李奇超,李新舉

山東農(nóng)業(yè)大學(xué)資環(huán)學(xué)院,土肥資源高效利用國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室,山東泰安271018

我國(guó)是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，煤炭的開采促進(jìn)了我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，同時(shí)也造成了大量土地的破壞，特別是井工開采造成大量土地塌陷。以濟(jì)寧為代表的我國(guó)東部高潛礦區(qū)尤其嚴(yán)重，由于濟(jì)寧地處高潛水位礦區(qū)，煤層厚度大，地表下沉系數(shù)大[1]，煤糧空間高度重合[2]，因而導(dǎo)致大量?jī)?yōu)質(zhì)耕地的塌陷。早期復(fù)墾工作由于復(fù)墾經(jīng)驗(yàn)不足[3]以及機(jī)械壓實(shí)[4]的影響，和周邊對(duì)照耕地相比，復(fù)墾后的土地大多存在養(yǎng)分不足，作物產(chǎn)量偏低[5]的問(wèn)題。因此，對(duì)復(fù)墾土壤質(zhì)量尤其是有機(jī)碳的監(jiān)測(cè)成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。

土壤有機(jī)碳是衡量土地質(zhì)量的重要指標(biāo)，可減少土壤侵蝕和改善土壤結(jié)構(gòu)，會(huì)直接影響土壤肥力和作物產(chǎn)量[6]。結(jié)合著煤礦塌陷區(qū)復(fù)墾工作來(lái)說(shuō)，煤礦塌陷復(fù)墾地中土壤有機(jī)碳的多少及其空間分布情況是衡量該復(fù)墾地復(fù)墾效果的一個(gè)重要指標(biāo)，也是評(píng)價(jià)生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)效果的指標(biāo)之一[7]。渠俊[8]發(fā)現(xiàn)由采煤沉陷造成的大面積的斜坡，會(huì)造成土壤中有機(jī)碳的流失，有機(jī)碳碳庫(kù)出現(xiàn)明顯損失。馬明東[9]研究發(fā)現(xiàn)復(fù)墾區(qū)土壤的有機(jī)碳具有典型的表聚特征，隨著土壤深度的增加，土壤有機(jī)碳的含量逐漸減少。李俊穎[10]通過(guò)研究不同復(fù)墾方式對(duì)土壤養(yǎng)分的影響發(fā)現(xiàn)，引湖充填復(fù)墾方式對(duì)土壤肥力的恢復(fù)效果明顯。徐良驥[11]通過(guò)研究煤矸石充填復(fù)墾地的理化特征發(fā)現(xiàn)，煤矸石充填導(dǎo)致復(fù)墾地塊的各指標(biāo)明顯低于對(duì)照耕地。王培俊[12]在研究黃河泥沙作為充填復(fù)墾材料的可行性分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，引黃充填復(fù)墾地保水保肥性較差，土壤質(zhì)地、pH值和有機(jī)質(zhì)含量處于中下等水平。魏忠義[13]在研究粉煤灰充填復(fù)墾土壤的污染問(wèn)題時(shí)發(fā)現(xiàn)，粉煤灰會(huì)使鹽分在覆蓋土壤表層積累，對(duì)作物的正常生長(zhǎng)不利。

目前專家學(xué)者對(duì)復(fù)墾土壤有機(jī)碳的研究?jī)H局限于某種復(fù)墾方式對(duì)有機(jī)碳含量的變化，而研究不同的復(fù)墾方式對(duì)有機(jī)碳含量變化的文獻(xiàn)較少，尤其缺乏不同充填材料對(duì)土壤有機(jī)碳分布影響的研究。本研究針對(duì)濟(jì)寧市煤礦區(qū)不同充填復(fù)墾方式的土地探討土壤有機(jī)碳的分布規(guī)律，為煤礦區(qū)塌陷地復(fù)墾土壤地力提升提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山東濟(jì)寧市煤礦區(qū)內(nèi)，濟(jì)寧市是全國(guó)重要的煤炭基地之一，每年由于采煤造成的土地塌陷達(dá)3～5萬(wàn)畝，目前全市已累計(jì)塌陷63萬(wàn)余畝，涉及11個(gè)縣市區(qū)、30多個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)、400多個(gè)村莊。充填復(fù)墾是濟(jì)寧市煤礦區(qū)塌陷區(qū)一種重要的技術(shù)手段，是在煤礦區(qū)的土地塌陷平穩(wěn)之后，前期先進(jìn)行表土剝離，然后用不同的充填物進(jìn)行充填，最后再回填表土層的土壤重構(gòu)行為。充填復(fù)墾根據(jù)充填物的不同分為引黃充填、引湖充填、煤矸石充填、煤灰充填和客土充填等方式。

