濟寧煤礦區(qū)采煤塌陷對土壤有機碳的影響

程亞男 李新舉

摘要：采煤造成地表塌陷，原地貌發(fā)生大的變化，土壤受到嚴重擾動，致使土壤養(yǎng)分轉化和遷移發(fā)生較大的空間變異，而土壤有機碳的變化是表征土壤養(yǎng)分的關鍵因子。土地塌陷對土壤有機碳的影響逐漸成為復墾土壤質量的研究熱點問題。本研究選擇濟寧兗州煤礦區(qū)典型塌陷區(qū)，采集不同坡位和不同深度的土壤樣品，分析土壤有機碳在坡面和垂直剖面上的分布特征及影響因素。結果表明：（1）在坡面上，土壤有機碳呈現(xiàn)出從坡頂到積水邊緣遷移，先降低再升高，在塌陷中心富集的變化趨勢，采煤塌陷對坡中和坡底部位的土壤有機碳含量影響差異顯著（P<0.05）；（2）在垂直剖面上，土壤有機碳含量隨著土壤剖面層次的加深而降低，有機碳含量主要集中在0～20 cm土層，占整個土層（0～60 cm）的65.9%，顯著高于20 cm以下各層次的有機碳含量（P<0.05）；（3）土壤的不同性質空間變異程度大小排序大致為：有機碳>熱導率>含水量>容重>pH值；（4）土壤有機碳與容重、含水量、pH值、熱導率均呈負相關關系，其中與含水量的相關性達到顯著水平，相關系數為 -0.493*（P<0.05），與容重和pH值達到極顯著相關，相關系數分別為 -0.699**、-0.684**（P<0.01），與熱導率的相關性不顯著。土地塌陷產生的地面坡度已經引起土壤有機碳的流失，土壤肥力下降，土地生產力也隨之下降。

關鍵詞：采煤塌陷；土壤有機碳；理化性質；相關性

中圖分類號：S153文獻標識號：A文章編號：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

煤炭作為我國主要的能源，在推動國民經濟快速發(fā)展的同時，由煤炭開采所帶來的土地塌陷問題也日益突出。煤炭開采形成了大面積的采煤塌陷區(qū)，土地大規(guī)模塌陷并產生大量的塌陷坑和地裂縫，進而影響到土壤的理化性質，降低了土壤質量[1，2]。為了維持和提高塌陷區(qū)的土壤質量，必須要掌握塌陷區(qū)土壤質量的變化特征，而土壤有機碳是表征土壤質量的關鍵因子之一。土壤碳在全球碳循環(huán)中至關重要，一方面直接影響著全球的碳平衡；另一方面土壤碳可以改善土壤結構，提高土壤肥力，是植物和各種微生物重要的可利用碳源，對于其生長和活動都具有重要影響[3，4]。因此，它一直是土壤領域研究的熱點問題之一。郝從娜等[5]發(fā)現(xiàn)高潛水位煤礦區(qū)開采沉陷不僅引起區(qū)域土地利用與地表覆蓋類型的改變，同時還導致了區(qū)域總碳儲量減少。劉偉紅等[6]采用回歸分析的方法探討了不同復墾方向的土壤有機碳含量的剖面分布特征及其與全氮、土壤pH值和w（C/N）的相關關系。

在礦區(qū)土壤有機碳研究方面剛剛起步，特別是在高潛水位煤礦區(qū)采煤對礦區(qū)土壤有機碳的影響、土壤有機碳變異特征和機制等方面缺乏相關研究。因此本試驗以濟寧兗州煤礦區(qū)土壤為研究對象，通過實地調查采集土樣，分析塌陷前后的土壤有機碳的變異規(guī)律，掌握塌陷區(qū)不同位置和不同深度的土壤有機碳分布特征，為塌陷區(qū)的治理和土地復墾提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山東濟寧市兗州區(qū)，全區(qū)氣候屬于暖溫帶東亞季風區(qū)大陸性氣候，四季分明，降水較為充沛[7]。全區(qū)境內地下煤炭資源十分豐富，煤炭分布面積大約占兗州區(qū)國土面積的37.06%，總儲量達到200億噸以上，是全國八大煤炭基地之一[8]。兗礦集團興隆莊煤礦區(qū)域，由于煤炭長期開采，造成地表塌陷，形成斜坡地或積水區(qū)，塌陷年限3年左右，平均塌陷深度近4 m。其中有很多農田耕地也發(fā)生了塌陷，形成塌陷裂縫或塌陷坑，甚至有些農田形成了常年性積水區(qū)，導致農田廢棄[9]。

