济宁煤矿区采煤塌陷对土壤有机碳的影响

2018-03-29程亚男李新举

山东农业科学 2018年3期

程亚男李新举

摘要：采煤造成地表塌陷，原地貌发生大的变化，土壤受到严重扰动，致使土壤养分转化和迁移发生较大的空间变异，而土壤有机碳的变化是表征土壤养分的关键因子。土地塌陷对土壤有机碳的影响逐渐成为复垦土壤质量的研究热点问题。本研究选择济宁兖州煤矿区典型塌陷区，采集不同坡位和不同深度的土壤样品，分析土壤有机碳在坡面和垂直剖面上的分布特征及影响因素。结果表明：（1）在坡面上，土壤有机碳呈现出从坡顶到积水边缘迁移，先降低再升高，在塌陷中心富集的变化趋势，采煤塌陷对坡中和坡底部位的土壤有机碳含量影响差异显著（P<0.05）；（2）在垂直剖面上，土壤有机碳含量随着土壤剖面层次的加深而降低，有机碳含量主要集中在0～20 cm土层，占整个土层（0～60 cm）的65.9%，显著高于20 cm以下各层次的有机碳含量（P<0.05）；（3）土壤的不同性质空间变异程度大小排序大致为：有机碳>热导率>含水量>容重>pH值；（4）土壤有机碳与容重、含水量、pH值、热导率均呈负相关关系，其中与含水量的相关性达到显著水平，相关系数为 -0.493*（P<0.05），与容重和pH值达到极显著相关，相关系数分别为 -0.699**、-0.684**（P<0.01），与热导率的相关性不显著。土地塌陷产生的地面坡度已经引起土壤有机碳的流失，土壤肥力下降，土地生產力也随之下降。

关键词：采煤塌陷；土壤有机碳；理化性质；相关性

中图分类号：S153文献标识号：A文章编号：1001-4942（2018）03-0077-06

Abstract The coal mining causes surface subsidence. The original landform changes a lot， and the soil is seriously disturbed， which resulting in soil nutrient transformation and migration at large spatial variation. The variation of soil organic carbon is the key representation factor of soil nutrient. The study on the impacts of land subsidence on soil organic carbon has gradually become a hot issue of reclamation soil quality. In this study， a typical subsidence area in Yanzhou coal mining area of Jining was selected to collect soil samples at different slope positions and depths， and the distribution characteristics and influencing factors of soil organic carbon on the slope and vertical profiles were analyzed. The results were as follows. （1） In the slope direction， soil organic carbon showed decreasing at first and then increasing from the top to the edge of water transfer， and enriched at the collapse center. The effects of mining subsidence on soil organic carbon content on the middle and base of slope had significant differences （P<0.05）. （2） In the vertical section， the content of soil organic carbon decreased with the increase of depth in soil profile. The content of organic carbon was mainly concentrated in the 0～20- cm soil layer， accounting for 65.9% of the whole soil （0～60 cm）， and it was significantly higher than those in the soil layer below 20 cm （P<0.05）. （3） The spatial variability degree of different soil properties are ranked as follows： organic carbon>thermal conductivity>water content>bulk density>pH value. （4） Soil organic carbon were negatively related with soil bulk density， water content， pH value and thermal conductivity， and the correlation with water content reached a significant level with the correlation coefficient as -0.493* （P<0.05）； the correlations with the bulk density and pH value reached very significant levels with the correlation coefficients as -0.699** and -0.684**（P<0.01）； and the correlation with thermal conductivity did not reach the significant level. The land slope caused by land subsidence had already caused the loss of soil organic carbon， which further resulting in decline of soil fertility and land productivity.

