《煤矿区重构土壤有机碳变化及土壤呼吸特征》主要针对煤矿开采引发的地表沉陷和煤矸石固废堆积等环境问题，以早期建设的地质环境综合治理和土地复垦工程为对象，研究煤矸石充填重构土壤剖面有机碳变化、土壤呼吸环境因子效应及CO2排放特征。《煤矿区重构土壤有机碳变化及土壤呼吸特征》共6章，系统介绍了土壤重构基质(煤矸石)特征、重构土壤温湿度环境因子、土壤有机碳分布与变化、植被与覆土厚度对土壤有机碳和腐殖质的影响、土壤呼吸及其与温湿度因子的关系、重构土壤腐殖质氧化对剖面气热变化响应、重构土壤气热条件变化对植物生长的影响等。

目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 煤矿区重构土壤 1
1.1.1 重构土壤 1
1.1.2 煤矸石充填重构土壤 4
1.2 土壤有机碳库 7
1.2.1 土壤有机碳 7
1.2.2 土壤腐殖质 11
1.2.3 区域碳足迹和碳承载力 15
1.3 土壤呼吸 20
1.3.1 土壤呼吸的概念 20
1.3.2 土壤呼吸的环境影响因子 21
1.3.3 土壤呼吸的动态变化 23
1.3.4 根系呼吸及其关键影响因子 24
第2章 土壤重构基质（煤矸石）特征 28
2.1 煤矸石理化性质 28
2.1.1 外观特征描述 28
2.1.2 颗粒与岩性 29
2.1.3 煤矸石矿物成分特征 32
2.1.4 主要化学成分特征 34
2.2 煤矸石水力学特征 36
2.2.1 煤矸石水分特征参数 36
2.2.2 煤矸石层水分竖直上移特征 39
2.3 煤矸石导气率性质 43
2.3.1 煤矸石导气率 43
2.3.2 煤矸石组分对其导气率的影响 44
2.4 煤矸石热扩散系数 47
2.5 本章小结 48
第3章 重构土壤含水量、温度与CO2气体浓度剖面变化 49
3.1 实验设计 49
3.1.1 重构土壤水气热耦合运移室内模拟系统 49
3.1.2 现场重构土壤剖面温度变化 50
3.2 重构土壤剖面含水量及水分再分布 52
3.2.1 重构土壤剖面含水量分布 52
3.2.2 重构土壤剖面水分再分布过程 52
3.3 重构土壤热传递 54
3.3.1 室内重构土壤剖面温度日变化 54
3.3.2 现场重构土壤剖面温度变化 55
3.3.3 煤矸石层对重构土壤温度的影响及覆土厚度的估算 57
3.4 重构土壤剖面气体运动规律 59
3.4.1 表土质地及充填基质对重构土壤导气率的影响 59
3.4.2 重构土壤导气率的估算 61
3.4.3 重构土壤剖面CO2浓度日变化 62
3.4.4 通气对重构土壤剖面CO2浓度的影响 63
3.5 重构土壤水气运移模拟 65
3.5.1 非饱和土壤水分运动方程 65
3.5.2 模型参数 65
3.5.3 重构土壤剖面含水量模拟 66
3.5.4 重构土壤剖面水分再分布过程模拟 66
3.6 底部供热对重构土壤水气热运移的影响 67
3.6.1 底部供热对重构土壤剖面温度的影响 67
3.6.2 温度梯度对重构土壤水分运动的影响 69
3.6.3 温度梯度对重构土壤气体运动的影响 70
3.7 本章小结 71
第4章 重构土壤有机碳及其活性组分分布与变化 73
4.1 有机碳及其活性组分的空间分布特征 73
4.1.1 研究区概况与实验方法 73
4.1.2 重构土壤主要理化性质 74
4.1.3 土壤有机碳分布特征 75
4.1.4 土壤微生物生物量碳分布特征 76
4.1.5 土壤可溶性有机碳分布特征 76
4.1.6 土壤活性有机碳与土壤理化性质的关系 77
4.1.7 土壤活性有机碳组分及其影响因素 78
4.1.8 土壤活性有机碳组分的分布特征 78
4.2 覆土厚度和植被对有机碳分布的影响 79
4.2.1 研究区概况与实验方法 79
