黃土區采煤沉陷農田土壤養分的三維可視化

張亞麗，白文斌，焦曉燕，王立革，王勁松

（1.山西農業大學資源環境學院，山西太谷030801；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）

當前，煤炭和土地是人們賴以生存的兩大資源。當開采煤炭資源為人們供給能源時，由于其多采用綜合機械化長壁放頂煤開采方法，使采空區上覆巖層的原始應力平衡狀態受到破壞，依次發生冒落、斷裂、彎曲等移動變形，最終涉及地表，形成一個比采空區面積大得多的近似橢圓形的下沉盆地，農田受其影響所形成的下沉盆地稱之為沉陷農田。沉陷區破壞農田的養分表現為空間變異度大，了解其空間變異是實施沉陷區農田精準農業的基礎[1]。因而，明確采煤沉陷區農田土壤養分空間變異，對指導沉陷區農田在一定時期內進行科學種植布局具有重要意義，而如何快速、準確地表達沉陷區農田的養分空間變異是其重要環節。目前，Surfer軟件已經應用于農田信息表達[2-3]、農田防護林網研究[4]、水下地形分析[5]、地質勘探布點分析[6]和河道演變分析[7]等領域，并取得了顯著成效。

本研究利用Surfer軟件的等值線功能和三維地形模塊，簡便、高效地實現以空間數據的形式表達采煤沉陷破壞后農田區域的養分空間變化格局，實現沉陷區農田土壤信息與地形信息的高效三維可視化表達。

1 研究區概況

1.1 位置及概況

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。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，北距長治市14 km，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。該村有2 300多人口，農戶576戶，耕地面積125 hm2。2005年出現地表沉陷，該村原有耕地遭到一定程度破壞，形成4個沉陷盆地。

研究區域的地下煤田屬潞安集團司馬煤礦，該礦礦界西北以太焦鐵路東側保安煤柱與三元煤業公司煤礦相望，南與經坊煤礦為鄰，東部為3號煤層露頭線，西鄰目前在建的高河井田。礦區內為平坦的盆谷平原地貌，村莊多、人口密集，各種道路四通八達，交通便利，即太焦鐵路從礦區西部邊緣通過，經坊煤礦鐵路專用線和207國道從礦區內南北穿過，西部的長治—晉城高速公路已經通車，區內各鄉村之間均有公路或大路相通。煤礦的采深區在200～280 m之間，煤層深度為7 m左右，年生產（設計）能力為300 萬t。

1.2 地質構造

研究區域大地構造位置處于我國東部新華夏構造體系第三隆起帶的中段，亦即太行山隆起褶帶，該帶系一西緩東陡的大型復背斜隆起，北段逐漸往NE彎曲，南段往SW及往西扭轉，總體延伸方向為N 20°～30°E，它與其他隆起帶和沉降帶彼此平行，并呈雁行排列。

礦區位于晉（城）—獲（鹿）褶斷帶南段的主要構造形跡長治大斷裂的西側，西臨武鄉—陽城坳褶帶。區內構造受新華夏構造體系的控制，其構造形跡呈“多”字型排列規律，總體呈一走向NE、傾向NW、傾角4°左右的單斜構造，并伴有寬緩褶曲和少量斷裂，區內無巖漿巖侵入。地表以第四系松散層覆蓋較厚，無基巖出露。

1.3 土壤條件

礦區土壤母質為第四紀特殊沉積物，黃土母質，屬紅黃土類；土壤類型為石灰性褐土，pH值在7.8～8.5之間，有機質含量為1.52%左右，土壤養分除速效鉀外，其他養分含量相對較低。土壤質地為中壤，熟化程度較高，可耕性好。耕層厚40 cm，最大凍土層深度100 cm，平均凍土深度80 cm，土壤容重1.42 g/cm3，田間持水量22%，土壤適宜的含水率上限為19.8%、下限為13.2。

2 研究材料和方法

2.1 采煤沉陷區農田測繪

于2007年8月選定一沉陷2 a的沉陷盆地（SM）作為研究對象，沉陷地形用全站儀（南方全站儀NTS662）進行測量，沉陷盆地面積6.25 hm2。沉陷前地表平整，以未沉陷地為參照（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。

2.2 沉陷區農田土樣采集方式

在沉陷盆地的4個方向（N-S，E-W）的不同等高線上取樣，各方向夾角為90°。每個采樣點對0～20 cm和20～40 cm 2個土層分別進行取樣，測定土壤有機質含量。土壤有機質測定采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法。

2.3 數據處理

數據統計分析和制圖均采用Surfer軟件。

3 結果與分析

3.1 沉陷區農田空間變異三維成像

將全站儀地形數據錄入Surfer工作表中，建立X（沉陷盆地WN方向）、Y（沉陷盆地EN方向）和Z（沉陷深度）數據文件（其輸出數據為dat格式），獲得沉陷地形三維地形圖（圖2）。

