我国已经超过美国成为温室气体排放第一大国,节能减排压力巨大。煤炭是全球重要的能源资源,温室气体排放的贡献率达到19%,煤炭也是我国的能源主体且在短期内不会改变,因此,煤矿区的碳循环问题应受到重视。在煤矿区,除了工业生产使得温室气体排放量增加以外,由开采引发的土地利用类型变化和生态环境影响所带来的区域碳循环改变问题也值得关注。在高潜水位煤矿区,受采煤沉陷和积水影响的区域巨大,原有农田转变为大小不一的众多沉陷湿地。自然湿地土壤在陆地生态系统中单位面积碳储量最高,较其他生态系统更能长期有效固碳,在全球气候变化中有重要作用。而在沉陷湿地形成和利用过程中,土壤碳将发生怎样的变化,主要影响因素有哪些;沉陷湿地相比自然湿地和积水前的农田生态系统,土壤碳含量差异如何;不同利用方式下,沉陷湿地土壤碳的变化有何不同,这些问题还没有引起足够的关注。本文在梳理高潜水位煤矿区沉陷湿地定义、分析其形成的基础上,对其分类进行了探讨。选择高潜水位煤矿区典型以及不同类型沉陷湿地作为研究对象,通过室外采样、室内测试和数据分析,对典型沉陷湿地土壤有机碳的水平和垂直分布特征进行分析,并进一步研究了对环境和人为活动更为敏感的活性有机碳,挖掘沉陷湿地土壤有机碳形成和分布的影响因素;通过对不同类型沉陷湿地有机碳和活性有机碳组分的测试和分析,探究不同修复和利用方式对土壤有机碳的影响。本研究为精确估算高潜水位煤矿区土壤碳储量提供基本数据,为科学评估土壤碳变化对区域碳循环的影响提供依据,为沉陷湿地的修复治理以及合理利用提供参考。主要研究结果如下:(1)采煤沉陷湿地的形成与分类基于开采沉陷学基本原理,阐述了沉陷湿地地形和水文条件形成的原因和过程,分析了土壤和植被条件的转变和形成过程。根据对已有湿地分类系统的总结分析,按照沉陷湿地的成因和利用方式,将其分为自然演替和人为修复两大类。(2)典型沉陷湿地土壤有机碳特征典型沉陷湿地表层土壤有机碳(Total organic carbon,TOC)含量平均值为7.82±3.40g/kg,明显低于对照农田的10.18±1.30g/kg。其水平分布特征为沉陷盆地中间高、边缘低,受地形变化影响明显。不同积水年份的表层土壤TOC含量呈现显著差异,随积水时间的增加而减少。典型沉陷湿地土壤有机碳在土壤碳中具有决定性作用,土壤有机碳占总碳(Total carbon,TC)的82.02%,与TC极显著正相关。地形、水文条件和积水时间是影响表层TOC分布的主要因素。各植被类型下0~50cm土壤TOC含量均低于对照农田5.03±0.91g/kg,为蒲草(4.68±0.20g/kg)>沉水植物(4.54±1.32g/kg)>荷花(4.37±2.05g/kg),这与自然湿地中土壤有机碳含量挺水植物中最大,沉水植物最小的结果有差异。说明植被对碳积累有积极影响,但由于形成时间较短,受地形因素对土壤有机碳重新分布的影响更大。在垂直分布上,TOC含量在各类型植被下均呈现随深度的增加而减少。土壤理化性质与TOC的相关性以及在垂直分布上与自然湿地有所差异,粗砂粒与TOC之间显著相关,C/N较低且与TOC含量没有显著相关性,pH与TOC没有显著相关性且随深度变化不明显。(3)典型沉陷湿地土壤活性有机碳组分分布特征典型沉陷湿地土壤活性有机碳组分在水平分布上都呈现出中部含量较高边缘较低的特征。其中,轻组有机碳(Light fraction organic carbon,LFOC)和颗粒有机碳(Particulate organic carbon,POC)相关性较强,在水平分布上也较相似。POC与水深的相关性略强于LFOC,盆地中部与边缘含量差异更大。溶解性有机碳(Dissolved organic carbon,DOC)与水深没有显著相关关系,从中部到边缘含量减少较为平缓。煤炭(Coal carbon,CC)在水平分布上随机性较强,且与土壤有机碳、各活性有机碳组分和水深之间都没有显著相关性。活性有机碳组分中POC占TOC的比例最高为34.89%,LFOC和DOC分别占8.91%、0.32%。在0~50cm土壤中,除POC外,对照农田的活性有机碳组分含量均高于典型沉陷湿地。沉陷湿地各植被类型下DOC均随深度逐渐减少,LFOC和POC的表聚现象较为明显,对照农田表层的LFOC最高,沉水植物中POC含量最高。进一步证明了典型沉陷湿地受地形变化影响较大,但植被对土壤有机碳的影响已初具表现。(4)不同类型沉陷湿地土壤有机碳的垂直分布特征与对照农田相比,沉陷沼泽(4.82±1.74g/kg)、沉陷湖泊(3.77±1.64g/kg)和水产养殖场(1.11±1.15g/kg)在0~50cm土壤中有机碳含量分别降低了4.13%、25.03%和77.91%。垂直分布上,除水产养殖场以外,其他类型同对照农田一样都随土壤深度逐渐减少,各层之间差异显著。沉陷湖泊中土壤有机碳的主要来源为周围土壤有机碳的输入、原农田作物的植被残体以及水生植被凋零物;沉陷沼泽中的主要来源是原农田作物的植被残体以及水生植被的凋零物,芦苇是沉陷沼泽中的优势植被,生产力较高,因此,以植被残体为主的内源输入量较其它类型大,其有机碳密度较大的事实也证明了这一点。水产养殖场无论是土壤有机碳含量还是密度都远低于其它类型,主要原因是水生植被较少,且人工修整后,输入水产养殖场的外源有机碳有限。(5)不同类型沉陷湿地土壤活性有机碳组分的垂直分布特征在对照农田中土壤有机碳和活性有机碳组分之间都呈现极显著正相关关系,相关系数较高。沉陷湖泊和沉陷沼泽中土壤有机碳和活性有机碳组分之间都呈现极显著正相关关系,但相关系数较对照农田小。LFOC、POC与TOC的相关系数在沉陷沼泽中高于沉陷湖泊,DOC随深度变化不显著。在水产养殖场的土壤中TOC仅与POC显著相关,主要原因是无植被覆盖,且受初期工程措施和后期人为管理的影响。CC对沉陷湖泊和对照农田土壤有机碳的影响较大,而对水产养殖场和沉陷沼泽影响较小,主要受到区位和人类干扰的影响。CC在垂直分布上呈现随深度减小,仅在沉陷沼泽中表现为40~50cm中有较为明显的回升,可能与沉陷之前土壤翻耕和复垦造成的土壤层混乱有关。(6)沉陷湿地在形成和利用过程中人为干预的建议在沉陷湿地形成过程中,地形变化引起的有机碳重新分布和土壤侵蚀带来的有机碳流失是影响有机碳积累的主要因素,可辅助适当的植被措施,既能减少因土壤侵蚀而造成的有机碳流失,也可促进有机碳积累。在沉陷湿地修复和利用过程中应尽量减少对自然土壤和残留陆生植被的扰动。此外,可采取适当的措施优化沉陷湿地的理化性质,促进土壤有机碳积累,使沉陷湿地从陆地生态系统向湿地生态系统的转化过程更加有益。