采煤对油松人工林土壤物理性质与水分的影响

赵娟，郭晋平

（1.山西省林业科学研究院，山西 太原 030012;2.山西农业大学 林学院，山西 太谷 030801)

采煤对油松人工林土壤物理性质与水分的影响

赵娟1，2，郭晋平2

（1.山西省林业科学研究院，山西 太原 030012;2.山西农业大学 林学院，山西 太谷 030801)

以太原市西山油松人工林地为研究对象，对三个开采强度下油松林不同深度土壤物理属性和水分状况进行调查和分析测定，对比分析煤炭开采的影响。结果表明：随着煤炭开采强度的加大，土壤总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度下降，土壤上层和下层容重趋于一致，土壤饱和含水量下降。说明随着煤炭开采强度的加大，导致林地土壤结构变化，损害了林地土壤的保水性能。

煤炭开采;油松林;土壤物理性质;土壤水分

土壤是母质、气候、地形、生物和时间综合作用的结果，为林木根系的空间扩展和养分吸收提供环境，土壤为林木生长提供水分和养分进而影响林木生长，因而土壤物理性质与林木生长密切相关［1］。由煤炭开采造成的地面塌陷，改变了土壤水分运输通道，干旱时水分蒸发加强、水涝时水分下渗加快。大量研究表明，煤炭开采区的土壤水分小于非开采区［2，3］。目前的大多数研究主要通过对土壤剖面不同层次含水量的测定来反映开采区与非开采区土壤水分垂直分布的差异［4］。以煤炭开采量为变量，设置开采强度梯度，从土壤结构的变化作为土壤水分研究切入点的研究还不多见。本文对太原市西山地区三个有油松人工林分布的煤矿区，按照煤炭开采量划分开采强度梯度，分别设置调查样地对样地内土壤进行土壤结构及水分分布研究，以揭示煤炭开采对油松人工林土壤物理性质与水分状况的影响。

1 研究地区概况

本研究的试验观测地点选在太原市西部西山矿区的杜儿坪矿、西铭矿和西曲矿范围内，地理坐标112°19′～112°21′E，37°48′～37°50′N，海拔1470～1576m。研究地区属温带大陆性季风气候区，冬季干冷，多晴天气;春季升温快，日差较大，干旱，多风沙天气，年平均气温7～10℃，无霜期90～170 d，1月份最冷，平均气温－13.6℃，7月份最热，平均气温22.8℃，极端最低气温－25.5℃，极端最高气温39.4℃，年均降水量400～500mm，约60%集中于7～9月。土壤以淡褐土为主。在中国森林区划中，西山林区属于暖温带落叶阔叶林带黄土高原山地松栎林区;在山西省森林区划中，西山林区属于北暖温带落叶松栎林亚地带（山西森林，1995)。

2 研究方法

2.1 采样地的设置与调查

在全面踏查的基础上，根据研究需要，依据西曲矿、杜儿坪矿、西铭矿各煤矿的煤炭开采量统计资料，以单位面积开采量（t·km－2)为指标划分3个开采强度，分别是西曲矿（T1)21.1万t·km－2，杜尔平矿（T2)23.2万t·km－2，西铭矿（T3)28.7万t·km－2。在这三个矿区境内选取试验点，分别选择三块有代表性的样地，样地面积30m×40m，利用GPS定位系统确定样地位置，并对样地进行林分因子调查，样地林分类型均为油松人工林，土壤类型为淡褐土，土壤质地为砂壤土。样地概况见表1。

表1 样地基本情况表Table 1 Site Characteristic

2.2 土壤含水量与物理性状测定

土壤含水量测定，采用常规105～110℃烘干法。

土壤物理属性测定参照国家林业行业标准《森林土壤分析方法》。依据LY／T1215－1999，采用环刀法测定土壤容重、饱和含水量、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、总孔隙度等［5］。

本文所有数据使用SPSS16.0分析软件。对于文中百分比数据采用反正弦转换进行预处理后，再作分析。本文使用的绘图软件为Sigma plot科学绘图软件包。

3 结果与分析

3.1 不同开采强度土壤物理性质比较

对不同开采强度下土壤物理性质进行分析，结果见表2。

表2 不同开采强度矿区土壤物理属性比较分析Table 2 Situation of soil physical properties of different coal mining intensity

