小壕兔三号煤矿首采区碳汇分布规律研究

小壕兔三号煤矿首采区碳汇分布规律研究

刘辉1，张涛2，柳宁2，许海龙1，常克强1

（1.陕西煤业化工集团神南矿业有限公司，榆林，719000；

2.中煤科工西安研究院（集团）有限公司，西安，710077）

摘要：煤炭开采会造成水土流失，影响矿区碳储量的流失，为了探明采煤造成的碳储量变化情况，本研究已小壕兔三号煤矿首采区为研究对象，采用实地采样和实验室测定的方法，对研究区碳汇分布情况及规律进行定量研究。结果表明首采区总碳储量为1070.96t，首采区碳储量主要分布在区域中南部，该区域碳储量在36.00~56.40t范围内。首采区优势草本植物为沙蒿，灌木主要为沙柳，乔木优势品种为樟子松。

关键字：小壕兔三号煤矿，首采区，碳汇，分布规律

小壕兔三号煤矿处于榆神四期中部，榆神四期位于榆神矿区西北部，占榆神矿区总面积的33%，煤炭资源丰富，开采潜力大，是榆神矿区的主要产煤基地。矿区地处毛乌素沙地东缘，区内主导生态功能为防风固沙和水土保持，煤炭开发与区域主导生态功能存在较大冲突，是矿区开发的主要制约因素[1,2]。研究区属于典型生态脆弱区，由于煤炭资源的开采加剧了区域生态环境问题[3]，在国家“碳中和、碳达峰”双碳目标的政策引导下，榆林市政府和陕煤集团都开展了大量的调查和研究工作[4,5]，但研究区的碳汇现状，尤其是水土保持措施对碳汇的影响程度尚不明确[6]，亟待探明矿区的碳汇潜力并提出通过水土保持措施提升碳汇的优化方案，为推进榆神四期煤炭开发及矿区水生态环境的可持续发展提供技术支持。

基于此，本研究通过资料收集，结合实际调研，在小壕兔首采区，通过实地采样结合实验室测定的方法，测定小壕兔三号井首采区不同植被类型区现有的碳储量。根据测定结果定量评估首采区碳汇量，定性分析其分布情况。以期为榆神四期煤炭开发、矿区水生态环境的可持续发展提供技术支持

1研究区概况

小壕兔三号井田南距陕西省榆林市区约56km，东距神木市城约60km，行政区划隶属榆林市榆阳区小壕兔管辖，井田面积138.33km2（探矿权面积），首采盘区为一水平的11盘区，面积约21.6km2。小壕兔三号井田位于毛乌素沙漠东部近边缘地带，地表被风积沙所覆盖，沙丘绵延起伏，勘查区位于北温带干旱～半干旱大陆性（季风）气候带的沙漠地带，多年平均气温8.6℃，多年平均降水量435.7mm。

2样品采集及测定方法

2.1样品采集

（1）样方确定

课题采用网格法进行样方划分。网格大小约为100~200m2，随机抽取10%的网格进行样方布设，将网格中心点的作为样方布设位置，其中乔木群落样方大小为10m×10m，灌木群落为5m×5m，草本群落为2m×2m。首采区采样点布设图如图2.1.采样点布设示意图如图2.2.

2.1 首采区采样点布设图

图2.2 采样点布设示意图

（2）样品采集及测定指标

①土壤样品

在样方内分别选择至少5个有代表性的采样点（建议样方四个角和中心点各一个），每个采样点用土钻或挖掘土壤剖面分层（0~20cm、20~40cm、40~60cm、60~100cm）采取土壤，将土壤按土层分别充分混合后，用四分法分别取200~300g样品，将直径大于2mm的石砾、细根和其它死有机质残体全部去除，带回实验室风干，采用碳氮分析仪对样品测定土壤有机碳含量。同时，在每个采样点，用环刀分层各取原状土样一个，称土壤湿重。每个采样点每层取1个混合土样，在105℃下烘干至恒重，计算土壤含水率。计算环刀内土壤的干重和各土层平均容重。

②植被样品

将样方内的植被按照不同植被类型分别采样。

乔木林地：采用全测量法进行采样，测量样方内乔木的地上生物量、地下生物量。

灌木林地：采用标准木法进行采样，测量标准木的地上生物量、地下生物量。

草本植物：通过全收割法进行采样，即将样方内的草本植物地上、地下样品全部收割，测量样方草本生物量。

测定指标：

乔木生物量指标：株高、胸径、地径、根系长度、根冠比等。

灌木生物量指标：灌丛生物量的测定选取中等大小标准株，收集1m×1m范围内的凋落物并分别收集该范围内所有草本植物的地上和地下部分，挖取灌木后分为地上部分和地下部分，分别分器官称量鲜重。所有样品选取300g左右新鲜样品，带回实验室烘干至恒重后称重并换算为单位面积生物量。

草本植物生物量指标：草本植物主要记录其高度、德氏多度、盖度等。草本植物群落生物量的调查是选取均匀的有代表性的0.2m×0.2m小样方（每个样方内选取5~10个小样方，视植被稀疏情况而定），采收样方内所有草本，剪取地上部分称量鲜重，挖取地下0.2m深的土柱，流水冲洗挑取根系，吸去水分后称取鲜重，取样在70℃烘干至恒重，称重，计算含水率。

