風(fēng)沙區(qū)煤炭開采對(duì)土壤物理性質(zhì)和結(jié)皮的影響

魏婷婷, 胡振琪, 曹遠(yuǎn)博, 李星宇, 陳 超

〔1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 土地復(fù)墾與生態(tài)重建研究所, 北京 100083; 2.北京林業(yè)大學(xué) 水土保持學(xué)院, 北京 100083〕

風(fēng)沙區(qū)煤炭開采對(duì)土壤物理性質(zhì)和結(jié)皮的影響

魏婷婷1, 胡振琪1, 曹遠(yuǎn)博2, 李星宇1, 陳 超1

〔1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 土地復(fù)墾與生態(tài)重建研究所, 北京 100083; 2.北京林業(yè)大學(xué) 水土保持學(xué)院, 北京 100083〕

摘要：[目的] 為了準(zhǔn)確了解煤炭開采對(duì)脆弱生態(tài)環(huán)境造成的影響。 [方法] 通過(guò)樣地調(diào)查和室內(nèi)分析，對(duì)毛烏素風(fēng)沙區(qū)超大工作面煤炭開采當(dāng)年和3 a后的土壤物理性質(zhì)和結(jié)皮情況進(jìn)行分析。 [結(jié)果] 開切點(diǎn)土壤物理性質(zhì)受到采礦的影響強(qiáng)于開采面,開采面土壤的修復(fù)能力優(yōu)于開切點(diǎn),且采煤對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響3 a后仍未消除;各采樣點(diǎn)的土壤溫度不僅與對(duì)照存在差異性(p<0.05),而且各土壤溫度在空間和時(shí)間跨度上也存在差異性(p<0.05);20 cm處的土壤容重、孔隙度和含水率與土壤溫度均存在負(fù)相關(guān),含水率與土壤溫度存在顯著負(fù)相關(guān)(p<0.05);結(jié)皮的厚度和覆蓋度受到采煤的影響,結(jié)皮含水率和結(jié)皮持水能力在3 a內(nèi)均未恢復(fù)到采煤前。 [結(jié)論] 風(fēng)沙區(qū)超大工作面采煤對(duì)土壤物理性質(zhì)和結(jié)皮會(huì)造成破壞，且在無(wú)人為干擾的情況下土壤將進(jìn)行自我修復(fù)，但3 a的修復(fù)效果與對(duì)照組仍存在一定差異。

關(guān)鍵詞：風(fēng)沙區(qū); 超大工作面; 煤炭開采; 土壤物理性質(zhì); 結(jié)皮

煤炭在中國(guó)能源生產(chǎn)與消費(fèi)構(gòu)成中占有主導(dǎo)地位。國(guó)家煤炭開采戰(zhàn)略西移、集群化、高強(qiáng)度的開采方式，使得地表生態(tài)環(huán)境的破壞范圍廣、速度快、形式多、時(shí)空差異大，礦區(qū)的地表生態(tài)環(huán)境呈現(xiàn)出強(qiáng)烈擾動(dòng)的態(tài)勢(shì)，主要表現(xiàn)為地表裂縫、植物損傷、水土流失等。神東礦區(qū)位于黃土丘陵與毛烏素沙地之間，生態(tài)環(huán)境一旦遭到破壞就很難對(duì)其進(jìn)行恢復(fù)[1]。由于神東礦區(qū)本身生態(tài)閾值較低，抗擾動(dòng)能力差，沙漠多次侵?jǐn)_，形成獨(dú)特的土壤理化性質(zhì)，土壤顆粒組成較粗、疏松無(wú)結(jié)構(gòu)、儲(chǔ)水保肥能力差。地下煤炭采出后，不可避免引起上覆巖層的垮落變形、進(jìn)而引起地表變形，礦山開采對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響首先表現(xiàn)在地表的移動(dòng)變形，進(jìn)而影響到植被和土壤的理化性質(zhì)的變化。胡振琪[2]等利用TM影像和ERDAS軟件對(duì)神府礦區(qū)1986—2006年20 a間的植被覆蓋度進(jìn)行研究，定量結(jié)果表明礦區(qū)的植被覆蓋度整體提高，但在局部礦區(qū)則有所降低。趙紅梅[3]研究了神東礦區(qū)采煤塌陷條件下包氣帶土壤水分布及動(dòng)態(tài)變化特征，研究表明：塌陷區(qū)土壤含水量與非塌陷區(qū)相比在0—60 cm的各個(gè)深度上均明顯減少；塌陷非穩(wěn)定區(qū)裂縫部位與非裂縫部位存在明顯差異[4]，說(shuō)明裂縫對(duì)含水量有較大影響；但目前仍未有學(xué)者針對(duì)風(fēng)沙區(qū)超大工作面上采煤對(duì)土壤溫度和結(jié)皮的影響進(jìn)行系統(tǒng)的研究。

