貴州百里杜鵑林區(qū)不同采煤塌陷年限土壤化學(xué)性質(zhì)對比研究

孫文博，廖小鋒，田 凡，張東凱，謝元貴

（1.貴州省水土保持監(jiān)測站，貴州 貴陽 550002；2.貴州省山地資源研究所，貴州 貴陽 550001；3.貴州省林業(yè)科學(xué)研究院，貴州 貴陽 550011；4.貴州省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院，貴州 貴陽 550001）

貴州百里杜鵑林區(qū)不同采煤塌陷年限土壤化學(xué)性質(zhì)對比研究

孫文博1，廖小鋒2，田 凡3，張東凱4，謝元貴2

（1.貴州省水土保持監(jiān)測站，貴州 貴陽 550002；2.貴州省山地資源研究所，貴州 貴陽 550001；3.貴州省林業(yè)科學(xué)研究院，貴州 貴陽 550011；4.貴州省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院，貴州 貴陽 550001）

為揭示采煤塌陷對貴州百里杜鵑林區(qū)土壤及地表植被的影響機(jī)理，為礦區(qū)原始杜鵑林帶的保護(hù)以及土地復(fù)墾與生態(tài)重建提供理論依據(jù)，在選取典型樣地的基礎(chǔ)上，研究了不同塌陷年限不同土層土壤化學(xué)性質(zhì)的變化。結(jié)果表明：隨著采煤塌陷年限（未塌陷、塌陷5 a、塌陷10 a）的延長，塌陷區(qū)土壤酸性逐漸減弱并向中性趨近；土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷含量逐漸下降，全鉀含量逐漸升高；土壤速效氮、速效磷、速效鉀含量在表層土（0～30 cm）中下降，在底層土（30～60 cm）中逐漸升高?？傮w上，采煤塌陷改變了貴州百里杜鵑林區(qū)土壤化學(xué)微環(huán)境，打破了土壤養(yǎng)分的平衡，造成土壤養(yǎng)分的流失，而表層土受到的影響更為突出。

百里杜鵑林區(qū)；采煤塌陷區(qū)；塌陷年限；土壤養(yǎng)分；土壤化學(xué)性質(zhì)

我國是煤炭生產(chǎn)和消費大國，在石油、天然氣、煤炭三大支柱能源來看，煤炭的消耗占一次性能源消耗的七成之多，而且由于可再生能源與新型能源的開發(fā)利用還比較滯后，煤炭的開發(fā)和利用將在未來一段時期內(nèi)起到主要作用[1]。目前我國的煤炭開采主要以井工開采為主，占我國煤炭開采總量的95%[2]，與此同時，由原煤井工開采所帶來的地表塌陷問題也日益突出[3]。據(jù)不完全統(tǒng)計，截止2007年，我國土地因原煤開采塌陷引起的破壞面積超過840萬hm2，而且每年還以3.3～4.7萬hm2的速度在不斷增加[4-5]。原煤開采后，礦區(qū)原有地質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，含水層斷裂，出現(xiàn)冒頂、彎曲等，地表隨之塌陷，土地資源受到嚴(yán)重破壞[6]，地表原始生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞，地表物質(zhì)結(jié)構(gòu)也隨之改變[7]，這不僅影響陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)，同時還影響土壤、植被、水資源以及生物多樣性等自然生產(chǎn)力要素，進(jìn)而影響人類經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展[8]。因此，采煤塌陷區(qū)環(huán)境整治直接關(guān)系到礦區(qū)的區(qū)域經(jīng)濟(jì)、社會穩(wěn)定、生態(tài)環(huán)境，也關(guān)系到礦區(qū)的可持續(xù)發(fā)展，是我國礦區(qū)面臨的一個亟待解決的問題，亦是對于我國這樣的煤炭大國的一個重要課題[9]。

貴州地處西部高原，地下煤炭資源蘊藏量豐富，尤其是二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M的煤，類型齊全，分布廣泛，是其國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)和重要保障[10]。貴州百里杜鵑林區(qū)是貴州省的主要產(chǎn)煤區(qū)之一，該地井下采煤具有多年的歷史[9]，近十年來發(fā)生了多處塌陷，塌陷區(qū)地表遭到破壞，地下水資源受到影響，進(jìn)而影響到地表植被的演替發(fā)展，尤其是給區(qū)內(nèi)原始杜鵑林帶的生存發(fā)展帶來威脅。本研究以貴州百里杜鵑林區(qū)內(nèi)典型煤礦——金坡煤礦為研究對象，對比分析礦區(qū)不同年限的采煤塌陷區(qū)與未塌陷區(qū)土壤化學(xué)性質(zhì)的差異，為揭示采煤塌陷對百里杜鵑林區(qū)土壤、植被的影響機(jī)理提供科學(xué)數(shù)據(jù)，同時也為保護(hù)原始杜鵑林帶以及林區(qū)內(nèi)采煤塌陷區(qū)土地復(fù)墾、生態(tài)重建提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

