西南喀斯特地貌區(qū)采煤沉陷對稻田的影響研究

成六三

(重慶工程職業(yè)技術學院,重慶 江津 402260)

煤炭資源的開采對區(qū)域的社會經濟發(fā)展做了突出貢獻,但隨著社會經濟發(fā)展水平和模式的改變,開采完煤炭資源引起的環(huán)境地質問題已引起了全社會的關注[1-2],其中土地資源的損毀強度和規(guī)模尤為突出,據(jù)不完全統(tǒng)計,在過去50多年時間里,采煤造成土地資源損毀面積達上百萬公頃[3],已嚴重影響區(qū)域糧食生產能力,因此,開展采煤沉陷區(qū)土地復墾研究成為政府和學者關注的熱點之一[4]。

采煤沉陷區(qū)土地損毀的方式和特征受區(qū)域的地貌地形、地質條件以及土壤性質等方面綜合決定的,在西北黃土高原區(qū)、南方的平原區(qū)、東北黑土區(qū)以及中原的平原區(qū)等的土地復墾技術和模式都存在較大的差異[5-9]。而在西南喀斯特地貌區(qū)由于地形的復雜性,導致采煤沉陷區(qū)土地損害模式更加復雜[10],加之喀斯特地貌的稻田土壤形成條件和水源生產力要素多以區(qū)域地質條件為基礎,形成的喀斯特地貌的不同海拔高度的洼地、谷地以及泉水[11]。在采煤沉陷期間,其地表稻田土壤層和稻田灌溉水源的地質基礎條件發(fā)生變化,必將導致稻田土壤剖面層結構和灌溉水源泉水賦存介質的改變,最終嚴重影響到稻田水文過程的變化,造成稻田轉變?yōu)楹档氐耐恋赝嘶Ｊ胶退Y源短缺問題[12]。針對以上土地復墾問題,一些學者對西南采煤沉陷區(qū)對土地損毀特點、農田土壤物質性質、土壤入滲、稻田生產能力以及復墾模式等方面進行研究探討,對這一地區(qū)采煤沉陷區(qū)土地復墾工作起到了積極的意義。但這些研究都弱化了一個重要水文要素的完整過程變化[13],因為水稻一個生長過程會影響到稻田水文變化,更影響著稻田復墾旱地或水田的方向,使稻田水文效應研究基本上處于破碎化和不夠系統(tǒng)化。因此,本文將以水稻的一個生長期內,對比分析稻田的水文過程變化及其影響因素分析,來闡述喀斯特地貌區(qū)采煤沉陷對稻田的水文效應變化,旨意為這一地區(qū)水田復墾提供理論與實踐指導意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為重慶市東南部的松藻煤電集團下礦區(qū)(E 106°45′～E 106°51′,N 28°38′～N 28°46′),面積為235.5 km2,井下煤炭資源設計開采量為1.08×107t/a,已開采50多年,對地方社會經濟發(fā)展作出了巨大貢獻。研究區(qū)屬于典型的西南山地喀斯特地貌區(qū),在開采煤層頂板以上主要為嘉陵江組和長興組的灰?guī)r,開采煤層底板以下主要為茅口組灰?guī)r,這頂?shù)装宓貙訋r溶非常發(fā)育,在地表有形成的典型巖溶洼地、石牙、峰叢、谷地以及溶蝕槽壩地等,地形為中低山、剝蝕、侵蝕切割地形,稻田主要分布在河谷階地、平壩、溶蝕溶蝕槽壩內以及少量巖溶洼地,稻田土壤類型為典型的紫色水稻土、紫色土以及黃壤、潮土等,耕作層厚度差異較大,約為15～100 cm。年均降雨量1 241 mm,年均蒸發(fā)量1 024 mm,年均氣溫15℃,屬于亞熱帶濕潤氣候。研究區(qū)地表分布上千泉眼,溪河縱橫,流量大小不一,水資源較為豐裕,為稻田灌溉和人畜飲水的重要水源。地下水多以潛水、巖溶和層間裂隙水為主。

