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采煤沉陷区耕地土壤肥力特征及其空间异质性 赵同谦 , 郭晓明, 徐华山 河南理工大学 资源环境学院, 河南 焦作 454003 * 摘要煤炭开采导致地表发生大面积沉陷, 耕地资源严重破坏. 开展采煤沉陷区耕地土壤性 质变异规律研究, 对于指导矿区土地复垦具有十分重要的意义. 本文研究了焦作矿区韩王矿 沉陷区不同沉陷部位和不同深度耕地的土壤肥力特征,结果表明 沉陷区耕地土壤有机质、 肥力指标空间异质性显著; 与非沉陷区耕地相比较, 沉陷区耕地上层土壤 0 20 cm 有机 质、氨氮、硝氮、全钾、速效磷含量相对较低, 而下层 20 40 c m 土壤各项指标相对较 高, 且部分采样点营养元素在不同深度上呈现出 逆序 分布特征,表明采煤引发的地表沉 陷使耕地土壤肥力在水平和垂直方向上均发生了显著变化,而这些变化是导致沉陷区耕地退 化、生产力降低的重要原因. 关 键 词 煤炭开采;地表沉陷;土壤肥力; 空间变异 中图分类号X 171 . 4 文献标识码A 文章编号1673- 9798 2007 05- 0588- 05 Spatial variation of soil fertility characters i n coalm ining subsidence area ZHAO Tong- qian ,GUO Xiao- m ing, XUHua- shan D epart ment of Resourceland subsidence;soil fertility;spatial variation 0 引 言 在各种矿产资源开发过程中, 煤炭开采导致的土地破坏最为严重. 煤炭是我国的最主要能源,约 占一次能源构成的 75 ,且 95 以上的煤炭产量来自于井工开采,这种开采方式破坏了煤层覆岩的 第 26卷第 5期 2007年 10月 河南理工大学学报自然科学版 JOURNAL OF HENAN POLYTECHNIC UNIVERSI TY NATURAL SCIENCE Vo. l 26 No . 5 Oct . 2007 * 收稿日期2007- 04- 11 基金项目 国家科技支撑计划重大项目子课题 2006 BAC01A01- 04; 河南理工大学博士基金资助项目 648523. 作者简介 赵同谦 1969- , 男, 河北石家庄人, 博士, 教授, 主要从事生态规划和恢复生态学方面的教学与研究. E- mai lzhaotq hpu . edu . cn 应力平衡,导致了覆岩从下至上发生冒落、裂隙 缝 和弯曲下沉,从而使采空区上方地表发生大 面积沉陷,并在地表产生大量的裂缝、裂隙,严重地破坏了矿区的土地资源 [ 1]. 研究表明, 全国煤炭 采空沉陷与采煤量呈直线关系,即煤炭平均占地 0 . 2 hm 2 /万 ,t 最多达 0 . 53 h m 2 /万 . t 全国现有国有 矿山沉陷区面积约 8 . 4 10 4 hm 2, 如果加上集体煤矿和个体煤矿的沉陷区面积,其数值还要大 [ 2], 并 且约一半的采煤沉陷区土地分布在平原地区的优质高产耕地 [ 3- 4]. 因此, 采煤沉陷区土地的恢复与重 建已成为涉及国家生态安全的重大问题. 自 20世纪 50年代后,欧洲、北美、澳洲一些国家就已经关注采矿活动中的生态环境问题, 并开 展了一些工程与生物措施相结合的矿山、水体污染和水土流失等环境恢复和治理工作 [ 5- 9]. 矿区土地 退化和生态恢复研究是恢复生态学研究的一个重要方面, 目前国外的有关研究重点已从土地末端修复 走向系统预防、生态恢复和重建 [ 5- 6, 10]. 我国矿区土地生态恢复与重建研究工作比较多地集中在金属 或煤炭露天开采矿山及对尾矿和采空区的工程恢复技术、植被恢复、土壤基质熟化、重金属污染防治 等方面的研究;对于矿井开采引起的地表沉陷、土地退化等问题则研究的较少, 且主要集中于地表破 坏后土地的工程复垦技术、方案和措施等方面 [ 10- 14], 未从土壤肥力、土壤理化性质和微生物等方面 开展综合研究并探索其土地退化的内在机制及其生态恢复途径. 本文通过选择有代表性的采煤沉陷 区, 对沉陷后耕地土壤中的有机质和营养元素含量进行对比研究, 探讨沉陷区耕地土壤肥力特征及其 空间变异规律,旨在为形成适合矿区土地退化特点的生态恢复技术、指导沉陷区耕地合理施肥、提高 粮食产量、缓解矿区人地矛盾提供理论依据. 1 研究区与研究方法 1 . 1 自然概况 本研究以选取有代表性的焦作煤业集团韩王煤矿沉陷区为对象. 