降雨條件下沉陷區土壤養分遷移響應

王曦+黃璨+章如芹+嚴家平+Meuser+Helmut+Makowsky+Lutz

摘要:為研究煤礦開采沉陷區域坡地土壤養分運移規律,采用室內降雨模擬方法,研究了降雨條件下沉陷區域坡地土壤養分隨坡度變化的遷移規律、土壤養分含量的空間分布規律及隨時間的變化規律。結果表明,降雨條件下,在一定沉陷坡度范圍內,土壤養分含量隨著坡度增加而減少。同一采樣點不同深度,接近地表處的土壤養分含量隨坡度的增加而大幅度減小,深層土壤的養分含量隨坡度變化的幅度不大。坡度大于0°的坡面土壤養分含量從坡頂到坡底呈增加的趨勢,接近地表處土壤養分含量從坡頂到坡底大幅度增加,深層土壤養分含量從坡頂到坡底緩慢增加。坡度大于0°的坡面在坡底附近區域出現了速效氮、速效鉀、有機質的富集現象。接近地表處土壤速效氮、有機質含量隨時間的增加而減少的趨勢,速效磷含量隨時間沒有顯著變化規律,接近地表處土壤速效鉀含量隨時間的增加而增加。

關鍵詞:開采沉陷;降雨;坡地;土壤養分

中圖分類號:S153.6文獻標識碼:A文章編號:0439-8114(2014)11-2520-06

Soil Nutrient Transport of Sloping Fields under Rainfall

WANG Xi1,HUANG Can1,ZHANG Ru-qin1,YAN Jia-ping1,MEUSER Helmut2,MAKOWSKY Lutz2

(1.Faculty of Earth and Environment,Anhui University of Science and Technology,Huainan 232001,Anhui,China;

2. Osnabrück University of Applied Sciences, Osnabrück 19 40,D–49009,Fachhochschule,Germany)

Abstract: Rainfall simulation experiment was made to study soil nutrient migration rule of slope in mining subsidence area. The changing rule of soil nutrient content under the influence of slope and spatio-temporal variation rules of soil nutrient were analyzed. The results showed that soil nutrient content was increased with the increase of slope in a certain slope range. Soil nutrient content of the soil near the surface were greatly reduced with the increase of the slope. Soil nutrient content of the soil in the deep changed slightly. When slope degree was more than 0°,soil nutrient content had a trend of increase from the top to the bottom of slope. Soil nutrient content of the soil near the surface changed greatly. Soil nutrient content of the soil in the deep changed slightly from the top to the bottom of slope. Available nitrogen, available potassium, organic matter were rich in the area near the bottom when the slope degree was more than 0°. Near the surface of earth, the content of soil organic matter and available nitrogen was decreased with the increase of time. Available p content didnt change significantly with time. The content of soil rapidly-available potassium was increased with the increase of time.

Key words: mining subsidence; rainfall; sloping fields; soil nutrient

基金項目:國家自然科學基金項目(42372369);安徽省國土資源科技項目;安徽省自然科學基金項目;教育部留學回國人員科研啟動基金項目;安徽省博士后基金項目;淮北礦業集團公司2012年科技項目

煤炭資源的大規模開采和利用對我國經濟的發展起到了巨大的推動作用,但因煤炭開采活動而引發的采煤區土地沉陷也給人類的生存環境產生一系列的消極影響,地面塌陷成為煤炭開采過程土地破壞的主要表現形式[1,2]。據測算,在我國每開采萬噸煤炭至少有0.033 hm2土地塌陷,最多達到0.533 hm2,平均塌陷面積達0.200 hm2。以新中國成立以來煤炭產量376億t計算,目前采煤塌陷引起土地破壞面積約75.2萬hm2,并且每年以4.6萬hm2的速度遞增[3]。大面積的采煤沉陷導致礦區土壤結構發生變化,產生大量的坡地。坡地水土流失嚴重,導致礦區土壤養分大量流失、土地肥力降低,影響礦區土地生產力。

目前對礦區土壤養分變化規律的研究成果較多[4-8],主要集中于經過治理修復后的重構土壤養分含量變化的研究上,對未經治理修復的塌陷區域坡地土壤養分變化規律的研究較少。本研究采用人工降雨模擬試驗的方法,對開采沉陷區坡地土壤養分流失過程進行研究,探究沉陷區耕地土壤養分在降雨條件下的時空變化規律,旨在為進一步研究適合礦區土地退化特點的生態恢復技術和沉陷區耕地合理施肥等工作提供理論依據。

