高潛水位采煤沉陷區有機碳庫演替特征研究*

渠俊峰 張紹良 李 鋼 徐占軍

(1.中國礦業大學低碳能源研究院;2.中國礦業大學環境與測繪學院;3.山西農業大學資源環境學院)

高潛水位煤礦開采導致地表破壞、推移、變形、土壤侵蝕、沉積等現象，形成深淺不等、大小不一的沉陷積水、季節性積水區和大面積的坡面區，在降水、徑流、風力等因素的作用下，由陸地生態環境演變為水生生態環境，形成水陸相互作用的自然綜合體［1］。2002年國際濕地公約對濕地進行了明確定義:濕地系指天然、人工或暫時之沼澤地、濕地、泥碳地或水域地帶，具有或靜止、或流動、或淡水、半咸水或咸水水體者，包括低潮時不超過6 m的水域。煤礦開采破壞地表的同時也擾動了礦區水資源的時空賦存條件，高潛水位采煤沉陷后出現大面積積水，煤礦區通常采用疏排積水結合煤矸石、粉煤灰充填和土方挖填等措施復墾新增耕地，但采煤沉陷區將仍存在一定的常年積水區，這部分區域符合濕地的定義和特征。一般來說，濕地是由植物、動物、微生物等生物要素和陽光、水分、土壤等非生物要素組成的生態系統，具有顯著的生態“碳匯”功能［2］。對于森林生態系統碳匯方面的研究成果較多，但對于沼澤、湖泊和河流等各類濕地生態系統碳匯進行系統研究的較少，并且一些濕地生態系統作為陸地生態一部分，其碳循環尚未納入陸地溫室氣體平衡的評估中［3-4］。本研究以徐州九里采煤沉陷區作為研究對象，對于未沉陷區域、未積水坡面區、積水坡面區和常年積水區的土壤有機碳密度進行分析，為促進經濟效益和生態效益協調發展提供參考。

1 采煤沉陷區形成及其碳循環過程

1.1 采煤沉陷區濕地形成及治理

高潛水位煤礦持續開采導致地形、地貌的變化，同時也改變了原有的地表徑流方向等水文條件，采煤沉陷區水位長期低于沉陷區外防洪河道水位，由于積水強排工程措施成本高，并且復墾后新增耕地的產出能力較低，后期的積水排除管理不便。另外農田的開墾一般會降低碳儲量［5-6］，過度地將沉陷積水區域復墾為旱地將會影響土壤有機碳分布［7］，所以一般不將采煤沉陷區大面積積水區域復墾成耕地，采煤沉陷區碳循環過程中 CO2交換通量(NEE)、生態系統呼吸、土壤呼吸均存在明顯變化［8］，沉陷積水區域作為景觀生態濕地進行規劃和開發既可以發揮景觀功能，又可以實現碳匯的長期保持。保留采煤沉陷積水區的濕地特征不僅因地制宜、節約成本，而且還能充分發揮濕地涵養水源、凈化空氣、生態景觀和有利于生物多樣性等重要作用。徐州九里礦區、賈汪礦區和淮北礦區等一些高潛水位采煤沉陷區都規劃了生態景觀濕地公園。

1.2 采煤沉陷區“碳匯”、“碳源”轉換過程

采煤沉陷區碳循環過程除了土壤有機碳時空分布等產生了變化外，還包括沉陷區、坡面區植被初級生產力(NPP)形成過程和有機碳分解、排放過程，沉陷區“碳匯”、“碳源”轉換過程包括:①采煤沉陷區的植被通過光合作用和大氣中的CO2形成NPP，并且釋放CO2，植被殘體在微生物作用下分解轉化，分轉化成CO2、顆粒有機碳(POC)、簡單可溶性有機碳(DOC)，在微生物作用下形成基質或直接氧化為CO2(HCO－3);②采煤沉陷區中土壤有機碳的變化取決于外源碳輸入量和土壤有機碳的分解量等，當外源碳在分解過程中進入土壤碳庫的分量大于土壤有機碳分解的損失量時，土壤有機碳增加，反之則減少，兩者相等時動態平衡。采煤沉陷區水文條件等要素的改變影響了其好氧與厭氧環境，從而導致采煤沉陷區導致生態系統物理及化學過程的變化［9-10］。采煤沉陷區濕地碳轉化過程見圖1。