韩王矿 112∀32- 113∀38E, 34∀48- 35∀30 N 位于河南省焦作市马村区, 地处太行山南麓,区域地貌为山前冲洪积扇平原,属 温带区大陆性季风气候,年平均气温 14∃ ,年平均降雨量 603 713mm,蒸发量 2039mm. 土壤类型 为第四系砂砾石、砂、粉质粘土及粉土组成的石灰性褐土. 沉陷区面积约 2 k m 2, 地貌为碟形盆地状, 盆地坡度 8∀ 左右, 盆地中心低于非沉陷地表 12m左右. 1 . 2研究方法 1 . 2 . 1 样品采集及预处理 选取沉陷区一个典型沉陷坡面, 从沉陷中心到沉陷边缘沿直线布置 5个采样点 , 靛酚蓝比色法测定氨氮,采用 NaOH 熔融;钼锑抗比色法测定全 589 第 5期 赵同谦等 采煤沉陷区耕地土壤肥力特征及其空间异质性 磷, 采用 0 . 05mol L - 1Na HCO 3法测定速效磷, 采用 NaOH 熔融法原子吸收光谱仪测定全钾, 采用 NH4OAc浸提原子吸收光谱仪测定速效钾 [ 15- 17]. 每 1个样品测定做 3个平行样, 数据采用 SPSS 11. 0 和 Excel软件进行分析处理. 2 结果与分析 2 . 1 沉陷区土壤肥力特征 沉陷区土壤为砂性土, 呈微碱性 p H 值为 8 . 48- 8 . 54. 沉陷区与非沉陷参照区耕地上、下层 土壤肥力指标及有机质含量测定结果见表 1. 参照第 2次全国土壤普查土壤养分分级标准,沉陷区上 层 0 20 c m 全氮平均含量属 3级, 速效磷平均含量属 4级, 速效钾平均含量属 3级. 表 1 沉陷区与非沉陷对照区营养元素及有机质含量比较 Tab . 1Co mparison ofmajor nutrients and organicmatter in subsided area and the control area 项 目 氨氮 / mg kg- 1 硝氮 / mg kg- 1 全氮 / g kg- 1 全钾 / g kg- 1 全磷 / g kg- 1 速效磷 / mg kg- 1 速效钾 / mg kg- 1 有机质 / g kg- 1 沉 陷 区 上层0 . 57- 0. 846 . 96- 8. 650 . 84- 1 . 60 152 . 90- 173. 00 1 . 38- 1. 52137 . 65- 152. 17 104. 53- 149 . 56 14 . 10- 16 . 17 上均值0 . 72 ∗ 0. 117 . 86∗ 0. 681 . 13∗ 0 . 33 157 . 19∗ 16. 41 1 . 46 ∗ 0. 11 145 . 62 ∗ 6. 66 120. 25∗ 17 . 69 15 . 42 ∗ 1. 43 下层6 . 50- 10. 27 7 . 08- 9. 930 . 62- 0 . 92 354 . 10- 423. 00 1 . 50- 1. 59150 . 13- 159. 3782. 45- 107 . 42 6 . 53- 13. 07 下均值7 . 69 ∗ 1. 428 . 15∗ 1. 210 . 72∗ 0 . 16 390 . 66∗ 31. 62 1 . 55 ∗ 0. 10 154 . 62 ∗ 5. 50 93. 78∗ 10 . 1910 . 32 ∗ 2. 64 对 照 区 上层0 . 80- 0. 878 . 02- 8. 560 . 96- 1 . 24187. 62- 210 . 230. 81- 0 . 84160 . 35- 170 . 2678 . 56- 82. 67 16. 34- 18 . 66 上均值0 . 84 ∗ 0. 048 . 23∗ 0. 291 . 12∗ 0 . 14 198. 52∗ 11 . 3 0. 80∗ 0 . 03 165. 71 ∗ 5 . 0080 . 36∗ 2. 1017. 68∗ 1 . 2 下层0 . 82- 1. 027 . 28- 8. 390 . 58- 0 . 72146. 76- 162 . 350. 72- 0 . 78 72 . 48- 77 . 91120 . 56- 128. 21 8. 72- 9 . 92 下均值0 . 74 ∗ 0. 117 . 84∗ 0. 560 . 64∗ 0 . 07 156. 76∗ 8 . 68 0. 75∗ 0 . 02 74. 95 ∗ 2 . 75124 . 47∗ 3. 839. 17∗ 0 . 66 从表 1结果可以看出,与非沉陷区比较, 沉陷区表层 0 20 cm 土壤有机质、氨氮、硝氮、全 钾和速效磷 5个指标的平均含量均相对较低,而下层 20 40 cm 土壤除速效磷以外的其他 7个指 标的平均含量均相对较高. 