高潛水位礦區(qū)地表拉張裂隙區(qū)土壤特征研究

范廷玉 鐘建 王順

摘 要：為探討高潛水位采煤拉張裂隙區(qū)土壤中元素遷移特征，選擇淮北礦區(qū)朱莊礦3522工作面地表拉張裂隙區(qū)為研究對象，按地勢坡度從高到低劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區(qū)，在裂隙兩側(cè)間隔50cm布設(shè)21個觀測點(diǎn)，每個觀測點(diǎn)自上而下每20cm取樣，共計(jì)105個樣品，分析含水率、pH、有機(jī)質(zhì)（SOM）、有效磷（AP）和速效鉀（AK）等指標(biāo)。結(jié)果表明：拉張裂隙區(qū)土壤剖面含水率隨深度增大;SOM在Ⅱ區(qū)臺階0～40cm地表聚集。AP在垂向剖面上分布無顯著差異，在水平方向上在Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)顯著積累;裂隙對0～20cm AK影響顯著，土壤整體肥力屬于瘦瘠到一般水平，斜坡水土流失與裂隙的隔斷攔截作用，導(dǎo)致SOM在臺階區(qū)積累，AP在低區(qū)積累，AK在高區(qū)積累。

關(guān)鍵詞：高潛水位;地表拉張裂隙;土壤特征

Abstract：In order to explore the characteristics of element migration in the soil of tension fracture area in high phreatic water level coal mining， the surface tension fracture area of 3522 working face in Zhuzhuang Mine of Huaibei mining area was selected as the research object. According to the terrain slope， it was divided into zone I， zone II and zone III. 21 observation points were set at 50 cm intervals on both sides of the fracture， and 105 samples were taken from each observation point every 20 cm from top to bottom. Organic matter （SOM）， available phosphorus （AP）， available potassium （AK）and other indicators were monitored. The results were showed as following：the water content of soil profile increased with the depth in the tension fracture area， and SOM accumulated on the 0～40cm surface of the step in area II. There was no significant difference in the vertical distribution of AP， but AP accumulated significantly in area II and Area III in the horizontal direction. The surface tension cracks had a significant effect to the AK concentration of 0～20cm soil depth， while the soil fertility belonged to the general level. The partition and interception of slope soil erosion and fissures lead to the accumulation of SOM in the bench area， AP in the low area and AK in the high area.

Key words：High phreatic water level; surface tension fractures; soil characteristics

煤炭是我國的主要能源，2018年我國能源生產(chǎn)結(jié)構(gòu)中，原煤占比68.3%，能源消耗結(jié)構(gòu)中煤炭占57.7%。井工開采是主要的采煤方式，導(dǎo)致地表塌陷并產(chǎn)生地表拉張裂隙[1-2]。根據(jù)采煤工作面生產(chǎn)與對應(yīng)地表拉張裂隙發(fā)育情況，可將地表拉張裂隙分為橫向裂隙（與切眼平行）與縱向裂隙（與風(fēng)巷、機(jī)巷平行），橫向裂隙位于沉陷盆地底部，沿采煤推進(jìn)方向不斷拉張與閉合，規(guī)模小且淺;縱向裂隙則分布在沉陷盆地區(qū)，形成后不斷拉張，規(guī)模相對大且深。地表沉陷裂隙導(dǎo)致了沉陷區(qū)土壤呈現(xiàn)高度空間異質(zhì)性[3-4]，水土流失[5]、優(yōu)先流[6-8]、微地形改造[9]中粘粒、粉粒等易隨著地表徑流遷移，眾多學(xué)者圍繞土壤質(zhì)量改變與植被群落結(jié)構(gòu)退化[10]，圍繞微生物群落多樣性[11-12]、酶活性[13]等恢復(fù)土壤活性進(jìn)行了研究，但目前針對沉陷區(qū)土壤性質(zhì)研究并未區(qū)分拉張裂隙類型，進(jìn)行土壤水分、營養(yǎng)元素的精細(xì)化空間分布研究。論文以淮北礦業(yè)集團(tuán)朱莊煤礦縱向拉張裂隙為研究區(qū)域，討論該區(qū)域土壤營養(yǎng)元素分布特征，為沉陷區(qū)土壤環(huán)境保護(hù)與土地質(zhì)量提升提供理論依據(jù)，對于提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)量具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 材料與方法