3.2 沉陷區農田土壤養分信息的三維可視化分析（以有機質為例）

為了表達養分的空間變異，利用采樣點信息dat文件（表1）生成grid文件，然后分別生成等值線圖和張貼圖，即養分的空間變異二維等值線圖和采樣點分布圖，通過單擊“地圖”菜單，在下拉菜單下選擇等值線圖—新建等值線圖，打開對話框，導入grid文件，點“確定”生成等值線圖，同理生成地形的等值線圖和采樣點位置張貼圖。而3個圖是分開的，不能顯著地表達地形等值線、采樣點位置和養分的變異信息，為此，選用“覆蓋地圖”功能。

表1 采樣點坐標數據文件的輸入格式

運用“覆蓋地圖”功能前，用Ctrl鍵同時選中這3個圖，單擊“地圖”菜單下的“覆蓋地圖”功能，實現三者的合三為一，然后，右擊“地形等值線圖”選擇“屬性”，設置“等級”選項卡下的“填充”都為無，單擊“確定”。接著，右擊“有機質養分等值線圖”，選擇“屬性”，設置“等級”選項卡下的“線條”的式樣為“invisible”，單擊“確定”。最后，拖動調整3個圖層的“覆蓋次序”，從上到下為：采樣點張貼圖—地形等值線圖—有機質養分等值線圖，最終生成綜合等值線覆蓋圖（圖3）。

圖3表明了有機質和等高線在整個沉陷區域內的空間變化趨勢，即沉陷盆地的底部相對富集有機質，且不同方向上有機質養分的遷移程度不同，其中，東、南2個方向上的有機質養分變異程度大。其比以往的簡單等值線圖和統計分析圖表達更明顯，類似于三維空間的俯視圖。

由于三維圖形具有更加直觀、準確地表達數據的特點，因此，將三維地形圖和二維等值線圖進行合成覆蓋，形成三維地形覆蓋圖。在此制圖過程中，坐標系必須一致，即X，Y軸的最大、最小限制范圍一樣。按住Ctrl鍵同時選中三維地形圖和綜合等值線覆蓋圖，單擊“地圖”菜單下的“覆蓋地圖”功能，從而生成3D效果圖（圖4），通過“地圖”菜單下的“軌跡球”功能實現對3D對象的三維控制，從不同的角度對其進行觀察。從圖4可以清楚地看出，養分隨地形變化而產生的空間變異規律。

4 結論與討論

（1）應用Surfer軟件在數據分析方面具有獨特的優勢，分步驟實現養分數據的三維可視化，并用土壤有機質數據進行了示例，實現以空間數據的形式表達采煤沉陷破壞后農田區域的養分空間變化格局，證明十分可行。

（2）為采煤沉陷區養分的變化規律和沉陷破壞機理研究找到了一個簡便繪制等值線和三維圖形的方法，能夠更加直觀、充分地表現空間數據特征，更加準確地掌握研究因子在整個區域內的空間異質性和整體特征，最終達到更加合理的分析結果。

總之，充分利用Surfer軟件的操作簡單性、功能強大性，發揮其在數據分析方面具有的獨特優勢，可實現以空間數據的形式表達采煤沉陷破壞后農田區域的養分空間變化格局，找到實現采煤沉陷區養分的變化規律和沉陷破壞機理研究的信息可視化方法。因此，可廣泛應用于水土保持科學的數據三維可視化研究，尤其在表現養分等研究因子隨地形發生的運移速度、因子的空間變化規律等方面具有獨特的優勢。

［1］劉鑫，韓鵬遠，王立革，等.山西省采煤沉陷地土地破壞及復墾土壤培肥研究現狀 [J].山西農業科學，2008，36（11）：97-99.

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［3］白文斌，焦曉燕，王立革，等.利用3DSurfer實現田間土壤信息的三維可視化[J].山西農業科學，2008，36（3）：51-54.

［4］劉春利，邵明安.黃土高原坡地表層土壤飽和導水率和水分含量空間變異特征 [J].中國水土保持科學，2009，7（1）：13-18.

［5］蘇繁星，關文彬，冶民生，等.Surfer軟件在農田防護林網研究中的應用[J].中國水土保持科學，2006，4（4）：88-91.

［6］白世彪，王軍見，閭國年.Surfer軟件在水下地形三維可視化與分析中的應用[J].海洋測繪，2004，24（5）：51-53.

［7］潘屹峰.基于Surfer軟件的三維勘探點布置圖實現 [J].廣東水利水電，2009（11）：8-10.

［8］雷雨，尹福國，周銀軍.Surfer在河道演變分析中的應用[J].人民黃河，2010，32（1）：24-25，28.