马腾辉 ，李 蓉 ，王 坤 ，渠俊峰,,4
（1.中国矿业大学 江苏省煤基温室气体减排与资源化利用重点实验室, 江苏 徐州 221008；
2.中国矿业大学 公共管理学院, 江苏 徐州 221116；
3.徐州市生态文明建设研究研究, 江苏 徐州 221116；
4.中国矿业大学 低碳能源研究院, 江苏 徐州 221008）
中国作为世界上最大的煤炭生产国和消费国，其产量和消耗量约占全球总量的一半，煤炭资源的长期开采为经济发展带来重大贡献的同时也引发了许多地质环境问题，特别是中东部高潜水位矿区的井工开采活动造成了大面积土地塌陷[1]，而该地区是典型的煤炭开采与农业生产重叠区域，土地塌陷不仅破坏了大量优质农田，威胁国家粮食安全[2]，并且塌陷导致的土地荒废和积水会严重破坏原有生态系统碳循环[3]。为缓解煤炭开采造成的耕地压力、恢复土壤质量并保持区域生态系统的稳定，针对塌陷的土地采取以煤矸石或粉煤灰等充填的方式进行了大量复垦还田工程，但与自然土壤相比，复垦土壤为重构土壤，其土壤结构、理化性质和有机碳含量会因为复垦过程中的机械碾压和压实等过程受到较大改变[4]，并对植物和微生物生长状况产生巨大影响[5]。作为不同于自然土壤生态系统的具有特殊结构和功能的有机整体，其结构和功能的特殊性决定了复垦区重构土壤的有机碳特征及其循环过程必然区别与其他自然生态系统[6-7]。
土壤有机碳( SOC)作为表征土壤肥力变化的一个重要指标，是作物高产稳产和农业可持续发展的基础[8]，在矿区复垦土壤的早期成土过程与生态功能重建中起着关键作用[9]，其质量和数量影响了土壤物理化学特征、生物特征及其过程，并在土壤肥力、环境保护、农业可持续发展以及全球碳平衡等方面都有重要作用和意义[10-11]。早期的研究表明，采煤沉陷导致的土地损毁会使土壤有机碳快速下降，其有机碳降幅最高可达81%[12]，在复垦初期土壤中的碳密度下降明显，随着复垦年限的增加，复垦土壤固碳能力会逐渐提高，使退化土壤由碳排放的源重新变成重要的碳汇。然而与土壤有机碳的缓慢恢复相比，土壤微生物量碳等活性有机碳指标对复垦土壤的早期变化更为敏感[13]。并且不同复垦方式及利用管理方式的复垦土壤间微生物量碳储量有显著差异[14]。另外，有研究表明，尽管时间对土壤碳库和相关养分指标的恢复具有积极的影响，但由于土壤母质、复垦过程和复垦后土地利用方式的不同，其恢复规律不尽相同[15-16]。
当前关于采煤沉陷后复垦土壤碳的研究成为热点，而相同尺度下研究复垦耕地和林地土壤碳特征的极少。因此，为推动矿区复垦地可持续利用和发展，缓解当前固碳减排压力，积极开展充填复垦土壤碳特征研究显得尤为重要。旨在揭示复垦重构土壤在耕地和林地2 种利用方式下土壤碳库的动态特征，探究复垦后土壤有机碳变化规律及其相关性因素，以期进一步加深对全球背景下复垦土壤碳循环的响应及其机制的理解。
1.1 研究区概况
研究区位于山东省邹城市西北部东滩矿区采煤沉陷复垦地(116°46′30″～117°28′54″E，35°8′12″～35°32′54″N)，属暖温带半湿润大陆性季风气候，四季分明，雨热同期，年平均降雨量686.5 mm，年平均无霜期209.3 d,年平均气温14.9 ℃，日平均气温≥10 ℃的积温为4 696.7 ℃，自然土壤类型为黄潮亚土。
东滩矿区塌陷地从2001 年开始采用表土剥离-煤矸石充填复垦法陆续复垦。先在地表未沉陷或沉陷初期预先剥离表土堆存，待采煤沉陷稳定后，采用全厚充填法，将沉陷区回填至设计标高并平整压实，平均矸石充填层厚度4～6 m；
最后将预先剥离并储存的表土进行回填并平整，土壤类型为潮土，上层覆土厚度约80 cm，复垦后为土地利用类型有耕地、林地和撂荒地，耕地以大豆-小麦轮作为主，林地以种植速生杨为主，撂荒地复垦后无人为管理，杂草丛生。由于塌陷区复垦工程在不同年份开展，为研究提供了十分完善的时间序列。同时，所选样地除复垦年限不同外，其地形、气候、土壤母质、种植模式、耕作方式、施肥方式等条件基本一致。
1.2 土壤样品采集与处理
