内蒙古草原露天矿区复垦地重构土壤碳氮比差异及影响因素研究

王玲玲 ，况欣宇，曹银贵, ，黄雨晗，王 凡，白中科

（1.中国地质大学（北京）土地科学技术学院，北京 100083；2.自然资源部土地整治重点实验室，北京 100035）

煤炭资源是不可再生资源，随着其不断开采，会对煤矿区土地利用和生态环境产生或轻或重的负面影响[1-2]，煤炭开采造成的土地浪费、生态破坏早已经成为了全球性的问题[3]，早在第二次工业革命后，各国就开始了对矿产资源的采掘，使土地遭到了破坏[4]，国外的复垦工作研究起步较早，煤矿区的土地复垦问题最早在德国和美国受到重视和关注，随后也召开了一系列有关土地复垦的会议，使其在全球范围内的研究也更加深入[3]。中国是矿业大国，矿区开挖严重破坏了当地的生态坏境，据数据统计，中国煤炭资源开发过程中，因采矿破坏的各类土地超过400 万hm2，并以1.3 万hm2/a 的速度增长，露天采区尤为严重[5]，如不注重土地复垦、环境修复，矿区终将形成土地荒芜、环境恶化，经济衰退的局面[6]。

土壤碳氮比是土壤有机物中碳的总含量与氮的总含量的比值，其主要通过影响微生物繁殖和活动来影响有机质的分解速率，从而影响土壤碳氮循环，是评价土壤质量的重要指标[7]，同时它也是衡量土壤碳氮营养平衡状况的指标[8]，它的变化会影响土壤微生物生物量和有机肥中元素的固定与释放，进而影响土壤肥力和土壤碳氮循环[9]。土壤碳氮比较小时，微生物分解活动能力会增强，从而使土壤有效养分增加[7]；碳氮比较高时，虽然能提高土壤固定有机碳的能力，但土壤氮素活性低，作物生长可能会受到氮素供应不足的制约[10]；适当的土壤碳氮比例，有助于土壤微生物发酵分解。受一些因素影响，导致土壤中碳和氮在空间分布上呈现非均匀性[11-13]，目前国内对土壤碳氮比的研究主要集中在不同的土地利用方式、地貌类型、温度等对碳氮比的影响及土壤碳氮比在空间尺度上的变异情况上，对土壤碳氮比的差异性研究还比较少，而研究矿区土壤碳氮比在未损毁地和复垦地上的差异性可为矿区土壤重构提供支撑。为此，以国家能源集团北电胜利露天煤矿未损毁地和复垦地南、北排土场为研究对象，以采样测试所得不同剖面的有机质和全氮数据为基础，采用方差分析和相关分析的方法，旨在探索草原露天矿区未损毁地和复垦地南、北排土场土壤碳氮比的差异及影响因素，为矿区重构土壤土壤质量的提高提供一定的理论依据。

1 研究区概况

北电胜利矿区一号露天煤矿地处内蒙古高原东北部，深居内陆，位于内蒙古锡林郭勒盟锡林浩特市西北部伊利勒特苏木境内，地表东西长6.84 km，南北宽5.43 km、含煤面积37.14 km2，地质储量为1 934.43 t，可开采的地质储量1 854.79 t，平均剥离率为2.59 m3/t。研究区包含3 座外排土场，分别为南排土场、北排土场和沿帮排土场，其中南、北排土场覆土以下为煤泥。胜利矿区一号露天煤矿排土场位置示意图如图1。整个矿区地势较平坦，属温带半干旱大陆性季风气候区，气候特点可概括为春季风大多干旱，夏季温热雨集中，秋高气爽霜雪早，冬季寒冷风雪多，年均气温1.7 ℃，年降水量294.74 mm，年平均蒸发量为1 794.4 mm[14]，属于典型草原地带性植被类型区，植被覆盖率为40%～75%。目前，此煤矿区以草甸土为主，构成非地带性土壤，有机质为2%～3.68%，土壤养分状况一般为缺磷、富钾、中氮，pH 值约为8，并且在土壤表层约20 cm 以下存在明显钙积层。

