厚黄土薄基岩型采煤沉陷区农田土壤化学性状空间变异

白成云，白文斌，焦晓燕，韩 雄

（1.山西省农业科学院技术推广处，山西 太原 030006；2.山西省农业科学院高粱研究所，山西 晋中 030600；3.山西省农业科学院农业环境与资源研究所，山西省土壤环境与养分资源重点实验室，山西 太原 030006）

黄土高原位于我国由东南湿润半湿润气候向干旱半干旱气候过渡的中间地带[1]。潞安集团司马煤矿地处黄土高原东南部的上党盆地，于2005年6月投产，是一座国内同类水平较高的矿井之一，煤田面积29.49 km2，采用长壁回采工艺。该区域水热资源丰富，是山西省农业生产条件较好的区域之一，属于典型的粮矿复合区。近几年来，随着采矿规模的扩大，矿区范围内发生了地表农田沉陷灾害，地表沉陷不仅破坏了粮矿复合区农田的基本设施，也导致了土壤水分、养分分布不均[2]，耕地肥力下降[3]，影响了矿区农民的正常生产生活，使矿区人地矛盾日趋尖锐[4]，直接制约着矿区的可持续发展[5]。

本试验以潞安集团下属司马煤矿井田内的沉陷农田为研究对象，通过测定和分析不同沉陷部位农田土壤的化学性状，揭示采煤沉陷对沉陷区农田土壤化学性状的影响规律，旨在为地处干旱半干旱地区矿区农田土地复垦提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验区概况

研究区位于长治盆地东南部边缘长治县境内苏店镇郝店村，为黄土平原地貌，土层较厚，质地以壤质为主，属厚黄土薄基岩型采煤区。区内地势较为平坦开阔，地面坡度在3°～12°之间，海拔为940 m左右，属暖温带大陆性季风气候，四季分明，日照充足，昼夜温差较小。沉陷区涉及村庄有2300多人口，农户576户，耕地面积125 hm2，人均耕地540 m2。因采煤塌陷，该村土地遭到严重破坏，现有的耕地旱地多、水地少、保浇地更少。塌陷前种植作物以冬小麦—蔬菜—冬小麦轮作为主，施肥以无机肥为主、有机肥为辅。塌陷后输水管道遭到破坏，水浇地变为旱地，耕种不方便，种植模式为一年一作的玉米，生产力降低，水土流失严重[6]。

1.2 试验方法

1.2.1 采样方式 2007年8月，选定一沉陷2 a的沉陷盆地（SM）作为研究对象，塌陷地形用全站仪（南方全站仪NTS662）进行测量，塌陷盆地面积6.25 hm2。沉陷前地表平整，以未塌陷地为参照（CK），按落差1 m设定等高线，分别命名为等 1、等 2、等 3、等 4、等 5、等 6、等 7。沉陷盆地特征、不同落差等高线及采样点如图1所示。

土壤养分样品采集:在沉陷盆地的4个方向（北、南、西、东）的不同等高线上取样，各方向夹角为90°（图2）。每个样点分0～20，20～40 cm 2个层次分别进行取样，测定土壤化学性状。

1.2.2 分析方法 pH值测定采用玻璃电极法；土壤有机质测定采用重铬酸钾容量法-外加热法；土壤全氮测定采用半微量开氏法；土壤速效磷测定采用钼锑抗比色法；土壤速效钾测定采用醋酸铵浸提-火焰光度计法。

2 结果与分析

为研究沉陷区农田土壤化学特性的空间变化规律、变化程度，以未沉陷农田土壤化学特性为对照，将沉陷区不同下沉深度土壤化学特性实测值换算成相对值（表1）。表1中沉陷区农田不同部位（下沉深度）不同土层土壤化学特性测定项目的相对值，均以正常未沉陷农田相应层次土壤的相应项目实测值为基准（100%）换算而成。

表1 沉陷地土壤化学性状的相对变化 %

2.1 不同沉陷程度对土壤pH值的影响

沉陷区农田土壤酸碱性的空间变化特征如图3所示。不同沉陷深度对土壤酸碱性的pH值影响不明显，不同土层变异系数仅为0.74%和0.78%（表2），并没有出现徐州矿区沉陷农田的3.63%和2.32%的pH值变化幅度[7]。

2.2 不同沉陷程度对土壤全氮的影响

由图4可知，不同土层土壤全氮含量在下沉深度2 m内，随下沉深度的增加，0～20 cm土层全氮含量下降，下沉深度2 m时达最低；然后随沉降深度的进一步增加，全氮含量则呈增加的趋势，在等6、等7处土壤全氮含量最高，达0.13%。下沉程度对20～40 cm土壤全氮含量没有影响。