1.2 土樣采集及處理

2016年6月在濟(jì)寧市礦區(qū)內(nèi)選擇5種典型充填復(fù)墾方式進(jìn)行土樣采集。采樣點(diǎn)為梁山縣大路口引黃充填耕地（M1）、微山縣趙廟鄉(xiāng)引湖充填園地(M2a)和耕地（M2b）、鄒城中心店矸石充填耕地(M3)、鄒城平陽(yáng)寺煤灰充填園地(M4a)和耕地（M4b）、太白湖新區(qū)南陽(yáng)湖客土充填耕地(M5）(如圖1所示)。在上述地塊中以周邊正常耕地（CK1、CK2、CK3（4）和CK5）作為對(duì)照，選擇復(fù)墾時(shí)間大致相同的復(fù)墾地，按0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm的土層深度采集土壤樣品之后，挑出其中的植物殘?bào)w，待自然風(fēng)干后進(jìn)行碾磨處理待用。

圖1 取樣點(diǎn)的分布圖Fig.1 Distribution of sampling points

土樣測(cè)定：土壤壓實(shí)度采用SC900數(shù)顯式土壤緊實(shí)度儀測(cè)定；土壤容重采用環(huán)刀法；土壤堿解氮采用堿解擴(kuò)散法；土壤有效磷采用鉬銻抗比色法；土壤速效鉀采用乙酸銨浸提-火焰光度法；土壤有機(jī)碳（SOC）采用高溫外加熱重鉻酸鉀氧化-容重法；土壤有機(jī)碳密度（SOCD）采用計(jì)算公式1算出。

公式1：

式中，SOCD為土壤有機(jī)碳密度(kg·m-2)；Ti為i層土壤的厚度(cm)；Di為i層土壤的容重(g·cm-3)；SOCi為i層土壤的有機(jī)碳含量(g·kg-1)；Ci為i層土壤＞2 mm的礫石所占的體積百分比(%)

1.3 研究方法

采用Excel2007和SPSS17.0軟件對(duì)研究區(qū)內(nèi)的SOC和SOCD的空間分布特征進(jìn)行研究。在化驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)每個(gè)樣品的每個(gè)指標(biāo)均化驗(yàn)3次，求得平均值以減少誤差，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行LSD檢驗(yàn)，以比較數(shù)據(jù)間的差異性是否顯著。在數(shù)據(jù)分析中，首先研究不同復(fù)墾方式0～60 cm土層中SOC和SOCD的總量特征，并與對(duì)照耕地進(jìn)行對(duì)比來(lái)比較不同復(fù)墾方式對(duì)SOC和SOCD的恢復(fù)情況。然后研究不同復(fù)墾方式在不同深度（0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm）土壤的SOC和SOCD的變化特征。最后對(duì)不同復(fù)墾方式土壤的SOC和SOCD與壓實(shí)度、堿解氮、有效磷、速效鉀和土層深度進(jìn)行相關(guān)性分析，得到影響SOC和SOCD在不同復(fù)墾土壤分布的影響因素。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同復(fù)墾方式0～60 cm土層的SOC和SOCD特征

2.1.1 不同復(fù)墾方式0～60 cm土層的SOC特征由圖2和表1看出，這5種復(fù)墾方式的壓實(shí)度偏高，堿解氮、速效磷和速效鉀含量均不同程度地低于對(duì)照耕地。SOC含量在4.19～11.29 g·kg-1之間，除了M3和M4之間差異不明顯，不同復(fù)墾方式之間SOC含量的差異顯著（P＜0.05）。對(duì)照耕地的SOC含量在6.05～13.85 g·kg-1，各種充填復(fù)墾后的土壤中SOC含量均低于相應(yīng)的對(duì)照耕地，依次低于對(duì)照耕地19%，11%，9%，31%，30%，31%和18%，按復(fù)墾地和對(duì)照耕地的SOC差值百分比來(lái)算，5種充填復(fù)墾方式對(duì)SOC的恢復(fù)效果由大到小是：M2＞M5＞M1＞M4＞M3。