1.1 區(qū)域概況

淮北礦區(qū)位于安徽省北部，總面積4 650km2[14]，采煤沉陷地面積約272km2[15]，約占總面積5.9%。研究區(qū)位于淮北市杜集區(qū)朱莊礦3522工作面的地表沉陷區(qū)，位于人民中路北側(cè)，東臨岱河，地理坐標(biāo)為116°51′02″～116°51′09″E、33°57′20″～33°57′25″N，3522工作面長150m，寬130m。研究區(qū)屬于暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候，年均降水量823.4mm，年極端最大降水量1 441.4mm。沉陷土壤類型主要為半水成土綱的潮土與砂姜黑土，土地利用類型為林地，潛水位埋深在1～3m。

1.2 點(diǎn)位布設(shè)與樣品采集

選取平行于3522工作面風(fēng)巷的兩條縱向拉張裂隙（C1、C2）作為研究對象，C1、C2中間為沉陷臺階，東西走向長約70m，裂隙寬度2cm～15cm，北高南低，坡度約2°～3°（見圖1）。從高（北）到低（南）布設(shè)一條長25m采樣線，以裂隙為界從平面上將沉陷斜坡分為Ⅰ（高）、Ⅱ（中）、Ⅲ（低）區(qū)。在裂隙兩側(cè)每隔0.5m布設(shè)一個采樣點(diǎn)，共21個點(diǎn)位。每個點(diǎn)位以20cm為間隔使用土壤分層采樣器采集天然土壤樣品，采至1m深，共105個樣品。采樣時(shí)間為2019年4月6日，采集的土樣去除石礫和動植物殘?bào)w后混勻裝入寫好標(biāo)簽的密封袋帶回實(shí)驗(yàn)室。

1.3 樣品前處理與測試

將帶回新鮮土樣，部分測定土壤含水率。剩余用無菌手套捏碎混勻，去除雜草和石礫等。均勻的鋪在干凈的紙上，于室內(nèi)自然風(fēng)干，采用四分法用研缽研磨，分別過10目、20目和60目篩，裝入聚乙烯塑料袋保存。按照文獻(xiàn)[16]分別測定土壤pH、有機(jī)質(zhì)、有效磷、速效鉀等指標(biāo)。其中pH測定取10目土樣8g于離心管中，采用液土比2.5混合振蕩靜置30min后測定上清液pH值，采用重鉻酸鉀加熱法測定有機(jī)質(zhì)，采用鉬銻抗比色法測定有效磷，采用四苯硼鈉比色法測定速效鉀。測試過程中，每批樣品設(shè)置兩個空白試驗(yàn)，兩個測定結(jié)果的相對偏差小于等于50%。每20個樣品測定10%的平行雙樣，兩個測定結(jié)果的相對偏差小于等于10%，校準(zhǔn)曲線的相關(guān)系數(shù)均大于0.999。

1.4 評價(jià)方法

土壤肥力系數(shù)采用修正的內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法[17]評價(jià)，土壤各屬性分級指標(biāo)（見表1）參照第二次全國土壤普查分級標(biāo)準(zhǔn)和《土壤分析技術(shù)規(guī)范》[18]，綜合考慮研究區(qū)土壤各指標(biāo)值范圍確定。

采用標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算公式消除各參數(shù)之間的量綱差異，將計(jì)算得出的肥力系數(shù)與肥力分級標(biāo)準(zhǔn)對比可知肥力情況，肥力分級標(biāo)準(zhǔn)：P≥2.7，很肥沃;1.80≤P<2.70，肥沃;0.90≤P<1.80，一般;P<0.90，瘦瘠。

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤理化性質(zhì)分布特征

如圖2（a）～（b）所示，土壤含水率隨著土層深度增加，沿著地勢降低，距離裂隙的50～100cm范圍內(nèi)的0～20cm土層含水率最低。Ⅰ區(qū)、 Ⅱ區(qū)、 Ⅲ區(qū)的含水率逐級下降（見圖2（c）～（d）），均值分別為13.73%、11.4%、8.53%，最小值均在表層土壤，分別為5%、5%、4%，Ⅰ-Ⅱ區(qū)、Ⅱ-Ⅲ區(qū)含水率分別下降18%、25%。pH值8.21～9.04，均值8.66，不同深度的pH值變化規(guī)律相似，且裂隙兩側(cè)50cm范圍的pH值最大，伴隨到裂隙距離增加緩慢降低。土壤粘粒含量（見表2）隨著深度增加而增大，Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)的粘粒含量均值分別為5.42%、3.41%和3.03%。

