采煤塌陷對貴州百里杜鵑林區土壤水分－物理性質的影響

謝元貴，孫文博，潘高潮，彭 熙，王思錦

(1．貴州省喀斯特資源環境與發展研究中心，貴州貴陽550001;2．貴州省水土保持監測站，貴州貴陽550002;3．貴州大學林學院，貴州貴陽550025)

我國是世界上最大的煤炭生產國和消費國，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易造成地面塌陷，目前造成的土地破壞面積已經超過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生裂縫和沉降，引起土體結構變化，從而會對礦區的土壤水分變化產生一定的影響，對區域性的生態環境也將產生一定影響，國內外專家學者對此進行了相關研究［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，尤其是二疊系上統龍潭組的煤，類型齊全，分布廣泛，是該地區國民經濟發展的基礎和重要保障［6－7］。貴州百里杜鵑林區內出露的地層主要為二疊系上統龍潭組，是貴州省的主要產煤區之一。筆者在調查百里杜鵑林區采煤塌陷區域的基礎上，對林區內現有采煤塌陷區與非塌陷區作了土壤水分－物理性質的對比分析研究，以期為百里杜鵑采煤塌陷區土地復墾、生態恢復提供理論依據。

1 研究區概況

貴州百里杜鵑林區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，呈環狀分布。林區海拔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列為省級風景名勝區，同時將其列為貴州省“十大風景名勝區”之一。1993年5月，原國家林業部批準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樣點設定及土壤樣品的采集。在充分調查百里景區采煤塌陷區的基礎上，綜合地質條件、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(金坡煤礦和化育煤礦)杜鵑林塌陷與未塌陷區作為對比樣地。根據土壤發生層次按0—30 cm 和30—60 cm 進行土壤分層環刀取樣。取土樣時環刀垂直于地面入土，盡量保證環刀上表面與土壤表面相平，環刀下面多余部分用刀刮平，不可壓入環刀內。將環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。用粗天平稱環刀加濕土質量。將裝有濕土的環刀揭去上、下底蓋，僅留一墊有濾紙的帶網眼的底蓋，放人平底盆中，注入并保持盆中水層的高度至環刀上沿為止，使其吸水達12 h，此時環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)后的環刀，去掉底蓋，放置在鋪有干沙的平底盤中2 h，此時環刀中土壤的非毛管水分已全部流出，但環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)后的環刀，揭去上、下底蓋，繼續放置在鋪有干沙的平底盤中，保持一定時間(4～5 d)，此時環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(K)。用此系數將環刀中的濕土質量換算成烘干土質量，即可計算出土壤密度(g/cm3)。

3 試驗結果與分析

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量。根據表1，土壤密度變化范圍在0．72～1．38 g/cm3之間，與未塌陷區相比，在礦區和土層相同的情況下塌陷區土壤密度均大于未塌陷區。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，塌陷區與未塌陷區相比較，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 采煤塌陷區與未塌陷區的土壤密度對比

表2 采煤塌陷區與未塌陷區的土壤孔隙度對比

3．3 采煤塌陷對土壤質量含水量的影響

土壤質量含水量能揭示土壤水分狀態及其運動規律，可間接反映植物的水分供應狀況。

由表3 知，采煤塌陷區的土壤質量含水量值明顯比未塌陷區的數值小，且表層土的質量含水量比底層的大，采煤塌陷區表層和底層土壤質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 采煤塌陷區與未塌陷區的土壤質量含水量對比

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，塌陷區的毛管持水量遠小于未塌陷區，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含量較高。

表4 采煤塌陷區與未塌陷區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，塌陷區與未塌陷區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 采煤塌陷區與未塌陷區的土壤田間持水量對比

4 結 語

在對百里杜鵑風景名勝區綜合踏查的基礎上選取典型礦區，開展了采煤塌陷對百里杜鵑林區土壤水分-物理性質的對比研究。采煤塌陷后，百里杜鵑林區塌陷區土壤密度比未塌陷區有增大趨勢，土壤質量含水量、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的土壤結構，加速了土壤淋溶侵蝕。在后期采煤塌陷區土地復墾和生態重建時，應采取必要的工程措施以控制塌陷區的水土流失，如裂縫填埋、土地整理等;在樹種選擇上，應加大對百里杜鵑風景名勝區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景名勝區的旅游發展的大方向協調一致。在百里杜鵑風景名勝區內，協調好采礦業和旅游業的關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－物理性質的測定［S］．