采煤沉陷对土壤团聚体及其有机碳的影响

张沛沛 余 洋

（1.河南财经政法大学工程管理与房地产学院，河南 郑州 450046；2.中国地质环境监测院，北京 100083）

土壤有机碳是大气中CO2的重要潜在碳源或者 碳汇，由于土壤碳库极其巨大而且非常活跃，极易受到外界的干扰而显著地引起大气中CO2浓度的很大改变，进而影响全球的生态系统。土壤团聚体在稳定和保护有机碳方面起着关键作用，不同粒径土壤团聚体的有机碳的储存能力具有差异性。土壤有机碳对团聚体的数量和大小分布产生很大的影响；而土壤团聚体对有机碳具有重要的物理保护作用。因此，研究土壤团聚体及其有机碳的变化特征对于土壤碳循坏、团聚体的稳定性和土壤肥力都具有十分重要的意义。Six等［1］认为土壤大团聚体有机碳的含量较高但稳定性较差；微团聚体的固碳潜力较小但固持有机碳的时间较长。Garten等［2］研究表明土壤微团聚体储存了70%以上的有机碳，并认为不同粒径土壤团聚体的固碳作用不一致。方华军等［3］认为土壤侵蚀倾向于优先使低密度小颗粒的有机碳组分发生再分布，导致沉积区土壤有机质活性大于侵蚀区。樊红柱等［4］认为侵蚀区土壤团聚体结构以微团聚体为主，沉积区以大团聚体为主。因此，土壤团聚体及其有机碳方面的研究在国内外受到广泛关注，分别从不同的角度进行研究，但主要集中在川中丘陵紫土区、黑土区、黄土高原等地，而关于采煤沉陷对土壤团聚体及其有机碳的研究尚未开展。

煤炭开采引起的地表沉陷，显著地改变了土壤性质和矿区生态环境。而关于采煤沉陷地土壤的研究主要针对其水分［5-9］、肥力［10-12］、质量［13，14］等，而针对采煤沉陷坡地土壤团聚体稳定性及碳储量的研究较少。为了探索采煤沉陷对土壤团聚体及其有机碳储量的影响，本研究选择河南九里山矿区典型采煤沉陷坡地为研究对象，分析采煤沉陷坡地土壤团聚体及有机碳含量和储量的分布特征，以期为采煤沉陷区土壤改良和沉陷地的有效利用以及指导土地复垦提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区域位于河南焦煤集团九里山矿采煤沉陷区，在焦作市东部18 km处，其地理坐标为：110°23′～113°26'E，39°17′～39°21′N，矿区总面积为18.60 km2。试验区属于太行山山前平原和冲积、洪积扇的边缘地带，地形比较平坦，海拔高度为85～117 m，属暖温带典型的大陆性干旱气候。多年平均气温为15°，年降雨量为475.6～698 mm，年蒸发量为1 700～2 000 mm。该矿区已沉陷土地面积达到481.53 hm2。根据预测，未来5 a内还会造成大约270 hm2的采煤沉陷区。采煤沉陷区土地利用类型为耕地，沉陷坡0～20 cm土壤质地为粉壤土（16%砂粒、73%粉粒、11%粘粒），其耕作方式多为顺坡耕作，种植作物以小麦、玉米轮作为主。

1.2 样品采集与分析

2015年9月在研究区选择一个典型的采煤沉陷坡耕地为研究对象，其坡度为5°，坡长为236 m；该沉陷坡已经稳沉，其在煤炭开采前为地形平坦的耕地。采集方案为：在采煤沉陷坡的坡顶（0～21 m）、坡上（21～71 m）、坡中（71～146 m）、坡下（146～206 m）、坡底（206～236 m）5个坡位分别设置采样点，采用直径为8 cm的取土钻在5个坡位的采样点随机进行采样，采样深度为0～20 cm，每个坡位取3个重复土样。在采煤沉陷坡附近选择一块未受沉陷影响的正常农田作为对照并进行采样，采样深度为0～20 cm，对照区取3个重复样。采取手持GPS测量采煤沉陷坡坡长、海拔等地形参数。将采集的土样装入硬质塑料保鲜盒内，带回实验室内自然风干，待风干至土壤塑限时沿土壤自然的结构面掰成10 mm左右大小，剔除石块等杂物。由于干筛法对土壤团聚体可溶性碳的影响较小而且对土壤中某些有机胶结物质破坏较小，并且降低了水分张力等因素的影响；而对于旱地的土壤，干筛比湿筛能够更好地表征土壤的团聚作用，分离出的土壤团聚体更接近田间实际情况；因此本研究中采用干筛法进行团聚体分级，分离出＞5 mm，2～5 mm，0.25～2 mm，＜0.25 mm，共4个粒级组。分离出的土壤团聚体采用四分法研磨后过筛用于测定土壤的有机碳含量。土壤有机碳采用重铬酸钾外热法测定，土壤容重采用环刀法测定。土壤试验分析时间：2015年10月。