筆者在毛烏素沙地東南緣大柳塔礦區(qū)的12個(gè)采空區(qū)樣地、6個(gè)裂縫區(qū)樣地和6個(gè)對(duì)照區(qū)樣地，進(jìn)行采煤對(duì)土壤的物理性質(zhì)、對(duì)不同層土壤溫度和對(duì)結(jié)皮的影響分析，探討采煤擾動(dòng)和無(wú)干擾自修復(fù)過(guò)程中土壤理化性質(zhì)和結(jié)皮情況的差異性，以期為這一地區(qū)的生態(tài)治理提供理論依據(jù)，同時(shí)也為礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境重建提供依據(jù)。

1研究區(qū)概況和方法

1.1　樣地布設(shè)和樣地基本情況

研究區(qū)植被類型有干草原型、落葉闊葉灌木叢型和沙生類型，其中沙地植被占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。土地類型為沙地、喬灌木林地、天然草地、裸巖地等。以沙蒿(ArtemisiadesterorumSpreng)、沙柳(Salixcheilophila)、檸條(Caraganamicrophylla)為代表的沙生植被組合，主要生長(zhǎng)于半固定沙地、固定沙地和沙地沙丘間低地。研究區(qū)內(nèi)環(huán)境因素波動(dòng)性大，環(huán)境敏感性強(qiáng)，承受能力及抗干擾的能力差，因而具有生態(tài)脆弱性和環(huán)境問題的嚴(yán)酷性，水資源短缺、生態(tài)環(huán)境脆弱成為約束該區(qū)大規(guī)模煤炭資源開發(fā)的不利條件之一。試驗(yàn)地基本情況如表1所示。

表1　試驗(yàn)樣地基本情況

1.2　數(shù)據(jù)采集與處理

試驗(yàn)設(shè)置24個(gè)樣地，樣地均分布于同一開采面的陰坡，對(duì)每個(gè)樣地坡頂、坡中、坡底和坡間低地的土壤容重、孔隙度、含水率、硬度和結(jié)皮情況進(jìn)行采集和測(cè)定，土壤容重、孔隙度和含水率值均為20 cm深度測(cè)定，硬度在土壤表層測(cè)定；土壤的物理指標(biāo)和土壤溫度分別在2011年5月30日和2014年6月1日進(jìn)行測(cè)定。土壤容重、孔隙度、硬度分別用：環(huán)刀法、容重?fù)Q算法、土壤硬度計(jì)直接測(cè)定，利用土壤溫濕度儀(DH8 902,中國(guó))測(cè)定土壤溫度(測(cè)定深度為20，40，60 cm)，用TSC-V型土壤水分測(cè)試儀測(cè)定土壤含水率，結(jié)皮覆蓋度用樣地法測(cè)定，結(jié)皮的厚度用游標(biāo)卡尺測(cè)定，以上各項(xiàng)測(cè)量均有5個(gè)重復(fù)。利用Excel 2013和SPSS 19.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2結(jié)果分析