这说明采矿引起地表沉陷后,沉陷区土壤肥力赋存特征发生了明显改变, 肥分从土壤表层向深层渗漏、流失明显,土地表层土壤趋于退化,从而影响了作物生长和土地生产 力. 这一研究结果与 H etzler等 [ 18]的有关开采沉陷对土地和作物生长影响的研究结果是一致的. 2 . 2 沉陷区肥力空间异质性 沉陷坡面不同部位上层 0 20 cm 和下层 20 40 c m 土壤的氨氮、硝氮、全氮、全钾、全 磷、速效钾、速效磷含量统计分析结果如表 2所示 p 0 . 05. 表 2沉陷区不同采样点上下层土壤肥力特征及其差异性 Tab . 2Fertility characters and its variation of the upper and deeper soil layer in different sites of subsided area 层 位 样点 氨氮 / mg kg- 1 硝氮 / mg kg- 1 全氮 / g kg- 1 全钾 / g kg- 1 全磷 / g kg- 1 速效磷 / mg kg- 1 速效钾 / mg kg- 1 有机质 / g kg- 1 上 层 I0. 74∗ 0 . 05ab 8 . 13 ∗ 0. 45ab0 . 98 ∗ 0. 16b 162 . 64∗ 22. 4bc1 . 38 ∗ 0. 13a 137. 65∗ 9 . 00b 107 . 96 ∗ 6. 29d16 . 09∗ 0. 92a II0 . 80∗ 0 . 09a8. 65 ∗ 0 . 58a0 . 84 ∗ 0. 12b173 . 00 ∗ 8. 97b 1 . 48 ∗ 0. 04a 147. 62∗ 3 . 41a104 . 53 ∗ 4. 32d14 . 79 ∗ 0. 64b III0 . 64∗ 0. 03b7. 92∗ 0 . 40b1 . 60∗ 0. 33a 158 . 30∗ 10. 02bc1 . 52 ∗ 0. 12a 152. 17∗ 4 . 49a 116. 34∗ 12 . 22cd 16 . 17∗ 0. 66a I V0 . 84∗ 0 . 06a6. 96 ∗ 0 . 32c1 . 12 ∗ 0. 25b139 . 1∗ 10. 65c 1 . 45 ∗ 0. 12a 144. 64∗ 4 . 36ab 122 . 87∗ 4 . 36c14 . 10 ∗ 1. 28b V0 . 57∗ 0. 06b7. 65∗ 0 . 34b1 . 12 ∗ 0. 99b 152 . 9∗ 12. 36bc1 . 46 ∗ 0. 14a 146. 01∗ 3 . 32ab 149 . 56 ∗ 6. 69b16 . 17∗ 1. 95a CK0 . 84∗ 0 . 04a8 . 23 ∗ 0. 29ab1 . 12 ∗ 0. 14b198 . 52 ∗ 11. 3a 0. 80 ∗ 0 . 03b 80. 36∗ 2 . 10c165 . 71∗ 5 . 00a 17 . 68∗ 1. 2a 下 I10 . 27∗ 0 . 12a9. 93 ∗ 0 . 73a0 . 62 ∗ 0. 08b 399 . 35∗ 28. 11a 1 . 54 ∗ 0. 10a 153. 68∗ 4 . 07ab82 . 45∗ 4 . 31c 8 . 60 ∗ 1. 44b II6 . 50∗ 0 . 27c7 . 99 ∗ 0. 73bc 0 . 80∗ 0. 10ab 365 . 20 ∗ 13. 38b1 . 52 ∗ 0. 14a 151. 60∗ 3 . 67b88 . 68∗ 4 . 33c 6 . 53∗ 0 . 69c III6 . 66∗ 0 . 26c7 . 30 ∗ 0. 19bc0 . 62 ∗ 0. 12b 354 . 10 ∗ 20. 27b1 . 59 ∗ 0. 07a 159. 37∗ 5 . 80a88 . 25∗ 2 . 86c 11 . 35∗ 1. 18a 590 河南理工大学学报自然科学版 2007年第 26卷 续表 层 位 样点 氨氮 / mg kg- 1 硝氮 / mg kg- 1 全氮 / g kg- 1 全钾 / g kg- 1 全磷 / g kg- 1 速效磷 / mg kg- 1 速效钾 / mg kg- 1 有机质 / g kg- 1 层 I V7 . 30∗ 0. 23b7. 08 ∗ 0 . 85c0 . 64 ∗ 0. 10b 423 . 00∗ 12. 72a 1 . 