煤矿塌陷区不同复垦年限土壤颗粒组成分形特征

黄晓娜,李新举,刘 宁,2,闵祥宇

(1.山东农业大学资源与环境学院,山东泰安 271018;2.潍坊工程职业学院,山东潍坊 262500)

煤矿塌陷区不同复垦年限土壤颗粒组成分形特征

黄晓娜1,李新举1,刘 宁1,2,闵祥宇1

(1.山东农业大学资源与环境学院,山东泰安 271018;2.潍坊工程职业学院,山东潍坊 262500)

土壤的颗粒组成在某种程度上决定了土壤的结构和性质,为探究不同复垦年限下土壤理化性质的变化规律,以土壤颗粒分形理论为基础,选取邹城市典型采煤塌陷地作为研究对象,统计分析了煤矿塌陷区土壤颗粒分形特征及其与土壤不同粒径含量和土壤养分状况间的关系。结果表明:①随复垦年限增加,土壤理化性质变好,土壤颗粒分形维数增大。②在垂直剖面尺度上,土壤颗粒分形维数与黏粒、粉粒、密度、有机质含量呈极显著正相关关系(p＜0.01),而与砂粒含量、孔隙度呈极显著负相关(p＜0.01),与碱解氮、速效磷、速效钾含量相关性很小。③在时间尺度上,土壤颗粒体积分形维数与黏粒、粉粒、有机质含量、密度存在极显著正相关关系,与土壤碱解氮、速效钾、速效磷呈显著正相关,与砂粒含量、孔隙度呈极显著负相关关系。

土地复垦;颗粒组成;分形维数;相关性

Key words:land reclamation;soil particle composition;fractal dimension;correlation

国外许多研究表明,现代复垦技术研究的重点应是土壤因素的重构而不仅仅是作物因素的建立,为使复垦土壤达到最优的生产力,构造一个最优的土壤条件是最基本的[1-3]。采煤塌陷地复垦土壤要经过一定年限的熟化之后才能达到种植农作物的标准,在土壤颗粒组成方面存在着很大的空间异质性,而土壤结构与性质是表征土壤肥力的一个重要指标。土壤是一个具有不规则形状和典型自相似性特征的系统,具有一定的分形特征[4-7]。应用分形理论来研究土壤的结构性质,不仅可以解决传统方法无法解决的许多问题,而且能够探索土壤学中的新规律,推动土壤形态、过程等复杂问题的解决,并在一定程度上促进土壤的定量化研究。

土壤颗粒组成的分形维数,可以较好地表征土壤粒径大小和质地组成的均匀程度,且土壤颗粒组成直接影响到土壤的某些物理性质和化学性质,进一步反映在土壤密度、孔隙和土壤肥力上[8-10],因此利用分形维数代替土壤颗粒组成来研究其与土壤理化性质的关系提供了可行性。近几年来,分形理论慢慢的应用于土壤领域,例如,吕圣桥以黄河三角洲土壤为研究对象,利用单重与多重分形理论研究了不同利用方式下的土壤颗粒分形与有机质的关系[11],程先富总结了丘陵区土壤颗粒的分形特征,土壤颗粒分形与环境因子的关系变化等[12-13],土壤颗粒组成的分形维数与土壤理化性质的相关性能够进一步揭示土壤颗粒组成的分形维数的内涵,若将土壤颗粒分形维数应用于判断煤炭塌陷区复垦土壤的熟化程度上,作为评判复垦土壤肥力的指标,将具有积极的应用意义[14]。

本文以山东省济宁市邹城的不同复垦年限的典型复垦土壤为对象,研究采煤塌陷地典型复垦地区不同土层土壤的分形特征及其与土壤粒度组成和土壤养分的关系,以期明确不同复垦年限下不同土层土壤分形特征的差异,为合理定量地研究复垦土壤肥力提供新的依据。