在研究区内控制立地因子基本一致的条件下，试验选取了4 种复垦年限(3、6、9、12 a)的样地采集土壤样品（图1），研究区复垦土壤主要有耕地和林地两种土地利用类型，其中复垦林地只选取了3 a和12 a 年限的样地。采用S 形多点采样法，每个年限样地各设置6 个采样点，采样前清除地表植被及杂物，每个样点用内径3.5 cm、长为80 cm 不锈钢取样器分别取0～20、20～40 和40～60 cm 土壤各6 管，并按采样深度混匀为一个样品。同时，以矿区内部未受塌陷影响的正常耕地和林地作为对照，耕地轮作方式以及林地种植树种与研究区相同。
图1 研究区位置及土壤样地分布Fig.1 Location and soil sampling of the study area
样品密封保存带回实验室后分为两部分，一部分样品室内自然风干，除去土壤动植物残体和矸石等杂质，研磨过2 mm 筛后混合均匀，用于测定土壤基础理化性质；
另一部分土壤鲜样用无菌袋密封后于4 ℃冷藏，用于测定土壤微生物量碳，由于试验条件的限制，仅测定了表层0～20 cm 深度土样的微生物量碳。
1.3 分析测试方法
土壤pH 值(水土比2.5∶1)用数字酸度计测定；
土壤碱解氮(AN)采用碱解扩散法测定；
土壤速效磷(AP)采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定；
土壤有机碳(SOC)的测定采用重铬酸钾-外加热法[17]，土壤微生物量碳(MBC)测定采用氯仿熏蒸K2SO4提取-SOC 仪测定法[18]；
MBC=(熏蒸浸提液中SOC-未熏蒸浸提液中SOC)/0.411。土壤总碳(TC)、总氮(TN)的含量用碳氮元素分析仪(FlashEA 1112 Series NC Analyzer, Thermo Fisher Scientific, USA)分析测试；
土壤无机碳(SIC)的含量通过总碳(TC)减去有机碳(SOC)含量计算得到。
1.4 数据分析
数据经Excel 2016 整理后，采用SPSS 18.0 软件的单因素方差分析(One-way ANOVA)和Duncan 检验对不同复垦年限及对照之间的土壤性质指标进行方差分析及差异显著性检验，用Person 分析法进行相关分析，使用Sigmaplot12.0 软件作图。结果为平均值±标准误。
2.1 土壤理化特征
从表1 可以看出，不同复垦年限的耕地和林地土壤pH、AN、AP 和TN 的变化特征各不相同。其中，pH 值差异不显著，均呈碱性，且与对照相比显著偏高。复垦耕地土壤AN 含量随着复垦时间呈持续增长的趋势，但均低于对照；
复垦耕地表层0～20 cm土壤AP、TN 含量随复垦时间呈递增趋势，复垦到9 a后耕地表层土壤TN 含量已与对照无显著差异，到12 a 时土壤表层AP 含量与对照耕地差异不显著。而复垦林地土壤各层AN、AP 含量均呈现12 a＜3 a，TN 含量为3 a＞12 a，且均与对照相比差距较大。
表1 复垦土壤的一些基本特性Table 1 Some basic properties of reclaimed soils
从土壤深度变化上看，复垦土壤pH、TN 值均呈现表层高于下层，随着深度的增加土壤pH 缓慢减小，这与对照土壤完全相反，而TN 含量变化趋势与对照相同。整体而言，复垦耕地土壤AN 随着土壤深度的下降而下降，且不同土壤深度的土壤AN 含量均低于对照；
而AP 含量均呈现表层显著高于下层，这与对照相似。复垦林地土壤AN 含量，直到12 a 时才呈现于对照相同规律，但相比对照仍有显著差异，而复垦林地土壤AP 含量与对照相比无明显变化规律。
2.2 时间序列下的土壤有机碳特征
由表2 及图2 所示，复垦耕地和复垦林地不同土壤深度的SOC 含量均随时间呈增加的趋势。相同复垦年限下，耕地土壤SOC 含量较高于林地，复垦12 a 后耕地各层土壤SOC 含量为林地土壤的1.25～1.51 倍。在土壤深度变化上，从0～20 cm 到20～40 cm 再到40～60 cm，除了复垦耕地3 a 外，其余复垦时间内土壤SOC 含量均呈现明显的上层高于下层，耕地高于林地，复垦低于对照。
表2 复垦耕地和复垦林地的土壤有机碳含量Table 2 Soil organic carbon content of reclaimed cropland and reclaimed forest land
