采煤塌陷對貴州百里杜鵑林區(qū)土壤水分－物理性質(zhì)的影響

謝元貴，孫文博，潘高潮，彭 熙，王思錦

(1．貴州省喀斯特資源環(huán)境與發(fā)展研究中心，貴州貴陽550001;2．貴州省水土保持監(jiān)測站，貴州貴陽550002;3．貴州大學(xué)林學(xué)院，貴州貴陽550025)

我國是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國和消費國，其中大約4%是露天開采，96%是井下開采。井下開采形成的采空區(qū)易造成地面塌陷，目前造成的土地破壞面積已經(jīng)超過400 萬hm2，并且仍在以每年3．3 萬～4．7 萬hm2的速度增加［1－2］。地下采煤活動會使地表產(chǎn)生裂縫和沉降，引起土體結(jié)構(gòu)變化，從而會對礦區(qū)的土壤水分變化產(chǎn)生一定的影響，對區(qū)域性的生態(tài)環(huán)境也將產(chǎn)生一定影響，國內(nèi)外專家學(xué)者對此進行了相關(guān)研究［3－5］。貴州地處西部高原，山清水秀、氣候宜人，地下煤炭資源也很豐富，尤其是二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M的煤，類型齊全，分布廣泛，是該地區(qū)國民經(jīng)濟發(fā)展的基礎(chǔ)和重要保障［6－7］。貴州百里杜鵑林區(qū)內(nèi)出露的地層主要為二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M，是貴州省的主要產(chǎn)煤區(qū)之一。筆者在調(diào)查百里杜鵑林區(qū)采煤塌陷區(qū)域的基礎(chǔ)上，對林區(qū)內(nèi)現(xiàn)有采煤塌陷區(qū)與非塌陷區(qū)作了土壤水分－物理性質(zhì)的對比分析研究，以期為百里杜鵑采煤塌陷區(qū)土地復(fù)墾、生態(tài)恢復(fù)提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

貴州百里杜鵑林區(qū)位于貴州省西北部的大方、黔西兩縣交界處(105°45'20″—106°04'07″E，27°10'53″—27°20'00″N)，是一條舉世罕見的原始杜鵑林帶，呈環(huán)狀分布。林區(qū)海拔1 300～1 800 m，長約50 km，寬1～5 km，總面積125．8 km2，是世界上種類分布最集中、面積最大的天然杜鵑花園［8］，被譽為“百里杜鵑”。1987年3月，貴州省人民政府將百里杜鵑林區(qū)列為省級風(fēng)景名勝區(qū)，同時將其列為貴州省“十大風(fēng)景名勝區(qū)”之一。1993年5月，原國家林業(yè)部批準(zhǔn)建立百里杜鵑國家級森林公園。在這里，杜鵑花的覆蓋度達到86．56%。這里分布的天然杜鵑花有20 多種顏色，觀賞和研究價值極高，是我國高山杜鵑花引種研究的重要種質(zhì)資源庫［9］，杜鵑屬植物的種類之多、面積之大、個體之集中國內(nèi)絕無僅有，不僅是貴州杜鵑花的奇葩，也是中國杜鵑花的奇葩［10］。

2 試驗材料與方法

(1)主要儀器。環(huán)刀(90～200 cm3)、粗天平、烘箱、鋁盒、干燥器、盆或盤(高150 mm)、濾紙等。

(2)研究方法。①樣點設(shè)定及土壤樣品的采集。在充分調(diào)查百里景區(qū)采煤塌陷區(qū)的基礎(chǔ)上，綜合地質(zhì)條件、坡向、海拔、坡度、植物種類和覆蓋度等多種因素，選擇典型礦區(qū)(金坡煤礦和化育煤礦)杜鵑林塌陷與未塌陷區(qū)作為對比樣地。根據(jù)土壤發(fā)生層次按0—30 cm 和30—60 cm 進行土壤分層環(huán)刀取樣。取土樣時環(huán)刀垂直于地面入土，盡量保證環(huán)刀上表面與土壤表面相平，環(huán)刀下面多余部分用刀刮平，不可壓入環(huán)刀內(nèi)。將環(huán)刀取得的土樣移入鋁盒，放置時需將鋁盒置于較大的塑料器皿中，以防土樣灑出，若有灑出，灑出部分最后需全部倒入鋁盒中，記錄鋁盒編號。②土壤樣品的處理、測定。土壤樣品的處理、測定參照《森林土壤水分－物理性質(zhì)的測定》［11］。測定步驟:取原狀土后，用水浸泡一定時間，使其達到水飽和，計算土壤不同持水性能下的持水量。用粗天平稱環(huán)刀加濕土質(zhì)量。將裝有濕土的環(huán)刀揭去上、下底蓋，僅留一墊有濾紙的帶網(wǎng)眼的底蓋，放人平底盆中，注入并保持盆中水層的高度至環(huán)刀上沿為止，使其吸水達12 h，此時環(huán)刀土壤中所有非毛管孔隙及毛管孔隙都充滿了水分，蓋上上、下底蓋，水平取出，立即稱量(A)。將稱量(A)后的環(huán)刀，去掉底蓋，放置在鋪有干沙的平底盤中2 h，此時環(huán)刀中土壤的非毛管水分已全部流出，但環(huán)刀中土壤的毛細管仍充滿水分，蓋上底蓋，立即稱量(B)，即可計算出毛管持水量(g/kg 或mm)。再將稱量(B)后的環(huán)刀，揭去上、下底蓋，繼續(xù)放置在鋪有干沙的平底盤中，保持一定時間(4～5 d)，此時環(huán)刀中土壤的水分為毛管懸著水，蓋上上、下底蓋，立即稱量(C)，即可算出最小持水量(田間持水量，g/kg)。將稱量(C)后環(huán)刀中的土壤，取出其中有代表性的一部分土樣(20 g)，放入鋁盒中，測定水分換算系數(shù)(K)。用此系數(shù)將環(huán)刀中的濕土質(zhì)量換算成烘干土質(zhì)量，即可計算出土壤密度(g/cm3)。