50 ∗ 0. 15a 150. 13∗ 5 . 84b 107 . 42 ∗ 2. 84b12 . 04∗ 1. 00a V7 . 68∗ 0. 11b8. 46∗ 0 . 72b0 . 92∗ 0. 08a 411 . 65∗ 10. 89a 1 . 58 ∗ 0. 09a 158. 33∗ 3 . 82ab 102 . 12 ∗ 3. 56b13 . 07∗ 1. 01a CK0 . 74∗ 0. 11d7 . 84 ∗ 0. 56bc0 . 64 ∗ 0. 07b156 . 76 ∗ 8. 68c 0. 75 ∗ 0 . 02b 74. 95∗ 2 . 75c124 . 47∗ 3 . 83a 9 . 17 ∗ 0. 66b 由表 2结果可以看出,不同沉陷部位的上层土壤肥力指标,除全磷外均具有比较显著的差异,其 中全钾和速效钾的差异最为显著. 就不同沉陷部位的下层土壤肥力指标而言,除全磷外均具有比较显 著的差异,其中氨氮、硝氮、全钾、速效钾和有机质的差异最为显著. 与非沉陷区相比较,全部指标 均具有比较显著的差异,反映了采煤沉陷导致沉陷区耕地土壤肥力空间异质性显著增加. 对于造成土壤肥力显著差异的主要原因,卞正富等 [ 19]认为, 开采沉陷造成的地面坡度变化对土 壤养分的空间分布存在显著影响; 赵明鹏等 [ 20]也认为, 矿区地面沉陷对土地生产力的影响关键在于 地面的坡度. 结合沉陷区地表破坏特征,一般认为, 井工开采引起地表沉陷后, 由于地表发生沉降、 裂缝、错位等,使原地貌起伏度增加、坡度增大,增加了土壤侵蚀和表土流失强度, 从而使肥分流失 加剧. 沉陷地边缘地带产生不同程度的裂缝, 在局部错位较大、裂缝较多的地区, 地面径流汇集,使 肥分从表层向深层渗漏、从沉陷边缘向沉陷中心汇集. 然而,从本次实测结果可以看出, 尽管沉陷区 营养元素空间分布的异质性增加, 但其变化规律并不明显,仅下层土壤有机质含量呈现出了从沉陷边 缘到沉陷中心的增大趋势. 分析其原因主要是 由于沉陷造成的地裂缝位置和大小分布极为不均,使 得肥分在不同沉陷位置流失状况不一致,导致变化规律不明显.这进一步验证了沉陷区土壤肥力分布 的空间异质性和复杂性. 2 . 3沉陷区土壤肥力层间比较 沉陷区上层土壤和下层土壤营养元素含量对比如图 3所示.SPSS的 LSD比较结果表明 沉陷区 不同采样点上层 0 20 cm 和下层 20 40 cm 土壤营养元素氨氮 Sig . 0 . 016、全氮 Sig . 0 . 04、全钾 Sig. 0 . 01和速效钾 Sig . 0 . 035存在层间显著性差异. 一般情况下,耕地土壤表层 由于长期施肥和耕作的影响,土壤肥力指标应明显好于下层;但沉陷区的检测分析结果表明,氨氮、 硝氮、全钾、全磷等几个指标出现上层土壤含量低于下层土壤的现象,即呈现出了 逆序 分布特 征, 进一步反映了沉陷区肥分存在从土壤表层向深层渗漏流失的现象. 3 结 论 煤炭井工开采导致开采区地表发生大面积沉陷, 使原地貌起伏度增加、坡度增大,并产生了大量 的裂缝、裂隙,增加了土壤侵蚀和表土流失强度;受降水、灌溉淋溶影响, 土壤肥力赋存状态发生了 591 第 5期 赵同谦等 采煤沉陷区耕地土壤肥力特征及其空间异质性 明显的改变; 沉陷区营养元素空间分布的异质性显著增加,呈现出从表层向深层渗漏、从沉陷边缘向 沉陷中心汇集的流失特征, 造成了土地表层土壤退化,从而影响了作物的生长及土地的生产力. 综合 实验研究结果得出以下几点认识 1 沉陷区耕地土壤有机质、肥力指标空间异质性显著 p 0 . 05;有机质含量从沉陷边缘到 沉陷中心有增大的趋势, 而其他 7种肥力指标这种变化规律并不明显, 其主要原因是由于沉陷区地裂 缝位置和大小分布不均,使得肥分在不同沉陷部位流失状况不一致. 2 与非沉陷区耕地相比较,沉陷区耕地上层土壤 0 20 c m 有机质、氨氮、硝氮、全钾、 速效磷等指标含量相对较低,而下层 20 40 cm 土壤各项指标相对较高,且氨氮、硝氮、全钾、 全磷和速效钾在不同深度上呈现出 逆序 分布特征, 反映了沉陷区肥力明显低于非沉陷区, 并且存 在着从土壤表层向深层渗漏流失的现象. 3 上述特征反映了煤炭井工开采引发的地表沉陷导致了耕地土壤肥力在水平和垂向分布上发 生了显著变化,而这些变化是导致沉陷区耕地退化、生产力降低的重要原因之一. 参考文献 [ 1] VANGRONSVELD J ,CUNNI NGHAM S C ,et a. l M etal- Conta m inated Soils [M ].N e w YorkSpringer Press. 