采煤沉陷區(qū)土壤理化性質(zhì)時(shí)空變化特征

郭程錦

關(guān)鍵詞：采煤沉陷;理化性質(zhì);坡向;質(zhì)量評(píng)價(jià)

煤炭是我國重要的能源來源，在我國一次性能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中所占比例一直是70%左右[1]。中國90%左右的煤炭源于井工開采，長期大量的井工開采形成大面積的采空區(qū)，采空區(qū)頂板塌陷[2]，波及地面，形成不均勻沉降（地表裂縫）和地表塌陷，塌陷農(nóng)田的土壤質(zhì)量遭到破壞[3-4]。由采煤引發(fā)的地面沉陷不僅會(huì)威脅土地資源，還會(huì)引發(fā)一系列生態(tài)問題，如土壤質(zhì)量下降、水資源流失、水體污染、大氣污染等[5-6]。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)采煤沉陷區(qū)土壤質(zhì)量的空間變異規(guī)律進(jìn)行了諸多研究，主要從單一土地利用類型上的坡度和裂縫兩個(gè)不利因素進(jìn)行考察[7-9]。以典型焦作九里山采煤沉陷區(qū)為研究區(qū)，基于PCA和土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)，對(duì)沉陷區(qū)微地形（具體坡向和坡位）的土壤理化性質(zhì)和質(zhì)量在時(shí)空上的差異性進(jìn)行定量研究，為沉陷區(qū)的合理分區(qū)、促進(jìn)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境綜合整治和科學(xué)決策提供重要的理論和實(shí)踐依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究以焦作九里山礦區(qū)內(nèi)耕地土壤為研究對(duì)象。焦作九里山礦（東經(jīng)113.42°，北緯39.34°，海拔97 m）位于河南省焦作市馬村區(qū)，屬于溫帶大陸季風(fēng)性氣候，年平均氣溫14.2 ℃，年均降雨量578 mm，年均日照時(shí)數(shù)2 062 h，光熱資源豐富，是全國糧食高產(chǎn)區(qū)之一[10]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，焦作沉陷土地已達(dá)2 471.42 hm2。沉陷盆地內(nèi)地表高低起伏，裂縫遍布，使耕地喪失灌溉能力，土壤持水能力和肥力下降，土地生產(chǎn)力較低[11]。

1.2 研究方法

在研究區(qū)內(nèi)選取不同沉陷坡向（北坡和南坡）、不同沉陷坡位（坡底、坡中和坡頂）的坡面作為采樣點(diǎn)。分別于2020年7月和2021年4月，在同一采樣點(diǎn)利用聚氯乙烯（PVC）硬質(zhì)管（長200 mm，直徑150 mm）采集原狀土柱，用膠質(zhì)錘將PVC管垂直砸入土體內(nèi)，用鐵鍬掘取出來，并將PVC管兩端蓋上管蓋，在每個(gè)采樣點(diǎn)隨機(jī)采取3個(gè)重復(fù)樣。

2 結(jié)果

2.1 沉陷區(qū)不同坡向土壤理化性質(zhì)時(shí)空變化特征

采煤沉陷區(qū)不同坡向含水率、有機(jī)質(zhì)、pH和全磷在不同采樣時(shí)間的特征如圖1所示。

由圖1可以看出，北坡坡底2020年7月的含水率和有機(jī)質(zhì)含量均高于2021年4月，2021年4月的pH和總磷均高于2020年7月;南坡坡底2021年4月的含水率和總磷分別比2020年7月的含水率和總磷高9.2%和3.20倍。北坡坡中2020年7月的含水率比2021年4月的含水率高14.4%，2021年4月的有機(jī)質(zhì)、pH和總磷均高于2020年7月;南坡坡中2021年4月的含水率和總磷分別比2020年7月的含水率和總磷高54.8%和3.50倍，2020年7月的有機(jī)質(zhì)和pH分別比2021年4月的有機(jī)質(zhì)和pH高52.6%和2.1%。北坡坡頂2020年7月的含水率和有機(jī)質(zhì)分別比2021年4月的含水率和有機(jī)質(zhì)高27.1%和19.6%，2021年4月的pH和總磷分別比2020年7月的pH和總磷高8.9%和1.44;南坡坡頂2021年4月的含水率、有機(jī)質(zhì)、pH和總磷分別比2020年7月的含水率、有機(jī)質(zhì)、pH和總磷高39.7%、7.7%、1.7%和2.88。由此可見，不同時(shí)間對(duì)土壤理化性質(zhì)具有顯著影響。

2.2 沉陷區(qū)不同坡位土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)

對(duì)土壤含水率、有機(jī)質(zhì)、pH和總磷進(jìn)行主成分分析，分析結(jié)果如表1所示。

對(duì)土壤質(zhì)量指標(biāo)的公因子方差分析表明，兩個(gè)主成分能解釋含水率90%以上的差異，可以解釋pH 87%以上的差異。不同坡位及坡向土壤質(zhì)量指數(shù)如表2所示。

由表2可以看出，不同坡位土壤質(zhì)量指數(shù)在2020年7月和2021年4月不同采樣時(shí)間內(nèi)變化差異明顯。在坡底處，2021年4月的土壤質(zhì)量指數(shù)大于2020年7月，在坡中和坡頂處，2020年7月的土壤質(zhì)量指數(shù)均大于2021年4月;2020年7月的土壤質(zhì)量指數(shù)在坡底處最小，2021年4月的土壤質(zhì)量指數(shù)在坡頂處最小。

3 結(jié)論

（1）采煤沉陷區(qū)土壤含水率、有機(jī)質(zhì)、pH和總磷在不同坡向具有顯著性變化差異。隨著沉陷時(shí)間的延長，含水率和有機(jī)質(zhì)變化差異明顯。

（2）從坡位來看，除坡底外，坡中和坡頂2021年4月的土壤質(zhì)量指數(shù)均小于2020年7月的土壤質(zhì)量指數(shù)。