史娜娜,韓 煜,王 琦,寇 許,全占軍(.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院,北京000;.中煤科工集團(tuán) 北京華宇工程有限公司,北京000)
土壤圈具有陸地生態(tài)系統(tǒng)最大的碳庫(kù),是大氣碳庫(kù)的2倍,陸地植被碳庫(kù)的2~3倍。由于土壤碳儲(chǔ)量巨大,其較小幅度的變化就可明顯影響到土壤碳向大氣的排放,因而在全球碳循環(huán)中至關(guān)重要,影響全球氣候變化過(guò)程、陸地生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能。土壤碳一方面直接影響著全球碳平衡;另一方面,土壤碳可以改善土壤結(jié)構(gòu),提高土壤肥力,是植物和各種微生物的重要可利用碳源,對(duì)于其生長(zhǎng)和活動(dòng)具有重要影響[1-2]。因此,它一直是土壤領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。
采煤塌陷引起一系列的地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題,如地表塌陷、形成地表移動(dòng)盆地、產(chǎn)生地裂縫、引起地下水位上升、改變土壤結(jié)構(gòu)、養(yǎng)分及理化性狀等[3-4]。采煤塌陷地的存在具有普遍性,而我國(guó)耕地面積少,土地資源嚴(yán)重不足,因此,采煤塌陷地的綜合利用與生態(tài)恢復(fù)重建工作具有重要意義。已有研究多局限于采煤地表沉陷引起的地形地貌改變[4-6]、土壤理化性質(zhì)變化[7-9],以及群落 多 樣 性 變 化 等[10-11]。 不 同 學(xué) 者 因 地貌類型及研究尺度的不同,研究結(jié)論差異較大。采煤塌陷對(duì)土壤碳庫(kù)的擾動(dòng)是煤炭開采生態(tài)影響研究的熱點(diǎn)之一,已有研究對(duì)采煤塌陷這種強(qiáng)烈擾動(dòng)下土壤碳儲(chǔ)量變化特征及其影響因素缺乏認(rèn)識(shí),特別是在西北半干旱地區(qū),生態(tài)系統(tǒng)脆弱,土壤是生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)[12],土壤元素的循環(huán)與平衡[13-14],特別是土壤碳的變化,直接影響著生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和功能發(fā)揮,導(dǎo)致不能從根本上對(duì)半干旱采煤沉陷區(qū)的生態(tài)修復(fù)問(wèn)題提出實(shí)質(zhì)措施。因此,本文以陜西省神木縣大柳塔礦區(qū)為例,分析采煤塌陷前后土壤碳儲(chǔ)量的變化,繼而采用因子分析提煉引起其變化的影響因素,在此基礎(chǔ)上,采用相關(guān)分析和回歸分析揭示二者之間的關(guān)系,以期為采煤塌陷區(qū)土壤改良和土地資源利用提供參考。
試驗(yàn)研究樣地選擇在大柳塔礦區(qū),該區(qū)位于烏蘭木倫河流域煤炭資源開發(fā)最強(qiáng)烈的地區(qū),行政區(qū)劃上屬于陜西省神木縣,東經(jīng)109°33′—110°10′,北緯39°01′—39°30′,北有毛烏素沙地,南有黃土高原,是風(fēng)沙地貌向黃土丘陵地貌的過(guò)渡帶,同時(shí)也是典型草原向荒漠草原過(guò)渡的半干旱地帶。這一地區(qū)屬于暖溫帶典型草原區(qū),代表群系為本氏針茅草原。區(qū)內(nèi)海拔900~1 200m,年蒸發(fā)量高達(dá)1 753.8mm,年平均降水量362mm,主要集中在6—9月份,年際與年內(nèi)降水分配極不均勻。