采煤沉陷區(qū)林地優(yōu)先流現(xiàn)象下的土壤特性分布特征研究

常文科，李成杰，郭曉明，徐小濤，朱希望，趙福玲

(1.河南理工大學 資源環(huán)境學院，河南 焦作 454000；2.焦作市城鄉(xiāng)一體化示范區(qū) 環(huán)境監(jiān)察大隊，河南 焦作 454000)

0 引 言

優(yōu)先流是土壤水和溶質(zhì)繞過土壤基質(zhì)，快速到達深層土壤或地下水的非均勻流動現(xiàn)象[1]。優(yōu)先流現(xiàn)象在自然界土壤水分入滲過程中普遍存在[2-4]，可在任何氣候類型、土地類型和土壤質(zhì)地等條件下發(fā)生[5-6]。優(yōu)先流對土壤中水分及溶質(zhì)運移的影響是極為深刻的，進而影響到種子萌發(fā)、植物生長、作物產(chǎn)量以及地下水污染風險[7-8]，并且這種現(xiàn)象導致傳統(tǒng)的Darcy定律推算的水流遷移速度、遷移時間和遷移量均不可信[9]，因此優(yōu)先流現(xiàn)象及其影響下的水流及溶質(zhì)運移過程已成為國內(nèi)外學者普遍關注的熱點和焦點問題。

優(yōu)先流是水分和溶質(zhì)通過某些特定路徑快速移動的現(xiàn)象[10-11]，這些特定路徑就是優(yōu)先路徑。優(yōu)先路徑由于土壤水和溶質(zhì)的快速持續(xù)通過，導致優(yōu)先路徑與其周圍的土壤基質(zhì)在水-土相互作用方面存在差異，從而造成優(yōu)先路徑和土壤基質(zhì)中的物理、化學、生物特征的顯著區(qū)別。已有研究表明，優(yōu)先路徑在數(shù)十年的時間里可能是穩(wěn)定不變的[12-13]。C.J.Ritsema等[13]研究表明，在連續(xù)降雨條件下，優(yōu)先路徑在斥水性的砂質(zhì)土壤中重復出現(xiàn)在同一位置。他們認為在沒有人類活動干擾的條件下(未耕作的土壤或森林土壤)，優(yōu)先路徑可能永遠保持穩(wěn)定；C.Bogner等[12]研究表明，優(yōu)先路徑與土壤基質(zhì)相比，土壤碳、氮、鈣、鎂和鐵含量均相對較高。目前，有關優(yōu)先路徑下土壤特性的研究多聚集于土壤性質(zhì)對優(yōu)先流現(xiàn)象的影響方面，而有關優(yōu)先路徑下的土壤特性研究主要集中在土壤物理、化學和微生物碳等方面，但是微生物活性等方面的研究則鮮見報道。

煤炭資源開采在為國民經(jīng)濟發(fā)展提供能源和原料的同時，也對土地和環(huán)境造成了巨大破壞[14]。我國煤炭產(chǎn)量95%以上為井工開采，這種開采方式會使采空區(qū)上方地表產(chǎn)生大面積沉陷，從而對土壤性質(zhì)產(chǎn)生深刻的影響，導致土地喪失部分或全部生產(chǎn)力[15-16]。目前，有關采煤沉陷對土壤物理性質(zhì)、養(yǎng)分和微生物活性等方面的影響研究已有大量報道[17-19]，這些研究多從地表形態(tài)的改變?nèi)胧?，研究土壤特性分布的變異，缺乏?yōu)先流視角下的土壤特性分布研究。因此，本文通過野外采樣和室內(nèi)模擬試驗，基于染色示蹤技術，重點研究沉陷區(qū)林地優(yōu)先路徑下的土壤特性，為發(fā)展優(yōu)先流研究理論和礦區(qū)土地恢復奠定基礎。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究選取有代表性的焦作煤業(yè)集團韓王煤礦沉陷區(qū)作為研究區(qū)，以研究區(qū)內(nèi)林地土壤為研究對象。韓王煤礦(34°48′～35°30′N，112°32′～113°38′E)位于河南省焦作市馬村區(qū)，地處太行山南麓，區(qū)域地貌為山前沖洪積扇平原，為溫帶區(qū)大陸性季風氣候，春旱多風，夏熱多雨，秋高氣爽，冬寒少雪。研究區(qū)年平均氣溫14 ℃，年平均降雨量603～713 mm，年平均蒸發(fā)量2 039 mm，降水年內(nèi)分配極不均勻——7，8，9三個月降雨量占全年的70%。焦作市地貌類型多樣，主要由山區(qū)和平原兩大基本結構單元構成。該區(qū)域發(fā)育了潮土、褐土、石質(zhì)土、粗骨土、棕壤等土壤類型(按中國土壤分類系統(tǒng)分類)，其中褐土與潮土為該區(qū)域分布面積最大的2種土壤類型，是平原區(qū)最重要的耕作土壤[20]。研究區(qū)土壤類型為石灰性褐土，母質(zhì)是石灰?guī)r和第四系砂礫石[20]。

