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Distribution characteristics of soil organic carbon under different forest restoration modes on opencast coal mine dump.

不同林地恢复模式下露天煤矿排土场土壤有机碳分布特征


研究露天煤矿排土场6种不同林地植被恢复模式和撂荒地0~100 cm土层土壤有机碳(SOC)含量和储量的分布特征,分析其差异性及其影响因素.结果表明:不同林地0~10 cm土层SOC含量比撂荒地(1.92 g·kg-1)显著提高23.8%~53.2%,10~20 cm土层比撂荒地(1.39 g·kg-1)显著提高5.8%~70.4%,20 cm土层以下与撂荒地相比差异不大;各土层SOC含量随土层深度增加而逐渐减小,表层(0~20 cm)减小幅度大于深层(20~100 cm).不同林地SOC储量在表层明显高于深层,随土层深度增加而逐渐减小.0~100 cm土层林地SOC储量比撂荒地(17.52 t·hm-2)提高18.1%~42.4%,其中,紫穗槐林地SOC储量最高,达24.95 t·hm-2,明显高于其他林地类型,灌木林地SOC储量比乔木高12.4%.林地凋落物、细根生物量和土壤水分都与排土场SOC呈显著正相关.综上所述,不同人工林地恢复模式显著提高了排土场0~100 cm土层SOC,尤其对表层SOC提高效果明显,但排土场SOC与原地貌相比差距仍较大.从提高排土场SOC角度优先推荐紫穗槐为主要林地植被.

The content and storage of soil organic carbon (SOC) were compared in six wood restoration modes and adjacent abandoned land on opencast coal mine dump, and the mechanisms behind the differences and their influencing factors were analyzed. Results showed that the contents of SOC in six wood lands were
significantly higher (23.8%-53.2%) than that of abandoned land (1.92 g·kg-1) at 0-10 cm soil depth, the index were significantly higher (5.8%-70.4%) at 10-20 cm soil depth than the abandoned land (1.39 g·kg-1), and then the difference of the contents of SOC in the deep soil (20-100 cm) were not significant. The contents of SOC decreased with increase of soil depth, but the decreasing magnitude of the topsoil (0-20 cm) was higher than that of the deep soil (20-100 cm). Compared with the deep soil, the topsoil  significant higher storage of SOC in different woods, the SOC storage decreased with the soil depth. Along the 0-100 cm soil layer, the storage of SOC in six wood lands higher (18.1%-42.4%) than that of the abandoned land (17.52 t·hm-2). The SOC storage of Amorpha fruticosa land (24.95 t·hm-2) was obviously higher than that in the other wood lands. The  SOC storage in the shrub lands was 12.4% higher than that of the arbor woods. There were significantly positive correlations among forest litter, fine root biomass, soil water content and SOC on the dump. Consequently, different plantation restorations significantly improved the SOC level on the dump in 0-100 cm soil, especially the topsoil. But there was still a big gap about SOC level between the wood restoration lands and the original landform. To improve the SOC on opencast coal mine dump, A. fruticosa could be selected as the main wood vegetation.


全 文 :不同林地恢复模式下露天煤矿排土场
土壤有机碳分布特征
文月荣1  党廷辉1,2∗  唐  骏2  李俊超1
( 1西北农林科技大学资源环境学院, 陕西杨凌 712100; 2中国科学院水利部水土保持研究所, 陕西杨凌 712100)
摘  要  研究露天煤矿排土场 6种不同林地植被恢复模式和撂荒地 0~100 cm土层土壤有机
碳(SOC)含量和储量的分布特征,分析其差异性及其影响因素.结果表明:不同林地 0 ~ 10 cm
土层 SOC 含量比撂荒地(1.92 g·kg-1)显著提高 23.8% ~ 53.2%,10 ~ 20 cm 土层比撂荒地
(1.39 g·kg-1)显著提高 5.8% ~70.4%,20 cm 土层以下与撂荒地相比差异不大;各土层 SOC
含量随土层深度增加而逐渐减小,表层(0~20 cm)减小幅度大于深层(20~100 cm) .不同林地
SOC储量在表层明显高于深层,随土层深度增加而逐渐减小.0~100 cm土层林地 SOC 储量比
撂荒地(17.52 t·hm-2)提高 18. 1% ~ 42. 4%,其中,紫穗槐林地 SOC 储量最高,达 24. 95
t·hm-2,明显高于其他林地类型,灌木林地 SOC 储量比乔木高 12.4%.林地凋落物、细根生物
量和土壤水分都与排土场 SOC 呈显著正相关.综上所述,不同人工林地恢复模式显著提高了
排土场 0~100 cm土层 SOC,尤其对表层 SOC提高效果明显,但排土场 SOC 与原地貌相比差
距仍较大.从提高排土场 SOC角度优先推荐紫穗槐为主要林地植被.
