厚黃土薄基巖型采煤沉陷區(qū)農(nóng)田土壤化學性狀空間變異

白成云，白文斌，焦曉燕，韓 雄

（1.山西省農(nóng)業(yè)科學院技術(shù)推廣處，山西 太原 030006；2.山西省農(nóng)業(yè)科學院高粱研究所，山西 晉中 030600；3.山西省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)環(huán)境與資源研究所，山西省土壤環(huán)境與養(yǎng)分資源重點實驗室，山西 太原 030006）

黃土高原位于我國由東南濕潤半濕潤氣候向干旱半干旱氣候過渡的中間地帶[1]。潞安集團司馬煤礦地處黃土高原東南部的上黨盆地，于2005年6月投產(chǎn)，是一座國內(nèi)同類水平較高的礦井之一，煤田面積29.49 km2，采用長壁回采工藝。該區(qū)域水熱資源豐富，是山西省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件較好的區(qū)域之一，屬于典型的糧礦復(fù)合區(qū)。近幾年來，隨著采礦規(guī)模的擴大，礦區(qū)范圍內(nèi)發(fā)生了地表農(nóng)田沉陷災(zāi)害，地表沉陷不僅破壞了糧礦復(fù)合區(qū)農(nóng)田的基本設(shè)施，也導(dǎo)致了土壤水分、養(yǎng)分分布不均[2]，耕地肥力下降[3]，影響了礦區(qū)農(nóng)民的正常生產(chǎn)生活，使礦區(qū)人地矛盾日趨尖銳[4]，直接制約著礦區(qū)的可持續(xù)發(fā)展[5]。

本試驗以潞安集團下屬司馬煤礦井田內(nèi)的沉陷農(nóng)田為研究對象，通過測定和分析不同沉陷部位農(nóng)田土壤的化學性狀，揭示采煤沉陷對沉陷區(qū)農(nóng)田土壤化學性狀的影響規(guī)律，旨在為地處干旱半干旱地區(qū)礦區(qū)農(nóng)田土地復(fù)墾提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗區(qū)概況

研究區(qū)位于長治盆地東南部邊緣長治縣境內(nèi)蘇店鎮(zhèn)郝店村，為黃土平原地貌，土層較厚，質(zhì)地以壤質(zhì)為主，屬厚黃土薄基巖型采煤區(qū)。區(qū)內(nèi)地勢較為平坦開闊，地面坡度在3°～12°之間，海拔為940 m左右，屬暖溫帶大陸性季風氣候，四季分明，日照充足，晝夜溫差較小。沉陷區(qū)涉及村莊有2300多人口，農(nóng)戶576戶，耕地面積125 hm2，人均耕地540 m2。因采煤塌陷，該村土地遭到嚴重破壞，現(xiàn)有的耕地旱地多、水地少、保澆地更少。塌陷前種植作物以冬小麥—蔬菜—冬小麥輪作為主，施肥以無機肥為主、有機肥為輔。塌陷后輸水管道遭到破壞，水澆地變?yōu)楹档?，耕種不方便，種植模式為一年一作的玉米，生產(chǎn)力降低，水土流失嚴重[6]。

1.2 試驗方法

1.2.1 采樣方式 2007年8月，選定一沉陷2 a的沉陷盆地（SM）作為研究對象，塌陷地形用全站儀（南方全站儀NTS662）進行測量，塌陷盆地面積6.25 hm2。沉陷前地表平整，以未塌陷地為參照（CK），按落差1 m設(shè)定等高線，分別命名為等 1、等 2、等 3、等 4、等 5、等 6、等 7。沉陷盆地特征、不同落差等高線及采樣點如圖1所示。

土壤養(yǎng)分樣品采集:在沉陷盆地的4個方向（北、南、西、東）的不同等高線上取樣，各方向夾角為90°（圖2）。每個樣點分0～20，20～40 cm 2個層次分別進行取樣，測定土壤化學性狀。

