采煤沉陷區(qū)土壤成分變化研究——以潞安集團王莊煤礦為例

朱宗澤,陳志超,郝成元

(河南理工大學測繪與國土信息工程學院,河南焦作 454000)

采煤沉陷區(qū)土壤成分變化研究
——以潞安集團王莊煤礦為例

朱宗澤,陳志超,郝成元

(河南理工大學測繪與國土信息工程學院,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

煤炭開采導致地表大面積沉陷、土壤肥力下降,從而影響耕地生產能力。通過對潞安集團王莊煤礦采煤沉陷區(qū)沉陷 3年、6年的土壤成分進行對比分析研究,得出以下兩點主要結論:①土壤養(yǎng)分有從沉陷地頂部向底部匯集的趨勢,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、頂部電導率卻存在顯著差異,即沉陷地底部土壤有鹽化趨勢。依據(jù)研究結果,提出了改善土壤物理、化學性狀等相應的土地整治策略。

煤炭是我國現(xiàn)時最主要的能源,約占一次能源構成的74%,且 96%以上的煤炭產量來自于井工開采[1]。這種開采方式破壞了煤層覆巖的應力平衡,導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,并在地表產生大面積裂隙(縫),嚴重破壞了礦區(qū)的土地資源。據(jù)不完全統(tǒng)計,平均每開采 1萬 t煤,地表沉陷0.2 hm2,最多的達 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 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 50年代起,歐洲、美洲、大洋洲的一些國家就已經(jīng)開始關注采礦活動中的生態(tài)環(huán)境問題,并開展了一些工程措施與生物措施相結合的礦山環(huán)境恢復、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、景觀重建與土地復墾研究中取得了一定的成果,主要集中于有毒有害物質防治、植被恢復及土壤基質熟化等方面[8-9],很少從土壤肥力及土壤理化性質等方面開展綜合研究并探索土地退化的內在機理及生態(tài)恢復途徑。筆者通過選擇有代表性的采煤沉陷區(qū),對沉陷后耕地土壤中的有機質和營養(yǎng)元素含量進行了對比分析研究,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)土地退化特點的生態(tài)恢復技術、指導沉陷區(qū)耕地合理施肥、提高礦區(qū)糧食產量、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,經(jīng)過兩次改擴建,2008年實際生產能力接近 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,若不加強恢復與治理,將嚴重影響礦區(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,重復采樣 5次,將樣品帶回實驗室風干保存,用以測定土壤養(yǎng)分。樣品風干后,剔除未分解的植物根系及殘體、昆蟲尸體、石塊等雜物,磨碎、碾細,過 20目、100目尼龍篩后,取足量裝入紙質小袋測定其有機質、氮、磷、鉀等的含量。

1.2.2 測定方法

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

應用SPSS 13.0軟件對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析,5%水平下LSD多重比較檢驗各處理數(shù)據(jù)間的差異顯著性。

2 研究結果

土壤有機質既是土壤養(yǎng)分的源泉,又是土壤中異養(yǎng)型微生物的能源物質,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[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動態(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[12-14];速效氮、速效磷、速效鉀常作為土壤養(yǎng)分及時供給的指標,對當季作物的生長發(fā)育有著重要的作用[15-16];土壤電導率和 pH值則指示著土壤酸堿化程度。因此,本研究所測定的土壤項目有有機質、全氮、全磷、全鉀、速效氮、速效磷、速效鉀含量和電導率、pH值 9項。

2.1 沉陷3年土壤成分變化

雖然采煤沉陷對土壤有機質有破壞作用,但研究表明沉陷3年的耕地土壤中有機質含量并未出現(xiàn)顯著變化(表 1),這可能與有機質移動性差及沉陷地坡度相對較小有關[17]。采煤沉陷使地表形成了坡地和洼地,土壤中許多營養(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,這一小地形導致地表耕作層土壤中遷移性較強的速效氮、速效磷、速效鉀隨地表水分運動向沉陷區(qū)底部匯集。

人類的擾動是土壤環(huán)境質量變化的重要驅動力,常常會引起土壤 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,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率

2.2 沉陷 6年土壤成分變化

采煤沉陷對土壤有機質有破壞作用,研究表明:沉陷 6年的耕地土壤中有機質含量呈現(xiàn)出中部和底部有機質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,這必將加重土壤的鹽化。

