降雨條件下沉陷區(qū)土壤養(yǎng)分遷移響應(yīng)

王曦+黃璨+章如芹+嚴(yán)家平+Meuser+Helmut+Makowsky+Lutz

摘要:為研究煤礦開采沉陷區(qū)域坡地土壤養(yǎng)分運(yùn)移規(guī)律,采用室內(nèi)降雨模擬方法,研究了降雨條件下沉陷區(qū)域坡地土壤養(yǎng)分隨坡度變化的遷移規(guī)律、土壤養(yǎng)分含量的空間分布規(guī)律及隨時間的變化規(guī)律。結(jié)果表明,降雨條件下,在一定沉陷坡度范圍內(nèi),土壤養(yǎng)分含量隨著坡度增加而減少。同一采樣點(diǎn)不同深度,接近地表處的土壤養(yǎng)分含量隨坡度的增加而大幅度減小,深層土壤的養(yǎng)分含量隨坡度變化的幅度不大。坡度大于0°的坡面土壤養(yǎng)分含量從坡頂?shù)狡碌壮试黾拥内厔?接近地表處土壤養(yǎng)分含量從坡頂?shù)狡碌状蠓仍黾?深層土壤養(yǎng)分含量從坡頂?shù)狡碌拙徛黾印Ｆ露却笥?°的坡面在坡底附近區(qū)域出現(xiàn)了速效氮、速效鉀、有機(jī)質(zhì)的富集現(xiàn)象。接近地表處土壤速效氮、有機(jī)質(zhì)含量隨時間的增加而減少的趨勢,速效磷含量隨時間沒有顯著變化規(guī)律,接近地表處土壤速效鉀含量隨時間的增加而增加。

關(guān)鍵詞:開采沉陷;降雨;坡地;土壤養(yǎng)分

中圖分類號:S153.6文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:0439-8114(2014)11-2520-06

Soil Nutrient Transport of Sloping Fields under Rainfall

WANG Xi1,HUANG Can1,ZHANG Ru-qin1,YAN Jia-ping1,MEUSER Helmut2,MAKOWSKY Lutz2

(1.Faculty of Earth and Environment,Anhui University of Science and Technology,Huainan 232001,Anhui,China;

2. Osnabrück University of Applied Sciences, Osnabrück 19 40,D–49009,Fachhochschule,Germany)

Abstract: Rainfall simulation experiment was made to study soil nutrient migration rule of slope in mining subsidence area. The changing rule of soil nutrient content under the influence of slope and spatio-temporal variation rules of soil nutrient were analyzed. The results showed that soil nutrient content was increased with the increase of slope in a certain slope range. Soil nutrient content of the soil near the surface were greatly reduced with the increase of the slope. Soil nutrient content of the soil in the deep changed slightly. When slope degree was more than 0°,soil nutrient content had a trend of increase from the top to the bottom of slope. Soil nutrient content of the soil near the surface changed greatly. Soil nutrient content of the soil in the deep changed slightly from the top to the bottom of slope. Available nitrogen, available potassium, organic matter were rich in the area near the bottom when the slope degree was more than 0°. Near the surface of earth, the content of soil organic matter and available nitrogen was decreased with the increase of time. Available p content didnt change significantly with time. The content of soil rapidly-available potassium was increased with the increase of time.

Key words: mining subsidence; rainfall; sloping fields; soil nutrient

基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(42372369);安徽省國土資源科技項(xiàng)目;安徽省自然科學(xué)基金項(xiàng)目;教育部留學(xué)回國人員科研啟動基金項(xiàng)目;安徽省博士后基金項(xiàng)目;淮北礦業(yè)集團(tuán)公司2012年科技項(xiàng)目