1.2.2 分析方法 pH值測定采用玻璃電極法；土壤有機質(zhì)測定采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法；土壤全氮測定采用半微量開氏法；土壤速效磷測定采用鉬銻抗比色法；土壤速效鉀測定采用醋酸銨浸提-火焰光度計法。

2 結(jié)果與分析

為研究沉陷區(qū)農(nóng)田土壤化學特性的空間變化規(guī)律、變化程度，以未沉陷農(nóng)田土壤化學特性為對照，將沉陷區(qū)不同下沉深度土壤化學特性實測值換算成相對值（表1）。表1中沉陷區(qū)農(nóng)田不同部位（下沉深度）不同土層土壤化學特性測定項目的相對值，均以正常未沉陷農(nóng)田相應(yīng)層次土壤的相應(yīng)項目實測值為基準（100%）換算而成。

表1 沉陷地土壤化學性狀的相對變化 %

2.1 不同沉陷程度對土壤pH值的影響

沉陷區(qū)農(nóng)田土壤酸堿性的空間變化特征如圖3所示。不同沉陷深度對土壤酸堿性的pH值影響不明顯，不同土層變異系數(shù)僅為0.74%和0.78%（表2），并沒有出現(xiàn)徐州礦區(qū)沉陷農(nóng)田的3.63%和2.32%的pH值變化幅度[7]。

2.2 不同沉陷程度對土壤全氮的影響

由圖4可知，不同土層土壤全氮含量在下沉深度2 m內(nèi)，隨下沉深度的增加，0～20 cm土層全氮含量下降，下沉深度2 m時達最低；然后隨沉降深度的進一步增加，全氮含量則呈增加的趨勢，在等6、等7處土壤全氮含量最高，達0.13%。下沉程度對20～40 cm土壤全氮含量沒有影響。

2.3 不同沉陷程度對土壤有機質(zhì)的影響

由圖5可知，沉陷農(nóng)田在下沉深度1～3 m的不同土層土壤有機質(zhì)含量均比正常農(nóng)田低，其中在下沉深度3 m時，不同土層土壤有機質(zhì)含量下降的幅度最大；而在下沉深度4，5，6，7 m的不同土層土壤有機質(zhì)含量均比正常未沉陷農(nóng)田高。從圖5還可看出，不同沉陷深度不同土層的土壤有機質(zhì)變化規(guī)律一致。

2.4 不同沉陷程度對土壤速效磷的影響

從圖6可以看出，不同下沉深度不同土層土壤速效磷含量均有不同程度的增減變化，并且變異系數(shù)較大，0～20，20～40 cm土層分別達到22.79%和16.10%。從表1還可以看出，沉陷農(nóng)田不同土層土壤速效磷含量在下沉深度1～7 m位置均比正常農(nóng)田低，其中，下沉深度3 m的土壤速效磷含量下降的幅度最大，不同土層分別達到61.02%和66.65%；而在下沉深度1 m處，不同土層土壤速效磷含量均比正常農(nóng)田低59.25%和52.90%，這是由沉陷外邊緣的劇烈位伸造成的裂縫和土體位移所致。

2.5 不同沉陷程度對土壤速效鉀的影響

從圖7可以看出，不同下沉深度不同土層土壤速效鉀含量的變化趨勢基本一致，并且其含量的最低點均在下沉深度3 m處。而從表1可以看出，沉陷農(nóng)田0～20 cm土壤速效鉀相對正常未沉陷農(nóng)田的變化幅度大于20～40 cm土壤速效鉀。不同土層土壤的變異系數(shù)分別為13.17%和3.07%，表層土壤的擾動程度明顯大于下層土壤。綜上所述，由于開采沉陷改變了原有地表形態(tài)，沉陷形成盆地，使原本平坦的農(nóng)地產(chǎn)生附加坡度，從而加劇地表土體物質(zhì)隨地表雨水徑流的運移和沖刷。因此，當上中坡侵蝕流失的土壤細顆粒物質(zhì)（有機質(zhì)含量高）向沉陷盆地底部積聚，則導(dǎo)致上中坡土壤養(yǎng)分含量下降，而近盆地底部則有增加的趨勢。