圖1 煤沉陷區濕地碳循環過程

2 高潛水位采煤沉陷區碳密度變化分析

2.1 基本情況

徐州九里煤礦區屬于典型的平原高潛水位煤礦，該礦區投產時間在1960年，涉及張小樓、龐莊、東城、寶應和王莊 5個煤礦，目前沉陷區面積1 064 hm2，目前大部分礦區沉陷趨于穩定，2003年徐州九里采煤沉陷區被列為徐州市復墾重點工程項目并得到了實施，2005年徐州九里采煤沉陷區先后又進行了水系調整、沉陷區公園規劃建設等。現狀徐州九里采煤沉陷區面積分類見表1。

表1 徐州九里采煤塌陷地土地劃分 hm2

在完成徐州九里采煤沉陷土地復墾工程的基礎上，將低洼地帶、常年積水區域規劃為以生態修復和景觀功能為目標的濕地，輔以蓄水、養殖和滯洪等功能，促進了沉陷積水資源化利用。除了在207.66 hm2常年積水區域規劃了浮水植物、挺水植物和沉水植物外，在季節性積水等坡面區經過復墾也發展了一些水土保持生物措施，抑制水土流失導致土壤養分的下降，徐州九里采煤沉陷區地類結構分布見圖2。

圖2 徐州九里采煤沉陷區地類分布

2.2 采煤沉陷區土壤樣本采集

徐州九里煤礦開采過程較長，先后經過了采煤前、采煤后和復墾前、復墾后4個階段，采煤沉陷區的生態環境和土壤有機碳時空分布狀態等具有一定的代表性，徐州九里采煤沉陷區土壤有機碳庫的演替和分布特征也趨于相對穩定。煤礦開采前土壤有機碳的密度處于相對的穩定狀態，但是采煤沉陷對于土壤出現了一定的擾動，根據土壤有機碳密度變化的特征，來說明采煤沉陷區有機碳的時空分布受到的影響和應該采取的增加碳匯的相關措施。徐州九里采煤沉陷區現狀地貌外高內低，未沉陷區至沉陷洼地經過坡面區過渡帶，從高到低依次為農田、未積水坡面區、季節性積水坡面區、常年積水坡面區、沉陷洼地積水區。沉陷區地帶劃分見圖3所示。

圖3 沉陷區地帶劃分

土壤的取樣方法:①從沉陷邊緣到沉陷水域，由高到低每降低縱深度的20%作為取樣點，即在1個斜坡取樣共分5個點，其中HM 0～HM 20%坡面區Ⅰ、HM 20% ～HM 40%坡面區Ⅱ和HM 40% ～HM 60%坡面區Ⅲ為不積水坡面區采樣編號，HM 60%～HM 80%坡面區Ⅳ為季節性積水坡面區編號，HM 80%～HM 100%Ⅴ為常年積水區采樣編號;②每一沉陷坡面共布置5個采樣點，每一組采樣點連線垂直沉陷區等高線，在沿沉陷區坡面均勻布置4組采樣點，共取20個樣本，在每個采樣點按照1～20 cm、20～40 cm、40～60 cm 分別采樣，4組沉陷區有機碳密度采樣測試分析結果取相同點號的加權平均值，對照田土壤樣本采自自然條件一樣的平整農田。

2.3 土壤樣本的測試方法

土壤樣本測試的目的主要是研究土壤碳庫的變化，所以有關土壤碳庫影響的土壤理化性都要進行測試、分析。①土壤容重:放入烘箱烘干24 h稱重。②有機質含量:TFC－203PCB土壤有機質測定儀測定。土壤有機碳含量和有機質含量按照Bemmelen系數相互轉換。③土壤微生物活動指數:選用氯仿熏蒸法測定土壤微生物量，原理是將待測土樣經氯仿熏蒸后，因熏蒸而死亡的微生物被后來加入的原土樣中的微生物分解而釋放出CO2，根據釋放的CO2量和微生物礦化常數計算出該土樣中的微生物量。④土壤孔隙度:采用公式法計算，土壤孔隙度=(1－容重/密度)×100。

