基于因子分析的不同采煤地表沉陷年限土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)

朱 莉，孫 超，楊春艷，王丹丹，丁麗麗

(西安科技大學(xué)地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院， 陜西 西安 710054)

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基于因子分析的不同采煤地表沉陷年限土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)

朱 莉，孫 超，楊春艷，王丹丹，丁麗麗

(西安科技大學(xué)地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院， 陜西 西安 710054)

基于對(duì)風(fēng)蝕水蝕交錯(cuò)地帶的榆神府采煤礦區(qū)地表沉陷地表層土壤理化生指標(biāo)的測(cè)量，選擇18項(xiàng)反映土壤理化性質(zhì)的定量指標(biāo)，采用因子分析法對(duì)不同沉陷年限下的土壤質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：18項(xiàng)土壤指標(biāo)可轉(zhuǎn)化為5個(gè)主因子：土壤水分因子、磷素因子、土壤速效養(yǎng)分因子、全鉀因子和氮素因子；不同沉陷年限5個(gè)公因子差異明顯：未沉陷地土壤養(yǎng)分因子和磷素因子指標(biāo)較好，地表沉陷5 a土壤水分因子和氮素因子指標(biāo)較好，而全鉀因子在沉陷10 a呈現(xiàn)出較高水平；綜合因子分析評(píng)價(jià)得出采煤地表沉陷1～2 a土壤質(zhì)量較差，隨著時(shí)間推移，經(jīng)過土壤的自然演替土壤質(zhì)量有轉(zhuǎn)好的趨勢(shì)，但土壤質(zhì)量最好的仍為未沉陷地，說明榆神府采煤沉陷區(qū)地表土壤經(jīng)過10 a自然演替土壤質(zhì)量仍未恢復(fù)到未沉陷區(qū)狀態(tài)。

榆神府礦區(qū)；采煤沉陷；土壤理化性質(zhì)評(píng)價(jià)；因子分析

煤炭作為一次能源在我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中處于重要地位，但煤炭的大量開采給當(dāng)?shù)卦斐闪藝?yán)重的生態(tài)和社會(huì)問題[1]。因采煤引起土地資源的占用與破壞、水土流失、采空區(qū)地裂縫與地面沉陷等生態(tài)環(huán)境問題日趨嚴(yán)重[2]，其中，采煤沉陷對(duì)生態(tài)環(huán)境損害嚴(yán)重且影響范圍廣，已成為人們共同關(guān)注的焦點(diǎn)。

煤炭在井工開采完成后, 上覆巖層失去支撐而使其應(yīng)力平衡狀態(tài)被破壞, 導(dǎo)致地表沉陷的發(fā)生[3]。采煤沉陷首先會(huì)破壞建筑設(shè)施，造成人類生命及財(cái)產(chǎn)損失[4]；其次，采煤沉陷造成地表變形，阻斷天然水系，改變地表徑流和地下水循環(huán)[5]；采煤沉陷后，土壤理化性質(zhì)發(fā)生變化，土壤肥力下降，影響植物生長(zhǎng)，導(dǎo)致水土流失和土地沙漠化等現(xiàn)象的發(fā)生，嚴(yán)重影響生態(tài)環(huán)境的平衡與穩(wěn)定[6]。

目前，國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者對(duì)榆神府礦區(qū)采煤沉陷后植被群落特征和土壤理化生性質(zhì)變化進(jìn)行了大量的研究，但對(duì)采煤地表沉陷后土壤理化生性質(zhì)隨沉陷年限增加的定量評(píng)價(jià)研究較為薄弱。本文采取因子分析法，對(duì)不同沉陷年限土壤理化生性質(zhì)進(jìn)行系統(tǒng)分析研究，旨在準(zhǔn)確評(píng)價(jià)不同沉陷年限對(duì)土壤理化生性質(zhì)的影響，以期為礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)與重建提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西省榆林市神木縣北部，屬于黃土高原北部與毛烏素沙地東南邊緣的過渡帶，平均海拔為1 120～1 280 m；年平均降水量為415.0 mm，且降水多集中在 7～8 月的暴雨期；多年平均蒸發(fā)量為 1 788.4 mm，是降水量的4～5倍。研究區(qū)土壤以黃土、紅土、風(fēng)沙土為主，土壤貧瘠，水分流失快。植被帶屬于草原與森林草原的過渡帶，主要植被類型有草原群落(本氏針茅Stipabungeana、百里香Thymus mongolicus等)、低矮灌木(中間錦雞兒Caraganaintermedia、沙棘Hippophaerhamnoides等)、沙生植被(黑沙蒿Artemisia ordosica、沙柳Salix psammophila等)。