3 試驗結(jié)果與分析

3．1 采煤塌陷對土壤密度的影響

土壤密度是單位體積土壤的質(zhì)量。根據(jù)表1，土壤密度變化范圍在0．72～1．38 g/cm3之間，與未塌陷區(qū)相比，在礦區(qū)和土層相同的情況下塌陷區(qū)土壤密度均大于未塌陷區(qū)。從不同深度角度分析，土壤密度在0—60 cm 范圍呈“上小下大”，即表土層密度一致偏小，而稍深層密度偏大;從垂直方向上來看，表層土和底層土的密度差異要稍顯著一些。

3．2 采煤塌陷對土壤孔隙度的影響

土壤孔隙度即土壤孔隙占土壤總體積的百分比。土壤孔隙在土壤水分保持以及土壤對植物的供水中有非常重要的意義。毛管孔隙度和非毛管孔隙度綜合反映了土壤透水持水能力和基本物理性能。由表2 知，塌陷區(qū)與未塌陷區(qū)相比較，非毛管孔隙度、毛管孔隙度和總孔隙度三者明顯變小;從垂直方向上來看，表層土的非毛管孔隙、毛管孔隙與總孔隙度均大于底層土。

表1 采煤塌陷區(qū)與未塌陷區(qū)的土壤密度對比

表2 采煤塌陷區(qū)與未塌陷區(qū)的土壤孔隙度對比

3．3 采煤塌陷對土壤質(zhì)量含水量的影響

土壤質(zhì)量含水量能揭示土壤水分狀態(tài)及其運動規(guī)律，可間接反映植物的水分供應(yīng)狀況。

由表3 知，采煤塌陷區(qū)的土壤質(zhì)量含水量值明顯比未塌陷區(qū)的數(shù)值小，且表層土的質(zhì)量含水量比底層的大，采煤塌陷區(qū)表層和底層土壤質(zhì)量含水量受塌陷的影響基本上是一致的，均呈下降趨勢。

表3 采煤塌陷區(qū)與未塌陷區(qū)的土壤質(zhì)量含水量對比

3．4 采煤塌陷對土壤毛管持水量的影響

毛管持水量是指當(dāng)土壤毛管上升水達到最大量時的土壤含水量。由表4 可知，塌陷區(qū)的毛管持水量遠小于未塌陷區(qū)，毛管持水量受采煤塌陷影響較大;底層土的毛管持水量也遠小于表層土，這是因為表層土的腐殖質(zhì)含量較高。

表4 采煤塌陷區(qū)與未塌陷區(qū)的土壤毛管持水量對比

3．5 采煤塌陷對土壤田間持水量的影響研究

田間持水量是土壤所能穩(wěn)定保持的最高含水量，也是土壤中所能保持懸著水的最大量，是對植物有效的最高的土壤水含量。如表5 所示，塌陷區(qū)與未塌陷區(qū)的田間持水量差異明顯，塌陷后土壤的田間持水量有減小的趨勢，以表層尤為明顯。

表5 采煤塌陷區(qū)與未塌陷區(qū)的土壤田間持水量對比

4 結(jié) 語

在對百里杜鵑風(fēng)景名勝區(qū)綜合踏查的基礎(chǔ)上選取典型礦區(qū)，開展了采煤塌陷對百里杜鵑林區(qū)土壤水分-物理性質(zhì)的對比研究。采煤塌陷后，百里杜鵑林區(qū)塌陷區(qū)土壤密度比未塌陷區(qū)有增大趨勢，土壤質(zhì)量含水量、毛管持水量、田間持水量均呈下降趨勢，表層下降尤其明顯。

采煤塌陷破壞了百里杜鵑林區(qū)的土壤結(jié)構(gòu)，加速了土壤淋溶侵蝕。在后期采煤塌陷區(qū)土地復(fù)墾和生態(tài)重建時，應(yīng)采取必要的工程措施以控制塌陷區(qū)的水土流失，如裂縫填埋、土地整理等;在樹種選擇上，應(yīng)加大對百里杜鵑風(fēng)景名勝區(qū)耐旱耐瘠薄適生樹種的選擇和抗性研究，同時要與百里杜鵑風(fēng)景名勝區(qū)的旅游發(fā)展的大方向協(xié)調(diào)一致。在百里杜鵑風(fēng)景名勝區(qū)內(nèi)，協(xié)調(diào)好采礦業(yè)和旅游業(yè)的關(guān)系將是以后研究的重點。

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［11］LY/T 1215—1999，森林土壤水分－物理性質(zhì)的測定［S］．