4.2.2 土壤有机碳、微生物生物量碳测定与计算方法 84
4.2.3 覆土厚度和植被对土壤有机碳分布的影响 85
4.2.4 生态修复区复垦土壤有机碳活性组分含量与分布 89
4.3 有机碳矿化的速率 94
4.3.1 研究区概况 94
4.3.2 采样与实验 95
4.3.3 有机碳矿化的动态特征 96
4.4 本章小结 102
第5章 腐殖质含量变化对土壤剖面温度与CO2浓度的响应 104
5.1 研究区概况与研究方法 104
5.1.1 研究区概况 104
5.1.2 研究方法 105
5.1.3 测定方法 108
5.2 煤矸石充填复垦土壤理化性质空间分布 110
5.2.1 复垦土壤理化性质 110
5.2.2 腐殖质空间分布规律 114
5.2.3 土壤腐殖质的影响因素分析 118
5.3 复垦土壤腐殖质氧化对CO2气体的响应 121
5.3.1 土壤剖面CO2分布 121
5.3.2 供气处理对土壤腐殖质组分的影响 123
5.3.3 土壤微生物生物量碳变化对腐殖质氧化分解的影响 129
5.4 复垦土壤腐殖质氧化对温度的响应 131
5.4.1 实验水气热变化 131
5.4.2 不同底部供热条件下腐殖质组分变化 134
5.4.3 土壤有机碳变化 141
5.5 本章小结 142
第6章 重构土壤呼吸变化及其环境影响因子 144
6.1 土壤呼吸日变化和季节变化 144
6.1.1 土壤呼吸监测区域及测量方法 144
6.1.2 根系呼吸测定方法 146
6.2 土壤呼吸日变化和季节变化 146
6.2.1 土壤呼吸速率的日变化 146
6.2.2 重构土壤呼吸速率与对照区的对比 150
6.2.3 不同时刻土壤呼吸速率与日均值的比较 153
6.2.4 土壤呼吸速率的月变化 154
6.2.5 土壤呼吸速率的月均值 156
6.3 土壤温度和湿度的变化特征 157
6.3.1 土壤温度的变化特征 157
6.3.2 土壤湿度的变化特征 163
6.4 环境因子对土壤呼吸的影响 165
6.4.1 土壤温度对土壤呼吸的影响 165
6.4.2 土壤湿度对土壤呼吸的影响 166
6.4.3 土壤温度和湿度对土壤呼吸的综合影响 168
6.5 非生长季的根系呼吸变化特征 169
6.5.1 不同覆土厚度条件下根系呼吸速率和土壤温度日变化特征 169
6.5.2 根系呼吸速率和土壤温度与湿度非生长季动态变化特征 171
6.5.3 根系呼吸速率动态变化对温度与湿度的响应 173
6.5.4 根系呼吸对土壤呼吸总量的贡献 175
6.6 本章小结 176
参考文献 178

第1章 绪论
　　1.1 煤矿区重构土壤
　　1.1.1 重构土壤
　　根据世界土壤资源参比基础（WRB，2022）定义，人为土（Anthrosol）包括草垫、堆垫、灌淤、园艺和水耕等人为土壤（张甘霖等，2004），水稻土应该属于典型的人为土。水稻土广泛地分布在我国东北、江淮和华南地区，由于季节性水淹作用以及土壤氧化和还原条件的更替，在土壤剖面上有明显的耕作层和犁底层的氧化还原迹象。
　　更为重要的是，在世界上广泛存在的城市、工业、交通、矿山和军事等特殊区域土壤，其在破坏原有自然土壤结构的同时，又重新利用科学技术方法来建构土壤剖面，在满足工程建设需求的同时，恢复并逐步稳定区域生态系统，土壤结构和性质与原有自然土壤相比，发生了很大的变化，从广义来说其也属于人为土。更为细致地划分土壤类型，这类土壤因有强烈的人类工程技术活动参与，可界定为人工土壤或技术性土壤（Meuser，2010）。2001年，由国际土壤科学联合会（International Union of Soil Sciences，IUSS）城市土壤工作委员会组织的**届“城市、工业、交通、矿山和军事区域土壤”（Soils in Urban， Industrial， Traffic， Mining and Military Areas，SUITMA）国际学术会议在德国举行，之后分别在法国、埃及、中国、美国、摩洛哥、波兰、墨西哥、韩国、俄罗斯、西班牙等国家已举办了12届国际学术会议。在SUITMA一系列会议上，各国专家学者充分交流讨论技术性土壤的物理、化学和生物特征，以及土壤质量的演变过程。