2 研究方法

2.1 樣地選擇

本文主要研究大柳塔礦區(qū)覆沙地。首先收集研究區(qū)內(nèi)主要礦井資料確定采空區(qū)范圍，野外通過GPS定點(diǎn)確定沉陷區(qū)邊界或地裂縫分布地點(diǎn)，最后確定地表沉陷1 a、2 a、5 a和10 a工作面。每種沉陷年限選擇7塊下墊面狀況(海拔、坡形等)比較相近的沉陷地作為研究樣地，同時(shí)每塊樣地選擇一塊鄰近下墊面狀況一致且沒有受到沉陷影響的坡地作為對(duì)照樣地。由于土壤理化性質(zhì)變化最強(qiáng)烈和植物根系吸收水分最活躍的部位主要集中在0～60 cm土層，因此每塊樣地隨機(jī)選擇5個(gè)點(diǎn)，根據(jù)不同土層深度(0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm、40～50 cm、50～60 cm)分別取樣。

2.2 試驗(yàn)方法

在樣地內(nèi)每個(gè)取樣點(diǎn)分別挖取一個(gè)面積約為1 m×1 m、深為1 m 的土壤剖面，依據(jù)不同的土壤深度用標(biāo)準(zhǔn)環(huán)刀(100 cm3)分層取樣用于土壤容重的測(cè)定；用20 cm×10 cm鋁制飯盒分層取原狀土用于測(cè)定土壤機(jī)械組成；用水分鉆分別取不同土層土樣放入鋁盒用于分析土壤水分含量；同時(shí)在土壤剖面分3個(gè)點(diǎn)分層取適量土壤樣品，帶回室內(nèi)自然風(fēng)干，進(jìn)行土壤理化指標(biāo)的測(cè)定與分析；用土壤硬度計(jì)在土壤剖面內(nèi)分層直接測(cè)定各土層土壤硬度。

土壤理化生指標(biāo)測(cè)定：土壤含水量采用烘干法；土壤孔隙度采用土壤密度換算法；土壤容重采用標(biāo)準(zhǔn)環(huán)刀法；有機(jī)質(zhì)測(cè)定采用容量法；全氮測(cè)定采用開氏法；速效氮測(cè)定采用堿解擴(kuò)散法；全磷測(cè)定采用酸溶-鉬銻抗比色法；速效磷測(cè)定采用NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法；全鉀測(cè)定采用HF消解-火焰光度計(jì)法；速效鉀測(cè)定采用NH4COOH浸提-火焰光度計(jì)法；pH用電位測(cè)定法；土壤脲酶采用比色法；蔗糖酶采用 3，5-二硝基水楊酸比色法；細(xì)菌、放線菌、真菌采用平板菌落測(cè)定法[7]。

2.3 數(shù)據(jù)分析

論文所有數(shù)據(jù)采用SPSS20.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，結(jié)果用平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差(SD)表示，用單因素方差分析(one-way ANOVA)和最小顯著差異法(LSD)比較不同數(shù)據(jù)組間的差異，差異顯著性水平設(shè)定為α=0.05；同時(shí)采用SPSS20.0和Excel軟件對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，并對(duì)土壤研究指標(biāo)進(jìn)行因子分析和土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)。

3 結(jié)果與討論

3.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立

土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)以能較顯著影響土壤生產(chǎn)力的土壤養(yǎng)分為主[8]。一般來說, 評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量需要土壤物理、化學(xué)和生物指標(biāo)[9]，同時(shí)大量研究表明通過因子分析的數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法能夠客觀準(zhǔn)確地解釋土壤屬性的變異性，因此本研究基于土壤水分(X1)、孔隙度(X2)、容重(X3)、硬度(X4)、有機(jī)質(zhì)(X5)、全氮(X6)、速效氮(X7)、全磷(X8)、速效磷(X9)、全鉀(X10)、速效鉀(X11)、pH(X12)、脲酶(X13)、磷酸酶(X14)、蔗糖酶(X15)、細(xì)菌(X16)、放線菌(X17)、真菌(X18)共18項(xiàng)土壤理化生指標(biāo)的測(cè)量(表1)，運(yùn)用因子分析法對(duì)榆神府礦區(qū)不同采煤沉陷年限土壤的理化生性質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，探討影響該區(qū)土壤質(zhì)量的驅(qū)動(dòng)因子。