2 材料与方法

2.1 样品采集与处理

采样时间为2017 年9 月，在矿区原地貌未损毁地及南、北排土场复垦地分别随机布设3 个采样地，共布设9 个采样地，采样点情况见表1。

图1 胜利矿区一号露天煤矿排土场位置示意图

表1 采样点情况

在每个土壤剖面上，利用环刀分层采集0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm 土壤样品，同时收集各层土壤布袋样，对样品用保鲜袋或密封袋封存并编号，用于测定土壤密度、土壤含水率等指标；用20 cm×30 cm 规格抽绳布袋分层采集0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm 土壤样品，用于测定土壤养分等指标。

2.2 数据测定

土壤理化性质包括：土壤含水率、土壤密度、pH值、有机质含量、全氮、有效磷和速效钾7 个指标。土壤含水率采用烘干法测定，土壤密度采用环刀法测定，土壤pH 值采用测定仪测定，土壤有机质含量采用高锰酸钾氧化法测定，土壤全氮采用半微量开氏法测定，土壤有效磷采用0.5 mol/L 碳酸氰钠浸提-钼锑抗比色法测定，土壤速效钾采用醋酸铵浸提-原子吸收光谱法测定。

2.3 数据分析

由于获得的数据中只有土壤有机质数据和土壤全氮数据，计算土壤碳氮比需要用到土壤有机碳数据，土壤有机碳数据计算方法利用1.724 的转换系数来进行计算[15-17]：

式中：SOC 为土壤有机碳含量，g/kg；SOM 为土壤有机碳含量，g/kg；C/N 为碳氮比；STN 为土壤全氮含量，g/kg。

利用SPSS22.0 软件对土壤碳氮比数据进行单因素方差分析（one-way ANOVA）检验，对土壤碳氮比与土壤理化性质进行相关分析，利用Excel 软件进行图表绘制。

3 分析结果

3.1 未损毁地与复垦地土壤碳氮比总体差异

对未损毁地与复垦地南、北排土场土壤碳氮比差异进行分析，土壤碳氮比总体差异如图2（柱状图上方字母不同表示差异性显著，下同）。

图2 土壤碳氮比总体差异

由图2 可知，复垦地南、北排土场土壤碳氮比均大于未损毁地，分别高43.76%和112.88%，且复垦地北排土场土壤碳氮比与未损毁地差异显著。复垦8 年的北排土场土壤碳氮比大于复垦4 年的南排土场，高48.08%，但差异不显著，这一结果表明复垦年限的增加不会对复垦地土壤碳氮比产生显著影响，但随着复垦年限的增加，实际复垦8 年的北排土场土壤碳氮比高于复垦4 年的南排土场。

3.2 未损毁地与复垦地土壤碳氮比的垂直差异性

按0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm 4个土层分析各场地土壤碳氮比的垂直差异。同一土层不同区域土壤碳氮比的差异性如图3。

图3 同一土层不同区域土壤碳氮比的差异性

由图3 可知，在4 个土层处，复垦地南、北排土场土壤碳氮比均大于未损毁地，北排土场土壤碳氮比最高。其中在0～10 cm 土层处，北排土场土壤碳氮比显著高于未损毁地，高45.80%。在10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm 土层处，土壤碳氮比差异均不显著。

3.3 未损毁地与复垦地土壤碳氮比的水平差异性

同一区域不同土层土壤碳氮比的差异性如图4。

图4 同一区域不同土层土壤碳氮比的差异性

由图4 可知，对比同一区域不同土层处土壤碳氮比发现，在未损毁地0～10 cm 土层处土壤碳氮比大于10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm 土层处，分别高14.12%、14.12%、8.73%，且差异显著。复垦地南、北排土场不同土层处土壤碳氮比差异均不显著，但均为30～40 cm 处最高，这可能与南、北排土场一定的覆土深度下存在煤泥有关。

3.4 土壤碳氮比与土壤理化性质的相关关系

矿区土壤碳氮比和土壤理化性质的相关性见表2。

由表2 可知，矿区土壤碳氮比与土壤含水率和土壤有机质呈极显著正相关，与速效钾呈显著正相关，相关强度大小为：土壤含水率＞有机质＞速效钾。矿区土壤碳氮比与土壤容重、pH 值、全氮呈负相关，与有效磷呈正相关，相关强度大小为：pH 值＞全氮＞土壤密度＞有效磷，但相关性均不显著。