貴州百里杜鵑林區(qū)位于貴州西北部的大方、黔 西 兩 縣 交 界 處（105°45′20″～ 106°04′07″E，27°10′53″～ 27°20′00″N），是一片舉世罕見的原始杜鵑林帶，呈環(huán)狀分布，海拔1 300～1 800 m，長約50 km，寬1～5 km，總面積125.8 km2，是世界上杜鵑花種類分布最集中、面積最大的天然杜鵑花園[11]，被譽為“百里杜鵑”。1987年3月，貴州省人民政府將百里杜鵑列為省級風(fēng)景名勝區(qū)，同時將其列為貴州省“十大風(fēng)景名勝區(qū)”之一。1993年5月，原國家林業(yè)部批準(zhǔn)建立百里杜鵑國家級森林公園，園內(nèi)杜鵑花覆蓋率達(dá)到86.56%，分布的天然杜鵑花顏色有20多種，觀賞和研究價值極高，是我國高山杜鵑花引種研究的重要種質(zhì)資源庫[12]。百里杜鵑林區(qū)杜鵑屬植物種類之多、面積之大、個體之集中國內(nèi)絕無僅有，不僅是貴州杜鵑花的奇葩，也是中國杜鵑花的奇葩[13]。百里杜鵑林區(qū)出露的地層主要為二疊系龍?zhí)督M，多為泥巖、頁巖、砂質(zhì)頁巖夾煤層，境內(nèi)尤以無煙煤質(zhì)優(yōu)、儲量多、分布廣著稱，是目前主要開采的礦產(chǎn)資源，轄區(qū)內(nèi)現(xiàn)有合法煤礦礦井37對，設(shè)計年產(chǎn)量600萬t左右，金坡煤礦是其中之一[9]。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設(shè)置與土樣采集

在對百里杜鵑林區(qū)采煤塌陷區(qū)充分調(diào)查的基礎(chǔ)上，綜合地質(zhì)條件、坡向、海拔、坡度、植物種類和覆蓋度等多種因素，選取典型礦區(qū)金坡煤 礦 未 塌 陷 區(qū)（27°09′52.0″N，105°57′53.0″E，海 拔 1 715 m）、 塌 陷 5 a區(qū)（27°10′17.8″N，105°57′43.8″E， 海 拔 1 713 m）、 塌 陷 10 a 區(qū)（27°10′26.0″N，105°57′37.2″E，海拔 1 667 m）設(shè)置3個20 m×10 m的典型對比樣地。在典型樣地內(nèi)，依據(jù)對角線法，根據(jù)土壤發(fā)生層次按0～30 cm（表層）和30～60 cm（底層）進(jìn)行土壤分層環(huán)刀（容積100 cm3）取樣，3次重復(fù)，將土壤樣品帶回實驗室，風(fēng)干研磨，測定土壤化學(xué)指標(biāo)[9]。

1.2.2 土壤樣品的測試分析

土壤pH值采用電位法測定[14]。土壤各項養(yǎng)分指標(biāo)的測定參照《土壤農(nóng)化分析(第三版)》進(jìn)行[15]：全氮量采用濃硫酸－混合催化法消煮，連續(xù)流動分析儀測定；銨態(tài)氮采用蒸餾滴定法測定；硝態(tài)氮采用酚二磺酸比色法測定；全磷含量采用Na2CO3熔融－鉬銻抗比色法測定；速效磷含量測定采用HCl-H2SO4提?。f銻抗比色法；全鉀含量采用NaOH熔融－火焰光度法測定；速效鉀含量測定采用NH4OAc浸提－火焰光度法；有機(jī)質(zhì)含量采用外加熱重鉻酸鉀容量法測定。