煤炭資源的大規(guī)模開采和利用對我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起到了巨大的推動作用,但因煤炭開采活動而引發(fā)的采煤區(qū)土地沉陷也給人類的生存環(huán)境產(chǎn)生一系列的消極影響,地面塌陷成為煤炭開采過程土地破壞的主要表現(xiàn)形式[1,2]。據(jù)測算,在我國每開采萬噸煤炭至少有0.033 hm2土地塌陷,最多達(dá)到0.533 hm2,平均塌陷面積達(dá)0.200 hm2。以新中國成立以來煤炭產(chǎn)量376億t計(jì)算,目前采煤塌陷引起土地破壞面積約75.2萬hm2,并且每年以4.6萬hm2的速度遞增[3]。大面積的采煤沉陷導(dǎo)致礦區(qū)土壤結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,產(chǎn)生大量的坡地。坡地水土流失嚴(yán)重,導(dǎo)致礦區(qū)土壤養(yǎng)分大量流失、土地肥力降低,影響礦區(qū)土地生產(chǎn)力。

目前對礦區(qū)土壤養(yǎng)分變化規(guī)律的研究成果較多[4-8],主要集中于經(jīng)過治理修復(fù)后的重構(gòu)土壤養(yǎng)分含量變化的研究上,對未經(jīng)治理修復(fù)的塌陷區(qū)域坡地土壤養(yǎng)分變化規(guī)律的研究較少。本研究采用人工降雨模擬試驗(yàn)的方法,對開采沉陷區(qū)坡地土壤養(yǎng)分流失過程進(jìn)行研究,探究沉陷區(qū)耕地土壤養(yǎng)分在降雨條件下的時空變化規(guī)律,旨在為進(jìn)一步研究適合礦區(qū)土地退化特點(diǎn)的生態(tài)恢復(fù)技術(shù)和沉陷區(qū)耕地合理施肥等工作提供理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1區(qū)域概況

五溝煤礦位于安徽省淮北平原北部,地形比較單一,以平原為主,地勢平坦。該地區(qū)屬暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候區(qū),年平均降水量為934 mm,降雨集中在7-9月。該礦區(qū)屬于人口密集、耕地面積大、土地利用率較高的農(nóng)業(yè)耕作區(qū)。五溝煤礦隸屬于安徽省皖北煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司,位于安徽省濉溪縣境內(nèi),其中心距宿州市35 km,距淮北市50 km。該礦設(shè)計(jì)年生產(chǎn)能力6×105 t,服務(wù)年限52年。井田開采造成地表大面積沉陷,產(chǎn)生大量坡地,影響農(nóng)作物產(chǎn)量[9]。

1.2供試土壤

2011年6月于淮北市五溝煤礦采煤沉陷區(qū)域采集10、25、40 cm深度處土壤樣品作為供試土壤,土壤質(zhì)地為黏壤土。剔除新鮮土樣中的植物殘?bào)w,取5 g土壤樣品經(jīng)風(fēng)干、磨細(xì)、過0.25 mm篩后混合均勻,測定土壤養(yǎng)分含量背景值(表1);其余土樣風(fēng)干、磨細(xì)、過5 mm篩,作為降雨模擬試驗(yàn)的填裝土壤。

1.3試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析方法

1.3.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)試驗(yàn)在室內(nèi)進(jìn)行,試驗(yàn)裝置由試驗(yàn)槽、不銹鋼鋼架、降雨器組成。試驗(yàn)槽由厚為1 cm的有機(jī)玻璃板制成,內(nèi)部長85 cm,寬18 cm,高50 cm,實(shí)際填土體積85 cm×18 cm×45 cm。試驗(yàn)槽兩側(cè)設(shè)有取樣孔,底部設(shè)置排水孔,具體設(shè)置見圖1。

試驗(yàn)槽上方用不銹鋼鋼架支撐平行排列的PVC水管,水管距離實(shí)驗(yàn)槽上方70 cm,水管下方均勻扎有細(xì)孔,以保證降雨均勻,降雨投影面積為0.16 m2。水管兩側(cè)設(shè)置水表,以便測定降雨強(qiáng)度和降雨量。

1.3.2降雨模擬試驗(yàn)在試驗(yàn)槽內(nèi)按1.3 g/cm3容重分層填裝供試土壤,填土深度45 cm。墊起試驗(yàn)槽一端,用地質(zhì)羅盤儀測定使其達(dá)到設(shè)計(jì)坡度,本試驗(yàn)設(shè)置0°、15°、30°、45°四個坡度。設(shè)定好坡度后打開降雨裝置開始降雨,降雨強(qiáng)度為1.3 mm/min,連續(xù)降雨3 h后關(guān)閉該裝置。