淺層土（0～40cm）中有機(jī)質(zhì)在Ⅱ區(qū)累積， 有效磷含量在水平分布上（見圖3）呈現(xiàn)顯著差異， Ⅰ區(qū)含量顯著低于Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)。 在0～40cm， Ⅱ區(qū)大于Ⅲ區(qū);在40～100cm，Ⅱ區(qū)小于Ⅲ區(qū)。有效磷含量在距裂隙50cm處（見圖4）Ⅲ區(qū)表層土中的最高，達(dá)5.35mg·kg-1，隨距裂隙長度增加，Ⅰ區(qū)、Ⅲ區(qū)有效磷均呈現(xiàn)先下降再增加的趨勢。速效鉀含量11.82～222.51mg·kg-1，均值86.41mg·kg-1。在水平分布上呈現(xiàn)與有效磷相反的趨勢，在0～40cm土層，Ⅱ區(qū)含量最高，Ⅲ區(qū)含量最低;40～100cm土層，最高的為Ⅰ區(qū)，Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)差異并不顯著。

降雨期間的優(yōu)先流與非降雨期間的裂隙增加土壤蒸發(fā)，均導(dǎo)致表層土壤含水率不同程度下降[14-20]，其中以0～20cm表層土蒸散發(fā)量最高，距離裂隙較近位置的土壤含水率會明顯小于較遠(yuǎn)處的土壤，影響范圍在50～100cm左右，有研究表明在室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)中得出裂隙影響范圍為距裂隙距離45cm[21]，Ⅲ區(qū)更加接近沉陷盆底，裂隙更加密集，土壤持水能力下降幅度最大。

土壤鹽分和可溶性養(yǎng)分與水分運(yùn)移規(guī)律一致，拉張裂隙區(qū)土壤含水率的下降導(dǎo)致其他水溶性指標(biāo)分布的差異性，如pH值上升、有效磷隨著地勢降低升高等。沉陷裂隙的阻截作用[22]、縱向拉張裂隙區(qū)中水土流失與裂隙優(yōu)先流[23-24]并存，造成土壤有機(jī)質(zhì)、有效磷和速效鉀空間分布差異性。土壤中有機(jī)物的主要載體為粘粒[25]，在降雨等外力作用下會隨地表徑流遷移[26]，向裂隙處聚集、隨裂隙優(yōu)先流向下遷移[27-28]。土壤表層的磷和鉀等元素具有向底土層轉(zhuǎn)移和聚集的趨勢[29]。

淮北礦區(qū)屬于典型的高潛水礦區(qū)，土壤含水量與潛水位之間關(guān)系緊密。有研究表明淮北平原土壤含水率變化除受氣象、人類活動因素影響外，潛水埋深影響也十分顯著[30]。豐水期潛水位大概在1m左右，對深層土壤（60～100cm）中的土壤水分產(chǎn)生較大影響，土壤粘粒、養(yǎng)分等可以伴隨高潛水位向下遷移，潛水位隨著季節(jié)波動，也會導(dǎo)致深層土壤各指標(biāo)變化的復(fù)雜性。

2.2 土壤肥力綜合評價(jià)

由表3可知，Ⅰ區(qū)土壤 pH 系數(shù)為2.74，屬很肥沃水平，Ⅱ和Ⅲ土壤pH< 2.70，屬于肥沃水平。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區(qū)速效鉀肥力系數(shù)分別為1.47～1.75，屬于一般到肥沃水平。有機(jī)質(zhì)和有效磷的肥力系數(shù)分別為0.19～0.25和0.28～0.71，屬于瘦瘠水平，有機(jī)質(zhì)、磷養(yǎng)分是肥力較低的限制因子。整體而言，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ裂隙土壤肥力綜合系數(shù)介于0.89～0.94，屬于瘦瘠到一般水平。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區(qū)土壤綜合肥力系數(shù)隨土壤深度的變化如圖5所示，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區(qū)土壤綜合肥力系數(shù)最大值均在0～20cm的表層土，在0～40cm的土層土壤肥力系數(shù)Ⅱ區(qū)>Ⅰ區(qū)>Ⅲ區(qū)，在40～100cm土層土壤肥力系數(shù)為Ⅲ區(qū)>I區(qū)> Ⅱ區(qū)，0～40cm和40～100cm土壤肥力呈相反趨勢。

將肥力系數(shù)和各指標(biāo)做相關(guān)性分析，如表4所示，土壤肥力系數(shù)與土壤的pH無顯著相關(guān)，但是與有機(jī)質(zhì)、有效磷及速效鉀均極顯著相關(guān)，其相關(guān)系數(shù)分別為0.661、0.501、0.84。

