采煤沉陷区土壤成分变化研究——以潞安集团王庄煤矿为例

朱宗泽,陈志超,郝成元

(河南理工大学测绘与国土信息工程学院,河南焦作 454000)

采煤沉陷区土壤成分变化研究
——以潞安集团王庄煤矿为例

朱宗泽,陈志超,郝成元

(河南理工大学测绘与国土信息工程学院,河南焦作 454000)

土壤成分;土壤肥力;采煤沉陷区;王庄煤矿;潞安矿区;山西省

煤炭开采导致地表大面积沉陷、土壤肥力下降,从而影响耕地生产能力。通过对潞安集团王庄煤矿采煤沉陷区沉陷 3年、6年的土壤成分进行对比分析研究,得出以下两点主要结论:①土壤养分有从沉陷地顶部向底部汇集的趋势,沉陷 3年的沉陷地顶部和底部的土壤养分差别较大,而沉陷 6年的沉陷地顶部和底部土壤养分差别不大;②沉陷 3年的土壤和沉陷 6年的土壤的 pH值虽无大的变化,但其底部、中部、顶部电导率却存在显著差异,即沉陷地底部土壤有盐化趋势。依据研究结果,提出了改善土壤物理、化学性状等相应的土地整治策略。

煤炭是我国现时最主要的能源,约占一次能源构成的74%,且 96%以上的煤炭产量来自于井工开采[1]。这种开采方式破坏了煤层覆岩的应力平衡,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,并在地表产生大面积裂隙(缝),严重破坏了矿区的土地资源。据不完全统计,平均每开采 1万 t煤,地表沉陷0.2 hm2,最多的达 0.53 hm2[2-3]。山西省地处黄土高原东部,煤炭资源丰富,是我国重要的能源化工基地,含煤面积达 6.2万km2,占全省总面积的 39.6%[4],近年来由于大规模的煤炭开采,对土地资源和生态环境造成了极大破坏,特别是井工开采造成的矿区地表大面积沉陷,不仅破坏了大量耕地资源,而且毁坏了附近村庄的地面建筑物,矿区人地矛盾日趋尖锐[2]。

自 20世纪 50年代起,欧洲、美洲、大洋洲的一些国家就已经开始关注采矿活动中的生态环境问题,并开展了一些工程措施与生物措施相结合的矿山环境恢复、水体污染和水土流失治理工作[5-7]。我国自改革开放以来,也在煤矿区污染治理、景观重建与土地复垦研究中取得了一定的成果,主要集中于有毒有害物质防治、植被恢复及土壤基质熟化等方面[8-9],很少从土壤肥力及土壤理化性质等方面开展综合研究并探索土地退化的内在机理及生态恢复途径。笔者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了对比分析研究,探讨了沉陷区耕地土壤肥力特征及其空间变异规律,旨在为寻找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、提高矿区粮食产量、缓解矿区人地矛盾提供理论依据。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

王庄煤矿位于山西潞安矿区北区的东南部,井田面积79.45 km2,北与漳村井田邻接,南以二岗山北断层为界,东以石圪节井田煤层露头线、漳泽水库最高水位线为界,西与常村、古城井田邻接。王庄煤矿建于 1958年,1966年 12月正式投产,经过两次改扩建,2008年实际生产能力接近 750万 t。王庄煤矿地处上党盆地中部,属巨厚冲积层高潜水位矿区,随着煤炭资源的持续开采,引发了一系列生态破坏和环境污染问题,若不加强恢复与治理,将严重影响矿区的可持续发展。

1.2 研究方法

1.2.1 样品采集及预处理

在王庄矿区周边分别选取沉陷 3年、6年的耕地,在沉陷地的上部、中部、下部分别用土钻按 0— 20、20—40、40— 60 cm分层取土,重复采样 5次,将样品带回实验室风干保存,用以测定土壤养分。样品风干后,剔除未分解的植物根系及残体、昆虫尸体、石块等杂物,磨碎、碾细,过 20目、100目尼龙筛后,取足量装入纸质小袋测定其有机质、氮、磷、钾等的含量。

