上坡到中坡呈現(xiàn)出明顯的降低,然后,從中坡到坡底逐漸增加,但與對照區(qū)相比,沉陷坡面范圍內(nèi)表土有機(jī)碳含量都是減小的(表2)。坡底(12.68 g/kg)與上坡(12.46 g/kg)2個位置的表土有機(jī)碳含量最高,且相差不大(P＞0.05)。相反,中坡(9.79 g/kg)與下坡(11.20 g/kg)表土有機(jī)碳含量較低;特別是中坡表現(xiàn)出最低的表土有機(jī)碳含量,明顯低于坡底與上坡的表土有機(jī)碳含量(P＜0.05)。研究區(qū)沉陷坡表土有機(jī)碳含量表現(xiàn)出的這種坡面分布規(guī)律有別于朱宗澤的研究結(jié)果,即沉陷坡表土有機(jī)碳含量往往被發(fā)現(xiàn)是從坡頂?shù)狡碌字饾u增加[27]。然而,在本研究中,表土有機(jī)碳含量是從中坡到坡底逐漸增加,也即有機(jī)碳的明顯損失最先發(fā)生在中坡位置。中坡與下坡2個位置表土有機(jī)碳含量低與土壤侵蝕有關(guān)。通過調(diào)查,發(fā)現(xiàn)沉陷坡上的土壤黏粒(＜0.002 mm)含量從上坡到坡底逐漸增大(圖2),這表明水蝕對土壤顆粒的分選性搬運(yùn)過程。根據(jù)坡面侵蝕理論,水蝕的發(fā)生坡位主要在中坡與下坡,因為這兩個位置是坡面徑流匯集的場所[28]。而且,沉陷坡的中坡位置坡曲率變化較大,在耕作位移作用下可以誘發(fā)明顯的耕作侵蝕(在耕作工具作用下土壤發(fā)生的向下坡傳輸)[29]。據(jù)此推斷,土壤侵蝕導(dǎo)致了中坡與下坡兩個位置的表土有機(jī)碳損失。坡底由于接受來自上坡方向的侵蝕土壤,結(jié)果導(dǎo)致該位置表土有機(jī)碳含量最高。但是,與沒有土壤補(bǔ)給來源的上坡(12.46 g/kg)比較,坡底(12.68 g/kg)表土有機(jī)碳含量并沒有表現(xiàn)出明顯的增加。這與坡底存在的一些小裂縫有關(guān)。下文“沉陷坡土壤剖面有機(jī)碳含量深度分布格局(圖3)”顯示:坡底土壤30～50 cm深度范圍內(nèi)的有機(jī)碳含量明顯高于其他坡位相同土壤深度的有機(jī)碳含量,這表明坡底表土有機(jī)碳存在沿裂縫通道滲漏到深層土壤而產(chǎn)生損失。另外,研究中發(fā)現(xiàn)的中坡表土有機(jī)碳含量明顯低于其他坡位,這個結(jié)果也不同于顧和和等的研究報道[2]。在他們的研究中,沉陷坡中坡表土有機(jī)碳含量也被發(fā)現(xiàn)最低,但與上坡、下坡與坡底表土有機(jī)碳含量并無顯著差異(P＞0.05)。這種結(jié)果的不一致性可能歸因于中坡位置土壤侵蝕強(qiáng)度的差異,即在他們的調(diào)查中,中坡土壤侵蝕程度輕微,而在筆者的研究調(diào)查中,中坡水蝕與耕作侵蝕聯(lián)合作用導(dǎo)致的土壤侵蝕強(qiáng)度較高。

圖2 沉陷坡土壤黏粒分布Fig.2 Distribution of clay contents across the subsidence slope

3.2 土壤有機(jī)碳剖面分布

圖4顯示了沉陷坡與裂縫區(qū)有機(jī)碳在土壤剖面內(nèi)的含量變化?？傮w上,沉陷坡與裂縫區(qū)有機(jī)碳含量隨著土壤剖面層次的加深呈現(xiàn)出降低的趨勢,這些趨勢類似于對照區(qū)土壤有機(jī)碳含量的剖面變化。但是,不同于對照區(qū)的是沉陷坡與裂縫區(qū)土壤剖面各層次的有機(jī)碳含量均較低;其中,10～30 cm的土壤剖面層有機(jī)碳含量降幅最大,分別下降29%～31%與31%～38%。這表明煤炭開采造成的地表破壞導(dǎo)致土壤剖面各層次的有機(jī)碳含量降低,特別是10～30 cm的土壤剖面層有機(jī)碳含量降低最為明顯。其次,沉陷坡與裂縫區(qū)兩種破壞地表的0～10 cm土壤剖面層有機(jī)碳含量最高,明顯高于10 cm以下各層次的有機(jī)碳含量(P＜0.05),這種特征不同于對照區(qū),對照區(qū)有機(jī)碳含量最高的土壤剖面層表現(xiàn)為0～30 cm(0～10,10～20,20～30 cm層次間有機(jī)碳含量無顯著差異;P＞0.05)。這種不同可能是由于沉陷坡與裂縫區(qū)表土(0～10 cm)有機(jī)碳分別受地表侵蝕與垂直滲漏作用而無法在10～30 cm的土壤剖面層內(nèi)有效積累。

