0.   引　　言

土壤碳库是地球陆地生态系统中最大的碳库，由土壤有机碳库和无机碳库两部分组成^[1]。地球陆地碳三分之二储存于土壤有机质中，据估算全球土壤碳储量达到2200～3000 pg，其含量高于全球生物碳储量和大气碳储量，为生物碳储量的2～3倍，大气碳储量的2倍^[2-3]，陆地土壤有机碳是地球植被总碳量的3倍，参与地球陆域碳循环总碳量中80%的碳量以土壤有机碳形式存在于土壤中^[4]。陆地生态系统碳储量及其变化直接影响全球碳平衡，陆地生态系统变化深刻影响着土壤碳库分布、组成、结构和功能^[5-6]。目前国内外在土壤碳排放和土壤固碳过程、固碳机制、固碳潜力等方面^[7]，具体涉及森林^[8]、草地^[9]、农田^[10]等类型的生态系统。矿山生态系统是一种受人类活动高强度干扰的复合生态系统。煤矿开采过程严重扰动了土壤结构和生态系统，必然对矿区土壤有机碳库产生剧烈扰动。刘英等^[11]发现露天煤炭开采将导致矿区碳汇用地面积缩减、景观破碎化、固碳能力下降。李帆等^[12]研究发现采矿区排土场的复垦对总碳储量与固碳量产生了积极的作用,使得碳储量出现一定增加趋势。

露天开采通过剥−采−运−排−复等生产环节将煤层上覆表土和岩层全部剥离运移，并占用大量土地形成松散堆积的外排土场和内排土场，对矿区水文、地形、地貌、生态等都产生了“翻天覆地”的影响。一方面必然引起矿区的土壤有机碳变化；另一方面，大量自然表土未能将合理地剥离堆积，导致后期复垦覆土时无土可用，复垦区表土瘠薄、土壤稀缺，只能参杂大量其他破碎岩土。这种以采矿业等产生的固体废弃物为母质,经整理改良,促使其风化、熟化而成的一类特殊土壤被分类为“矿山土”^[13]。排土场矿山土的重构与改良成为露天矿区生态修复的重点和难点。然而，在矿区生态修复工程实践中，由于植被覆盖更能直观快速体现生态修复表象，露天矿区生态修复易存在“重植被、轻土壤”的现象。

掌握露天矿排土场矿山土有机碳含量累积的影响因素和恢复提升策略，是排土场生态修复成功的关键。当前针对露天矿排土场土壤碳库相关研究主要集中在组分特征^[14]、动态变化^[15]、影响机理及固碳增汇技术^[16]方面。余健等^[5]2014指出矿山土微生物和植物利用的有机碳是不稳定有机碳，其对碳平衡有重要影响。矿山土有机碳含量主要受土壤理化性质和地上植被等因素的影响^[17]，形成了以施加有机肥、菌根技术、植被恢复土壤固碳等为代表的固碳增汇技术。李俊超等^[18]研究了露天煤矿排土场边坡在4种不同植被重建模式下的土壤有机碳储量变化。席梅竹等^[19]综述了国内外露天煤矿复垦土壤碳库受植被、地形及土壤理化性质的影响。然而，现有研究大多仅立足于一个个单独的露天矿，研究影响土壤碳库的因素或碳增汇的方法，缺乏对矿区尺度的大型露天开采对土壤有机碳扰动的影响及其恢复策略等问题的宏观研究，也是顺应碳中和目标、支撑区域高质量发展和能源产业生态文明建设的关键所在，因此，科学开展矿区土地复垦与生态修复迫在眉睫^[20]。

以我国准格尔大型露天矿区为研究区，综合考虑剥采－压占－复垦－利用多个环节，定量分析大规模露天采矿对土壤有机碳库的扰动，并分析排土场矿山土有机碳恢复的影响因素和提升策略。研究对于露天矿区矿山土有机碳恢复，矿山土提质增效，实现可持续生态修复等具有指导意义。

