厚黃土薄基巖型采煤沉陷區農田土壤化學性狀空間變異

白成云，白文斌，焦曉燕，韓 雄

（1.山西省農業科學院技術推廣處，山西 太原 030006；2.山西省農業科學院高粱研究所，山西 晉中 030600；3.山西省農業科學院農業環境與資源研究所，山西省土壤環境與養分資源重點實驗室，山西 太原 030006）

黃土高原位于我國由東南濕潤半濕潤氣候向干旱半干旱氣候過渡的中間地帶[1]。潞安集團司馬煤礦地處黃土高原東南部的上黨盆地，于2005年6月投產，是一座國內同類水平較高的礦井之一，煤田面積29.49 km2，采用長壁回采工藝。該區域水熱資源豐富，是山西省農業生產條件較好的區域之一，屬于典型的糧礦復合區。近幾年來，隨著采礦規模的擴大，礦區范圍內發生了地表農田沉陷災害，地表沉陷不僅破壞了糧礦復合區農田的基本設施，也導致了土壤水分、養分分布不均[2]，耕地肥力下降[3]，影響了礦區農民的正常生產生活，使礦區人地矛盾日趨尖銳[4]，直接制約著礦區的可持續發展[5]。

本試驗以潞安集團下屬司馬煤礦井田內的沉陷農田為研究對象，通過測定和分析不同沉陷部位農田土壤的化學性狀，揭示采煤沉陷對沉陷區農田土壤化學性狀的影響規律，旨在為地處干旱半干旱地區礦區農田土地復墾提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗區概況

研究區位于長治盆地東南部邊緣長治縣境內蘇店鎮郝店村，為黃土平原地貌，土層較厚，質地以壤質為主，屬厚黃土薄基巖型采煤區。區內地勢較為平坦開闊，地面坡度在3°～12°之間，海拔為940 m左右，屬暖溫帶大陸性季風氣候，四季分明，日照充足，晝夜溫差較小。沉陷區涉及村莊有2300多人口，農戶576戶，耕地面積125 hm2，人均耕地540 m2。因采煤塌陷，該村土地遭到嚴重破壞，現有的耕地旱地多、水地少、保澆地更少。塌陷前種植作物以冬小麥—蔬菜—冬小麥輪作為主，施肥以無機肥為主、有機肥為輔。塌陷后輸水管道遭到破壞，水澆地變為旱地，耕種不方便，種植模式為一年一作的玉米，生產力降低，水土流失嚴重[6]。

1.2 試驗方法

1.2.1 采樣方式 2007年8月，選定一沉陷2 a的沉陷盆地（SM）作為研究對象，塌陷地形用全站儀（南方全站儀NTS662）進行測量，塌陷盆地面積6.25 hm2。沉陷前地表平整，以未塌陷地為參照（CK），按落差1 m設定等高線，分別命名為等 1、等 2、等 3、等 4、等 5、等 6、等 7。沉陷盆地特征、不同落差等高線及采樣點如圖1所示。

土壤養分樣品采集:在沉陷盆地的4個方向（北、南、西、東）的不同等高線上取樣，各方向夾角為90°（圖2）。每個樣點分0～20，20～40 cm 2個層次分別進行取樣，測定土壤化學性狀。

1.2.2 分析方法 pH值測定采用玻璃電極法；土壤有機質測定采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法；土壤全氮測定采用半微量開氏法；土壤速效磷測定采用鉬銻抗比色法；土壤速效鉀測定采用醋酸銨浸提-火焰光度計法。

2 結果與分析

為研究沉陷區農田土壤化學特性的空間變化規律、變化程度，以未沉陷農田土壤化學特性為對照，將沉陷區不同下沉深度土壤化學特性實測值換算成相對值（表1）。表1中沉陷區農田不同部位（下沉深度）不同土層土壤化學特性測定項目的相對值，均以正常未沉陷農田相應層次土壤的相應項目實測值為基準（100%）換算而成。

表1 沉陷地土壤化學性狀的相對變化 %

2.1 不同沉陷程度對土壤pH值的影響

沉陷區農田土壤酸堿性的空間變化特征如圖3所示。不同沉陷深度對土壤酸堿性的pH值影響不明顯，不同土層變異系數僅為0.74%和0.78%（表2），并沒有出現徐州礦區沉陷農田的3.63%和2.32%的pH值變化幅度[7]。

2.2 不同沉陷程度對土壤全氮的影響

由圖4可知，不同土層土壤全氮含量在下沉深度2 m內，隨下沉深度的增加，0～20 cm土層全氮含量下降，下沉深度2 m時達最低；然后隨沉降深度的進一步增加，全氮含量則呈增加的趨勢，在等6、等7處土壤全氮含量最高，達0.13%。下沉程度對20～40 cm土壤全氮含量沒有影響。

