李 博，王金滿，2*，王洪丹，白中科，2（ 中國地質(zhì)大學(xué)土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京 00083；2 國土資源部土地整治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 00035）

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煤礦區(qū)土壤有機(jī)碳含量測算與影響因素研究進(jìn)展①

李 博1，王金滿1，2*，王洪丹1，白中科1，2
（1 中國地質(zhì)大學(xué)土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京 100083；2 國土資源部土地整治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100035）

摘 要：研究礦區(qū)土壤有機(jī)碳的儲量、影響因素以及時空變異規(guī)律，不僅對認(rèn)識礦區(qū)土壤質(zhì)量變化規(guī)律，而且對排土場覆土工藝和植被類型的選擇具有重要的指導(dǎo)意義。植被、土壤質(zhì)量等自然因素以及復(fù)墾管理措施、復(fù)墾模式等人為干擾會對礦區(qū)土壤有機(jī)碳的積累和轉(zhuǎn)化造成重要影響。目前，對于礦區(qū)土壤有機(jī)碳的變化過程和轉(zhuǎn)化機(jī)理的研究不夠深入，尤其是土壤有機(jī)碳對復(fù)墾措施的響應(yīng)規(guī)律鮮見報道。本文系統(tǒng)梳理了國內(nèi)外學(xué)者對礦區(qū)土壤樣品有機(jī)碳含量的測量和區(qū)域土壤有機(jī)碳儲量的估算，自然因素、人為干擾對礦區(qū)土壤有機(jī)碳積累的影響。在此基礎(chǔ)上，提出了深入研究的方向：①加強(qiáng)礦區(qū)土壤有機(jī)碳剖面結(jié)構(gòu)的變化及其轉(zhuǎn)化機(jī)制的研究；②加強(qiáng)對影響土壤有機(jī)碳積累的不確定因素的探討研究；③應(yīng)加強(qiáng)復(fù)墾模式及覆土工藝以及排土場微地形對土壤有機(jī)碳積累機(jī)理的研究。

關(guān)鍵詞：土壤有機(jī)碳；人為干擾；自然因素；礦區(qū)復(fù)墾；測算方法

中國是全世界最大的煤炭生產(chǎn)國和消費(fèi)國，中國煤礦開采最主要的形式是井工開采，約占煤炭開采總量的90%，井工開采造成地表沉降及一系列的生態(tài)環(huán)境問題；露天煤礦大約占煤礦的10%，露天礦開采破壞地表土層結(jié)構(gòu)和植被分布，極大地?fù)p毀了土地資源［1］，通過對礦區(qū)土地的復(fù)墾，可以改善土體結(jié)構(gòu)及土壤理化性質(zhì)［2］，土壤有機(jī)碳可以作為土壤理化性質(zhì)的重要指標(biāo)，其組分特征影響土壤的肥力特性和土壤穩(wěn)定性［3］。土地利用類型會影響土壤有機(jī)碳的儲量及時空變化規(guī)律［4］，國內(nèi)外對土地利用方式與土壤有機(jī)碳關(guān)系的研究大部分集中于各土地利用方式對土壤有機(jī)碳總含量的影響，一般認(rèn)為：林地是地球土壤碳庫的重要組成部分，且含量穩(wěn)定［5］，耕地土壤有機(jī)碳的變化最活躍［6］，草地土壤有機(jī)碳含量轉(zhuǎn)化速度快。土地利用方式的轉(zhuǎn)變對土壤有機(jī)碳含量的影響研究較多［7-12］，但是較少涉及礦區(qū)復(fù)墾土地的土壤有機(jī)碳的組分變化對復(fù)墾方式響應(yīng)、礦區(qū)土壤有機(jī)碳積累和轉(zhuǎn)化的機(jī)理研究。

為此，本文通過文獻(xiàn)綜述和系統(tǒng)總結(jié)，深入分析在各種土地利用方式下的土壤有機(jī)碳的積累與理化性質(zhì)的變化規(guī)律，對影響土壤有機(jī)碳積累的自然因素和人為因素進(jìn)行分析，為礦區(qū)復(fù)墾土壤的有機(jī)碳的積累及變化規(guī)律提供參考；深入剖析了不同復(fù)墾方向下的土壤有機(jī)碳積累的研究進(jìn)展，總結(jié)存在的不足和突出問題。希望能引起更多學(xué)者對礦區(qū)復(fù)墾土壤的有機(jī)碳的積累及其空間變異規(guī)律的研究，借以推動礦區(qū)復(fù)墾土壤有機(jī)碳的深入研究，為礦區(qū)復(fù)墾的模式以及管理措施提供科學(xué)依據(jù)。