2.3 不同沉陷程度对土壤有机质的影响

由图5可知，沉陷农田在下沉深度1～3 m的不同土层土壤有机质含量均比正常农田低，其中在下沉深度3 m时，不同土层土壤有机质含量下降的幅度最大；而在下沉深度4，5，6，7 m的不同土层土壤有机质含量均比正常未沉陷农田高。从图5还可看出，不同沉陷深度不同土层的土壤有机质变化规律一致。

2.4 不同沉陷程度对土壤速效磷的影响

从图6可以看出，不同下沉深度不同土层土壤速效磷含量均有不同程度的增减变化，并且变异系数较大，0～20，20～40 cm土层分别达到22.79%和16.10%。从表1还可以看出，沉陷农田不同土层土壤速效磷含量在下沉深度1～7 m位置均比正常农田低，其中，下沉深度3 m的土壤速效磷含量下降的幅度最大，不同土层分别达到61.02%和66.65%；而在下沉深度1 m处，不同土层土壤速效磷含量均比正常农田低59.25%和52.90%，这是由沉陷外边缘的剧烈位伸造成的裂缝和土体位移所致。

2.5 不同沉陷程度对土壤速效钾的影响

从图7可以看出，不同下沉深度不同土层土壤速效钾含量的变化趋势基本一致，并且其含量的最低点均在下沉深度3 m处。而从表1可以看出，沉陷农田0～20 cm土壤速效钾相对正常未沉陷农田的变化幅度大于20～40 cm土壤速效钾。不同土层土壤的变异系数分别为13.17%和3.07%，表层土壤的扰动程度明显大于下层土壤。综上所述，由于开采沉陷改变了原有地表形态，沉陷形成盆地，使原本平坦的农地产生附加坡度，从而加剧地表土体物质随地表雨水径流的运移和冲刷。因此，当上中坡侵蚀流失的土壤细颗粒物质（有机质含量高）向沉陷盆地底部积聚，则导致上中坡土壤养分含量下降，而近盆地底部则有增加的趋势。

2.6 不同沉陷程度下土壤化学性状的变异程度

沉陷农田不同土层土壤的不同化学特性的空间变异系数如表2所示。表2显示，0～20 cm土层土壤化学特性的空间变异系数的综合平均值大于20～40 cm土层，分别为9.50%和6.00%，说明表层土壤化学特性的变异程度大，受开采沉陷的影响较大。土壤的不同化学特性的空间变异程度由大到小的顺序是土壤速效磷、土壤速效钾、土壤有机质、土壤全氮、土壤pH值。说明土壤速效磷受开采沉陷的影响较大，土壤pH值受开采沉陷的影响则较小。

表2 沉陷农田土壤化学特性的空间变异系数 %

3 结论与讨论

（1）开采沉陷加速沉陷区农田土壤侵蚀和水土流失，从而显著影响耕地土壤化学特性，受其影响最大的是0～20 cm土层，其次是20～40 cm土层。

（2）沉陷农田不同下沉深度土壤养分受沉陷影响的增减程度不一样，在下沉深度3 m的等高线上，其土壤速效磷养分含量与正常农田相比下降幅度最大，说明该位置受开采沉陷引起的土壤侵蚀现象最严重；而在下沉深度4 m的等高线上，其有机质、速效磷和速效钾等养分含量与正常农田相比均呈阶段性增加的趋势，说明该位置积聚了大量的上中坡侵蚀下移的土壤有机质等养分，导致沉陷中部（即沉陷4 m处）有养分积聚和盐渍化趋势。

（3）在沉陷2 a的沉陷区农田中，不同土壤化学特性受开采沉陷影响的程度不一样，土壤的不同化学特性的空间变异程度由大到小的顺序是土壤速效磷、土壤速效钾、土壤有机质、土壤全氮、土壤pH值。受其影响最大的是土壤速效磷，土壤酸碱性受开采沉陷的影响最小。

［1］白中科，赵景逵.工矿区土地复垦与生态重建[M].北京:中国农业科技出版社，2000:21-147.

［2］胡振琪.山西省煤矿区土地复垦与生态重建的机遇和挑战[J].山西农业科学，2010，38（1）:42-45，64.

［3］乔志伟，李金岚，洪坚平，等.矿区塌陷复垦地土壤养分及酶活性的变化[J].山西农业科学，2011，39（1）:38-42.

［4］焦晓燕，王立革，卢朝东，等.采煤塌陷地复垦方式对土壤理化特性影响研究[J].水土保持学报，2009，23（4）:123-124，145.

［5］薛耀祖，蒲春玲.关于企业社会责任履行的资源富集区政府与企业行为博弈分析[J].天津农业科学，2010，16（3）:50-54.

［6］卢朝东，白文斌，郜春花，等.厚黄土薄基岩型采煤沉陷区农田土壤物理性状空间变异初探 [J].山西农业科学，2010，38（1）:65-67，72.

［7］陈龙乾，邓喀中，许善宽，等.开采沉陷对耕地土壤化学特性影响的空间变化规律[J].土壤侵蚀与水土保持学报，1999，5（3）:81-86.