黃土區(qū)采煤沉陷農(nóng)田土壤養(yǎng)分的三維可視化

張亞麗，白文斌，焦曉燕，王立革，王勁松

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，山西太谷030801；2.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院高粱研究所，山西晉中030600；3.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原030006）

當(dāng)前，煤炭和土地是人們賴以生存的兩大資源。當(dāng)開(kāi)采煤炭資源為人們供給能源時(shí)，由于其多采用綜合機(jī)械化長(zhǎng)壁放頂煤開(kāi)采方法，使采空區(qū)上覆巖層的原始應(yīng)力平衡狀態(tài)受到破壞，依次發(fā)生冒落、斷裂、彎曲等移動(dòng)變形，最終涉及地表，形成一個(gè)比采空區(qū)面積大得多的近似橢圓形的下沉盆地，農(nóng)田受其影響所形成的下沉盆地稱之為沉陷農(nóng)田。沉陷區(qū)破壞農(nóng)田的養(yǎng)分表現(xiàn)為空間變異度大，了解其空間變異是實(shí)施沉陷區(qū)農(nóng)田精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)[1]。因而，明確采煤沉陷區(qū)農(nóng)田土壤養(yǎng)分空間變異，對(duì)指導(dǎo)沉陷區(qū)農(nóng)田在一定時(shí)期內(nèi)進(jìn)行科學(xué)種植布局具有重要意義，而如何快速、準(zhǔn)確地表達(dá)沉陷區(qū)農(nóng)田的養(yǎng)分空間變異是其重要環(huán)節(jié)。目前，Surfer軟件已經(jīng)應(yīng)用于農(nóng)田信息表達(dá)[2-3]、農(nóng)田防護(hù)林網(wǎng)研究[4]、水下地形分析[5]、地質(zhì)勘探布點(diǎn)分析[6]和河道演變分析[7]等領(lǐng)域，并取得了顯著成效。

本研究利用Surfer軟件的等值線功能和三維地形模塊，簡(jiǎn)便、高效地實(shí)現(xiàn)以空間數(shù)據(jù)的形式表達(dá)采煤沉陷破壞后農(nóng)田區(qū)域的養(yǎng)分空間變化格局，實(shí)現(xiàn)沉陷區(qū)農(nóng)田土壤信息與地形信息的高效三維可視化表達(dá)。

1 研究區(qū)概況

1.1 位置及概況

研究區(qū)位于長(zhǎng)治盆地東南部邊緣長(zhǎng)治縣境內(nèi)蘇店鎮(zhèn)郝店村，為黃土平原地貌，土層較厚。區(qū)內(nèi)地勢(shì)較為平坦開(kāi)闊，地面坡度在3°～12°之間，海拔為940 m左右，北距長(zhǎng)治市14 km，屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，日照充足，晝夜溫差較小。該村有2 300多人口，農(nóng)戶576戶，耕地面積125 hm2。2005年出現(xiàn)地表沉陷，該村原有耕地遭到一定程度破壞，形成4個(gè)沉陷盆地。

研究區(qū)域的地下煤田屬潞安集團(tuán)司馬煤礦，該礦礦界西北以太焦鐵路東側(cè)保安煤柱與三元煤業(yè)公司煤礦相望，南與經(jīng)坊煤礦為鄰，東部為3號(hào)煤層露頭線，西鄰目前在建的高河井田。礦區(qū)內(nèi)為平坦的盆谷平原地貌，村莊多、人口密集，各種道路四通八達(dá)，交通便利，即太焦鐵路從礦區(qū)西部邊緣通過(guò)，經(jīng)坊煤礦鐵路專用線和207國(guó)道從礦區(qū)內(nèi)南北穿過(guò)，西部的長(zhǎng)治—晉城高速公路已經(jīng)通車，區(qū)內(nèi)各鄉(xiāng)村之間均有公路或大路相通。煤礦的采深區(qū)在200～280 m之間，煤層深度為7 m左右，年生產(chǎn)（設(shè)計(jì)）能力為300 萬(wàn)t。

