风沙区采煤扰动下土壤养分含量的演变特征

赵 瑜，袁玉敏，陈 超(中国矿业大学(北京)土地复垦与生态重建研究所，北京 100083)

风沙区采煤扰动下土壤养分含量的演变特征

赵 瑜，袁玉敏，陈 超
(中国矿业大学(北京)土地复垦与生态重建研究所，北京 100083)

为揭示超大工作面开采过程中采煤沉陷对土壤养分影响的演变特征，并为矿区生态自修复研究提供理论参考。选择大柳塔矿某综采工作面，分别对开采前、开采过程中、开采结束及地表稳定后这一煤炭开采全周期的对照区及沉陷区进行取样，对比分析土壤养分含量。结果表明：土壤pH值随开采进度呈增大趋势，地表稳定后逐渐降低；有机质、速效磷及全氮随开采程度呈先降后增的趋势；速效钾一直呈增大的趋势，与有机质、全氮及速效磷变化趋势不一致。地表稳定后土壤养分含量与对照区基本趋于一致，表明沉陷区土壤养分具有一定的自修复特征。

采煤沉陷；土壤养分；开采进度；风沙区

煤炭开采在促进国民经济增长的同时，也不可避免的对生态环境造成一定破坏[1-3]。随着我国能源战略西移，西部地区生态承载力低，极易受干扰，导致煤炭开采对西部生态脆弱区的环境损伤日益严重[4]。风沙区大规模煤炭开采导致地表产生大量裂缝[5]，诱发土壤、水、植被等要素发生变化[6]，其中采煤沉陷对土壤理化性质影响显著，而土壤理化性质又是反映矿区生态环境变化的直接要素[7]。由于采煤沉陷对矿区正向效应不明显，诸多学者对采煤沉陷对土壤理化性质影响认识不同，魏婷婷等[1]认为采煤沉陷导致风沙区土壤全氮、速效磷、速效钾含量显著降低，吴艳茹[8]认为采煤沉陷加速土壤侵蚀过程，简兴等[9]认为采煤沉陷加速土壤养分流失，刘哲荣等[10]认为虽然采煤沉陷对土壤理化性质有显著影响，但其影响随沉陷年限的增加与未沉陷区逐渐趋于一致，而臧荫桐等[11]研究表明采煤沉陷对风沙区土壤化学性质影响较小(全氮、全磷)或无明显影响(全钾、有机质)。上述研究多从静态角度研究土壤理化性质的变化，而沉陷对表层土壤的影响非常复杂，会因坡位、土层深度、沉陷时间、沉陷程度及同一沉陷程度下裂缝两侧破坏程度、植被类型等因素的不同而有一定差异，不同开采进度下土壤理化性质对采煤沉陷的响应特征尚不清晰。已有研究多集中在煤炭开采对土壤含水量、有机质含量、天壤孔隙比及容重等指标的影响方面[12]，而且西部生态脆弱矿区采煤沉陷土地损伤特点与中东部矿区有所不同[13]，因此针对西部生态脆弱矿区的采煤沉陷地土壤养分含量研究就极为必要。以风沙区大柳塔矿某综采工作面为研究对象，通过对采前、采中、开采结束及地表稳定后的对照区及沉陷区土壤养分含量的比较，试图揭示不同开采进度下土壤化学指标与采煤沉陷的响应特征，为风沙区土地复垦与生态修复提供理论参考。

1 研究区概况

1.1 研究区自然概况

神东矿区地处晋、陕、蒙三省(区)接壤处，位于毛乌素沙漠东部边缘，地理坐标为东经109°51′～110°46′，北纬38°52′～39°41′，总体地势北高南低。矿区地处能源“金三角”核心，是世界唯一的2亿t级现代化矿区[9]。矿区干燥少雨，年平均降雨量和蒸发量分别为413.5 mm和2 111.2 mm，植被稀少，且以沙蒿、柠条﹑沙柳等典型荒漠植被为主，属典型干旱、半干旱荒漠高原大陆性季风气候。研究区风积沙地占总面积的85%以上，土壤组成结构较粗，透水透气性较强，土壤肥力低，且保水保肥性较差。荒漠化沙漠化严重，易受水蚀与风蚀，流动性强。煤层赋存条件呈现出浅埋深、厚煤层以及近水平等[14]特点，采用长壁开采、垮落式顶板管理方式，日推进速度可达12 m左右，属于典型的高强度、超大工作面开采的范畴[15]。