　　实际上，在20世纪末与21世纪初，科学家开始讨论土壤重构的理论和技术方法。McBratney等（2000）指出两种土壤剖面重构所依据的数学模型：基于地形资料的等面积二次样条（equal-area quadratic splines，EQS）模型和基于明显分层电导率数据的吉洪诺夫正则化（Tikhonov regularisation，TR）模型。两种土壤剖面重构模型各有优缺点，根据现有土壤数据可进行合理选择。当少有或没有土壤数据时，仅能依靠电磁感应仪器读数应用TR模型进行土壤剖面的重构，否则即可选择EQS模型。Seong-Won等（2008）应用偏微分方程的约束优化方法求解土壤剖面重构的一维逆问题，在此基础上建立了时域方法（time-domain approach，TDA）模型，并与TR模型进行了对比，认为TDA模型在性能上存在明显的优越性。同时，应用不同剖面重构方法复垦的矿区土壤理化性质及其植物效应研究也逐渐受到重视（Tedesco et al.， 1999；Bowen et al.， 2005；Wick et al.， 2011；Jessica et al.，2018）。中国矿业大学胡振琪教授在国内重要学术期刊上连续发表“煤矿山复垦土壤剖面重构的基本原理与方法”“矿山复垦土壤重构的概念与方法”“矿山复垦土壤重构的理论与方法”等学术论文（胡振琪，1997，2022；胡振琪等，2005），系统阐释了煤矿区土壤重构方法原理和重构土壤的概念、理论及其内部物质能量流特征，为推动矿区重构土壤的研究做出了巨大贡献。
　　“人工土壤或技术性土壤”的表述尚不能突显这类特殊土壤的剖面结构，因此我们引入了“重构土壤”的概念。重构土壤是指在人类活动的影响和参与下，用固体废弃物作为充填基质，上覆一定深度的原土，重新建构的用于植物栽培的包含充填基质在内的剖面连续体。充填基质有很多，如生活垃圾、工业废石、建筑垃圾、河流湖泊的泥沙和煤矿固体废弃物（粉煤灰和煤矸石）等（图1-1～图1-4）。
　　图1-1 城市生活垃圾充填重构土壤剖面及地表植被
　　图1-2 城市建筑垃圾充填重构土壤剖面及地表植被
　　图1-3 湖泊淤沙充填重构土壤剖面及地表植被
　　图1-4 煤矸石充填重构土壤剖面及地表植被
　　从土壤发生学的角度来看，土壤是由成土母质在气候、地形、生物和人类活动等共同作用下，随时间推移而逐渐演化而成的。由此形成的土壤类型多样，剖面层次结构组成也各不相同。一般意义上，成熟土壤剖面主要包括淋溶层、淀积层和母质层等。充填基质尽管不是真正意义上的土壤，但在有限的研究深度（如2m）范围内，可将其看作母质层，与上覆土壤一起构成完整的土壤剖面。因此，重构土壤实际上是从地表到充填基质层的连续剖面结构。
　　还有一些类型的技术性土壤没有明显的充填基质和表层土壤的“二元”剖面结构，但其对原有土壤的结构破坏程度严重，新的土壤剖面建构是颠覆性的，也可以纳入重构土壤体系进行研究。例如，在污染土壤覆土修复技术中（图1-5），将污染土壤置于下层，上覆一定厚度的原位土壤，污染土壤和上覆土壤间是不连续的，整个剖面物质和能量循环被排水系统、膨胀土层和土工布等组成的隔离层所截断；在一些城市的周边，不断有固体废弃物充填同一区域，而且延续时间很长（几十年，甚至上百年），形成多层结构的重构土壤剖面（图1-6）。当然，这些特殊类型的重构土壤剖面水分垂直运动规律和土壤质量演变影响因子的系统研究显得异常困难。