1 土壤有機(jī)碳估算方法的研究進(jìn)展

土壤有機(jī)碳的估算研究主要是對區(qū)域的土壤有機(jī)碳總量估算、土壤樣品有機(jī)碳含量的測定。區(qū)域土壤有機(jī)碳含量的估算是確定碳匯/源的依據(jù)，建立在土壤樣品有機(jī)碳測量基礎(chǔ)上，土壤樣品的有機(jī)碳含量精確測定對大區(qū)域土壤有機(jī)碳總量的估算起著重要作用。

1.1 煤礦區(qū)土壤有機(jī)碳含量測算

土壤有機(jī)碳測算的主要方法是土壤有機(jī)碳總含量以及土壤有機(jī)碳各組分的測量。土壤總有機(jī)碳的測定應(yīng)用范圍廣泛，在林地［13-14］、草地［15-16］及農(nóng)田［17］土壤有機(jī)碳含量的測定中，主要是用外加熱重鉻酸鉀氧化法來測定土壤有機(jī)質(zhì)，通過數(shù)學(xué)計算得到土壤有機(jī)碳含量。土壤顆粒有機(jī)碳易于礦化分解，對土壤的肥力具有重要的貢獻(xiàn)作用，進(jìn)行土壤顆粒有機(jī)碳的測定有利于研究排土場復(fù)墾過程中的土壤養(yǎng)分的規(guī)律，土壤顆粒有機(jī)碳的測定先用磷酸鈉溶液震蕩分散后過土篩，然后用重鉻酸鉀外加熱法測得［18］。森林損毀［19］、秸稈焚燒［20-21］等的土壤以及礦區(qū)復(fù)墾土壤中含碳物質(zhì)較多，包含植被凋落物的土壤有機(jī)質(zhì)、土壤活性有機(jī)碳、顆粒有機(jī)碳以及地質(zhì)成因碳等，更好地確定這些含碳物質(zhì)的含量對研究復(fù)墾土壤的有機(jī)碳的變化規(guī)律及其對復(fù)墾后土壤理化性質(zhì)的評價有重要作用。排土場復(fù)墾土壤的土地質(zhì)量的研究大多都是對土壤總有機(jī)碳和其他土壤物理性質(zhì)之間關(guān)系的研究，排土場在復(fù)墾過程中會有煤矸石混在復(fù)墾后的土壤中以及空氣中的煤粉等物質(zhì)沉降到土壤表面，導(dǎo)致復(fù)墾土壤中存在地質(zhì)成因碳，會對外加熱重鉻酸鉀氧化法測定的土壤有機(jī)碳含量造成影響，從而對土壤有機(jī)碳隨著復(fù)墾年限及復(fù)墾措施的規(guī)律變得不明顯，為了在估算土壤有機(jī)碳的過程中剔除地質(zhì)成因碳等物質(zhì)的影響，一般采用以下方法對地質(zhì)成因碳的含量進(jìn)行測算：光學(xué)和顯微鏡方法［22］、熱氧化法［23-24］、化學(xué)氧化法［25］、光譜表征法［26］、同位素法［27］等。光學(xué)顯微鏡法主要是對土壤中黑色的煤炭微粒的形狀和粒徑來進(jìn)行觀測，比較費(fèi)時費(fèi)力且準(zhǔn)確性較差，應(yīng)用較少［28］。熱氧化法和化學(xué)氧化法的結(jié)合使用是測量地質(zhì)成因有機(jī)碳的主流方法，熱氧化法主要是通過調(diào)節(jié)溫度來讓新形成的土壤有機(jī)質(zhì)氧化，而地質(zhì)成因有機(jī)碳保持原狀來測量［29］?；瘜W(xué)氧化方法通過不同試劑的組合來去除新形成的土壤有機(jī)質(zhì)，與熱氧化法原理相似，但是因樣品的化學(xué)特性不同會對結(jié)果造成影響。相比于以上的傳統(tǒng)方法，新技術(shù)在土壤的地質(zhì)成因碳的測定中也有廣泛應(yīng)用，最具有代表性的是光譜表征方法和同位素標(biāo)記法，光譜表征方法是根據(jù)有機(jī)基團(tuán)的紅外光對紅外光譜的不同區(qū)域的響應(yīng)，通過多變量數(shù)據(jù)分析和建模預(yù)測來實(shí)現(xiàn)［30］；同位素標(biāo)記法主要是用14C來標(biāo)記，經(jīng)過標(biāo)記的14C元素會進(jìn)入新形成的土壤有機(jī)質(zhì)中，通過時間序列估算含14C的酶活性在煤礦復(fù)墾區(qū)的有機(jī)質(zhì)的含量［31］于自然土壤，通過外加熱重鉻酸鉀氧化法所測得的土壤有機(jī)質(zhì)的含量來計算得到的土壤有機(jī)碳含量完全滿足實(shí)驗(yàn)要求，但是因?yàn)榈V區(qū)的煤炭微粒等的影響，所以應(yīng)當(dāng)選取更加有效的方法（光譜表征方法以及同位素法等）對植被恢復(fù)增加的土壤有機(jī)碳進(jìn)行測定，來研究礦區(qū)復(fù)墾的效果。