1.2 研究区沉陷状况

在超大工作面开采条件下，研究区开采沉陷情况符合一般开采沉陷学的规律，开采引起的土地形变包括连续移动变形和非连续移动变形。随着煤炭的大规模开采，研究区地表出现沉陷盆地(含均匀沉陷区和非均匀沉陷区)，地表非连续移动变形主要表现为大范围不同疏密程度的采煤沉陷地裂缝。实地调查发现，地裂缝损害较为严重，宽度为13.2～58.8 mm，可见深度最大为412 mm。均匀沉陷区采煤沉陷动态地裂缝在自然营力作用下逐渐闭合，呈现自修复特征，盆地边缘的非均匀沉陷区则需要修复[15]。

2 研究方法

2.1 试验样地情况

研究区选在大柳塔矿某综采工作面，由于沉陷由采煤活动引发，所以通常情况下地表沉陷区与其下方采空区一致。现分别对该工作面未开采(2013年7月)、开采中(2013年11月)、开采结束(2014年5月)，以及地表稳定后(2015年6月)这四个时期的研究区进行样区划分(未扰动区为对照区、沉陷区)，样区均选裸露平坦沙地，避开沙丘、结皮以及沙蒿等植被的影响。

2.2 样品采集与处理

根据开采沉陷预计情况及已有资料，将沉陷区分为开切眼(KQ)和工作面(GZ)，同时选择邻近的未沉陷区作为对照区(CK)。开切眼布设4个取样点，工作面布设12个取样点，对照区布设3个取样点，并记录采样点空间坐标，便于准确进行多期采样，选取离地表约20 cm的表层土壤，在每个取样点周围取3个平行样，采样点选在地表较为平缓的区域，避免坡度对土壤特性的影响。工作面开采时间为2013年9月，考虑到采煤沉陷对土壤化学性质影响有一定的滞后性[16]，采样时间确定为采前(2013年7月)﹑采中(2013年11月)﹑采后(2014年5月)，以及地表稳定后(2015年6月)。研究区内具体点位布设情况如图1所示。

图1 研究区具体点位布设情况(数据来源：文献[17])

将土壤样品分别置于密封袋中，置阴凉处晒干后除去表层可见植物残体，利用1 mm和0.149 mm的孔径筛分别对土样过筛，于常温下保存、备用。

2.3 测定方法与数据处理

土壤化学指标的测定：有机质采用重铬酸钾法进行测定，速效磷采用NaHCO3浸提—钼锑抗比色法测定，速效钾采用NH4COOH浸提—火焰光度计法测定，全氮采用开氏法测定，pH值采用pH值酸度计法测定。运用SAS 9.2、SPSS 17.0和Originpro 8.5等软件对最终数据进行相关统计、方差分析和图形处理，显著性水平设定为P<0.05。

3 结果与分析

3.1 土壤有机质的变化

土壤有机质含量的高低，是评价土壤肥力高低的一个重要指标[18]。研究区内不同开采进度下土壤有机质变化状况见图2。相比于对照区，从开采前到地表稳定，沉陷区土壤有机质先减少后增加。其中，开采中沉陷区(KQ、GZ)土壤有机质显著小于CK(对照区)(P<0.05)，开采结束后GZ区土壤有机质含量超过对照区，地表稳定后GZ区土壤有机质又小于对照区。处于开采中各样区土壤有机质的含量显著低于未开采时，分别降低52%、70%和69%。张发旺等[5]对西北黄土高原矿区和黄河以北平原矿区的研究表明矿区地表塌陷产生的裂缝改变了土壤的质地和结构，因此可能是由于该过程受采煤扰动影响较为严重，采煤沉陷产生的浅层裂缝提高了土壤的通气性，土壤微生物在氧气充足的条件下活动加剧，产生大量转化酶，从而加快了土壤有机质分解速度，导致有机质含量显著下降。开采结束沉陷区与对照区有机质含量差异不显著，在地表稳定后，两者有机质含量存在显著性差异，但其变化趋势与未开采时基本一致。有机质的含量在开采后逐渐增加，但是可能由于采煤沉陷对有机质的影响较大，导致其恢复有一定的滞后性，有待进一步研究。研究结果表明：在短期内沉陷对土壤有机质有破坏作用，随地表移动变形稳定，沉陷区土壤有机质含量逐渐增加，与未开采时各样区变化趋势一致。