关键词  露天煤矿排土场; 林地恢复模式; SOC含量; SOC储量
Distribution characteristics of soil organic carbon under different forest restoration modes on
opencast coal mine dump. WEN Yue⁃rong1, DANG Ting⁃hui1,2∗, TANG Jun2, LI Jun⁃chao1
( 1College of Resources and Environment, Northwest A&F University, Yangling 712100, Shaanxi,
China; 2Institute of Soil and Water Conservation, Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water
Resources, Yangling 712100, Shaanxi, China) .
Abstract: The content and storage of soil organic carbon (SOC) were compared in six wood resto⁃
ration modes and adjacent abandoned land on opencast coal mine dump, and the mechanisms be⁃
hind the differences and their influencing factors were analyzed. Results showed that the contents of
SOC in six wood lands were significantly higher (23. 8% - 53. 2%) than that of abandoned land
(1.92 g·kg-1) at 0-10 cm soil depth, the index were significantly higher (5.8%-70.4%) at 10-
20 cm soil depth than the abandoned land (1.39 g·kg-1), and then the difference of the contents
of SOC in the deep soil (20-100 cm) were not significant. The contents of SOC decreased with in⁃
crease of soil depth, but the decreasing magnitude of the topsoil (0-20 cm) was higher than that of
the deep soil (20-100 cm). Compared with the deep soil, the topsoil significant higher storage of
SOC in different woods, the SOC storage decreased with the soil depth. Along the 0-100 cm soil
layer, the storage of SOC in six wood lands higher (18.1%-42.4%) than that of the abandoned
land (17.52 t·hm-2). The SOC storage of Amorpha fruticosa land (24.95 t·hm-2) was obviously
higher than that in the other wood lands. The SOC storage in the shrub lands was 12.4% higher than
that of the arbor woods. There were significantly positive correlations among forest litter, fine root
biomass, soil water content and SOC on the dump. Consequently, different plantation restorations
significantly improved the SOC level on the dump in 0-100 cm soil, especially the topsoil. But
there was still a big gap about SOC level between the wood restoration lands and the original land⁃
form. To improve the SOC on opencast coal mine dump, A. fruticosa could be selected as the main
wood vegetation.
Key words: opencast coal mine dump; forest restoration mode; SOC content; SOC storage.
本文由中国科学院西部行动计划项目(KZCX2⁃XB3⁃13)资助 This work was supported by the Chinese Academy of Sciences Action⁃Plan for West
Development (KZCX2⁃XB3⁃13) .
2015⁃06⁃05 Received, 2015⁃11⁃20 Accepted.
∗通讯作者 Corresponding author. E⁃mail: dangth@ ms.iswc.ac.cn
应 用 生 态 学 报  2016年 1月  第 27卷  第 1期                                            http: / / www.cjae.net
Chinese Journal of Applied Ecology, Jan. 2016, 27(1): 83-90                      DOI: 10.13287 / j.1001-9332.201601.040
    黑岱沟露天煤矿位于内蒙古黄土高原丘陵区,
该地区是我国重要的能源基地,而露天煤矿的开采
使该地区本身就脆弱的生态环境进一步恶化,从而
加大了生态恢复的难度.人工林在黄土高原水土保
持和生态环境建设中占据重要地位[1],作为主要植
被恢复措施被广泛采用.土壤有机碳(SOC)是土壤
质量评价的重要指标[2],对土壤肥力和退化生态系
统的恢复有很好的表征作用[3],在土壤生产力提高
和土壤退化有关的一系列土壤活动过程中起着缓解
和调节作用[4],而且在影响生物群落稳定性方面发
挥着重要作用[5] .露天煤矿开采形成大量排土场,使
土层扰乱、植被破坏、土壤性质与周围自然土壤有很
大差异,主要表现为土壤的层次紊乱、容重变大、干
燥缺水、养分贫瘠[6-7],造成当地生态环境恶化.目
前,恢复排土场生态效应和土壤质量成为治理排土
场研究的重点,而人工重建植被是快速恢复复垦地
生态功能、防止生态环境进一步恶化的重要途径[8] .