1.2 煤礦區(qū)土壤有機(jī)碳儲量估算

區(qū)域土壤有機(jī)碳的估算主要是根據(jù)土壤剖面進(jìn)行估算，根據(jù)生命帶和土壤類型等傳統(tǒng)方法估算及應(yīng)用GIS和IPCC方法等新方法進(jìn)行估算。傳統(tǒng)方法采用某類型土壤的平均有機(jī)碳含量進(jìn)行估算，誤差較明顯。早期多用土壤剖面法估算，如Bolin等［32］根據(jù)美國9個土壤剖面的碳含量推算出全球1 m厚度土層SOC庫為7.1×1011t。生命帶法通過建立土壤體積質(zhì)量與土壤碳密度的方程來估算土壤有機(jī)碳含量，Post等［33］通過土地調(diào)查得到的各土地類型相應(yīng)的土壤有機(jī)碳含量，建立土壤體積質(zhì)量與土壤有機(jī)碳密度的方程，估算1 m土壤有機(jī)碳庫的含量，并建立了土壤碳密度與氣候及植被之間的關(guān)系?，F(xiàn)在較多的研究是應(yīng)用 GIS方法和 IPCC方法進(jìn)行區(qū)域土壤有機(jī)碳的估算。通過ArcGIS等軟件處理得到區(qū)域土壤有機(jī)碳的估算量［34］，并且通過降水和溫度進(jìn)行有機(jī)碳含量的校正，得到較準(zhǔn)確的估算量，如估算黃土高原區(qū)土壤有機(jī)碳密度加權(quán)平均值為2.00 kg/m2［35］。IPCC方法主要是估算不同時期與自然植被相關(guān)的土壤有機(jī)碳庫的變化，也可以根據(jù)土壤特征、土地利用方式、環(huán)境及生物量信息等的變化來預(yù)測未來土壤有機(jī)碳儲量。礦區(qū)土壤有機(jī)碳的估算主要是應(yīng)用 GIS方法和IPCC方法進(jìn)行估算，如焦?jié)烧洌?6］通過對不同的植被類型及土地利用方式的估算，計算得到礦區(qū)的總碳匯量為4.72×106t，且通過模擬計算得到復(fù)墾措施使得土壤有機(jī)碳的含量增加了2.4×105t，可見土地復(fù)墾工作卓有成效。黃翌等［37］通過對礦區(qū)不同土地利用類型土壤有機(jī)碳的測定結(jié)果，得到礦區(qū)植被和土壤受擾動的碳收支變化，大同礦區(qū)忻州窯煤礦因開采導(dǎo)致土壤有機(jī)碳增加1 641.169 t。礦區(qū)土壤有機(jī)碳含量測定方法的改進(jìn)，使得土壤有機(jī)碳的儲量測算更加準(zhǔn)確，后續(xù)研究更加深入詳盡。

2 煤礦區(qū)自然因素對土壤有機(jī)碳的影響研究

土壤中有機(jī)碳含量是進(jìn)入土壤的植物殘體量以及微生物分解損失的平衡結(jié)果，其儲量受氣候、植被、土壤屬性等多種物理因素、生物因素和人為因素的影響。礦區(qū)土壤有機(jī)碳的儲量及變化主要是受到煤礦開采和復(fù)墾的影響，而研究多集中在煤礦區(qū)復(fù)墾對土壤有機(jī)碳的影響。大量學(xué)者進(jìn)行復(fù)墾植被類型、復(fù)墾區(qū)土壤質(zhì)量以及不同復(fù)墾年限對土壤有機(jī)碳的影響研究。