圖2 不同充填復(fù)墾方式土壤的SOC分布Fig.2 SOC distribution of soil in different filling reclamation methods

表1 5種充填復(fù)墾土壤的基本理化性質(zhì)Table 1 The physicochemical properties of 5 kinds of reclaimed soils

2.1.2 不同復(fù)墾方式0～60 cm土層的SOCD特征 如圖3所示，5種充填復(fù)墾方式的SOCD在3.41～10.09 kg·m-2之間，除了M1和M2a、M3和M4之間差異不明顯，其他復(fù)墾方式SOCD差異均顯著（P＜0.05）。其中M1、M3、M4a和M4b的SOCD小于各自對(duì)照耕地，依次小于對(duì)照耕地15%、29%、13%和20%。M2a和M2b的SOCD略大于其對(duì)照耕地，M5的SOCD和對(duì)照耕地相當(dāng)，說(shuō)明引湖充填和客土充填的復(fù)墾方式有利于復(fù)墾地SOC儲(chǔ)量的恢復(fù)。由上可得5種充填復(fù)墾方式對(duì)SOC儲(chǔ)量的恢復(fù)效果由大到小是：M2＞M5＞M1＞M4＞M3。

圖3 不同充填復(fù)墾方式土壤的SOCD分布Fig.3 SOCD distribution of soil in different filling reclamation methods

2.2 不同深度土壤的SOC和SOCD變化特征

2.2.1 不同深度土壤的SOC變化特征如表2和圖4所示，在20～40 cm的土層中，5種復(fù)墾土壤的SOC含量下降最為明顯，40～60 cm土層間下降趨勢(shì)多樣甚至穩(wěn)定。在0～20 cm的土層中，這5種充填復(fù)墾土壤的SOC含量最高，其中M2a和M2b的SOC含量比對(duì)照耕地還要高6%和2%，M5的SOC含量與對(duì)照耕地含量相當(dāng)，M1、M3、M4a和M4b比對(duì)照耕地小9%、21%、18%和12%；在20～40 cm的土層中，SOC含量均呈下降趨勢(shì)，M4b和M5的含量變化差異顯著（P＜0.05），變化最大。M3的含量變化差異不顯著，變化最小；在40～60 cm的土層中，SOC減少趨勢(shì)多樣甚至停滯，M3的含量變化差異顯著（P＜0.05），變化最大。M2b和M5的含量變化差異不顯著，變化最小。結(jié)合表2可得，M2a、M2b、M4b和M5的SOC含量在20～40 cm土層之間下降變化較快，而M1、M3和M4a的SOC含量在40～60 cm土層之間下降變化較快。

表2 不同深度下復(fù)墾土壤的理化性質(zhì)Table 2 The physicochemical properties of reclaimed soil at different depths

圖4 不同土層深度下土壤的SOC分布Fig.4 SOC distribution of soil under different soil depth

2.2.2 不同土層深度土壤的SOCD變化特征如圖5所示，在0～20 cm的土層中，M5的SOCD最大，M3的SOCD最??；在20～40 cm的土層中，除了M4a的SOCD升高外，其余都不同程度地降低，其中M5變化最大，降幅達(dá)28%，M2b變化最小，降幅為7%；在40～60 cm土層中，各種復(fù)墾方式的SOCD均下降，其中M3的變化最大，降幅為38%，M5的變化最小，降幅為3%。結(jié)合表2可得，M5的SOCD在20～40 cm土層之間下降變化較快，M1、M2b、M3和M4a的SOCD在40～60 cm土層之間下降變化較快。M2a和M4b的SOCD在0～60 cm土層中均勻減少。

