西南喀斯特地貌区采煤沉陷对稻田的影响研究

成六三

(重庆工程职业技术学院,重庆 江津 402260)

煤炭资源的开采对区域的社会经济发展做了突出贡献,但随着社会经济发展水平和模式的改变,开采完煤炭资源引起的环境地质问题已引起了全社会的关注[1-2],其中土地资源的损毁强度和规模尤为突出,据不完全统计,在过去50多年时间里,采煤造成土地资源损毁面积达上百万公顷[3],已严重影响区域粮食生产能力,因此,开展采煤沉陷区土地复垦研究成为政府和学者关注的热点之一[4]。

采煤沉陷区土地损毁的方式和特征受区域的地貌地形、地质条件以及土壤性质等方面综合决定的,在西北黄土高原区、南方的平原区、东北黑土区以及中原的平原区等的土地复垦技术和模式都存在较大的差异[5-9]。而在西南喀斯特地貌区由于地形的复杂性,导致采煤沉陷区土地损害模式更加复杂[10],加之喀斯特地貌的稻田土壤形成条件和水源生产力要素多以区域地质条件为基础,形成的喀斯特地貌的不同海拔高度的洼地、谷地以及泉水[11]。在采煤沉陷期间,其地表稻田土壤层和稻田灌溉水源的地质基础条件发生变化,必将导致稻田土壤剖面层结构和灌溉水源泉水赋存介质的改变,最终严重影响到稻田水文过程的变化,造成稻田转变为旱地的土地退化模式和水资源短缺问题[12]。针对以上土地复垦问题,一些学者对西南采煤沉陷区对土地损毁特点、农田土壤物质性质、土壤入渗、稻田生产能力以及复垦模式等方面进行研究探讨,对这一地区采煤沉陷区土地复垦工作起到了积极的意义。但这些研究都弱化了一个重要水文要素的完整过程变化[13],因为水稻一个生长过程会影响到稻田水文变化,更影响着稻田复垦旱地或水田的方向,使稻田水文效应研究基本上处于破碎化和不够系统化。因此,本文将以水稻的一个生长期内,对比分析稻田的水文过程变化及其影响因素分析,来阐述喀斯特地貌区采煤沉陷对稻田的水文效应变化,旨意为这一地区水田复垦提供理论与实践指导意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区为重庆市东南部的松藻煤电集团下矿区(E 106°45′～E 106°51′,N 28°38′～N 28°46′),面积为235.5 km2,井下煤炭资源设计开采量为1.08×107t/a,已开采50多年,对地方社会经济发展作出了巨大贡献。研究区属于典型的西南山地喀斯特地貌区,在开采煤层顶板以上主要为嘉陵江组和长兴组的灰岩,开采煤层底板以下主要为茅口组灰岩,这顶底板地层岩溶非常发育,在地表有形成的典型岩溶洼地、石牙、峰丛、谷地以及溶蚀槽坝地等,地形为中低山、剥蚀、侵蚀切割地形,稻田主要分布在河谷阶地、平坝、溶蚀溶蚀槽坝内以及少量岩溶洼地,稻田土壤类型为典型的紫色水稻土、紫色土以及黄壤、潮土等,耕作层厚度差异较大,约为15～100 cm。年均降雨量1 241 mm,年均蒸发量1 024 mm,年均气温15℃,属于亚热带湿润气候。研究区地表分布上千泉眼,溪河纵横,流量大小不一,水资源较为丰裕,为稻田灌溉和人畜饮水的重要水源。地下水多以潜水、岩溶和层间裂隙水为主。

井工开采50多年来,已形成大面积沉陷区,据2012年相关统计,矿区地表水和地下水不同程度受损面积达100 km2,10条以上溪河漏水断流,地下水水位最大降幅超过400 m,地表灌溉沟渠12 000多m不同程度下沉损坏,导致采煤沉陷区4 000 hm2稻田转变为旱地或撂荒,给当地的农业生产和人畜饮水造成严重影响,非常不利于矿区的社会经济生态的协调发展[14]。

1.2 试验设计

为探索研究采煤沉陷对稻田的水文效应及其影响因素分析,采用现场原位观测,将采煤沉陷未损坏的稻田设置1组为对比(自采煤沉陷以来稻田未出现任何影响)且3个重复分别为1-1,1-2,1-3,将采煤沉陷区损坏稻田设置2组(20年前采煤沉陷,稻田出现漏水,无法蓄水,但现已经完成沉降,属于稳定沉陷区),每组有3个重复分别为2-1,2-2,2-3,其基本属性如表1所示。2018年进行大田种植试验,在水稻生长期内测试了稻田土壤物理性质、田间土壤入渗系数、灌溉水量、每次灌溉下田间下渗时间、降雨量、蒸发量以及水稻根系生物量、秸秆生物量和产量等指标。

