風(fēng)沙區(qū)采煤擾動下土壤養(yǎng)分含量的演變特征

趙 瑜，袁玉敏，陳 超(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)土地復(fù)墾與生態(tài)重建研究所，北京 100083)

風(fēng)沙區(qū)采煤擾動下土壤養(yǎng)分含量的演變特征

趙 瑜，袁玉敏，陳 超
(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)土地復(fù)墾與生態(tài)重建研究所，北京 100083)

為揭示超大工作面開采過程中采煤沉陷對土壤養(yǎng)分影響的演變特征，并為礦區(qū)生態(tài)自修復(fù)研究提供理論參考。選擇大柳塔礦某綜采工作面，分別對開采前、開采過程中、開采結(jié)束及地表穩(wěn)定后這一煤炭開采全周期的對照區(qū)及沉陷區(qū)進行取樣，對比分析土壤養(yǎng)分含量。結(jié)果表明：土壤pH值隨開采進度呈增大趨勢，地表穩(wěn)定后逐漸降低；有機質(zhì)、速效磷及全氮隨開采程度呈先降后增的趨勢；速效鉀一直呈增大的趨勢，與有機質(zhì)、全氮及速效磷變化趨勢不一致。地表穩(wěn)定后土壤養(yǎng)分含量與對照區(qū)基本趨于一致，表明沉陷區(qū)土壤養(yǎng)分具有一定的自修復(fù)特征。

采煤沉陷；土壤養(yǎng)分；開采進度；風(fēng)沙區(qū)

煤炭開采在促進國民經(jīng)濟增長的同時，也不可避免的對生態(tài)環(huán)境造成一定破壞[1-3]。隨著我國能源戰(zhàn)略西移，西部地區(qū)生態(tài)承載力低，極易受干擾，導(dǎo)致煤炭開采對西部生態(tài)脆弱區(qū)的環(huán)境損傷日益嚴(yán)重[4]。風(fēng)沙區(qū)大規(guī)模煤炭開采導(dǎo)致地表產(chǎn)生大量裂縫[5]，誘發(fā)土壤、水、植被等要素發(fā)生變化[6]，其中采煤沉陷對土壤理化性質(zhì)影響顯著，而土壤理化性質(zhì)又是反映礦區(qū)生態(tài)環(huán)境變化的直接要素[7]。由于采煤沉陷對礦區(qū)正向效應(yīng)不明顯，諸多學(xué)者對采煤沉陷對土壤理化性質(zhì)影響認(rèn)識不同，魏婷婷等[1]認(rèn)為采煤沉陷導(dǎo)致風(fēng)沙區(qū)土壤全氮、速效磷、速效鉀含量顯著降低，吳艷茹[8]認(rèn)為采煤沉陷加速土壤侵蝕過程，簡興等[9]認(rèn)為采煤沉陷加速土壤養(yǎng)分流失，劉哲榮等[10]認(rèn)為雖然采煤沉陷對土壤理化性質(zhì)有顯著影響，但其影響隨沉陷年限的增加與未沉陷區(qū)逐漸趨于一致，而臧蔭桐等[11]研究表明采煤沉陷對風(fēng)沙區(qū)土壤化學(xué)性質(zhì)影響較小(全氮、全磷)或無明顯影響(全鉀、有機質(zhì))。上述研究多從靜態(tài)角度研究土壤理化性質(zhì)的變化，而沉陷對表層土壤的影響非常復(fù)雜，會因坡位、土層深度、沉陷時間、沉陷程度及同一沉陷程度下裂縫兩側(cè)破壞程度、植被類型等因素的不同而有一定差異，不同開采進度下土壤理化性質(zhì)對采煤沉陷的響應(yīng)特征尚不清晰。已有研究多集中在煤炭開采對土壤含水量、有機質(zhì)含量、天壤孔隙比及容重等指標(biāo)的影響方面[12]，而且西部生態(tài)脆弱礦區(qū)采煤沉陷土地?fù)p傷特點與中東部礦區(qū)有所不同[13]，因此針對西部生態(tài)脆弱礦區(qū)的采煤沉陷地土壤養(yǎng)分含量研究就極為必要。以風(fēng)沙區(qū)大柳塔礦某綜采工作面為研究對象，通過對采前、采中、開采結(jié)束及地表穩(wěn)定后的對照區(qū)及沉陷區(qū)土壤養(yǎng)分含量的比較，試圖揭示不同開采進度下土壤化學(xué)指標(biāo)與采煤沉陷的響應(yīng)特征，為風(fēng)沙區(qū)土地復(fù)墾與生態(tài)修復(fù)提供理論參考。