土壤養(yǎng)分流失主要分為伴隨徑流流失和伴隨泥沙流失兩種形式，其中有機(jī)質(zhì)和N主要通過徑流流失，而P和K則主要伴隨泥沙流失[31]，該結(jié)論與本研究中P隨深度增加流失量不顯著的現(xiàn)象正好相反，這可能是因?yàn)樵撗芯繀^(qū)域土壤P嚴(yán)重缺乏而K含量較高所致[32]。其中K主要富集在0.01～0.05mm粒徑中，隨徑流遷移以粘粒居多[33]。I和Ⅱ區(qū)土壤綜合肥力系數(shù)大致隨裂隙距離的增加而增加，這可能是由于裂隙的產(chǎn)生，增加了土壤與空氣的接觸面積，使得水土流失現(xiàn)象加劇，致使肥力損失;而Ⅲ區(qū)隨著距采動地裂隙距離的增加，土壤肥力綜合系數(shù)大致呈下降趨勢，這可能與當(dāng)?shù)氐牡匦蔚貏萦嘘P(guān)，I區(qū)地勢較高，Ⅱ區(qū)位于中間較平坦，Ⅲ區(qū)地勢較低，土壤肥力綜合系數(shù)大致隨地勢的降低而減小。

2.3 裂隙區(qū)土壤營養(yǎng)元素遷移特征

井工采煤作業(yè)過程導(dǎo)致地表沉陷，水土流失是營養(yǎng)元素遷移的首要驅(qū)動力，降雨過程中大雨強(qiáng)下的徑流泥沙攜帶、小雨強(qiáng)下的徑流水?dāng)y帶以及超滲產(chǎn)流[34]，可礦化泥沙結(jié)合態(tài)的養(yǎng)分、可溶性溶解態(tài)養(yǎng)分[35-36]均會伴隨徑流遷移，沉陷邊界頂部與底部土壤有機(jī)質(zhì)含量比中部明顯下降，有機(jī)質(zhì)在沉陷臺階處聚集;磷具有很強(qiáng)的吸附性[37]，淋失量小，短歷暴雨事件產(chǎn)生的侵蝕泥沙是磷流失的主要載體[38-39] ，約60%磷流失是通過泥沙攜帶遷移，在沉陷斜坡上，有效磷在沉陷盆底聚集;速效鉀易溶于水，當(dāng)斜坡降雨強(qiáng)度小于土壤的入滲能力時(shí)，部分速效鉀會溶于水并全部入滲深層土壤;當(dāng)降雨強(qiáng)度大于入滲能力時(shí)，會產(chǎn)生徑流，速效鉀隨著徑流流失，研究區(qū)的高潛水位對沉陷盆底土壤影響更大，速效鉀隨著潛水向下遷移，導(dǎo)致速效鉀的含量在沉陷斜坡頂部最高。結(jié)合土壤性質(zhì)分析和肥力評價(jià)，伴隨降雨的水土流失、裂隙攔截、高潛水位三者共同作用導(dǎo)致了縱向裂隙區(qū)的養(yǎng)分空間分布差異性，營養(yǎng)元素的遷移特征如圖6所示。

3 結(jié)論

（1）在高潛水位采煤拉張裂隙區(qū)土壤含水率、pH、有機(jī)質(zhì)、有效磷和速效鉀進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在沉陷坡度和裂隙的共同作用下，垂直方向上含水率會隨著地勢的降低而降低，隨著土層厚度增加而增大?？傮w上Ⅲ區(qū)含水率較Ⅱ區(qū)下降25%，Ⅱ區(qū)較Ⅰ區(qū)下降18%，水平方向上在裂隙附近的土壤含水率明顯低于距離裂隙較遠(yuǎn)處的含水率，裂隙影響范圍在100cm左右。

（2）在縱向拉張裂隙區(qū)，土壤的pH無顯著差異，有機(jī)質(zhì)在地勢較平坦的Ⅱ區(qū)0～40cm地表聚集，在地勢較高的地方，有機(jī)質(zhì)含量隨著距裂隙距離成正比，在地勢較低處則相反。土壤有效磷在地勢較低處聚集，在地表土距離裂隙不同位置的變化和有機(jī)質(zhì)有相同的規(guī)律。土壤速效鉀在高區(qū)聚集，且在地表0～20cm處含量較高。

（3）通過修正的內(nèi)梅羅指數(shù)法分析，該研究區(qū)土壤整體肥力偏低，屬于瘦瘠到一般水平，有機(jī)質(zhì)是肥力較低的主要限制因子。

（4）高潛水位、水土流失和裂隙攔截作用共同導(dǎo)致了局部營養(yǎng)元素的空間分布差異性，在對沉陷區(qū)土壤提質(zhì)增效時(shí)需在不同區(qū)域采取差異性措施，也為沉陷區(qū)土壤環(huán)境保護(hù)提供了理論參考。

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（責(zé)任編輯：李 麗）