【摘要】：我國(guó)已經(jīng)超過(guò)美國(guó)成為溫室氣體排放第一大國(guó),節(jié)能減排壓力巨大。煤炭是全球重要的能源資源,溫室氣體排放的貢獻(xiàn)率達(dá)到19%,煤炭也是我國(guó)的能源主體且在短期內(nèi)不會(huì)改變,因此,煤礦區(qū)的碳循環(huán)問(wèn)題應(yīng)受到重視。在煤礦區(qū),除了工業(yè)生產(chǎn)使得溫室氣體排放量增加以外,由開(kāi)采引發(fā)的土地利用類型變化和生態(tài)環(huán)境影響所帶來(lái)的區(qū)域碳循環(huán)改變問(wèn)題也值得關(guān)注。在高潛水位煤礦區(qū),受采煤沉陷和積水影響的區(qū)域巨大,原有農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)榇笮〔灰坏谋姸喑料轁竦亍Ｗ匀粷竦赝寥涝陉懙厣鷳B(tài)系統(tǒng)中單位面積碳儲(chǔ)量最高,較其他生態(tài)系統(tǒng)更能長(zhǎng)期有效固碳,在全球氣候變化中有重要作用。而在沉陷濕地形成和利用過(guò)程中,土壤碳將發(fā)生怎樣的變化,主要影響因素有哪些;沉陷濕地相比自然濕地和積水前的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng),土壤碳含量差異如何;不同利用方式下,沉陷濕地土壤碳的變化有何不同,這些問(wèn)題還沒(méi)有引起足夠的關(guān)注。本文在梳理高潛水位煤礦區(qū)沉陷濕地定義、分析其形成的基礎(chǔ)上,對(duì)其分類進(jìn)行了探討。選擇高潛水位煤礦區(qū)典型以及不同類型沉陷濕地作為研究對(duì)象,通過(guò)室外采樣、室內(nèi)測(cè)試和數(shù)據(jù)分析,對(duì)典型沉陷濕地土壤有機(jī)碳的水平和垂直分布特征進(jìn)行分析,并進(jìn)一步研究了對(duì)環(huán)境和人為活動(dòng)更為敏感的活性有機(jī)碳,挖掘沉陷濕地土壤有機(jī)碳形成和分布的影響因素;通過(guò)對(duì)不同類型沉陷濕地有機(jī)碳和活性有機(jī)碳組分的測(cè)試和分析,探究不同修復(fù)和利用方式對(duì)土壤有機(jī)碳的影響。本研究為精確估算高潛水位煤礦區(qū)土壤碳儲(chǔ)量提供基本數(shù)據(jù),為科學(xué)評(píng)估土壤碳變化對(duì)區(qū)域碳循環(huán)的影響提供依據(jù),為沉陷濕地的修復(fù)治理以及合理利用提供參考。主要研究結(jié)果如下:(1)采煤沉陷濕地的形成與分類基于開(kāi)采沉陷學(xué)基本原理,闡述了沉陷濕地地形和水文條件形成的原因和過(guò)程,分析了土壤和植被條件的轉(zhuǎn)變和形成過(guò)程。根據(jù)對(duì)已有濕地分類系統(tǒng)的總結(jié)分析,按照沉陷濕地的成因和利用方式,將其分為自然演替和人為修復(fù)兩大類。(2)典型沉陷濕地土壤有機(jī)碳特征典型沉陷濕地表層土壤有機(jī)碳(Total organic carbon,TOC)含量平均值為7.82±3.40g/kg,明顯低于對(duì)照農(nóng)田的10.18±1.30g/kg。其水平分布特征為沉陷盆地中間高、邊緣低,受地形變化影響明顯。不同積水年份的表層土壤TOC含量呈現(xiàn)顯著差異,隨積水時(shí)間的增加而減少。典型沉陷濕地土壤有機(jī)碳在土壤碳中具有決定性作用,土壤有機(jī)碳占總碳(Total carbon,TC)的82.02%,與TC極顯著正相關(guān)。地形、水文條件和積水時(shí)間是影響表層TOC分布的主要因素。各植被類型下0~50cm土壤TOC含量均低于對(duì)照農(nóng)田5.03±0.91g/kg,為蒲草(4.68±0.20g/kg)沉水植物(4.54±1.32g/kg)荷花(4.37±2.05g/kg),這與自然濕地中土壤有機(jī)碳含量挺水植物中最大,沉水植物最小的結(jié)果有差異。說(shuō)明植被對(duì)碳積累有積極影響,但由于形成時(shí)間較短,受地形因素對(duì)土壤有機(jī)碳重新分布的影響更大。在垂直分布上,TOC含量在各類型植被下均呈現(xiàn)隨深度的增加而減少。土壤理化性質(zhì)與TOC的相關(guān)性以及在垂直分布上與自然濕地有所差異,粗砂粒與TOC之間顯著相關(guān),C/N較低且與TOC含量沒(méi)有顯著相關(guān)性,pH與TOC沒(méi)有顯著相關(guān)性且隨深度變化不明顯。(3)典型沉陷濕地土壤活性有機(jī)碳組分分布特征典型沉陷濕地土壤活性有機(jī)碳組分在水平分布上都呈現(xiàn)出中部含量較高邊緣較低的特征。其中,輕組有機(jī)碳(Light fraction organic carbon,LFOC)和顆粒有機(jī)碳(Particulate organic carbon,POC)相關(guān)性較強(qiáng),在水平分布上也較相似。