研究區(qū)地帶性土壤為淡栗鈣、栗鈣土和灰鈣土,由于風(fēng)蝕沙化嚴(yán)重,沙丘、沙梁、灘地相間分布。硬梁地以針茅(StipacapillataLinn.)、百里香(ThymusmongolicusRonn)、達(dá)烏里胡枝子(Lespedezadavurica)以及禾本科(Poaceae)植物為主;流沙地以沙蒿(ArtemisiadesterorumSpreng)、豬毛菜(SalsolacollinaPall.)等為建群種。
該區(qū)煤炭資源儲(chǔ)量豐富,煤礦開采與生態(tài)保護(hù)之前的矛盾日益突出,屬于典型的生態(tài)脆弱區(qū),目前尚缺乏對(duì)該區(qū)采煤塌陷后土壤碳儲(chǔ)量?jī)?nèi)在變化機(jī)制的研究。為分析采煤塌陷對(duì)該區(qū)土壤碳儲(chǔ)量的影響,本文選擇一處沉陷區(qū)為研究對(duì)象,同時(shí),選擇與沉陷地剖面狀況一致但未受沉陷影響的坡地作為對(duì)照區(qū)。
在已選定的沉陷區(qū)及對(duì)照區(qū)進(jìn)行土壤樣品采集工作。在沉陷區(qū)和對(duì)照區(qū)分別選擇一個(gè)典型坡面(坡向、坡度及坡面結(jié)構(gòu)相似),在坡面的坡頂、坡中、坡底分別設(shè)置3個(gè)10m×10m樣方,每個(gè)樣方內(nèi)再隨機(jī)設(shè)置3個(gè)1m×1m的小樣方。每個(gè)樣方內(nèi)除去枯枝落葉層后,以梅花形選取5個(gè)點(diǎn),用土鉆按0—10,10—20,20—30,30—40,40—50,50—60cm 分層采集土壤樣品,將采集的土樣分層混合,密封后帶回實(shí)驗(yàn)室內(nèi),仔細(xì)除去其中可見植物殘?bào)w及土壤動(dòng)物,一部分風(fēng)干,一部分-10℃冷凍保存。每期土壤樣品數(shù)量為270個(gè)。
1.3.1 測(cè)定方法
(1)土壤物理指標(biāo):土壤含水量采用烘干法,土壤孔隙度采用土壤密度換算法。
(2)土壤化學(xué)指標(biāo):有機(jī)質(zhì)測(cè)定采用容量法,全氮測(cè)定采用開氏法,速效氮測(cè)定采用減解擴(kuò)散法,全磷測(cè)定采用酸溶—鉬銻抗比色法,速效磷測(cè)定采用NaHCO3浸提—鉬銻抗比色法,全鉀測(cè)定采用HF消解—火焰光度計(jì)法,速效鉀測(cè)定采用NH4COOH浸提—火焰光度計(jì)法。
(3)土壤生物指標(biāo):土壤脲酶采用比色法,蔗糖酶采用3,5-二硝基水楊酸比色法,過(guò)氧化氫酶測(cè)定采用高錳酸鉀滴定法。
(4)土壤碳采用元素分析儀進(jìn)行測(cè)試,利用酸化后的土壤樣品中的無(wú)機(jī)碳轉(zhuǎn)化為二氧化碳,在富含氧氣的載氣中加熱酸化后的土壤樣品至900℃以上,有機(jī)碳被氧化為二氧化碳的原理,進(jìn)行土壤碳的測(cè)定。
(5)土壤碳儲(chǔ)量計(jì)算模型。土壤碳儲(chǔ)量是指區(qū)域范圍內(nèi)1m深度的土壤有機(jī)碳總質(zhì)量,單位為kgC。土壤碳儲(chǔ)量計(jì)算模型:
式中:SOCden——土壤有機(jī)碳密度(kg/m2);SOC——有機(jī)碳含量(g/kg);γ——土壤容重(g/cm3);h——土層厚度;δ2mm——土壤顆粒尺寸大于 2mm 的百分?jǐn)?shù);SOCtden——土壤碳儲(chǔ)量(kgC);S——研究區(qū)面積(m2)。