1998 . [ 2] 张发旺, 候新伟,韩占涛, 等. 采煤沉陷对土壤质量的影响效应及保护技术 [ J].地理与地理信息科学, 2003 , 19 3 67- 70. [ 3] 陈龙乾, 邓喀中, 赵志海, 等. 开采沉陷对耕地土壤物理特性影响的空间变化规律 [ J].煤炭学报,1999, 24 6 586- 590. [ 4] 王 辉, 刘德辉, 胡 峰, 等. 平原高潜水位地区采煤沉陷地农业土壤退化的空间变化规律 [ J]. 火山地质与 矿产,2000,21 4296- 300. [ 5] A D BRADSHA W. W hat do we mean by restoration [ C]/ /URANSKA K M, WEBB NR,EDWARDS PJ,et a. l Restoration Ecology and Sustainable Development .LondonCa mbridge University Press . 1997 8- 16 . [ 6] N LCHRISTENSEN.The reportof the ecolog icalsociety ofAmericaComm ittee on the scientific basis for ecosystem man age ment [ J].EcologicalApplications,1996,6 3665- 691. [ 7] A PI LAR, M EDUARDO.Soilmesofaunal responses to post- m ining restoration treatments [ J].Applied Soil Ecolo gy ,2006,33 1 67- 78. [ 8] 芮素生. 煤炭工业的持续发展与环境 [M ]. 北京 煤炭工业出版社.199413- 20 . [ 9] JVANGRONSVELD ,F VAN ASSCHE,H CL IJSTERS. Recla mation of a bare industrial area conta m inated by non- ferrousmetals In situmetal i mmobilization and revegetation [ J].EnvironmentalPollution , 1995,87 151- 59. [ 10]范英宏, 陆兆华, 程建龙,等. 中国煤矿区主要生态环境问题及生态重建技术 [ J].生态学报,2003,23 102144- 2152. [ 11]高国雄, 高保山, 周心澄, 等. 国外工矿区土地复垦动态研究[ J]. 水土保持研究,2001 ,8 198- 103. [ 12]黄铭洪, 骆永明. 矿区土地修复与生态恢复 [ J]. 土壤学报, 2003, 40 2161- 169 . [ 13]李 娟, 龙 健. 矿区土地修复与生态农业可持续发展对策[ J]. 农业现代化研究,2004,25 290- 93 . [ 14]李玉臣, 吉日格拉. 矿区废弃地的生态恢复研究[ J]. 生态学报,1995 ,15 3339- 343. [ 15]鲍士旦. 土壤农化分析 第 3版[M ]. 北京, 中国农业出版社.200049- 61. [ 16]中国科学院南京土壤研究所. 土壤理化分析 [M ]. 上海, 上海科学技术出版社.197855- 120 . [ 17]鲁如坤. 土壤农业化学分析方法 [M ]. 北京, 中国农业科技出版社.1999 50- 107 . [ 18]HETZLER R T,DARMODY R G.Coalm ine subsidencem itigation Effects on soil and crop yields [ C]/ /ROBERT ED,BARNHISEL R I ,DARMODY RG,et a. lProceeding of1992 NationalSy mposium on Pri me Far mland Recla ma tion.U rbana University of Illinois Press .1992 129- 136 . [ 19]卞正富. 矿区开采沉陷农田土地质量空间变化研究[ J]. 中国矿业大学学报,2004,33 2213- 218 . [ 20]赵明鹏, 张震斌, 周立岱. 阜新矿区地面塌陷灾害对土地生产力的影响[ J].中国地质灾害与防治学报, 2003,14 177- 80 . 责任编辑 杨玉东 592 河南理工大学学报自然科学版 2007年第 26卷