采煤沉陷區(qū)土壤成分變化研究——以潞安集團(tuán)王莊煤礦為例

朱宗澤,陳志超,郝成元

(河南理工大學(xué)測(cè)繪與國土信息工程學(xué)院,河南焦作 454000)

采煤沉陷區(qū)土壤成分變化研究
——以潞安集團(tuán)王莊煤礦為例

朱宗澤,陳志超,郝成元

(河南理工大學(xué)測(cè)繪與國土信息工程學(xué)院,河南焦作 454000)

土壤成分;土壤肥力;采煤沉陷區(qū);王莊煤礦;潞安礦區(qū);山西省

煤炭開采導(dǎo)致地表大面積沉陷、土壤肥力下降,從而影響耕地生產(chǎn)能力。通過對(duì)潞安集團(tuán)王莊煤礦采煤沉陷區(qū)沉陷 3年、6年的土壤成分進(jìn)行對(duì)比分析研究,得出以下兩點(diǎn)主要結(jié)論:①土壤養(yǎng)分有從沉陷地頂部向底部匯集的趨勢(shì),沉陷 3年的沉陷地頂部和底部的土壤養(yǎng)分差別較大,而沉陷 6年的沉陷地頂部和底部土壤養(yǎng)分差別不大;②沉陷 3年的土壤和沉陷 6年的土壤的 pH值雖無大的變化,但其底部、中部、頂部電導(dǎo)率卻存在顯著差異,即沉陷地底部土壤有鹽化趨勢(shì)。依據(jù)研究結(jié)果,提出了改善土壤物理、化學(xué)性狀等相應(yīng)的土地整治策略。

煤炭是我國現(xiàn)時(shí)最主要的能源,約占一次能源構(gòu)成的74%,且 96%以上的煤炭產(chǎn)量來自于井工開采[1]。這種開采方式破壞了煤層覆巖的應(yīng)力平衡,導(dǎo)致了覆巖從下至上發(fā)生冒落、裂隙(縫)和彎曲下沉,從而使采空區(qū)上方地表發(fā)生大面積沉陷,并在地表產(chǎn)生大面積裂隙(縫),嚴(yán)重破壞了礦區(qū)的土地資源。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),平均每開采 1萬 t煤,地表沉陷0.2 hm2,最多的達(dá) 0.53 hm2[2-3]。山西省地處黃土高原東部,煤炭資源豐富,是我國重要的能源化工基地,含煤面積達(dá) 6.2萬km2,占全省總面積的 39.6%[4],近年來由于大規(guī)模的煤炭開采,對(duì)土地資源和生態(tài)環(huán)境造成了極大破壞,特別是井工開采造成的礦區(qū)地表大面積沉陷,不僅破壞了大量耕地資源,而且毀壞了附近村莊的地面建筑物,礦區(qū)人地矛盾日趨尖銳[2]。

自 20世紀(jì) 50年代起,歐洲、美洲、大洋洲的一些國家就已經(jīng)開始關(guān)注采礦活動(dòng)中的生態(tài)環(huán)境問題,并開展了一些工程措施與生物措施相結(jié)合的礦山環(huán)境恢復(fù)、水體污染和水土流失治理工作[5-7]。我國自改革開放以來,也在煤礦區(qū)污染治理、景觀重建與土地復(fù)墾研究中取得了一定的成果,主要集中于有毒有害物質(zhì)防治、植被恢復(fù)及土壤基質(zhì)熟化等方面[8-9],很少從土壤肥力及土壤理化性質(zhì)等方面開展綜合研究并探索土地退化的內(nèi)在機(jī)理及生態(tài)恢復(fù)途徑。筆者通過選擇有代表性的采煤沉陷區(qū),對(duì)沉陷后耕地土壤中的有機(jī)質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)元素含量進(jìn)行了對(duì)比分析研究,探討了沉陷區(qū)耕地土壤肥力特征及其空間變異規(guī)律,旨在為尋找適合礦區(qū)土地退化特點(diǎn)的生態(tài)恢復(fù)技術(shù)、指導(dǎo)沉陷區(qū)耕地合理施肥、提高礦區(qū)糧食產(chǎn)量、緩解礦區(qū)人地矛盾提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

王莊煤礦位于山西潞安礦區(qū)北區(qū)的東南部,井田面積79.45 km2,北與漳村井田鄰接,南以二崗山北斷層為界,東以石圪節(jié)井田煤層露頭線、漳澤水庫最高水位線為界,西與常村、古城井田鄰接。王莊煤礦建于 1958年,1966年 12月正式投產(chǎn),經(jīng)過兩次改擴(kuò)建,2008年實(shí)際生產(chǎn)能力接近 750萬 t。王莊煤礦地處上黨盆地中部,屬巨厚沖積層高潛水位礦區(qū),隨著煤炭資源的持續(xù)開采,引發(fā)了一系列生態(tài)破壞和環(huán)境污染問題,若不加強(qiáng)恢復(fù)與治理,將嚴(yán)重影響礦區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。