谷金锋等[9]对矿区废弃地及排土场的研究表明,植
被重建较大程度提高了 SOC 含量,达 152.5%.黄土
高原地区的研究表明,大面积退耕还林过程中土壤
有机碳库对于区域碳平衡有重要影响,植被恢复下
土壤表现为碳汇,而目前对于矿区重构土壤林地有
机碳储量和含量变化特征研究较少.因此,研究排土
场人工林地土壤有机碳含量和储量对于评价排土场
植被恢复下土壤质量变化和土壤生态功能有重要
意义.
土壤有机碳分布特征及其影响因素在天然林和
退耕还林的立地条件下已进行了大量研究[10-12],但
关于排土场重构土壤在人工重建林地长期恢复下
SOC变化特征和影响因素的研究较少.因此,本研究
以经过 15年恢复的排土场不同林地类型为对象,研
究 0~100 cm土层 SOC 分布特征,探讨排土场不同
人工林模式对土壤有机碳的影响及造成差异的主要
影响因素,并以原地貌林地和新建排土场为对照,评
价不同林地类型对排土场 SOC 的提高效果,为排土
场土地复垦与生态恢复提供技术支持和科学依据.
1  研究地区与研究方法
1􀆰 1  研究区概况
黑岱沟露天煤矿位于内蒙古自治区鄂尔多斯
市准格尔旗东部的黄河西岸鄂尔多斯台地
(39°43′—39°49′ N, 111° 13′—111° 20′ E ), 面积
52􀆰 11 km2,是黄土高原砒沙岩的主要分布区,也是
我国生态退化与生态修复的重点、难点地区.该地区
气候属于中温带半干旱大陆性气候,年均温 6.2 ~
7􀆰 2 ℃,年温差约为 70 ℃,年降水量 400 mm,降水主
要集中在 7—9 月,多以暴雨形式出现,年蒸发量
1825~2896 mm.地貌为典型的黄土丘陵沟壑区,海拔
为1025~1302 m.黄绵土分布广泛,植被属暖温型草原
带,因受强烈侵蚀的影响,矿区内地带性土壤不明显.
黑岱沟露天煤矿东排土场于 1996年建成,排土
场平台上的土壤均为复填土,因车辆碾压,土壤紧
实.排土场面积为 2.75 km2,自 1997 年开始实施大
规模的植被重建,有多种植被恢复模式,每种植被模
式均成块种植,林地植被盖度较高,面积大.新建排
土场建成不足半年时间,未进行任何植被重建,地表
裸露,地形平坦.原地貌区的林地选取附近黄土丘陵
区的梁峁地带(相对平坦区)的人工林地,主要为柠
条、沙棘及二者的混交林,呈带状分布,长势良好,面
积较大,生态系统基本稳定.
1􀆰 2  试验设计
于 2012年 11月进行林地凋落物、根系和土壤
的采集.在东排土场,选择香花槐、油松、新疆杨、紫
穗槐、油松、柠条 6 种主要的人工重建林地,以自然
恢复的撂荒地为对比,以新建排土场、原地貌林地为
对照,分析排土场不同林地类型 SOC 的剖面分布特
征和差异.样地基本信息见表 1.
表 1  研究样地基本情况
Table 1  Basic status of the study sites
林地类型
Forest type
恢复年限
Restoration
years
林地生长状况
Condition of forest growth
香花槐
Robinia pseudoacacia
15 株高 1.5~2.5 m,株距 1 m,行距 1
m,出现部分植株枯死现象,地表
凋落物较多.
油松
Pinus tabuliformis
15 株高 1~1.8 m,株距 1 m,行距 1.5
m,生长相对缓慢,林下草本植物
较少.
新疆杨
Populus alba
15 株高 4~7 m,株距 2 m,行距 3 m,
林下草本植物较少.