井工開采50多年來,已形成大面積沉陷區(qū),據(jù)2012年相關統(tǒng)計,礦區(qū)地表水和地下水不同程度受損面積達100 km2,10條以上溪河漏水斷流,地下水水位最大降幅超過400 m,地表灌溉溝渠12 000多m不同程度下沉損壞,導致采煤沉陷區(qū)4 000 hm2稻田轉變?yōu)楹档鼗蛄袒?給當?shù)氐霓r業(yè)生產和人畜飲水造成嚴重影響,非常不利于礦區(qū)的社會經濟生態(tài)的協(xié)調發(fā)展[14]。

1.2 試驗設計

為探索研究采煤沉陷對稻田的水文效應及其影響因素分析,采用現(xiàn)場原位觀測,將采煤沉陷未損壞的稻田設置1組為對比(自采煤沉陷以來稻田未出現(xiàn)任何影響)且3個重復分別為1-1,1-2,1-3,將采煤沉陷區(qū)損壞稻田設置2組(20年前采煤沉陷,稻田出現(xiàn)漏水,無法蓄水,但現(xiàn)已經完成沉降,屬于穩(wěn)定沉陷區(qū)),每組有3個重復分別為2-1,2-2,2-3,其基本屬性如表1所示。2018年進行大田種植試驗,在水稻生長期內測試了稻田土壤物理性質、田間土壤入滲系數(shù)、灌溉水量、每次灌溉下田間下滲時間、降雨量、蒸發(fā)量以及水稻根系生物量、秸稈生物量和產量等指標。

表1 采煤沉陷區(qū)稻田基本屬性

1.3 研究方法

1.3.1 稻田土壤樣品采集與物理指標測定

2018年12月對1-1,1-2,1-3,2-1,2-2,2-3稻田進行了土壤采樣。由于正常稻田土壤厚度較大,非正常稻田土壤厚度普遍較薄,因此,稻田土壤取樣分為兩層,即0～15 cm、15～30 cm,采樣方法采用“S”形布點,每個點位每層均采取 2～3個土樣,充分混合后,“四分法”取 1 個樣品,將采集的土樣帶回實驗室,風干、分選、去雜,再分別過 0.25 和 1 mm 土壤篩備用。室內測量采集土壤樣本的容重、含水率及機械組成等物理性質。稻田土壤樣品的物理性質測定包括土壤容重、總孔隙度、含水率(質量含水率)和土壤機械組成。其中,土壤容重、總孔隙度和含水率的測定采用環(huán)刀烘干法;土壤機械組成的測定采用比重計法,但由于表土受人類活動影響較大,所以僅測定15～30 cm的土壤機械組成。

1.3.2 稻田犁底層土壤入滲率測定

2018年12月對1-1,1-2,1-3,2-1,2-2,2-3稻田進行了土壤入滲率測定試驗。采用了野外測定包氣帶非飽和松散巖層滲透系數(shù)常用的雙環(huán)法試驗法。6塊水稻田選取5個點做入滲點,共30個測試點,正常與非正常稻田各15個。土壤滲水試驗的原理是在一定的水文地質邊界以內,向地表松散巖層進行注水,使?jié)B入的水量達到穩(wěn)定,即單位時間的滲入水量近似相等時,再利用達西定律的原理求出滲透系數(shù)(K,m/d)值,具體的計算公式如下[15]:

(1)

(2)

式中:Q為穩(wěn)定滲流量,m3/d; W為滲坑內環(huán)的滲水面積,m2;Q與W比值為V,即滲透速度,m/d;I為水力梯度(沿滲透路徑水頭損失與滲透路徑長度的比值);Hk為水向干土中滲透時,所產生的毛細壓力,以水柱高表示,m,可根據(jù)不同巖性確定;Z為滲坑內環(huán)水層厚度,m;L為在試驗時間段內,水由試坑底向土層中滲透的深度,m。

試坑為圓形(底面積 0.3～0.5 m2),高 30～50 cm,按雙環(huán)法滲水試驗原理安裝好試驗裝置,控制流量連續(xù)均衡的注水于內、外鐵環(huán)內,并保持內外環(huán)的水柱都保持在同一高度,按一定的時間間隔觀測滲入水量。開始時因滲入量大,每隔 2 min 觀測 1 次,稍后每隔 10 min觀測 1 次,直至單位時間滲入水量達到相對穩(wěn)定,再延續(xù) 2～4 h 結束試驗。滲透系數(shù)根據(jù)穩(wěn)滲后單位時間內滲入坑底的水量推算。

