黄土丘陵区露天煤矿复垦排土场地形因子对土壤有机碳的影响*

王 平王金满，2刘伟红

（1.中国地质大学（北京）土地科学技术学院，北京市海淀区，100083；2.国土资源部土地整治重点实验室，北京市西城区，100035）

★节能与环保★

黄土丘陵区露天煤矿复垦排土场地形因子对土壤有机碳的影响*

王 平1王金满1，2刘伟红1

（1.中国地质大学（北京）土地科学技术学院，北京市海淀区，100083；2.国土资源部土地整治重点实验室，北京市西城区，100035）

为研究坡度、坡向和海拔等地形因子对黄土丘陵区露天煤矿复垦土壤有机碳空间分布的影响，选择山西平朔矿区安太堡露天煤矿西排土场为研究对象进行土壤采样，以1 m等高线图为基础图件在GIS平台下对等高线图进行数字化处理生成DEM，并进行综合分析，结果表明，黄土丘陵区复垦土壤有机碳含量与海拔呈负相关关系，但相关性不显著；坡度与有机碳呈显著单峰型曲线关系，二者拟合较好；坡向在一定程度上也会影响有机碳的空间分布，有机碳含量整体表现为：阴坡＜阳坡＜半阳坡＜半阴坡。

露天煤矿 土地复垦 地形因子 有机碳 黄土丘陵区

黄土高原地区煤炭资源丰富，大规模的煤炭开采破坏了该地区的地形地貌和水文生态等，为改善矿区的生态环境，需对露天煤矿排土场进行地貌重塑、土壤重构和植被恢复等活动。其中，对露天煤矿排土场进行地貌重塑后，会在一定程度上对土壤的多种特性产生影响，如土壤地貌重塑会通过影响地表养分资源的迁移与分配，进而影响土壤有机碳的积累和分解。因此，在科学准确的评价研究区域的植被恢复土壤固碳效应时，需要考虑因地形因子的差异而造成的土壤有机碳积累的差异。

当前关于地形因子对土壤碳汇的影响主要集中在原地貌上，针对复垦土地的较少。为弥补重构土壤有机碳因地形条件不同而导致的空间异质性方面的不足，以平朔安太堡煤矿西排土场为研究区域，研究地形因子对表层20 cm深的复垦土壤有机碳汇的影响。

1　材料与方法

1.1研究区概况

平朔矿区地处山西省北部，朔州市平鲁区境内，属于典型的温带半干旱大陆性季风气候，平均降水量为428.2～449.0 mm/a。矿区地带性土壤为栗钙土与栗褐土的过渡带，土壤有机碳含量比较低，土壤质量不高。平朔矿区位于低山丘陵带，分布在黄土高原东部生态脆弱地区。山西平朔矿区安太堡露天煤矿西排土场所处地理位置为E112°18′39″，N39°29′15"，1985年开始排弃，于1992年复垦，复垦面积为308.18 hm2。西排土场构筑的基底为疏水型，岩石土壤混合排弃，逐层堆叠、压实，然后将黄土母质直接覆盖在地表上，由此形成了边坡与平台相间的大型人工堆积地形。

1.2样品采集与测定

通过Arcgis软件，对研究区1 m等间距的等高线图和高程点进行数字化处理，生成数字高程模型（栅格2 m×2 m），对生成的DEM提取海拔、坡度和坡向地形因子。综合分析DEM和World-View-2卫星遥感影像，进行土壤采样点预设。

根据研究区的实际情况总共设置63个采样点，采集0～20 cm深的表层土壤，每个样地设置3个重复，使用坡度仪来测量样地的坡度，利用罗盘仪测定样地的坡向，并且用GPS记录每一个样地所处地理位置的海拔高度。

首先挑去野外采集到的样品中混杂的砖头、瓦块及树根等侵入体，再采用四分法取样后，过2 mm土壤筛，研磨样品直至能够通过100目土壤筛，然后使用重络酸钾外加热氧化法来获取土壤中有机质的含量，最后把有机质的含量转换为有机碳的含量。采用国际上常用的0.58作为有机质与有机碳之间的转换系数。采用国际上通用的SPSS17.0统计分析软件，对不同处理之间的数据进行统计分析。

图1　安太堡西排土场遥感影像和DEM土壤采样分布图

2　结果与分析

2.1坡度对土壤有机碳含量的影响

坡度是通过影响热量及物质的分配来影响土壤中养分的含量。根据研究区的实际情况，将坡度划分为6个坡度等级，分别为＜2°、2°～6°、6°～15°、15°～25°、25°～35°和＞35°，其对应的坡度级分别是Ⅰ～Ⅵ级。在坡度与土壤有机碳的关系分析中，把各个坡度分级范围内所对应的有机碳均值作为有机碳数值。