紫穗槐
Amorpha fruticosa
15 株高 1.2~1.8 m,株距 1 m,行距 2
m,长势较好,林下针茅类草本较
多.
沙棘
Hippophae rhamnoides
15 株高 1~2.5 m,株距 2 m,行距不明
显,密度大,盖度高,林下草本植物
较多.
柠条
Caragana korshinskii
15 株高 1.5 m,植被稀疏,地表基本无
杂草.
撂荒地
Abandoned land
15 自然恢复条件,基本无植被覆盖,
只是零星分布赖草、狗尾草等.
新建排土场
New dump
- 建成不足两年,没有种植植被.
原地貌林地
Natural wood in original
landform
- 生态系统基本稳定,柠条、沙棘及
二者的混交林,长势较好,呈带状
分布,面积较大.
48 应  用  生  态  学  报                                      27卷
1􀆰 3  采样方法
每种林地类型随机选取 3 块样地,每块设置一
个 20 m×20 m样方,每块样方按“S”形取 5 个点,用
直径为 3 cm的土钻采集 0~10、10~20、20~40、40 ~
60、60~80 和 80 ~ 100 cm 土层土壤样品,充分混匀
同一土层土壤样品,共 126 个;在新建排土场选取 3
个 50 m×50 m样方,原地貌林地选取 3 个 10 m×10
m样方,采集剖面样品,共 36 个土壤样品.将所有采
集的土壤样品带回实验室测定土壤水分含量.
在排土场林地每块样地、新建排土场、原地貌林
地各挖 1个土壤剖面,用容积 100 cm3环刀采集 6个
土层(同上)原状土,用于土壤容重的测定.用内径为
9 cm 根钻采集排土场每块样地土壤剖面 6 个土层
根系样品,共 108个样品.在不同林地类型下按“S”
型设置 5个 2 m×2 m 样方,采集地表凋落物,共 30
个样品.
1􀆰 4  测定项目与方法
采用烘干法测定土壤含水量,并根据土壤含水
量和环刀体积计算土壤容重.土壤样品混匀后在室
内自然风干,去除土壤中的植物残体及杂质后,研磨
使其全部过 0.25 mm 土壤筛,用于测定 SOC 含量.
SOC含量测定采用浓 H2 SO4⁃K2Cr2O7外加热法[13] .
凋落物在 60 ℃烘 24 h,称量并估算单位面积上凋落
物总量;粉碎过筛后,凋落物含碳量采用浓 H2 SO4⁃
K2Cr2O7外加热法测定.从根系样品中挑出直径 Φ
≤2 mm的细根,将细根用小纸袋装好置于 70~80 ℃
鼓风干燥箱中,烘干至恒量,并称量记录.
1􀆰 5  数据处理
土壤有机碳储量的计算公式:
S j = 10 × ∑

i = 1
(C i × ρi × di / 100) (1)
式中:S j为某土层 SOC 储量( t·hm
-2);C i为 SOC 含
量(g·kg-1); ρi为土壤容重(g·cm
-3); di为土层深
度(cm).
细根密度的计算公式:
R i =Rm / (S×di) (2)
细根生物量的计算公式:
R j = 100 × ∑

i = 1
(R i × di) (3)
式中:R i为细根密度( g·cm
-3);R j为某土层细根生
物量(t·hm-2);Rm为每一土层细根质量(g);S为根
钻的截面积(cm2);di为土层深度(cm).
利用 Excel 2007软件对数据进行统计分析,采
用 SPSS 18.0软件对 SOC的影响因素进行相关性分
析,利用单因素 LSD 法进行差异显著性检验(α =
0􀆰 05),采用 SigmaPlot 10.0软件作图.表中数据为平
均值±标准差.