2.1 植被對礦區(qū)土壤有機(jī)碳的影響

在自然條件下，進(jìn)入土壤的枯枝落葉是由植被類型決定的，植被類型不同，進(jìn)入土壤的有機(jī)碳數(shù)量不同，方式也有差異。因此，合理的植被類型選擇以及植被之間的組合狀態(tài)對于復(fù)墾區(qū)土壤質(zhì)量水平的提高和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的提升有重大影響［38-39］。不同的復(fù)墾植被類型，隨著復(fù)墾時間的增加，土壤有機(jī)碳的含量都有顯著提高，但不同的復(fù)墾模式對土壤有機(jī)碳的積累效率不同，且增長各有其規(guī)律：相同復(fù)墾年限下，土壤有機(jī)碳的含量是草地＞林地＞耕地［40］，且復(fù)墾區(qū)林地土壤的有機(jī)碳有典型的表聚特征，隨著土壤深度的增加，土壤有機(jī)碳的含量逐漸減少［41］；不同樹種的積累效果也不同，落葉闊葉林相比于針葉林對土壤有機(jī)碳的積累效果更好［42］。采礦會造成地表植被破壞，且不同的復(fù)墾植被類型決定土壤有機(jī)碳的含量及其時空變化規(guī)律，大量研究表明，選擇草地的復(fù)墾模式對土壤有機(jī)碳的增加效果最明顯［43-44］，但隨著復(fù)墾年限的增加，林地復(fù)墾方式對土壤有機(jī)碳積累的效果更顯著，且林地方式下土壤有機(jī)碳的垂直分層變化更明顯，土壤有機(jī)碳狀況更接近原地貌。但不同植被類型的組合更有助于礦區(qū)土壤有機(jī)碳的積累，樊文華等［45］發(fā)現(xiàn)復(fù)墾初期沙棘林有優(yōu)勢，隨著復(fù)墾時間的增加，喬木類混交林的有機(jī)碳積累相比于沙棘林更有效。王同智等［46］發(fā)現(xiàn)在復(fù)墾年限相同時，油松+蒙古冰草排土場比新疆楊+紫花苜蓿排土場有機(jī)碳質(zhì)量高。

2.2 土壤質(zhì)量對土壤有機(jī)碳的影響

土壤質(zhì)量對礦區(qū)土壤有機(jī)碳的影響因素主要是土壤質(zhì)地、土壤結(jié)構(gòu)性以及土壤水分空氣狀況等。煤礦復(fù)墾區(qū)因機(jī)械壓實(shí)以及煤矸石填充等因素導(dǎo)致土壤理化性質(zhì)的惡化，土壤黏重且孔隙結(jié)構(gòu)破壞，影響微生物的呼吸，進(jìn)而影響土壤有機(jī)碳的轉(zhuǎn)化及礦化，對土壤有機(jī)碳的積累造成影響。影響土壤有機(jī)碳積累的土壤質(zhì)地因素主要是土壤顆粒的大小及組成，影響土壤有機(jī)碳積累的土壤結(jié)構(gòu)性因素是土壤團(tuán)聚體的大小。土壤顆粒的大小影響土壤對有機(jī)碳的吸附，其中土壤有機(jī)碳的含量與黏粒的含量呈正相關(guān)關(guān)系［3］；且黏粒對土壤有機(jī)碳有保護(hù)性［47］，此保護(hù)性主要是通過土壤有機(jī)碳與黏粒形成團(tuán)聚體來實(shí)現(xiàn)的［48］；植被恢復(fù)主要是影響大團(tuán)聚體的土壤有機(jī)碳含量，復(fù)墾開始前微團(tuán)聚體的土壤有機(jī)碳含量較少，在恢復(fù)過程中，粒徑大的土壤團(tuán)聚體含量增多［49］，土壤的結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定［50］，大團(tuán)聚體利于微生物呼吸，有利于土壤有機(jī)質(zhì)礦化。在復(fù)墾區(qū)域中復(fù)墾基質(zhì)的種類影響土壤團(tuán)聚體的形成，復(fù)墾區(qū)域的團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)變化從微團(tuán)聚體系向大團(tuán)聚體演變［51］，大團(tuán)聚體吸附的土壤有機(jī)碳比較年輕，容易礦化［52］。

