嚴家平 陳孝楊 王長壘 徐良驥 于佳禾 李杰衛(wèi)

摘 要：平原礦區(qū)的煤礦地下開采改變地貌景觀，同時加劇礦區(qū)土地的水土流失，降低土壤質(zhì)量。而開采方式不同對地表土壤養(yǎng)分流失的影響程度同樣存在較大差異。本文選擇皖北五溝煤礦的充填和非充填開采兩種開采方式的地面沉陷區(qū)，進行了土壤環(huán)境調(diào)查，監(jiān)測了開采過程中土壤有機質(zhì)、銨態(tài)氮、有效磷和速效鉀等土壤養(yǎng)分的含量，分析其運移變化特征。結(jié)果表明，采礦區(qū)地表沉陷雖然時間不長，但土壤中的有機質(zhì)和主要營養(yǎng)元素的含量流失發(fā)生顯著變化；充填與非充填兩種不同開采方式均引起地表土壤養(yǎng)分流失，降低土壤質(zhì)量。但是充填開采所造成沉陷區(qū)內(nèi)土壤養(yǎng)分的流失程度明顯小于非充填開采區(qū)，且因氮、磷的流失量明顯快于速效鉀而使得土壤整體表現(xiàn)為缺氮少磷；土壤養(yǎng)分的遷移與富集與土壤類型密切相關(guān)。無論是有機質(zhì)，還是其他營養(yǎng)元素由表層的耕作土層往深部遷移并在硬砂姜土層富集。這一現(xiàn)象同時說明了地表徑流造成土壤養(yǎng)分水平方向的遷移流失的同時，向深部土壤層的遷移現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞：平原礦區(qū)；開采沉陷區(qū)；土壤侵蝕；土壤養(yǎng)分遷移；五溝煤礦

中圖分類號：X144 文獻標志碼：A

文章編號：1672-1098（2017）06-0041-05

Abstract：Mining activity will cause the surface subsidence to different degrees. Especially in the plain area， mining activities not only change- the landscape， but also cause the soil erosion of the mining area land， and reduce the soil quality. In this article， a coal mine in northern Anhui Province local production area the slope zone of the surface subsidence basin was selected as the research area. The distribution and content of organic matter， ammonium nitrogen， effective phosphorus， potassium in the soil was monitored for one year， once every three months， and then the collected data was analyzed - The results show that the mining surface subsidence， despite the fact that the short monitoring time was not so long-and the basin subsidence range was not big， the content of organic matter and the main nutrition elements in the soil still suffered marked- and rapid erosion and the soil quality was decreased in both filling mining area and nonfilling mining area. However， the loss of soil nutrient in filling mining area was smaller than that in non-filling mining area and lack of phosphorus and nitrogen was quite obvious； moreover， the transferring and gathering of nutrition elements were closing related to the types of soil； the organic matter as well as other nutrient element would transfer from the surface soil to the deep soil and gather in the hard sand level， which indicates that the direct surface runoff was the cause for soil nutrients loss at the vertical dimension but meanwhile the cause for the transferring in to the deep soil

Key words：plain mining area； mining subsidence area； soil erosion； soil nutrient losing； Wugou coal mine

平原地區(qū)的煤礦井工開采會造成礦區(qū)內(nèi)大面積地面塌陷和生態(tài)環(huán)境的破壞。為降低因地下開采造成的地表環(huán)境的破壞程度，采礦工程技術(shù)人員采用了采空區(qū)充填開采、關(guān)鍵層注漿減沉等開采技術(shù)手段，從而有效降低了地表沉降幅度，減輕因開采造成地面環(huán)境的毀損[1-4]。

但是由于各種技術(shù)因素，地表總會有一定程度的沉陷或毀損。由于地面變形而形成不同的坡度和地表下沉過程中產(chǎn)生的拉張裂隙，在降雨和灌溉過程中的地表徑流必然影響到沉陷區(qū)土壤結(jié)構(gòu)的破壞和養(yǎng)分的遷移。土壤特性的空間變異和農(nóng)田特征變異定量化研究一直是土壤環(huán)境研究的重要內(nèi)容之一[5-7]。近些年來，由于我國高強度大面積的煤炭資源開發(fā)，對于采煤沉陷區(qū)的土壤環(huán)境問題成為新的研究熱點，甚至包括土壤養(yǎng)分的空間和時間的變異規(guī)律等方面的研究[8-10]。王長壘等還研究了煤矸石充填開采沉陷區(qū)土壤養(yǎng)分的分布特征[11]。本文通過對皖北五溝煤礦某開采區(qū)充填與非充填開采方式的地面沉陷區(qū)坡地土壤養(yǎng)分遷移特征的監(jiān)測，對比分析了兩種不同開采方式的地面塌陷區(qū)土壤養(yǎng)分流失特征及其差異。

1 研究區(qū)概況

本研究區(qū)位于皖北五溝煤礦開采沉陷區(qū)。礦區(qū)地貌屬于淮北平原，含煤地層上部第四系松散層較厚，地勢平坦，地下潛水位較高。煤礦開采前，礦區(qū)土地耕作條件較好，農(nóng)作物主要為冬小麥、玉米、大豆等。研究期間的觀測點種植的作物為冬小麥。