1.2 樣品采集與處理

2016年6月在研究區(qū)內選取典型塌陷盆地采集土樣。沿著坡面采集坡頂、坡中、坡底和積水邊緣四個部位的土壤樣品，每個坡位沿等高線采集4個樣點，采樣點間距10 m。在每一個采樣點按照0～10、10～20、20～40、40～60 cm四層分層采集土壤剖面樣品，并采集沉陷盆地周圍未塌陷地土壤樣品作為對照。同時利用GPS記錄樣點的經緯度，并記錄采樣點的周邊狀況等。取樣完成后，采用五點混合，將樣本帶回實驗室，經過自然風干、剔除土壤中的植物根葉、碎石等雜質，研磨、過篩、混勻、裝瓶，用于土壤基本理化性狀和有機碳的測定。

1.3 測定方法

土壤熱導率使用PC-2R多通道土壤熱性質記錄儀現(xiàn)場觀測記錄；土壤容重采用環(huán)刀法測定；土壤含水量采用烘干法測定；土壤pH值采用pH計測定；土壤有機碳采用重鉻酸鉀容量法測定。每個指標均重復測量3次，取其平均值。

試驗數據采用Microsoft Excel 2007和SPSS 13.0進行統(tǒng)計和分析。

2 結果與分析

2.1 塌陷區(qū)土壤基本理化性狀分析

采煤塌陷引起礦區(qū)地表沉陷，加大了地面坡度，土壤受到擾動，原有的土壤結構遭到破壞，土壤的理化性狀等也隨之改變[10]。

從圖1A可以看出，采煤塌陷使土壤緊實，容重增加，塌陷地土壤容重的變化范圍為1.306～1.689 g/cm3。坡頂與未塌陷地差別不大，略有增加（P>0.05）；從坡中到積水邊緣，各層次土壤容重逐漸增大，坡底和積水邊緣土壤容重比未塌陷地容重分別高出6.1%和9.6%，積水邊緣土壤容重最大。垂直剖面上，0～60 cm土壤容重隨著土壤深度的增加逐漸增大，從坡頂到積水邊緣，深層土壤容重比表層分別高出9.9%、9.4%、10.0%和8.9%，但與未塌陷地差異不顯著（P>0.05）。

由圖1B可以看出，塌陷地土壤含水量的變化范圍為15.2%～30.1%。坡頂0～10 cm土層、坡底40～60 cm土層及積水邊緣各層次土壤含水量與未塌陷地對應土層土壤含水量均表現(xiàn)為差異顯著（P<0.05）。在坡面上，不同層次的土壤含水量從坡頂到積水邊緣逐漸增大，其中坡中的含水量比坡頂增加14.6%，坡底比坡中增加11.6%，積水邊緣含水量最高，比坡底增加19.5%，比未塌陷地顯著增加38.9%（P<0.05），說明土壤水分沿著沉陷坡面發(fā)生遷移。在垂向上，塌陷地土壤含水量與未塌陷地大體呈現(xiàn)相似的變化趨勢，隨著土層深度的增加而逐漸增大，表層土壤含水量顯著低于深層（P<0.05），這是因為土層越深越接近地下水埋藏深度，受地下潛水位影響就越大，因而含水量也就越大。

從圖1C可以看出，塌陷地土壤pH值的變化范圍在7.56～8.34之間，平均值為8.02，呈堿性，沿著坡面大體呈逐漸增加的變化，到積水邊緣pH平均值顯著高于未塌陷地（P<0.05）。隨著垂向深度的增大，pH值呈逐漸增加的趨勢，并且層次之間差異較大（P<0.05），坡頂的pH值深層比表層增加7.2%，坡中增加6.0%，坡底增加6.4%，積水邊緣增加2.5%，而未塌陷地pH值深層比表層增加4.8%，所以坡頂、坡中、坡底的pH值深層比表層的增加值大于未塌陷地。

土壤熱導率是衡量土壤熱性質的重要參數，其會受到土壤質地、溫度及含水率等多種因素的影響[11]。由圖1D可知，塌陷地土壤熱導率的變化范圍在0.738～1.682 W/（m·k）之間，其最大值是最小值的2.3 倍，說明熱導率在不同坡位和不同深度土壤中變化程度較大。從坡頂到坡底表層熱導率降低，深層熱導率升高，但都小于未塌陷地的熱導率；垂直剖面上，塌陷地和未塌陷地熱導率具有相似的變化趨勢，熱導率隨剖面深度大體呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢，最大值出現(xiàn)在20～40 cm心土層，0～20 cm表層和40～60 cm深層顯著小于心土層（P<0.05）。表明塌陷會對土壤熱導率產生影響，使其略低于未塌陷地熱導率。