2.4 土壤樣本測試結果

采煤沉陷區土壤有機碳庫空間密度的變化能夠說明其演變特征，根據采煤沉陷區各土壤樣本有機碳含量和土壤容重，計算不同類型區域單位面積的土壤有機碳密度OCj，計算公式為

式中，OCj是沉陷區第j個沉陷坡面的土壤有機碳密度(即PA M20% ～PA M100%，j=1～5);H是沉陷區土層厚度，0.4 m，取距表土約20 cm處土樣，其土壤理化性質作為0～40 cm土層土壤理化性質的平均值;ρi是沉陷區第j個沉陷坡面區的第i個取樣點的土壤容重;SOi是沉陷區第j個沉陷坡面區的第i個取樣點的土壤有機質含量;(SOi)/1.724為沉陷區第j個沉陷坡面的第i個取樣點的土壤有機碳含量，1.724為Bemmelen轉換系數，即土壤有機質和土壤有機碳之間的轉換系數。計算結果如表2所示。

表2 沉陷區不同取樣點有機碳密度

2.5 土壤碳密度的變化討論

根據高潛水位采煤沉陷區不同地帶的土壤有機碳密度的測試結果，與未擾動的對照田土壤有機碳密度進行對照，其土壤有機碳庫的變化有如下特征:①采煤沉陷區中坡面區未積水區域3個測試點的土壤有機碳密度測試結果均小于對照田土壤有機碳密度，則說明在煤礦開采形成未積水坡面區的過程中土壤有機碳發生了流失;②季節性坡面區由于水位受季節的影響發生變化，會在不同的季節發揮“碳匯”和“碳源”的雙重角色，土壤有機碳的密度高于未積水區域的坡面區和對照田，其總體的土壤有機質分解率小于碳積累的速率，“碳匯”作用略微明顯;③常年積水區的土壤有機碳密度均顯著高出其他坡面區地帶和對照田，形成了較為顯著的“碳匯”，由于水文條件和地形、地貌條件的改變影響了采煤沉陷區有機碳密度的變化，在采煤沉陷區復墾中，從增加“碳匯”的角度進行生態修復，需要對于積水區域進行合理的規劃。

3 結論

高潛水位采煤沉陷區的復墾、治理過程中，目前已經越來越多的考慮到生態的因素，隨著國家對生態文明建設的日益重視，生態文明建設也將是采煤沉陷區開發治理面臨的新課題。滿足復墾新增耕地和生態效益協調發展的要求，需要提高復墾質量和增加沉陷區的“碳匯”功能。根據徐州九里采煤沉陷區土地復墾兼濕地規劃治理的實證研究，增強采煤沉陷區“碳匯”功能的措施如下。

(1)采煤沉陷區水系理順。理順采煤沉陷區地表水系不僅僅是土地復墾的首要條件，也是采煤沉陷區確保相應的水量、不發生陸化的重要條件。應最大限度攔蓄降水、地表徑流、客水、土壤滲水等，滿足水資源循環過程中的滲漏、蒸發、生態耗水等，確保采煤沉陷區水位、水量相對穩定，減少采煤沉陷區土壤有機碳的分解速率。

(2)加強坡面區的水土保持工程。由于采煤沉陷造成大面積的斜坡，在降水徑流和重力的作用下其保水、保肥性能較差。由于重力作用和地表徑流等影響，使土壤中一些可溶性有機碳流失，降低了土壤有機質含量。根據土壤樣本的有機碳庫密度分析，坡面區土壤樣本測試有機碳含量中顯示低于對照的平整田塊，其土壤有機碳流失非常顯著，從客觀上降低了坡面區生產能力，需要強化坡面區水土保持工程，增強地表植被的覆蓋率，抑制坡面區地表水土流失，有效保護整個采煤沉陷區的產出能力。

(3)完善采煤沉陷區水域的植被規劃。采煤沉陷區季節性積水和常年積水區符合濕地的定義和特征，并且發揮了“碳匯”的生態功能。濕地植被群落作為生態景觀的重要因子，除了應考慮其景觀要素外，還要綜合考慮其采煤沉陷區生態修復過程中的作用。應根據景觀需求、生態修復目標增加和完善采煤沉陷區的植被生物量，按照水面的空間梯度分別布局沉水植物帶、浮水植物帶、挺水植物帶。

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