圖6反映的不同復(fù)墾方式的SOCD在不同土層的分布的百分比關(guān)系。在0～20 cm的土層中，SOCD所占比重在35.74%～42.32%之間，M4b的SOCD所占比重最大，達(dá)到了42.04%，M4a的SOCD所占比重最小，比例為35.74%。說(shuō)明M4對(duì)0～20 cm土層的SOCD的影響最大；在20～40 cm的土層中，SOCD所在比重在29.87～38.15%之間，M2a的SOCD比重最大，達(dá)到了38.68%，M5的SOCD比重最小，比例為29.87%；在40～60 cm的土層中，SOCD所占比重在22.67%～28.92%之間，M5的SOCD比重最大，達(dá)到28.92%，M3的SOCD所占比重最小，比例為22.67%。綜上可得，除了M4a的SOCD在20～40 cm土層最大之外，其他復(fù)墾方式的SOCD均在0～20 cm土層最大，并且SOCD隨著土壤深度的加深逐漸降低，在40～60 cm均達(dá)到最低。

圖5 不同土層深度下土壤的SOCD分布Fig.5 SOCD distribution of soil under different soil depths

圖6 不同土層深度下土壤的SOCD分布百分比Fig.6 The percentage of SOCD distribution in soil under different soil depths

2.2.3不同復(fù)墾方式土壤的SOC和SOCD相關(guān)性分析如表3所示，不同充填復(fù)墾土壤的SOC含量與有效磷極顯著正相關(guān)，和土層深度均呈極顯著負(fù)相關(guān)；除M3與堿解氮不相關(guān)外，其他復(fù)墾土壤的SOC含量與堿解氮均呈極顯著正相關(guān)；除M4與速效鉀不相關(guān)外，其他復(fù)墾土壤的SOC含量與速效鉀均呈極顯著正相關(guān)；除M1、M2b和M5與壓實(shí)度不顯著外，M2a、M3和M4a與壓實(shí)度呈極顯著負(fù)相關(guān)，M4b與壓實(shí)度呈顯著負(fù)相關(guān)。由于復(fù)墾土壤的SOCD是由土層厚度、SOC含量、容重、礫石比等共同決定的，因而其與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性較復(fù)雜。如表4所示，不同充填復(fù)墾土壤的SOCD與有效磷、速效鉀和土層深度具有顯著或者極顯著的相關(guān)性關(guān)系；除M3和M4a與堿解氮不相關(guān)之外，其他復(fù)墾土壤的SOCD與堿解氮呈極顯著正相關(guān)關(guān)系；除M2a和M3與壓實(shí)度呈極顯著負(fù)相關(guān)，M4a與壓實(shí)度呈顯著負(fù)相關(guān)外，其他復(fù)墾土壤與壓實(shí)度均不相關(guān)。

由表3和表4看出，在不同土層深度間，不同充填復(fù)墾土壤的SOC和SOCD與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性基本一致。由于土地復(fù)墾后人為管理和施肥程度均不相同，不同充填復(fù)墾與各個(gè)理化性質(zhì)的相關(guān)性程度并不完全相同，表現(xiàn)為除了M3的SOC和SOCD與堿解氮不相關(guān)、M4的SOC與速效鉀不相關(guān)和M4a的SOCD與堿解氮不相關(guān)之外，其他復(fù)墾土壤的SOC和SOCD均與堿解氮、有效磷和速效鉀呈顯著或極顯著相關(guān)。因此總的來(lái)看，代表土壤養(yǎng)分的堿解氮、有效磷和速效鉀影響SOC和SOCD的在土壤剖面分布，壓實(shí)度在一定程度上會(huì)對(duì)SOC和SOCD的分布產(chǎn)生負(fù)影響。

表3 復(fù)墾土壤的SOC含量和土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性Table 3 Correlation between SOC content and physicochemical properties of reclaimed soil

表4 復(fù)墾土壤的SOCD和土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性Table 4 Correlation between SOCD and physicochemical properties of reclaimed soil

3 討論

對(duì)塌陷地進(jìn)行復(fù)墾后，復(fù)墾土壤的表層養(yǎng)分含量豐富但是深層養(yǎng)分含量不足。這由于土壤結(jié)構(gòu)在沉陷的過(guò)程中遭到了破壞，造成土壤養(yǎng)分流失[14]，早期復(fù)墾工作因過(guò)度追求土地平整而進(jìn)行多次機(jī)械碾壓，造成土壤緊實(shí)度過(guò)高，影響?zhàn)B分的循環(huán)周轉(zhuǎn)效率[15]，另外，覆土層若達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)深度[16]以及覆土層的本身質(zhì)地差[17]也會(huì)影響?zhàn)B分含量。而表層養(yǎng)分豐富是因?yàn)闈?jì)寧地區(qū)禁止焚燒秸稈，秸稈均粉碎回田處理,該措施增加了土壤碳匯[18]，另外農(nóng)田施肥也會(huì)增加土壤表層養(yǎng)分含量。