2 結(jié)果與分析

2.1 采煤塌陷對土壤酸堿度的影響

土壤的酸堿程度對土壤肥力和植物生長影響很大，同時也對土壤中其它生物的生存及土壤結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。由圖1可知，典型礦區(qū)表層土（0～30 cm）與底層土（30～60 cm）pH值均隨采煤塌陷年限的增加而逐漸增大，由中酸性向弱酸性趨近，其中塌陷5 a區(qū)的土壤變化較小，而塌陷10 a區(qū)的土壤pH值變化較為突出。此外，典型礦區(qū)表層與底層之間土壤pH值無明顯差異（見圖1）。

2.2 采煤塌陷對土壤有機(jī)質(zhì)的影響

圖1 不同采煤塌陷年限土壤pH值分層比較Fig. 1 Comparison on soil pH of different levels of soil in different mining subsidence years

土壤有機(jī)質(zhì)既是植物礦質(zhì)營養(yǎng)和有機(jī)營養(yǎng)的源泉，又是土壤中異養(yǎng)型微生物的能源物質(zhì)，同時對土壤形成、土壤結(jié)構(gòu)等有著極其重要的意義。典型礦區(qū)表層土中土壤有機(jī)質(zhì)含量明顯高于底層土，具有明顯的表聚性特征；且土壤有機(jī)質(zhì)含量不論在表層土與底層土均表現(xiàn)出隨采煤塌陷年限的增加而逐漸降低的規(guī)律（見圖2）。

圖2 不同采煤塌陷年限土壤有機(jī)質(zhì)含量分層比較Fig. 2 Comparison on soil organic matter contents of levels different of soil in different mining subsidence years

2.3 采煤塌陷對土壤全量氮磷鉀的影響

2.3.1 采煤塌陷對土壤全氮的影響

土壤中有機(jī)態(tài)氮與無機(jī)態(tài)氮的總和即為土壤全氮，土壤中的全氮含量代表著土壤氮素的總貯量和供氮潛力。調(diào)查分析（見圖3）表明，典型礦區(qū)土壤全氮含量表層高于底層，并且隨著采煤塌陷年限的增加而逐漸減少，這與土壤有機(jī)質(zhì)含量的變化相一致（見圖2），具有明顯的正相關(guān)性，符合土壤氮素絕大部分來自有機(jī)質(zhì)的普遍認(rèn)知。

2.3.2 采煤塌陷對土壤全磷的影響

土壤磷素主要與成土母質(zhì)和有機(jī)質(zhì)有關(guān)，近一半的土壤磷素以有機(jī)態(tài)形式存在，有機(jī)磷的含量隨有機(jī)質(zhì)含量的增加而增加。由圖4可知，隨著采煤塌陷年限的增加，典型礦區(qū)土壤中全磷含量與未塌陷區(qū)相比越來越低，且表層土與底層土的變化一致；表層土中全磷含量普遍高于底層土，這與有機(jī)質(zhì)的表現(xiàn)一致（見圖3），表現(xiàn)出磷的生物表聚作用，但與有機(jī)質(zhì)相比土壤全磷在表層土與底層土中的差異相對較?。ㄒ妶D3、圖4），這可能與磷素中無機(jī)磷的變化有關(guān)。

圖3 不同采煤塌陷年限土壤全氮含量分層比較Fig. 3 Comparsion on soil total nitrogen contenst of different levels of soil in different mining subsidence years

圖4 不同采煤塌陷年限土壤全磷含量分層比較Fig. 4 Comparsion on soil total phosphorus contents of different levels of soil in different mining subsidence years

2.3.3 采煤塌陷對土壤全鉀的影響

分析結(jié)果（見圖5）表明，采煤塌陷后，隨著年限的增加，典型礦區(qū)土壤全鉀含量在表層土與底層土中均表現(xiàn)出逐漸增加的趨勢，且底層土中鉀素含量略高于表層土。研究表明，土壤全鉀主要與母質(zhì)相關(guān)，土壤中云母和長石等礦物的含量直接關(guān)系到土壤全鉀量，而土壤有機(jī)質(zhì)中含鉀量僅1%左右（K2O），說明全鉀量在土壤中是較為穩(wěn)定的。因此，典型礦區(qū)土壤中全鉀量的增加可能主要與有機(jī)質(zhì)的相對減少相關(guān)，這與有機(jī)質(zhì)對土壤全鉀存在“稀釋效應(yīng)”一致[16]；而底層土中鉀素含量略高于表層土則可能主要與表層土中鉀素的向下淋失有關(guān)。

2.4 采煤塌陷對土壤速效氮磷鉀的影響

2.4.1 采煤塌陷對土壤速效氮的影響

圖5 不同采煤塌陷年限土壤全鉀含量分層比較Fig.5 Comparison on soil total potassium contents of different levels of soil in different mining subsidence years