2.3 不同沉陷程度對土壤有機質的影響

由圖5可知，沉陷農田在下沉深度1～3 m的不同土層土壤有機質含量均比正常農田低，其中在下沉深度3 m時，不同土層土壤有機質含量下降的幅度最大；而在下沉深度4，5，6，7 m的不同土層土壤有機質含量均比正常未沉陷農田高。從圖5還可看出，不同沉陷深度不同土層的土壤有機質變化規律一致。

2.4 不同沉陷程度對土壤速效磷的影響

從圖6可以看出，不同下沉深度不同土層土壤速效磷含量均有不同程度的增減變化，并且變異系數較大，0～20，20～40 cm土層分別達到22.79%和16.10%。從表1還可以看出，沉陷農田不同土層土壤速效磷含量在下沉深度1～7 m位置均比正常農田低，其中，下沉深度3 m的土壤速效磷含量下降的幅度最大，不同土層分別達到61.02%和66.65%；而在下沉深度1 m處，不同土層土壤速效磷含量均比正常農田低59.25%和52.90%，這是由沉陷外邊緣的劇烈位伸造成的裂縫和土體位移所致。

2.5 不同沉陷程度對土壤速效鉀的影響

從圖7可以看出，不同下沉深度不同土層土壤速效鉀含量的變化趨勢基本一致，并且其含量的最低點均在下沉深度3 m處。而從表1可以看出，沉陷農田0～20 cm土壤速效鉀相對正常未沉陷農田的變化幅度大于20～40 cm土壤速效鉀。不同土層土壤的變異系數分別為13.17%和3.07%，表層土壤的擾動程度明顯大于下層土壤。綜上所述，由于開采沉陷改變了原有地表形態，沉陷形成盆地，使原本平坦的農地產生附加坡度，從而加劇地表土體物質隨地表雨水徑流的運移和沖刷。因此，當上中坡侵蝕流失的土壤細顆粒物質（有機質含量高）向沉陷盆地底部積聚，則導致上中坡土壤養分含量下降，而近盆地底部則有增加的趨勢。

2.6 不同沉陷程度下土壤化學性狀的變異程度

沉陷農田不同土層土壤的不同化學特性的空間變異系數如表2所示。表2顯示，0～20 cm土層土壤化學特性的空間變異系數的綜合平均值大于20～40 cm土層，分別為9.50%和6.00%，說明表層土壤化學特性的變異程度大，受開采沉陷的影響較大。土壤的不同化學特性的空間變異程度由大到小的順序是土壤速效磷、土壤速效鉀、土壤有機質、土壤全氮、土壤pH值。說明土壤速效磷受開采沉陷的影響較大，土壤pH值受開采沉陷的影響則較小。

表2 沉陷農田土壤化學特性的空間變異系數 %

3 結論與討論

（1）開采沉陷加速沉陷區農田土壤侵蝕和水土流失，從而顯著影響耕地土壤化學特性，受其影響最大的是0～20 cm土層，其次是20～40 cm土層。

（2）沉陷農田不同下沉深度土壤養分受沉陷影響的增減程度不一樣，在下沉深度3 m的等高線上，其土壤速效磷養分含量與正常農田相比下降幅度最大，說明該位置受開采沉陷引起的土壤侵蝕現象最嚴重；而在下沉深度4 m的等高線上，其有機質、速效磷和速效鉀等養分含量與正常農田相比均呈階段性增加的趨勢，說明該位置積聚了大量的上中坡侵蝕下移的土壤有機質等養分，導致沉陷中部（即沉陷4 m處）有養分積聚和鹽漬化趨勢。

（3）在沉陷2 a的沉陷區農田中，不同土壤化學特性受開采沉陷影響的程度不一樣，土壤的不同化學特性的空間變異程度由大到小的順序是土壤速效磷、土壤速效鉀、土壤有機質、土壤全氮、土壤pH值。受其影響最大的是土壤速效磷，土壤酸堿性受開采沉陷的影響最小。

［1］白中科，趙景逵.工礦區土地復墾與生態重建[M].北京:中國農業科技出版社，2000:21-147.

［2］胡振琪.山西省煤礦區土地復墾與生態重建的機遇和挑戰[J].山西農業科學，2010，38（1）:42-45，64.

［3］喬志偉，李金嵐，洪堅平，等.礦區塌陷復墾地土壤養分及酶活性的變化[J].山西農業科學，2011，39（1）:38-42.

［4］焦曉燕，王立革，盧朝東，等.采煤塌陷地復墾方式對土壤理化特性影響研究[J].水土保持學報，2009，23（4）:123-124，145.

［5］薛耀祖，蒲春玲.關于企業社會責任履行的資源富集區政府與企業行為博弈分析[J].天津農業科學，2010，16（3）:50-54.

［6］盧朝東，白文斌，郜春花，等.厚黃土薄基巖型采煤沉陷區農田土壤物理性狀空間變異初探 [J].山西農業科學，2010，38（1）:65-67，72.

［7］陳龍乾，鄧喀中，許善寬，等.開采沉陷對耕地土壤化學特性影響的空間變化規律[J].土壤侵蝕與水土保持學報，1999，5（3）:81-86.