POC與水深的相關(guān)性略強(qiáng)于LFOC,盆地中部與邊緣含量差異更大。溶解性有機(jī)碳(Dissolved organic carbon,DOC)與水深沒(méi)有顯著相關(guān)關(guān)系,從中部到邊緣含量減少較為平緩。煤炭(Coal carbon,CC)在水平分布上隨機(jī)性較強(qiáng),且與土壤有機(jī)碳、各活性有機(jī)碳組分和水深之間都沒(méi)有顯著相關(guān)性�；钚杂袡C(jī)碳組分中POC占TOC的比例最高為34.89%,LFOC和DOC分別占8.91%、0.32%。在0~50cm土壤中,除POC外,對(duì)照農(nóng)田的活性有機(jī)碳組分含量均高于典型沉陷濕地。沉陷濕地各植被類型下DOC均隨深度逐漸減少,LFOC和POC的表聚現(xiàn)象較為明顯,對(duì)照農(nóng)田表層的LFOC最高,沉水植物中POC含量最高。進(jìn)一步證明了典型沉陷濕地受地形變化影響較大,但植被對(duì)土壤有機(jī)碳的影響已初具表現(xiàn)。(4)不同類型沉陷濕地土壤有機(jī)碳的垂直分布特征與對(duì)照農(nóng)田相比,沉陷沼澤(4.82±1.74g/kg)、沉陷湖泊(3.77±1.64g/kg)和水產(chǎn)養(yǎng)殖場(chǎng)(1.11±1.15g/kg)在0~50cm土壤中有機(jī)碳含量分別降低了4.13%、25.03%和77.91%。垂直分布上,除水產(chǎn)養(yǎng)殖場(chǎng)以外,其他類型同對(duì)照農(nóng)田一樣都隨土壤深度逐漸減少,各層之間差異顯著。沉陷湖泊中土壤有機(jī)碳的主要來(lái)源為周圍土壤有機(jī)碳的輸入、原農(nóng)田作物的植被殘?bào)w以及水生植被凋零物;沉陷沼澤中的主要來(lái)源是原農(nóng)田作物的植被殘?bào)w以及水生植被的凋零物,蘆葦是沉陷沼澤中的優(yōu)勢(shì)植被,生產(chǎn)力較高,因此,以植被殘?bào)w為主的內(nèi)源輸入量較其它類型大,其有機(jī)碳密度較大的事實(shí)也證明了這一點(diǎn)。水產(chǎn)養(yǎng)殖場(chǎng)無(wú)論是土壤有機(jī)碳含量還是密度都遠(yuǎn)低于其它類型,主要原因是水生植被較少,且人工修整后,輸入水產(chǎn)養(yǎng)殖場(chǎng)的外源有機(jī)碳有限。(5)不同類型沉陷濕地土壤活性有機(jī)碳組分的垂直分布特征在對(duì)照農(nóng)田中土壤有機(jī)碳和活性有機(jī)碳組分之間都呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)較高。沉陷湖泊和沉陷沼澤中土壤有機(jī)碳和活性有機(jī)碳組分之間都呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)關(guān)系,但相關(guān)系數(shù)較對(duì)照農(nóng)田小。LFOC、POC與TOC的相關(guān)系數(shù)在沉陷沼澤中高于沉陷湖泊,DOC隨深度變化不顯著。在水產(chǎn)養(yǎng)殖場(chǎng)的土壤中TOC僅與POC顯著相關(guān),主要原因是無(wú)植被覆蓋,且受初期工程措施和后期人為管理的影響。CC對(duì)沉陷湖泊和對(duì)照農(nóng)田土壤有機(jī)碳的影響較大,而對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖場(chǎng)和沉陷沼澤影響較小,主要受到區(qū)位和人類干擾的影響。CC在垂直分布上呈現(xiàn)隨深度減小,僅在沉陷沼澤中表現(xiàn)為40~50cm中有較為明顯的回升,可能與沉陷之前土壤翻耕和復(fù)墾造成的土壤層混亂有關(guān)。(6)沉陷濕地在形成和利用過(guò)程中人為干預(yù)的建議在沉陷濕地形成過(guò)程中,地形變化引起的有機(jī)碳重新分布和土壤侵蝕帶來(lái)的有機(jī)碳流失是影響有機(jī)碳積累的主要因素,可輔助適當(dāng)?shù)闹脖淮胧?既能減少因土壤侵蝕而造成的有機(jī)碳流失,也可促進(jìn)有機(jī)碳積累。在沉陷濕地修復(fù)和利用過(guò)程中應(yīng)盡量減少對(duì)自然土壤和殘留陸生植被的擾動(dòng)。此外,可采取適當(dāng)?shù)拇胧﹥?yōu)化沉陷濕地的理化性質(zhì),促進(jìn)土壤有機(jī)碳積累,使沉陷濕地從陸地生態(tài)系統(tǒng)向濕地生態(tài)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化過(guò)程更加有益。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：S153.6

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2389723