1 研究区概况

邹城市位于山东省西南部,土壤采样区土壤类型主要为潮土。全市境内煤炭资源丰富,含煤面积357 km2,占境域面积的22.13%,地下煤炭储量达4亿t,是全国八大煤炭生产基地之一。随着煤炭资源的大规模开采,该市形成了大面积的采煤塌陷地。截至2012年底,塌陷地面积达6 453 hm2,其中绝产面积3 000 hm2。目前,仍以每年166.7～200 hm2的速度增加。

2 材料与方法

2.1 野外采样

在野外实地调查基础上,选择研究区域内煤矸石充填复垦1,3,5,10 a四种复垦年限的地块和一种对照未塌陷地块(图1)。复垦之前,4块塌陷地均为深积水区,经过分割小区—疏干积水—表土剥离—回填矸石—覆土的复垦工艺后,复垦为可耕种土地。调查时,复垦1 a地块为裸地,复垦10 a地块种植杨树,其余地块为农作物种植区。

分别在5个地块内选择标准样地(2 m×2 m)各2个。于2013年4月在选定的样地内按照0～5,5～15,15～30,30～50 cm四层分层采集土壤剖面样品。

2.2 室内分析

实验采用winner2000激光颗粒仪进行土壤颗粒组成的分析。为了大范围的掌握实验样区的土壤颗粒组成状况,量程设计为0～300μm。在土壤样品进行上机测试之前,首先要过1 mm筛,然后称取0.3 g放入20 m L容量瓶中,加入0.25 mol/L草酸钠溶液5 mL,加入蒸馏水定容到20 mL。将容量瓶内的全部溶液加入winner2000激光颗粒仪的加样槽内进行土壤颗粒粒径的分析。

剩余的土壤样品用于其他理化性质的测定。土壤密度、孔隙度用环刀法测定,土壤有机质用重铬酸钾-氧化外加热法测定,碱解氮用扩散法测定,速效磷采用0.5 mol/L碳酸氢钠浸提法测定,速效钾用乙酸铵浸提-火焰光度法测定。

2.3 数据处理

根据激光颗粒仪所获得粒径体积数据,在计算土壤颗粒分形维数时采取的计算公式是王国梁等[15]推导的:式中,V为粒径大于R或小于R的全部土壤颗粒的总体积;r为土壤粒径;VT为土壤颗粒的总体积;λV在数值上等于最大粒径数(常数);D为土壤颗粒的体积分形维数。

最后,运用Excel和SPSS统计分析软件来处理数据及相关性分析。

3 结果分析

3.1 复垦土壤理化性质分析

由于不同复垦年限下土地恢复状况不同,土壤物理性质、养分分布就会呈现不同的规律。

3.1.1 土壤物理性状变化特征

如图2所示,在垂直剖面尺度上,密度随土壤剖面深度增加,整体上呈上升趋势,而孔隙度则相反;在时间尺度上,随复垦年限的增加,密度减小,孔隙度增加。

图2 复垦土壤物理性状时空变异特征Fig.2 The spatial and temporal variability of physical characteristics of reclaimed soil

相同取样层次土壤相比,复垦1 a的地块密度最大,孔隙度最小,这是因为复垦过程中大型机械的使用造成严重的土壤压实;复垦10 a的土壤孔隙状况要好于未塌陷地,因为随着复垦年限的增加,土壤结构逐渐优化,同时由于植物的循环作用和农民的深翻,使复垦10 a的土壤结构状况比较好。

3.1.2 土壤养分变化特征

将不同复垦年限的各层次土壤化学形状进行分析,得到如图3所示的时空变异规律。

图3 复垦土壤化学特征时空变异特征Fig.3 The spatial and temporal variability of chemical characteristics of reclaimed soil

土壤有机质、碱解氮、速效钾和速效磷的含量随着复垦年限的增加,都呈增加的趋势,并且复垦10 a地块的养分含量相对于其他地块是比较高的。简而言之,土壤剖面中,上层土壤养分状况要明显好于下层土壤,复垦年限长的地块要好于复垦年限少的地块。