圖3 沉陷坡土壤剖面有機(jī)碳含量深度分布格局Fig.3 Depth distribution of organic carbon contents in soil profile for different positions of the subsidence slope

圖4 不同破壞地表土壤剖面有機(jī)碳含量深度分布格局Fig.4 Depth distribution of organic carbon contents in soil profile for different types of destroyed landscapes

中坡與下坡土壤有機(jī)碳含量表現(xiàn)出一致的剖面變化規(guī)律,即在0～40 cm的剖面層內(nèi),隨著剖面層次的加深,土壤有機(jī)碳含量逐漸降低;而在40～50 cm的剖面層,有機(jī)碳含量變化不明顯。坡底有機(jī)碳含量在整個剖面層隨著土壤深度的增大呈現(xiàn)出很好的線性下降趨勢。上坡土壤有機(jī)碳含量在0～10 cm與20～30 cm的剖面層含量接近且最高(P＞0.05),而在其他剖面層明顯降低(P＜0.05)(圖3)。顯然,上坡與坡底有機(jī)碳剖面變化不同于中坡與下坡。對于坡景觀而言,雖然上坡地表徑流難以匯集,水蝕對土壤有機(jī)碳的搬運(yùn)影響不明顯,但該坡位由于在耕作傳輸作用下表現(xiàn)為土壤凈輸出,因此也是耕作侵蝕一個主要發(fā)生場所[30]。在研究區(qū),土壤耕作采用機(jī)械耕作,耕作深度在20 cm左右,這種耕作實踐導(dǎo)致10～20 cm深度的土壤有機(jī)碳明顯損失,同時,由于該上坡位置坡度(0.94°)較緩,從而表現(xiàn)出類似于未沉陷耕地CK在20～30 cm與0～10 cm土壤層相近的有機(jī)碳含量(圖4)。另外,坡底土壤有機(jī)碳含量線性降低的剖面變化與地表以下的潛在小裂縫使土壤各剖面層有機(jī)碳沿裂隙通道均勻滲漏有關(guān)。

3.3 土壤剖面有機(jī)碳儲量

表3顯示了沉陷坡與裂縫區(qū)土壤剖面有機(jī)碳的儲量(kg/m2)。與對照區(qū)CK(8.58 kg/m2)相比,沉陷坡(6.50 kg/m2)、裂縫區(qū)(3.85 kg/m2)土壤剖面有機(jī)碳儲量顯著降低(P＜0.05),分別降低了24%與 55%,損失量分別高達(dá)20.8與47.3 t/hm2,這些數(shù)值接近世界最嚴(yán)重退化土壤的有機(jī)碳庫損失(30～40 t/hm2)[31]。沉陷坡不同坡位土壤剖面有機(jī)碳儲量的變化表現(xiàn)為:上坡、中坡與下坡的土壤剖面有機(jī)碳儲量無明顯變化(P＞0.05),均顯著低于坡底(P＜0.05),表明沉陷坡土壤剖面有機(jī)碳儲量的嚴(yán)重?fù)p失主要來源于上坡到下坡的坡位。盡管坡底土壤剖面有機(jī)碳儲量(8.05 kg/m2)相對較高,但相較于對照地(8.58 kg/m2)仍呈現(xiàn)出輕微降低的變化(表3),這暗示作為礦區(qū)土壤沉積場所的坡底(或沉陷盆地中心),其土壤有機(jī)碳儲量并未增加,其主要原因同樣是由于地表以下潛在裂隙導(dǎo)致的有機(jī)碳滲漏。

表3 不同破壞位置土壤剖面有機(jī)碳儲量Table 3 Organic carbon storages in profile soils of different destroyed positionskg/m2