1.2 研究方法

1.2.1 樣品采集及預(yù)處理

在王莊礦區(qū)周邊分別選取沉陷 3年、6年的耕地,在沉陷地的上部、中部、下部分別用土鉆按 0— 20、20—40、40— 60 cm分層取土,重復(fù)采樣 5次,將樣品帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干保存,用以測(cè)定土壤養(yǎng)分。樣品風(fēng)干后,剔除未分解的植物根系及殘?bào)w、昆蟲尸體、石塊等雜物,磨碎、碾細(xì),過 20目、100目尼龍篩后,取足量裝入紙質(zhì)小袋測(cè)定其有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鉀等的含量。

1.2.2 測(cè)定方法

有機(jī)質(zhì)含量,采用重鉻酸鉀法測(cè)定;全氮含量,采用重鉻酸鉀-硫酸硝化法測(cè)定;全磷含量,采用高氯酸-硫酸酸溶 -鉬銻抗比色法測(cè)定;全鉀含量,采用火焰光度法測(cè)定;速效氮含量,采用堿解蒸餾法測(cè)定;速效磷含量,采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測(cè)定;速效鉀含量,采用火焰光度法測(cè)定;土壤電導(dǎo)率和pH值則是用蒸餾水,按照 5∶1的比例浸提后,分別用電導(dǎo)儀和pH計(jì)測(cè)定。

應(yīng)用SPSS 13.0軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,5%水平下LSD多重比較檢驗(yàn)各處理數(shù)據(jù)間的差異顯著性。

2 研究結(jié)果

土壤有機(jī)質(zhì)既是土壤養(yǎng)分的源泉,又是土壤中異養(yǎng)型微生物的能源物質(zhì),其含量及組成直接影響土壤的供肥、保肥、保水、適耕性和生物活性,常作為劃分土壤肥力高低的指標(biāo)[10-11]。土壤養(yǎng)分是土壤肥力的重要組成部分,其含量及貯量是一個(gè)動(dòng)態(tài)變量,其中:全氮、全磷和全鉀是衡量土壤供肥能力的重要指標(biāo)[12-14];速效氮、速效磷、速效鉀常作為土壤養(yǎng)分及時(shí)供給的指標(biāo),對(duì)當(dāng)季作物的生長(zhǎng)發(fā)育有著重要的作用[15-16];土壤電導(dǎo)率和 pH值則指示著土壤酸堿化程度。因此,本研究所測(cè)定的土壤項(xiàng)目有有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、速效氮、速效磷、速效鉀含量和電導(dǎo)率、pH值 9項(xiàng)。

2.1 沉陷3年土壤成分變化

雖然采煤沉陷對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)有破壞作用,但研究表明沉陷3年的耕地土壤中有機(jī)質(zhì)含量并未出現(xiàn)顯著變化(表 1),這可能與有機(jī)質(zhì)移動(dòng)性差及沉陷地坡度相對(duì)較小有關(guān)[17]。采煤沉陷使地表形成了坡地和洼地,土壤中許多營(yíng)養(yǎng)元素隨著地表徑流沿著裂隙(縫)流入采空區(qū)或洼地,造成地表土壤養(yǎng)分的短缺。其中,全氮和全磷含量均呈現(xiàn)出沉陷地中部顯著高于頂部和底部的規(guī)律,而沉陷地頂部和底部尚無顯著變化;全鉀含量呈現(xiàn)出沉陷地底部＞中部＞頂部的規(guī)律,且變化顯著。

由表1也可以看出潞安礦區(qū)采樣地沉陷3年耕地不同坡位土壤速效氮、速效磷、速效鉀分布呈現(xiàn)出底部＞中部 ＞頂部的規(guī)律,且變化顯著。究其原因:采煤沉陷形成坡地,這一小地形導(dǎo)致地表耕作層土壤中遷移性較強(qiáng)的速效氮、速效磷、速效鉀隨地表水分運(yùn)動(dòng)向沉陷區(qū)底部匯集。

人類的擾動(dòng)是土壤環(huán)境質(zhì)量變化的重要驅(qū)動(dòng)力,常常會(huì)引起土壤 pH值發(fā)生變化,加重土壤鹽化。采煤沉陷區(qū)耕地土壤的 pH值也常常會(huì)發(fā)生變化,但我們的研究表明,潞安礦區(qū)采煤沉陷地耕地土壤的pH值并無顯著變化(圖 1),而土壤電導(dǎo)率則呈現(xiàn)出沉陷地底部 ＞中部＞頂部的規(guī)律(圖 2),且差異顯著。這表明沉陷3年的耕地已經(jīng)出現(xiàn)鹽類向沉陷地底部快速匯集的趨勢(shì),這將加重土壤的鹽化。

表 1 沉陷 3年耕地不同坡位土壤養(yǎng)分

圖2 沉陷 3年耕地不同坡位土壤電導(dǎo)率

2.2 沉陷 6年土壤成分變化

采煤沉陷對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)有破壞作用,研究表明:沉陷 6年的耕地土壤中有機(jī)質(zhì)含量呈現(xiàn)出中部和底部有機(jī)質(zhì)含量均顯著高于頂部的規(guī)律;土壤全氮、全磷和全鉀量均呈現(xiàn)出沉陷地底部含量顯著高于頂部的規(guī)律。詳見表2。