1 研究區(qū)概況

1.1 研究區(qū)自然概況

神東礦區(qū)地處晉、陜、蒙三省(區(qū))接壤處，位于毛烏素沙漠東部邊緣，地理坐標(biāo)為東經(jīng)109°51′～110°46′，北緯38°52′～39°41′，總體地勢北高南低。礦區(qū)地處能源“金三角”核心，是世界唯一的2億t級現(xiàn)代化礦區(qū)[9]。礦區(qū)干燥少雨，年平均降雨量和蒸發(fā)量分別為413.5 mm和2 111.2 mm，植被稀少，且以沙蒿、檸條﹑沙柳等典型荒漠植被為主，屬典型干旱、半干旱荒漠高原大陸性季風(fēng)氣候。研究區(qū)風(fēng)積沙地占總面積的85%以上，土壤組成結(jié)構(gòu)較粗，透水透氣性較強，土壤肥力低，且保水保肥性較差?；哪衬瘒?yán)重，易受水蝕與風(fēng)蝕，流動性強。煤層賦存條件呈現(xiàn)出淺埋深、厚煤層以及近水平等[14]特點，采用長壁開采、垮落式頂板管理方式，日推進速度可達12 m左右，屬于典型的高強度、超大工作面開采的范疇[15]。

1.2 研究區(qū)沉陷狀況

在超大工作面開采條件下，研究區(qū)開采沉陷情況符合一般開采沉陷學(xué)的規(guī)律，開采引起的土地形變包括連續(xù)移動變形和非連續(xù)移動變形。隨著煤炭的大規(guī)模開采，研究區(qū)地表出現(xiàn)沉陷盆地(含均勻沉陷區(qū)和非均勻沉陷區(qū))，地表非連續(xù)移動變形主要表現(xiàn)為大范圍不同疏密程度的采煤沉陷地裂縫。實地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，地裂縫損害較為嚴(yán)重，寬度為13.2～58.8 mm，可見深度最大為412 mm。均勻沉陷區(qū)采煤沉陷動態(tài)地裂縫在自然營力作用下逐漸閉合，呈現(xiàn)自修復(fù)特征，盆地邊緣的非均勻沉陷區(qū)則需要修復(fù)[15]。

2 研究方法

2.1 試驗樣地情況

研究區(qū)選在大柳塔礦某綜采工作面，由于沉陷由采煤活動引發(fā)，所以通常情況下地表沉陷區(qū)與其下方采空區(qū)一致?，F(xiàn)分別對該工作面未開采(2013年7月)、開采中(2013年11月)、開采結(jié)束(2014年5月)，以及地表穩(wěn)定后(2015年6月)這四個時期的研究區(qū)進行樣區(qū)劃分(未擾動區(qū)為對照區(qū)、沉陷區(qū))，樣區(qū)均選裸露平坦沙地，避開沙丘、結(jié)皮以及沙蒿等植被的影響。