另外,結(jié)合前面結(jié)果(沉陷坡表土有機(jī)碳19%的明顯損失與裂縫區(qū)表土有機(jī)碳的不明顯損失)來看,沉陷坡、裂縫區(qū)這兩種采煤破壞地表的土壤剖面有機(jī)碳損失更為嚴(yán)重。沉陷坡土壤剖面有機(jī)碳儲量的嚴(yán)重降低不僅與土壤侵蝕有關(guān),而且也與該破壞地表作物(小麥-玉米)的生物量低有關(guān)。由于沉陷坡耕地作物生物量僅為未沉陷耕地作物生物量的50%左右,因此,在相同的作物殘茬管理下(小麥?zhǔn)崭詈蟊Ａ?0 cm高度的殘茬,玉米秸稈全部保留),沉陷坡耕地有機(jī)殘體輸入到土壤中的數(shù)量明顯低于未沉陷耕地。裂縫區(qū)土壤剖面有機(jī)碳儲量的降低最嚴(yán)重,這主要?dú)w因于裂隙滲漏導(dǎo)致的土壤嚴(yán)重?fù)p失,結(jié)果導(dǎo)致裂縫區(qū)林地土壤剖面厚度僅為30 cm,遠(yuǎn)低于未沉陷耕地及沉陷坡耕地的土壤剖面厚度(50 cm)。

4 結(jié) 論

(1)沉陷坡與裂縫區(qū)表土有機(jī)碳含量降低且空間變異性增大。沉陷坡表土有機(jī)碳坡面分布規(guī)律表現(xiàn)為:表土有機(jī)碳含量從上坡到中坡呈現(xiàn)出明顯的降低,從中坡到坡底逐漸增加;但與對照區(qū)相比,沉陷坡面范圍內(nèi)表土有機(jī)碳含量都是減小的;其中,土壤侵蝕導(dǎo)致的中坡表土有機(jī)碳損失明顯。

(2)沉陷坡與裂縫區(qū)有機(jī)碳含量沿土壤剖面層次向下而下降,剖面各層次的有機(jī)碳均出現(xiàn)損失,特別是10～30 cm的土壤剖面層有機(jī)碳損失最明顯。沉陷坡不同坡位之間土壤有機(jī)碳含量剖面分布規(guī)律表現(xiàn)不一:中坡、下坡與坡底有機(jī)碳含量均表現(xiàn)出沿剖面層次線性下降的趨勢;但是,上坡有機(jī)碳含量在土壤剖面內(nèi)波動大。沉陷坡不同坡位間土壤有機(jī)碳含量剖面變化差異與土壤侵蝕、裂隙滲漏有關(guān)。

(3)土壤侵蝕、作物殘茬量低導(dǎo)致的沉陷坡土壤剖面有機(jī)碳庫損失與裂隙滲漏導(dǎo)致的裂縫區(qū)土壤有機(jī)碳庫損失均很嚴(yán)重,接近世界最嚴(yán)重退化土壤的有機(jī)碳庫損失。

[1] 陳龍乾,鄧喀中,趙志海,等.開采沉陷對耕地土壤物理特性影響的空間變化規(guī)律[J].煤炭學(xué)報,2004,22(6):586-590.

Chen Longqian,Deng Kazhong,Zhao Zhihai,et al.Space variation law of physical characteristics about farmland soil due to mining subsidence[J].Journal of China Coal Society,2004,22(6):586-590.

[2] 顧和和,胡振琪,劉德輝,等.高潛水位地區(qū)開采沉陷對耕地的破壞機(jī)理研究[J].煤炭學(xué)報,1998,23(5):522-524.

Gu Hehe,Hu Zhenqi,Liu Dehui,et al.Mechanism of farmland damage due to mining subsidence in the region with high level of subsurface water[J].Journal of China Coal Society,1998,23(5):522-524.

[3] 張發(fā)旺,侯新偉,韓占濤.煤礦開發(fā)引起水土環(huán)境演化及其調(diào)控技術(shù)[J].地球?qū)W報,2001,22(4):345-350.

Zhang Fawang,Hou Xinwei,Han Zhantao.Water-soil environmental evolution induced by coal mining and its regulating and controlling techniques[J].Acta Geoscientia Sinica,2001,22(4):345-350.

[4] 顧和和,胡振琪,劉德輝,等.開采沉陷對耕地生產(chǎn)力影響的定量評價[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報,1998,27(4):414-417.

Gu Hehe,Hu Zhenqi,Liu Dehui,et al.Quantitative evaluation of impact of mining subsidence on farmland productivity[J].Journal of China University of Mining&Technology,1998,27(4):414-417.

[5] 張發(fā)旺,侯新偉,韓占濤,等.采煤塌陷對土壤質(zhì)量的影響效應(yīng)及保護(hù)技術(shù)[J].地理與地理信息科學(xué),2003,19(3):67-70.