Keywords Coal mining subsidence； Soil organic carbon； Physicochemical property； Correlation

煤炭作为我国主要的能源，在推动国民经济快速发展的同时，由煤炭开采所带来的土地塌陷问题也日益突出。煤炭开采形成了大面积的采煤塌陷区，土地大规模塌陷并产生大量的塌陷坑和地裂缝，进而影响到土壤的理化性质，降低了土壤质量[1，2]。为了维持和提高塌陷区的土壤质量，必须要掌握塌陷区土壤质量的变化特征，而土壤有机碳是表征土壤质量的关键因子之一。土壤碳在全球碳循环中至关重要，一方面直接影响着全球的碳平衡；另一方面土壤碳可以改善土壤结构，提高土壤肥力，是植物和各种微生物重要的可利用碳源，对于其生长和活动都具有重要影响[3，4]。因此，它一直是土壤领域研究的热点问题之一。郝从娜等[5]发现高潜水位煤矿区开采沉陷不仅引起区域土地利用与地表覆盖类型的改变，同时还导致了区域总碳储量减少。刘伟红等[6]采用回归分析的方法探讨了不同复垦方向的土壤有机碳含量的剖面分布特征及其与全氮、土壤pH值和w（C/N）的相关关系。

在矿区土壤有机碳研究方面刚刚起步，特别是在高潜水位煤矿区采煤对矿区土壤有机碳的影响、土壤有机碳变异特征和机制等方面缺乏相关研究。因此本试验以济宁兖州煤矿区土壤为研究对象，通过实地调查采集土样，分析塌陷前后的土壤有机碳的变异规律，掌握塌陷区不同位置和不同深度的土壤有机碳分布特征，为塌陷区的治理和土地复垦提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于山东济宁市兖州区，全区气候属于暖温带东亚季风区大陆性气候，四季分明，降水较为充沛[7]。全区境内地下煤炭资源十分丰富，煤炭分布面积大约占兖州区国土面积的37.06%，总储量达到200亿吨以上，是全国八大煤炭基地之一[8]。兖矿集团兴隆庄煤矿区域，由于煤炭长期开采，造成地表塌陷，形成斜坡地或积水区，塌陷年限3年左右，平均塌陷深度近4 m。其中有很多农田耕地也发生了塌陷，形成塌陷裂缝或塌陷坑，甚至有些农田形成了常年性积水区，导致农田废弃[9]。

1.2 樣品采集与处理

2016年6月在研究区内选取典型塌陷盆地采集土样。沿着坡面采集坡顶、坡中、坡底和积水边缘四个部位的土壤样品，每个坡位沿等高线采集4个样点，采样点间距10 m。在每一个采样点按照0～10、10～20、20～40、40～60 cm四层分层采集土壤剖面样品，并采集沉陷盆地周围未塌陷地土壤样品作为对照。同时利用GPS记录样点的经纬度，并记录采样点的周边状况等。取样完成后，采用五点混合，将样本带回实验室，经过自然风干、剔除土壤中的植物根叶、碎石等杂质，研磨、过筛、混匀、装瓶，用于土壤基本理化性状和有机碳的测定。

1.3 测定方法

土壤热导率使用PC-2R多通道土壤热性质记录仪现场观测记录；土壤容重采用环刀法测定；土壤含水量采用烘干法测定；土壤pH值采用pH计测定；土壤有机碳采用重铬酸钾容量法测定。每个指标均重复测量3次，取其平均值。

试验数据采用Microsoft Excel 2007和SPSS 13.0进行统计和分析。

2 结果与分析

2.1 塌陷区土壤基本理化性状分析

采煤塌陷引起矿区地表沉陷，加大了地面坡度，土壤受到扰动，原有的土壤结构遭到破坏，土壤的理化性状等也随之改变[10]。

从图1A可以看出，采煤塌陷使土壤紧实，容重增加，塌陷地土壤容重的变化范围为1.306～1.689 g/cm3。坡顶与未塌陷地差别不大，略有增加（P>0.05）；从坡中到积水边缘，各层次土壤容重逐渐增大，坡底和积水边缘土壤容重比未塌陷地容重分别高出6.1%和9.6%，积水边缘土壤容重最大。垂直剖面上，0～60 cm土壤容重随着土壤深度的增加逐渐增大，从坡顶到积水边缘，深层土壤容重比表层分别高出9.9%、9.4%、10.0%和8.9%，但与未塌陷地差异不显著（P>0.05）。