圖6 不同采煤塌陷年限土壤銨態(tài)氮含量分層比較Fig.6 Comparsion on soil ammonium nitrogen contents of different levels of soil in different mining subsidence years

圖7 不同采煤塌陷年限土壤硝態(tài)氮含量分層比較Fig.7 Comparison on soil nitrate nitrogen contents of different levels of soil in different mining subsidence years

2.4.2 采煤塌陷對土壤速效磷的影響

調(diào)查分析表明，典型礦區(qū)采煤塌陷區(qū)土壤速效磷含量的變化規(guī)律為：表層土中，隨塌陷年限的增加逐漸減少；底層土中，隨塌陷年限的增加逐漸增加；表層土中速效磷含量明顯高于底層土（見圖8）。這與土壤速效氮的變化規(guī)律一致。

圖8 不同采煤塌陷年限土壤速效磷含量分層比較Fig.8 Comparison on soil available phosphorus contents of different levels of soil in different mining subsidence years

2.4.3 采煤塌陷對土壤速效鉀的影響

由圖9可知，典型礦區(qū)土壤速效鉀含量隨塌陷年限增加表現(xiàn)出的變化趨勢與土壤速效氮（見圖6、圖7）、速效磷（見圖8）較為一致。土壤速效鉀與全鉀相關(guān)系數(shù)一般較低，而有機(jī)質(zhì)的存在對速效鉀有保蓄作用，因而表層土中速效鉀含量逐漸降低。底層土中可能由于土壤物理性質(zhì)的變化[9]以及表層土淋溶作用加強共同導(dǎo)致速效鉀以及速效磷含量的增加。土壤酸性減弱，趨向于中性（圖1），理論上有助于有效態(tài)氮磷鉀養(yǎng)分的保存[15]，但采煤塌陷后有效態(tài)氮磷鉀養(yǎng)分含量依然降低，這應(yīng)該與土壤淋溶作用不無關(guān)系。

圖9 不同采煤塌陷年限土壤速效鉀含量分層比較Fig.9 Comparison on soil available potassium contents of different levels of soil in different mining subsidence years

3 結(jié)論與討論

通過對貴州百里杜鵑林區(qū)采煤塌陷區(qū)充分調(diào)查，在典型礦區(qū)內(nèi)選取相近塌陷程度不同塌陷年限的土壤進(jìn)行化學(xué)性質(zhì)對比研究，結(jié)果表明，隨著采煤塌陷年限的增加（未塌陷、塌陷5 a、塌陷10 a），土壤酸性減弱并向中性趨近，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷含量下降，全鉀含量升高，速效氮、速效磷、速效鉀含量在表層土中明顯下降?？傮w上，采煤塌陷改變了貴州百里杜鵑林區(qū)土壤化學(xué)微環(huán)境，打破了土壤養(yǎng)分的平衡，造成土壤養(yǎng)分的流失，而表層土受到的影響更為突出。

對貴州百里杜鵑林區(qū)采煤塌陷區(qū)土壤物理性質(zhì)的研究表明，采煤塌陷破壞了土壤結(jié)構(gòu)，降低了土壤通氣保水性，加速了土壤淋溶侵蝕[9]。正是由于物理性質(zhì)發(fā)生變化引起了土壤微環(huán)境的連鎖反應(yīng)，直接導(dǎo)致塌陷區(qū)土壤化學(xué)性質(zhì)的變化。貴州百里杜鵑林區(qū)采煤塌陷區(qū)土壤養(yǎng)分含量的降低主要是由于塌陷造成土壤垂直侵蝕發(fā)育，加劇了水土流失，使得土壤中的可溶養(yǎng)分在淋溶作用下?lián)p失；另外，塌陷地土壤田間持水量明顯低于未塌陷地，當(dāng)土壤含水量大于田間持水量時，多余的重力水也會將土壤中可溶的養(yǎng)分帶走，從而使塌陷地養(yǎng)分含量降低[18]。

土壤酸堿度的變化，對植物生長將產(chǎn)生很大的影響。百里杜鵑林區(qū)植被有較強的土壤酸性適生特性[19-20]，尤其是其中具有重要觀賞價值的杜鵑花科植物，采煤塌陷區(qū)土壤酸性減弱并向中性趨近的變化可能會影響該區(qū)以杜鵑花科植物為主的植被的生長。