2.3 復(fù)墾時間對土壤有機(jī)碳積累的影響

時間是影響土壤有機(jī)碳積累的重要因素，煤炭開采使得土壤有機(jī)質(zhì)暴露在空氣中，經(jīng)過礦化分解，不利于土壤有機(jī)碳的積累和保存。土壤有機(jī)碳的積累隨復(fù)墾年限的變化規(guī)律研究是進(jìn)行排土場復(fù)墾的一項(xiàng)基礎(chǔ)性研究，隨著復(fù)墾年限的增加，土壤有機(jī)碳的總量增加并趨于穩(wěn)定，因?yàn)閯倧?fù)墾后的土壤層次混亂，土壤黏重，透水透氣性能差，土壤有機(jī)碳的含量也較少［53］。隨著地表植被的生長，逐漸改變土壤的理化性質(zhì)，土壤團(tuán)聚體的結(jié)構(gòu)改善以及地表凋落物的分解，增加了土壤有機(jī)碳的積累，但與原地貌的土壤有機(jī)碳含量仍有差距［54］。通過對露天煤礦排土場的復(fù)墾可以增加土壤有機(jī)碳的積累。王金滿等［55］發(fā)現(xiàn)，土壤有機(jī)碳隨著復(fù)墾時間的增加呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢；丁青坡等［56］研究發(fā)現(xiàn)：隨著復(fù)墾年限的增加，易氧化碳比例增加，顆粒狀碳減少，土壤有機(jī)碳的含量和品質(zhì)有所增加；因復(fù)墾區(qū)土壤層次混亂，土壤有機(jī)碳的含量層次分布不顯著，但隨著復(fù)墾時間的增加，土壤有機(jī)碳含量的剖面分布越來越明顯，土壤質(zhì)量含量逐漸提高。吳旭東等［57］發(fā)現(xiàn)，隨著種植苜蓿時間的增加，表層土壤有機(jī)碳含量高于底層。

3 煤礦區(qū)人為因素對土壤有機(jī)碳的影響

復(fù)墾是對土壤有機(jī)碳影響最顯著的人類活動，進(jìn)行土地復(fù)墾，其根本目的是恢復(fù)土壤生產(chǎn)力特性，進(jìn)行土壤有機(jī)碳與地表植被和土壤質(zhì)量變化關(guān)系的研究，可以對復(fù)墾模式進(jìn)行指導(dǎo)。礦區(qū)復(fù)墾土壤有機(jī)碳的研究主要集中在不同的復(fù)墾模式下土壤有機(jī)碳的積累與復(fù)墾年限的關(guān)系、復(fù)墾區(qū)域土壤有機(jī)碳的時空變異特性以及影響復(fù)墾區(qū)域土壤有機(jī)碳積累的因素的研究。

3.1 復(fù)墾模式對土壤有機(jī)碳的影響

露天煤礦排土場產(chǎn)生的廢棄地大部分為排土場，露天煤礦復(fù)墾包括地貌重塑、土壤重構(gòu)和植被重建，不同復(fù)墾模式即是將這三方面進(jìn)行不同方式的選擇。復(fù)墾母質(zhì)的選擇對土壤有機(jī)碳和植被生長的影響重大。張萌等［58］發(fā)現(xiàn)，復(fù)墾母質(zhì)中土壤有機(jī)碳含量隨著深度的增加而增加，且黃土母質(zhì)的含量并不高；煤矸石母質(zhì)因風(fēng)化淋溶等使得土壤表層有機(jī)碳含量增高，且使得排土場附近土壤有機(jī)碳含量隨距離增加呈同心圓式減少［59］。復(fù)墾植被種類對土壤有機(jī)碳的影響已經(jīng)在前文進(jìn)行了相關(guān)敘述，而不同的母質(zhì)和植被的選擇是煤礦復(fù)墾的重要內(nèi)容。郭凌俐等［60］研究發(fā)現(xiàn)，“覆表土+草簾+打網(wǎng)格+施化肥”的排土場平臺復(fù)墾模式和“覆表土+覆草簾+草方格”的排土場邊坡復(fù)墾模式下表層土壤有機(jī)碳的積累和植被恢復(fù)效果更好。喻紅林等［61］研究發(fā)現(xiàn)林果草生態(tài)利用模式和生態(tài)旅游模式更適合五峰山煤礦區(qū)的復(fù)墾，有助于礦山復(fù)墾的穩(wěn)定和土壤有機(jī)碳的積累。馬佳慧等［62］研究發(fā)現(xiàn)以林地為主的混合復(fù)墾模式更有助于土壤有機(jī)碳的積累。