1.2.2 测定方法

有机质含量,采用重铬酸钾法测定;全氮含量,采用重铬酸钾-硫酸硝化法测定;全磷含量,采用高氯酸-硫酸酸溶 -钼锑抗比色法测定;全钾含量,采用火焰光度法测定;速效氮含量,采用碱解蒸馏法测定;速效磷含量,采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定;速效钾含量,采用火焰光度法测定;土壤电导率和pH值则是用蒸馏水,按照 5∶1的比例浸提后,分别用电导仪和pH计测定。

应用SPSS 13.0软件对试验数据进行统计分析,5%水平下LSD多重比较检验各处理数据间的差异显著性。

2 研究结果

土壤有机质既是土壤养分的源泉,又是土壤中异养型微生物的能源物质,其含量及组成直接影响土壤的供肥、保肥、保水、适耕性和生物活性,常作为划分土壤肥力高低的指标[10-11]。土壤养分是土壤肥力的重要组成部分,其含量及贮量是一个动态变量,其中:全氮、全磷和全钾是衡量土壤供肥能力的重要指标[12-14];速效氮、速效磷、速效钾常作为土壤养分及时供给的指标,对当季作物的生长发育有着重要的作用[15-16];土壤电导率和 pH值则指示着土壤酸碱化程度。因此,本研究所测定的土壤项目有有机质、全氮、全磷、全钾、速效氮、速效磷、速效钾含量和电导率、pH值 9项。

2.1 沉陷3年土壤成分变化

虽然采煤沉陷对土壤有机质有破坏作用,但研究表明沉陷3年的耕地土壤中有机质含量并未出现显著变化(表 1),这可能与有机质移动性差及沉陷地坡度相对较小有关[17]。采煤沉陷使地表形成了坡地和洼地,土壤中许多营养元素随着地表径流沿着裂隙(缝)流入采空区或洼地,造成地表土壤养分的短缺。其中,全氮和全磷含量均呈现出沉陷地中部显著高于顶部和底部的规律,而沉陷地顶部和底部尚无显著变化;全钾含量呈现出沉陷地底部＞中部＞顶部的规律,且变化显著。

由表1也可以看出潞安矿区采样地沉陷3年耕地不同坡位土壤速效氮、速效磷、速效钾分布呈现出底部＞中部 ＞顶部的规律,且变化显著。究其原因:采煤沉陷形成坡地,这一小地形导致地表耕作层土壤中迁移性较强的速效氮、速效磷、速效钾随地表水分运动向沉陷区底部汇集。

人类的扰动是土壤环境质量变化的重要驱动力,常常会引起土壤 pH值发生变化,加重土壤盐化。采煤沉陷区耕地土壤的 pH值也常常会发生变化,但我们的研究表明,潞安矿区采煤沉陷地耕地土壤的pH值并无显著变化(图 1),而土壤电导率则呈现出沉陷地底部 ＞中部＞顶部的规律(图 2),且差异显著。这表明沉陷3年的耕地已经出现盐类向沉陷地底部快速汇集的趋势,这将加重土壤的盐化。

表 1 沉陷 3年耕地不同坡位土壤养分

图2 沉陷 3年耕地不同坡位土壤电导率

2.2 沉陷 6年土壤成分变化

采煤沉陷对土壤有机质有破坏作用,研究表明:沉陷 6年的耕地土壤中有机质含量呈现出中部和底部有机质含量均显著高于顶部的规律;土壤全氮、全磷和全钾量均呈现出沉陷地底部含量显著高于顶部的规律。详见表2。

表 2 沉陷 6年耕地不同坡位土壤养分

图1 沉陷3年耕地不同坡位土壤pH值

由表 2可以看出:潞安矿区采样地沉陷 6年耕地不同坡位土壤速效磷、速效钾的含量分布呈现出底部＞中部＞顶部的规律,且差异显著;底部速效氮含量显著高于顶部,但中部含量与顶部含量无显著差异,且这一规律渐渐趋于稳定。