1.3.2 數(shù)據(jù)處理 本文在分析采煤塌陷對(duì)大柳塔礦區(qū)不同土層深度、不同坡位的土壤碳儲(chǔ)量變化的基礎(chǔ)上,采用因子分析法辨識(shí)影響土壤碳儲(chǔ)量的因子,并結(jié)合方差分析提取的采煤塌陷前后差異顯著的因子進(jìn)行相關(guān)性分析,在此基礎(chǔ)上,利用回歸分析進(jìn)一步揭示影響碳儲(chǔ)量變化的主導(dǎo)因子,以期為礦區(qū)土壤修復(fù)和生態(tài)恢復(fù)提供理論參考。
2.1.1 不同土層深度土壤碳儲(chǔ)量垂直變化特征 在不同土層深度上,采煤塌陷前后土壤碳儲(chǔ)量(表1)表現(xiàn)出以下規(guī)律:(1)對(duì)照區(qū)和沉陷區(qū)均基本呈現(xiàn)從表層向底層遞減的趨勢(shì),0—20cm遞減趨勢(shì)明顯,20—60cm遞減趨勢(shì)變緩。這與以往的研究結(jié)論基本一致[15],只對(duì)照區(qū)在50—60cm土層出現(xiàn)小幅回升。原因可能是,各不同土壤剖面上覆植被狀況、土壤孔隙度、土壤養(yǎng)分含量等性質(zhì)均會(huì)影響到土壤碳儲(chǔ)量的垂直分布格局。(2)土壤碳儲(chǔ)量主要集中在土壤表層(0—20cm),占總量的45%以上,其余各層基本呈現(xiàn)均衡分布態(tài)勢(shì)。(3)通過(guò)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn),采煤塌陷后,0—10cm土層降低,10—20cm土層增加,土壤表層(0—20cm)在采煤塌陷前后差異不明顯。這表明該區(qū)采煤塌陷對(duì)土壤表層碳儲(chǔ)量影響不大。原因可能是,雖然地表錯(cuò)動(dòng)、地裂縫發(fā)育等擾動(dòng)了該區(qū)原有的土壤—植被系統(tǒng)生態(tài)平衡,但新平衡的形成也在一定程度上彌補(bǔ)了這種損失。(3)經(jīng)方差分析發(fā)現(xiàn),采煤塌陷前后土壤碳儲(chǔ)量在含量上差異不顯著(p<0.05),但在不同土層深度的空間分布上差異顯著。從表1可以看出,沉陷區(qū)0—10cm,10—20cm,40—50cm,50—60cm土層變異系數(shù)差異較大。原因可能是,采煤塌陷后,地形地貌發(fā)生改變,在一定程度上干擾或破壞了原有的土壤—植被系統(tǒng),進(jìn)而影響了表土的理化性狀和自身的營(yíng)養(yǎng)條件,進(jìn)一步威脅到土壤養(yǎng)分和水分的保持,最終引起土壤物質(zhì)的移動(dòng)和流向變化,土壤結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,從而造成采煤塌陷前后土壤碳儲(chǔ)量垂向分布差異顯著。
2.1.2 不同坡位土壤碳儲(chǔ)量變化特征 對(duì)不同坡位土壤碳儲(chǔ)量進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),對(duì)照區(qū)和沉陷區(qū)的土壤碳儲(chǔ)量均表現(xiàn)出坡底>坡中>坡頂?shù)囊?guī)律(表2)。采煤塌陷前后,土壤碳儲(chǔ)量含量差異不顯著,但沉陷區(qū)坡底和坡中的土壤碳儲(chǔ)量比對(duì)照區(qū)增加,表明采煤塌陷后,由于地表錯(cuò)位、植被覆蓋度降低等原因,迫使土壤碳儲(chǔ)量自坡頂向坡底流失,導(dǎo)致坡底土壤碳儲(chǔ)量匯集。
方差分析發(fā)現(xiàn),采煤塌陷對(duì)坡底部位的土壤碳儲(chǔ)量影響差異顯著(p<0.05)。原因可能是,沉陷區(qū)坡底土壤碳儲(chǔ)量變化劇烈,采煤塌陷加劇了坡面土壤侵蝕程度,形成沉陷前后碳儲(chǔ)量的顯著差異。采煤塌陷后,坡中部位土壤碳儲(chǔ)量富集速率比沉陷前高42.3%,受沉陷垂直錯(cuò)動(dòng)影響,土壤結(jié)構(gòu)松散,不利于地表植被的生長(zhǎng),土壤養(yǎng)分更易沿著覆巖冒落帶和裂縫處向下滲漏,造成沉陷后坡中部位植物中的碳向坡底轉(zhuǎn)移,使得坡底部位土壤碳儲(chǔ)量富集速率顯著提高。