3.2 管理措施對土壤有機(jī)碳的影響

選擇不同的植被類型進(jìn)行復(fù)墾之后，隨著年限的增加，土壤有機(jī)碳均會逐漸增長，而合理的人為管理會加快土壤理化性質(zhì)的改善，提高土壤有機(jī)碳的積累效率。復(fù)墾為林地、草地及農(nóng)田的排土場，其人為管理措施的差異，使得土壤有機(jī)碳的積累速率產(chǎn)生差異：對草地土壤有機(jī)碳的影響方式主要是放牧活動，復(fù)墾區(qū)域主要是割刈牧草造成土壤有機(jī)碳的影響；對農(nóng)田土壤有機(jī)碳的影響主要是農(nóng)田管理措施。放牧對草原碳匯的影響比較復(fù)雜，研究發(fā)現(xiàn)：適當(dāng)?shù)姆拍翉?qiáng)度下，放牧草原土壤有機(jī)碳的含量大于未放牧草原土壤有機(jī)碳［63］，主要是動物踐踏有利于枯落物的破碎分解，以及使得土壤體積質(zhì)量變大，微生物分解減少；放牧強(qiáng)度的差異會導(dǎo)致草原土壤有機(jī)碳的變化，輕度放牧有利于土壤有機(jī)碳的積累，中度放牧和重度放牧都會導(dǎo)致土壤有機(jī)碳的減少［64］，所以應(yīng)當(dāng)在牧區(qū)制定適宜的放牧強(qiáng)度，加強(qiáng)管理，保證草原碳匯功能。農(nóng)田是受人類活動影響最大的土壤系統(tǒng)，農(nóng)田的土壤有機(jī)碳也最容易受人類活動的影響，我國農(nóng)業(yè)土地土壤有機(jī)碳每年約損失7.18×1010t［65］，因此應(yīng)當(dāng)通過農(nóng)田的管理來增加農(nóng)田土壤有機(jī)碳的儲量；影響農(nóng)田土壤碳匯的主要管理措施是施肥、灌溉和免耕，其中施肥是對農(nóng)田土壤有機(jī)碳影響最大的措施，施用化肥有利于速效養(yǎng)分的供應(yīng)，有機(jī)肥的施用更有利于土壤理化特性的改善和養(yǎng)分的持續(xù)供應(yīng)［66］；秸稈還田增加了農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)的來源，對農(nóng)田土壤碳匯有積極影響。灌溉管理措施可以增加土壤有機(jī)碳的含量，主要是由于灌溉降低了土壤水分限制，更利于植被的生長及植物殘體的輸入［67］，可以改變土壤的理化性質(zhì)、土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)和黏粒含量［68］，便于有機(jī)碳的吸附。耕作導(dǎo)致土壤團(tuán)聚體的破壞，土壤有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化效率增強(qiáng)，造成土壤有機(jī)碳積累的減少，與傳統(tǒng)耕作模式相比，免耕模式下，土壤表層 SOC含量提高了30%［69］，主要是因?yàn)槊飧梢蕴岣咄寥辣韺拥拇髨F(tuán)聚體的數(shù)量并且減少微團(tuán)聚體的數(shù)量［17］，而大團(tuán)聚體對農(nóng)田土壤有機(jī)碳的增加效應(yīng)更明顯［70］。農(nóng)業(yè)管理措施的綜合使用，更加有利于土壤有機(jī)碳的積累，如免耕與秸稈還田的結(jié)合可以提高土壤的穩(wěn)定性、增加地表覆蓋以及增加土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性以及透氣性來增加土壤有機(jī)碳的積累。人類活動對土壤有機(jī)碳的影響是建立在自然因素的影響上的，自然因素和人為因素又會相互影響，各影響因素之間也會相互影響，目前對各個因素之間如何共同影響土壤有機(jī)碳積累的研究少之又少，應(yīng)當(dāng)建立一個模型將各影響因素綜合考慮。礦區(qū)土地復(fù)墾主要是復(fù)墾為耕地、林地、草地等，研究人類活動對土壤有機(jī)碳的影響，可以將達(dá)到的規(guī)律應(yīng)用到礦區(qū)復(fù)墾中，以得到最佳的復(fù)墾效果。