有机质含量在5块样地中都普遍偏低。其中复垦1 a的土壤有机质平均含量仅为1.1 g/kg,复垦10 a的土壤表层有机质含量相对较高,这是因为树苗的种植使部分落叶堆积造成有机质含量相对偏高,其余地块各层次有机质含量变化不是很大。

碱解氮的含量在复垦地块上下层次的含量变化比较大,未塌陷地的含量层次差异比较小。复垦10 a的土壤中碱解氮的含量最高,因为土壤中碱解氮含量和土壤有机质含量变化有密切关系,碱解氮主要存在于土壤有机质中,碱解氮含量基本由土壤有机质含量所决定。这是因为随着土壤中有机质的逐步矿化,氮元素逐渐被释放出来,从而提高土壤碱解氮含量[18]。复垦10 a的样地有机质含量相对偏高,故碱解氮含量也相对偏高。

与其他大量营养元素相比,土壤磷素含量相对较低。从图3中可以看出,速效磷含量在土壤剖面上呈直线下降趋势,土壤上层比土壤下层高很多,这可能与磷的迁移率小有关。随着复垦年限的增多,速效磷含量也是逐渐增多的。

不同复垦年限的速效钾含量在剖面上也呈减少分布,而复垦土壤速效钾含量变化比较特殊,呈现先增多后减少分布,这是由于速效钾易被土壤吸收,不易流失,但是表层由于淋溶,风吹等作用,表层土壤中速效钾含量少。

3.1.3 土壤颗粒状况变化特征

复垦土壤表土熟化是一个比较漫长的过程,随复垦年限增加,伴随着植被恢复,土壤环境也慢慢的改善。从表1总体来看,在时间尺度上,随着复垦年限的增加,土壤黏粒、粉粒含量增加,砂粒含量减少,在颗粒组成上有细化现象。在垂直剖面尺度上,随深度增加,黏粒、粉粒、砂粒的变化规律也是如此。另外,复垦10 a的地块在土壤颗粒组成上,与未塌陷耕地的相似度达到0.983,说明复垦10 a的耕地结构熟化条件较好,在土壤结构上达到了耕作农田的标准。

表1 不同复垦年限下土壤颗粒组成Table 1 Soil particle com position under different reclamation years

3.2 土壤颗粒分形维数垂直剖面梯度变化

不同复垦年限的土壤颗粒分形维数是不同的,复垦1,3,5,10 a,未塌陷边地的土壤颗粒分形维数分别为2.495 9,2.500 5,2.517 7,2.621 1,2.627 0。图4不仅反映了5种样地间土壤颗粒分形维数在时间尺度上变化的差异性,也反映出同一样地内土壤颗粒分形维数在垂直剖面尺度上的渐序变化规律。

总体上,随着土壤深度的增加,土壤颗粒分形维数逐渐变大。但是复垦1 a和复垦3 a的样地在土壤剖面层次上的土壤颗粒分形维数差异很小,复垦1 a的变化值域(最大值与最小值差值)仅为0.002 3,土壤颗粒分形维数从土层上部到下部有轻微升高的趋势;未塌陷地的值域变化为0.031,也相对比较小;复垦5 a和复垦10 a的土壤颗粒分形维数在垂直剖面上变化较大,变化值域分别为0.049 3,0.096 2,在变化上,呈现随深度增加分形维数逐渐增加的趋势。

图4 土壤颗粒分形维数在土壤垂直剖面上的梯度变化Fig.4 The characteristic of soil particle fractal dimension on the vertical distribution

