高潜水位采煤沉陷区有机碳库演替特征研究*

渠俊峰 张绍良 李 钢 徐占军

(1.中国矿业大学低碳能源研究院;2.中国矿业大学环境与测绘学院;3.山西农业大学资源环境学院)

高潜水位煤矿开采导致地表破坏、推移、变形、土壤侵蚀、沉积等现象，形成深浅不等、大小不一的沉陷积水、季节性积水区和大面积的坡面区，在降水、径流、风力等因素的作用下，由陆地生态环境演变为水生生态环境，形成水陆相互作用的自然综合体［1］。2002年国际湿地公约对湿地进行了明确定义:湿地系指天然、人工或暂时之沼泽地、湿地、泥碳地或水域地带，具有或静止、或流动、或淡水、半咸水或咸水水体者，包括低潮时不超过6 m的水域。煤矿开采破坏地表的同时也扰动了矿区水资源的时空赋存条件，高潜水位采煤沉陷后出现大面积积水，煤矿区通常采用疏排积水结合煤矸石、粉煤灰充填和土方挖填等措施复垦新增耕地，但采煤沉陷区将仍存在一定的常年积水区，这部分区域符合湿地的定义和特征。一般来说，湿地是由植物、动物、微生物等生物要素和阳光、水分、土壤等非生物要素组成的生态系统，具有显著的生态“碳汇”功能［2］。对于森林生态系统碳汇方面的研究成果较多，但对于沼泽、湖泊和河流等各类湿地生态系统碳汇进行系统研究的较少，并且一些湿地生态系统作为陆地生态一部分，其碳循环尚未纳入陆地温室气体平衡的评估中［3-4］。本研究以徐州九里采煤沉陷区作为研究对象，对于未沉陷区域、未积水坡面区、积水坡面区和常年积水区的土壤有机碳密度进行分析，为促进经济效益和生态效益协调发展提供参考。

1 采煤沉陷区形成及其碳循环过程

1.1 采煤沉陷区湿地形成及治理

高潜水位煤矿持续开采导致地形、地貌的变化，同时也改变了原有的地表径流方向等水文条件，采煤沉陷区水位长期低于沉陷区外防洪河道水位，由于积水强排工程措施成本高，并且复垦后新增耕地的产出能力较低，后期的积水排除管理不便。另外农田的开垦一般会降低碳储量［5-6］，过度地将沉陷积水区域复垦为旱地将会影响土壤有机碳分布［7］，所以一般不将采煤沉陷区大面积积水区域复垦成耕地，采煤沉陷区碳循环过程中 CO2交换通量(NEE)、生态系统呼吸、土壤呼吸均存在明显变化［8］，沉陷积水区域作为景观生态湿地进行规划和开发既可以发挥景观功能，又可以实现碳汇的长期保持。保留采煤沉陷积水区的湿地特征不仅因地制宜、节约成本，而且还能充分发挥湿地涵养水源、净化空气、生态景观和有利于生物多样性等重要作用。徐州九里矿区、贾汪矿区和淮北矿区等一些高潜水位采煤沉陷区都规划了生态景观湿地公园。

1.2 采煤沉陷区“碳汇”、“碳源”转换过程

采煤沉陷区碳循环过程除了土壤有机碳时空分布等产生了变化外，还包括沉陷区、坡面区植被初级生产力(NPP)形成过程和有机碳分解、排放过程，沉陷区“碳汇”、“碳源”转换过程包括:①采煤沉陷区的植被通过光合作用和大气中的CO2形成NPP，并且释放CO2，植被残体在微生物作用下分解转化，分转化成CO2、颗粒有机碳(POC)、简单可溶性有机碳(DOC)，在微生物作用下形成基质或直接氧化为CO2(HCO－3);②采煤沉陷区中土壤有机碳的变化取决于外源碳输入量和土壤有机碳的分解量等，当外源碳在分解过程中进入土壤碳库的分量大于土壤有机碳分解的损失量时，土壤有机碳增加，反之则减少，两者相等时动态平衡。采煤沉陷区水文条件等要素的改变影响了其好氧与厌氧环境，从而导致采煤沉陷区导致生态系统物理及化学过程的变化［9-10］。采煤沉陷区湿地碳转化过程见图1。