1.3.3 其他指標測定方法

2018年3-10月,灌溉水量用水量計進行測量;每次灌溉下田間下滲時間采用秒表進行觀測;降雨量是用雨量計測定;蒸發(fā)量以直徑為20 cm的蒸發(fā)皿測定;8月對水稻根系生物量進行了測定;11月對稻田的秸稈生物量和產量進行烘干測定。

2 結果與分析

2.1 稻田土壤剖面物理特性

由表2分析,從土壤容重來看,經采煤沉陷穩(wěn)定后,正常與非正常稻田土壤容重都隨土層深度(0～30 cm)增加略有增加,這是由于稻田土壤剖面經耕作淋溶、積淀等過程形成的,但在同一深度時,正常稻田土壤容重稍低于非正常稻田土壤容重,且隨土層深度增加,這一趨勢較明顯。這是由于采煤沉陷導致土壤剖面產生不同程度的微裂隙[16],加速土壤上層黏粒淋溶所造成,但在稻田耕作層(0～30 cm)內,總體上采煤沉陷未對稻田土壤容重產生影響;對土壤含水率而言,正常稻田土壤含水率普遍比非正常稻田土壤含水率高,且隨土壤深度增加略有增高的趨勢,雖然影響土壤含水量的因素較多,但主要可能是由于采煤沉陷后土壤層產生的微裂隙的原因;正常稻田土壤孔隙度在土壤剖面層次比非正常稻田土壤孔隙度略高的規(guī)律,其形成規(guī)律與土壤容重基本一致。

表2 稻田土壤物理特性

由于稻田表土層(0～15 cm)受人為耕作活動的影響較大,未進行土壤機械組成分析。在稻田土壤剖面15～30 cm深度,正常與非正常稻田土壤機械組成的比例大致一致,黏粒含量占比最多,砂礫含量占比最少;但非正常稻田黏粒含量普遍比正常稻田黏粒含量略高3%左右。這可能由于采煤沉陷導致局部稻田土壤層微裂隙較大,黏粒隨土壤水淋溶而下沉,但整體上對比正常與非正常稻田土壤機械組成變化來看,采煤沉陷對稻田土壤機械組成的影響甚微。

2.2 稻田犁底層入滲參數(shù)的空間變異性

對野外稻田土壤的表層土(0-15cm)進行了清除,統(tǒng)計了正常與非正常稻田犁底層土壤入滲參數(shù)如表3所示。正常稻田犁底層入滲系數(shù)均值在11.625mm/min,樣本的最大值是最小值的3倍左右,變異系數(shù)0.475,屬于中等變異程度,這表明正常稻田犁底層入滲系數(shù)具有一定的空間異質性,除了人工耕作因素外,喀斯特地貌的復雜性也是犁底層特性的原因之一;而非正常稻田土壤犁底層入滲系數(shù)均值為62.718mm/min,且入滲系數(shù)最大值是最小值的6倍,變異系數(shù)0.297,低于正常稻田的變異系數(shù),但也屬于中等變異程度,這表明采煤沉陷造成稻田土壤層微裂隙,損壞了稻田犁底層物理特性,加快了表層土壤水分快速下滲,引起稻田土壤含水率下降。對比正常與非正常稻田犁底層土壤入滲系數(shù),非正常稻田犁底層土壤入滲系數(shù)均值是正常稻田犁底層土壤入滲系數(shù)的6倍,最大值相差10倍多,這也進一步表明采煤沉陷對局部稻田犁底層土壤入滲系數(shù)產生了較大的影響。

表3 稻田犁底層土壤入滲參數(shù)統(tǒng)計特征

2.3 水稻生長期水量分析

由表4分析,在一定氣候條件下,正常稻田水稻在生長期內的總需水量為降雨量和灌溉量,總均值為672.7 mm,每平方米水稻需水8.53 mm/m2,非正常稻田水稻在生長期內的總水量均值為945 mm,每平米水稻需水11.2 mm/m2,非正常稻田比正常稻田水稻需水量每平米多2.67 mm/m2,每公頃就要多灌溉26.7 m3的水量。在采煤沉陷區(qū)內種植非正常稻田就需要更多的灌溉水量。

