露天煤矿土地复垦生态系统碳库动态变化研究进展

露天煤矿土地复垦生态系统碳库动态变化研究进展

碳在水、气体、岩石和生物圈的循环中起作用。这是自然界与人类密切相关的重要物质之一（贾宇平，2004）。目前,全球大气CO煤炭开采在推动社会经济发展和满足人类能源需求的同时也造成了生态环境的严重破坏(李晋川等,2015)。根据《2001中国国土资源公报》显示,我国矿山生态环境破坏和污染十分严重,累积毁坏土地面积约4×10目前,美国俄亥俄州立大学碳管理和固存中心(CarbonManagementandSequestrationCenter)的Lal、Shrestha等学者对美国中西部阿巴拉契亚山煤田复垦过程中碳库及其动态变化过程进行了较为深入和系统的研究,而国内学者也对平朔露天煤矿及黑岱沟露天煤矿复垦碳库进行了一定程度研究。总体来说,目前对露天煤矿复垦生态系统碳库的研究尚不完善:从研究区域上讲,美国露天煤矿碳库研究较为系统,其他国家则尚不充分;从研究内容上讲,土壤碳库研究较多,植被碳库的研究较少,土壤碳库中有机碳库研究较多,而无机碳库研究较少。鉴于此,本文从露天煤矿复垦生态系统碳库构成、露天煤矿开采过程中碳损失、土壤碳库总量研究、土壤碳库恢复趋势与累积速率研究、植被碳库总量及总碳库分布等角度总结国内外露天煤矿复垦生态系统碳库研究进展,并展望未来研究重点,以期进一步认识土地复垦中生态系统碳库变化特征,为矿区土地复垦提供新的研究思路和理论支持。1土壤碳库构成露天煤矿复垦生态系统碳库主要包括植被碳库和土壤碳库(图1),其中,植被碳库又包括地上植被碳库、地表凋落物碳库以及地下植被碳库;土壤碳库包括土壤有机碳库和土壤无机碳库。从全球范围来讲,湿润和半湿润矿区土壤碳库多以有机碳形式存在;干旱和半干旱矿区土壤碳库主要以无机碳形式存在(Shresthaetal.,2006;余健等,2014)。2采煤对土壤理化性质的影响露天煤矿开采生态系统碳损失主要表现在植被固碳能力的彻底丧失和土壤固碳能力下降方面,其中,植被固碳能力丧失是由于采煤过程中植被被移除导致,土壤固碳能力下降是由于采煤过程中土壤物理性质(土壤结构、湿度、稳定性)、化学性质(土壤养分及pH、重金属、盐分)等的改变引起土壤团聚体破坏,有机质分解导致。据Akalaetal.(2001)和Ghose(2001)等估计,露天煤矿开采中土壤有机碳损失约为80%。3生态系统分类依据矿区复垦后土地利用方向,露天煤矿复垦生态系统主要有3类:林地生态系统、草地生态系统和耕地生态系统。目前对林地、草地生态系统研究较多,而对耕地生态系统碳库研究较少。3.1复垦林地土壤有机碳含量阿巴拉契亚山煤田复垦37年松树林地土壤有机碳含量为148~154Mg·hm总而言之,由于植被配置模式、立地条件、人为干扰等因素差异,各矿区复垦林地土壤有机碳含量在几十到上百Mg·hm3.2草地生态系统Akalaetal.(2000)发现阿巴拉契亚山煤田复垦25年草地0~30cm土层土壤有机碳含量为36.7Mg·hm总之,复垦草地生态系统土壤有机碳含量变化范围为0~100Mg·hm3.3不同生态系统土壤有机碳库Shresthaetal.(2007)发现俄亥俄州矿区,0~5cm土层中土壤有机碳含量表现为干草地>牧草地>林地,0~30cm表现为干草地=牧草地>林地>未扰动林地=中度扰动耕地。李俊超等(2015)发现黑岱沟矿区,0~10、10~20cm土壤有机碳含量表现为草地>灌木>乔木>自然恢复地,而刘伟红等(2014)发现,山西平朔露天煤矿土壤有机碳含量整体表现为林地>耕地>草地。有学者提出,随着复垦时间增加,不同生态系统土壤有机碳库差异可能会越来越小,如Andersonetal.(2008)认为俄怀明州11~26a复垦地草地、灌木地土壤有机碳(13~40Mg·hm此外,复垦后土地利用方向的变化引起的生态系统变化也会对土壤碳库产生影响。Ussirietal.(2005)等发现草地生态系统转换成澳洲松10年后0~50cm土层土壤有机碳增加6Mg·hm综上所述,俄怀明州、内蒙古黑岱沟等干旱区矿区复垦初期草地恢复模式较林地和耕地更有利于土壤有机碳累积(Andersonetal.,2008;李俊超等,2014),而俄亥俄州、山西平朔等降水条件较好的矿区,复垦初期林地恢复模式较草地和耕地有利于土壤有机碳累积(Sperow,2006)。