由表2分析得知，CKP和CKN的容重、孔隙度、含水率、硬度均不存在顯著差異。KQP和KQN坡頂、坡中、坡底、丘間低地的各項(xiàng)土壤物理指標(biāo)均與CK的存在顯著差異，整體表現(xiàn)為容重減小(KQP-坡中容重減小7.2%)、孔隙度增大(KQP-坡中增大14.8%)、含水率降低(KQP-坡頂降低22.4%)、硬度減小(KQP-坡頂減小41.8%)；采礦后沉降穩(wěn)定，KQN各個(gè)位置的土壤物理指標(biāo)與KQP比較均有所修復(fù)：容重增大(丘間低地除外)，孔隙度顯著降低，含水率和硬度增大。KC區(qū)也受到采礦的影響，各項(xiàng)土壤物理指標(biāo)與CK比較也存在顯著差異：容重最多減少6.0%，孔隙度最大提高8.4%，含水率最多減少16.7%，硬度最多減小31.3%；同樣，隨著采礦擾動(dòng)的停止和受生態(tài)環(huán)境的影響，KCN較KCP的各項(xiàng)土壤物理指標(biāo)均有所修復(fù)。由表2也可知KQP和KCP，KQN和KCN各空間位置的土壤物理指標(biāo)存在顯著差異性，表現(xiàn)為：一是KQ點(diǎn)受到采礦的影響強(qiáng)于KC區(qū)，即KQ點(diǎn)土壤物理性質(zhì)受到采礦的破壞更嚴(yán)重；二是KC區(qū)土壤的修復(fù)能力優(yōu)于KQ點(diǎn)，三是采礦對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響3 a年后仍未消除。

表2　土壤物理性質(zhì)和結(jié)皮變化

注：表中CK表示對(duì)照區(qū)，KQ表示開切點(diǎn)，KC表示開采面，P為2011年6月，N表示2014年6月；不同小寫字母表示縱向比較顯著差異(p<0.05)；++表示結(jié)皮覆蓋度≥35%，+表示結(jié)皮覆蓋度<35%，-表示無(wú)結(jié)皮，O表示結(jié)皮未受到采礦的影響，×表示結(jié)皮受到采礦的影響。

土壤溫度是植物生長(zhǎng)的重要生態(tài)因子，對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育具有重要的影響(表3)。沙漠地區(qū)的生態(tài)環(huán)境相對(duì)脆弱，在采煤的擾動(dòng)下，土壤的理化性質(zhì)“平衡”更易被打破，這必將影響土壤的溫度的變化，進(jìn)而影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育。20 cm，6：00時(shí)KQP，KQN，KCP和KCN的溫度低于CK，14：00時(shí)，KQP，KQN，KCP和KCN的坡頂和坡中溫度多數(shù)高于CK，坡底與丘間低地的溫度均小于CK。40 cm，6∶00時(shí)KQ點(diǎn)的溫度高于CK，KC面的溫度略低于CK，14：00時(shí)只有KQP的坡頂和坡中的溫度高于CK，其它點(diǎn)的溫度均低于CK。60 cm，6：00時(shí)和14：00時(shí)大多數(shù)采樣點(diǎn)的溫度高于CK。各采樣點(diǎn)的溫度不僅與CK存在差異性，而且在空間和時(shí)間跨度上也存在差異性。

空間上差異性表現(xiàn)在KQ點(diǎn)與KC面之間比較，土壤不同深度間的比較。20 cm，清晨KQ點(diǎn)相對(duì)應(yīng)各坡位的土壤溫度顯著低于KC面，最大對(duì)應(yīng)溫差為1.1 ℃，正午KQ點(diǎn)相對(duì)應(yīng)坡位的溫度高于KC面；40 cm，清晨KQ點(diǎn)的土壤溫度高于相對(duì)應(yīng)的KC面，正午，KQ點(diǎn)與KC面相對(duì)應(yīng)的土壤溫差進(jìn)一步擴(kuò)大，差異性顯著；60 cm，清晨和正午KQ點(diǎn)相對(duì)應(yīng)土壤的溫度均低于KC面。6：00，相同坡位相對(duì)應(yīng)的不同深度(D)土壤的溫度整體趨勢(shì)存在：D20 cmT6：00，且隨著深度的加深，6：00到14：00的溫度增加量逐漸減小；土壤經(jīng)過(guò)三年的沉降和外界非人為因素的作用，在6：00，KQN和KCN的土壤溫度分別高于KQP和KCP，在14：00，KQN和KCN的土壤溫度分別低于KQP和KCP，且差異性顯著。