表4 水稻生長期水量統(tǒng)計

2.4 稻田生物量與產量分析

由表5分析知,正常稻田產量均值為1.23 kg/m2,非正常稻田產量為0.92 kg/m2,則每公頃多產3 100 kg水稻,這表明采煤沉陷對水稻產量影響較為明顯;從秸稈重生物量來看,正常稻田秸稈生物量干重為0.77 kg/m2,非正常稻田產量為0.65 kg/m2,正常稻田比非正常稻田的秸稈生物量干重多0.12 kg/m2,則每公頃多產出1 200 kg秸稈生物量干重;再從稻田的單株水稻根系生物量干重來分析,正常稻田的單株水稻根系生物量干重均值為3.18 g,非正常稻田單株水稻根系生物量干重均值為1.44 g,正常稻田單株水稻根系生物量干重均值比非正常稻田的多1.74 g,這表明采煤沉陷引起的稻田土壤環(huán)境嚴重影響了水稻根系的正常生長。綜合三者因素分析,采煤沉陷對局部水稻生產產生較大的影響。

表5 水稻生物量與產量統(tǒng)計

3 結語

采煤沉陷導致采空區(qū)地表下沉、變形,地表出現(xiàn)塌陷坑、地裂縫等地質災害,嚴重影響了采空區(qū)的水土資源可持續(xù)利用[17]。由于西南山地喀斯特地貌的復雜性以及稻田土壤剖面的特性等,采煤沉陷引起部分稻田蓄水快速下滲,甚至無法蓄水,稻田逐步演變?yōu)楹档豙18]。通過在采煤沉陷區(qū)內的正常與非正常稻田野外試驗對比分析研究了土壤物理特性,土壤犁地層入滲率,灌溉需水以及生物量等內容,西南山地喀斯特地貌采煤沉陷對稻田正常生產產生了嚴重的影響,其主要因素土壤犁地層受損,加快土壤水分快速下滲滲漏,在稻田耕作層形成不利于水稻生長低水分環(huán)境,以致于水稻生物量包括秸稈、根系以及產量普遍低于正常稻田。

這一研究結果不同于其他地貌區(qū)下采煤沉陷稻田受損的特點,西南山地喀斯特地貌在地表起伏較大,從采空區(qū)地表到煤炭資源頂板巖體變形復雜,特別在地表,受地形因素較大[19]。另一方面,西南山地喀斯特地貌稻田形成基本上基于洼地、蝕坑以及谷地,稻田土壤剖面層次結構差異性較大[20],在同一地貌下,采煤沉陷對稻田土壤水分儲存介質和運移規(guī)律影響異質性較明顯,即部分稻田生產正常,部分稻田生產嚴重影響。

事實上關于稻田犁底層對土壤水分運移規(guī)律和水稻生產功能研究已經比較深入了[21],但對稻田犁底層損壞出現(xiàn)的微裂隙及其貫通風化層和基巖的水分運移通道的演變方面還沒有進行深入研究,雖當前很少研究集中在犁底層微裂隙的探測與驗證方面取得了較好成果[22],但在指導和診斷非常稻田恢復方面的野外試驗研究還非常少,因此,西南山地喀斯特地貌采煤沉陷非正常稻田修復還需要多時間的試驗研究來支撐。

總之,西南山地喀斯特地貌區(qū)采煤沉陷影響稻田正常生產涉及多方面因素,是一個非常復雜的系統(tǒng)[23],采煤活動強度大小、巖性組成及其強度、地形起伏、耕作以及水源利用等都會對稻田正常生產產生影響。除此之外,水稻根系對犁底層的生態(tài)功能還需要今后開展這一研究,這不僅關系到采煤沉陷去稻田生態(tài)修復技術,而且關系到區(qū)域糧食生產能力的提升,更關系到這一區(qū)域社會和諧和經濟生態(tài)的協(xié)調發(fā)展。