表1 采煤沉陷区稻田基本属性

1.3 研究方法

1.3.1 稻田土壤样品采集与物理指标测定

2018年12月对1-1,1-2,1-3,2-1,2-2,2-3稻田进行了土壤采样。由于正常稻田土壤厚度较大,非正常稻田土壤厚度普遍较薄,因此,稻田土壤取样分为两层,即0～15 cm、15～30 cm,采样方法采用“S”形布点,每个点位每层均采取 2～3个土样,充分混合后,“四分法”取 1 个样品,将采集的土样带回实验室,风干、分选、去杂,再分别过 0.25 和 1 mm 土壤筛备用。室内测量采集土壤样本的容重、含水率及机械组成等物理性质。稻田土壤样品的物理性质测定包括土壤容重、总孔隙度、含水率(质量含水率)和土壤机械组成。其中,土壤容重、总孔隙度和含水率的测定采用环刀烘干法;土壤机械组成的测定采用比重计法,但由于表土受人类活动影响较大,所以仅测定15～30 cm的土壤机械组成。

1.3.2 稻田犁底层土壤入渗率测定

2018年12月对1-1,1-2,1-3,2-1,2-2,2-3稻田进行了土壤入渗率测定试验。采用了野外测定包气带非饱和松散岩层渗透系数常用的双环法试验法。6块水稻田选取5个点做入渗点,共30个测试点,正常与非正常稻田各15个。土壤渗水试验的原理是在一定的水文地质边界以内,向地表松散岩层进行注水,使渗入的水量达到稳定,即单位时间的渗入水量近似相等时,再利用达西定律的原理求出渗透系数(K,m/d)值,具体的计算公式如下[15]:

(1)

(2)

式中:Q为稳定渗流量,m3/d; W为渗坑内环的渗水面积,m2;Q与W比值为V,即渗透速度,m/d;I为水力梯度(沿渗透路径水头损失与渗透路径长度的比值);Hk为水向干土中渗透时,所产生的毛细压力,以水柱高表示,m,可根据不同岩性确定;Z为渗坑内环水层厚度,m;L为在试验时间段内,水由试坑底向土层中渗透的深度,m。

试坑为圆形(底面积 0.3～0.5 m2),高 30～50 cm,按双环法渗水试验原理安装好试验装置,控制流量连续均衡的注水于内、外铁环内,并保持内外环的水柱都保持在同一高度,按一定的时间间隔观测渗入水量。开始时因渗入量大,每隔 2 min 观测 1 次,稍后每隔 10 min观测 1 次,直至单位时间渗入水量达到相对稳定,再延续 2～4 h 结束试验。渗透系数根据稳渗后单位时间内渗入坑底的水量推算。

1.3.3 其他指标测定方法

2018年3-10月,灌溉水量用水量计进行测量;每次灌溉下田间下渗时间采用秒表进行观测;降雨量是用雨量计测定;蒸发量以直径为20 cm的蒸发皿测定;8月对水稻根系生物量进行了测定;11月对稻田的秸秆生物量和产量进行烘干测定。

2 结果与分析

2.1 稻田土壤剖面物理特性

由表2分析,从土壤容重来看,经采煤沉陷稳定后,正常与非正常稻田土壤容重都随土层深度(0～30 cm)增加略有增加,这是由于稻田土壤剖面经耕作淋溶、积淀等过程形成的,但在同一深度时,正常稻田土壤容重稍低于非正常稻田土壤容重,且随土层深度增加,这一趋势较明显。这是由于采煤沉陷导致土壤剖面产生不同程度的微裂隙[16],加速土壤上层黏粒淋溶所造成,但在稻田耕作层(0～30 cm)内,总体上采煤沉陷未对稻田土壤容重产生影响;对土壤含水率而言,正常稻田土壤含水率普遍比非正常稻田土壤含水率高,且随土壤深度增加略有增高的趋势,虽然影响土壤含水量的因素较多,但主要可能是由于采煤沉陷后土壤层产生的微裂隙的原因;正常稻田土壤孔隙度在土壤剖面层次比非正常稻田土壤孔隙度略高的规律,其形成规律与土壤容重基本一致。

表2 稻田土壤物理特性

由于稻田表土层(0～15 cm)受人为耕作活动的影响较大,未进行土壤机械组成分析。在稻田土壤剖面15～30 cm深度,正常与非正常稻田土壤机械组成的比例大致一致,黏粒含量占比最多,砂砾含量占比最少;但非正常稻田黏粒含量普遍比正常稻田黏粒含量略高3%左右。这可能由于采煤沉陷导致局部稻田土壤层微裂隙较大,黏粒随土壤水淋溶而下沉,但整体上对比正常与非正常稻田土壤机械组成变化来看,采煤沉陷对稻田土壤机械组成的影响甚微。