土壤養(yǎng)分的變化與地表植被生長具有直接相關(guān)性。百里杜鵑林區(qū)采煤塌陷區(qū)土壤氮磷鉀全量養(yǎng)分以及有效態(tài)養(yǎng)分含量的降低（表層土表現(xiàn)更為突出），必將對塌陷區(qū)植被的生長產(chǎn)生不良影響，尤其由于杜鵑花科植物是典型的淺根性植物，其受到的影響將更為明顯，甚至?xí)绊懺搮^(qū)植被的演替進(jìn)程。

總之，采煤塌陷會改變土壤生態(tài)系統(tǒng)中的土壤結(jié)構(gòu)、肥力、水文等自然生態(tài)要素構(gòu)成的微環(huán)境，土壤類型的性質(zhì)必將隨之變化，使本來具有某一傳統(tǒng)利用方向的土壤類型可能發(fā)生改變。一個地區(qū)土壤類型和結(jié)構(gòu)長期穩(wěn)定，是自然生態(tài)環(huán)境、人類生產(chǎn)生活持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展的前提。對于貴州百里杜鵑林區(qū)，采煤塌陷引起土壤性質(zhì)發(fā)生變化，而且這種變化趨勢在塌陷十年之后依然沒有明顯趨于穩(wěn)定的跡象，這對區(qū)內(nèi)珍稀的原始杜鵑林帶將產(chǎn)生難以預(yù)計的不良影響，為此，當(dāng)?shù)刎叫鑼Σ擅核輩^(qū)實施土地復(fù)墾與生態(tài)重建，以保護(hù)寶貴的原始杜鵑林資源。而為了更好地服務(wù)于采煤塌陷區(qū)的土地復(fù)墾、生態(tài)重建，應(yīng)對采煤塌陷對貴州百里杜鵑林區(qū)土壤生態(tài)乃至水資源、植被資源等環(huán)境本底情況的影響進(jìn)行長期監(jiān)測。

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Comparison study on soil chemical properties of different coal mining subsidence sites in hundred-mileRhododendronforest zone of Guizhou province

SUN Wen-bo1, LIAO Xiao-feng2, TIAN Fan3, ZHANG Dong-kai4, XIE Yuan-gui2
(1. Observation Station for Soil and Water Conservation of Guizhou Province,Guiyang 550002,Guizhou,China; 2. Institute of Mountain Resources, Guizhou Academy of Sciences, Guiyang 550001, Guizhou, China; 3. Guizhou Provincial Academy of Forestry, Guiyang 550011, Guizhou, China; 4.Guizhou Institute of Forestry Inventory and Planning, Guiyang 550001, Guizhou, China)

In order to reveal the mechanism of how the subsidence put inf l uence on the soil and ground vegetation in Hundred-mileRhododendronForest Zone of Guizhou province and provide the theoretical basis for the protection of originalRhododendronforest, the land reclamation and ecological reconstruction of those areas, the chemical property changes of typical soil sample plots from different subsidence times and soil layers were studied. The results were summarized as follows. With the extension of mining subsidence time (not collapsed, collapsed 5 years ago, collapsed 10 years ago), the soil acidity was weaker than before, and tended to be neutral; the contents of soil organic matter, total nitrogen, total phosphorus gradually decreased, while the content of total potassium gradually increased; the contents of soil available nitrogen, available phosphorus, available potassium gradually decreased in topsoil (0～30 cm), while gradually increased in the subsoil (30～60 cm). Generally speaking, the coal mining collapse changed the soil chemical microenvironment of Hundred-mileRhododendronForest Zone of Guizhou province, broke the balance of soil nutrients, caused the loss of soil nutrients, and it extremely showed in the topsoil.

Hundred-mileRhododendronforest zone; coal mining collapse; years of subsidence; soil nutrients; soil chemical properties

S714.7

A

1673-923X(2014)09-0055-05

2013-12-10

貴州科學(xué)院省級科研專項資金項目（黔科院專合字[2011]02號）；貴州省重大專項課題（黔科合重大專項字［2011］6001）；貴州省科技基礎(chǔ)條件平臺課題（黔科合所創(chuàng)能［2010］4001）

孫文博（1980-），男，四川平昌人，工程師，主要從事水土保持監(jiān)測方面的工作；E-mail：39036024@qq.com

謝元貴（1982-），男，四川達(dá)州人，副研究員，碩士，主要從事林學(xué)與水土保持研究；E-mail：yuangui_xie@163.com

[本文編校：謝榮秀]