图2 不同土壤深度的复垦耕地和复垦林地SOC 含量变化Fig.2 Changes in soil organic carbon of reclaimed cropland and reclaimed forest land with different soil depths
从时间序列上来看，在0～20 cm 土壤深度上，复垦耕地SOC 含量的增长率为8.4%、7.75%、17.18%，呈波动上升趋势，由3 a 到12 a 的增长率为36.88%，而复垦林地的SOC 含量由3 a 到12 a 的增长率为23.07%；
在20～40 cm 土壤深度上，复垦耕地SOC含量的增长率为55.07%、28.97%、9.8%，呈快速下降趋势，由3 a 到12 a 的增长率为119.53%，而复垦林地的SOC 含量由3 a 到12 a 的增长率为88.7%；
在40～60 cm 土壤深度上，复垦耕地SOC 含量的增长率为3.8%、34.88%、23.11%，增长率先升后降，由3～12 a 的增长率为72.44%，而复垦林地的SOC 含量由3 a～12 a 的增长率为90.45%。由此可见，在0～20 cm、20～40 cm 土壤深度范围内，复垦耕地的SOC 含量以及增长率都要显著高于复垦林地，而在40～60 cm 土壤深度范围内，复垦耕地SOC 含量虽然高于复垦林地，但同期增长率却有所不及。复垦到12 a 时，耕地土壤0～20 cm 的SOC 含量与对照相比差异不显著，林地土壤40～60 cm 的SOC 含量与对照相比差异不显著。随着复垦时间的增长，在0～20 cm 土壤深度上，耕地土壤与对照相比SOC 含量分别偏低35.86%、30.47%、25.08%、12.21%，林地土壤与对照相比分别偏低48.81%、36.99%。在20～40 cm 土壤深度上，耕地土壤与对照相比SOC含量分别偏低63.01%、42.63%、26.01%、18.79%，林地土壤与对照相比分别偏低57.47%、19.75%。在40～60 cm 土壤深度上，耕地土壤与对照相比SOC含量分别偏低48.26%、41.27%、27.53%、10.78%，林地土壤与对照相比在3 a 时偏低40.22%，而在12 a时增长了13.86%。说明土壤SOC 含量随着时间不断增加，逐渐接近对照水平。
2.3 时间序列下的土壤总碳和土壤无机碳特征
从图3-图6 中可以看出，复垦耕地和林地土壤TC 含量以及SIC 占TC 比例整体都高于对照。复垦耕地土壤各层TC 含量在3 a 和6 a 期间显著高于9 a 和12 a 期间，整体呈波动下降趋势，这主要与SIC 含量的变化有关。复垦林地的土壤TC 含量在各层都表现为持续上升。复垦耕地在3 a 到9 a 期间，SIC 占TC 的比例在0～20 cm 的情况为：65.30%、64.73%、26.30%。在20～40 cm 的情况为：86.21%、75.06%、32.43%。在40～60 cm 的情况为：80.61%、81.47%、48.22%。可以看出在复垦初期无机碳占比巨大，这可能于煤矸石混杂有关，但随着时间增长各土壤深度的SIC 含量有明显的波动下降趋势。而复垦林地在3 a～12 a 期间，除0～20 cm 深度SIC 占TC 比例有所增长外，其余都呈下降趋势。
图3 0～20 cm 深度复垦土壤TC 含量变化Fig.3 Variation of TC content of reclaimed soil at 0-20 cm depth
图4 20～40 cm 深度复垦土壤TC 含量变化Fig.4 Variation of TC content of reclaimed soil at 20-40 cm depth
图5 40～60 cm 深度复垦土壤TC 含量变化Fig.5 Variation of TC content of reclaimed soil at 40-60 cm depth
图6 SIC 占TC 比例示意Fig.6 Schematic diagram of SIC to TC ratio
2.4 时间序列下的土壤微生物量碳和微生物熵特征
从图7 中可以看出，复垦后的土壤微生物量碳(MBC)呈增长趋势。复垦到9 a 时耕地土壤MBC已与对照无显著差异，到12 a 时已显著高于对照含量。复垦耕地与林地相比，土壤MBC 含量增速更快；