2.2 樣品采集與處理

根據(jù)開采沉陷預(yù)計情況及已有資料，將沉陷區(qū)分為開切眼(KQ)和工作面(GZ)，同時選擇鄰近的未沉陷區(qū)作為對照區(qū)(CK)。開切眼布設(shè)4個取樣點，工作面布設(shè)12個取樣點，對照區(qū)布設(shè)3個取樣點，并記錄采樣點空間坐標(biāo)，便于準(zhǔn)確進行多期采樣，選取離地表約20 cm的表層土壤，在每個取樣點周圍取3個平行樣，采樣點選在地表較為平緩的區(qū)域，避免坡度對土壤特性的影響。工作面開采時間為2013年9月，考慮到采煤沉陷對土壤化學(xué)性質(zhì)影響有一定的滯后性[16]，采樣時間確定為采前(2013年7月)﹑采中(2013年11月)﹑采后(2014年5月)，以及地表穩(wěn)定后(2015年6月)。研究區(qū)內(nèi)具體點位布設(shè)情況如圖1所示。

圖1 研究區(qū)具體點位布設(shè)情況(數(shù)據(jù)來源：文獻[17])

將土壤樣品分別置于密封袋中，置陰涼處曬干后除去表層可見植物殘體，利用1 mm和0.149 mm的孔徑篩分別對土樣過篩，于常溫下保存、備用。

2.3 測定方法與數(shù)據(jù)處理

土壤化學(xué)指標(biāo)的測定：有機質(zhì)采用重鉻酸鉀法進行測定，速效磷采用NaHCO3浸提—鉬銻抗比色法測定，速效鉀采用NH4COOH浸提—火焰光度計法測定，全氮采用開氏法測定，pH值采用pH值酸度計法測定。運用SAS 9.2、SPSS 17.0和Originpro 8.5等軟件對最終數(shù)據(jù)進行相關(guān)統(tǒng)計、方差分析和圖形處理，顯著性水平設(shè)定為P<0.05。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤有機質(zhì)的變化

土壤有機質(zhì)含量的高低，是評價土壤肥力高低的一個重要指標(biāo)[18]。研究區(qū)內(nèi)不同開采進度下土壤有機質(zhì)變化狀況見圖2。相比于對照區(qū)，從開采前到地表穩(wěn)定，沉陷區(qū)土壤有機質(zhì)先減少后增加。其中，開采中沉陷區(qū)(KQ、GZ)土壤有機質(zhì)顯著小于CK(對照區(qū))(P<0.05)，開采結(jié)束后GZ區(qū)土壤有機質(zhì)含量超過對照區(qū)，地表穩(wěn)定后GZ區(qū)土壤有機質(zhì)又小于對照區(qū)。處于開采中各樣區(qū)土壤有機質(zhì)的含量顯著低于未開采時，分別降低52%、70%和69%。張發(fā)旺等[5]對西北黃土高原礦區(qū)和黃河以北平原礦區(qū)的研究表明礦區(qū)地表塌陷產(chǎn)生的裂縫改變了土壤的質(zhì)地和結(jié)構(gòu)，因此可能是由于該過程受采煤擾動影響較為嚴(yán)重，采煤沉陷產(chǎn)生的淺層裂縫提高了土壤的通氣性，土壤微生物在氧氣充足的條件下活動加劇，產(chǎn)生大量轉(zhuǎn)化酶，從而加快了土壤有機質(zhì)分解速度，導(dǎo)致有機質(zhì)含量顯著下降。開采結(jié)束沉陷區(qū)與對照區(qū)有機質(zhì)含量差異不顯著，在地表穩(wěn)定后，兩者有機質(zhì)含量存在顯著性差異，但其變化趨勢與未開采時基本一致。有機質(zhì)的含量在開采后逐漸增加，但是可能由于采煤沉陷對有機質(zhì)的影響較大，導(dǎo)致其恢復(fù)有一定的滯后性，有待進一步研究。研究結(jié)果表明：在短期內(nèi)沉陷對土壤有機質(zhì)有破壞作用，隨地表移動變形穩(wěn)定，沉陷區(qū)土壤有機質(zhì)含量逐漸增加，與未開采時各樣區(qū)變化趨勢一致。