2.2测定方法

（1）土壤有机碳测量方法：重铬酸钾分光光度法

（2）土壤无机碳测量方法：酸碱滴定法

（3）植物碳测量方法：干烧法

3结果与分析

（1）土壤容重

式中：ρ—土壤容重（g/cm3）；m

1—环刀+烘干土重量（g）；m2—环刀的重量（g）；v—环刀容积（cm3）。

根据研究区土壤样品测量结果显示，小壕兔三号煤矿首采区土壤容重平均值为1.53g/cm3。

（2）土壤碳储量

本研究累计调查土壤样方46个，采集土壤样品184个。通过测量土壤样品的无机碳和有机碳，通过SPSS数据统计软件对测量结果进行统计分析，结果见表3.1、3.2.同时绘制不同土层（0~20cm，20~40cm，40~60cm，60~100cm）有机碳、无机碳空间分布图，如图3.1、3.2.

表3.1土壤有机碳含量描述统计                单位：（g/kg）

由表3.1可以看出，首采区土壤不同土层平均有机碳含量分别为：8.90g/kg （0~20cm）、7.37g/kg （20~40cm）、7.09g/kg （40~60cm）、6.89g/kg （60~100cm）。由此也可以看出随着土层深度的增加土壤有机碳含量逐渐减小。

注：a、b、c、d分别代表0~20、20~40、40~60、60~100土层

图3.1不同土层有机碳空间分布图

由图3.1可以看出，当土层深度为0~20cm时，高有机碳含量区域范围分布较广，随着土层深度的增加土壤有机碳含量高的区域在不断缩小。土壤有机碳含量较高区域主要分布在调查区中部。

表3.2土壤无机碳含量描述统计           单位：（g/kg）

由表3.2可以看出，首采区土壤无机碳含量明显高于有机碳含量，这说明土壤中碳以无机碳为主。首采区土壤不同土层平均无机碳含量分别为：13.53g/kg （0~20cm）、12.64g/kg （20~40cm）、11.80g/kg （40~60cm）、9.46g/kg （60~100cm）。与土壤有机碳含量相同，随着土层深度的增加土壤有机碳含量逐渐减小。

注：a、b、c、d分别代表0~20cm、20~40cm、40~60cm、60~100cm土层。

图3.2不同土层无机碳空间分布图

由图3.2可以看出，首采区土壤无机碳分布随着土层深度的增加，从调查区的西南部逐渐的向南部偏移，土层深度达到60~100cm时，土壤无机碳含量与<60cm时分布区域有所不同，其主要分布在东部边缘和西南脚。

表3.3碳汇区碳储量统计表

由表3.3可以看出，调查区总碳储量为1070.96t，不同植被区总碳储量差异明显，灌木林地总碳储量最高为438.11t,乔木林地次之为398.87t，草地和农田碳储量相对较低分别为128.55t、105.43t。草地、灌木林地、农田碳储量主要为土壤碳储量，分别为占总碳储量的99.86%、98.75%，99.05；乔木林地碳储量主要为植物碳储量，占总碳储量的75.39，土壤碳储量占总碳储量的24.61%。

图3.3碳储量空间分布图

图3.3为小壕兔三号矿首采区碳储量空间分布图，从图中可以看出首采区碳储量主要分布在区域中南部，碳储量在36.00~56.4t范围内。南部和北部边缘碳储量分布较少，约为6.37~9.85t。

（3）植物碳储量

本研究根据各植被类型空间分布情况进行设置样地，累计调查样方41个，样品164个。通过对乔木、灌木、草本以及农作物胸径、株高、有机碳含量的测定，计算得出小壕兔首采区不同植物的碳储量，见表3.4.

由表3.4可以看出，研究区优势草本植物为沙蒿；灌木主要为沙柳，乔木优势品种为樟子松，农田作物主要为玉米。

表3.4  植物碳储量调查表

4结论

（1）首采区总碳储量为1070.96t，首采区碳储量主要分布在区域中南部，碳储量在36.00~56.40t范围内。南部和北部边缘碳储量分布较少，约为6.37~9.85t。

（2）首采区土壤不同土层平均有机碳含量分别为：8.90g/kg （0~20cm）、7.37g/kg （20~40cm）、7.09g/kg （40~60cm）、6.89g/kg （60~100cm）。土壤不同土层平均无机碳含量分别为：13.53g/kg （0~20cm）、12.64g/kg （20~40cm）、11.80g/kg （40~60cm）、9.46g/kg （60~100cm）。

（3）首采区优势草本植物为沙蒿；灌木主要为沙柳，乔木优势品种为樟子松，农田作物主要为玉米，沙蒿、沙柳、樟子松、玉米的碳储量分别为：12.33t、13.83t、69.35t、30.87t.

参考文献

[1]戴全厚，刘国彬，薛萐，等.侵蚀环境坡耕地改造对土壤活性有机碳与碳库管理指数的影响［J］.水土保持通报，2008,28（4）：17-21.

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