2  结果与分析
2􀆰 1  不同林地类型对排土场土壤剖面 SOC 含量的
影响
由图 1可以看出,与撂荒地相比,排土场 6种林
地恢复模式下 0~100 cm土层 SOC含量均有一定程
度的提高.0 ~ 10 cm 土层,6 种林地类型 SOC 含量
相对于撂荒地均显著提高,依次为:香花槐(2􀆰 93
g·kg-1) >油松 ( 2. 84 g · kg-1 ) >紫穗槐 ( 2􀆰 67
g·kg-1)>沙棘(2.47 g·kg-1)>柠条(2.39 g·kg-1)>
新疆杨 ( 2. 37 g · kg-1 ),分别比撂荒地 ( 1􀆰 92
g·kg-1)提高 53.2%、48.1%、39.6%、29.3%、24.8%、
23.8%;10 ~ 20 cm 土层,6 种林地类型 SOC 含量大
小为:油松>紫穗槐>柠条>沙棘>新疆杨>香花槐,相
对于撂荒地(1􀆰 39 g·kg-1)提高 5.8% ~70.4%.不同
林地各土层 SOC含量基本呈现出 0 ~ 10 cm 土层最
高,10~20 cm土层次之,随土层深度增加依次降低
的趋势;不同林地 20~100 cm土层之间 SOC含量差
异很小,比撂荒地有一定提高,但差异不显著,表明
林地对排土场表层 SOC含量有明显的提高作用,对
深层 SOC 含量提高作用不显著. 6 种林地各土层
SOC含量总体上呈现出 0 ~ 40 cm 土层 SOC 含量递
减幅度大,40~100 cm土层递减幅度较小的趋势.
由图 2可以看出,0 ~ 100 cm 土层各层 SOC 含
量均表现为原地貌林地>排土场林地>新建排土场,
图 1  不同林地类型土壤有机碳含量的垂直分布
Fig.1   Vertical distribution of soil organic carbon content in
different woods.
不同小写字母表示差异显著(P<0.05)Different small letters meant sig⁃
nificant difference at the 0.05 level. 下同 The same below.Ⅰ: 香花槐
Robinia pseudoacacia ;Ⅱ: 油松 Pinus tabuliformis; Ⅲ: 新疆杨 Populus
alba; Ⅳ: 紫穗槐 Amorpha fruticosa; Ⅴ: 沙棘 Hippophae rhamnoides;
Ⅵ: 柠条 Caragana korshinskii; Ⅶ: 撂荒地 Abandoned land.
581期                      文月荣等: 不同林地恢复模式下露天煤矿排土场土壤有机碳分布特征           
图 2  排土场林地、原地貌林地和新建排土场土壤有机碳含
量的垂直变化
Fig.2  Vertical changes of soil organic carbon content in dump
wood land, natural wood in original landform and new dump.
Ⅰ: 新建排土场 New dump; Ⅱ:排土场林地 Dump wood land; Ⅲ:原
地貌林地 Natural wood in original landform. 下同 The same below.
表明排土场林地对提高排土场 SOC 含量有一定效
果,但排土场林地距原地貌林地仍然有很大的差距.
三者的 SOC含量均随土层深度的增加而减少,但分
布规律明显不同.原地貌林地 SOC 含量随土层深度
呈阶梯状降低,但整体含量较高,新建排土场 SOC
含量不同土层间差异不明显.排土场林地相邻土层
从上到下依次降低 45. 5%、23. 6%、19. 7%、2. 4%、
14􀆰 8%,表明 SOC含量随着土层深度的增加各土层
差距逐渐缩小,这与人工林主要影响表层 SOC 含量
的结果一致[14] .在 0 ~ 40 cm 土层,排土场林地各土
层 SOC含量均显著高于新建排土场,但两者在 40 ~
100 cm各土层之间差异不显著,表明排土场林地显
著提高了排土场 0~40 cm土层 SOC含量,但对土壤
深层影响较小.