相同复垦年限的耕地和林地土壤相比，耕地土壤MBC 含量均显著高于林地，复垦到12 a 时林地土壤MBC 含量仍显著低于对照。
图7 复垦耕地和复垦林地土壤微生物量碳和微生物熵的变化Fig.7 Changes in microbial carbon and microbial entropy in soils of reclaimed cropland and reclaimed forest land
耕地土壤微生物熵(q(MBC))与MBC 变化趋势相同，均呈现逐渐增长的规律。复垦6、9 和12 a 的耕地土壤微生物熵均显著高于对照；
复垦3 a 和12 a的林地土壤微生物熵均显著低于对照林地。与此同时，复垦3 a 的林地土壤微生物熵要高于复垦耕地。
2.5 时间序列下的土壤碳与土壤物理和化学特性之间的相关性分析
由表3 的相关分析结果表明，复垦土壤SOC 与MBC、TN、AN 呈极显著正相关关系(p＜0.01)，与q(MBC)、AP 均呈显著正相关性(p＜0.05)，与pH 呈显著负相关关系(p＜0.05)。MBC 与TN、AN 呈极显著正相关关系(p＜0.01)，与q(MBC)、AP 均呈显著正相关性(p＜0.05)，与TC 呈显著负相关关系(p＜0.05)。pH 与AN、AP 均呈极显著负相关关系(p＜0.01)，与TN 呈显著负相关性(p＜0.05)。
表3 土壤碳和土壤基本属性之间的相关关系Table 3 Correlation among soil carbon and soil basic properties
时间是土壤形成过程的关键驱动因素[19]，研究中复垦土壤SOC 含量随着复垦时间逐渐增加，表明在相似的成土条件下，时间对于复垦土壤SOC 演变有积极的影响[20]，反映复垦土壤有巨大的固碳潜力。研究中，虽然土壤SOC 含量随复垦年限不断增加，但增长速率较为缓慢，复垦12 a 时的耕地和林地土壤SOC 含量仅为复垦3 a 的1.2～2.2 倍，且均低于对照土壤。ZHAO 等[21]的研究表明露天矿区林草生态系统重建下SOC 含量增长较快，复垦13 a 时的SOC 含量已达到复垦4 年时的3.1 倍。这多是由于林草生态系统重建过程中，地上植被生物量及凋落物持续增加并腐殖化，可有效改善土壤质地，促进土壤SOC 的快速积累；
而在农业利用方式下，虽然有根系和凋落物不断进入土壤以及大量有机肥和化肥的施用，但每年地上作物绝大部分被移除，同时机械翻耕又进一步破坏土壤团聚体结构，在一定程度上减缓了土壤SOC 的积累速率[7]；
研究中复垦林地土壤SOC 含量增速也较慢，这多与林草混合生态系统和纯单一树种林地生态系统对土壤SOC 恢复的影响不同有关，在林草混合生态系统中，植物根系在0～60 cm 均有大量分布，且凋落物种类和数量均较多[22]，并且王蕾等[23]的研究表明，在煤矸石复垦土壤中复垦草地土壤总有机碳含量高于复垦林地，所以林草生态系统中土壤SOC 增长速度高于本研究样地。另外，本研究中，复垦林地各层SOC 含量均低于对应复垦年限耕地土壤，与对照林地相比，仅40～60 cm 深度的SOC 含量高于对照，这说明与农业利用方式下相比，林地利用方式下无肥料的施加会更多的限制0～40 cm 复垦土壤SOC 的增长速率。与0～40 cm 土层不同，林地40～60 cm 深度土壤SOC含量与对照林地无显著差异，这主要是由于林地中树木根系的持续增加，使根系分泌物等经过分解转化以及合成作用形成更多的土壤腐殖质[24]。
在本研究中，尽管复垦土壤SOC 含量显著低于对照农田，但TC 含量高于对照农田。主要在于两种利用方式下复垦土壤SIC 含量较高，在2.43～16.02 g/kg，占TC 的26.30%～86.21%。这与CHAUDHURI[19]等的研究不同，该研究发现在美国西弗吉尼亚州的复垦土壤中SIC 含量低于TC 含量的4%，这与复垦过程中大量矸石的混杂有关。相关分析表明，土壤SIC含量与SOC、AN 呈显著负相关，与pH 呈显著正相关，这说明土壤中较高的SIC 含量多是由于混入矸石的影响，而新鲜矸石往往偏碱性，表层矸石在不断分解的同时，其中的Ca、Mg、K 等碱性金属化合物也会部分溶解，不断消耗土壤中H+，使复垦土壤偏碱性，这与胡振琪等[25]研究结果相似。同时，复垦后耕地和林地利用方式下，土壤SIC 含量较高的情况均没有得到改善，这也促使我们对未来复垦工艺提出更高的要求，从而更加科学合理地开展矿区复垦工作。