表2 對(duì)照區(qū)和沉陷區(qū)不同坡位土壤碳儲(chǔ)量變異系數(shù)
為了辨識(shí)采煤塌陷對(duì)土壤碳儲(chǔ)量影響的主要因子,選擇表征物理性質(zhì)(pH、土壤孔隙度、土壤含水率)、化學(xué)性質(zhì)(全氮、全磷、全鉀、有機(jī)質(zhì)、速效氮、速效磷、速效鉀)和生物性質(zhì)(土壤脲酶、蔗糖酶)的12項(xiàng)指標(biāo),采用因子分析方法提取主成分,進(jìn)而辨識(shí)出主要影響因子,并計(jì)算其影響程度。
在累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到80%的前提下,根據(jù)主成分載荷矩陣(表3)分析發(fā)現(xiàn),對(duì)照區(qū)的土壤碳儲(chǔ)量主要與全氮、全磷、有機(jī)質(zhì)、土壤孔隙度、土壤含水率、速效鉀、速效氮7個(gè)指標(biāo)關(guān)系密切;沉陷區(qū)的土壤碳儲(chǔ)量主要與脲酶、蔗糖酶、土壤孔隙度、土壤含水率、pH、全氮6個(gè)指標(biāo)關(guān)系密切。同時(shí),就沉陷區(qū)和對(duì)照區(qū)的上述12個(gè)指標(biāo)進(jìn)行方差分析發(fā)現(xiàn),土壤孔隙度、土壤含水率、全氮、全磷、有機(jī)質(zhì)差異顯著(p<0.05)。綜合上述,選擇土壤孔隙度、土壤含水率、全氮、全磷、有機(jī)質(zhì)進(jìn)行采煤塌陷對(duì)土壤碳儲(chǔ)量影響分析。
在提取主成分的基礎(chǔ)上,采用相關(guān)分析揭示土壤碳儲(chǔ)量與土壤性質(zhì)的關(guān)系(表4)。
(1)土壤孔隙度。大柳塔礦區(qū)主要為風(fēng)沙土,該類型土壤結(jié)構(gòu)性較差,而采煤塌陷產(chǎn)生的土體錯(cuò)落加劇了該區(qū)土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)和有機(jī)質(zhì)含量等的破壞過(guò)程,使土壤孔隙度明顯增大,增強(qiáng)了其水熱交換能力、透氣能力、保水性能,有利于植被的生長(zhǎng)。
由相關(guān)性分析結(jié)果可知(表4),土壤有機(jī)碳含量與土壤孔隙度呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.943(p<0.01)。二者線性擬合分析結(jié)果顯示R2=0.889 7(圖1a),說(shuō)明土壤碳儲(chǔ)量隨土壤孔隙度的變化而變化。
(2)土壤含水率。采煤塌陷區(qū)的地表塌陷誘發(fā)土壤結(jié)構(gòu)變化,如土壤孔隙度、土壤容重、層位的變化等,迫使土壤水分布隨之變化。對(duì)比采煤塌陷前后土壤含水率變化可知,采煤塌陷造成沉陷區(qū)土壤含水率顯著下降(p<0.05)。由圖1b可知,土壤碳儲(chǔ)量與土壤含水率未在0.05水平上達(dá)到顯著負(fù)相關(guān),但在0.1水平上為顯著負(fù)相關(guān),且線性分析R2=0.563 5,說(shuō)明二者線性關(guān)系較明顯。有研究表明,較高的土壤含水率有利于土壤有機(jī)碳的分解,使土壤有機(jī)碳的積累量減少[15],與本文研究結(jié)論一致。
表3 主成分載荷矩陣
表4 土壤碳儲(chǔ)量與土壤理化性質(zhì)相關(guān)性分析結(jié)果