1.3 计算与数据处理

土壤团聚体平均直径的计算公式为

式中，Xi表示某粒级土壤团聚体的平均直径，Wi表示某粒级土壤团聚体的质量分数。

团聚体有机碳储量（g/kg）=团聚体有机碳含量×团聚体质量分数（%）。

式中，VSOCi表示特定深度的土壤有机碳储量，t/hm2；Ci表示第i层土壤有机碳含量，g/kg；ρi表示第i层土壤容重，kg/m3；Ti表示第i层土壤的厚度，cm。

数据处理、统计分析分别运用Excel2007和SPSS19.0，多重比较运用LSD检验。绘图使用Excel2007。

2 结果与分析

2.1 采煤沉陷对土壤团聚体空间分布特征的影响

采煤沉陷坡地不同坡位土壤团聚体含量具有较大的差异性（表1）。采煤沉陷显著改变了不同坡位土壤团聚体的含量。采煤沉陷坡地＞5 mm的土壤团聚体含量显著低于CK，从坡顶至坡底分别比CK减少了8.79%、16.05%、27.54%、41.36%、36.53%。采煤沉陷坡地的坡顶、坡上＞5 mm土壤团聚体含量无显著差异，分别为59.81%、55.04%；采煤沉陷坡地坡下和坡底＞5 mm土壤团聚体含量无显著差异，分别为38.45%、41.62%，坡底比坡下有所增加。综上表明采煤沉陷坡地＞5 mm的土壤团聚体含量从坡顶到坡底表现出不断减少的趋势，说明采煤沉陷显著减少了＞5 mm的土壤团聚体含量。采煤沉陷坡地2～5 mm土壤团聚体含量均显著高于CK，从坡顶至坡底分别比CK增加了5.42%、9.73%、21.89%、20.10%、6.39%；坡顶、坡上和坡底＞5 mm的土壤团聚体含量之间无显著差异，坡中和坡下也无显著差异；说明采煤沉陷显著增加了沉陷坡地不同坡位2～5 mm土壤团聚体含量。采煤沉陷坡地坡顶、坡底和CK的0.25～2 mm土壤团聚体间无显著差异，分别为11.53%、11.63%、10.56%，但坡顶和坡底土壤团聚体分别比CK增加了9.19%、10.11%；坡上、坡中和坡下土壤团聚体含量表现出不断增加的趋势，分别比CK增加了28.79%、51.07%、106.03%，说明采煤沉陷显著增加了不同坡位0.25～2 mm土壤团聚体。采煤沉陷坡地＜0.25 mm土壤团聚体含量表现出从坡顶至坡底不断增加的趋势，分别比CK增加了26.02%、40.13%、65.68%、85.58%、132.14%，说明采煤沉陷显著增加了不同坡位＜0.25 mm土壤团聚体含量。

注:表中各数据为均值±标准差，同一列数据后小写字母代表显著性差异（P＜0.05），CK为正常农田，下同。

根据表1还可知，采煤沉陷坡地坡顶、坡上和坡中＞5 mm土壤团聚体含量最高，分别为59.81%、55.04%、47.51%，其次是＜0.25 mm土壤团聚体含量，0.25～2 mm、2～5 mm土壤团聚体含量最少。采煤沉陷坡地的坡下＞5 mm、＜0.25 mm土壤团聚体含量均大于30%以上，0.25～2 mm土壤团聚体含量为21.76%。采煤沉陷坡地的坡底＞5 mm、＜0.25 mm土壤团聚体含量较多，分别为41.62%、39.43%。综上可以表明采煤沉陷坡地的坡顶、坡上、坡中以＞5 mm土壤团聚体为主，其次是＜0.25 mm土壤团聚体；沉陷坡地的坡下和坡底以＞5 mm、＜0.25 mm土壤团聚体为主。这些研究结果表明采煤沉陷坡地自坡顶至坡下土壤结构越来越差，至坡底才有所好转。