區(qū)內(nèi)土壤層在70cm以上可為三層，即表層耕作層、中間黑土層和下層硬砂姜層。其中耕作層厚度約20cm，質(zhì)地為粘土。黑土層厚度約20～40cm，質(zhì)地為黑棕色粘土。硬砂姜層剖面深度在40cm以下為硬砂姜層，質(zhì)地為黃棕色壤粘土，砂姜大小形態(tài)不一。

區(qū)內(nèi)煤層累計可采厚度較大，煤層的產(chǎn)狀平緩，加之淺層地下水水位較高，煤層開采后在地表形成大面積沉陷水域，從而造成這一區(qū)域的耕地在采后失去了耕作條件。不僅如此，在塌陷斜坡地帶，因為開采沉陷作用加劇了土壤水土流失。

由于該礦井的開采方法同時具有煤矸石充填開采和非充填開采兩種方式，而充填開采的地表塌陷程度明顯小于非充填開采。故本文選取充填開采和非充填開采的兩種不同開采方式的工作面地表塌陷坡地土壤質(zhì)量變化作對比研究。

2 材料與方法

2.1 采樣點布置

充填開采沉陷區(qū)域自盆地中心分別沿開采工作面推進方向和橫截工作面方向布設(shè)2個采樣斷面，采樣斷面L和采樣斷面W，分別在近坡頂、坡面中段、近坡腳處共設(shè)4個采樣點，編號為L1、L2、L3、L4和W1、W2、W3、W4。同時在W斷面坡頂開挖一個深度為70cm土壤剖面，剖面1。非充填開采沉陷區(qū)域布設(shè)一個采樣斷面F，方向平行于采樣斷面W， 分別在近坡頂、坡面中段、近坡腳處共設(shè)4個采樣點，編號為F1、F2、F3、F4，同時在坡頂開挖深度70cm土壤剖面，剖面2。非沉陷區(qū)域沿平行于W斷面方向布設(shè)一個采樣斷面D，每隔50m取一個采樣點，共3個采樣點，編號為D1、D2、D3。

2.2 采樣方法

采集不同采樣點表層0～10cm土壤混合樣，在實驗室風(fēng)干后，過2mm細篩，進行土壤養(yǎng)分特征參數(shù)分析。

2.3 測定方法

有機質(zhì)含量采用重鉻酸鉀氧化法測得，土壤速效鉀采用乙酸銨提取-火焰光度法，有效磷采用碳酸氫銨浸提法，應(yīng)用半微量凱式法測得銨態(tài)氮的含量[12]。

3 結(jié)果與分析

3.1 充填開采沉陷區(qū)土壤養(yǎng)分含量特征

充填開采沉陷區(qū)表土不同采樣斷面的有機質(zhì)、銨態(tài)氮、有效磷和速效鉀的含量變化在表1中，具有不同的變化特征。從變異系數(shù)看，有機質(zhì)和速效鉀變異系數(shù)相近，而有效磷與銨態(tài)氮在同一采樣斷面的含量波動幅度較大，其中銨態(tài)氮在同一采樣斷面的不同采樣點之間的變異系數(shù)最大。在W斷面和L 斷面分別達到4863%和6382%。而有效磷在同一采樣斷面的不同采樣點之間的變異系數(shù)相對較小，W斷面為1532%，L 斷面為852%。這說明充填開采同樣引起的地表土壤環(huán)境的變化，直接影響到了營養(yǎng)元素在地表的再分配，或存在土壤營養(yǎng)元素流失的現(xiàn)象。

3.2 不同開采沉陷區(qū)表土養(yǎng)分空間分布特征

研究表明，與非充填開采沉陷區(qū)域（F斷面）土壤營養(yǎng)元素含量對比，充填開采地表沉陷區(qū)域（W斷面）的變化不大，甚至接近未沉陷區(qū)域（D斷面）土壤營養(yǎng)元素的含量。在土壤有機質(zhì)含量分布方面，雖然自近坡頂至坡腳有逐漸增加的趨勢，但增長幅度不明顯。近坡頂處采樣點有機質(zhì)含量小于1%，為0922%。對比三個采樣斷面地表土壤，充填開采沉陷區(qū)土壤有機質(zhì)含量與未沉陷區(qū)域無顯著差異性，而非充填開采沉陷區(qū)與充填開采沉陷區(qū)和未沉陷區(qū)土壤有機質(zhì)含量空間分布均存在顯著差異（見圖1a）。

研究區(qū)表層土壤銨態(tài)氮的含量不高，銨態(tài)氮含量變化較明顯（見圖1b）。充填開采塌陷坡地自坡頂至坡腳土壤銨態(tài)氮的含量逐漸增加，養(yǎng)分流失跡象存在。三個采樣斷面表層土壤中銨態(tài)氮含量的大小順序是D斷面>W斷面>F斷面，也即未沉陷區(qū)域表土中銨態(tài)氮含量最高，其次是充填開采塌陷坡地表層土壤，再次是非充填開采塌陷坡地表層土壤。經(jīng)統(tǒng)計分析和顯著性檢驗，充填開采塌陷坡地表層土壤銨態(tài)氮含量與未沉陷區(qū)域表層土壤沒有顯著性差異，但非充填開采塌陷坡地表層土壤銨態(tài)氮含量與未沉陷區(qū)域表層土壤存在顯著差異（見圖1b）。