1.   研究区概况与数据分析方法

1.1   研究区及其挖损压占情况

准格尔矿区位于我国“三区四带”国家生态安全屏障体系的黄河重点生态区，也是京津风沙源区，总面积7692 km²，年煤炭产量超3亿t，是我国重要的煤炭主产区，共有露天煤矿60座，其中东部16个，西南33个，西部11个。区域内有砒砂岩、风积沙和黄土沟壑区等多种典型地形地貌；植被类型为典型干草原植被，以针茅，柠条，沙棘等为主；土壤类型主要为黄土、黄绵土，其他土壤类型有栗钙土。该矿区东部多为黄绵土，土壤条件好；西部多为风积沙区，土层瘠薄，生态修复难度大；西南部沙土含量高。

研究基于2021年8月的哨兵二号遥感影像，采用目视解译提出了东部、西南部、西部3个矿群露天煤矿挖损压占的空间分布情况（图1）。分类统计分析表明，2021年8月准格尔露天采坑面积约占5842.34 hm²，其中东部矿群占2331.48 hm²，西南矿群占2815.34 hm²，西部矿群占695.54 hm²。排土场面积共有9624.96 hm²，其中东部矿群2702.92 hm²，西南矿群5261.54 hm²，西部矿群1660.50 hm²。

图  1  2021年8月准格尔旗露天煤矿挖损压占情况

Figure  1.  Mining and dumping of Jungeer banner open-pit coal mines in August 2021

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1.2   土壤有机碳取样测试分析

2021年12月对该区域云凯、金正泰等9个典型露天煤矿进行土壤样品采集，采样点分布于自然区域、排土场未复垦区以及排土场复垦区的边坡和平台，剔除了一些异常点位，最终分别为15个、44个和90个点，共计149个采样点（图2），保留的149个采样点涵盖了排土场平台和边坡不同植被恢复类型、不同复垦年限、不同立地条件等要素。按照网格法设立样方现场采集土壤样品，分别在自然区域、排土场未复垦区以及排土场复垦区的边坡和平台布设样方，在1 m × 1 m样方内采用五点法取样，取样深度为0～50 cm，并送至实验室化验其土壤养分含量（有机碳、全氮、水解性氮、速效磷、速效钾）。采用土壤紧实度仪、环刀以及标准格网筛现场测量土壤紧实度、容重以及砾石含量；采用土壤团粒分析仪获取样品粒径分布；利用GPS记录采样点坐标。

图  2  采样点的空间分布

注：绿色点位于自然区域，红色点位于排土场

Figure  2.  Spatial distribution of sampling points

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土壤有机碳含量是指单位面积中一定厚度的土层中土壤有机碳的储量。土壤碳储量是指区域范围内一定厚度的土壤有机碳总质量，单位为kg。分别通过式（1）和式（2）计算土壤有机碳密度和有机碳储量^[21]。

式中：C为土壤有机碳密度；C_OS为土壤有机碳含量，g/kg；D为土壤厚度，cm；D_B为土壤容重，g/cm³；θ为直径>2 mm的砾石含量；T_SOC土壤有机碳储量；S为研究区面积。

采用式（3）可计算SOC变化：

式中：ΔT_SOC为研究区土壤有机碳储量变化量；C₀为研究区初始状态下的土壤有机碳密度平均值，kg/m²，S₀为研究区现有挖损区和排土场总面积，m²;C₁为研究区现有状态下的排土场未复垦土壤有机碳密度平均值，kg/m²；S₁为研究区现有排土场面积，m²。