图1 煤沉陷区湿地碳循环过程

2 高潜水位采煤沉陷区碳密度变化分析

2.1 基本情况

徐州九里煤矿区属于典型的平原高潜水位煤矿，该矿区投产时间在1960年，涉及张小楼、庞庄、东城、宝应和王庄 5个煤矿，目前沉陷区面积1 064 hm2，目前大部分矿区沉陷趋于稳定，2003年徐州九里采煤沉陷区被列为徐州市复垦重点工程项目并得到了实施，2005年徐州九里采煤沉陷区先后又进行了水系调整、沉陷区公园规划建设等。现状徐州九里采煤沉陷区面积分类见表1。

表1 徐州九里采煤塌陷地土地划分 hm2

在完成徐州九里采煤沉陷土地复垦工程的基础上，将低洼地带、常年积水区域规划为以生态修复和景观功能为目标的湿地，辅以蓄水、养殖和滞洪等功能，促进了沉陷积水资源化利用。除了在207.66 hm2常年积水区域规划了浮水植物、挺水植物和沉水植物外，在季节性积水等坡面区经过复垦也发展了一些水土保持生物措施，抑制水土流失导致土壤养分的下降，徐州九里采煤沉陷区地类结构分布见图2。

图2 徐州九里采煤沉陷区地类分布

2.2 采煤沉陷区土壤样本采集

徐州九里煤矿开采过程较长，先后经过了采煤前、采煤后和复垦前、复垦后4个阶段，采煤沉陷区的生态环境和土壤有机碳时空分布状态等具有一定的代表性，徐州九里采煤沉陷区土壤有机碳库的演替和分布特征也趋于相对稳定。煤矿开采前土壤有机碳的密度处于相对的稳定状态，但是采煤沉陷对于土壤出现了一定的扰动，根据土壤有机碳密度变化的特征，来说明采煤沉陷区有机碳的时空分布受到的影响和应该采取的增加碳汇的相关措施。徐州九里采煤沉陷区现状地貌外高内低，未沉陷区至沉陷洼地经过坡面区过渡带，从高到低依次为农田、未积水坡面区、季节性积水坡面区、常年积水坡面区、沉陷洼地积水区。沉陷区地带划分见图3所示。

图3 沉陷区地带划分

土壤的取样方法:①从沉陷边缘到沉陷水域，由高到低每降低纵深度的20%作为取样点，即在1个斜坡取样共分5个点，其中HM 0～HM 20%坡面区Ⅰ、HM 20% ～HM 40%坡面区Ⅱ和HM 40% ～HM 60%坡面区Ⅲ为不积水坡面区采样编号，HM 60%～HM 80%坡面区Ⅳ为季节性积水坡面区编号，HM 80%～HM 100%Ⅴ为常年积水区采样编号;②每一沉陷坡面共布置5个采样点，每一组采样点连线垂直沉陷区等高线，在沿沉陷区坡面均匀布置4组采样点，共取20个样本，在每个采样点按照1～20 cm、20～40 cm、40～60 cm 分别采样，4组沉陷区有机碳密度采样测试分析结果取相同点号的加权平均值，对照田土壤样本采自自然条件一样的平整农田。

2.3 土壤样本的测试方法

土壤样本测试的目的主要是研究土壤碳库的变化，所以有关土壤碳库影响的土壤理化性都要进行测试、分析。①土壤容重:放入烘箱烘干24 h称重。②有机质含量:TFC－203PCB土壤有机质测定仪测定。土壤有机碳含量和有机质含量按照Bemmelen系数相互转换。③土壤微生物活动指数:选用氯仿熏蒸法测定土壤微生物量，原理是将待测土样经氯仿熏蒸后，因熏蒸而死亡的微生物被后来加入的原土样中的微生物分解而释放出CO2，根据释放的CO2量和微生物矿化常数计算出该土样中的微生物量。④土壤孔隙度:采用公式法计算，土壤孔隙度=(1－容重/密度)×100。