把研究区的土壤有机碳的克里格差值图和坡度图进行叠加，输出坡度与有机碳二者相对应的属性数据库，并进行坡度与土壤有机碳含量的相关性分析，二者的相关分析如图2所示。从图中可以看出，有机碳含量在各个坡度间存在着差异。坡度在0°～15°范围内，土壤有机碳随坡度的增加呈上升的趋势，在6°～15°坡度范围内达到最大值，为7.19 g/kg，之后出现转折，随坡度的增大土壤有机碳含量逐渐减少，坡度＞35°时，有机碳含量出现最低值，为4.69 g/kg。对坡度和土壤有机碳进行曲线拟合，拟合曲线最终呈单峰型曲线，拟合公式为:

式中:x——坡度等级，级；

y——土壤有机碳含量，g/kg；

r——相关系数。

2.2坡向对土壤有机碳含量的影响

对研究区的采样点进行坡向的划分，并且使用GPS来测定采样点的方位，由此确定了东、南、西、北、西南、西北、东南和东北8个方向线，并且确定了四分区，分别为阳区、半阳区、半阴区和阴区。其中，西南方向线和东南方向线相夹的区域为阳区（135°～225°），西南方向线和西北方向线相夹的区域为半阳区（225°～315°），东南方向线和东北方向线之间的部分为半阴区（45°～135°），西北方向线和东北方向线之间的部分为阴区（0°～45°）和（315°～360°）。

图2　坡度等级与土壤有机碳关系

图3　采样区坡向分类图

分析土壤有机碳与坡向的关系时，把各个坡向分级范围内所对应的有机碳均值作为有机碳数值。4个不同坡向所对应的表层复垦土壤有机碳的含量见表1。从表中可以看出，复垦后表层的土壤有机碳的含量按着坡向由低到高为:阴坡＜阳坡＜半阳坡＜半阴坡。

表1　不同坡向土壤有机碳统计分析

2.3海拔对土壤有机碳含量的影响

海拔是用来表征地形变化的重要因子，一方面可以对水热条件产生影响，进而通过制约植被的类型、生产能力及土壤的性质，最终影响土壤有机碳的输入和分解，另一方面还会通过在垂直方向上影响土壤水热条件的分布，对土壤有机碳的积累和分解产生一定的影响。

由于采样区的海拔介于1400～1520 m，海拔高度相差较小，通过综合分析研究区的地形地貌等特征，以20 m为一个单元，将研究区的海拔划分为6个等级，依次为1400～1420 m、1420～1440 m、1440～1460 m、1460～1480 m、1480～1500 m和1500～1520 m。在研究分析海拔与有机碳的关系时，选取每个海拔等级范围内的有机碳含量的均值作为有机碳的含量值。

复垦土壤表层有机碳含量与海拔高度关系如图4所示。从图中可以看出，土壤有机碳的含量随着海拔的升高呈波动状态，但在整体上随海拔的增加呈现下降的趋势，但二者之间的相关性不显著。二者之间的直线拟合公式为:

式中:y——土壤有机碳含量，g/kg；

x——海拔，m；

r——相关系数。

海拔在1420～1440 m区段范围内，土壤有机碳含量达到最高，为8.04 g/kg，即为该区段土壤有机碳的最大值；海拔在1500～1520 m范围之间，有机碳含量出现最小值，为4.35 g/kg。

图4　海拔与表层土壤有机碳关系

3　讨论

坡度、坡向和海拔等地形因子是影响土壤与环境物质交换的重要条件和场所，不但能通过侵蚀使土壤有机碳的分布产生空间变异，还会通过影响水热资源的分配、植被的空间分布和土地利用方式的空间配置，影响土壤有机碳的输入和分解。

坡度与坡向主要是影响温度、光照及水分等的空间配置而对植被的蒸腾及土壤的养分迁移产生一定的影响，进而影响有机碳的分解，从而改变土壤有机碳的含量。

（1）研究表明，坡度与表层土壤有机碳之间呈单峰型的曲线关系，坡度增加土壤有机碳并不是无限地减小或是增加，而是先随坡度的增大而增加，当坡度达到15°～25°时，有机碳含量达到最大，之后又随着坡度的增大而逐渐降低。坡度会影响水分的入渗和地表径流等，坡度无论是过大还是过小都对土壤有机碳的空见分布产生不利的影响。坡度太大，地势会比较陡峭，土壤肥力较低，不利于植被的生长，从而会使植被向土壤中输送的有机碳含量降低，坡度大不利于水分的贮留，有机碳会随着水流流走，使得该地的土壤有机碳含量降低；当坡度较小时，地表水流速降低，水分入渗增大，土壤有机碳会随着土壤水分的垂向移动而发生淋失，同样不利于土壤有机碳的积累。

（2）坡向主要是通过对水分和温度产生影响，进而影响土壤有机碳的空间分布。阳坡光照充足，温度较高，微生物的活性较高，土壤有机质分解较快，导致土壤有机碳的含量较低；相反，阴坡温度低，生物活性差，有利于有机碳的积累。然而，研究中坡向与有机碳的关系整体表现为:阴坡＜阳坡＜半阳坡＜半阴坡，这与相关研究成果相悖。可能是因为研究区土壤为复垦土壤，表层土壤较大程度的受到人为的干扰，且复垦年限较短导致。