2.2 稻田犁底层入渗参数的空间变异性

对野外稻田土壤的表层土(0-15cm)进行了清除,统计了正常与非正常稻田犁底层土壤入渗参数如表3所示。正常稻田犁底层入渗系数均值在11.625mm/min,样本的最大值是最小值的3倍左右,变异系数0.475,属于中等变异程度,这表明正常稻田犁底层入渗系数具有一定的空间异质性,除了人工耕作因素外,喀斯特地貌的复杂性也是犁底层特性的原因之一;而非正常稻田土壤犁底层入渗系数均值为62.718mm/min,且入渗系数最大值是最小值的6倍,变异系数0.297,低于正常稻田的变异系数,但也属于中等变异程度,这表明采煤沉陷造成稻田土壤层微裂隙,损坏了稻田犁底层物理特性,加快了表层土壤水分快速下渗,引起稻田土壤含水率下降。对比正常与非正常稻田犁底层土壤入渗系数,非正常稻田犁底层土壤入渗系数均值是正常稻田犁底层土壤入渗系数的6倍,最大值相差10倍多,这也进一步表明采煤沉陷对局部稻田犁底层土壤入渗系数产生了较大的影响。

表3 稻田犁底层土壤入渗参数统计特征

2.3 水稻生长期水量分析

由表4分析,在一定气候条件下,正常稻田水稻在生长期内的总需水量为降雨量和灌溉量,总均值为672.7 mm,每平方米水稻需水8.53 mm/m2,非正常稻田水稻在生长期内的总水量均值为945 mm,每平米水稻需水11.2 mm/m2,非正常稻田比正常稻田水稻需水量每平米多2.67 mm/m2,每公顷就要多灌溉26.7 m3的水量。在采煤沉陷区内种植非正常稻田就需要更多的灌溉水量。

表4 水稻生长期水量统计

2.4 稻田生物量与产量分析

由表5分析知,正常稻田产量均值为1.23 kg/m2,非正常稻田产量为0.92 kg/m2,则每公顷多产3 100 kg水稻,这表明采煤沉陷对水稻产量影响较为明显;从秸秆重生物量来看,正常稻田秸秆生物量干重为0.77 kg/m2,非正常稻田产量为0.65 kg/m2,正常稻田比非正常稻田的秸秆生物量干重多0.12 kg/m2,则每公顷多产出1 200 kg秸秆生物量干重;再从稻田的单株水稻根系生物量干重来分析,正常稻田的单株水稻根系生物量干重均值为3.18 g,非正常稻田单株水稻根系生物量干重均值为1.44 g,正常稻田单株水稻根系生物量干重均值比非正常稻田的多1.74 g,这表明采煤沉陷引起的稻田土壤环境严重影响了水稻根系的正常生长。综合三者因素分析,采煤沉陷对局部水稻生产产生较大的影响。

表5 水稻生物量与产量统计

3 结语

采煤沉陷导致采空区地表下沉、变形,地表出现塌陷坑、地裂缝等地质灾害,严重影响了采空区的水土资源可持续利用[17]。由于西南山地喀斯特地貌的复杂性以及稻田土壤剖面的特性等,采煤沉陷引起部分稻田蓄水快速下渗,甚至无法蓄水,稻田逐步演变为旱地[18]。通过在采煤沉陷区内的正常与非正常稻田野外试验对比分析研究了土壤物理特性,土壤犁地层入渗率,灌溉需水以及生物量等内容,西南山地喀斯特地貌采煤沉陷对稻田正常生产产生了严重的影响,其主要因素土壤犁地层受损,加快土壤水分快速下渗渗漏,在稻田耕作层形成不利于水稻生长低水分环境,以致于水稻生物量包括秸秆、根系以及产量普遍低于正常稻田。

这一研究结果不同于其他地貌区下采煤沉陷稻田受损的特点,西南山地喀斯特地貌在地表起伏较大,从采空区地表到煤炭资源顶板岩体变形复杂,特别在地表,受地形因素较大[19]。另一方面,西南山地喀斯特地貌稻田形成基本上基于洼地、蚀坑以及谷地,稻田土壤剖面层次结构差异性较大[20],在同一地貌下,采煤沉陷对稻田土壤水分储存介质和运移规律影响异质性较明显,即部分稻田生产正常,部分稻田生产严重影响。

事实上关于稻田犁底层对土壤水分运移规律和水稻生产功能研究已经比较深入了[21],但对稻田犁底层损坏出现的微裂隙及其贯通风化层和基岩的水分运移通道的演变方面还没有进行深入研究,虽当前很少研究集中在犁底层微裂隙的探测与验证方面取得了较好成果[22],但在指导和诊断非常稻田恢复方面的野外试验研究还非常少,因此,西南山地喀斯特地貌采煤沉陷非正常稻田修复还需要多时间的试验研究来支撑。

总之,西南山地喀斯特地貌区采煤沉陷影响稻田正常生产涉及多方面因素,是一个非常复杂的系统[23],采煤活动强度大小、岩性组成及其强度、地形起伏、耕作以及水源利用等都会对稻田正常生产产生影响。除此之外,水稻根系对犁底层的生态功能还需要今后开展这一研究,这不仅关系到采煤沉陷去稻田生态修复技术,而且关系到区域粮食生产能力的提升,更关系到这一区域社会和谐和经济生态的协调发展。