复垦1和3 a的样地,因为复垦年限小,覆土颗粒在剖面上均质化,变化比较小。未塌陷地内人为活动的原因,造成土壤0～30 cm土壤的均质化,因此分形维数变化很小,变化值域只有0.009,30 cm后才表现出稍大的分形维数差异。另一方面每年土壤未翻动之前,尤其是在冬季,深部土壤未受到风蚀,能保留比表层土壤更多的细粒物质,因此深部的土壤分形维数有稍微的升高。

对于复垦5 a的土壤,由于复垦后客土填充比较松散,表层的细粒物质在各种作用的冲蚀下流失,造成土壤颗粒分形维数比较小,细粒物质也有向下迁移的趋势,使下层分形维数变大。

对于复垦10 a的土壤,分形梯度变化最大。由于种植了杨树,能抑制降雨对于细粒物质的冲洗,而且能阻止大风对土壤细粒物质的吹蚀,因此表层分形维数要比复垦5 a样地高很多,对于深部的土壤而言,由于扰动较少,土壤处于自然演化恢复状态,土体紧实,因此,造成了深部土壤分形维数比表层土壤的要大。

3.3 垂直剖面尺度上土壤颗粒分形维数与其理化性质的相关性分析

在复垦土壤恢复过程中,土壤剖面颗粒分形维数与不同粒径颗粒含量及土壤性状相关分析表明(表2),分形维数与黏粒、粉粒、密度、有机质含量呈极显著正相关关系(p＜0.01),而与砂粒含量、孔隙度呈极显著负相关(p＜0.01),与碱解氮、速效磷、速效钾含量相关性很小。

表2 垂直剖面尺度上土壤颗粒分形维数与土壤性状相关系数Tab le2 The correlation coefficient between fractal dimension and soil properties on the vertical dimension

由土壤颗粒分形维数计算过程可知,分形维数是不同粒径颗粒含量计算的结果,相关分析也表明分形维数与砂粒、粉粒和黏粒相关关系极显著,其中与黏粒的相关系数最高达到0.942 5。从表2中可以看出,土壤剖面的土壤颗粒分形维数和碱解氮、速效磷、速效钾含量的相关性极小,与贾晓红和杨培玲[19-21]等研究的普通土壤的结果有所不同,因为这与煤矿塌陷区的复垦工艺有关。在复垦过程中,底部填充煤矸石、粉煤灰等,表层客土覆盖,可耕种层比较薄,这样就造成了表层土壤中养分含量相对较高,而到达填充层时由于填充物的关系使养分剧降,故在煤矿塌陷复垦区,随深度变化土壤颗粒分形维数与土壤养分的相关性极弱。

3.4 时间尺度上土壤分形维数与其理化性质的相关性分析

整体分析不同复垦年限土壤颗粒分形维数和土壤理化性质之间的关系可发现(表3),土壤颗粒体积分形维数与黏粒、粉粒、有机质含量、密度存在极显著正相关关系,与土壤碱解氮、速效钾、速效磷含量呈显著正相关,与砂粒含量、孔隙度呈极显著负相关。因此分形维数与土壤肥力表现出很强的相关性,土壤颗粒分形维数与有机质、碱解氮、速效钾、速效磷含量均显著正相关,因此可将表征土壤颗粒组成的土壤颗粒分形维数用于作为评价煤矿塌陷区复垦土壤肥力特征的一个因子反映土壤肥力属性的变化特征。

表3 时间尺度上土壤颗粒分形维数与土壤性状相关系数Table 3 The correlation coefficient between fractal dimension and soil properties on the time scale

4 结 论

(1)土壤结构优劣决定于土壤的团粒结构好坏。好的土壤粒径分布均匀,黏粒含量适中,土壤大团聚体含量高。邹城市采煤塌陷地复垦地区,随着土壤剖面深度增加,土壤结构化变差,养分含量逐渐降低。随着复垦年限的增加,土壤慢慢熟化,在物理化学性质上都有逐渐优化的趋势。