研究區(qū)域表層土壤中有效磷的含量較低，基本都在50mg/kg以內(nèi)，且空間分布上也不存在明顯的規(guī)律（見圖1c）。對比未沉陷區(qū)、充填開采塌陷坡地、非充填開采塌陷坡地三個區(qū)域，表層土壤有效磷的平均含量分別為403mg/kg、43mg/kg和515mg/kg。由統(tǒng)計分析和顯著性檢驗結(jié)果可知（見圖2c），三種類型采樣斷面的土壤有效磷含量無顯著差異。

充填開采塌陷坡地坡頂處的表層土壤速效鉀含量相對于坡面其他采樣點有降低的跡象，約為150mg/kg（見圖1d）。這一點在非充填開采塌陷坡地表現(xiàn)的十分明顯，近坡頂處表層土壤中速效鉀的含量僅為84mg/kg，且沿坡面自坡頂至坡腳土壤中速效鉀含量逐漸升高。通過三個采樣斷面間的對比分析（見圖2d），表層土壤速效鉀平均含量以未沉陷區(qū)域最高，充填開采和非充填開采塌陷坡地基本相當(dāng)，與未沉陷區(qū)域表層土壤速效鉀的含量均存在顯著差異，鉀的流失現(xiàn)象明顯，但充填開采塌陷坡地要好于非充填開采塌陷坡地。

3.3 充填開采沉陷區(qū)土壤剖面養(yǎng)分分布特征

從充填開采和非充填開采沉陷區(qū)兩個土壤剖面有機質(zhì)含量結(jié)果分析可知（見圖3），非充填開采沉陷區(qū)土壤隨深度增加，有機質(zhì)含量明顯升高。表明土壤有機質(zhì)含量有表層朝深部運移的趨勢。而在充填開采沉陷區(qū)的這一趨勢不夠明顯，表明充填開采活動對地表水土流失影響不大（見圖3a）。在土壤銨態(tài)氮和有效磷含量變化方面，充填開采坡地隨深度增加逐漸減少，但不夠顯著（見圖3c）。而非充填開采塌陷坡地土壤耕作層的銨態(tài)氮含量與充填開采塌陷坡地相應(yīng)位置土壤基本等量（見圖3b），說明非充填開采塌陷坡地表層土壤銨態(tài)氮和有效磷由表層土壤往深部大量流失。

非充填開采沉陷區(qū)土壤的速效鉀的含量同樣隨深度增加而升高，且升高幅度較大，與之相應(yīng)位置的充填開采塌陷坡地土壤，速效鉀含量雖有變化，但幅度不大（見圖3d）。說明充填開采塌陷坡地土壤速效鉀的保持能力要好于非充填開采。

4 結(jié)論

1）平原礦區(qū)的煤礦地下開采在地表變形的同時，沉陷區(qū)土壤養(yǎng)分隨之流失，土壤質(zhì)量快速下降。

2）充填與非充填兩種不同開采方式均引起地表土壤養(yǎng)分流失，降低土壤質(zhì)量。但是充填開采所造成沉陷區(qū)內(nèi)土壤養(yǎng)分的流失程度明顯小于非充填開采區(qū)。

3）土壤養(yǎng)分的遷移與富集與土壤類型密切相關(guān)。無論是有機質(zhì)，還是其他營養(yǎng)元素由表層的耕作土層往深部遷移并在硬砂姜土層富集。這一現(xiàn)象同時說明了地表徑流造成土壤養(yǎng)分水平方向的遷移流失的同時，向深部土壤層的遷移現(xiàn)象。

在平原礦區(qū)，由于開采沉陷作用，改變了地面坡降，增強了降雨對地表水平方向的侵蝕作用。這一因素成為采煤沉陷區(qū)土壤養(yǎng)分流失的重要原因。此外，由于地表沉陷過程中伴隨著土體拉張作用產(chǎn)生的不同規(guī)模的裂隙，這將成為地下水運移的優(yōu)先流路徑[13]。正因為如此，表層土壤的營養(yǎng)元素隨著降雨的入滲作用，同時還影響到土壤顆粒結(jié)構(gòu)的變化[14]，從而加劇土壤環(huán)境的改變，降低表層土壤的質(zhì)量。

采煤沉陷區(qū)土壤裂隙的形成不僅取決于土壤的理化性質(zhì)，同時取決于地下開采地質(zhì)條件和開采工藝。研究采煤沉陷區(qū)土壤條件與煤礦開采條件，采取有效的工程技術(shù)手段可以有效降低因開采造成的對地表土壤環(huán)境的毀損。

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（責(zé)任編輯：李 麗，范 君）