1材料與方法

1.1區域概況

五溝煤礦位于安徽省淮北平原北部,地形比較單一,以平原為主,地勢平坦。該地區屬暖溫帶半濕潤季風氣候區,年平均降水量為934 mm,降雨集中在7-9月。該礦區屬于人口密集、耕地面積大、土地利用率較高的農業耕作區。五溝煤礦隸屬于安徽省皖北煤電集團有限責任公司,位于安徽省濉溪縣境內,其中心距宿州市35 km,距淮北市50 km。該礦設計年生產能力6×105 t,服務年限52年。井田開采造成地表大面積沉陷,產生大量坡地,影響農作物產量[9]。

1.2供試土壤

2011年6月于淮北市五溝煤礦采煤沉陷區域采集10、25、40 cm深度處土壤樣品作為供試土壤,土壤質地為黏壤土。剔除新鮮土樣中的植物殘體,取5 g土壤樣品經風干、磨細、過0.25 mm篩后混合均勻,測定土壤養分含量背景值(表1);其余土樣風干、磨細、過5 mm篩,作為降雨模擬試驗的填裝土壤。

1.3試驗設計與分析方法

1.3.1試驗設計試驗在室內進行,試驗裝置由試驗槽、不銹鋼鋼架、降雨器組成。試驗槽由厚為1 cm的有機玻璃板制成,內部長85 cm,寬18 cm,高50 cm,實際填土體積85 cm×18 cm×45 cm。試驗槽兩側設有取樣孔,底部設置排水孔,具體設置見圖1。

試驗槽上方用不銹鋼鋼架支撐平行排列的PVC水管,水管距離實驗槽上方70 cm,水管下方均勻扎有細孔,以保證降雨均勻,降雨投影面積為0.16 m2。水管兩側設置水表,以便測定降雨強度和降雨量。

1.3.2降雨模擬試驗在試驗槽內按1.3 g/cm3容重分層填裝供試土壤,填土深度45 cm。墊起試驗槽一端,用地質羅盤儀測定使其達到設計坡度,本試驗設置0°、15°、30°、45°四個坡度。設定好坡度后打開降雨裝置開始降雨,降雨強度為1.3 mm/min,連續降雨3 h后關閉該裝置。

1.3.3采樣分析方法降雨后每隔48 h進行一次采樣,共采集4次土壤樣品。依照與坡面垂直的方向設計剖面,進行土樣采集。不同坡度的降雨試驗中,第一個采樣點距坡頂的垂直距離均為8.5 cm。自第一個采樣點起,沿與坡面平行方向每隔17 cm設計一個采樣點,共計5個采樣點,依次記為點A、B、C、D、E。同時為了能反映降水的滲透、淋溶等作用對土壤養分流失的影響,在每個采樣點距地表10、25、40 cm處,自上而下采集3個土樣,共計采集土樣240個。

試驗測定項目有速效氮、速效磷、速效鉀、有機質,分別采用堿解擴散法、碳酸氫鈉浸提法、乙酸銨浸提法和重鉻酸鉀容量法測定[10,11]。試驗數據采用SPSS數據分析軟件進行處理。

2結果與分析

2.1坡度對土壤養分含量的影響

土壤養分主要通過徑流和徑流中攜帶的泥沙流失。其中水是土壤溶質的溶劑和載體,也是溶質隨地表遷移的驅動者,它不僅使土壤溶質隨徑流水遷移,而且使溶質隨侵蝕泥沙而遷移[12]。降雨過程中,隨著土壤由濕潤到水分飽和,入滲量逐漸減少,雨水對地表沖刷能力增強,表層徑流量增大,侵蝕作用逐漸明顯。坡地在雨水的沖刷下,表土極易流失,土壤侵蝕量較大,特別是在細顆粒的吸附作用下[13,14],流失土壤表面的養分物質成為養分流失的主體。

圖2為降雨后48 h距地表10 cm處的土壤養分含量變化情況。土壤養分含量隨坡度的增加而減少。該層土壤中速效氮、速效磷、速效鉀、有機質含量隨坡度的變化有較大不同。坡度由0°增加到15°,土壤速效氮、速效磷、速效鉀、有機質含量減少幅度最小,坡度由15°增加到30°,土壤速效氮、速效磷、速效鉀、有機質含量減少幅度居中,坡度由30°增加到45°,四種土壤養分含量減少幅度最大。說明在一定的坡度范圍內,隨著坡度的增加,土壤養分減少幅度會不斷增大。