潞安矿区采煤沉陷 6年的耕地土壤pH值并无显著变化(图3),而土壤电导率却呈现出沉陷地底部 ＞中部 ＞顶部的规律,且差异显著(图4),这表明沉陷6年的耕地仍然呈现出盐类向沉陷地底部快速汇集的趋势,这必将加重土壤的盐化。

3 结论及土壤整治策略

3.1 结 论

通过对潞安矿区王庄煤矿沉陷 3年与沉陷 6年耕地的土壤成分进行初步对比分析,得出如下结论:①沉陷地顶部土壤养分有向中部和底部迁移的趋势,但沉陷3年耕地土壤养分受小地形影响更为明显。沉陷地边缘地带产生了不同程度的裂隙(缝),在局部错位较大、裂隙(缝)较多的地区,地表径流汇集,使肥分从地表向土壤深层迁移、从沉陷边缘沿裂隙(缝)向沉陷中心汇集,致使沉陷地耕地表层土壤趋于退化,从而影响了作物生长和土地生产力。②沉陷6年耕地顶部、中部和底部土壤养分差异性变化相对较小,表明在最初沉陷的年份土壤养分向较低地势迁移更为强烈,随着沉陷年限增加而渐趋稳定。这一规律对制定矿区土壤肥力定向培育对策尤为重要。③沉陷 3年耕地土壤、沉陷 6年耕地土壤不同坡位 pH值无显著差异,但电导率差异显著,存在沉陷地底部日益盐化的趋势。

3.2 土壤整治策略

针对以上结论,建议矿区土壤整治应从以下 3个方面着手:①改善土壤的养分状况。有机废弃物如污水污泥、垃圾或堆肥可作为土壤添加剂,并在某种程度上充当一种缓慢释放的营养源,同时可通过螯合有效态的有毒金属而降低其毒性。②改善土壤的物理性状,如孔隙度、容重等。③采取一定的田间措施,加强耕作,全面改善土壤水、肥、气、热之间的相互关系,为土壤改良和培肥创造良好的环境。

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Variation o f Soil Composition in Coal M ining Subsidence A reas

ZHU Zong-ze,CHEN Zhi-chao,HAO Cheng-yuan

(Schoolof Surveying and Land Information Engineering of Henan Polytechnic University,Jiaozuo,Henan 454000,China)(44)

Coalm ining results in ground subsidence in large areas and decreaseof soil fertility,thus,affecting the production capacity of cultivated lands.The paper conducts comparative analysis and study on 3-year and 6-year soil composition of coalm ining subsidence areas of Wangzhuang CoalMine of Lu'an Group and obtains the following twomain conclusions:a)there is tendency of soil nutrient collecting from top to bottom of the subsidence areas.The difference of soil nutrient at the top and bottom of the 3-year subsidenceareas is greater than thatof the 6-year subsidenceareas;b)although the variation of pH value of soil in the 3-yearand the 6-year subsidence areas is notgreatly,theelectrical conductivity at the bottom,middle and top is obviously different,showing salinization trend of soilat the bottom of the areas.Itputs forward relevant tactics of land reclamation for improving physiochemical properties of soil according to the results of study.

soil composition;soil fertility;coalmining subsidence areas;Wangzhuang Coal Mine;Lu'an Group;Shanxi Province

X 171.4

A

1000-0941(2011)04-0044-03

中国煤炭工业协会科学技术研究指导性计划项目(MTKJ2010-371);河南省教育厅自然科学研究计划项目(2009B 440002);河南理工大学青年基金项目(Q2008-1)

朱宗泽(1978—),男,河南罗山县人,在读硕士,主要从事矿区生态重建等方面的研究。

2010-09-20

(责任编辑 孙占锋)