平均重量直径（MWD）是表征土壤团聚体分布状况的重要指标，MWD值越大就表明土壤的团聚状况越好、稳定性越强。根据表1可知，采煤沉陷坡地不同坡位土壤MWD分布特征具有一定的差异性，采煤沉陷坡地土壤MWD自坡顶至坡下不断降低，且均显著低于CK，分别比CK降低了 7.15%、13.13%、22.62%、33.91%；而在坡底有所增加，为2.39 mm，比CK降低了31.77%；说明采煤沉陷坡地土壤自坡顶至坡下受到的侵蚀程度不断增加，而在沉陷坡坡底发生了沉积的现象。

2.2 采煤沉陷对土壤团聚体有机碳含量的影响

由表2可知，采煤沉陷对不同坡位土壤团聚体有机碳含量具有不同的影响，且采煤沉陷坡地不同粒径团聚体的有机碳含量均显著低于CK。采煤沉陷坡坡顶、坡上、坡中、坡下、坡底＞5 mm土壤团聚体有机碳含量分别比CK减少了21.74%、23.63%、30.90%、39.68%、17.46%。采煤沉陷坡地2～5 mm土壤团聚体有机碳含量变化于9.92～13.09 g/kg，比CK减少了17.64%～37.60%。采煤沉陷坡地0.25～2 mm和＜0.25 mm土壤团聚体有机碳含量分别变化于10.19～13.53 g/kg和10.78～13.83 g/kg，分别比CK减少了16.78%～37.31%、15.62%～34.22%。采煤沉陷坡地自坡顶至坡下＞5 mm土壤团聚体有机碳含量呈现不断减少的趋势，而坡底土壤团聚体有机碳含量高于坡顶。采煤沉陷坡地2～5 mm、0.25～2 mm、＜0.25 mm土壤团聚体有机碳含量均表现出从坡顶到坡下不同粒径土壤有机碳含量呈现不断减少的趋势，而在坡底有机碳含量与坡顶无显著差异但高于坡顶。在采煤沉陷坡地的同一坡位，不同粒径的土壤团聚体有机碳含量存在着较大的差异性，表现的特征为：土壤团聚体有机碳含量最高的是＜0.25 mm，其次是0.25～2 mm，最小的是＞5 mm和2～5 mm。这些研究结果表明采煤沉陷对不同坡位土壤团聚体有机碳含量造成了不同程度的影响，自坡顶至坡下表现为侵蚀效应，在沉陷坡地的坡底表现为沉积效应；采煤沉陷降低了不同粒级土壤团聚体有机碳含量。

由图1可知，采煤沉陷显著降低了不同坡位土壤有机碳含量。采煤沉陷坡地土壤有机碳含量变化于10.17～13.50 g/kg。采煤沉陷坡自坡顶至坡下，土壤有机碳含量越来越少；但采煤沉陷坡地坡底的土壤有机碳显著增加，并显著高于采煤沉陷坡地的坡顶至坡下。采煤沉陷坡地不同坡位土壤有机碳显著低于CK，分别比 CK减少了 20.82%、22.61%、28.82%、37.01%、16.40%。表明采煤沉陷坡地自坡顶至坡下土壤有机碳受到了不同程度的侵蚀效应，而采煤沉陷坡地坡底土壤有机碳表现为沉积效应；采煤沉陷对土壤有机碳含量造成了不同程度的损失。