通過(guò)對(duì)不同的復(fù)墾方式的SOC含量和恢復(fù)效果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)不同復(fù)墾方式之間SOC的含量和恢復(fù)程度差異顯著（P＜0.05）,說(shuō)明不同充填材料對(duì)0～60 cm土層的SOC和SOCD的總值具有一定的影響（P＜0.05），雖然M2和M5的SOC含量仍然低于對(duì)照耕地的含量，但是M2和M5的SOCD已經(jīng)趕上甚至超過(guò)對(duì)照樣地，說(shuō)明引湖充填和客土充填的效果最好，這與李俊穎[10]鄒朝陽(yáng)[19]研究結(jié)果一致，引黃充填、煤灰充填和矸石充填恢復(fù)效果一般，這與徐良驥[11]王培俊[12]魏忠義[13]研究結(jié)果一致；而在不同的土層深度中，不同充填復(fù)墾土壤的SOC、SOCD均隨著土層逐漸減小，說(shuō)明任何一種復(fù)墾材料都存在“養(yǎng)分表層豐富深層匱乏”的問(wèn)題，同時(shí)也說(shuō)明充填材料不影響SOC和SOCD在不同深度土層間的分布。通過(guò)分別對(duì)SOC和SOCD進(jìn)行相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，除了極個(gè)別地類外，不同復(fù)墾方式的SOC和SOCD均與堿解氮、有效磷和速效鉀呈顯著或極顯著的正相關(guān)，這與范夫靜[20]呂真真[21]研究結(jié)果一致。由于堿解氮、有效磷和速效鉀是代表土壤養(yǎng)分的重要指標(biāo)，這說(shuō)明覆土層的土壤養(yǎng)分情況是影響復(fù)墾土壤剖面的SOC和SOCD的分布的關(guān)鍵因素。因此，在復(fù)墾工作中，要盡量選擇有利于有機(jī)碳恢復(fù)的填充材料，同時(shí)要避免不必要的機(jī)械壓實(shí)，定期翻耕以降低土樣壓實(shí)度，合理配方施肥等以促進(jìn)復(fù)墾土壤有機(jī)碳的恢復(fù)。

4 結(jié)論

（1）濟(jì)寧礦區(qū)各復(fù)墾土壤緊實(shí)度過(guò)高，堿解氮、有效磷、速效鉀等養(yǎng)分不足，SOC含量在4.19～11.29 g·kg-1之間，SOCD在3.41～10.09 kg·m-2之間。復(fù)墾土壤的SOC的含量均偏低于各自的對(duì)照耕地的SOC含量，引湖充填的SOCD略大于其對(duì)照耕地的SOCD，客土充填和對(duì)照耕地相當(dāng)，引黃充填、煤灰充填和矸石充填均小于各自對(duì)照耕地。

（2）復(fù)墾土壤的SOC含量隨著土層的加深均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，其中從0～40 cm的土層間，SOC的含量下降最為明顯，40～60 cm土層間下降趨勢(shì)多樣甚至穩(wěn)定。復(fù)墾土壤的SOCD在不同土層深度下具有不同的分布情況，除了M4b在20～40 cm土層增加，其它均隨著土層深度增加密度呈逐漸降低的趨勢(shì)，在不同土層深度中，各類復(fù)墾方式的SOCD的大小和所占百分比各有不同。

（3）研究發(fā)現(xiàn)，復(fù)墾地充填層的充填材料只影響在0～60 cm土層SOC和SOCD的總值，覆土層的土壤養(yǎng)分是影響復(fù)墾土壤的SOC和SOCD的不同土層深度分布的關(guān)鍵因素。因而建議在復(fù)墾地里要定期進(jìn)行深翻處理以降低壓實(shí)度，多施肥料以改善土壤質(zhì)地，這有利于深層SOC的恢復(fù)。

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