土壤MBC 在植物养分利用、有机质分解和土壤养分循环过程中发挥着关键作用，其既是土壤C、N、P 等养分快速的源和库，也是污染物降解的媒介，同时是评价土壤质量和肥力综合状况的重要指标之一[26-27]。研究中土壤MBC 含量在复垦3～12 a 期间耕地从104.07 mg/kg 增至362.59 mg/kg，林地从79.57 mg/ kg 增至110.94 mg/kg，2 种利用方式下土壤MBC 含量均呈明显的增长趋势，其中复垦9 a 的耕地土壤MBC 含量已与对照无显著差异，复垦12 a的耕地土壤MBC 含量已显著高于对照，这与多数研究成果相似[15-16]。研究中，复垦到12 a 时林地土壤MBC 含量仍显著低于对照水平，与樊文华等[28]的研究相似，这说明复垦后的耕作施肥等活动相比与林地、草原的自然状态下会更利于土壤微生物的增长。同时相关分析显示，土壤MBC 含量与SOC 含量呈极显著正相关（P＜0.01），这与多数学者[29-31]的研究结果一致，表明土壤有机质是土壤微生物的重要能量来源，而复垦后耕作过程中的有机碳输入会极大促进微生物群落的生长，土地利用类型的变化影响凋落物分解向土壤微生物提供可利用碳的数量和质量，刺激群落的活性，从而促使耕地土壤MBC 含量更快速的增长。
土壤q(MBC)是指土壤微生物量碳与土壤有机碳总量的比值，可以解释为底物碳的可利用度或被微生物固定的总有机碳的比例[32]，它将微生物可矿化碳与微生物量有机结合起来，是反映环境因素、管理措施等变化对微生物碳库影响的一个敏感性指标[33],能有效地指示土壤养分的变化，同时能够预测土壤有机质长期变化或监测土地退化及恢复，可以避免由于土壤有机质含量的差异而难以说明的缺点[34-35]。研究指出，土壤q(MBC)越高则土壤碳积累越多，且随恢复微生物种群结构和数量发生改变[36]。研究表明，复垦后耕地土壤的q(MBC)呈增加的趋势，且复垦6 a 后已高于对照土壤。这说明随复垦土壤的农业利用进程，土壤碳素有效性和土壤固碳能力相应增强，复垦后耕地土壤环境逐步改善，更利于土壤微生物的生存，微生物数量开始逐步增加，且复垦耕地土壤环境与对照相比更有利于微生物的生存，这是否与复垦土壤环境中特定的微生物群落有关，值得进一步研究。同时研究表明覆土厚度对复垦土壤内的微生物活动会产生一定的影响，这也值得在研究区内进一步探索，也为复垦工艺的改进提供了基础。复垦3 a 的林地土壤q(MBC)高于同复垦年限耕地，这说明复垦初期(3 a)林地土壤环境更有利于微生物生长；
复垦3 a 和12 a 林地土壤q(MBC)差异不显著，且均低于对照，多是由于林地土壤环境无人为干扰，微生物群落可以较快达到相对均衡稳定的状态,复垦后土壤微生物群落的演替规律需要进一步的研究。
1）时间对矿区复垦耕地土壤和林地土壤有机碳的积累以及微生物量碳的恢复具有积极的作用。土壤速效磷、碱解氮和全氮含量均随复垦年限有增加的趋势，但复垦后较高的土壤pH 环境可能会限制土壤质量的改善，影响土壤养分转化及其有效性，建议合理规划灌排配套设施，调节土壤中水分循环，洗淋排除土壤中的盐分，从而降低PH 值，同时也可通过增施有机肥、绿肥、改良剂等来改善土壤理化性质。
2）复垦后土壤总碳含量整体上与对照农田无明显差异，甚至高于对照农田，这与复垦土壤中较高比例的无机碳含量有关，这也对今后复垦工艺提出了更高的要求。建议在表土剥离的过程中要注意保存和控制好表土的量，选择合适的覆土厚度对复垦土壤生产力也会有一定的影响，在复垦过程中要因地制宜进行土壤深松并逐年加深耕层，调整土壤构造状况，使土壤疏松通气，增强肥料溶解能力，加速土壤有机碳的积累，减少充填材料产生的负面影响，保证复垦土壤的生产力。
3）2 种土地利用方式下土壤微生物量碳均随复垦年限不断增加，而与耕地土壤微生物熵逐年增加不同，林地土壤微生物熵相对一致，这种差异与不同土地利用方式中物质循环过程特性和人为施肥管理水平等活动均有不同程度的关系，而关于复垦后土壤微生物群落的演替规律仍有待于进一步深入研究。
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