1.2 地質(zhì)構(gòu)造

研究區(qū)域大地構(gòu)造位置處于我國(guó)東部新華夏構(gòu)造體系第三隆起帶的中段，亦即太行山隆起褶帶，該帶系一西緩東陡的大型復(fù)背斜隆起，北段逐漸往NE彎曲，南段往SW及往西扭轉(zhuǎn)，總體延伸方向?yàn)镹 20°～30°E，它與其他隆起帶和沉降帶彼此平行，并呈雁行排列。

礦區(qū)位于晉（城）—獲（鹿）褶斷帶南段的主要構(gòu)造形跡長(zhǎng)治大斷裂的西側(cè)，西臨武鄉(xiāng)—陽(yáng)城坳褶帶。區(qū)內(nèi)構(gòu)造受新華夏構(gòu)造體系的控制，其構(gòu)造形跡呈“多”字型排列規(guī)律，總體呈一走向NE、傾向NW、傾角4°左右的單斜構(gòu)造，并伴有寬緩褶曲和少量斷裂，區(qū)內(nèi)無(wú)巖漿巖侵入。地表以第四系松散層覆蓋較厚，無(wú)基巖出露。

1.3 土壤條件

礦區(qū)土壤母質(zhì)為第四紀(jì)特殊沉積物，黃土母質(zhì)，屬紅黃土類；土壤類型為石灰性褐土，pH值在7.8～8.5之間，有機(jī)質(zhì)含量為1.52%左右，土壤養(yǎng)分除速效鉀外，其他養(yǎng)分含量相對(duì)較低。土壤質(zhì)地為中壤，熟化程度較高，可耕性好。耕層厚40 cm，最大凍土層深度100 cm，平均凍土深度80 cm，土壤容重1.42 g/cm3，田間持水量22%，土壤適宜的含水率上限為19.8%、下限為13.2。

2 研究材料和方法

2.1 采煤沉陷區(qū)農(nóng)田測(cè)繪

于2007年8月選定一沉陷2 a的沉陷盆地（SM）作為研究對(duì)象，沉陷地形用全站儀（南方全站儀NTS662）進(jìn)行測(cè)量，沉陷盆地面積6.25 hm2。沉陷前地表平整，以未沉陷地為參照（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(diǎn)如圖1所示。

2.2 沉陷區(qū)農(nóng)田土樣采集方式

在沉陷盆地的4個(gè)方向（N-S，E-W）的不同等高線上取樣，各方向夾角為90°。每個(gè)采樣點(diǎn)對(duì)0～20 cm和20～40 cm 2個(gè)土層分別進(jìn)行取樣，測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)含量。土壤有機(jī)質(zhì)測(cè)定采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法。

2.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和制圖均采用Surfer軟件。

3 結(jié)果與分析

3.1 沉陷區(qū)農(nóng)田空間變異三維成像

將全站儀地形數(shù)據(jù)錄入Surfer工作表中，建立X（沉陷盆地WN方向）、Y（沉陷盆地EN方向）和Z（沉陷深度）數(shù)據(jù)文件（其輸出數(shù)據(jù)為dat格式），獲得沉陷地形三維地形圖（圖2）。

3.2 沉陷區(qū)農(nóng)田土壤養(yǎng)分信息的三維可視化分析（以有機(jī)質(zhì)為例）

為了表達(dá)養(yǎng)分的空間變異，利用采樣點(diǎn)信息dat文件（表1）生成grid文件，然后分別生成等值線圖和張貼圖，即養(yǎng)分的空間變異二維等值線圖和采樣點(diǎn)分布圖，通過(guò)單擊“地圖”菜單，在下拉菜單下選擇等值線圖—新建等值線圖，打開(kāi)對(duì)話框，導(dǎo)入grid文件，點(diǎn)“確定”生成等值線圖，同理生成地形的等值線圖和采樣點(diǎn)位置張貼圖。而3個(gè)圖是分開(kāi)的，不能顯著地表達(dá)地形等值線、采樣點(diǎn)位置和養(yǎng)分的變異信息，為此，選用“覆蓋地圖”功能。