(3)全氮。經(jīng)方差分析結(jié)果可知,采煤塌陷前后土壤全氮含量差異顯著(p<0.05)。采煤塌陷后,沉陷區(qū)土壤碳儲(chǔ)量與土壤全氮呈現(xiàn)顯著正相關(guān),相關(guān)系數(shù)為0.864(p<0.01)。分析表明(圖1c),隨著土壤中全氮的增加,土壤碳儲(chǔ)量隨之增加,二者相關(guān)系數(shù)為0.746 2。這主要是因?yàn)橥寥赖馗患纱龠M(jìn)土壤碳的積累,土壤全氮主要以有機(jī)氮的形式存在于土壤有機(jī)質(zhì)中,揭示出土壤氮素水平對(duì)土壤碳固定具有正效應(yīng),即全氮含量是導(dǎo)致土壤碳儲(chǔ)量增加的誘因之一。土壤碳氮變化存在一定的關(guān)聯(lián)性,這與以往多數(shù)研究結(jié)論一致。
(4)全磷。采煤塌陷促使沉陷區(qū)的土壤全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)比對(duì)照區(qū)增加了59.8%。這可能是由于土壤中存在較多的遲效性磷酸鹽,采煤塌陷使有機(jī)磷轉(zhuǎn)化受到影響,導(dǎo)致土壤中全磷不斷累積。雖然方差分析結(jié)果顯示,采煤塌陷前后土壤全磷含量差異顯著(p<0.05),但在沉陷區(qū)進(jìn)行土壤碳儲(chǔ)量與土壤全磷線性關(guān)系分析可知,二者線性關(guān)系并不明顯(圖1d)。
(5)土壤有機(jī)質(zhì)。大柳塔礦區(qū)的土壤有機(jī)質(zhì)主要集中在土壤表層(0—10cm),且未沉陷區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于沉陷區(qū)。方差分析顯示,采煤塌陷前后,土壤有機(jī)質(zhì)含量差異顯著(p<0.05)。由表4可知,采煤塌陷后,沉陷區(qū)土壤碳儲(chǔ)量與有機(jī)質(zhì)呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系(0.967),進(jìn)一步進(jìn)行線性分析發(fā)現(xiàn)(圖1e),二者R2=0.953 3,二者的高度一致性表明采煤塌陷后,有機(jī)質(zhì)含量是影響土壤碳儲(chǔ)量分布的重要因素。
為了更加明晰大柳塔礦區(qū)采煤塌陷對(duì)土壤碳儲(chǔ)量的影響,對(duì)制約其變化的土壤理化性質(zhì)(土壤孔隙度、全氮、有機(jī)質(zhì)),應(yīng)用回歸分析方程,辨識(shí)影響土壤碳儲(chǔ)量的主導(dǎo)影響因子,并計(jì)算各因子的影響程度。回歸分析方程如下:
y=0.435x1+0.05x2+0.590x3+4.133E-16
式中:y——土壤碳儲(chǔ)量;x1——土壤孔隙度;x2——全氮;x3——有機(jī)質(zhì)。
分析結(jié)果表明,F(xiàn)統(tǒng)計(jì)量為46.369,自由度為5,系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)的顯著性水平為0.05,回歸關(guān)系較顯著,因此,所建方程能夠客觀反映出采煤塌陷后土壤碳儲(chǔ)量與其影響因子之間的關(guān)系。