Zhang Fawang,Hou Xinwei,Han Zhantao,et al.Impact of coal mining subsidence on soil quality and some protecting technique for the soil quality[J].Geography and Geo-Information Science,2003, 19(3):67-70.

[6] 孫泰森,師學(xué)義,楊玉敏,等.五陽礦區(qū)采煤塌陷地復(fù)墾土壤的質(zhì)量變化研究[J].水土保持學(xué)報,2003,17(4):35-37,89.

Sun Taisen,Shi Xueyi,Yang Yumin,et al.Changs of reclaimed soil quality on subsided land resulting from coal-mine at Wuyang area [J].Journal of Soil and Water Conservation,2003,17(4):35-37, 89.

[7] 杜 濤,畢銀麗,鄒 慧,等.地表裂縫對沙柳根際微生物和酶活性的影響[J].煤炭學(xué)報,2013,38(12):2221-2226.

Du Tao,Bi Yinli,Zou Hui,et al.Effects of surface cracks caused by coal mining on microorganisms and enzyme activities in rhizosphere of Salix psammophila[J].Journal of China Coal Society, 2013,38(12):2221-2226.

[8] Batjes N H.Carbon and nitrogen stocks in the soils of Central and Eastern Europe[J].Soil Use and Management,2002,18(3):324-329.

[9] Lal R.Carbon sequestration[J].Philosophical Transactions of the Royal Society B:Biological Sciences,2007,363:815-830.

[10] Bellamy P H,Loveland P J,Bradley R I,et al.Carbon losses from all soils across England and Wales 1978-2003[J].Nature,2005, 437:245-248.

[11] Wang L,Okin G S,Caylor K K,et al.Spatial heterogeneity and sources of soil carbon in southern African savannas[J].Geoderma, 2009,149(3):402-408.

[12] Editoral.Farming carbon[J].Soil&Tillage Research,2007,96:1-5.

[13] 侯湖平,張紹良,丁忠義,等.煤礦區(qū)土地利用變化對生態(tài)系統(tǒng)植被碳儲量的影響——以徐州垞城礦為例[J].煤炭學(xué)報, 2013,38(10):1850-1855.

Hou Huping,Zhang Shaoliang,Ding Zhongyi,et al.Impact on vegetation carbon storage in ecosystem from land use change in coal mine area:A case study at Chacheng Mine in Xuzhou mining area[J].Journal of China Coal Society,2013,38(10):1850-1855.

[14] Smith P.Land use change and soil organic carbon dynamics[J].Nutrient Cycling in Agroecosystems,2008,81(2):169-178.

[15] Wang Genxu,Qian Ju,Cheng Guodong,et al.Soil organic carbon pool of grassland soils on the Qinghai-Tibetan Plateau and its global implication[J].The Science of the Total Environment,2002, 291(1):207-217.

[16] Nie Xiaojun,Wang Xiaodan,Liu Suzhen,et al.137Cs tracing dynamics of soil erosion,organic carbon and nitrogen in sloping farmland converted from original grassland in Tibetan plateau[J].Applied Radiation and Isotopes,2010,68(9):1650-1655.

[17] 聶小軍,劉淑珍,劉海軍,等.藏東橫斷山區(qū)草地利用變化對土壤質(zhì)量的影響[J].山地學(xué)報,2009,27(6):676-682.

Nie Xiaojun,Liu Shuzhen,Liu Haijun,et al.Impacts of grass landuse change on soil quality in the Hengduan Mountain Region,eastern Tibet[J].Journal of Mountain Science,2009,27(6):676-682.

[18] Baritz R,Seufert G,Montanarell L,et al.Carbon concentrations and stocks in forest soils of Europe[J].Forest Ecology and Management,2010,260:262-277.

[19] Van Noordwijk M,Cerri C,Woomer P L,et al.Soil carbon dynamics in the humid tropical forest zone[J].Geoderma,1997,79(1): 187-225.

[20] Wang J Y,Song C C,Wang X W,et al.Changes in labile soil organic carbon fractions in wetland ecosystems along a latitudinal gradient in Northeast China[J].Catena,2012,96:83-89.

[21] Liu S G,Tan Z X,Li Z P,et al.Are soils of Iowa USA currently a carbon sink or source?Simulated changes in SOC stock from 1972 to 2007[J].Agriculture,Ecosystems&Environment,2011, 140(1):106-112.

[22] Smith P.Carbon sequestration in croplands:The potential in Europe and the global context[J].European Journal of Agronomy,2004, 20:229-236.