選用樣地坡底20 cm處土壤的溫度與土壤容重、孔隙度和含水率進(jìn)行相關(guān)性分析，是因?yàn)槠碌咨锶郝浞植济芗?，且草本和小灌木根系主要分布于淺層土壤，淺層土壤同樣是微生物活動(dòng)較為活躍的場(chǎng)所。對(duì)其相關(guān)性進(jìn)行詳盡的研究，能夠?yàn)椴擅簩?duì)土壤溫度的影響進(jìn)行更深入的分析。從表4分析得知，3個(gè)土壤物理指標(biāo)與20 cm處土壤溫濕度均存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，特別是CK含水率與土壤溫度存在顯著負(fù)相關(guān)，在KQP-坡底和KCP-坡底與土壤溫度的負(fù)相關(guān)與CK相比有所減小，顯著性不明顯，而在3 a之后KQN-坡底和KCN-坡底與土壤溫度的負(fù)相關(guān)性有所增加，達(dá)到顯著相關(guān)，但仍小于CK與土溫的極顯著相關(guān)。

表3　采煤對(duì)土壤溫度的影響　℃

注：不同小寫字母表示縱向比較顯著差異(p<0.05)，不同大寫字母表示橫向比較顯著差異(p<0.05)。

表4　20 cm處土壤溫度與土壤物理性質(zhì)的相關(guān)關(guān)系

注：**在0.01水平(雙側(cè))上極顯著相關(guān)，*在0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)，N為樣品數(shù)。

大面積采煤對(duì)風(fēng)沙區(qū)土壤生物結(jié)皮具有較大的破壞(表5)。采煤當(dāng)年和現(xiàn)在的結(jié)皮厚度和覆蓋度均小于CK，特別是采煤當(dāng)年，生物結(jié)皮和物理結(jié)皮的覆蓋度急劇下降，經(jīng)過(guò)3 a無(wú)人為干擾的恢復(fù)，結(jié)皮覆蓋度仍小于CK。

另外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，生物結(jié)皮的含水率從開采前的33.17%下降到開采當(dāng)年的15.03%，現(xiàn)在又恢復(fù)到27.36%；單位面積生物結(jié)皮的持水能力(飽和吸水重量)從1.34 g/cm3下降到采礦當(dāng)年的0.61 g/cm3，下降比例達(dá)到54.48%，現(xiàn)在恢復(fù)到0.83 g/cm3，僅為采煤前的61.94%。

3結(jié)論與討論

本研究表明風(fēng)沙區(qū)超大工作面采煤對(duì)土壤物理性質(zhì)和結(jié)皮具有不同程度的影響和破壞，在開采當(dāng)年對(duì)其影響較大，經(jīng)過(guò)3 a的自修復(fù)，各項(xiàng)指標(biāo)逐漸接近開采前，但與開采前仍存在一定差異。