2.   结果分析

2.1   排土场矿山土有机碳及其他特征分析

排土场矿山土是在露天开采和复垦过程中，由于爆破、剥离、运输、堆积、混堆等工艺导致大量物质混堆所形成；其土壤的结构、形态及理化性质等与自然土壤具有显著区别，易限制后期植物生长^[22]。以准格尔旗矿区自然土壤为例，该区开采前为典型黄土丘陵沟壑区，土壤类型有栗钙土、风沙土、黄绵土等，土壤剖面从上到下依次可分为枯枝落叶层、腐殖层、风化层、母质层，采排复后有自然表层土壤完全消失。从物理指标来看，复垦后排土场的土壤紧实度、土壤容重、粒径分布、砾石含量等指标大于未扰动区土壤；而通气性、导水率等指标则小于自然土壤。土壤养分指标速效钾外，有机质、总氮、速效氮、速效磷等指标显著低于自然土壤。排土场植被盖度、生物多样性和土壤团聚体含量等生物指标均低于自然土壤(表1)。

表  1  研究区自然土壤与排土场矿山土基本特征对比

Table  1.  Comparison of basic characteristics between natural soil and mining soil in the study area

类型	来源	熟化程度	紧实度/kPa	容重/(g·cm−3)	有机碳含量/%	水解氮含量/(mg·kg−1)	持水能力	阳离子交换量	团聚体含量	砾石含量
自然土壤	岩石风化	高	≥700	≥1.36	0.7	45.06	高	高	高	低
矿山土	开采剥离物	低	≤500	≤1.30	0.19	22.54	低	低	低	高

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2.2   露天开采对矿区土壤有机碳库的扰动

露天开采前原地貌地表植物群落通过凋落物和根系生命活动（如根系周转、分解和根系分泌物等）等方式将光合作用固定的有机碳输入到土壤中^[23]。植物根系和土壤微生物、动物的呼吸作用消耗土壤有机质，产生CO₂释放到大气中，矿区土壤碳循环处于平衡状态。图3所示为露天开采对土壤有机碳库扰动及其恢复原理示意。一方面，露天开采过程中地表植被移除或受损、原有地层结构被破坏，导致土壤团聚体破坏、有机质分解，排放大量CO₂^[24]，矿区排土场碳循环处于失衡状态；另一方面，大量自然表土不规范剥离，无序混排，缺少自然表土覆盖的排土场矿山土有机碳含量极低，也就是说因开剥采不规范导致原有自然土壤有机碳严重损失，且无法用于后期生态修复；再一方面，由于大量地层岩土剥离物料来源于深部相对还原态的地下环境，松散堆积在地表后其中的一些矿物质将会发生氧化还原反应，将还原态的元素转化为氧化态，释放出CO₂。例如，一些铁矿物(如黄铁矿、赤铁矿等)和硫化物(如黄铜矿)会被氧化，导致C0₂的释放，或引起剥离物料中的碳酸盐溶解释放CO₂^[25]。可见露天矿区剥离采排以及排土场形成初期因矿物成份差异存在碳源过程的发生。

图  3  露天开采对土壤有机碳库扰动及其恢复原理示意

Figure  3.  Diagram of disturbance and restoration principle of soil organic carbon pool caused by open-pit mining

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准格尔旗东部、西部和西南部3个矿群开采规模差异明显，露天矿数量分别为16、11和33个。统计各矿群单位面积有机碳损失量呈现东部>西南部>西部的趋势，其原因主要是自然表土的厚度依次是东部>西南部>西部。露天开采对该区域土壤有机碳的扰动影响较大，其中准格尔旗东部、西部和西南部露天矿群土壤表层总有机碳分别损失了21.74万t、9.06万t、31.79万t。从表2和图4可看出，准格尔旗露天矿区表层土壤有机碳因开采扰动损失量严重，东部、西部和西南部3个矿群土壤有机碳损失与开采前相比占比依次为79.83%，89.81%，83.91%。西南部矿区土壤表层有机碳损失量在3个矿群中最多，其主要原因是西南部煤矿数量较多，损毁面积大，占矿区总挖损压占面积的54%。