3.3 土地利用方式轉(zhuǎn)化對礦區(qū)土壤有機(jī)碳的影響

煤礦開采及礦區(qū)土地復(fù)墾都會影響煤礦區(qū)土壤有機(jī)碳儲量，煤礦開采破壞地表植被，剝離表層土壤會導(dǎo)致土壤有機(jī)碳的劇烈減少，且破壞土壤原有的剖面結(jié)構(gòu)；礦區(qū)復(fù)墾會改善表層土壤的理化性質(zhì)，所形成不同的土地利用方式，改變土壤有機(jī)碳的時空分布。而土地利用方式轉(zhuǎn)變主要是林地、草地和耕地3

種利用方式之間轉(zhuǎn)變，大量研究證實(shí)，林地是土壤碳庫的重要部分，其碳儲量豐富，進(jìn)行林地開墾會造成土壤有機(jī)碳的損失［71］，但是退耕還林與草地造林對土壤有機(jī)碳的影響規(guī)律卻非常復(fù)雜，退耕還林會造成土壤有機(jī)碳的先減少后增加［72-73］。由于所在區(qū)域的氣候環(huán)境與樹種的差異，土壤有機(jī)碳減少的時間有差異：在復(fù)墾年限十年以內(nèi)，土壤有機(jī)碳一般不會增加［74-75］。草地的開墾會造成草地土壤有機(jī)碳含量的急劇減少，將草地開墾為農(nóng)田后，損失掉的土壤有機(jī)碳占原來總量的30% ～ 50%［76］，草場開墾60年后，其土壤有機(jī)碳的含量會降低18% ～ 35%［77］；將農(nóng)田復(fù)墾為草地會增加土壤有機(jī)碳的含量。所以應(yīng)當(dāng)在保證耕地紅線和適應(yīng)當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境的條件下，適度地退耕還草，以增加當(dāng)?shù)赝寥捞紖R，而非盲目地大面積退耕還林。

4 結(jié)論與展望

本文系統(tǒng)綜述了自然因素（植被、土壤質(zhì)量、復(fù)墾時間）和人為因素（復(fù)墾模式、復(fù)墾管理措施、土地利用方式轉(zhuǎn)變）對礦區(qū)土壤有機(jī)碳積累的影響及礦區(qū)土壤樣品有機(jī)碳含量的測算和區(qū)域土壤有機(jī)碳儲量估算。當(dāng)前，土壤有機(jī)碳的研究集中于自然因素下人為影響的研究，有關(guān)各影響因素之間相互關(guān)系及其對土壤有機(jī)碳積累的研究較少。通常情況下，植被類型、土壤質(zhì)量等對土壤有機(jī)碳的積累起主導(dǎo)作用，通過人為管理措施對土壤有機(jī)碳積累的過程產(chǎn)生影響，采礦及復(fù)墾活動對礦區(qū)土壤有機(jī)碳的影響主要是通過改變土壤質(zhì)量和地表植被類型的方式實(shí)現(xiàn)的。在進(jìn)行礦區(qū)復(fù)墾研究時，應(yīng)綜合運(yùn)用各土地利用方式的土壤有機(jī)碳積累及影響規(guī)律，可更好地指導(dǎo)礦區(qū)的復(fù)墾工作。

但是，關(guān)于各因素對土壤有機(jī)碳的研究主要集中在自然因素和人為干擾方面，而礦山復(fù)墾對土壤有機(jī)碳的研究較少。另外，礦山土作為一種新形成的土壤，其土壤有機(jī)碳的儲量及變異規(guī)律的研究是礦山復(fù)墾土壤質(zhì)量變化的重要指標(biāo)。因此，明確影響土壤有機(jī)碳的主要因素及轉(zhuǎn)化機(jī)理，探求有助于土壤有機(jī)碳積累的新復(fù)墾方法，對于緩解氣候變暖具有重要意義。基于對復(fù)墾區(qū)土壤有機(jī)碳的研究，提出在此領(lǐng)域的研究重點(diǎn)應(yīng)放在以下幾方面：

1） 系統(tǒng)研究礦區(qū)土壤有機(jī)碳的變化過程和機(jī)制。影響土壤有機(jī)碳積累的因素眾多，各影響因素之間又會相互影響，但目前的研究多集中于各因素對土壤有機(jī)碳的影響研究，未考慮各因素的綜合影響，未來研究的重點(diǎn)應(yīng)當(dāng)集中在礦區(qū)土壤有機(jī)碳的變化過程和機(jī)制，選取合適的因素進(jìn)行分析模型的構(gòu)建，分析影響土壤有機(jī)碳的各因素之間的關(guān)系及對土壤有機(jī)碳積累的作用。