由图1B可以看出，塌陷地土壤含水量的变化范围为15.2%～30.1%。坡顶0～10 cm土层、坡底40～60 cm土层及积水边缘各层次土壤含水量与未塌陷地对应土层土壤含水量均表现为差异显著（P<0.05）。在坡面上，不同层次的土壤含水量从坡顶到积水边缘逐渐增大，其中坡中的含水量比坡顶增加14.6%，坡底比坡中增加11.6%，积水边缘含水量最高，比坡底增加19.5%，比未塌陷地显著增加38.9%（P<0.05），说明土壤水分沿着沉陷坡面发生迁移。在垂向上，塌陷地土壤含水量与未塌陷地大体呈现相似的变化趋势，随着土层深度的增加而逐渐增大，表层土壤含水量显著低于深层（P<0.05），这是因为土层越深越接近地下水埋藏深度，受地下潜水位影响就越大，因而含水量也就越大。

从图1C可以看出，塌陷地土壤pH值的变化范围在7.56～8.34之间，平均值为8.02，呈碱性，沿着坡面大体呈逐渐增加的变化，到积水边缘pH平均值显著高于未塌陷地（P<0.05）。随着垂向深度的增大，pH值呈逐渐增加的趋势，并且层次之间差异较大（P<0.05），坡顶的pH值深层比表层增加7.2%，坡中增加6.0%，坡底增加6.4%，积水边缘增加2.5%，而未塌陷地pH值深层比表层增加4.8%，所以坡顶、坡中、坡底的pH值深层比表层的增加值大于未塌陷地。

土壤热导率是衡量土壤热性质的重要参数，其会受到土壤质地、温度及含水率等多种因素的影响[11]。由图1D可知，塌陷地土壤热导率的变化范围在0.738～1.682 W/（m·k）之间，其最大值是最小值的2.3 倍，说明热导率在不同坡位和不同深度土壤中变化程度较大。从坡顶到坡底表层热导率降低，深层热导率升高，但都小于未塌陷地的热导率；垂直剖面上，塌陷地和未塌陷地热导率具有相似的变化趋势，热导率随剖面深度大体呈现先升高后降低的变化趋势，最大值出现在20～40 cm心土层，0～20 cm表层和40～60 cm深层显著小于心土层（P<0.05）。表明塌陷会对土壤热导率产生影响，使其略低于未塌陷地热导率。

2.2 塌陷区土壤有机碳特性分析

2.2.1 坡面上土壤有机碳的变化规律由图2看出，研究区土壤有机碳含量在坡面上的变化范围为0.415%～1.618%，沉陷坡土壤有机碳含量平均为1.02%，与对照区相比显著降低20.3%（P<0.05）。沿着坡面土壤有机碳含量的变化规律表现为，坡顶到坡中明显降低，坡中达到最小值，从坡中到积水边缘逐渐升高，沉陷中心明显富集，但仍小于未塌陷地有机碳含量，可能是因为塌陷中心肥力升高、水热条件较好，作物长势旺盛，养分吸收量较高。坡顶与积水边缘两个位置的有机碳含量较高，且与未塌陷地有机碳含量差异不显著（P>0.05），而坡中与坡底两个位置的有机碳含量较低，尤其是坡中有机碳含量最低，显著低于未塌陷地有机碳含量（P<0.05，表1）。有机碳含量的明显损失最先发生在坡中位置，从坡中到积水边缘有机碳含量逐渐增加，这是由于一方面塌陷使原来平坦的土地产生了附加坡度或使原有的地面坡度增大，形成斜坡，有机碳在外营力作用下向下迁移，在下坡汇聚。另一方面，塌陷产生的斜坡，加速了水蚀对土壤颗粒分选性搬运过程，水蚀的发生部位主要在中坡[12]，中坡侵蚀而流失的粉黏粒下移并且在塌陷中心积聚，从而导致该位置的有机碳含量升高。