(注：圖中字母表示同一指標(biāo)多重比較，字母相同表示差異不顯著，字母不同表示差異顯著(P<0.05))圖2 土壤有機質(zhì)的變化

3.2 土壤全氮的變化

土壤全氮含量不僅用于衡量土壤氮肥的基礎(chǔ)肥力，還能反映土壤潛在肥力的高低，因此分析土壤中全氮的含量是評價采煤沉陷前后土壤肥力的重要依據(jù)[16]。如圖3所示，不同開采進度下沉陷區(qū)土壤全氮與土壤有機質(zhì)的變化趨勢基本一致。與對照區(qū)相比，全氮含量在不同開采進度下有所降低。開采中沉陷區(qū)的土壤全氮含量顯著降低，相比于對照區(qū)，KQ區(qū)減少25%，GZ區(qū)減少16%；地表穩(wěn)定后沉陷區(qū)的土壤全氮含量有所增加，基本恢復(fù)至采前水平，相比于開采中的沉陷區(qū)，KQ區(qū)增加21%，GZ區(qū)增加13.5%，且與對照區(qū)差異不顯著。這表明采煤沉陷造成土壤全氮流失，沉陷區(qū)氮元素下降可達到極顯著水平，流失率在20%左右，沉陷區(qū)地表穩(wěn)定后裂縫閉合消失，土壤全氮流失減弱并逐漸開始恢復(fù)，土壤全氮含量逐漸增加與未開采時變化趨勢基本一致，表明土壤中全氮可恢復(fù)至采前水平。

(注：圖中字母表示同一指標(biāo)多重比較，字母相同表示差異不顯著，字母不同表示差異顯著(P<0.05))圖3 土壤全氮的變化

3.3 土壤速效磷的變化

土壤養(yǎng)分中的速效磷易被作物吸收，其含量直接反映土壤的質(zhì)量狀況[18]。由圖4可知，從開采前到地表穩(wěn)定后土壤速效磷含量總體呈先減小而后增大的趨勢，開采中沉陷區(qū)土壤速效磷含量顯著小于對照區(qū)，土壤速效磷流失率在50%左右；開采結(jié)束后沉陷區(qū)與對照區(qū)差異不顯著，基本恢復(fù)至采前水平?？梢钥闯?，沉陷對土壤速效磷含量有較大影響，采煤沉陷造成土壤速效磷流失，導(dǎo)致土壤中速效磷含量降低，但隨著開采結(jié)束趨于穩(wěn)定，速效磷含量逐漸增加，可恢復(fù)至采前水平。

3.4 土壤速效鉀的變化

土壤速效鉀是衡量土壤肥力的重要指標(biāo)[18]。由圖5可知，土壤速效鉀與有機質(zhì)、全氮和速效磷含量的變化趨勢不一致，從采前到開采結(jié)束后土壤速效鉀含量逐漸增大，且地表穩(wěn)定后土壤速效鉀含量大幅度高于采前水平，這一變化與有機質(zhì)、全氮和速效磷含量的變化規(guī)律不一致，有待進一步研究。

