覆土厚度对复垦土壤团聚体稳定及有机碳贡献率的影响

摘要 为了探究覆土厚度对复垦土壤团聚体稳定及有机碳贡献率的影响，采用干筛法、湿筛法测定不同覆土厚度下土壤机械稳定性、水稳定性团聚体、团聚体有机碳分布，计算稳定性参数及有机碳贡献率，分析覆土厚度对其的影响。结果表明，在同一粒级下，随着覆土厚度的增加，团聚体有机碳含量呈先增加后减少的趋势。覆土0～20 cm的>0.25 mm水稳定性团聚体含量最大、土壤团聚体团粒指数最小，覆土为60～80 cm的土壤机械稳定性和水稳定性团聚体平均重量直径、几何平均直径、团聚体稳定率最大，团聚体破坏率最低，是研究区最适合微生物活动及土壤根系生长的覆土厚度，研究结果对煤矸石充填复垦土壤的合理利用及可持续发展具有重要意义。

关键词 采煤沉陷区；土地复垦；覆土厚度；土壤团聚体稳定性；有机碳贡献率

中图分类号 S 151.9  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2023）07-0068-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.07.017

Effects of Cover Thickness on Stability of Aggregates and Organic Carbon in Reclaimed Soil

JIANG Zhi-yang1，LONG Lin-li1，CHENG Hai-yan2，3，4 et al

（1.School of Earth and Environment， Anhui University of Science and Technology， Huainan，Anhui 232001;2.Anhui Coal Mine Green and Low-Carbon Development Engineering Research Center， Huainan，Anhui 232000;3. Ping’an Coal Mining Engineering Technology Research Institute Co.， Ltd.， Huainan，Anhui  232033;4. Huainan Mining （Group） Co.， Ltd.， Huainan，Anhui 232001）

Abstract In order to explore the effects of cover thickness on the stability of soil aggregates and the contribution rate of organic carbon， the mechanical stability of soil， the water stability aggregate and the organic carbon distribution of aggregates under different cover thicknesses were determined by dry sieve method and wet screen method， the stability parameters and organic carbon contribution rate were calculated， and the influence of cover thickness was analyzed. The results showed that under the same particle level， with the increase of the thickness of the cover， the average content of aggregate organic carbon showed a trend of increasing first and then decreasing. The > 0.25 mm water stability aggregate content of 0-20 cm of the covered soil was the largest， the soil agglomerate particle index was the smallest， the average weight diameter， geometric average diameter and agglomerate stability of the soil mechanical stability and water stability aggregates with a soil cover of 60-80 cm are the largest， the agglomeration failure rate was the lowest， and it was the most suitable soil thickness for microbial activities and soil root growth in the study area， and the research results were of great significance for the rational utilization and sustainable development of the reclaimed soil filled with gangue.

Key words Coal mining subsidence area;Land reclamation;Cover thickness;Soil agglomeration stability;Organic carbon contribution rate

基金项目 国家自然科学基金项目（41572333）；平安煤炭开采工程技术研究院有限责任公司项目（HNKY-PG-WT-2021-260）；安徽省高等学校自然科学研究项目（KJ2021a0423）。

作者简介 蒋志洋（1996—），男，安徽淮南人，硕士研究生，研究方向：复垦土壤肥力提升。通信作者，教授，博士，博士生导师，从事矿山生态安全与土壤质量提升研究。

收稿日期 2022-05-27

据政府间气候变化专门委员会（IPCC）统计，全球农业减排的自然总潜力有93%来自土壤固碳，现土壤固碳潜力、土壤固碳机制、影响因素等已成为土壤碳库的研究重点［1］。利用煤矸石充填复垦是改善复垦区域土壤结构、实现矿区土地复垦与生态重建的重要手段。矿区复垦后会优先用于农业生产［2］，了解其土壤养分情况尤为重要，其中土壤有机碳含量是衡量土壤肥力的重要指标，可以灵敏地反映复垦措施对土壤肥力的影响［3］。土壤团聚体是土壤结构的基本单元，在稳定和保护土壤有机碳方面有重要作用［4］。因此，复垦土壤团聚体稳定性及有机碳含量已成为衡量复垦区域土壤质量的重要指标［5］。

