不同利用方式下复垦土壤的有机碳组分空间分布特征

以济宁市粉煤灰充填复垦中的园地、耕地和林地为研究对象,研究不同利用方式对复垦土壤的有机碳组分空间分布的影响。通过现场分层采集土样和室内化验指标,研究有机碳组分(WDOC、POC、MOC、LFOC、HFOC、MBC)在不同利用方式土壤中的空间分布特征。结果表明:(1)3种利用方式的全碳(TC)、土壤有机碳(SOC)和土壤有机碳密度(SOCD)均偏低于对照耕地。不同利用方式之间TC、SOC和SOCD的大小关系均为复垦园地复垦林地复垦耕地。(2)不同利用方式之间有机碳组分差异明显(P0.05),SOC与各组分之间均表现为极显著正相关,且关系密切。通过对组分进行相关性分析、比重分析和敏感性分析发现,MOC和HFOC的含量偏低是导致复垦土壤有机碳低于对照耕地的根本原因。(3)根据有机碳组分丰富度指数发现,复垦园地的组分在0—40cm土层恢复较好,复垦林地在40—60cm土层恢复较好,复垦耕地恢复效果一般。在0—60cm土层的综合指数上表现为复垦园地复垦林地复垦耕地。通过对3种利用方式的有机碳组分空间分布特征进行分析后发现,在济宁市平阳寺镇的粉煤灰充填复垦地中,利用成园地效果最好,值得进一步推广。     

不同充填复垦方式下土壤有机碳的空间分布特征

以济宁煤矿复垦区为研究对象,研究不同充填材料对土壤有机碳(SOC)和土壤有机碳密度(SOCD)空间分布的影响。通过对黄河沙(M1)、湖泥(M2)、矸石(M3)、煤灰(M4)和客土(M5)等充填材料的复垦地进行分层采样和室内化验分析,找出影响充填复垦土壤的SOC及SOCD分布的因素。研究表明:(1)5种复垦土壤的SOC含量在4.19?11.29 g·kg-1之间,SOCD在3.41?10.09 kg·m-2之间。与对照耕地相比,五种复垦土壤的SOC含量均显著偏低(P0.05)。除M2b和M5的SOCD大于或等于对照耕地的SOCD外,其他复垦土壤的SOCD均小于各自对照耕地的SOCD;(2)复垦土壤的SOC和SOCD在表层集聚,随着土层深度增加,除了M4b,其余复垦土壤的SOC和SOCD均呈逐渐降低的趋势;(3)从恢复效果来看,不同充填材料对SOC和SOCD在0?60 cm土层的总值具有一定的影响,五种充填材料对有机碳的恢复效果由好到差为:M2M5M1M4M3。结论:充填层的充填材料会影响在0?60 cm土层SOC和SOCD的总值,但不影响剖面分布。SOC和SOCD在不同土层深度(0?20 cm、20?40 cm和40?60 cm)与碱解氮、有效磷和速效钾呈显著或极显著的正相关,因而说明复垦土壤覆土层的土壤养分情况会影响SOC和SOCD的土壤剖面分布。     

采煤塌陷地不同复垦方式下土壤有机碳的恢复速率研究

以济宁采煤矿区中充填复垦区、挖深垫浅区和区域调平区的土壤为研究对象,研究不同复垦方式下土壤有机碳(SOC)的恢复速率。运用元素分析仪和同位素质谱仪测定土样SOC含量、常量元素(全碳(TC)、全氮(TN)、全氢(TH)、全硫(TS))和稳定性碳同位素(δ13C)。结果表明,(1)在0~60 cm土层间,3种复垦土壤的SOC均值均小于各自对照耕地,在不同土层深度(0~20、20~40、40~60 cm)间,复垦土壤的SOC含量均显著(P0.05)小于相应对照(挖深垫浅区在40~60 cm和区域调平区在0~20 cm除外)。(2)充填复垦区的SOC、TC和TN含量与对照相比均偏低,TS含量和C/N比显著偏高,挖深垫浅区和区域调平区的TC、TN、TH、TS含量和C/N比与对照基本保持一致。(3)通过lg SOC与δ13C的周转模型得出3种复垦土地的SOC恢复速率差异明显(P0.05),不同复垦方式会对不同深度土层间的δ13C造成不同程度的扰动,对覆土层土壤层次的扰动程度越小,有机碳的恢复速率就越快。因此,相对于充填复垦方式,非充填复垦方式对土壤的扰动更小,SOC的含量更高,恢复速率更快。     