2􀆰 2  不同林地类型对排土场土壤剖面 SOC 储量的
影响
与撂荒地相比,由表 2可以看出,排土场林地不
同土层SOC储量都有明显的提高 .在0 ~ 10 cm土
层,6种林地 SOC 储量大小为:香花槐>油松>紫穗
槐>沙棘>柠条>油松,分别是撂荒地的 1.4、1.4、1.3、
1.2、1.2、1.1 倍.排土场不同林地表层(0 ~ 20 cm)
SOC储量占各自总储量的 25.8% ~ 34.3%.油松表层
SOC储量最大,为 7.22 t·hm-2,占总储量的 27.9%;
紫穗槐次之,为 6.96 t·hm-2,占总储量的 34.3%;新
疆杨最小.油松、紫穗槐、新疆杨分别比撂荒地提高
55.2%、49.3%、20.1%.不同林地各土层 SOC 储量随
着土层深度的增加均呈逐渐降低的趋势,表明不同
林地都对表层 SOC 储量提高的效果最好.在 0 ~ 100
cm土层,SOC储量大小为紫穗槐>柠条>沙棘>油松>
新疆杨>香花槐>撂荒地,且不同林地 SOC总储量都
显著高于撂荒地,紫穗槐林地的 SOC 储量最大,为
24.95 t·hm-2,是撂荒地的 1.4 倍;香花槐林地最
小,为 20.69 t·hm-2,是撂荒地的 1.2 倍.表明不同
林地均显著提高了排土场 0 ~ 100 cm 土层 SOC 储
量,但林地类型不同提高效果不同,紫穗槐林地的提
高效果最好.乔木(香花槐、油松、新疆杨)和灌木
(紫穗槐、柠条、沙棘)林地的 SOC 储量之间存在一
定差异,在 0~100 cm土层,灌木林的平均 SOC储量
比乔木林高 12.4%,且 3 种灌木林 SOC 储量均高于
乔木林.这表明灌木林对排土场 SOC 储量的提高效
果明显优于乔木林,适宜多种植灌木,尤其是紫穗
槐,有助于排土场 SOC的积累.
    由图 3可以看出,排土场林地 SOC 总储量是新
建排土场的 1.5 倍,为原地貌林地的 55.6%.各土层
SOC储量均为原地貌林地>排土场林地>新建排土
场,且差异显著.原地貌林地各土层 SOC 储量与其
SOC含量的变化规律一致,即随土层深度的增大呈
阶梯状降低趋势;新建排土场各土层之间 SOC 储量
差距不大.表明排土场林地 0 ~ 100 cm 土层 SOC 储
量随土层深度的增加呈下降趋势,这与李裕元等[15]
的研究结果一致.在0~20 cm土层,排土场林地SOC
表 2  不同林地类型土壤有机碳储量
Table 2  Soil organic carbon storage in different woods ( t·hm-2)
土层
Soil layer
(cm)
香花槐
Robinia
pseudoacacia
油松
Pinus
tabuliformis
新疆杨
Populus
alba
紫穗槐
Amorpha
fruticosa
沙棘
Hippophae
rhamnoides
柠条
Caragana
korshinskii
撂荒地
Abandoned
land
0~10 3.95±0.14a 3.80±0.18a 3.19±0.17c 3.65±0.09ab 3.37±0.03bc 3.27±0.10c 2.80±0.33d
10~20 2.13±0.10cd 3.42±0.30a 2.41±0.41bc 3.31±0.39a 2.59±0.34bc 2.66±0.10b 1.87±0.15d
20~40 4.40±0.13ab 4.37±0.79ab 4.31±0.69ab 4.80±0.24a 4.42±0.30ab 4.06±0.16ab 3.62±0.36b
40~60 3.72±0.29ab 3.60±0.25b 3.49±0.30b 4.19±0.20a 3.88±0.34ab 4.16±0.20a 3.44±0.49b
60~80 3.51±0.15ef 2.71±0.35f 3.66±0.35cd 4.70±0.42a 4.05±0.19bc 4.51±0.10ab 3.09±0.18ef
80~100 2.99±0.12bc 3.16±0.21bc 3.92±0.56a 4.30±0.39a 3.42±0.07b 4.34±0.02a 2.71±0.20c
0~100 20.69±0.86c 21.08±1.71bc 20.97±1.61bc 24.95±1.41a 21.74±0.44ab 22.99±0.19ab 17.52±0.97d
同行不同字母表示差异显著(P<0.05)Different letters in the same row indicated significant difference at 0.05 level.
68 应  用  生  态  学  报                                      27卷
图 3  排土场林地、原地貌林地和新建排土场土壤有机碳储
量的垂直变化
Fig.3  Vertical changes of soil organic carbon storage in dump
wood land, natural wood in original landform and new dump.