3.1.1 不同开采强度土壤容重比较

土壤容重是土壤紧实度的敏感性指标，也是表征土壤质量的一个重要参数［6，7］，它与土壤的孔隙度和渗透率密切相关。在无人为干扰时，表层土壤容重远低于下层，随干扰强度的增加，上下层之间土壤容重趋于接近［8，9］。由表2可以看出，样地内土壤0～10cm、10～30cm、30～50cm三个不同土层深度处的容重差值，随开采强度的增大呈现增大的趋势。T2开采强度下的土壤容重较T1开采强度分别增加了28.18%、11.36%、18.39%;T3开采强度下的土壤容重较T1开采强度下增加了49.09%、28.78%、38.40%。

3.1.2 不同开采强度土壤孔隙度比较

土壤孔隙度的大小、数量及分配是土壤物理性质的基础，也是评价土壤结构特征的重要指标［10］。林地土壤总孔隙、毛管孔隙和非毛管孔隙的比例随人为干扰程度的增加大幅下降［11］。由表2可见，T2开采强度下林地内土壤0～10cm、10～30cm和30～50cm三个不同土层深度处的总孔隙度较T1开采强度下降低了11.91%、1.10%和9.97%;T3开采强度的各层土壤总孔隙度较T1开采强度下降低了30.08%、20.10%和19.35%。T2开采强度下林地三个不同土层深度处的毛管孔隙度较T1开采强度下降低了7.62%、0.85%和10.42%;T3开采强度下三个不同土层深度处的土壤毛管孔隙度较T1开采强度下降低了26.35%、20.08%和19.56%。T2开采强度下三个不同土层深度处的土壤非毛管孔隙度较T1开采强度下降低了52.02%、4.18%和3.78%;T3开采强度下三个不同土层深度处的土壤非毛管孔隙度较T1开采强度下降低了64.81%、20.27%和16.40%。这说明，随着开采强度的加大，土壤容重、土壤总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度随之下降。

3.1.3 不同开采强度土壤饱和含水量比较

土壤饱和含水量也是评价土壤质量的重要指标之一［12，13］。由表2可见，T2开采强度的土壤0～10cm、10～30cm和30～50cm三个不同土层深度处的饱和含水量较T1开采强度下降低了21.23%、0.79%和6.27%;T3开采强度下三个不同土层深度的土壤饱和含水量较T1开采梯度下降低了39.35%、13.61%和20.05%。由此可见，随着开采强度的加大，土壤各层次饱和含水量均呈降低趋势。

3.2 不同开采强度土壤自然含水量比较

对不同开采强度下，0～10cm土壤自然含水量随时间的变化趋势进行分析，结果见图1。

图1 0～10cm处土壤自然含水量变化Fig.1 The curve of soil moisture capacity of 10cm

由图1可以看出，在不同的开采强度下，0～10 cm土壤含水量随时间的变化呈现先降低后升高最后降低的趋势。从数值上可以直观地看出，T1开采强度下土壤自然含水量最高，T2其次，T3最低。这可能是由于开采强度的增加，增加了土壤容重，降低了土壤孔隙度，从而降低了土壤自然含水量。从土壤自然含水量随时间的变化可以看出，在三个开采强度下，土壤自然含水量的变化趋势类似。4月份土壤自然含水量最高，这可能是由于春季地上植被生长相对比较缓慢，耗水量少，冬季的降水能够保留在土壤中。随着时间的推移，地上植被生长逐步进入生长旺盛期，再加上春季降水量偏少，土壤自然含水量随时间持续降低。这种趋势一直持续到6月底至7月初，此时土壤自然含水量降至全年最低。随着雨季的来临，土壤的自然含水量逐步升高，到8月中旬时，升至另一个峰值。随着雨季的结束和水分的散失又高于水分的积累，因此土壤自然含水量开始趋于下降。

由图2可以看出，在不同的开采强度下，10～30cm处土壤含水量随时间的变化呈现先降低后升高最后降低的趋势。从数值上可以直观地看出，T1开采强度下土壤自然含水量值最高，T2其次，T3最低。这两者的原因与0～10cm处原因相同。