2.2 塌陷區(qū)土壤有機碳特性分析

2.2.1 坡面上土壤有機碳的變化規(guī)律 由圖2看出，研究區(qū)土壤有機碳含量在坡面上的變化范圍為0.415%～1.618%，沉陷坡土壤有機碳含量平均為1.02%，與對照區(qū)相比顯著降低20.3%（P<0.05）。沿著坡面土壤有機碳含量的變化規(guī)律表現(xiàn)為，坡頂到坡中明顯降低，坡中達到最小值，從坡中到積水邊緣逐漸升高，沉陷中心明顯富集，但仍小于未塌陷地有機碳含量，可能是因為塌陷中心肥力升高、水熱條件較好，作物長勢旺盛，養(yǎng)分吸收量較高。坡頂與積水邊緣兩個位置的有機碳含量較高，且與未塌陷地有機碳含量差異不顯著（P>0.05），而坡中與坡底兩個位置的有機碳含量較低，尤其是坡中有機碳含量最低，顯著低于未塌陷地有機碳含量（P<0.05，表1）。有機碳含量的明顯損失最先發(fā)生在坡中位置，從坡中到積水邊緣有機碳含量逐漸增加，這是由于一方面塌陷使原來平坦的土地產生了附加坡度或使原有的地面坡度增大，形成斜坡，有機碳在外營力作用下向下遷移，在下坡匯聚。另一方面，塌陷產生的斜坡，加速了水蝕對土壤顆粒分選性搬運過程，水蝕的發(fā)生部位主要在中坡[12]，中坡侵蝕而流失的粉黏粒下移并且在塌陷中心積聚，從而導致該位置的有機碳含量升高。

2.2.2 垂直剖面上土壤有機碳的變化規(guī)律 由圖3可以看出，整個塌陷區(qū)域內，土壤有機碳含量隨著土壤剖面層次的加深呈現(xiàn)出降低的趨勢，類似于未塌陷地土壤有機碳含量的剖面變化，但是各土層有機碳含量均低于未塌陷地相應層次土壤有機碳含量，依次小于未塌陷地19.9%、14.6%、19.9%、30.6%。有機碳含量主要集中在0～20 cm土層，占整個土層（0～60 cm）的65.9%，顯著高于20 cm以下各層次的有機碳含量（P<0.05），20～40 cm土層迅速降低，下降幅度約為42.1%，40～60 cm土層變化較為平緩。這表明采煤塌陷會導致土壤各剖面層次有機碳含量降低，尤其是20～40 cm土層有機碳含量降低最為明顯，這可能是因為20～40 cm土層土壤由于受地表侵蝕和垂直滲漏作用而無法有效的積累[12]。表層土壤有機碳含量最高，這是因為一般來說，農作物為淺根系作物，它的根系生物量主要集中在表層土壤，并且隨著土壤深度的增加而顯著減少，因此，通過根系死亡還給土壤的養(yǎng)分數量也會隨著土壤深度的增加而相應降低。另外，土壤表層也是農業(yè)種植的耕作層，各種農業(yè)耕作措施（如施肥、翻地等）主要就在這一土層內進行，導致施用的肥料大多留存在這一土層[13]。

2.3 塌陷區(qū)土壤有機碳變異的影響因素分析

由表2和表3可知，不同坡位上，土壤有機碳與土壤基本理化性狀空間變異系數變化范圍為2.2%～42.5%。容重、含水量、pH值、有機碳的變異系數上坡明顯高于下坡，說明上坡土壤性質波動相對較大，受開采沉陷的影響較大；而熱導率表現(xiàn)出不同的規(guī)律，其變異系數從上坡到下坡先增大后減小，坡底最大，說明坡底的熱導率受開采沉陷影響較大。不同深度上，土壤有機碳與土壤基本理化性狀空間變異系數變化范圍為1.2%～24.7%，總體變異系數較小。容重、含水量、pH值、熱導率處于0～20 cm土層的變異系數綜合平均值大于20～40 cm土層，后者又大于40～60 cm土層，說明受煤炭開采的影響，表層土壤性質空間變異性較大；而有機碳從表層到深層變異系數先減小后增大，心土層小于表層和深層，說明有機碳的表層和深層受開采影響較大。土壤的不同性質空間變異程度大小排序大致為：有機碳>熱導率>含水量>容重>pH值。由此看來，采煤塌陷對研究區(qū)有機碳的影響最大，其次是熱導率和含水量，再次是容重和pH值。

2.4 土壤有機碳與土壤基本理化性狀的相關性分析

塌陷區(qū)不同坡位和不同深度土壤有機碳與土壤基本理化性狀之間的相關性分析表明，土壤有機碳與容重、含水量、pH值、熱導率都呈負相關關系，其中與含水量相關性達到顯著水平，相關系數為 -0.493*（P<0.05），與容重和pH值達到極顯著相關，相關系數分別為 -0.699**、-0.684**（P<0.01），與熱導率相關性不顯著。