表2 矿区土壤碳氮比和土壤理化性质的相关性

4 讨论

4.1 土壤含水率对土壤碳氮比的影响分析

土壤含水率与土壤碳氮比之间呈极显著正相关，即土壤含水率越高土壤碳氮比越高，这与李兴福等[18]和卓志清等[19]研究成果相一致，李智兰[20]的研究表明土壤含水率对土壤碳氮比造成影响是因为土壤中含水率大，土壤含氧量、氧化还原能力处于较低水平，土壤活力低，进而对其化学计量特征产生影响，最终影响土壤碳氮比。李红林等[21]研究也表明土壤水分对土壤系统元素运移及循环具有重要作用。

由未损毁地与复垦地土壤碳氮比的总体差异可知，复垦地北排土场土壤碳氮比大于未损毁地和南排土场，且与未损毁地差异显著。由北排土场3 个采样地的采样数据可知，北排土场3 个采样地0～40 cm 处的含水率大小均为30～40 cm 处最大，且以每个采样地的覆土深度为分界线，在覆土深度以下有明显增长，这可能与北排土场在土壤表层约20 cm以下存在煤泥有关，煤泥是煤粉含水形成的半固体物，是煤炭生产过程中的一种产品，煤泥水中含有大量的黏土矿物，矿物颗粒表面荷电性强、粒度细、比表面积大、极性高等造成煤泥水分高[22]，是导致北排土场整体土壤含水率较高的一个主要原因，间接导致北排土场土壤碳氮比高于未损毁地和南排土场。由于数据的有限性，煤泥对土壤碳氮比产生的具体影响仍需进一步分析研究。

4.2 土壤有机质对土壤碳氮比的影响

土壤碳氮比是评价土壤质量的重要指标，通过影响微生物的繁殖和活动来影响有机质的分解速率，在一定范围内，土壤碳氮比越高，土壤微生物分解有机残体的速度就越慢[19]，即一定范围内，土壤有机质与土壤碳氮比之间存在一定的正相关关系。本研究中土壤有机质与土壤碳氮比之间呈极显著正相关，这与张耿杰等[23]研究成果相一致，与卢志宏等[24]和徐薇薇等[25]的研究成果相似，卢志宏等研究结果表明土壤有机碳含量与土壤碳氮比之间呈极显著正相关，徐薇薇等研究结果表明土壤有机碳与土壤碳氮比之间呈显著正相关，研究中土壤有机碳是通过土壤有机质换算出来的，因此土壤有机碳和土壤有机质与土壤碳氮比之间的相关关系相同。与徐薇薇等的研究结果略有差异的原因可能是由于研究区域与所选样地的不同所导致的。

4.3 矿区复垦对土壤碳氮比的影响

在露天采矿的复垦地中，经过土壤重构后形成的新的土壤剖面，其表层土壤的理化性质与原地貌未损毁地存在明显差异[23]，本研究中原地貌未损毁地土壤碳氮比小于复垦地土壤碳氮比。矿区在复垦过程中选择种植一些耐贫瘠、生长较快、水土保持能力强、改良效果明显的植被类型，比如：紫花苜蓿、沙打旺、柠条等，这些植被的根系可疏通土壤，改善土壤的通气状况，加深活土层，固持土壤，防止水土流失[26]，并且紫花苜蓿与沙打旺混播对土壤质量有较好的改良作用[27]，对矿区复垦土壤的理化性质产生了较大影响，间接影响了土壤碳氮比。

复垦年限对土壤碳氮比的影响在研究区内不显著，但复垦8 年的北排土场土壤碳氮比大于复垦4年的南排土场。实际在矿区调查取样时南排土场植被长势优于北排土场，而土壤碳氮比是表征土壤质量的重要指标，因此南排土场土壤碳氮比大小对于土壤质量的提高更有利，但最优的土壤碳氮比例有待进一步研究。

5 结论

1）矿区未损毁地与复垦地南、北排土场土壤碳氮比大小为：北排土场＞南排土场＞未损毁地，且北排土场土壤碳氮比与未损毁地差异显著。在0～10 cm 土层处，北排土场土壤碳氮比显著高于未损毁地，在未损毁地0～10 cm 土层处的碳氮比显著高于10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm 土层处的碳氮比。

2）矿区土壤碳氮比与土壤含水率和土壤有机质呈极显著正相关，与速效钾呈显著正相关，相关强度大小为：土壤含水率＞有机质＞速效钾。

3）随着复垦年限的增加，实际复垦8 年的北排土场土壤碳氮比要高于复垦4 年的南排土场，但差异不显著。