[23] Nie Xiaojun,Zhang Jianhui,Su Zhengan.Dynamics of soil organic carbon and microbial biomass carbon in relation to water erosion and tillage erosion[J].Plos One,2013,8(5):e64059.

[24] 張森林,楊書民,張大志,等.焦作市典型煤礦塌陷區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險性分析及防治對策[J].中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報,2010, 21(1):57-59.

Zhang Senlin,Yang Shumin,Zhang Dazhi,et al.Assessment and countermeasureofgeologicalhazardinatypicalcoalmined collapse area in Jiaozuo City[J].The Chinese Journal of Geological Hazard and Control,2010,21(1):57-59.

[25] 張甘霖,龔子同.土壤調(diào)查實驗室分析方法[M].北京:科學(xué)出版社,2012:8-49.

[26] Ussiri D A N,Lai R.Method for determining coal carbon in the reclaimed mine soils contaminated with coal[J].Soil Science Society of America Journal,2008,72(1):231-237.

[27] 朱宗澤,陳志超,郝成元.采煤沉陷區(qū)土壤成分變化研究——以潞安集團(tuán)王莊煤礦為例[J].中國水土保持,2011(4):44-46.

Zhu Zongze,Chen Zhichao,Hao Chengyuan.Analysis on changes of soil components in coal-mining subsidence areas taking Wangzhuang mine area in Lu’an group for example[J].Soil and Water Conservation in China,2011(4):44-46.

[28] Govers G,Lobb D A,Quine T A.Tillage erosion and translocation: Emergence of a new paradigm in soil erosion research[J].Soil Till.Res.,1999,51:167-174.

[29] Lobb D A,Kachanoski R G.Modelling tillage erosion on the topographically complex landscapes of southwestern Ontario[J].Soil& Tillage Research,1999,51:261-277.

[30] Zhang J H,Quine T A,Ni S J,et al.Stocks and dynamics of SOC in relation to soil redistribution by water and tillage erosion[J].Global Change Biology,2006,12:1834-1841.

[31] Lal R.Soil carbon sequestration impacts on global climate change and food security[J].Science,2004,304:1623-1627.

Spatial variation of soil organic carbon in coal-mining subsidence areas

CHENG Jing-xia,NIE Xiao-jun,LIU Chang-hua

(School of Surveying and Land Information Engineering,Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454000,China)

In order to understand carbon dynamics in mine soil,the spatial variation of soil organic carbon(SOC)contents was investigated in two types of landscapes destroyed by coal mining,i.e.,subsidence slope and ground fissure site from Jiaozuo mine area,China.It is found that the SOC contents in topsoil(0-10 cm)decreases and their spatial variability increases in both subsidence slope and ground fissure site in comparison with those in non-subsidence site.The SOC contents at all the layers of depth profile decrease,especially at the layers of 10-30 cm depth,where a decrease of 29%-38%in the SOC contents is observed.The depletion of SOC pool in the study area was estimated up to 20.8-47.3 t/hm2.For the subsidence slope,the SOC contents in topsoil obviously decrease from upper slope to middle slope positions,and then gradually increased from middle slope to toe slope positions.At the middle,lower and toe slope positions of soil profiles,the SOC contents decrease linearly along with depth,but vary irregularly in those of the upper slope positions.The loss of SOC storages occurs on the whole subsidence slope,especially at the upper,middle and lower slope positions.The spatial variation patterns of SOC in the study area could be attributed to soil erosion, land-use,and fissure-induced leakage as well as the low input of crop biomass to mine soils.

organic carbon;mine soils;soil erosion;coal-mining subsidence

X53

A

0253-9993(2014)12-2495-06

2013-12-06 責(zé)任編輯:王婉潔

國家自然科學(xué)基金委員會與神華集團(tuán)有限責(zé)任公司聯(lián)合資助項目(U1261206);國家自然科學(xué)基金資助項目(41001157)

程靜霞(1988—),女,江西上饒人,碩士研究生。E-mail:cjx108cz@126.com。通訊作者:聶小軍(1977—),男,山西曲沃人,副教授,博士。E-mail:niexj2005@126.com

程靜霞,聶小軍,劉昌華.煤炭開采沉陷區(qū)土壤有機(jī)碳空間變化[J].煤炭學(xué)報,2014,39(12):2495-2500.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.1806

Cheng Jingxia,Nie Xiaojun,Liu Changhua.Spatial variation of soil organic carbon in coal-mining subsidence areas[J].Journal of China Coal Society,2014,39(12):2495-2500.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.1806