　　图1-5 污染土壤覆土修复技术剖面示意图
　　图1-6 多层结构重构土壤剖面及地表植被
　　1.1.2 煤矸石充填重构土壤
　　煤矿井工开采带来了大面积的土地塌陷。仅安徽省淮南和淮北两个矿区，2009年的总塌陷面积就达304km2，其中常年积水区域面积112km2；淮南矿区的百万吨塌陷率为0.19km2，淮北矿区的百万吨塌陷率为0.33km2，预测至2050年，总塌陷面积将达1084km2。同时，两个矿区2009年煤矸石的堆存量为4.36×108t，燃煤电厂粉煤灰的排放量为1.30×108t，压占土地面积约2.47km2。固体废弃物的堆放给矿区土壤、大气和水环境带来了巨大的压力，土地损毁也会限制区域社会经济发展中工农业用地空间的拓展。为有效解决这些矛盾，政府部门和矿山企业从20世纪中后期即用煤矸石和粉煤灰充填煤矿塌陷区重构土壤剖面，形成大面积的复垦区，以供工业建筑或农林生产使用。重构土壤，尤其是农林用地土壤的物质循环过程和质量演变研究逐步获得重视。
　　煤矿塌陷区充填复垦*先需要应用某种基质进行土壤剖面重构。土壤剖面重构是指土壤多相介质组分及其剖面层次性质的重新构造。这种重新构造的土壤环境需要适宜植物、动物和微生物的活动，并借助于合理的充填重构工艺（胡振琪等，2005；胡振琪，2022）。胡振琪提出了“分层剥离、交错回填”的土壤剖面重构原理与方法，并基于此建立了土壤剖面重构的数学模型；同时，概括了煤矿区土壤剖面重构的一般方法（图1-7），即在考虑具体采矿工艺和岩土条件，重构后的“土壤”物料组成和介质层次要与区域自然成土条件相协调，复垦后土地利用方向、法律法规要求、复垦资金保证等其他相关因素的基础上，重塑地貌景观，重构土壤剖面，并实行重构土壤培肥改良措施（胡振琪等，2005；魏忠义等，2001；郭友红，2020；李保杰等，2023）。
　　图1-7 复垦土壤重构的一般方法
　　尽管重构土壤剖面后，为恢复矿区土壤生产力和生态系统，往往采取物理、化学和生物措施，对土壤的成土条件、理化性质和土壤环境质量进行生态修复（李玲等，2007；周际等，2023）。但这种充填重构剖面复垦的土壤无论其物理性质，还是水分、养分和溶质的条件与运移，相对于自然农业土壤来说，均存在较大的差异（图1-8、图1-9），主要原因是充填基质的特殊物理化学性质影响重构土壤物质循环过程。一方面，上覆土壤与基质层间的水分、气体和溶质等物质能量流不连续，垂直剖面迁移变得困难或容易；另一方面，基质层的物质可能向上迁移，增加或减少上覆土壤的物质质量分数，影响重构土壤表层的肥力或环境质量。鉴于上覆土壤与基质层之间特殊的物质流与能量流，国内外学者对煤矸石充填重构土壤理化性质变化进行大量研究，并取得了丰硕的成果。Raj等（2006）通过对俄亥俄州矿区复垦区与周边未复垦区土壤理化性质对比分析，发现煤炭开采和复垦活动会导致土壤有机碳（SOC）和氮的损失量分别高达70%和65%以上，与林地利用方式相比，草地更有利于碳库和氮库的积累，同时复垦后，土壤质量明显下降，如土壤容重较大，C/N值低，土壤pH和电导率升高等。位蓓蕾等（2012）针对目前矿区主要选用固体废弃物（如粉煤灰、煤矸石、污泥）作为塌陷区土壤重构的填充基质这一情况，对比分析不同填充基质对覆土层理化性质的负面影响，尤其突出对覆土层重金属含量的影响，并得出煤矸石和粉煤灰作为填充基质时，*优的覆土厚度分别为70cm和50cm。黄晓娜等（2014）在大量文献调研的基础上，发现当前矿区塌陷地复垦土壤质量研究存在不足，一方面是复垦土壤的综合质量研究不足，另一方面是复垦土壤肥力的维持与提高研究缺乏，同时，应将传统方法和现代先进技术相结合加强复垦土壤质量动态监测。余健等（2014，2023）从与土壤持水性和保肥供肥性密切相关的土壤颗粒组成的角度出发，分析塌陷区及其复垦土壤颗粒分布