2.6 不同沉陷程度下土壤化學性狀的變異程度

沉陷農(nóng)田不同土層土壤的不同化學特性的空間變異系數(shù)如表2所示。表2顯示，0～20 cm土層土壤化學特性的空間變異系數(shù)的綜合平均值大于20～40 cm土層，分別為9.50%和6.00%，說明表層土壤化學特性的變異程度大，受開采沉陷的影響較大。土壤的不同化學特性的空間變異程度由大到小的順序是土壤速效磷、土壤速效鉀、土壤有機質(zhì)、土壤全氮、土壤pH值。說明土壤速效磷受開采沉陷的影響較大，土壤pH值受開采沉陷的影響則較小。

表2 沉陷農(nóng)田土壤化學特性的空間變異系數(shù) %

3 結(jié)論與討論

（1）開采沉陷加速沉陷區(qū)農(nóng)田土壤侵蝕和水土流失，從而顯著影響耕地土壤化學特性，受其影響最大的是0～20 cm土層，其次是20～40 cm土層。

（2）沉陷農(nóng)田不同下沉深度土壤養(yǎng)分受沉陷影響的增減程度不一樣，在下沉深度3 m的等高線上，其土壤速效磷養(yǎng)分含量與正常農(nóng)田相比下降幅度最大，說明該位置受開采沉陷引起的土壤侵蝕現(xiàn)象最嚴重；而在下沉深度4 m的等高線上，其有機質(zhì)、速效磷和速效鉀等養(yǎng)分含量與正常農(nóng)田相比均呈階段性增加的趨勢，說明該位置積聚了大量的上中坡侵蝕下移的土壤有機質(zhì)等養(yǎng)分，導(dǎo)致沉陷中部（即沉陷4 m處）有養(yǎng)分積聚和鹽漬化趨勢。

（3）在沉陷2 a的沉陷區(qū)農(nóng)田中，不同土壤化學特性受開采沉陷影響的程度不一樣，土壤的不同化學特性的空間變異程度由大到小的順序是土壤速效磷、土壤速效鉀、土壤有機質(zhì)、土壤全氮、土壤pH值。受其影響最大的是土壤速效磷，土壤酸堿性受開采沉陷的影響最小。

［1］白中科，趙景逵.工礦區(qū)土地復(fù)墾與生態(tài)重建[M].北京:中國農(nóng)業(yè)科技出版社，2000:21-147.

［2］胡振琪.山西省煤礦區(qū)土地復(fù)墾與生態(tài)重建的機遇和挑戰(zhàn)[J].山西農(nóng)業(yè)科學，2010，38（1）:42-45，64.

［3］喬志偉，李金嵐，洪堅平，等.礦區(qū)塌陷復(fù)墾地土壤養(yǎng)分及酶活性的變化[J].山西農(nóng)業(yè)科學，2011，39（1）:38-42.

［4］焦曉燕，王立革，盧朝東，等.采煤塌陷地復(fù)墾方式對土壤理化特性影響研究[J].水土保持學報，2009，23（4）:123-124，145.

［5］薛耀祖，蒲春玲.關(guān)于企業(yè)社會責任履行的資源富集區(qū)政府與企業(yè)行為博弈分析[J].天津農(nóng)業(yè)科學，2010，16（3）:50-54.

［6］盧朝東，白文斌，郜春花，等.厚黃土薄基巖型采煤沉陷區(qū)農(nóng)田土壤物理性狀空間變異初探 [J].山西農(nóng)業(yè)科學，2010，38（1）:65-67，72.

［7］陳龍乾，鄧喀中，許善寬，等.開采沉陷對耕地土壤化學特性影響的空間變化規(guī)律[J].土壤侵蝕與水土保持學報，1999，5（3）:81-86.