1.2 研究方法

1.2.1 樣品采集及預處理

在研究區(qū)內(nèi)選取典型沉陷坡面，將沉陷坡面自盆地邊緣向盆地底部劃分為上坡、中坡和下坡3個采樣區(qū)域。采樣點的布設見圖1。在上坡(Ⅰ)—中坡(Ⅱ)—下坡(Ⅲ)的位置處布設采樣點，利用環(huán)刀(容積為500 cm3)在5～15 cm土層內(nèi)采集原狀土壤，每個位置隨機采集6個，共計18個原狀土壤樣品。

采集的原狀土壤利用示蹤劑亮藍(brilliant blue)進行染色試驗，亮藍溶液具有無毒、溶解度高和不易被土壤物質(zhì)吸附的優(yōu)點[3]。配置質(zhì)量濃度為5 g/L的亮藍溶液，將100 mL亮藍溶液通過脈沖式輸入方法均勻灌入原狀土壤中。入滲過程中盡量避免土壤表面產(chǎn)生過多積水，整個溶液入滲過程平均持續(xù)60 min。入滲結束后覆塑料保鮮膜防止水分蒸發(fā)以及避免其他水分進入。待24 h后對土壤樣品進行切分、觀察、拍照，軟件提取染色面積等指標。試驗結束后，將一部分染色和未染色土樣分別研磨過2 mm尼龍網(wǎng)篩，裝入無菌塑料袋，置于4 ℃冰箱內(nèi)保存，以供土壤微生物數(shù)量分析；另一部分土樣于室內(nèi)自然風干、研磨和過1 mm篩，以供土壤物理、化學與酶活性指標分析。

圖1 研究區(qū)采樣點分布

1.2.2 測定方法

土壤含水量、pH、電導(EC)和有機質(zhì)含量的測定分別采用烘干法、pH計、電導率儀、重鉻酸鉀容量氧化-稀釋熱法[21-22]。土壤細菌和放線菌數(shù)量的測定均采用稀釋混合平板計數(shù)法，其培養(yǎng)基分別選用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基和高氏一號瓊脂培養(yǎng)基[23]。土壤脲酶、磷酸酶和過氧化氫酶活性的測定分別采用苯酚鈉比色法、磷酸苯二鈉比色法和高錳酸鉀滴定法[24]，其中脲酶活性以脲酶作用下37 ℃恒溫培養(yǎng)24 h后100 g土壤中NH3—N的毫克數(shù)表示，磷酸酶活性以磷酸酶作用下37 ℃恒溫培養(yǎng)2 h后100 g土壤中P2O5的毫克數(shù)表示，過氧化氫酶活性以過氧化氫酶作用下20 min后1 g土壤的0.02 mol/L KMnO4溶液的毫升數(shù)表示。

1.2.3 優(yōu)先路徑和土壤基質(zhì)的確定

將染色的區(qū)域稱為優(yōu)先流發(fā)生區(qū)，即為優(yōu)先路徑，而未被染色的區(qū)域稱為土壤基質(zhì)[25-26]。

1.2.4 數(shù)據(jù)分析

示蹤劑為質(zhì)量濃度5 g/L的亮藍溶液(C37H34N2Na2O9S3，摩爾質(zhì)量為792.9 g/mol)，由于染色劑中含有56%的碳，這會對染色區(qū)域土壤有機質(zhì)的測定產(chǎn)生影響，所以應根據(jù)試驗過程中添加的碳對土壤有機質(zhì)數(shù)據(jù)進行校正。本文優(yōu)先路徑下的土壤有機質(zhì)數(shù)據(jù)結果為校正后的數(shù)據(jù)。

