高潜水位矿区复垦土壤有机碳空间特征研究——以济宁矿区为例

摘要

高潜水位矿区采煤塌陷地的治理问题已成为时下关注度很高的社会热点问题.土地塌陷会造成土壤养分和土壤层次的严重重构和变异,进而造成作物的减少甚至绝产,对我国的粮食安全战略造成严重的潜在风险.目前,国内外专家学者对土地塌陷的治理措施的研究很多,取得了很大的社会、经济和生态效益,为了维护我国经济和社会的稳定做出重大贡献.土地复垦是治理土地塌陷的所有工程措施的总称.但是由于早期复垦工作经验不足,复垦后因过于追求土地平整而使用大型机械进行反复压实致使土壤紧实度偏高,同时存在表土剥离落实不到位的情况,因而土地复垦存在复垦理论不成熟、充填材料成本高,复垦土壤质量恢复慢的缺点.此外,土壤有机碳是衡量土地质量和土壤肥力的重要指标,也是衡量矿区土地复垦恢复效果的重要指标.因此,在土地塌陷(自然因素)和土地复垦(人为因素)的双重影响下,矿区土壤有机碳的空间特征如何变化亟需探究.实验区位于高潜水位矿区中的济宁矿区内,以不同的复垦土壤为研究对象,通过野外采样和实验分析,研究高潜水位矿区复垦土壤有机碳的空间特征. 在这项研究中,选择了不同充填方式(引黄充填复垦、引湖充填复垦和客土充填复垦)、不同利用方式(园地、耕地和林地)和不同复垦工艺(充填复垦、非充填复垦和预复垦)的复垦土壤为研究对象,以土壤有机碳(SOC)总量、土壤有机碳组分(WDOC、POC、MOC、LFOC、HFOC和MBC)和土壤有机碳层次(基于δ13C值)为研究指标,同时以周边正常耕地为对照.所采集的土样全部在山东农业大学土肥资源高效利用国家工程实验室完成化验和数据分析工作.旨在从不同复垦角度分析土壤有机碳的空间特征,探究在不同外界条件下所施用的最佳的复垦方式,进而为高潜水位矿区的采煤塌陷地的科学治理提供数据支撑和依据. 研究结果表明:(1)不同充填方式的复垦土壤的有机碳空间特征 在有机碳总量方面,充填复垦土壤的SOC的恢复效果最好的是M2,其次是M3,最差的是M1.复垦土壤的SOC具有表聚性,其含量随着土深逐渐减少.复垦土壤SOC表层所占比重大于深层,其中M1和M3的深层SOC占比明显偏低.对有机碳总量的损伤由大到小:M1＞M3＞M2;在有机碳组分方面,充填复垦土壤的表层有机碳组分状况优于深层(MBC除外),MOC和HFOC的均值和分层值均显著小于对照,并都呈大数值的负敏感且所占比重极大(占比均＞65%).此外,发现复垦后比重占比较大的组分下降较明显,比重占比较小的比重上升较明显.有机碳组分丰富度由大到小:M2＞M3＞M1.对有机碳组分的正敏感程度由大到小:M2＞M1＞M3.负敏感程度由大到小:M1＞M2＞M3;在有机碳层次方面,充填复垦土壤的δ13C值普遍偏低,0-60cm间的变化较小.通过土层波动分析发现,三种复垦土壤均存在土壤层次不明显,土壤来源一致性较差的问题.综上发现,无论采用那种充填复垦方式,其有机碳含量都不能在短时间内恢复到正常耕地水平,有机碳组分恢复效率差别较大,复垦土壤的层次性均较差.相对来看,引湖充填的恢复效果最好,客土充填其次,引黄充填效果较差. (2)不同利用方式的复垦土壤有机碳的空间特征 在有机碳总量方面,SOC的恢复效果最好的是M4,其次是M6,较差的是M5.M4和M5的表层有机碳占比偏大,而M6的深层有机碳占比明显偏大.不论利用方式如何,粉煤灰充填复垦会照成SOC含量的流失.M4在表土层的负敏感较低,M6在底土层的负敏感较低,M5的负敏感都很高;在有机碳组分方面,M4的有机碳组分在0-60cm土层都具有表聚性,M5的有机碳组分在20-60cm土层内含量稳定,M6则出现了深层有机碳组分(MOC和HFOC)含量增加的现象.三种利用方式的MOC和HFOC均值均显著小于对照耕地且都存在大数值负敏感的问题且占比重较大(占比＞60%).复垦后,组分比重变化幅度较明显(MBC除外).此外,有机碳组分丰富度:M4＞M6＞M5.对有机碳组分的正敏感程度:M4＞M6＞M5.组分负敏感程度:M5＞M4＞M6;在有机碳层次方面,三种复垦土壤的δ13C值在0-60cm土层中均显著小于各自对照,不同利用方式的复垦土壤的差异主要存在40-60cm土层中.通过土层波动分析发现,粉煤灰充填的不同利用方式都对土壤层次具有一定的保护作用,但仍然存在土壤来源一致性差的问题.综上发现,对于同一种充填复垦方式(本文是粉煤灰充填复垦)来说,虽然没有一种利用方式可以短时间内完全恢复到正常耕地的水平,但不同的利用方式的特点都比较明显.相对来看,复垦园地的恢复效果最好,复垦林地其次,复垦耕地效果较差. (3)不同复垦工艺的复垦土壤有机碳的空间特征 在有机碳总量方面,复垦土壤的SOC恢复程度由高到低依次是:M8＞M9＞M7,复垦土壤的SOC含量都具有表聚性,其含量均随着土层深度逐渐减少.M7和M8与对照之间在各土层深度的占比差异不大,M9的表层占比明显偏大.SOC对M7产生负敏感较强,而对M8和M9产生的负敏感较弱甚至为正敏感;在有机碳组分方面,绝大多数有机碳组分均具有表聚性,其含量均随着土层深度逐渐减少.复垦土壤的MOC和HFOC含量均显著小于对照耕地,WDOC和MBC均显著大于对照耕地.通过比重分析发现,MOC和HFOC所占比重较大(占比＞60%),MBC所占比重极小(占比＜0.5%).复垦后土壤中的POC和LFOC(M9除外)比重增加,WDOC和MBC的比重无明显变化,MOC和HFOC的比重减少.同时发现,MOC和HFOC在0-60cm土层间均呈负敏感,其中M8的负敏感程度明显轻于M7和M9.复垦前后,不同复垦工艺的组分变化幅度由大到小依次是:M7＞M9＞M8.此外,有机碳丰富度:M8＞M9＞M7.土壤有机碳组分的正敏感程度:M8＞M7＞M9,负敏感程度:M7=M9＞M8;在有机碳层次方面,M7的δ13C值无论是在数值上还是在变化趋势上,与CK7都有较大差异,M8的δ13C值无论是在数值上还是在变化趋势上均与CK8相似,M9与CK9的变化趋势一致,数值上具有微小的平行差异.通过土层波动性分析发现,M7的土壤层次不明显,土壤来源一致性不好.M8和M9的土壤层次和土壤来源一致性较好.综上发现,非充填复垦方式能够促使土壤有机碳短时间恢复到正常耕地的水平,同时土壤层次和土壤来源一致性保持的较好.预复垦作为充填复垦的"升级版",其能够尽可能保持土壤层次的前提下,加快土壤有机碳的恢复.而M7存在充填复垦的共性缺点.