表1 不同采煤沉陷年限土壤理化生指標(biāo)分析結(jié)果

注：不同小寫字母表示不同地表沉陷年限差異顯著(0.05水平)。

3.2 不同采煤沉陷年限下土壤質(zhì)量的分析比較

根據(jù)選取的18項(xiàng)土壤指標(biāo)，基于因子分析方法進(jìn)行不同采煤沉陷年限下土壤質(zhì)量的驅(qū)動(dòng)因子分析及土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)，主要步驟為：(1)將選取的指標(biāo)變量建立原始數(shù)據(jù)矩陣；(2)原始數(shù)據(jù)矩陣的標(biāo)準(zhǔn)化；(3)依據(jù)特征值≥1的原則提取公因子，確定公因子數(shù)，并運(yùn)用Varimax旋轉(zhuǎn)法對(duì)初始因子進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，以便給予明確的因子解釋；(4)將公因子作為自變量進(jìn)行回歸分析，計(jì)算各處理的因子得分值，并以因子貢獻(xiàn)率為權(quán)重計(jì)算每個(gè)處理土壤質(zhì)量的綜合得分及排名[10]。

3.2.1 不同采煤沉陷年限土壤質(zhì)量的因子分析

因子分析首先是公因子的提取，公因子提取的原則為特征值累計(jì)貢獻(xiàn)率≥80%以及結(jié)合旋轉(zhuǎn)后因子載荷矩陣中變量不出現(xiàn)丟失的前m個(gè)主因子。結(jié)果表明，5個(gè)公因子對(duì)樣本方差的貢獻(xiàn)率為81.3%，即5個(gè)公因子包含了原始數(shù)據(jù)信息總量的81.3%，可以用這5個(gè)公因子代表原來的18個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，這5個(gè)公因子特征值、貢獻(xiàn)率、累計(jì)貢獻(xiàn)率及通過方差最大化旋轉(zhuǎn)后的因子載荷矩陣見表2。

表2 旋轉(zhuǎn)成份矩陣

表2中旋轉(zhuǎn)因子載荷矩陣顯示, 第1個(gè)主因子上，具有高載荷因子的指標(biāo)有土壤水分、孔隙度、容重、硬度、pH、磷酸酶、細(xì)菌、放線菌、真菌，反映了土壤保持水分能力的大小和生物活性情況。其中土壤水分含量是反映土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)，對(duì)土壤物理、化學(xué)和生物性質(zhì)有重要影響，且土壤水分對(duì)土壤生物活性具有決定性影響，因此第1主因子可稱為土壤水分因子(F1)；第2個(gè)主因子上，高載荷因子有全磷、速效磷、蔗糖酶，其中全磷、速效磷反映了土壤中磷的儲(chǔ)量，可見第2主因子可稱為磷素因子(F2)；在因子3上，高載荷因子有有機(jī)質(zhì)、速效氮、速效鉀，速效氮、速效鉀，都反映了土壤提供速效養(yǎng)分能力狀況，因此第3主因子可稱為土壤速效養(yǎng)分因子(F3)；全鉀在第4因子上有較高的載荷，因此，將第4主因子命名為全鉀因子(F4)；因子5上高載荷因子是全氮和脲酶，其都反映了土壤全氮養(yǎng)分貯存與轉(zhuǎn)化能力大小，故第5主因子命名為氮素因子(F5)。

表3 因子得分系數(shù)矩陣

3.2.2 不同采煤沉陷年限土壤質(zhì)量的得分及排名

用線性回歸法計(jì)算各處理的因子得分，因子得分回歸函數(shù)表達(dá)式為：

Fi=biX

(1)