表5　采礦對(duì)生物結(jié)皮的影響

2011年對(duì)照區(qū)和2014年對(duì)照區(qū)的容重、孔隙度、含水率、硬度均不存在顯著差異，但是開采當(dāng)年開切點(diǎn)和開采面的容重相較對(duì)照區(qū)減小，孔隙度增大，含水率降低，硬度減小，此結(jié)果與臧蔭桐[5]等對(duì)采煤沉陷后風(fēng)沙土理化性質(zhì)研究結(jié)果相似，造成此結(jié)果的原因可能是在采煤的過(guò)程中經(jīng)歷多次裂隙出現(xiàn)—發(fā)育—修復(fù)—再出現(xiàn)—再發(fā)育—完全閉合的復(fù)雜過(guò)程[6]，造成土層的擾動(dòng)，并且對(duì)土壤穩(wěn)定性造成破壞，出現(xiàn)大孔隙或者裂縫，表層土隨土壤裂隙進(jìn)入深層土壤，隨之土壤的機(jī)械組成發(fā)生變化，這必將改變土壤最基本的物理性質(zhì)。開切點(diǎn)受到采礦的影響強(qiáng)于開采面，且開采面土壤的自修復(fù)能力優(yōu)于開切點(diǎn)，可能因?yàn)殚_采面的土層多是整體下沉，而開切點(diǎn)的土層經(jīng)過(guò)多次沉降且在下沉過(guò)程中受剪力作用，土層多被破壞，即造成此結(jié)果，表現(xiàn)為受破壞更嚴(yán)重的土壤為開切點(diǎn)，從而受破壞更嚴(yán)重的開切點(diǎn)的土壤的理化性質(zhì)也更難修復(fù)。

隨土壤物理性質(zhì)變化，各土層的溫度不僅與對(duì)照存在差異性，而且在空間和時(shí)間跨度上也存在差異性。根據(jù)公式Cg=ρ·c{Cg——土壤體積熱容量〔J/(m3·K)〕；ρ——土壤密度(g/cm3)；c——土壤比熱容〔J/(kg·℃)〕}[7-8]及熱量計(jì)算公式Q=cmΔt(Q——熱量；m——質(zhì)量；Δt——溫度變化)，可推導(dǎo)出公式:Δt=Q/Cg·v[9]。試驗(yàn)中各個(gè)點(diǎn)均處于同一個(gè)開采面，并且保證樣地均為陰坡，在日照輻射時(shí)數(shù)相同情況下，沙土獲得的熱量也基本相同，所以可以認(rèn)為沙土的溫度的變化由土壤體積熱容量決定。土壤的熱容量是土壤本身特有的屬性，土壤的三相結(jié)構(gòu)影響著熱容量[10]，結(jié)合表2知，由于采礦對(duì)土壤層造成大面積的擾動(dòng)，改變了土壤的機(jī)械組成，進(jìn)而改變了土壤的三相結(jié)構(gòu)，這必將影響土壤溫度變化。結(jié)合表2和表4，也可以推斷土壤容重、孔隙度和土壤含水率共同影響著土壤的固氣液的組成比例，均與土溫存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，并且土壤溫度受土壤含水率的影響更大，表現(xiàn)為極顯著負(fù)相關(guān)。

從表2和表5可知，受采煤的影響，無(wú)論是生物結(jié)皮還是物理結(jié)皮均受到不同程度的破壞，表現(xiàn)為結(jié)皮厚度減小和結(jié)皮覆蓋度降低，隨之生物結(jié)皮的持水能力急劇下降，這可能是兩個(gè)原因共同作用造成的，一是受到生物結(jié)皮自身的厚度影響，厚度的減小和覆蓋度的降低必將造成“儲(chǔ)水空間”減小，二是結(jié)皮下層沙土理化性質(zhì)造成破壞，水分無(wú)法存蓄而更易發(fā)生滲漏。

綜上所述，風(fēng)沙區(qū)超大工作面采煤對(duì)土壤物理性質(zhì)和結(jié)皮會(huì)造成破壞，且土壤在無(wú)人為干擾的情況下將進(jìn)行自修復(fù)，但3 a的修復(fù)效果與對(duì)照組仍存在一定差異。

[參考文獻(xiàn)]

[1]王琦,全占軍,韓煜,等.采煤塌陷對(duì)風(fēng)沙區(qū)土壤性質(zhì)的影響[J].中國(guó)水土保持科學(xué),2013,11(6):110-118.

[2]胡振琪,陳濤.基于ERDAS的礦區(qū)植被覆蓋度遙感信息提取研究[J].西北林學(xué)院學(xué)報(bào),2008,23(2):164-167.

[3]趙紅梅.采礦塌陷條件下包氣帶土壤水分布與動(dòng)態(tài)變化特征研究[D].北京:中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院,2006.