表 2 沉陷 6年耕地不同坡位土壤養(yǎng)分

圖1 沉陷3年耕地不同坡位土壤pH值

由表 2可以看出:潞安礦區(qū)采樣地沉陷 6年耕地不同坡位土壤速效磷、速效鉀的含量分布呈現(xiàn)出底部＞中部＞頂部的規(guī)律,且差異顯著;底部速效氮含量顯著高于頂部,但中部含量與頂部含量無顯著差異,且這一規(guī)律漸漸趨于穩(wěn)定。

潞安礦區(qū)采煤沉陷 6年的耕地土壤pH值并無顯著變化(圖3),而土壤電導(dǎo)率卻呈現(xiàn)出沉陷地底部 ＞中部 ＞頂部的規(guī)律,且差異顯著(圖4),這表明沉陷6年的耕地仍然呈現(xiàn)出鹽類向沉陷地底部快速匯集的趨勢(shì),這必將加重土壤的鹽化。

3 結(jié)論及土壤整治策略

3.1 結(jié) 論

通過對(duì)潞安礦區(qū)王莊煤礦沉陷 3年與沉陷 6年耕地的土壤成分進(jìn)行初步對(duì)比分析,得出如下結(jié)論:①沉陷地頂部土壤養(yǎng)分有向中部和底部遷移的趨勢(shì),但沉陷3年耕地土壤養(yǎng)分受小地形影響更為明顯。沉陷地邊緣地帶產(chǎn)生了不同程度的裂隙(縫),在局部錯(cuò)位較大、裂隙(縫)較多的地區(qū),地表徑流匯集,使肥分從地表向土壤深層遷移、從沉陷邊緣沿裂隙(縫)向沉陷中心匯集,致使沉陷地耕地表層土壤趨于退化,從而影響了作物生長(zhǎng)和土地生產(chǎn)力。②沉陷6年耕地頂部、中部和底部土壤養(yǎng)分差異性變化相對(duì)較小,表明在最初沉陷的年份土壤養(yǎng)分向較低地勢(shì)遷移更為強(qiáng)烈,隨著沉陷年限增加而漸趨穩(wěn)定。這一規(guī)律對(duì)制定礦區(qū)土壤肥力定向培育對(duì)策尤為重要。③沉陷 3年耕地土壤、沉陷 6年耕地土壤不同坡位 pH值無顯著差異,但電導(dǎo)率差異顯著,存在沉陷地底部日益鹽化的趨勢(shì)。

3.2 土壤整治策略

針對(duì)以上結(jié)論,建議礦區(qū)土壤整治應(yīng)從以下 3個(gè)方面著手:①改善土壤的養(yǎng)分狀況。有機(jī)廢棄物如污水污泥、垃圾或堆肥可作為土壤添加劑,并在某種程度上充當(dāng)一種緩慢釋放的營(yíng)養(yǎng)源,同時(shí)可通過螯合有效態(tài)的有毒金屬而降低其毒性。②改善土壤的物理性狀,如孔隙度、容重等。③采取一定的田間措施,加強(qiáng)耕作,全面改善土壤水、肥、氣、熱之間的相互關(guān)系,為土壤改良和培肥創(chuàng)造良好的環(huán)境。

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Variation o f Soil Composition in Coal M ining Subsidence A reas

ZHU Zong-ze,CHEN Zhi-chao,HAO Cheng-yuan

(Schoolof Surveying and Land Information Engineering of Henan Polytechnic University,Jiaozuo,Henan 454000,China)(44)

Coalm ining results in ground subsidence in large areas and decreaseof soil fertility,thus,affecting the production capacity of cultivated lands.The paper conducts comparative analysis and study on 3-year and 6-year soil composition of coalm ining subsidence areas of Wangzhuang CoalMine of Lu'an Group and obtains the following twomain conclusions:a)there is tendency of soil nutrient collecting from top to bottom of the subsidence areas.The difference of soil nutrient at the top and bottom of the 3-year subsidenceareas is greater than thatof the 6-year subsidenceareas;b)although the variation of pH value of soil in the 3-yearand the 6-year subsidence areas is notgreatly,theelectrical conductivity at the bottom,middle and top is obviously different,showing salinization trend of soilat the bottom of the areas.Itputs forward relevant tactics of land reclamation for improving physiochemical properties of soil according to the results of study.

soil composition;soil fertility;coalmining subsidence areas;Wangzhuang Coal Mine;Lu'an Group;Shanxi Province

X 171.4

A

1000-0941(2011)04-0044-03

中國煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)科學(xué)技術(shù)研究指導(dǎo)性計(jì)劃項(xiàng)目(MTKJ2010-371);河南省教育廳自然科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目(2009B 440002);河南理工大學(xué)青年基金項(xiàng)目(Q2008-1)

朱宗澤(1978—),男,河南羅山縣人,在讀碩士,主要從事礦區(qū)生態(tài)重建等方面的研究。

2010-09-20

(責(zé)任編輯 孫占鋒)