2.2.2 垂直剖面上土壤有机碳的变化规律由图3可以看出，整个塌陷区域内，土壤有机碳含量随着土壤剖面层次的加深呈现出降低的趋势，类似于未塌陷地土壤有机碳含量的剖面变化，但是各土层有机碳含量均低于未塌陷地相应层次土壤有机碳含量，依次小于未塌陷地19.9%、14.6%、19.9%、30.6%。有机碳含量主要集中在0～20 cm土层，占整个土层（0～60 cm）的65.9%，显著高于20 cm以下各层次的有机碳含量（P<0.05），20～40 cm土层迅速降低，下降幅度约为42.1%，40～60 cm土层变化较为平缓。这表明采煤塌陷会导致土壤各剖面层次有机碳含量降低，尤其是20～40 cm土层有机碳含量降低最为明显，这可能是因为20～40 cm土层土壤由于受地表侵蚀和垂直渗漏作用而无法有效的积累[12]。表层土壤有机碳含量最高，这是因为一般來说，农作物为浅根系作物，它的根系生物量主要集中在表层土壤，并且随着土壤深度的增加而显著减少，因此，通过根系死亡还给土壤的养分数量也会随着土壤深度的增加而相应降低。另外，土壤表层也是农业种植的耕作层，各种农业耕作措施（如施肥、翻地等）主要就在这一土层内进行，导致施用的肥料大多留存在这一土层[13]。

2.3 塌陷区土壤有机碳变异的影响因素分析

由表2和表3可知，不同坡位上，土壤有机碳与土壤基本理化性状空间变异系数变化范围为2.2%～42.5%。容重、含水量、pH值、有机碳的变异系数上坡明显高于下坡，说明上坡土壤性质波动相对较大，受开采沉陷的影响较大；而热导率表现出不同的规律，其变异系数从上坡到下坡先增大后减小，坡底最大，说明坡底的热导率受开采沉陷影响较大。不同深度上，土壤有机碳与土壤基本理化性状空间变异系数变化范围为1.2%～24.7%，总体变异系数较小。容重、含水量、pH值、热导率处于0～20 cm土层的变异系数综合平均值大于20～40 cm土层，后者又大于40～60 cm土层，说明受煤炭开采的影响，表层土壤性质空间变异性较大；而有机碳从表层到深层变异系数先减小后增大，心土层小于表层和深层，说明有机碳的表层和深层受开采影响较大。土壤的不同性质空间变异程度大小排序大致为：有机碳>热导率>含水量>容重>pH值。由此看来，采煤塌陷对研究区有机碳的影响最大，其次是热导率和含水量，再次是容重和pH值。

2.4 土壤有机碳与土壤基本理化性状的相关性分析

塌陷区不同坡位和不同深度土壤有机碳与土壤基本理化性状之间的相关性分析表明，土壤有机碳与容重、含水量、pH值、热导率都呈负相关关系，其中与含水量相关性达到显著水平，相关系数为 -0.493*（P<0.05），与容重和pH值达到极显著相关，相关系数分别为 -0.699**、-0.684**（P<0.01），与热导率相关性不显著。

3 讨论

土壤容重表现为坡底和积水边缘最高，这是由于一方面，矿区地表在下沉过程中，土体不断沉实，坡底和积水边缘塌陷挤压的最早，容重增加最大，而坡顶塌陷挤压的最晚，容重增加最小[14]；另一方面，地表塌陷会形成斜坡，加速了地表径流等土壤侵蚀，上坡的表层黏粒流失填充到下坡的表层孔隙，导致下坡比上坡土壤容重大[15]。表层土壤容重小于深层，这是因为表层土壤因受到耕作扰动的影响，团粒结构较好，而深层土壤很少受到耕作扰动的影响，因而容重较大。