表  2  准格尔矿区露天矿区土壤表层有机碳变化

Table  2.  Changes in soil surface organic carbon in the open−pit mining area of Jungar Banner

露天矿群	表层土总有机碳储量/万t		总表层土有机碳损失/万t	单位面积有机碳损失/(kg·m−2)	有机碳损失占比/%
	采前	采后
东部	27.24	5.49	21.74	4.32	79.83
西部	10.08	1.03	9.06	3.84	89.81
西南	37.88	6.09	31.79	3.94	83.91
总计	75.20	12.61	62.59	—	83.23

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图  4  准格尔矿区3个露天矿群表层土壤有机碳储量变化

Figure  4.  Changes of organic carbon storage in surface soil of three open−pit mining groups in Jungar banner

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2.3   排土场土壤有机碳库恢复的影响因素分析

2.3.1   排土场土壤有机碳与相关环境因子之间的关系

根据研究区采样点的测试数据，分别对排土场边坡和平台土壤有机碳与全氮、水解性氮、速效磷、速效钾、归一化植被指数（NDVI）以及复垦年限6个环境因子进行相关性分析，结果如图5所示。

图  5  排土场边坡和平台土壤有机碳与相关环境因子间的相关关系

Figure  5.  Correlation between soil organic carbon and related environmental factors in waste dumps slopes and platforms

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结果表明，在排土场边坡与平台土壤有机碳与各环境因子间的相关性既有相似之处，也存在明显的差异。相似之处在于无论排土场边坡和平台土壤有机碳与全氮、水解性氮、NDVI和复垦年限4个环境因子均具有很强的正相关性，相关系数在0.77～0.93，且这4个环境因子内部也具有较强相关性，相关系数在0.73～0.90。从整体上看，边坡上土壤有机碳与各环境因子的相关性比在平台上的更强。有机碳与速效磷在边坡上呈中等正相关性，相关系数为0.50，而在平台上呈较弱正相关性，相关系数仅为0.38；有机碳与速效钾在边坡上呈较强相关性，相关系数为0.75，而在平台上呈中等相关性，相关系数为0.46。依据相关性分析结果，选择与有机碳强相关性的环境因子绘制散点图，并对其进行曲线拟合，结果如图6、图7所示，露天矿排土场边坡和平台土壤有机碳与全氮、NDVI均呈线性关系，且拟合效果较好（R²为0.68～0.81）。

图  6  排土场平台和边坡矿山土有机碳与土壤全氮含量的拟合关系

Figure  6.  Relationship between soil organic carbon and total nitrogen on waste dump platforms and slopes

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图  7  排土场边坡和平台矿山土有机碳含量与NDVI的拟合关系

Figure  7.  Fitting relationship between organic carbon and NDVI in waste dump slope and platform mining soil

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为明确各环境因子对土壤有机碳的贡献度，对通过显著性检验（P<0.05）的3个环境因子与土壤有机碳含量进行多元回归分析。从表3结果可以看出，“全氮”“NDVI”“复垦年限”三项的显著性水平小于0.05，根据标准化系数的绝对值，3种环境因子对土壤有机碳的贡献度由大到小依次为全氮、复垦年限、NDVI，且均呈现正向影响。主要影响因素的回归模型为公式（4）。

表  3  土壤有机碳影响因素回归结果

Table  3.  Regression results of factors influencing soil organic carbon

模型	未标准化系数	标准化系数	t值	显著性
（常量）	−0.127	—	−3.912	0
全氮	0.001	0.559	6.105	0
复垦年限	0.029	0.225	2.566	0.012
NDVI	0.475	0.172	2.118	0.037

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式中：ω(TN)为全氮，mg/kg；0.225为复垦年限，a；R²=0.778。

上述相关性分析与贡献度分析结果表明，随着复垦年限的增加，排土场土壤的理化性质经过人为措施的改良，土壤中的营养成分逐渐增加，如全氮、水解性氮、速效磷、速效钾等，植被和微生物群落稳定生长，植被覆盖度增加，植物对土壤有机碳输入也随之增加。