(注：图中字母表示同一指标多重比较，字母相同表示差异不显著，字母不同表示差异显著(P<0.05))图2 土壤有机质的变化

3.2 土壤全氮的变化

土壤全氮含量不仅用于衡量土壤氮肥的基础肥力，还能反映土壤潜在肥力的高低，因此分析土壤中全氮的含量是评价采煤沉陷前后土壤肥力的重要依据[16]。如图3所示，不同开采进度下沉陷区土壤全氮与土壤有机质的变化趋势基本一致。与对照区相比，全氮含量在不同开采进度下有所降低。开采中沉陷区的土壤全氮含量显著降低，相比于对照区，KQ区减少25%，GZ区减少16%；地表稳定后沉陷区的土壤全氮含量有所增加，基本恢复至采前水平，相比于开采中的沉陷区，KQ区增加21%，GZ区增加13.5%，且与对照区差异不显著。这表明采煤沉陷造成土壤全氮流失，沉陷区氮元素下降可达到极显著水平，流失率在20%左右，沉陷区地表稳定后裂缝闭合消失，土壤全氮流失减弱并逐渐开始恢复，土壤全氮含量逐渐增加与未开采时变化趋势基本一致，表明土壤中全氮可恢复至采前水平。

(注：图中字母表示同一指标多重比较，字母相同表示差异不显著，字母不同表示差异显著(P<0.05))图3 土壤全氮的变化

3.3 土壤速效磷的变化

土壤养分中的速效磷易被作物吸收，其含量直接反映土壤的质量状况[18]。由图4可知，从开采前到地表稳定后土壤速效磷含量总体呈先减小而后增大的趋势，开采中沉陷区土壤速效磷含量显著小于对照区，土壤速效磷流失率在50%左右；开采结束后沉陷区与对照区差异不显著，基本恢复至采前水平。可以看出，沉陷对土壤速效磷含量有较大影响，采煤沉陷造成土壤速效磷流失，导致土壤中速效磷含量降低，但随着开采结束趋于稳定，速效磷含量逐渐增加，可恢复至采前水平。

3.4 土壤速效钾的变化

土壤速效钾是衡量土壤肥力的重要指标[18]。由图5可知，土壤速效钾与有机质、全氮和速效磷含量的变化趋势不一致，从采前到开采结束后土壤速效钾含量逐渐增大，且地表稳定后土壤速效钾含量大幅度高于采前水平，这一变化与有机质、全氮和速效磷含量的变化规律不一致，有待进一步研究。

(注：图中字母表示同一指标多重比较，字母相同表示差异不显著，字母不同表示差异显著(P<0.05))图4 土壤速效磷变化

(注：图中字母表示同一指标多重比较，字母相同表示差异不显著，字母不同表示差异显著(P<0.05))图5 土壤速效钾变化

3.5 土壤酸碱度的变化

土壤pH值是评价土壤质量的重要基本定量化学指标[18]，也是土壤化学特性中表示土壤酸碱度的一个重要指标，通常用土壤溶液中氢离子浓度的负对数表示[16]。由图6可知，研究区土壤pH值偏高，普遍呈现碱性或强碱性。采前、采中、采后及地表稳定后对照区与沉陷区土壤pH值无明显差异，但采中和采后土壤pH值均比采前和地表稳定后高，这是因为沙质土壤土质相对疏松，沉陷引起土壤含水量减少，导致土壤中游离态H+含量减少，致使土壤pH值增大。但在地表稳定后土壤pH值又减小，基本恢复至采前状态，可能是由于随沉陷变形趋于稳定，土壤中微生物的活动及酶活性的增强，土壤中游离态H+含量增加，导致土壤pH值偏小。由数据分析可知，沉陷对pH值的影响虽然不够显著，但是仍然有一定差异。

(注：图中字母表示同一指标多重比较，字母相表示差异不显著，字母不同表示差异显著(P<0.05))图6 土壤pH值变化

4 结 论

1)土壤有机质、全氮、速效磷在开采过程中明显减小，随采煤结束到地表稳定之后则逐渐增大，可基本恢复至采前水平；有机质、全氮、速效磷这三个指标在不同开采阶段均是开切眼区域最小，原因是开切眼区样点临近塌陷拐点，极易发生漏水漏肥现象[5]。土壤pH值在开采中达到强碱性，但随采煤结束到地表稳定后土壤pH值又减小，基本恢复至采前状态。

2)土壤速效钾含量从采前到地表稳定呈递增的趋势且其含量超过采前状态，开采过程中，地表干扰程度最大并产生大量裂缝，漏水漏肥情况较为严重，土壤速效钾含量变化趋势异常，这与有机质、全氮和速效磷的变化趋势不一致，有待进一步研究。

3)采煤沉陷在短期内对矿区土壤养分有负面影响，但部分负面影响会随开采进度逐渐减弱，地表稳定后沉陷区土壤养分指标可逐渐恢复至采前水平，沉陷区表现出较强的自修复能力。

[1] 魏婷婷，胡振琪，曹远博，等.风沙区超大工作面开采对土壤及植物特性的影响[J].四川农业大学学报，2014，32(4)：376-381.