優(yōu)先流剖面圖像由數(shù)碼相機拍攝完成，染色圖片經(jīng)Photoshop進行鏡頭校正、剪切，經(jīng)過自動對比度、顏色替換和灰度使染色區(qū)分為黑色或灰色，非染色區(qū)為白色。通過Image-Pro Plus對處理后的水平染色圖像進行黑白像素數(shù)量統(tǒng)計，依據(jù)像素值與實際面積比例計算出染色面積及其所占攝影剖面的面積比例。最大染色深度用刻度尺測量，取3次重復的平均值。均值比較(T-test)和方差分析(One-way ANOVA)采用SPSS 13.0進行。

4號煤層平均厚度14.5 m，上部及下部以半亮型煤為主，節(jié)理裂隙較發(fā)育，脆性強，中部以半暗型煤為主。煤層中夾有1層灰白色泥巖，井下鉆孔原位測試強度平均為21.08 MPa。5244運輸巷附近測點的最大水平主應力為16.53 MPa，垂直主應力為11.34 MPa，最小水平主應力為9.13 MPa。最大水平主應力方向為N19.8°W ，巷道布置方向為N63°E，與最佳角度之間的銳角為49.7°，受地應力的影響較大。

2 結 果

2.1 土壤染色特征

總染色面積定義為土壤剖面上被染色區(qū)域的總面積，單位為cm2，它用來描述剖面上有水分運動區(qū)域的總面積。均勻染色深度定義為剖面上染色均勻的區(qū)域深度，單位為cm。優(yōu)先流面積分數(shù)定義為優(yōu)先流面積與染色面積的比值，它可以定量描述優(yōu)先流的發(fā)生程度。

采煤沉陷區(qū)不同坡位土壤染色特征見圖2。由圖2可以看出，采煤沉陷區(qū)林地土壤總染色面積、均勻染色深度和優(yōu)先流面積分數(shù)在不同坡位上表現(xiàn)出一定的差異性。土壤總染色面積和均勻染色深度均以上坡為最大，表明上坡的土壤水流入滲的發(fā)生程度最高。土壤優(yōu)先流面積分數(shù)以中坡為最大，表明中坡土壤優(yōu)先流的發(fā)生程度最高。研究表明，地表沉陷對土壤優(yōu)先流特征產(chǎn)生了明顯的影響。

圖2 不同坡位土壤染色特征

2.2 優(yōu)先流現(xiàn)象下的土壤特性分布特征

2.2.1 土壤理化特性

采煤沉陷區(qū)林地不同沉陷坡位優(yōu)先路徑與土壤基質(zhì)的土壤理化特性見圖3。

由圖3可見，優(yōu)先路徑下的土壤風干土含水量、pH、EC、有機質(zhì)含量分別以上坡、中坡、上坡、上坡為最大，土壤基質(zhì)的風干土含水量、pH、EC、有機質(zhì)含量分別以上坡、中坡、中坡、上坡為最大。SPSS 13.0軟件的方差分析表明，上述指標在不同坡位之間無顯著性差異。與土壤基質(zhì)相比，所有坡位優(yōu)先路徑下的風干土含水量、pH、EC均相對較小；上坡、下坡優(yōu)先路徑下的有機質(zhì)含量相對較大，而中坡優(yōu)先路徑下的有機質(zhì)含量相對較小。SPSS 13.0軟件的均值比較分析表明，中坡、下坡土壤電導在優(yōu)先路徑與土壤基質(zhì)之間具有顯著性差異(p<0.05)。研究表明，優(yōu)先流現(xiàn)象下土壤理化指標的分布在空間上存在明顯差異。