2.3.2   排土场土壤有机碳恢复与植被的关系

该区域排土场平台主要重建植被类型为草地或边坡植被多是草灌。图7所示分别为排土场边坡和平台矿山土有机碳与植被指数（NDVI）的拟合关系。NDVI越高表明植被的生物量越大，可以看出NDVI与土壤有机碳呈较强的正相关关系，表明地上植被是排土场矿山土有机碳的重要来源。

将各矿区12种植被覆盖类型分为草本植物、草灌组合、灌木、小乔木、乔木5个大类，分别计算每种植物类型覆盖下土壤有机碳含量的平均值，以此绘制不同植被配置下有机碳含量的分组直方图，如图8所示。结果表明，复合植被恢复模式的土壤有机碳含量显著高于单一植被恢复模式，对矿山土有机碳的修复效果更好。沙棘、苜蓿与草木樨的草灌组合下有土壤机碳含量达0.61%，而在单一植被恢复模式下，土壤有机碳含量恢复表现为：以沙柳等为主的灌木>以油松等为主的半常绿乔木>以火炬树等为主的落叶乔木>以紫花苜蓿等为主的草本。

图  8  排土场不同植被类型与矿山土有机碳含量的关系

Figure  8.  Relationship between different vegetation types in waste dumps and organic carbon content in mining soil

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2.3.3   排土场土壤有机碳恢复与复垦年限的关系

对一个煤矿来说，开采前和损毁后的植被条件、土壤条件以及损毁程度是相同的，所以分别对云凯煤矿采集的26个土样和纳林庙煤矿采集的37个土样（采样点均未重复）进行排土场土壤采样点有机碳的趋势效应分析，发现土壤有机碳呈二阶趋势效应，因此采用普通克里金插值法。以残差（RSS）最接近于0，决定系数(R²)最接近于1的标准选择最佳的拟合模型，土壤有机碳的最适合模型是线性有基台模型。利用克里金插值方法对云凯煤矿、纳林庙煤矿等煤矿排土场矿山土有机碳进行插值处理，并叠加复垦年限，形成露天煤矿排土场矿山土有机碳含量分布（图9）。从图中可以看出，云凯煤矿排土场西南部与东北部有机碳含量最高，西北部次之，中部及东南部最少；位于排土场西南和东北的2010年复垦区有机碳含量平均值不论平台或边坡皆为最高，分别是0.96%和1.05%。纳林庙煤矿排土场西北部与东南部有机碳含量最高，中部未复垦区域最少；位于排土场西北部的2019复垦区平台和边坡有机碳含量平均值最高，皆为0.15%。

图  9  排土场矿山土有机碳含量分布

Figure  9.  Distribution of soil organic carbon content in waste dumps

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为保证植被条件、土壤条件及损毁条件相同，对云凯露天矿排土场边坡和平台不同复垦年限下有机碳含量进行计算，并绘制折线图对比分析（图9b）。结果表明，排土场复垦区平台和边坡土壤有机碳含量均随复垦年限增加而增加。复垦当年到复垦后第7年平台和边坡土壤有机碳年增长速率分别为0.016%、0.001%、0.062%、0.122%、−0.005%、0.315%、0.305%和0.055%、−0.004%、0.057%、0.03%、0.225%、0.35%、0.425%。在复垦初期（0～3 a），排土场边坡和平台土壤质地较差，植物和微生物生长受限，导致土壤有机碳含量增长缓慢，平台略微高于边坡；随复垦时间增加，排土场植被群落稳定生长，群落多样性增加，植物和微生物对土壤有机碳输入也随之增加，土壤有机碳增长进入加速期（图10）。此外，排土场平台主要植被为草地，群落较为单一，生物量低，对土壤碳的输入少，而边坡种植模式为乔灌草搭配，立体配置后植被生物量大，边坡植物凋落物和根系分泌物输入的土壤碳较平台多，因此边坡土壤有机碳含量高于平台。