(注：圖中字母表示同一指標(biāo)多重比較，字母相同表示差異不顯著，字母不同表示差異顯著(P<0.05))圖4 土壤速效磷變化

(注：圖中字母表示同一指標(biāo)多重比較，字母相同表示差異不顯著，字母不同表示差異顯著(P<0.05))圖5 土壤速效鉀變化

3.5 土壤酸堿度的變化

土壤pH值是評價土壤質(zhì)量的重要基本定量化學(xué)指標(biāo)[18]，也是土壤化學(xué)特性中表示土壤酸堿度的一個重要指標(biāo)，通常用土壤溶液中氫離子濃度的負(fù)對數(shù)表示[16]。由圖6可知，研究區(qū)土壤pH值偏高，普遍呈現(xiàn)堿性或強堿性。采前、采中、采后及地表穩(wěn)定后對照區(qū)與沉陷區(qū)土壤pH值無明顯差異，但采中和采后土壤pH值均比采前和地表穩(wěn)定后高，這是因為沙質(zhì)土壤土質(zhì)相對疏松，沉陷引起土壤含水量減少，導(dǎo)致土壤中游離態(tài)H+含量減少，致使土壤pH值增大。但在地表穩(wěn)定后土壤pH值又減小，基本恢復(fù)至采前狀態(tài)，可能是由于隨沉陷變形趨于穩(wěn)定，土壤中微生物的活動及酶活性的增強，土壤中游離態(tài)H+含量增加，導(dǎo)致土壤pH值偏小。由數(shù)據(jù)分析可知，沉陷對pH值的影響雖然不夠顯著，但是仍然有一定差異。

(注：圖中字母表示同一指標(biāo)多重比較，字母相表示差異不顯著，字母不同表示差異顯著(P<0.05))圖6 土壤pH值變化

4 結(jié) 論

1)土壤有機質(zhì)、全氮、速效磷在開采過程中明顯減小，隨采煤結(jié)束到地表穩(wěn)定之后則逐漸增大，可基本恢復(fù)至采前水平；有機質(zhì)、全氮、速效磷這三個指標(biāo)在不同開采階段均是開切眼區(qū)域最小，原因是開切眼區(qū)樣點臨近塌陷拐點，極易發(fā)生漏水漏肥現(xiàn)象[5]。土壤pH值在開采中達到強堿性，但隨采煤結(jié)束到地表穩(wěn)定后土壤pH值又減小，基本恢復(fù)至采前狀態(tài)。

2)土壤速效鉀含量從采前到地表穩(wěn)定呈遞增的趨勢且其含量超過采前狀態(tài)，開采過程中，地表干擾程度最大并產(chǎn)生大量裂縫，漏水漏肥情況較為嚴(yán)重，土壤速效鉀含量變化趨勢異常，這與有機質(zhì)、全氮和速效磷的變化趨勢不一致，有待進一步研究。

3)采煤沉陷在短期內(nèi)對礦區(qū)土壤養(yǎng)分有負(fù)面影響，但部分負(fù)面影響會隨開采進度逐漸減弱，地表穩(wěn)定后沉陷區(qū)土壤養(yǎng)分指標(biāo)可逐漸恢復(fù)至采前水平，沉陷區(qū)表現(xiàn)出較強的自修復(fù)能力。

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Evolution characteristics of soil nutrient contents due to coal mining in windy and sandy region

ZHAO Yu，YUAN Yumin，CHEN Chao

(Institute of Land Reclamation and Ecological Restoration，China University of Mining and Technology(Beijing)，Beijing 100083，China)

To reveal the evolution characteristics of impacts of mining subsidence on soil chemical properties induced by super-large working face，which would provide a scientific basis for ecological self-healing in mining area.Samples were taken from certain Daliuta working face，including pre-mining，mining，post-mining and surface stability in control area and mining area respectively，and the data were analyzed for soil nutrient contents.The results show that：soil pH value increased with the extension of exploitation schedule and then gradually inclined in the period of surface stability；organic matter，available phosphorus and total nitrogen inclined first and then increased with the extension of exploitation degree；available potassium continuously increased which was different from other indexes.Soil nutrient contents were basically consistent with control area after surface stability，and it shows certain self-heal ability.

mining subsidence；soil nutrient；exploitation schedule；windy and sandy region

2016-12-28 責(zé)任編輯：趙奎濤

國家自然科學(xué)基金委員會-神華集團有限責(zé)任公司煤炭聯(lián)合基金項目資助(編號：U1361203)

趙瑜(1994-)，女，山西河曲人，碩士研究生，現(xiàn)從事土地復(fù)墾與生態(tài)重建方面的研究。

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A

1004-4051(2017)06-0084-04