2.4 土壤样本测试结果

采煤沉陷区土壤有机碳库空间密度的变化能够说明其演变特征，根据采煤沉陷区各土壤样本有机碳含量和土壤容重，计算不同类型区域单位面积的土壤有机碳密度OCj，计算公式为

式中，OCj是沉陷区第j个沉陷坡面的土壤有机碳密度(即PA M20% ～PA M100%，j=1～5);H是沉陷区土层厚度，0.4 m，取距表土约20 cm处土样，其土壤理化性质作为0～40 cm土层土壤理化性质的平均值;ρi是沉陷区第j个沉陷坡面区的第i个取样点的土壤容重;SOi是沉陷区第j个沉陷坡面区的第i个取样点的土壤有机质含量;(SOi)/1.724为沉陷区第j个沉陷坡面的第i个取样点的土壤有机碳含量，1.724为Bemmelen转换系数，即土壤有机质和土壤有机碳之间的转换系数。计算结果如表2所示。

表2 沉陷区不同取样点有机碳密度

2.5 土壤碳密度的变化讨论

根据高潜水位采煤沉陷区不同地带的土壤有机碳密度的测试结果，与未扰动的对照田土壤有机碳密度进行对照，其土壤有机碳库的变化有如下特征:①采煤沉陷区中坡面区未积水区域3个测试点的土壤有机碳密度测试结果均小于对照田土壤有机碳密度，则说明在煤矿开采形成未积水坡面区的过程中土壤有机碳发生了流失;②季节性坡面区由于水位受季节的影响发生变化，会在不同的季节发挥“碳汇”和“碳源”的双重角色，土壤有机碳的密度高于未积水区域的坡面区和对照田，其总体的土壤有机质分解率小于碳积累的速率，“碳汇”作用略微明显;③常年积水区的土壤有机碳密度均显著高出其他坡面区地带和对照田，形成了较为显著的“碳汇”，由于水文条件和地形、地貌条件的改变影响了采煤沉陷区有机碳密度的变化，在采煤沉陷区复垦中，从增加“碳汇”的角度进行生态修复，需要对于积水区域进行合理的规划。

3 结论

高潜水位采煤沉陷区的复垦、治理过程中，目前已经越来越多的考虑到生态的因素，随着国家对生态文明建设的日益重视，生态文明建设也将是采煤沉陷区开发治理面临的新课题。满足复垦新增耕地和生态效益协调发展的要求，需要提高复垦质量和增加沉陷区的“碳汇”功能。根据徐州九里采煤沉陷区土地复垦兼湿地规划治理的实证研究，增强采煤沉陷区“碳汇”功能的措施如下。

(1)采煤沉陷区水系理顺。理顺采煤沉陷区地表水系不仅仅是土地复垦的首要条件，也是采煤沉陷区确保相应的水量、不发生陆化的重要条件。应最大限度拦蓄降水、地表径流、客水、土壤渗水等，满足水资源循环过程中的渗漏、蒸发、生态耗水等，确保采煤沉陷区水位、水量相对稳定，减少采煤沉陷区土壤有机碳的分解速率。

(2)加强坡面区的水土保持工程。由于采煤沉陷造成大面积的斜坡，在降水径流和重力的作用下其保水、保肥性能较差。由于重力作用和地表径流等影响，使土壤中一些可溶性有机碳流失，降低了土壤有机质含量。根据土壤样本的有机碳库密度分析，坡面区土壤样本测试有机碳含量中显示低于对照的平整田块，其土壤有机碳流失非常显著，从客观上降低了坡面区生产能力，需要强化坡面区水土保持工程，增强地表植被的覆盖率，抑制坡面区地表水土流失，有效保护整个采煤沉陷区的产出能力。

(3)完善采煤沉陷区水域的植被规划。采煤沉陷区季节性积水和常年积水区符合湿地的定义和特征，并且发挥了“碳汇”的生态功能。湿地植被群落作为生态景观的重要因子，除了应考虑其景观要素外，还要综合考虑其采煤沉陷区生态修复过程中的作用。应根据景观需求、生态修复目标增加和完善采煤沉陷区的植被生物量，按照水面的空间梯度分别布局沉水植物带、浮水植物带、挺水植物带。

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