储量是新建排土场的 1.7 倍,但仅为原地貌林地的
49.4%;20~40 cm土层排土场林地 SOC储量是新建
排土场的 1.5 倍,为原地貌林地的 51.3%;40 ~ 100
cm土层,排土场林地 SOC储量是新建排土场的 1.3
倍,为原地貌林地的 62.0%;40~100 cm各土层 SOC
储量之间的下降幅度明显小于 0~40 cm土层.综上,
林地能显著提高排土场 SOC 储量,对土壤表层的提
高效果明显高于深层.虽然排土场林地与原地貌林
地 SOC储量仍存在较大差距,但是薛婕等[14]认为,
在林木生长后期土壤有机碳仍有显著提高,因此经
过后期长时间的林木恢复,排土场 SOC 储量将会有
巨大的提升空间.董云忠等[4]研究发现,撂荒地在一
定程度上也有恢复地力的能力.本研究中,撂荒地各
土层 SOC 储量较新建排土场都有一定的提高,总
SOC储量提高了 17.7%.
2􀆰 3  排土场不同林地 SOC差异的影响因素
2􀆰 3􀆰 1排土场林地凋落物与 SOC储量的关系  由图
4可以看出,排土场林地 SOC 储量与凋落物干物质
质量、凋落物含碳量呈显著正相关,SOC储量随着凋
落物干物质质量和凋落物含碳量的增加而逐渐增
加,表明凋落物干物质质量越大,含碳量越高,对提
高排土场 SOC储量的效果越明显.
2􀆰 3􀆰 2排土场林地细根生物量与 SOC含量的关系 
由图 5可以看出,林地 SOC含量随着细根生物量的
增加而显著增加.乔木林 SOC 含量(y1)与细根生物
量(x1)的关系符合线性方程 y1 = 4.0552x1 +0.8913;
灌木林地 SOC含量(y2)与细根生物量( x2)符合线
性方程 y2 = 1.5253x2+1.3458.乔木 SOC 含量与细根
生物量的线性方程斜率是灌木林的 2.7 倍,表明乔
木林 SOC含量随着细根生物量的增幅高于灌木林.
图 4  林地凋落物干物质量和含碳量对 SOC储量的影响
Fig.4  Effects of opencast wood litter dry matter biomass and
litter carbon content on soil organic carbon storage.
图 5  不同林地类型细根生物量对 SOC含量的影响
Fig.5  Effects of fine root biomass on soil organic carbon con⁃
tent in different woods.
A: 乔木 Arbor; B: 灌木 Shrub.
图 6  排土场林地土壤水分含量对 SOC含量的影响
Fig.6  Effects of soil water content on soil oragnic carbon con⁃
tent in opencast woods.
2􀆰 3􀆰 3林地水分含量与排土场 SOC含量的关系  由
图 6可以看出,0 ~ 100 cm 土层排土场 SOC 含量与
781期                      文月荣等: 不同林地恢复模式下露天煤矿排土场土壤有机碳分布特征           
土壤含水量呈显著正相关,表明随着土壤水分的增
加 SOC含量逐渐增加,因此增加土壤水分含量有助
于排土场 SOC含量的提高.
3  讨    论
人工林地植被能改变土壤内部养分流动状况,
从而引起土壤碳、氮数量和质量的变化[16] .有研究
表明,植被恢复能显著改善土壤质量,但不同植被类
型对 SOC的提高作用不同[17-18] .本研究中,不同林
地恢复模式对排土场 SOC均有一定的提高效果,不
同类型人工林地 SOC含量及分布存在显著差异,这
可能是由于不同植被类型生长状态不同,对土壤环
境的影响不同,进而影响了 SOC 含量及分布[19] .阔
叶林 SOC含量高于针叶林[20],原因是阔叶林可提
供大量凋落物,经微生物分解能提高 SOC 含量,油
松为针叶林,提供的凋落物相对较少,且其凋落物中
含不易降解的单宁、树脂等物质,降解速率慢[21],所
以油松林 SOC 含量较低.另外,黄土高原丘陵区水
土流失严重,年降雨量少,年蒸发量大,新疆杨的生
长受到抑制,植株比较矮小,大部分香花槐更是出现
了干枯死亡的现象,因此多年来新疆杨和香花槐等
乔木林下凋落物少,根系生长受到抑制,导致其 SOC
储量较低.沙棘属非豆科固 N 植物,需 P 量较少,因
此沙棘能很好适应缺 N缺 P 的土壤,并为乔木生长
提供水肥条件[22] .柠条能够长期适应干旱的环境条
件,具有广泛的适应性和很强的抗逆性,而紫穗槐具
有较强生命力,是耐旱、耐寒、耐涝等抗逆性极强的
豆科植物,两者根系发达具有根瘤菌,能改善土壤结
构和土壤理化性质,增加 SOC含量[23] .此外,沙棘和
柠条等灌木能够很好地利用土壤水分,对养分需求
比乔木小[22] .因此,在排土场灌木生长状况明显优
于乔木.本研究发现,灌木林地对排土场 SOC 储量
的提高效果明显优于乔木,这与巩杰等[24]和王彦武
等[25]的研究一致,他们研究发现,灌木林地土壤肥
力状况优于针叶林地和山杏林地,同龄灌木林地土
壤中有机质高于樟子松林.这可能是由于排土场灌
木林地植被种类多,表层凋落物多,根系分布广,细
根生物量多,造成整个土壤剖面 SOC 含量均有一定
提高[26] .