1.3.3采樣分析方法降雨后每隔48 h進(jìn)行一次采樣,共采集4次土壤樣品。依照與坡面垂直的方向設(shè)計(jì)剖面,進(jìn)行土樣采集。不同坡度的降雨試驗(yàn)中,第一個采樣點(diǎn)距坡頂?shù)拇怪本嚯x均為8.5 cm。自第一個采樣點(diǎn)起,沿與坡面平行方向每隔17 cm設(shè)計(jì)一個采樣點(diǎn),共計(jì)5個采樣點(diǎn),依次記為點(diǎn)A、B、C、D、E。同時為了能反映降水的滲透、淋溶等作用對土壤養(yǎng)分流失的影響,在每個采樣點(diǎn)距地表10、25、40 cm處,自上而下采集3個土樣,共計(jì)采集土樣240個。

試驗(yàn)測定項(xiàng)目有速效氮、速效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì),分別采用堿解擴(kuò)散法、碳酸氫鈉浸提法、乙酸銨浸提法和重鉻酸鉀容量法測定[10,11]。試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行處理。

2結(jié)果與分析

2.1坡度對土壤養(yǎng)分含量的影響

土壤養(yǎng)分主要通過徑流和徑流中攜帶的泥沙流失。其中水是土壤溶質(zhì)的溶劑和載體,也是溶質(zhì)隨地表遷移的驅(qū)動者,它不僅使土壤溶質(zhì)隨徑流水遷移,而且使溶質(zhì)隨侵蝕泥沙而遷移[12]。降雨過程中,隨著土壤由濕潤到水分飽和,入滲量逐漸減少,雨水對地表沖刷能力增強(qiáng),表層徑流量增大,侵蝕作用逐漸明顯。坡地在雨水的沖刷下,表土極易流失,土壤侵蝕量較大,特別是在細(xì)顆粒的吸附作用下[13,14],流失土壤表面的養(yǎng)分物質(zhì)成為養(yǎng)分流失的主體。

圖2為降雨后48 h距地表10 cm處的土壤養(yǎng)分含量變化情況。土壤養(yǎng)分含量隨坡度的增加而減少。該層土壤中速效氮、速效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)含量隨坡度的變化有較大不同。坡度由0°增加到15°,土壤速效氮、速效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)含量減少幅度最小,坡度由15°增加到30°,土壤速效氮、速效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)含量減少幅度居中,坡度由30°增加到45°,四種土壤養(yǎng)分含量減少幅度最大。說明在一定的坡度范圍內(nèi),隨著坡度的增加,土壤養(yǎng)分減少幅度會不斷增大。

對土壤養(yǎng)分含量與坡度進(jìn)行相關(guān)性分析可知,速效氮、速效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)含量與坡度的決定系數(shù)分別為0.990 3、1.000 0、0.996 8、0.992 7,四種土壤養(yǎng)分含量與坡度相關(guān)顯著,其回歸方程如下:

=63.775e-0.465 1x,R2=0.990 3(x:坡度,y:速效氮含量)

=-0.35x2-10.79x+59.30,R2=1.000 0(x:坡度,y:速效磷含量)

=-0.625x2-50.325x+256.830,R2=0.996 8(x:坡度,y:速效鉀含量)

=-8.980 9lnx+17.210 0,R2=0.992 7(x:坡度,y:有機(jī)質(zhì)含量)