對土壤養分含量與坡度進行相關性分析可知,速效氮、速效磷、速效鉀、有機質含量與坡度的決定系數分別為0.990 3、1.000 0、0.996 8、0.992 7,四種土壤養分含量與坡度相關顯著,其回歸方程如下:

=63.775e-0.465 1x,R2=0.990 3(x:坡度,y:速效氮含量)

=-0.35x2-10.79x+59.30,R2=1.000 0(x:坡度,y:速效磷含量)

=-0.625x2-50.325x+256.830,R2=0.996 8(x:坡度,y:速效鉀含量)

=-8.980 9lnx+17.210 0,R2=0.992 7(x:坡度,y:有機質含量)

2.2土壤養分的空間分布狀況

圖3為降雨48 h后土壤養分含量分布情況。總的趨勢是隨著坡度的增加土壤養分含量減小,同一坡度下土壤層越深,土壤養分含量越高,例如速效氮在距坡頂8.5 cm處,四種坡度下,10 cm土壤層土壤樣本速效氮含量分別為38.9、17.7、9.9、3.8 mg/kg,變異系數為87%;而40 cm土壤層土壤樣本速效氮含量則分別為51.1、48.2、47.6、46.3 mg/kg,變異系數為4%。分析原因是伴隨坡地土壤侵蝕過程的發生,泥沙與徑流水是養分流失的主要載體和途徑。土壤侵蝕過程主要發生在地表,對深層土壤的影響不大[15],因此地表土壤養分含量隨坡度的增加大幅度減小,深層土壤養分含量受坡度變化的影響并不顯著。

坡面土壤養分遷移方式可分為兩種,一是易溶于水的土壤養分沿垂直方向隨水分入滲至深層土壤中,部分隨徑流沿坡面向坡底遷移;二是不易溶于水并吸附在土壤顆粒表面的土壤養分在徑流的作用下向坡底遷移,而泥沙中含有顆粒細小、比表面積大的黏粒,能夠吸附大量的土壤養分[16]。由圖3可知,四種不同坡度條件下,各養分在坡底附近的含量均高于坡頂附近含量,如15°坡面10 cm土壤層采樣點E處土壤速效氮含量36.9 mg/kg,高于0°坡度相應位置處(可以類比坡頂)土壤速效氮含量。說明兩種遷移方式均可導致土壤養分在坡底附近富集。

2.3土壤養分隨時間的變化規律

由圖4可知,四種坡面土壤養分含量隨時間變化規律基本一致,四種坡面10 cm土壤層的土壤速效氮和有機質含量隨時間的變化呈減少的趨勢,25、40 cm土壤層上述兩種土壤養分則沒有明顯變化。分析原因是部分速效氮揮發至空氣中[17],導致表層土壤速效氮含量隨時間的增加呈減少的趨勢;隨著時間推移,有機質中部分物質分解[18],導致表層土壤有機質含量隨時間的變化而減少。建議在農業生產中及時補充氮肥和有機肥,以保證農作物的正常生長發育。各坡面各土層速效磷含量無明顯變化。四種坡面10 cm土層的土壤速效鉀含量隨時間的變化呈增加的趨勢,中土層和底土層有緩慢減少的趨勢。其原因是速效鉀易溶于水[19],其遷移方式受水分運動的影響較大,下層土壤速效鉀在毛管水的作用下向地表遷移,導致10 cm土層的土壤速效鉀含量隨時間的變化呈增加的趨勢,而25、40 cm土壤層的土壤速效鉀含量隨時間的變化呈減少的趨勢。

3結論

1)降雨條件下,在一定的沉陷區坡度范圍內,土壤養分隨著坡度增大而減少。距地表10 cm土層的土壤養分含量總體上隨坡度的增加而大幅度減小,而深層土壤養分含量隨坡度變化較小。

2)不同土壤層的土壤養分含量從沉陷區坡頂到坡底的變化幅度不同:接近地表處,土壤養分含量從坡頂到坡底增加幅度大,而深層土壤養分含量從坡頂到坡底增加緩慢。

3)坡度大于0°的坡面土壤養分含量從坡頂到坡底呈增加的趨勢,其坡底附近區域出現了各土壤養分的富集現象。接近地表處土壤速效氮、有機質含量隨時間的變化呈現減少的趨勢,速效磷含量隨時間的推移沒有明顯變化,接近地表處土壤速效鉀含量隨時間的變化而增加。

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