目前土壤团聚体稳定性研究以水稳定性团聚体为主，评价指标包括团聚体稳定率（WSAR）［6］、平均重量直径（MWD）［7］、几何平均直径（GMD）［8］、>0.25 mm团聚体含量（R0.25）［9］、团聚体破坏率（PAD）［10］和不稳定团粒指数（ELT）［5］等。国内外学者针对矿区复垦土壤团聚体影响因素的研究，主要考虑复垦方式、施肥方式等措施对土壤结构的影响。例如，金永昌等［11］研究表明合理的复垦方式有利于团聚体有机碳的形成；高健永等［12］研究复垦土壤团聚体稳定性对施肥的响应发现，施肥处理可显著提高复垦土壤团聚体有机胶结物质含量，施肥处理影响胡敏素含量进而影响土壤机械稳定性团聚体的形成；Liu等［13］研究表明保护性耕作能增加土壤蓄水量，形成大量发育良好的土壤团聚体，提高土壤结构稳定性。但鲜有研究覆土厚度对煤矸石充填复垦土壤团聚体分布及有机碳含量的影响，对于复垦土壤不同粒级团聚体的有机碳在不同覆土厚度的分布特征还不明确。

为了探究复垦区域覆土厚度对土壤团聚体稳定及有机碳贡献率的影响，笔者采用干筛法、湿筛法测定团聚体含量，计算机械稳定性团聚体平均重量直径（DMWD）、机械稳定性团聚体几何平均直径（DGMD）、水稳定性团聚体平均重量直径（WMWD）、水稳定性团聚体几何平均直径（WGMD）、>0.25 mm团聚体含量（R0.25）、团聚体破坏率（PAD）、团聚体稳定率（WSAR）、土壤不稳定团粒指数（ELT）等土壤稳定性指标，研究不同覆土厚度下有机碳分布及贡献率特征，剖析覆土厚度对土壤团聚体稳定性参数及各粒级团聚体有机碳贡献率的影响，以期为煤矸石充填复垦土壤的合理利用及可持续发展提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于安徽省淮南市潘集矿区，地处淮河中游，淮南市北部，属暖温带季风气候。受季风气候的影响，冬夏长，春秋短，四季分明。年平均气温14.3～16.1 ℃，极端最高气温41.6 ℃，极端最低气温-22.2 ℃。年日照时数2 298 h，年降水量905.6 mm，年无霜期215.5 d。研究区塌陷总面积3 544 hm2，常年积水面积合计1 200 hm2，2005年利用煤矸石为沉陷区充填基质，经机械反复碾压后上覆剥离表土，共治理沉陷区面积约37.96 hm2。该复垦区域以草地为主，地形较为平缓，经现场调查后按覆土厚度为0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm选择样地，修复区域土壤物理、化学性质如表1所示。

1.2 样品采集

采样前用取土钻探测生态修复区域覆土厚度，按覆土厚度为0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm选择立地条件相似的5个典型样地。同时，在复垦区附近未塌陷区域的农田设采样区作为对照（CK）。在每个样地按“S”型布设5个采样点，采样前剔除石块、植物残体、树叶等杂物，每个采样点采集3个子样点的表层土壤（0～20 cm）混合均匀组成一个样品，约1 kg，同时现场拍照并记录采样点的基本信息于装有土样的自封袋上，带回实验室自然风干后，将大土块按自然纹理剥离成直径约1 cm的小土块作为待测样品。

1.3 土壤团聚体稳定性和有机碳贡献率计算方法

机械稳定性团聚体采用干筛法［14］测定，称取一定质量的待测土样，放入孔径分别为3.20、2.00、1.00、0.50、0.25 mm的套筛中，底层安放无孔底盒，顶部有筛盖。装好土壤后，用人工手筛的方法分离土样，从上部依次取筛，将各级网筛的土样分别称量计重，得到粒径>3.20、>2.00～3.20、>1.00～2.00、>0.50～1.00、>0.25～0.50和≤0.25 mm的机械稳定性团聚体质量。

水稳定性团聚体采用湿筛法［15］测定，根据干筛后的各级团聚体分布比例配成一份100 g的混合土样，将100 g混合土样放入孔径为2.000 mm的筛子中，用蒸馏水浸泡10 min，以振幅为3 cm、20～30次/min的频率振荡，振荡时土样淹没在水面之下。过筛后取筛上土样称重，即为>2.000 mm团聚体；再将过筛后的土样采用同样方法过2.000、1.000、0.500、0.250、0.100、0.053 mm的筛，分离称重筛上土样，即可得到>2.000、>1.000～2.000、>0.500～1.000、>0.250～0.500、>0.100～0.250、>0.053～0.100、≤0.053 mm的水稳定性团聚体质量，分离出的土壤团聚体土壤有机碳采用重铬酸钾外热法［16］测定。