圖3 優(yōu)先路徑和土壤基質(zhì)的土壤理化特性

2.2.2 土壤微生物數(shù)量特性

采煤沉陷區(qū)林地不同沉陷坡位優(yōu)先路徑與土壤基質(zhì)的土壤微生物數(shù)量見圖4。

由圖4可見，優(yōu)先路徑下的土壤細菌數(shù)量、放線菌數(shù)量分別以下坡、上坡為最大；土壤基質(zhì)的細菌數(shù)量、放線菌數(shù)量均以上坡為最大。SPSS 13.0軟件的方差分析表明，優(yōu)先路徑下的土壤放線菌數(shù)量在上坡與中坡、上坡與下坡之間存在顯著性差異；土壤基質(zhì)的放線菌數(shù)量在上坡與中坡、上坡與下坡之間存在顯著性差異(p<0.05)。與土壤基質(zhì)相比，上坡優(yōu)先路徑下的細菌數(shù)量相對較小，而中坡和下坡優(yōu)先路徑下的細菌數(shù)量相對較大；上坡和下坡優(yōu)先路徑下的放線菌數(shù)量相對較大，而中坡優(yōu)先路徑下的放線菌數(shù)量相對較小。SPSS 13.0軟件的均值比較分析表明，中坡土壤細菌數(shù)量、下坡土壤放線菌數(shù)量在優(yōu)先路徑與土壤基質(zhì)之間具有顯著性差異(p<0.05)。研究表明，優(yōu)先流現(xiàn)象下土壤微生物數(shù)量的分布在空間上存在明顯差異。

2.2.3 土壤酶活性

由圖5可見，優(yōu)先路徑下的土壤脲酶活性、磷酸酶活性、過氧化氫酶活性分別以上坡、下坡和中坡為最大；土壤基質(zhì)的脲酶活性、磷酸酶活性、過氧化氫酶活性分別以下坡、中坡和中坡為最大。SPSS 13.0軟件的方差分析表明，優(yōu)先路徑下的土壤磷酸酶活性在中坡和下坡之間存在顯著性差異(p<0.05)。與土壤基質(zhì)相比，所有坡位優(yōu)先路徑下的過氧化氫酶活性均相對較??；上坡和下坡優(yōu)先路徑下的磷酸酶活性相對較大，而中坡優(yōu)先路徑下的磷酸酶活性相對較小；上坡和中坡優(yōu)先路徑下的脲酶活性相對較大，而下坡優(yōu)先路徑下的脲酶活性相對較小。SPSS 13.0軟件的均值比較分析表明，上坡土壤脲酶活性在優(yōu)先路徑與土壤基質(zhì)之間具有顯著性差異(p<0.05)。研究表明，優(yōu)先流現(xiàn)象下土壤酶活性的分布在空間上存在明顯差異。

圖4 優(yōu)先路徑和土壤基質(zhì)的土壤微生物數(shù)量

圖5 優(yōu)先路徑和土壤基質(zhì)的土壤酶活性

3 討 論

臧蔭桐等[27]對毛烏素沙地南緣補連塔礦區(qū)沉陷地土壤水分入滲過程中的濕潤鋒和入滲速率進行了研究，結果表明沉陷區(qū)丘間低地入滲以垂直入滲偏強為特征，而坡面入滲以側滲偏強為特征。何金軍等[28]通過對神府-東勝礦區(qū)沉陷地研究指出，采煤沉陷對黃土丘陵區(qū)土壤含水量影響最大，降雨后不同坡位土壤含水量以坡底最大，坡頂最小。張發(fā)旺等[15]、魏江生等[29]研究指出，采煤沉陷地土壤中發(fā)育的垂向裂隙，增加了土壤水的蒸發(fā)面積和蒸發(fā)強度，使土壤持水能力減弱。上述研究指明，煤炭開采形成的沉陷坡地對土壤水分的入滲、蒸發(fā)和分布等方面產(chǎn)生了影響，而本研究從優(yōu)先流的視角進一步闡明土壤水分在空間上的流失特征。本研究得出，土壤總染色面積和均勻染色深度均以上坡為最大，土壤優(yōu)先流面積分數(shù)以中坡為最大。研究表明沉陷區(qū)土壤具有明顯的優(yōu)先流現(xiàn)象，中坡的水分優(yōu)先遷移程度最大，意味著該坡位處水分的損失強度可能最大。