目录

声明

符号说明

1引言

1.1选题背景及研究意义

1.2国内外研究现状

1.2.1矿区土壤有机碳总量的研究现状

1.2.2矿区土壤有机碳组分的研究现状

1.2.3矿区土壤有机碳层次的研究现状

1.3研究内容和技术路线

1.3.1研究内容

1.3.2技术路线

1.4小结

2材料与方法

2.1研究区概况

2.2复垦工艺介绍

2.2.1充填复垦方式

2.2.2非充填复垦方式

2.2.3预复垦方式

2.3实验设计

2.3.1不同充填方式的复垦土壤的有机碳空间特征研究

2.3.2不同利用方式的复垦土壤的有机碳空间特征研究

2.3.3不同复垦工艺的复垦土壤的有机碳空间特征研究

2.4研究方法

(3)丰富度分析

2.5小结

3结果与分析

3.1不同充填方式的复垦土壤的有机碳空间特征研究

3.1.1有机碳总量空间特征

3.1.2有机碳组分空间特征

3.1.3有机碳层次空间特征

3.2不同利用方式的复垦土壤的有机碳空间特征研究

3.2.1有机碳总量空间特征

3.2.2有机碳组分空间特征

3.2.3有机碳层次空间特征

3.3不同复垦工艺的复垦土壤有机碳空间特征研究

3.3.1有机碳总量空间特征

3.3.2有机碳组分空间特征

3.3.3有机碳层次空间特征

3.4小结

4讨论

4.1结果分析

4.2创新之处

4.3不足与展望

5结论

参考文献

致谢

攻读学位期间发表论文情况