2.3 采煤沉陷对土壤团聚体有机碳储量的影响

由表3可知，采煤沉陷显著降低了各个坡位＞5 mm土壤团聚体有机碳储量，对于2～5 mm土壤团聚体，仅减少了坡顶、坡下的有机碳储量，对于0.25～2 mm土壤团聚体，仅减少了坡顶的有机碳储量，而＜0.25 mm土壤团聚体，仅减少了坡顶、坡上的有机碳储量。采煤沉陷坡地不同部位＞5 mm土壤团聚体有机碳储量的变化规律与团聚体有机碳含量具有相似的变化规律，而2～5 mm、0.25～2 mm土壤团聚体有机碳储量没有明显的变化特征，采煤沉陷坡地自坡顶至坡底＜0.25 mm土壤团聚体有机碳储量呈现出不断增加的趋势。采煤沉陷坡地坡顶、坡上、坡中＞5 mm土壤团聚体有机碳储量明显高于＜0.25 mm土壤团聚体有机碳储量，其次是0.25～2 mm、2～5 mm；而采煤沉陷坡地坡下、坡底＞5 mm和＜0.25 mm土壤团聚体有机碳储量基本一致。因此，采煤沉陷显著减少了不同坡位＞5 mm土壤团聚体有机碳储量，而显著增加了不同坡位＜0.25 mm土壤团聚体有机碳储量，但采煤沉陷对0.25～2 mm、2～5 mm土壤团聚体有机碳储量的影响没有表现出明显的规律性。

由图2可知，采煤沉陷坡地不同坡位土壤有机碳储量具有较大的差别，煤炭开采引起的地表破坏显著减少了坡顶至坡下的土壤有机碳储量，而对坡底没有造成显著影响。采煤沉陷坡地坡顶至坡下土壤有机碳储量变化于27.20～30.36 t/hm2，其表现出不断减少的趋势；采煤沉陷坡地的坡底土壤有机碳储量最多，为37.98 t/hm2，显著高于沉陷坡地的坡顶至坡下土壤有机碳储量。采煤沉陷坡地坡顶、坡上、坡中、坡下土壤有机碳储量均显著低于CK，分别比未塌陷地土壤有机碳储量减少了8.19 t/hm2、8.21 t/hm2、9.11 t/hm2、11.34 t/hm2，即分别比CK减少了21.24%、21.31%、23.62%、29.43%；采煤沉陷坡地坡底土壤有机碳储量与CK无显著差异，仍比CK减少了0.56 t/hm2。采煤沉陷显著降低了坡顶至坡下土壤有机碳储量，表明采煤沉陷对土壤有机碳造成损失的范围是自坡顶至坡下的；土壤有机碳储量在坡底有所沉积，但相较于CK并没有显著增加。

3 讨 论

3.1 采煤沉陷对土壤团聚体空间分布特征的影响

煤炭开采引起的采煤沉陷坡改变了各个坡位土壤团聚体质量分数及其稳定性。在本研究中，采用的干筛法测得不同坡位的土壤团聚体含量以及MWD具有一定的差异性。一般将土壤团聚体按照粒径的大小分为大团聚体（＞0.25 mm）和微团聚体（＜0.25 mm），大团聚体越多表明土壤结构的稳定性越强［15］。采煤沉陷坡地自坡顶至坡下土壤大团聚体含量（＞0.25 mm）不断减少，而土壤微团聚体含量（＜0.25 mm）自沉陷坡地的坡顶至坡底不断增加，表明采煤沉陷坡自坡顶至坡下土壤结构不断变差，在坡底有所好转；这与采煤沉陷坡自坡顶至坡下的MWD表现出了相同的规律性，即土壤团聚体的稳定性自坡顶至坡下不断变差，而在坡底有所好转。郭志民［16］发现土壤受到的侵蚀越严重，＞0.25 mm土壤团聚体就越少，尤其是＞2 mm土壤团聚体表现得更为明显。采煤沉陷坡地自坡顶至坡下＞2 mm土壤团聚体不断减少，＜0.25 mm土壤团聚体不断增加，这表明采煤沉陷坡地自坡顶至坡下土壤侵蚀不断加剧，土壤团聚体结构受到的破坏程度越来越大，这与张合兵等［11］的研究结果一致；其认为在采煤沉陷区，沉陷坡顶至下坡为侵蚀区，而坡脚为土壤沉积区。本研究中采煤沉陷坡地自坡顶至坡底＞5 mm土壤团聚体含量越来越少，而土壤微团聚体含量（＜0.25 mm）越来越多，说明土壤侵蚀破坏了沉陷坡地上部的大团聚体，产生了更小的可移动颗粒，由于水蚀的分选性［17］，导致土壤微团聚体自坡顶向沉陷坡坡底迁移并堆积。