[2] 台晓丽，胡振琪，陈超.西部风沙区不同采煤沉陷区位土壤水分中子仪监测[J].农业工程学报，2016，32(15)：225-231.

[3] 胡振琪，陈超．风沙区井工煤炭开采对土地生态的影响及修复[J].矿业科学学报，2016，1(2)：120-130.

[4] 陈超，胡振琪，台晓丽，等.风积沙区土地生态损伤自修复能力评价[J].中国煤炭，2015，41(10)：124-128.

[5] 张发旺，侯新伟，韩占涛，等.采煤塌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.

[6] 周莹，贺晓，徐军，等.半干旱区采煤沉陷对地表植被组成及多样性的影响[J].生态学报，2009，29(8)：4517-4525.

[7] 谢元贵，车家骧，孙文博，等．煤矿矿区不同采煤塌陷年限土壤物理性质对比研究[J].水土保持研究，2012，19(4)：26-29.

[8] 吴艳茹.半干旱地区采煤塌陷对土壤性质影响进展研究[J].内蒙古师范大学学报：哲学社会科学版，2011，40(5)：109-112.

[9] 简兴，王玉良，王松.淮北市采煤塌陷区土壤养分状况[J].城市环境与城市生态，2011，24(2)：43-46.

[10] 刘哲荣，燕玲，贺晓，等.采煤沉陷干扰下土壤理化性质的演变 ——以大柳塔矿采区为例[J].干旱区资源与环境，2014，28(11)：133-138.

[11] 臧荫桐，汪季，白彤，等.采煤塌陷后风沙区土壤水分的环境变异性研究[J].干旱区资源与环境，2009，23(6)：151-156.

[12] 郄晨龙，卞正富，杨德军，等.鄂尔多斯煤田高强度井工煤矿开采对土壤物理性质的扰动[J].煤炭学报，2015，40(6)：1448-1456.

[13] 胡振琪，龙精华，王新静.论煤矿区生态环境的自修复、自然修复和人工修复[J].煤炭学报，2014，39(8)：1751-1757.

[14] 徐友宁，吴贤，陈华清.大柳塔煤矿地面塌陷区的生态地质环境效应分析[J].中国矿业，2008，17(3)：38-40，50.

[15] 王新静，胡振琪，胡青峰，等.风沙区超大工作面开采土地损伤的演变与自修复特征[J].煤炭学报，2015，40(9)：2166-2172.

[16] 周瑞平.鄂尔多斯地区采煤塌陷对风沙土壤性质的影响[D].呼和浩特：内蒙古农业大学，2008.

[17] 袁玉敏，陈超，台晓丽，等.超大工作面采煤对风沙区表层土壤理化性质的影响[J].内蒙古煤炭经济，2016(S1)：94-95.

[18] 粟丽，王曰鑫，王卫斌.采煤沉陷对黄土丘陵区坡耕地土壤理化性质的影响[J].土壤通报，2010，41(5)：1237-1240.

Evolution characteristics of soil nutrient contents due to coal mining in windy and sandy region

ZHAO Yu，YUAN Yumin，CHEN Chao

(Institute of Land Reclamation and Ecological Restoration，China University of Mining and Technology(Beijing)，Beijing 100083，China)

To reveal the evolution characteristics of impacts of mining subsidence on soil chemical properties induced by super-large working face，which would provide a scientific basis for ecological self-healing in mining area.Samples were taken from certain Daliuta working face，including pre-mining，mining，post-mining and surface stability in control area and mining area respectively，and the data were analyzed for soil nutrient contents.The results show that：soil pH value increased with the extension of exploitation schedule and then gradually inclined in the period of surface stability；organic matter，available phosphorus and total nitrogen inclined first and then increased with the extension of exploitation degree；available potassium continuously increased which was different from other indexes.Soil nutrient contents were basically consistent with control area after surface stability，and it shows certain self-heal ability.

mining subsidence；soil nutrient；exploitation schedule；windy and sandy region

2016-12-28 责任编辑：赵奎涛

国家自然科学基金委员会-神华集团有限责任公司煤炭联合基金项目资助(编号：U1361203)

赵瑜(1994-)，女，山西河曲人，硕士研究生，现从事土地复垦与生态重建方面的研究。

X53

A

1004-4051(2017)06-0084-04