通過(guò)比較回歸方程標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)發(fā)現(xiàn),對(duì)大柳塔礦區(qū)采煤塌陷后土壤碳儲(chǔ)量影響最大的是土壤有機(jī)質(zhì),其次是土壤孔隙度。土壤有機(jī)質(zhì)的含量在不同土壤中差異很大,在荒漠土和風(fēng)沙土中含量低的不足1%或0.5%。采煤塌陷對(duì)該區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)具有一定的破壞作用,該區(qū)風(fēng)沙土結(jié)構(gòu)松散,本身有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)低,沉陷區(qū)土壤孔隙度比對(duì)照區(qū)在不同土層深度均有不同程度的減少,孔隙度越大,土壤呼吸作用越強(qiáng),土壤碳的轉(zhuǎn)化越快,土壤碳儲(chǔ)量隨之增加。
圖1 土壤碳儲(chǔ)量與土壤性質(zhì)相關(guān)性分析結(jié)果
在野外調(diào)查采樣,實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上,采用方差分析揭示了土壤碳儲(chǔ)量的空間差異,進(jìn)而采用因子分析提取影響其變化的主因子,并采用相關(guān)分析這一數(shù)學(xué)計(jì)量方法揭示二者之間的關(guān)系,客觀反映了采煤塌陷對(duì)土壤碳儲(chǔ)量的影響。
在不同土層深度上,沉陷區(qū)和對(duì)照區(qū)土壤碳儲(chǔ)量基本呈現(xiàn)從表層向底層遞減的趨勢(shì)。土壤碳儲(chǔ)量在含量上差異不顯著(p<0.05),但在不同土層深度的空間分布上差異顯著。在不同坡位上,對(duì)照區(qū)和沉陷區(qū)的土壤碳儲(chǔ)量均表現(xiàn)出坡底>坡中>坡頂?shù)囊?guī)律。方差分析發(fā)現(xiàn),采煤塌陷對(duì)坡底部位的土壤碳儲(chǔ)量影響差異顯著(p<0.05)。這與劉偉紅[15]、周瑞平[16]的研究結(jié)論一致。由此可見,采煤塌陷造成塌陷前后土壤碳儲(chǔ)量變化方向和速率的不一致性。不同土層深度、不同坡位土壤碳儲(chǔ)量會(huì)因土壤孔隙度、土壤含水率、土壤養(yǎng)分、植被、海拔等因素的差異而不同。
土壤碳儲(chǔ)量與土壤孔隙度、全氮、有機(jī)質(zhì)呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)分別為0.943,0.864,0.967(p<0.01)。這與蔡奎[17]、孟慶俊[18]等的研究結(jié)論一致。由此說(shuō)明,土壤碳儲(chǔ)量與土壤性質(zhì)關(guān)系密切,可以根據(jù)其土壤性質(zhì)特點(diǎn),因地制宜采取土壤整治措施,從而恢復(fù)該區(qū)土壤肥力,最終促進(jìn)生態(tài)恢復(fù)。
采煤塌陷導(dǎo)致大柳塔礦區(qū)土壤碳儲(chǔ)量的時(shí)空差異,因此,后續(xù)研究中需要繼續(xù)加強(qiáng)時(shí)間序列上土壤碳儲(chǔ)量變化空間變異特征分析。此外,土壤碳儲(chǔ)量的大小受植被、氣候、土壤性質(zhì)、土地利用方式變化等多種自然因素和人文因素的綜合影響。已有的采煤塌陷對(duì)土壤碳儲(chǔ)量影響的研究,尚沒(méi)有普遍性、確定性結(jié)論。這是由土壤自身結(jié)構(gòu)復(fù)雜,空間差異大,采樣方法、估算方法、研究尺度不一致造成的。今后,進(jìn)行礦區(qū)碳儲(chǔ)量研究,應(yīng)加大地面監(jiān)測(cè)力度,增加調(diào)查樣本數(shù)量,提高基礎(chǔ)數(shù)據(jù)精度,減少碳儲(chǔ)量研究中的不確定性,從而為礦區(qū)碳循環(huán)研究積淀基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
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