[4]侯新偉,張發(fā)旺,韓占濤,等.神府東勝礦區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性成因分析[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境,2006,20(3):54-57.

[5]臧蔭桐,汪季,丁國(guó)棟,等.采煤沉陷后風(fēng)沙土理化性質(zhì)變化及其評(píng)價(jià)研究[J].土壤學(xué)報(bào),2010,47(2):262-269.

[6]李全生,賀安民,曹志國(guó).神東礦區(qū)現(xiàn)代煤炭開采技術(shù)下地表生態(tài)自修復(fù)研究[J].煤炭工程,2012,(12):120-122.

[7]王琳琳,高志球,沈新勇,等.土壤水分的垂直運(yùn)動(dòng)對(duì)黃土高原糜田土壤溫度的影響[J].南京氣象學(xué)院學(xué)報(bào),2008,31(3):363-368.

[8]李慧星,夏自強(qiáng),馬廣慧.含水量變化對(duì)土壤溫度和水分交換的影響研究[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2007,35(2):172-175.

[9]楊永勝,卜崇峰,高國(guó)雄.毛烏素沙地生物結(jié)皮對(duì)土壤溫度的影響[J].干旱區(qū)研究,2012,29(1):352-359.

[10]陳繼康,李素娟,張宇,等.不同耕作方式麥田土壤溫度及其對(duì)氣溫的響應(yīng)特征:土壤溫度日變化及其對(duì)氣溫的響應(yīng)[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué),2009,42(7):2593-2600.

Effect of Coal Mining on Soil Physical Properties and Soil Crust in Windy Desert Area

WEI Tingting1, HU Zhenqi1, CAO Yuanbo2, LI Xingyu1, CHEN Chao1

〔1.InstituteofLandReclamationandEcologicalRestoration,ChinaUniversityofMiningandTechnology(Beijing),Beijing100083,China; 2.CollegeofSoilandWaterConservation,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China〕

Abstract：[Objective] To accurately understand the effects of coal mining on vulnerable ecological environment. [Methods] Soil physical properties and soil crust in current and three years later after ultra wide fully-mechanized coal mining in Mu Us desert were analyzed with sample plot survey and indoor element content analysis. [Results] The soil physical properties in fracture zone affected by coal mining were stronger than mined-out area, but the soil repairing ability in mined-out area was better than fracture zone, and coal mining effects on soil physical properties still exist after three years later. The soil temperatures of each sampling point not only have differences with the control group, but also have differences in spatial and temporal span. Soil bulk density, porosity and moisture content in twenty centimeters were negatively correlated with soil temperatures, and the soil moisture content had a significant correlation with soil temperature. Thickness and coverage of soil crust were affected by coal mining, and soil crust moisture content and water holding ability didn’t return to the level before coal mining within three years. [Conclusion] The coal mining with ultra wide fully-mechanized cause damage on soil physical properties and soil crust, and the soil will be self-restored in the absence of human disturbance, but there is a certain difference between the effect of three years restoration and control.

Keywords:windy desert area; ultra wide fully-mechanized; coal mining; soil physical properties; soil crust

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-288X(2015)02-0106-05

中圖分類號(hào)：TD88， X37

通信作者：胡振琪(1963—),男(漢族),安徽省五河縣人,教授,博士生導(dǎo)師，從事土地復(fù)墾與生態(tài)重建方面的研究。E-mail:huzq@cumtb.edu.cn。

收稿日期：2014-10-10修回日期：2014-11-20
資助項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)—神華集團(tuán)有限公司煤炭聯(lián)合基金資助項(xiàng)目“風(fēng)沙區(qū)超大工作面開采的土地?fù)p傷規(guī)律及生態(tài)修復(fù)方法”(U1361203)
第一作者：魏婷婷(1988—),女(漢族),湖北省荊州市人,博士研究生，研究方向?yàn)橥恋貜?fù)墾與生態(tài)重建。E-mail:sally1988tt@foxmail.com。