3 討論

土壤容重表現(xiàn)為坡底和積水邊緣最高，這是由于一方面，礦區(qū)地表在下沉過程中，土體不斷沉實，坡底和積水邊緣塌陷擠壓的最早，容重增加最大，而坡頂塌陷擠壓的最晚，容重增加最小[14]；另一方面，地表塌陷會形成斜坡，加速了地表徑流等土壤侵蝕，上坡的表層黏粒流失填充到下坡的表層孔隙，導致下坡比上坡土壤容重大[15]。表層土壤容重小于深層，這是因為表層土壤因受到耕作擾動的影響，團粒結構較好，而深層土壤很少受到耕作擾動的影響，因而容重較大。

坡頂的土壤含水量略低于未塌陷地，這是因為在塌陷盆地的邊緣地區(qū)，易產生地表裂縫，增大土壤水分的蒸發(fā)和滲漏，造成土壤水分的流失；而從坡中到積水邊緣各層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，這主要是由于一方面水分沿著坡面自上而下流失，另一方面塌陷會造成地下潛水位上升，地下水會隨著土壤毛管作用滲透、移動，從而增加土壤含水量，下沉較大的區(qū)域土壤含水量較高，甚至會出現(xiàn)積水現(xiàn)象，所以塌陷區(qū)土壤含水量自上坡到塌陷中心逐漸增大[16]。作物正常生長的前提條件是土壤必須含有適宜的水分，但如果含水量過高，則土壤通氣孔隙相對減少，將會影響作物根系的呼吸，從而影響到作物的正常生長[17]。

表層土壤的pH值明顯小于深層，這是由于一方面土壤表層淀積的腐殖質在腐殖化過程中會產生有機酸[15]，另一方面由于對于偏堿性土壤施用酸性肥料和農家肥進行改良培肥的原因，另外由于深層土壤更靠近地下潛水位，受其影響pH值高于表層。

土壤有機碳含量沿著坡面先降低再升高，坡中位置損失最為明顯，空間變異性最大，達到42.5%，這是因為坡中位置土壤侵蝕比較嚴重，坡中往下的位置接受了來自坡中的侵蝕土壤，有機碳含量升高。這與程靜霞[12]的研究結論一致，即開采導致整個沉陷坡土壤有機碳含量的降低與空間變異性增大，坡中最為嚴重。

土壤有機碳含量隨著土壤剖面層次的加深呈現(xiàn)出降低的趨勢，并且各土層有機碳含量均低于未塌陷地相應層次土壤有機碳含量，不僅與土壤的侵蝕和滲漏有關，還與塌陷地表作物生物量低有關。塌陷破壞了土壤結構，土壤質量降低，生產力下降，沉陷坡作物耕種輸入土壤的有機殘體明顯少于未塌陷地。

4 結論

4.1 在坡面方向上，土壤有機碳呈現(xiàn)出從坡頂到積水邊緣遷移，先降低再升高，在塌陷中心富集的變化趨勢。與對照區(qū)相比，塌陷坡土壤有機碳含量顯著降低20.3%（P<0.05）。采煤塌陷對坡中和坡底部位的土壤有機碳含量影響差異顯著（P<0.05）。

4.2 在垂直剖面上，土壤有機碳含量隨著土壤剖面層次的加深而降低，有機碳含量主要集中在0～20 cm土層，占整個土層（0～60 cm）的65.9%，顯著高于20 cm以下各層次的有機碳含量（P<0.05），20～40 cm土層迅速降低，下降幅度約為42.1%，40～60 cm土層變化較為平緩。

4.3 土壤的不同性狀空間變異程度大小排序大致為：有機碳>熱導率>含水量>容重>pH值。

4.4 土壤有機碳與容重、含水量、pH值、熱導率都呈負相關關系，其中與含水量相關性達到顯著水平，相關系數為-0.493*（P<0.05），與容重和pH值達到極顯著相關，相關系數分別為 -0.699**、-0.684**（P<0.01），與熱導率相關性不顯著。

本研究結果表明，在坡面上和垂直剖面上，土壤有機碳含量都發(fā)生了不同程度的遷移流失。由采煤引起的塌陷盆地、地裂縫、塌陷洞等地表形態(tài)，破壞了地表結構，造成了嚴重的水養(yǎng)流失，進而導致塌陷區(qū)植被破壞，生態(tài)環(huán)境受損。人們應該重視采煤塌陷問題，采取積極的措施，減少養(yǎng)分流失，恢復土壤質量，盡量將塌陷土地恢復到可耕的狀態(tài)，保障國家糧食安全。

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