（3）海拔作为环境因子的综合体现，主要是通过影响温度、水分、植被和土壤性质等因子的交互作用而导致土壤碳库发生变化。研究结果表明，复垦土壤表层有机碳含量与海拔之间的相关性并不显著，这可能是因为研究区地形复杂多样，且采样的海拔高度相差不大，对有机碳空间分布的影响不大；另一方面可能是因为植被恢复后，地形重塑使得海拔对土壤有机碳的影响弱化。

由此可见，地形因子对表层土壤有机碳空间分布的影响极其复杂，与研究区域的地理环境联系紧密。坡度、坡向及海拔能够综合体现环境变量，不同环境变量梯度的植被类型和植被地带性存在差异，使得土壤具有不同的特性，进而影响土壤有机碳的空间分布；同时，温度、水分等生态因子发生变化也会影响土壤有机质的分解和积累。

4　结论

通过研究安太堡西排土场地形因子对复垦土壤有机碳空间分布的影响，得出了如下结论:

（1）有机碳含量随坡度的增加呈现先增加后降低的关系，在坡度为15°～25°时，有机碳含量达到最大值。

（2）复垦表层土壤有机碳含量受坡向影响，整体呈现为:阴坡＜阳坡＜半阳坡＜半阴坡。

（3）土壤有机碳含量随海拔升高逐渐降低，但受海拔影响不显著。

［1］ 程先富，史学正，于东升等.兴国县森林土壤有机碳库及其与环境因子的关系［J］.地理研究，2004（2）

［2］ 刘伟红.黄土丘陵区露天煤矿复垦土壤有机碳的变化特征及影响因素 ［D］.中国地质大学（北京），2014

［3］ 周莉，李保国，周广胜.土壤有机碳的主导影响因子及其研究进展［J］.地球科学进展，2005（1）

［4］ 王小利，郭胜利，马玉红等.黄土丘陵区小流域土地利用对土壤有机碳和全氮的影 ［J］.应用生态学报，2007（6）

［5］ 宋丰骥，常庆瑞，钟德燕.黄土高原沟壑区土壤养分空间变异及其与地形因子的相关性 ［J］.西北农林科技大学学报（自然科学版），2011（12）

［6］ 孙文义，郭胜利，宋小燕.地形和土地利用对黄土丘陵沟壑区表层土壤有机碳空间分布影响 ［J］.自然资源学报，2010（3）

［7］ 李晋川，白中科.露天煤矿土地复垦与生态重建——平朔露天矿的研究与实践 ［M］.北京:科学出版社，2000

［8］ 秦倩，王金满，王洪丹等.采煤塌陷地不同填充介质水力特性对比研究［J］.中国煤炭，2015（2）

（责任编辑 孙英浩）

我国矿产资源市场化配置程度进一步提高

日前，国土资源部公布的初步统计数据显示，2015年上半年，我国共出让探矿权461个，同比下降22.7%；出让价款为7.06亿元，同比下降56%。出让采矿权1002个，同比增长19%；出让价款为51.26亿元，同比增长208.6%。以招拍挂方式出让探矿权、采矿权的比例分别为41.9%和89.2%，占比较2014年同期分别提高2.6个百分点和1.8个百分点，矿产资源的市场化配置程度进一步提高。

Impact of topographical factor on soil organic carbon in reclamation spoibank of an opencast coal mine in loess hilly area

Wang Ping1，Wang Jinman1，2，Liu Weihong1
（1.College of Land Science and Technology，China University of Geosciences，Haidian，Beijing 100083，China；2.Key Laboratory of Land Regulation Ministry of Land and Resources，Xicheng，Beijing 100035，China）

In order to study impact of gradient，slope aspect，altitude and other factors on reclamation soil organic carbon spatial distribution in opencast coal mine of loess hilly area，the authors selected soil sample from West spoibank of Antaibao opencast coal mine，Pingshuo，Shanxi as object of study，and digital processed contour map to DEM under GIS platform basing upon 1 m contour map.According to comprehensive analysis，the results indicated that in loess hilly area，the carbon content of organic reclamation soil was negatively correlated with altitude，but the correlation was not significant；the relationship between slope and organic carbon had a significantly single peak curve and preferably matching；and slope aspect affected spatial distribution of organic carbon to a certain degree.The overall performance of organic carbon content from low to high were cloudy slope，sunny slope，semi-sunny slope and semi-cloudy slope.

opencast coal mine，land reclaimed，topographical factor，organic carbon，loess hilly area

S153.6+21

A

王平（1991-），女，硕士研究生，从事土地复垦与植被恢复方面的研究。

国家自然科学基金项目（41271528）