式中：Fi是各公因子的得分、X是不同因子、bi是因子得分系數(shù)矩陣的第i列向量(見表 3)。

計(jì)算可得出不同采煤沉陷年限土壤質(zhì)量綜合得分(表4)，表明不同沉陷年限下土壤理化性質(zhì)在各主分量上存在很大的差異。其中土壤水分因子(F1)中，沉陷1～2 a土壤水分因子損害較為嚴(yán)重，主要原因是采煤地表沉陷初期1～2 a，土壤原始結(jié)構(gòu)遭到破壞而使土壤孔隙度增加，表層土壤水分蒸發(fā)迅速，同時(shí)引起的土壤含水量的降低影響了與水分關(guān)系較大的土壤酶和微生物活性；但由于研究區(qū)處于覆沙區(qū)地表裂隙彌合較快，土壤水分和通氣性在采煤地表沉陷后5 a左右達(dá)到較優(yōu)組合，水分決定的因子中某些土壤指標(biāo)性質(zhì)比未沉陷區(qū)有所改善，但隨著沉陷年限的增加土壤孔隙度不斷增加，土壤水分和通氣性較優(yōu)組合打破，土壤水分相關(guān)因子接近未沉陷區(qū)。磷素因子(F2)中，由于采煤沉陷易造成土壤中磷元素轉(zhuǎn)化受阻，同時(shí)有效磷的流失率也增加，因此未沉陷地磷因子水平較高；土壤速效養(yǎng)分因子(F3)中，在沉陷初期由于地表裂縫土壤速效養(yǎng)分易垂直溶淋至較深的土層處，且沉陷初期土壤水分減小使得地區(qū)植被退化，地區(qū)風(fēng)蝕作用加強(qiáng)而使土壤養(yǎng)分含量較為豐富的黏粒減小，土壤養(yǎng)分迅速降低，因此沉陷初期1～2 a土壤養(yǎng)分因子最差；而隨著沉陷年限的增加，沉陷區(qū)土壤物理結(jié)構(gòu)和地上植被不斷正向演替，使得研究區(qū)土壤速效養(yǎng)分在沉陷后期得到一定程度的恢復(fù)，但經(jīng)過10 a恢復(fù)土壤養(yǎng)分因子仍未恢復(fù)至未沉陷狀態(tài)。全鉀因子(F4)中，采煤塌陷使土壤孔隙度提高進(jìn)而加強(qiáng)了土壤好氧微生物的活性，使得鉀元素釋放速率提高，因此地表沉陷5～10 a研究區(qū)鉀元素含量較高。氮素因子(F5)中，由于采煤沉陷后土壤氮元素流失率增加，土壤氮元素迅速下降，但因地表沉陷后5 a左右土壤水分和通氣性的較優(yōu)組合，塌陷裂縫消失，土壤氮元素流失減弱，因此采煤地表沉陷后5年土壤氮可利用率最高。

把各公因子的特征值貢獻(xiàn)率作為權(quán)數(shù)進(jìn)行加權(quán)求和可得到綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)值(表4)。

(2)

式中：Vi/p為 SPSS 軟件中表“Total Variance Explained”下“Rotation Sums of SquaredLoadings(旋轉(zhuǎn)后因子對(duì) X 的方差) ”欄的“% of Variance”，F(xiàn)i為各公因子的得分。

由表4可得出，土壤綜合質(zhì)量最高的是未沉陷區(qū)，未沉陷區(qū)土壤受破壞程度較小，土壤熟化程度較高且土壤中酶活性強(qiáng)、微生物的種類及數(shù)量多，使得未沉陷區(qū)土壤磷素因子和土壤速效養(yǎng)分因子含量較高，可為植物生長(zhǎng)提供足夠的養(yǎng)分，綜合得出未發(fā)生采煤沉陷區(qū)土壤質(zhì)量較好；采煤沉陷1～2 a時(shí)，原來穩(wěn)定的性質(zhì)受到破壞，土壤中水分因子受影響最為明顯，并迅速降至最低，土壤中各類速效養(yǎng)分的供應(yīng)也受到阻斷，土壤質(zhì)量較差；隨著沉陷時(shí)間的增長(zhǎng)覆沙區(qū)地表裂隙逐漸彌合，土壤的各項(xiàng)理化性質(zhì)趨于穩(wěn)定，最突出的表現(xiàn)是土壤中酶的活性增強(qiáng)，大量微生物開始活躍，有益于植物的生長(zhǎng)及土質(zhì)的改變，土壤質(zhì)量有變好的趨勢(shì)，同時(shí)由于土壤水分和通氣性在采煤地表沉陷后5 a左右達(dá)到較優(yōu)組合，一定時(shí)間內(nèi)隨時(shí)間的增長(zhǎng)對(duì)沉陷地土壤質(zhì)量改善有較明顯的作用，但隨著土壤水分和孔隙度較優(yōu)組合的破壞，土壤各項(xiàng)指標(biāo)變化幅度將減弱甚至后退，自然恢復(fù)10年亦未恢復(fù)到到未沉陷區(qū)的土壤各項(xiàng)指標(biāo)的狀態(tài)。