随着复垦时间的延续,某些矿区不同生态系统间土壤碳库的总量还可能会趋于一致。此外,复垦方向的改变会引起土壤有机碳总量的改变。4生态系统土壤碳储量恢复趋势与碳积累率4.1复垦后土壤有机碳的变化Akalaetal.(2002)认为草原和森林生态系统复垦前5年土壤有机碳含量在下降;5~10年间,草原、森林复垦地土壤有机碳处于一个迅速增长期;25年后草原地土壤有机碳处于一个稳定水平,而森林地尚未达到稳定水平。复垦林地生态系统土壤有机碳库达到再稳定时的含量要大于复垦草地,但是在前25年,草地要大于森林。Guzmanetal.(2014)认为Muskingum煤矿复垦0~3年过程中土壤有机碳含量是减少的。Paletal.(2014)认为印度Gumgaon矿复垦5年和10年后土壤有机碳分别较复垦初期增加了22.2%和19.18%。丁青坡等(2007)等认为抚顺矿区复垦后0~5年土壤有机碳呈现减低趋势,5年以后开始呈现升高趋势。概括来说,由于露天煤矿复垦是破坏的生态系统重新建立的动态过程,因此,露天煤矿复垦生态系统碳库总体遵循“U”型动态恢复过程(图2),即生态系统碳库由未扰动前的稳定状态,到煤矿开采后严重损失状态,再到土地复垦后碳库不断增加,最后达到再平衡的过程。如图2所示,露天煤矿复垦后生态系统碳库再平衡后与扰动前碳库总量相比,可能高于(A)、等于(B)或者低于(C)后者。露天煤矿复垦生态系统碳库这种“U”型动态变化特征是其和其他未扰动陆地生态系统碳库的最大不同之处。4.2复垦土壤中机碳的增长Andersonetal.(2008)认为俄怀明州露天煤矿土壤有机碳累积速率前十年较快,十年以后增速减缓;Akalaetal.(2001)认为俄亥俄州矿区复垦15~20年间土壤有机碳快速增长,之后增速降低,25年以后增速减缓;Shresthaetal.(2009)发现俄亥俄州东北部露天矿复垦10~15年土壤有机碳增速达到顶峰,10~15年后增速随时间增加而降低;Šourkováetal.(2005)发现捷克Sokolov露天矿土壤有机碳复垦15年内增长较快,25年后增速减缓。综合各露天煤矿区土壤有机碳年均增长量(表1),可以看出复垦林地土壤有机碳年均增长量为0.20~6.27Mg·hm总体来说,复垦初期(约10~20年)土壤有机碳增速较快,复垦后期增速下降。各生态系统土壤有机碳的年均增长量在0.20~6.27Mg·hm5土壤碳库总量及与植被碳库关联研究目前露天煤矿复垦中植被碳库研究较少,从现有研究结果来看,植被碳库的变动范围在几十到上百Mg·hm露天矿复垦林地和草地生态系统总碳库在植被和土壤中分布不同。总体来说,林地生态系统植被碳库大于土壤碳库,而草地生态系统则是土壤大于植被。Karuetal.(2009)发现复垦地生态系统碳库51%存储在植被中;Shresthaetal.(2010)发现林地复垦1年时,土壤碳库占总碳库的94%,复垦时间超过14年时,土壤碳库的比重下降到36%;草地复垦1年时,土壤碳库比重为95%,复垦超过25年时则为89%;Frouzetal.(2009)认为矿区自然恢复林地土壤碳库占植被碳库的21.8%;复垦林地土壤碳库占植被碳库的98.1%。Amichevetal.(2008)的研究结果显示,复垦松树林地总碳库的7%存储在土壤中,硬木林地14%存储在土壤中。就全球范围陆地生态系统来讲,土壤碳库较植被碳库储量大。Dixonetal.(1994)认为全球2/3碳存储在土壤中,1/3存储在植被中;Lal(2005)认为植被碳库与土壤碳库之比随着纬度升高而增大,高、中、低纬分别为1.06~0.15、1.90~0.67、8.70~7.50;Houghtonetal.(1985)、Schlesinger(1986)认为全球3/4碳存储在土壤中。总之,复垦林地生态系统总碳库在植被和土壤中的分布和全球生态系统总碳库分布规律不一致,其原因目前尚未有明确结论。6树龄与固碳速率据Stephensonetal.(2014)的研究,乔木固碳的速率与树龄有关,即树龄越大,固碳速率越快。但目前对露天煤矿复垦植被碳库影响因素的研究并不多,相反对土壤碳库影响因素的研究则较为成熟。