图  10  不同复垦年限排土场矿山土有机碳含量变化趋势

Figure  10.  The change of soil organic carbon content in waste dumps with reclamation years

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3.   分析讨论

上述研究分析来看，矿山土有机碳影响因素相关研究表明，土壤理化性质、植被类型配置、地形条件、复垦年限等均直接或间接影响土壤有机碳收支。土壤理化性质对土壤有机碳收支的影响以全氮最大，土壤全氮含量靠微生物分解和侵蚀损失输出，受气候、土壤质地、地形和植被等因素的影响，取决于土壤有机碳积累和分解作用的相对强度^[26]。土壤氮素水平会影响土壤中有机碳的含量，两者相互促进、相互制约，具有较好的耦合关系。因此，全氮含量对土壤有机碳的恢复有重要影响。植被类型配置也是影响土壤有机碳的重要因素，研究表明复合植被恢复模式的土壤有机碳含量显著高于单一植被恢复模式，若是单一恢复模式则是林地的有机碳积累大于草地，这与吴建国等的研究具有一致性^[27]。复垦年限对土壤有机碳的影响占比也很大，随着复垦年限的增加，植被群落稳定生长，群落多样性增加，植物和微生物对土壤有机碳输入也随之增加，土壤有机碳持续增长。影响土壤有机碳固碳的过程机制一般包括物理机制、化学机制、生物机制、物理−化学机制、物理−生物机制、化学−生物机制^[28]。矿区复垦土壤碳固存需充分考虑矿山土的特殊性，从关键障碍和限制性影响因素着手，通过改良土壤、重建植被等方式来提高矿山土有机碳含量^[29]。根据生态修复的流程将矿区复垦土壤有机碳恢复提升关键技术分为四大类十二种技术（图11）；其中控蚀保肥技术是前提，添料增碳技术是基础，植被汇碳技术是核心，保护性耕作利用技术是保障。控蚀保肥技术对应生态修复中地貌重塑阶段，是复垦土壤固碳增汇的基础，包括近自然地貌重塑^[30]和分布式保水控蚀单元两部分。添料增碳技术对应生态修复中土壤改良阶段，是对复垦土壤固碳增汇的提升，包括施加有机肥、无机肥、生物炭等。植被汇碳技术对应生态修复中植被重建阶段，是复垦土壤固碳增汇的核心，包括植被引导型修复、物种筛选和植物多样性^[31]。保护性耕作技术和可持续利用对应生态修复中后期管理阶段，是矿山土固碳增汇的保障。保护性耕作和利用技术主要是通过秸秆覆盖还田、轮作、休耕等为主要内容的现代耕作技术体系，通过可持续的土地利用管理，能够有效保持矿山土有机碳含量^[32]。

图  11  排土场矿山土有机碳恢复提升技术路径

Figure  11.  Technical path for restoration and improvement of organic carbon in waste dump mining soil

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4.   结　　论

1）我国北方最大的露天煤矿群准格尔矿区排土场矿山土与自然土壤的理化性质、生物活性等都具有明显差异。由于大量自然表土剥离不规范，无序混排，复垦区自然表土缺失等，导致准格尔矿区表层土壤有机碳生态损失累计超过62万t。

2）矿山土有机碳的持续提升是排土场生态修复成功的关键，影响矿山土有机碳的恢复的正向贡献依次是全氮、复垦年限和植被。植被立体配置恢复模式下土壤有机碳含量显著高于单一植被恢复模式。

3）复垦区排土场平台和边坡土壤有机碳含量与复垦年限呈正相关，复垦年限5 a后矿山土有机碳快速提升。控蚀保肥、添料增碳、植被汇碳、保护性耕作等措施是露天矿区排土场矿山土有机碳提升的主要技术途径。