图2 10～30cm土壤自然含水量变化Fig.2 The curve of soil moisture capacity of 30cm

方差分析表明，不同开采强度下土壤0～10 cm和10～30cm自然含水量差异都极显著（P＜0.01)，说明在α＝0.05水平上，不同煤炭开采强度对油松人工林土壤自然含水量的影响显著（P＜0.05)。

对三个开采梯度之间的土壤0～10cm和10～30cm的自然含水量进一步做多重比较分析（见表5和表6)。结果显示T1强度下的0～10cm、10～30cm土壤的自然含水量与T2和T3梯度均有显著差异（P＜0.05)。T2与T3强度下的0～10 cm、10～30cm土壤的自然含水量差异不显著（P＞0.05)。

4 结论与讨论

煤炭开采对开采区油松人工林下土壤属性有重要影响，对林地生产力造成了损害，主要表现为以下三个方面：

（1)煤炭开采区油松人工林下土壤各层次总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、饱和含水量均随开采强度的增加而显著降低。

（2)随着煤炭开采强度的增加，上下层土壤容重差值缩小，容重趋于一致。

（3)土壤各层含水量随着煤炭开采强度的增加而减少。

4.1 不同开采强度林地土壤物理性质的变化

关于煤炭开采对土壤物理性质影响的现有研究认为，未受干扰前，土壤上层容重远低于下层，随着干扰强度增加，上下层土壤容重趋于接近［14］。对轻度、中度、重度干扰所造成的土壤孔隙度变化分析得出，随着干扰强度的增加，土壤总孔隙度下降，土壤结构变差［15～18］。

本研究结果表明，煤炭开采对林内土壤容重、孔隙度、饱和含水量都有不同程度的显著影响，导致土壤上下层容重差异减少，且随着开采强度的增加土壤总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度、饱和含水量大幅度降低，开采强度越大，降低幅度越大。煤炭开采使林地土壤物理性质恶化，不利于森林群落的健康和稳定。

4.2 不同开采强度林地土壤水分的变化

关于煤炭开采对土壤水分的影响研究表明，煤炭开采区土壤在6、7月份的含水量最低，可低至3%。降水的入渗方式由非塌陷区的活塞式入渗转变为以捷径式入渗为主。塌陷区土壤垂直裂隙发育，土壤水分蒸散量加大，水分亏损（干燥度)大于非塌陷区。赵红梅在对神府东胜矿区不同塌陷阶段土壤水分变化规律特征的研究中发现，裂缝区土壤水分含量均低于非裂缝区，土壤储水量差异相当大［18］。

本研究对三个煤炭开采强度下林地土壤0～10cm、10～30cm含水量的测定和比较说明，土壤含水量随开采强度加大而降低，土壤水分动态变化规律与降水量动态和植物生长规律密切相关。

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The Impact of Coal Mining on Soil Physical Properties and Water Content in Artificial Pinus Forest

ZHAO Juan1，2，GUO Jin-ping2
（1.ShanxiAcademyofForestrySciences，TaiyuanShanxi030012，China;2.CollegeofForestry，ShanxiAgriculturalUniversity，TaiguShanxi030801，China)

The study put the soil in artificial forest land in Tai Yuan East Mountain as research material.In this study，locating the plots with three gradients coal mining，the soil physical properties and water content in different depths were investigated and analysed.The results showed that with the increased intensity of coal mining，total porosity，capillary porosity，non-capillary porosity in the soil decreased，the upper and lower soil bulk density tended to be identical，soil saturation moisture content decreased.The results suggested quantitatively that the increase of coal mining changed soil structure and damaged soil water retention.

Coal mining;Pinus forest;Soil physical properties;Soil moisture

S714.2

A

1671-8151（2011)06-0532-05

2011-10-10

2011-11-08

赵娟（1982-)，女（汉)，山西阳泉人，硕士，助工，主要从事生态学、植被恢复方面的研究。

郭晋平，教授，博士生导师。Tel：0354- 6286909;E-mail：jinpguo＠sohu.com。

国家林业局948“矿区植被退化监测评价技术引进”项目（2009-4-31)

（编辑：武英耀)