本研究表明，沉陷區(qū)林地土壤優(yōu)先流面積分數(shù)為28.27% ± 18.37%，變異系數(shù)為64.99%(>35%)；沉陷區(qū)優(yōu)先路徑下的土壤有機質(zhì)含量、放線菌數(shù)量、脲酶活性、磷酸酶活性和過氧化氫酶活性分別為(12.73 ± 8.51)g/kg，(32.94 ±24.80)×104cfu/g，(11.41 ±7.06)mg/100g，(24.17 ±10.06)mg/100 g和(0.84 ±0.38)mL/g，變異系數(shù)分別為66.86%，75.29%，61.90%，41.64%和45.95%，并且優(yōu)先路徑下的放線菌數(shù)量和磷酸酶活性在不同坡位之間存在顯著性差異。已有研究表明，優(yōu)先流現(xiàn)象會受到土壤質(zhì)地、生物因素、降雨/灌溉強度和管理模式等因素的影響[9]，而本研究進一步得出，優(yōu)先流現(xiàn)象也會受到地形因素(沉陷坡地)的顯著影響。

已有研究表明，優(yōu)先流現(xiàn)象對土壤特性的分布特征顯著影響。C.Bogner等[12]研究發(fā)現(xiàn)，與土壤基質(zhì)相比，優(yōu)先路徑下的土壤碳多了5.0 g/kg，氮質(zhì)量分數(shù)多了0.24 g/kg，碳氮比值增加了2，pH減小了0.16，鈣質(zhì)量分數(shù)增加了32%，鎂質(zhì)量分數(shù)增加了57%，鐵質(zhì)量分數(shù)增加了67%。B.W.Stewart[2]研究發(fā)現(xiàn)，與土壤基質(zhì)相比，優(yōu)先路徑下的土壤含水量和大團聚體數(shù)量相對較高，而土壤密度(容重)和小團聚體數(shù)量相對較低。M.Bundt等[30]研究發(fā)現(xiàn)，在森林土壤中，優(yōu)先路徑下的土壤陽離子交換量、鹽基飽和度、有機碳和有機氮含量均相對較高。本研究結果支持 “土壤特性分布會受到優(yōu)先流現(xiàn)象的影響”這一結論。與土壤基質(zhì)相比，優(yōu)先路徑下的上坡土壤脲酶活性增大了8.66 mg/100 g，中坡和下坡電導分別降低了27%和12%，中坡細菌數(shù)量增大了86%，下坡放線菌數(shù)量增大了70%。

V.L.Morales等[8]、牛健植等[31]研究指出，優(yōu)先路徑是土壤生物活動的“熱點”。這是因為優(yōu)先流現(xiàn)象下土壤水和溶質(zhì)的非均勻流動，使優(yōu)先路徑和土壤基質(zhì)在氧氣、濕度和營養(yǎng)物質(zhì)等環(huán)境因素的獲取程度方面存在明顯的差異，造成優(yōu)先路徑下土壤微生物活性相對較高。本研究發(fā)現(xiàn)，盡管土壤有機質(zhì)含量在優(yōu)先路徑和土壤基質(zhì)之間并未表現(xiàn)出顯著差異性，但是優(yōu)先路徑下土壤放線菌數(shù)量和脲酶活性均顯著高于土壤基質(zhì)。造成這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因可能是：(1)本研究是在“心土尺度”上進行優(yōu)先流特征的研究[31]，土壤有機質(zhì)含量在兩者之間的差異性可能由于尺度原因未能表現(xiàn)出來；(2)土壤放線菌數(shù)量和脲酶活性更能敏感地反映土壤環(huán)境質(zhì)量的變化。

4 結 論

(1)采煤沉陷區(qū)林地不同沉陷坡位土壤均具有明顯的優(yōu)先流現(xiàn)象，且以中坡土壤優(yōu)先流的發(fā)生程度為最高。

(2)沉陷區(qū)優(yōu)先路徑下的土壤放線菌數(shù)量在上坡與中坡、上坡與下坡之間及土壤磷酸酶活性在中坡和下坡之間存在顯著性差異(p<0.05)。

(3)與土壤基質(zhì)相比，優(yōu)先路徑下的上坡土壤脲酶活性高了8.66 mg/100 g，中坡細菌數(shù)量增大了86%，下坡放線菌數(shù)量增大了70%，中坡和下坡電導分別降低了27%和12%。

(4)上述特征反映了沉陷區(qū)優(yōu)先流現(xiàn)象對土壤特性的分布特征造成了強烈影響。