典型复垦地的SOC和δ~(13)C分布特征及与土壤理化特性的关系

在济宁市采煤矿区中,选取充填复垦(M1)、非充填复垦(M2)和预复垦(M3)的地块研究土壤有机碳(SOC)和稳定性碳同位素(δ~(13)C)的空间特征并筛选敏感理化指标,分析SOC和δ~(13)C与土壤理化特性的关系,比较不同复垦方式的恢复效果。研究表明:(1)3种复垦方式中,M2的SOC含量已恢复到正常耕地的水平,M1和M3的SOC含量与各自对照相比仍有一定的差距。M1的δ~(13)C在数值和变化趋势上和CK1相比有较大差异,M2的δ~(13)C值在表层(0～20 cm)与CK_2有微小差异,M3的δ~(13)C值在0～60 cm土层间均有微小差异。(2)通过与筛选出的敏感理化指标进行相关性分析,发现SOC受敏感化学指标的影响较大,δ~(13)C值受敏感物理指标的影响较大。(3)非充填复垦方式中SOC恢复效果最好,对土壤层次损伤最小,土壤理化指标的副敏感最轻,因而建议济宁矿区优先使用非充填复垦方式进行矿区塌陷地治理。     

机械压实对复垦土壤粒径分布多重分形特征的影响

在高潜水位矿区复垦施工现场,运用多重分形理论研究不同碾压次数下复垦土壤粒径分布特征,以阐明机械压实对复垦土壤粒径分布非均匀性和异质性的影响。结果表明:机械碾压在46.8%~99.9%程度上解释0~20和20~40 cm土层土壤粒径分布特征的变化,随着碾压次数增加,复垦土壤颗粒呈细粒化趋势,容量维D(0)随之减小,表征粒径分布范围减小;奇异谱对称性Δf随之增加,表征粒径分布不对称性增加;信息维D(1)、信息维/容量维D(1)/D(0)、关联维D(2)和奇异谱谱宽Δα随之波动变化,表征粒径分布集中程度、局部密集程度和均匀性波动变化。研究发现D(1)和D(1)/D(0),D(2)和Δα相关系数分别0.767(P0.01)和-0.488(P0.05),在表征复垦土壤粒径分布集中程度和均匀性上具有相似作用,多重分形参数可多角度描述机械碾压过程中土壤粒径分布的细微差别,其中D(0)、Δα和Δf能够灵敏反映复垦土壤紧实度变化,这为深入研究复垦土壤压实问题提供一种精确分析方法。     

高潜水位煤矿区完整复垦周期的土壤碳演变特征

在济宁高潜水位矿区的充填复垦区内,分析完整复垦周期的土壤碳演变特征。通过从塌陷地(M1)、复垦年限为0,3年的复垦耕地(M2、M3)以及正常耕地(M4)采集土样并检测土壤全碳(TC)、有机碳(SOC)、有机碳密度(SOCD)、有机碳组分(WDOC、POC、MOC、LFOC、HFOC、MBC)及稳定性同位素(δ13C),研究不同复垦周期阶段下土壤碳空间特征的变化情况。研究表明:(1)塌陷地的TC、SOC、SOCD和各有机碳组分含量较低。经过复垦措施期后,SOCD在复垦当年就恢复到正常耕地的水平,TC和SOC含量随着复垦年限不断增加。WDOC、POC、LFOC、MBC等组分恢复速率较快,MOC和HFOC恢复周期较长。(2)TC、SOC、SOCD和各有机碳组分的恢复速率随着土层深度的增加逐渐减缓。(3)复垦土壤的δ13 C均值在不同深度间的差异较小,而标准差和变异系数偏大,说明复垦土壤层次不明显且同一层次间土壤来源混乱。从整个复垦周期来看,复垦工作虽具有"碳汇"作用,但会对土壤层次造成破坏。建议进行塌陷地治理时,尽量采用对土层扰动较小的复垦方式,对表土剥离和回填工序进行优化和监督,从而达到更好的恢复效果。