总体来说,土壤碳库累积影响因素主要有土壤理化性质、地上植被、复垦年限、立地条件以及复垦工艺等。6.1土壤理化性质与土壤理化性状的关系史娜娜等(2015)认为土壤碳储量与土壤孔隙度、全氮、有机质均呈显著正相关。王芸(2014)、刘伟红等(2014)等认为土壤有机碳与全氮、全钾含量呈正相关,与土壤pH值、容重呈负相关。王同智等(2014)认为复垦地土壤有机质与土壤水分、土壤孔隙度呈正相关,与土壤容重、土壤黏粒含量和土壤pH值呈负相关,而Shietal.(2013)认为黏土更有利于土壤有机碳累积,唐骏等(2015)发现土壤有机碳与表层含水量关系不密切,与10~100cm深层土壤含水量具有极显著的相关关系。总而言之,从土壤的化学性质讲,土壤有机碳和土壤全氮含量关系最紧密,和其他元素的关系因研究区的不同而不同。从土壤的物理性质讲,由于土壤碳输入来源于凋落物、根系生物量、微生物量而输出主要通过土壤呼吸、细菌分解(Littlefieldetal.,2013;Macleanetal.,1986),因此,土壤孔隙度、团聚体对土壤有机碳的存储有重要作用,即土壤中团聚体多而孔隙度小抑制了土壤呼吸和细菌分解,从而有利于土壤有机碳存储;相反,则不利于土壤有机碳储存(Shresthaetal.,2009)。6.2刺槐地土壤环境因子与植被生物量交互作用唐骏等(2015)认为苜蓿和沙打旺较大程度的提高了表层土壤有机碳含量,而冰草和甘草对0~100cm各土层有机碳含量提高均有一定的作用;Keskinetal.(2009)发现复垦过程中刺槐地虽然没有日本金松Sciadopitysverticillata地森林蓄积量大,但刺槐地森林生物量向土壤有机碳转化率比后者更高;王金满等(2013)认为土壤质量和植物生物量关系密切,两者都呈现“S”型变化,且符合Logistic生长演替模型;土壤环境因子与植被生物量二者交互作用明显,符合Kolmogorov捕食模型。总之,地上植被是土壤有机碳的主要来源,因此,不同植被类型对不同土层有机碳库的累积影响不同。6.3坡度对土壤有机碳含量的影响复垦地立地条件对碳库也有显著影响。例如,从坡位上讲,土壤有机碳含量表现出坡底>坡中>坡顶;从坡度上讲,坡度在0~15°范围内土壤有机碳含量随着坡度增加而增加,在6~15°达到最大值,之后随坡度增大而减小,当坡度大于35°时土壤有机碳含量最低;从坡向上讲,土壤有机碳含量表现出阴坡<阳坡<半阳坡<半阴坡(王平等,2015)。6.4施肥和除草对土壤有机碳的影响复垦措施也会影响土壤有机碳累积。Shietal.(2013)认为复垦时沙土中掺入黏土可以改变土壤生物量和碱解氮,降低可溶性碳的分解率,从而更加有效地固存养分和有机质。Shresthaetal.(2009)发现复垦时用稻草覆盖表土对土壤有机碳增加作用不显著,而施肥和深耕则有利于土壤有机碳累积,其中,施肥尤其是增施有机肥可以显著提高土壤活性有机碳(范继香等,2012)。土地复垦时长期表土堆积会引起土壤有机碳的损失,而表土剥离后直接覆表土复垦则不仅有利于保护表土中的有机碳(Andersonetal.,2008)而且还对复垦过程中土壤有机碳的累积起到加速的作用(Akalaetal.,2001)。7关于未来研究的展望总体来说,露天煤矿土地复垦加速了矿区碳库的恢复,使矿区由“碳源”向“碳汇”演变,这对于矿区尺度碳均衡有重要意义。未来矿区土地复垦中应注重排土场微地形优化,筛选适宜物种,优化植被配置模式和改进复垦措施,以加快矿区复垦生态系统碳库恢复。从目前研究来说,国内外对露天煤矿复垦生态系统碳库的研究范围主要涉及碳库总量、碳库累积速率、碳库分布及碳库累积影响因素研究等方面的内容,未来的研究可能还需要加强以下几方面的研究:(1)加强植被碳库研究。植被碳库是矿区生态系统碳库的重要组成部分(Maetal.,2015),也是土壤碳库的重要来源(Zhaoetal.,2015)。研究植被碳库随复垦时间的动态恢复过程及植被碳库与土壤碳库的相互作用机理对充分认识露天矿复垦生态系统碳库具有重要意义。(2)加强土壤无机碳库的研究。土壤无机碳库是干旱矿区土壤碳库的主要组成部分,但目前学术界对土壤无机碳库在露天矿复垦过程中的变化认识仍较浅薄,强化对土壤无