表1 采樣點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)文件的輸入格式

運(yùn)用“覆蓋地圖”功能前，用Ctrl鍵同時(shí)選中這3個(gè)圖，單擊“地圖”菜單下的“覆蓋地圖”功能，實(shí)現(xiàn)三者的合三為一，然后，右擊“地形等值線圖”選擇“屬性”，設(shè)置“等級(jí)”選項(xiàng)卡下的“填充”都為無(wú)，單擊“確定”。接著，右擊“有機(jī)質(zhì)養(yǎng)分等值線圖”，選擇“屬性”，設(shè)置“等級(jí)”選項(xiàng)卡下的“線條”的式樣為“invisible”，單擊“確定”。最后，拖動(dòng)調(diào)整3個(gè)圖層的“覆蓋次序”，從上到下為：采樣點(diǎn)張貼圖—地形等值線圖—有機(jī)質(zhì)養(yǎng)分等值線圖，最終生成綜合等值線覆蓋圖（圖3）。

圖3表明了有機(jī)質(zhì)和等高線在整個(gè)沉陷區(qū)域內(nèi)的空間變化趨勢(shì)，即沉陷盆地的底部相對(duì)富集有機(jī)質(zhì)，且不同方向上有機(jī)質(zhì)養(yǎng)分的遷移程度不同，其中，東、南2個(gè)方向上的有機(jī)質(zhì)養(yǎng)分變異程度大。其比以往的簡(jiǎn)單等值線圖和統(tǒng)計(jì)分析圖表達(dá)更明顯，類似于三維空間的俯視圖。

由于三維圖形具有更加直觀、準(zhǔn)確地表達(dá)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，因此，將三維地形圖和二維等值線圖進(jìn)行合成覆蓋，形成三維地形覆蓋圖。在此制圖過(guò)程中，坐標(biāo)系必須一致，即X，Y軸的最大、最小限制范圍一樣。按住Ctrl鍵同時(shí)選中三維地形圖和綜合等值線覆蓋圖，單擊“地圖”菜單下的“覆蓋地圖”功能，從而生成3D效果圖（圖4），通過(guò)“地圖”菜單下的“軌跡球”功能實(shí)現(xiàn)對(duì)3D對(duì)象的三維控制，從不同的角度對(duì)其進(jìn)行觀察。從圖4可以清楚地看出，養(yǎng)分隨地形變化而產(chǎn)生的空間變異規(guī)律。

4 結(jié)論與討論

（1）應(yīng)用Surfer軟件在數(shù)據(jù)分析方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，分步驟實(shí)現(xiàn)養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)的三維可視化，并用土壤有機(jī)質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了示例，實(shí)現(xiàn)以空間數(shù)據(jù)的形式表達(dá)采煤沉陷破壞后農(nóng)田區(qū)域的養(yǎng)分空間變化格局，證明十分可行。

（2）為采煤沉陷區(qū)養(yǎng)分的變化規(guī)律和沉陷破壞機(jī)理研究找到了一個(gè)簡(jiǎn)便繪制等值線和三維圖形的方法，能夠更加直觀、充分地表現(xiàn)空間數(shù)據(jù)特征，更加準(zhǔn)確地掌握研究因子在整個(gè)區(qū)域內(nèi)的空間異質(zhì)性和整體特征，最終達(dá)到更加合理的分析結(jié)果。

總之，充分利用Surfer軟件的操作簡(jiǎn)單性、功能強(qiáng)大性，發(fā)揮其在數(shù)據(jù)分析方面具有的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，可實(shí)現(xiàn)以空間數(shù)據(jù)的形式表達(dá)采煤沉陷破壞后農(nóng)田區(qū)域的養(yǎng)分空間變化格局，找到實(shí)現(xiàn)采煤沉陷區(qū)養(yǎng)分的變化規(guī)律和沉陷破壞機(jī)理研究的信息可視化方法。因此，可廣泛應(yīng)用于水土保持科學(xué)的數(shù)據(jù)三維可視化研究，尤其在表現(xiàn)養(yǎng)分等研究因子隨地形發(fā)生的運(yùn)移速度、因子的空間變化規(guī)律等方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

［1］劉鑫，韓鵬遠(yuǎn)，王立革，等.山西省采煤沉陷地土地破壞及復(fù)墾土壤培肥研究現(xiàn)狀 [J].山西農(nóng)業(yè)科學(xué)，2008，36（11）：97-99.

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