3.2 采煤沉陷对土壤团聚体有机碳含量的影响

土壤不同粒级团聚体有机碳含量作为土壤有机质平衡和矿化速率的微观表征，对土壤肥力和土壤碳汇具有双重意义［18］。采煤沉陷坡地各个部位不同土壤团聚体有机碳含量的研究结果表明微团聚体（＜0.25 mm）有机碳含量最多；而有研究表明土壤中的微团聚体有机碳含量低于大团聚体［19］，也有研究表明土壤微团聚体有机碳含量高于大团聚体［9］。土壤侵蚀产生的消散及分解作用破坏了大团聚体，使得原本受到大团聚体保护的闭蓄态颗粒有机物释放出来，进而减少了土壤团聚体的有机碳［3］。采煤沉陷坡地自坡顶至坡下土壤受到的侵蚀程度不断增加，造成了不同坡位各粒径土壤团聚体有机碳含量不断减小，而沉陷坡地的坡底土壤受到的侵蚀程度最小。采煤沉陷坡地土壤有机碳含量自坡顶至坡下不断减少而在坡底显著增加；这与陈龙乾等［20］的研究不一致，即土壤有机碳自上坡至中坡越来越少，自中坡至坡底越来越多；而胡振琪等［21］认为土壤有机碳在采煤沉陷坡地的坡中和坡底损失最为严重。采煤沉陷对不同坡位土壤团聚体产生不同的破坏程度，削弱了团聚体的固碳作用，从而降低了土壤有机碳含量。

3.3 采煤沉陷对土壤团聚体有机碳储量的影响

土壤团聚体能够稳定和保护土壤有机碳，且与土壤有机碳的数量和质量关系密切［22］。本研究结果表明采煤沉陷坡地各个坡位土壤有机碳储量以＞5 mm土壤团聚体最高，其次是＜0.25 mm土壤团聚体，这与Jastrow等［23］的研究结果表现出一致的规律性，即土壤大团聚体比微团聚体含有更多的有机碳，也就是土壤大团聚体有机碳储量高于微团聚体有机碳储量。采煤沉陷坡地自坡顶至坡下，＞5 mm团聚体有机碳储量越来越少，而＜0.25 mm土壤有机碳储量越来越多，表明采煤沉陷坡自坡顶至坡下土壤大团聚体破坏的程度不断增加，形成了可移动的微团聚体，受到土壤侵蚀的影响，在沉陷坡底不断沉积；这与程静霞等［24］的研究具有一定的差异，即土壤有机碳储量在沉陷坡的上坡、中坡和下坡无显著变化，均显著低于坡底；而在本研究中采煤沉陷坡地的坡下土壤有机碳储量最低，有机碳损失得最严重。

4 结 论

（1）煤炭开采引起的沉陷坡显著改变了土壤团聚体含量的空间分布。采煤沉陷显著减少了＞5 mm土壤团聚体含量，且自坡顶至坡底越来越少；采煤沉陷显著增加了2～5 mm、0.25～2 mm和＜0.25 mm土壤团聚体含量，而2～5 mm和0.25～2 mm土壤团聚体含量自坡顶至坡底先增加后减少，＜0.25 mm土壤团聚体自坡顶至坡底越来越多；采煤沉陷坡地MWD自坡顶至坡底不断增加；表明采煤沉陷坡自坡顶至坡下土壤结构和稳定性越来越差，在坡底则有所好转。

（2）采煤沉陷坡不同坡位＜0.25 mm土壤团聚体有机碳含量最高，各粒级土壤团聚体有机碳含量自坡顶至坡下不断减少，在坡底则有所增加。采煤沉陷坡土壤有机碳自坡顶至坡下不断减少而在坡底显著增加。采煤沉陷坡土壤有机碳含量与土壤侵蚀密切的关系。

（3）采煤沉陷显著减少了不同坡位＞5 mm土壤团聚体有机碳储量，而显著增加了不同坡位＜0.25 mm土壤团聚体有机碳储量。煤炭开采引起的采煤沉陷坡对土壤有机碳库造成了不同程度的损失，并在一定程度上加剧了温室效应。