植被凋落物和植物根系的分解与 SOC 密切相
关[27] .凋落物是排土场 SOC 输入的主要途径[28],大
量有机物质随着凋落物的分解进入土壤,增加了
SOC含量.由于凋落物结构疏松,可储存和保持大量
的天然降水,具有重要的水土保持作用[29] .本研究
表明,凋落物干物质量越大、含碳量越高对排土场
SOC储量提高的效果越显著,这与 Crow 等[30]的研
究结果一致.植被凋落物在地表的集聚作用以及根
系密集分布在表层土壤中[31],对排土场表层 SOC
含量影响较大,导致 SOC含量随着土层的增加逐渐
减小,在土层中的分布具有很强的表聚性,这与
Arrouays等[32]的研究结果一致.本研究中,细根生物
量对排土场 SOC含量有显著提高效果,这是由于根
系生物量大部分累积在粗根中(Φ>2 mm),但每年
用于生长的大部分则被分配到细根中[33] .由于细根
具有菌根侵染形成的巨大吸收表面,很高的周转率,
生理活性强,从而成为树木根系中吸收水分和养分
的主要部分[34] .细根生物量对 SOC的积累具有重要
影响[35-36],主导着深层 SOC 的循环和分布.土壤水
分状况是不同立地条件下根系尤其是细根分布差异
的主要原因之一[34],是制约黄土高原植被恢复关键
的自然因素[37] .植物对水分的需求几乎完全依赖于
土壤水分,而土壤水分的补充则完全依赖于降
水[38] .本研究表明,土壤水分是影响排土场林地
SOC含量的重要因素,改善排土场土壤水分条件有
助于提高 SOC 含量,这与焦菊英等[38]的研究结果
相似.程积民等[29]研究表明,地上植被和根系生物
量随着土壤含水量的增加而增多,而枯落物和根系
分解速率也随着土壤含水量的增加而加快.该排土
场位于黄土丘陵沟壑区,年均降雨量仅为 379 ~ 420
mm,而蒸发量达 1824 ~ 2896 mm,年均降水的最大
入渗深度为 100 ~ 150 cm.因此,土壤水分状况严重
制约了排土场人工林的持续良好生长及生态功能的
发挥,适时适量地进行蓄水保墒有助于排土场 SOC
的积累.
4  结    论
不同林地类型对排土场 SOC 含量和储量均有
一定的提高效果,且都对表层土壤的提高效果明显
优于深层.与乔木相比,灌木对排土场 SOC 储量的
提高效果较好;各林地类型中以紫穗槐林对 SOC 的
积累效果最好.排土场 SOC 含量和储量均比新建排
土场有显著的提高,但距原地貌林地仍有很大差距,
表明排土场 SOC有巨大的提升空间,植被恢复是改
善 SOC的重要措施.林地类型不同对排土场 SOC 提
高效果不同,植被凋落物、土壤水分和细根生物量都
与排土场林地 SOC呈显著正相关,均是影响排土场
SOC积累的重要因素.
88 应  用  生  态  学  报                                      27卷
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作者简介  文月荣,女,1988年生,硕士研究生. 主要从事土
壤环境化学研究. E⁃mail: wenyuerong0815@ 163.com
责任编辑  孙  菊
文月荣, 党廷辉, 唐骏, 等. 不同林地恢复模式下露天煤矿排土场土壤有机碳分布特征. 应用生态学报, 2016, 27(1): 83-90
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09 应  用  生  态  学  报                                      27卷