3 結論及土壤整治策略

3.1 結 論

通過對潞安礦區(qū)王莊煤礦沉陷 3年與沉陷 6年耕地的土壤成分進行初步對比分析,得出如下結論:①沉陷地頂部土壤養(yǎng)分有向中部和底部遷移的趨勢,但沉陷3年耕地土壤養(yǎng)分受小地形影響更為明顯。沉陷地邊緣地帶產生了不同程度的裂隙(縫),在局部錯位較大、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和土地生產力。②沉陷6年耕地頂部、中部和底部土壤養(yǎng)分差異性變化相對較小,表明在最初沉陷的年份土壤養(yǎng)分向較低地勢遷移更為強烈,隨著沉陷年限增加而漸趨穩(wěn)定。這一規(guī)律對制定礦區(qū)土壤肥力定向培育對策尤為重要。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,但電導率差異顯著,存在沉陷地底部日益鹽化的趨勢。

3.2 土壤整治策略

針對以上結論,建議礦區(qū)土壤整治應從以下 3個方面著手:①改善土壤的養(yǎng)分狀況。有機廢棄物如污水污泥、垃圾或堆肥可作為土壤添加劑,并在某種程度上充當一種緩慢釋放的營養(yǎng)源,同時可通過螯合有效態(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,加強耕作,全面改善土壤水、肥、氣、熱之間的相互關系,為土壤改良和培肥創(chuàng)造良好的環(huán)境。

[1]李新舉,胡振琪,李晶,等.采煤塌陷地復墾土壤質量研究進展[J].農業(yè)工程學報,2007,23(6):276-280.

[2]卞正富.我國煤礦區(qū)土地復墾與生態(tài)重建研究[J].資源?產業(yè),2005,7(2):18-24.

[3]張發(fā)旺,侯新偉,韓占濤,等.采煤塌陷對土壤質量的影響效應及保護技術[J].地理與地理信息科學,2003,19(3):67-70.

[4]張成梁.山西采煤造成的土地荒漠化及趨勢分析[J].中國水土保持科學,2006,4(5):40-43.

[5]趙同謙,郭曉明,徐華山.采煤沉陷區(qū)耕地土壤肥力特征及其空間異質性[J].河南理工大學學報:自然科學版,2007,26(5):587-592.

[6]高國雄,高保山,周心澄,等.國外工礦區(qū)土地復墾動態(tài)研究[J].水土保持研究,2001,8(1):98-103.

[7]代宏文.澳大利亞礦山復墾現(xiàn)狀[J].中國土地科學,1995(4):23-24.

[8]趙景逵.礦區(qū)土地復墾技術與管理[M].北京:農業(yè)出版社,1993.

[9]李娟,龍健.礦區(qū)土地修復與生態(tài)農業(yè)可持續(xù)發(fā)展對策[J].農業(yè)現(xiàn)代化研究,2004,25(2):90-93.

[10]中國科學院南京土壤研究所.土壤理化分析[M].上海:上?？茖W技術出版社,1978:55-120.

[11]陳明昌,張強,程濱,等.山西省主要農田施肥狀況及典型縣域農田養(yǎng)分平衡研究[J].水土保持學報,2005,19(4):1-5,26.

[12]孫泰森,師學義,楊玉敏,等.五陽礦區(qū)采煤塌陷地復墾土壤的質量變化研究[J].水土保持學報,2003,17(4):35-37,89.

[13]陳龍乾,鄧喀中,徐黎華,等.礦區(qū)復墾土壤質量評價方法[J].中國礦業(yè)大學學報,1999,28(5):449-452.

[14]胡振琪,戚家忠,司繼濤.粉煤灰充填復墾土壤理化性狀研究[J].煤炭學報,2002,27(6):639-643.

[15]于君寶,王金達,劉景雙,等.礦山復墾土壤營養(yǎng)元素時空變化研究[J].土壤學報,2002,39(5):750-753.

[16]洪堅平,謝英荷,孔令節(jié),等.礦山復墾區(qū)土壤微生物及其生化特性研究[J].生態(tài)學報,2000,20(4):669-672.

[17]魏忠義,王秋兵.大型煤矸石山植被重建的土壤限制性因子分析[J].水土保持研究,2009,16(1):179-182.

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)會科學技術研究指導性計劃項目(MTKJ2010-371);河南省教育廳自然科學研究計劃項目(2009B 440002);河南理工大學青年基金項目(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

(責任編輯 孫占鋒)