坡顶的土壤含水量略低于未塌陷地，这是因为在塌陷盆地的边缘地区，易产生地表裂缝，增大土壤水分的蒸发和渗漏，造成土壤水分的流失；而从坡中到积水边缘各层次的土壤含水量均高于未塌陷地，并且越往沉陷中心含水量越大，这主要是由于一方面水分沿着坡面自上而下流失，另一方面塌陷会造成地下潜水位上升，地下水会随着土壤毛管作用渗透、移动，从而增加土壤含水量，下沉较大的区域土壤含水量较高，甚至会出现积水现象，所以塌陷区土壤含水量自上坡到塌陷中心逐渐增大[16]。作物正常生长的前提条件是土壤必须含有适宜的水分，但如果含水量过高，则土壤通气孔隙相对减少，将会影响作物根系的呼吸，从而影响到作物的正常生长[17]。

表层土壤的pH值明显小于深层，这是由于一方面土壤表层淀积的腐殖质在腐殖化过程中会产生有机酸[15]，另一方面由于对于偏碱性土壤施用酸性肥料和农家肥进行改良培肥的原因，另外由于深层土壤更靠近地下潜水位，受其影响pH值高于表层。

土壤有机碳含量沿着坡面先降低再升高，坡中位置损失最为明显，空间变异性最大，达到42.5%，这是因为坡中位置土壤侵蚀比较严重，坡中往下的位置接受了来自坡中的侵蚀土壤，有机碳含量升高。这与程静霞[12]的研究结论一致，即开采导致整个沉陷坡土壤有机碳含量的降低与空间变异性增大，坡中最为严重。

土壤有機碳含量随着土壤剖面层次的加深呈现出降低的趋势，并且各土层有机碳含量均低于未塌陷地相应层次土壤有机碳含量，不仅与土壤的侵蚀和渗漏有关，还与塌陷地表作物生物量低有关。塌陷破坏了土壤结构，土壤质量降低，生产力下降，沉陷坡作物耕种输入土壤的有机残体明显少于未塌陷地。

4 结论

4.1 在坡面方向上，土壤有机碳呈现出从坡顶到积水边缘迁移，先降低再升高，在塌陷中心富集的变化趋势。与对照区相比，塌陷坡土壤有机碳含量显著降低20.3%（P<0.05）。采煤塌陷对坡中和坡底部位的土壤有机碳含量影响差异显著（P<0.05）。

4.2 在垂直剖面上，土壤有机碳含量随着土壤剖面层次的加深而降低，有机碳含量主要集中在0～20 cm土层，占整个土层（0～60 cm）的65.9%，显著高于20 cm以下各层次的有机碳含量（P<0.05），20～40 cm土层迅速降低，下降幅度约为42.1%，40～60 cm土层变化较为平缓。

4.3 土壤的不同性状空间变异程度大小排序大致为：有机碳>热导率>含水量>容重>pH值。

4.4 土壤有机碳与容重、含水量、pH值、热导率都呈负相关关系，其中与含水量相关性达到显著水平，相关系数为-0.493*（P<0.05），与容重和pH值达到极显著相关，相关系数分别为 -0.699**、-0.684**（P<0.01），与热导率相关性不显著。

本研究结果表明，在坡面上和垂直剖面上，土壤有机碳含量都发生了不同程度的迁移流失。由采煤引起的塌陷盆地、地裂缝、塌陷洞等地表形态，破坏了地表结构，造成了严重的水养流失，进而导致塌陷区植被破坏，生态环境受损。人们应该重视采煤塌陷问题，采取积极的措施，减少养分流失，恢复土壤质量，尽量将塌陷土地恢复到可耕的状态，保障国家粮食安全。

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