表4 各因子得分及不同采煤沉陷年限土壤質(zhì)量綜合得分

4 結(jié)語

通過對(duì)不同沉陷年限條件下的土壤理化生指標(biāo)進(jìn)行因子分析，可以客觀、清晰、 準(zhǔn)確地分析不同采煤沉陷年限下地表土壤質(zhì)量狀況。18項(xiàng)土壤研究指標(biāo)可轉(zhuǎn)化為5個(gè)主因子：土壤水分因子、磷素因子、土壤速效養(yǎng)分因子、全鉀因子和氮素因子；未沉陷地土壤養(yǎng)分因子和磷素因子指標(biāo)較好，地表沉陷5年土壤水分因子和氮素因子指標(biāo)較好，而全鉀因子在沉陷10 a呈現(xiàn)出較高水平；綜合因子分析評(píng)價(jià)得出采煤沉陷1～2 a時(shí)，土壤原始結(jié)構(gòu)遭到破壞，土壤中水分相關(guān)因子受影響最為明顯，土壤酶活性和微生物數(shù)量降低，土壤質(zhì)量較差。地表沉陷后5年由于土壤水分和通氣性達(dá)到較優(yōu)組合，一定時(shí)間內(nèi)沉陷地土壤質(zhì)量的改善作用較明顯。但土壤綜合質(zhì)量最高的是未沉陷區(qū)，土壤的各項(xiàng)理化生性質(zhì)較為穩(wěn)定，土壤養(yǎng)分效應(yīng)最為明顯，為地上植被生長(zhǎng)提供養(yǎng)分的能力充足。研究表明榆神府采煤沉陷區(qū)地表土壤隨著時(shí)間推移進(jìn)行土壤演替，土壤質(zhì)量有轉(zhuǎn)好的趨勢(shì)，但經(jīng)過10 a自然演替土壤各項(xiàng)指標(biāo)仍未恢復(fù)到未沉陷區(qū)狀態(tài)。

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Evaluation of Soil Quality in Different Years of Coal Mining Subsidence Based on Factor Analysis

ZHU Li，SUN Chao，YANG Chun-yan，WANG Dan-dan，DING Li-li

(College of Geology & Environment, Xi’an University of Science and Technology, Xi’an 710054, Shaanxi)

Based on the investigation of soil physical-chemical-biological properties on Yushenfu coal mining subsidence mining area which be in wind-water erosion crisscross region, 18 soil properties were used to evaluatesoil quality in different years of coal mining subsidence using factor analysis method. The results showed that 18 soil propertiescan be classified into 5 main factors, namely soil moisture factor, phosphorus factor, soil nutrient factor, total potassium, and nitrogen factor. These 5 factorstook significantly different in different years of coal mining subsidence: un-subsidencearea, 5 years subsidence area, and 10 years subsidence area displayed higher levels of soil phosphorus and nutrient factors, moisture and nitrogen factors, and total potassium than others plotsrespectively. Evaluationof comprehensive factor analysis showed that soil quality of 1～2 years subsidence area is the worst, then the soil quality (physical-chemical-biological properties) gradually improved through natural soil succession with increasing years of subsidence. The best quality, however, still appeared at un-subsidence area. These results reveal that soil quality of Yushenfu coal mining subsidence area has not been restored tooriginal levels after 10 years natural succession.

Yushenfu mining area；coal mining subsidence；evaluation of soil physical and chemical properties；factor analysis

2016-05-18

2015年國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃(201510704194)

朱莉(1994-)，女，寧夏賀蘭人，主攻方向：礦山環(huán)境修復(fù)。

TE122.2+3

A

1004-1184(2016)06-0157-04