2） 應(yīng)加強(qiáng)復(fù)墾模式及覆土工藝以及排土場微地形對土壤有機(jī)碳積累機(jī)理的研究。不同的復(fù)墾基質(zhì)（煤矸石及其他排棄廢物）會影響土壤有機(jī)碳的初始含量，排土場表層土的堆放方式以及排土場設(shè)計方式的差異會影響土壤理化性質(zhì)，進(jìn)而對土壤有機(jī)碳的積累產(chǎn)生影響。國內(nèi)研究復(fù)墾模式對土壤有機(jī)碳積累主要集中在單一的復(fù)墾植被類型或者土地利用方式對土壤有機(jī)碳的影響，如復(fù)墾為林地之后較少轉(zhuǎn)變土地利用方式，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行復(fù)墾土地利用類型中間轉(zhuǎn)變對土壤有機(jī)碳積累速率的研究。

3） 應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對處于不同地理位置的礦區(qū)土壤有機(jī)碳積累的對比研究。目前，礦區(qū)土壤有機(jī)碳積累一般是小區(qū)域的儲量及變化規(guī)律研究，缺乏對不同區(qū)域礦區(qū)土壤有機(jī)碳積累的比較研究，小區(qū)域的土壤有機(jī)碳積累缺乏氣候變化等因素的影響，今后的研究可以加強(qiáng)不同區(qū)域土壤有機(jī)碳積累的研究。

4） 加強(qiáng)土壤有機(jī)碳測量方法的研究。井工開采及露天煤礦開采等都會造成煤泥、碳黑等物質(zhì)散落或沉降在土壤中，排土場的煤矸石排放也會造成土壤中含有較多的碳黑、煤碳類物質(zhì)，對土壤有機(jī)碳的測量造成影響。尋求更好的測定方法來減少此類物質(zhì)的影響，更好地測得礦區(qū)各類有機(jī)碳的密度、單位體積含量的參數(shù)，便于進(jìn)行更為精確的比較分析；也可以更好地比較顆粒有機(jī)碳、惰性有機(jī)碳、活性有機(jī)碳等對復(fù)墾區(qū)土壤有機(jī)碳積累的研究，以便于進(jìn)行礦區(qū)有機(jī)碳循環(huán)機(jī)理的研究。國內(nèi)對礦區(qū)土壤有機(jī)碳的研究較為薄弱，基于礦區(qū)土壤有機(jī)碳循環(huán)的研究鮮有報道，進(jìn)行深入并全面的研究是很有必要的。

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中圖分類號：S153.6

DOI:10.13758/j.cnki.tr.2016.03.003

基金項(xiàng)目：①國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41271528）、國土資源部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)（201411007-4）資助。

* 通訊作者（wangjinman2002@163.com）

作者簡介：李博（1991—），男，山東濰坊人，碩士研究生，主要從事土地整治與生態(tài)恢復(fù)研究。E-mail: libo1991a03@163.com

Progress on Measurement and Factors of Soil Organic Carbon in Mineral Area

LI Bo1， WANG Jinman1，2*， WANG Hongdan1， BAI Zhongke1，2
（1 College of Land Science and Technology， China University of Geosciences， Beijing 100083， China； 2 Key Laboratory of Land Consolidation and Land Rehabilitation， Ministry of Land and Resources， Beijing 100035， China）.

Abstract:Study the reservation， factors and temporal variation of soil organic carbon （SOC） in mineral area can not only understand the variation of soil quality， but also guide mine reclamation in the selection of overburden and vegetation.Climate，vegetation， soil texture and other natural factors， land use patterns， management practices and other human disturbances have effects on SOC accumulation and transformation.Currently， the study on SOC change process and transformation mechanism in mineral area are not enough， especially in the response law of SOC to the reclamation measures.This paper systematically summarized the study progresses of domestic and foreign scholars on the measurement of SOC in mine area and on the estimation of the regional SOC reservation， the influences of natural factors and human interference on SOC accumulation in the mine area.On the above bases， further research directions were proposed: 1） on the change and transformation mechanism of SOC in profile structure； 2） on uncertain influential factors of SOC accmulation； 3）?on effects of reclamation modes， covering techniques， and microtopography on SOC accumulation mechanism.

Key words:Soil organic carbon （SOC）； Human disturbance； Natural factors； Mine reclamation； Calculation method