(2)在颗粒组成方面,随复垦年限增加,土壤黏粒、粉粒含量增加,砂粒含量减少。同样,在土壤剖面上随深度增加,黏粒、粉粒、砂粒的变化规律也是如此。

(3)复垦1,3,5,10 a,未塌陷地的土壤颗粒分形维数分别为2.495 9,2.500 5,2.517 7,2.621 1, 2.627 0,复垦年限多的土壤颗粒分形维数要大于复垦年限少的土壤颗粒分形维数。复垦1 a跟复垦3 a的样地在土壤剖面层次上的土壤颗粒分形维数差异很小,复垦1 a的变化值域(最大值与最小值差值)仅为0.002 3;复垦3 a的土壤值域变化为0.012 5,也相对比较小;复垦5 a与复垦10 a的土壤颗粒分形维数在垂直剖面上变化较大,变化值域分别为0.049 3, 0.096 2,在变化上,呈现随深度增加分形维数逐渐增加的趋势。

(4)在垂直剖面尺度上,土壤颗粒分形维数与黏粒、粉粒、密度、有机质含量呈极显著正相关关系(p＜0.01),而与砂粒含量、孔隙度呈极显著负相关(p＜0.01),与碱解氮、速效磷、速效钾含量相关性很小。(5)在时间尺度上,土壤颗粒体积分形维数与黏粒、粉粒、有机质含量、密度存在极显著正相关关系,

与土壤碱解氮、速效钾、速效磷呈显著正相关,与砂粒含量、孔隙度呈极显著负相关。因此,土壤颗粒分形维数可以作为一个判断煤炭塌陷区土壤恢复状况,评价其土壤肥力的一个检验指标。

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Characteristics of soil particles fractal dimension under different reclamation years in coalm ining subsidence

HUANG Xiao-na1,LIXin-ju1,LIU Ning1,2,MIN Xiang-yu1
(1.College ofResourcesand Environment,Shandong Agricultural University,Taian 271018,China;2.Weifang Engineering Vocational College,Weifang 262500,China)

Soil particle composition determines the structure and properties of the soil to some extent.To explore the rule of soil physical and chemical properties under different reclamation years,the author analyzed fractal characteristics of soil particles of coalmining subsidence area and its relationship with soil grain distribution and the soil nutrient condition,in a case of the typical coalmining subsidence area in the city of Zoucheng based on the fractal theory of soil particles.The results show that,with the increase of reclamation years,soil physical and chemical properties improve,and the fractal dimension of soil particles increase.On the vertical dimension,the fractal dimension of soil particles and the clay,silt,unitweight or organic matter content present a significant positive correlation(p＜0.01),while the fractal dimension ofsoil particles has significantnegative correlation(p＜0.01)with porosity and sand grain content and the correlation between fractal dimension and alkali-hydrolyzale nitrogen,available potassium or rapidly available phosphorus are very small.On the time scale,the fractal dimension of soil particles has a extremely significant positive correlation with clay,silt,organic matter content and unit weight,and a significant positive correlation with alkalihydrolyzale nitrogen,available potassium and rapidly available phosphorus,but there is a significant negative correlation between the fractal dimension of soil patticles and porosity or sand grain.

X53

A

0253-9993(2014)06-1140-07

黄晓娜,李新举,刘 宁,等.煤矿塌陷区不同复垦年限土壤颗粒组成分形特征[J].煤炭学报,2014,39(6):1140-1146.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.1047

Huang Xiaona,Li Xinju,Liu Ning,etal.Characteristics of soil particles fractal dimension under different reclamation years in coalmining subsidence[J].Journal of China Coal Society,2014,39(6):1140-1146.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.1047

2013-07-24 责任编辑:王婉洁

国家自然科学基金资助项目(41171425)

黄晓娜(1989—),女,山东潍坊人,硕士研究生。E-mail:hxiaona123@163.com。通讯作者:李新举(1965—),男,山东金乡人,教授,博士生导师。Tel:0538-8246203,E-mail:lxj0911@126.com