2.2土壤養(yǎng)分的空間分布狀況

圖3為降雨48 h后土壤養(yǎng)分含量分布情況?？偟内厔菔请S著坡度的增加土壤養(yǎng)分含量減小,同一坡度下土壤層越深,土壤養(yǎng)分含量越高,例如速效氮在距坡頂8.5 cm處,四種坡度下,10 cm土壤層土壤樣本速效氮含量分別為38.9、17.7、9.9、3.8 mg/kg,變異系數(shù)為87%;而40 cm土壤層土壤樣本速效氮含量則分別為51.1、48.2、47.6、46.3 mg/kg,變異系數(shù)為4%。分析原因是伴隨坡地土壤侵蝕過程的發(fā)生,泥沙與徑流水是養(yǎng)分流失的主要載體和途徑。土壤侵蝕過程主要發(fā)生在地表,對深層土壤的影響不大[15],因此地表土壤養(yǎng)分含量隨坡度的增加大幅度減小,深層土壤養(yǎng)分含量受坡度變化的影響并不顯著。

坡面土壤養(yǎng)分遷移方式可分為兩種,一是易溶于水的土壤養(yǎng)分沿垂直方向隨水分入滲至深層土壤中,部分隨徑流沿坡面向坡底遷移;二是不易溶于水并吸附在土壤顆粒表面的土壤養(yǎng)分在徑流的作用下向坡底遷移,而泥沙中含有顆粒細(xì)小、比表面積大的黏粒,能夠吸附大量的土壤養(yǎng)分[16]。由圖3可知,四種不同坡度條件下,各養(yǎng)分在坡底附近的含量均高于坡頂附近含量,如15°坡面10 cm土壤層采樣點(diǎn)E處土壤速效氮含量36.9 mg/kg,高于0°坡度相應(yīng)位置處(可以類比坡頂)土壤速效氮含量。說明兩種遷移方式均可導(dǎo)致土壤養(yǎng)分在坡底附近富集。

2.3土壤養(yǎng)分隨時間的變化規(guī)律

由圖4可知,四種坡面土壤養(yǎng)分含量隨時間變化規(guī)律基本一致,四種坡面10 cm土壤層的土壤速效氮和有機(jī)質(zhì)含量隨時間的變化呈減少的趨勢,25、40 cm土壤層上述兩種土壤養(yǎng)分則沒有明顯變化。分析原因是部分速效氮揮發(fā)至空氣中[17],導(dǎo)致表層土壤速效氮含量隨時間的增加呈減少的趨勢;隨著時間推移,有機(jī)質(zhì)中部分物質(zhì)分解[18],導(dǎo)致表層土壤有機(jī)質(zhì)含量隨時間的變化而減少。建議在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中及時補(bǔ)充氮肥和有機(jī)肥,以保證農(nóng)作物的正常生長發(fā)育。各坡面各土層速效磷含量無明顯變化。四種坡面10 cm土層的土壤速效鉀含量隨時間的變化呈增加的趨勢,中土層和底土層有緩慢減少的趨勢。其原因是速效鉀易溶于水[19],其遷移方式受水分運(yùn)動的影響較大,下層土壤速效鉀在毛管水的作用下向地表遷移,導(dǎo)致10 cm土層的土壤速效鉀含量隨時間的變化呈增加的趨勢,而25、40 cm土壤層的土壤速效鉀含量隨時間的變化呈減少的趨勢。

3結(jié)論

1)降雨條件下,在一定的沉陷區(qū)坡度范圍內(nèi),土壤養(yǎng)分隨著坡度增大而減少。距地表10 cm土層的土壤養(yǎng)分含量總體上隨坡度的增加而大幅度減小,而深層土壤養(yǎng)分含量隨坡度變化較小。

2)不同土壤層的土壤養(yǎng)分含量從沉陷區(qū)坡頂?shù)狡碌椎淖兓炔煌?接近地表處,土壤養(yǎng)分含量從坡頂?shù)狡碌自黾臃却?而深層土壤養(yǎng)分含量從坡頂?shù)狡碌自黾泳徛?/p>

3)坡度大于0°的坡面土壤養(yǎng)分含量從坡頂?shù)狡碌壮试黾拥内厔?其坡底附近區(qū)域出現(xiàn)了各土壤養(yǎng)分的富集現(xiàn)象。接近地表處土壤速效氮、有機(jī)質(zhì)含量隨時間的變化呈現(xiàn)減少的趨勢,速效磷含量隨時間的推移沒有明顯變化,接近地表處土壤速效鉀含量隨時間的變化而增加。

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