風沙區煤炭開采對土壤物理性質和結皮的影響

魏婷婷, 胡振琪, 曹遠博, 李星宇, 陳 超

〔1.中國礦業大學(北京) 土地復墾與生態重建研究所, 北京 100083; 2.北京林業大學 水土保持學院, 北京 100083〕

風沙區煤炭開采對土壤物理性質和結皮的影響

魏婷婷1, 胡振琪1, 曹遠博2, 李星宇1, 陳 超1

〔1.中國礦業大學(北京) 土地復墾與生態重建研究所, 北京 100083; 2.北京林業大學 水土保持學院, 北京 100083〕

摘要：[目的] 為了準確了解煤炭開采對脆弱生態環境造成的影響。 [方法] 通過樣地調查和室內分析，對毛烏素風沙區超大工作面煤炭開采當年和3 a后的土壤物理性質和結皮情況進行分析。 [結果] 開切點土壤物理性質受到采礦的影響強于開采面,開采面土壤的修復能力優于開切點,且采煤對土壤物理性質的影響3 a后仍未消除;各采樣點的土壤溫度不僅與對照存在差異性(p<0.05),而且各土壤溫度在空間和時間跨度上也存在差異性(p<0.05);20 cm處的土壤容重、孔隙度和含水率與土壤溫度均存在負相關,含水率與土壤溫度存在顯著負相關(p<0.05);結皮的厚度和覆蓋度受到采煤的影響,結皮含水率和結皮持水能力在3 a內均未恢復到采煤前。 [結論] 風沙區超大工作面采煤對土壤物理性質和結皮會造成破壞，且在無人為干擾的情況下土壤將進行自我修復，但3 a的修復效果與對照組仍存在一定差異。

關鍵詞：風沙區; 超大工作面; 煤炭開采; 土壤物理性質; 結皮

煤炭在中國能源生產與消費構成中占有主導地位。國家煤炭開采戰略西移、集群化、高強度的開采方式，使得地表生態環境的破壞范圍廣、速度快、形式多、時空差異大，礦區的地表生態環境呈現出強烈擾動的態勢，主要表現為地表裂縫、植物損傷、水土流失等。神東礦區位于黃土丘陵與毛烏素沙地之間，生態環境一旦遭到破壞就很難對其進行恢復[1]。由于神東礦區本身生態閾值較低，抗擾動能力差，沙漠多次侵擾，形成獨特的土壤理化性質，土壤顆粒組成較粗、疏松無結構、儲水保肥能力差。地下煤炭采出后，不可避免引起上覆巖層的垮落變形、進而引起地表變形，礦山開采對生態環境的影響首先表現在地表的移動變形，進而影響到植被和土壤的理化性質的變化。胡振琪[2]等利用TM影像和ERDAS軟件對神府礦區1986—2006年20 a間的植被覆蓋度進行研究，定量結果表明礦區的植被覆蓋度整體提高，但在局部礦區則有所降低。趙紅梅[3]研究了神東礦區采煤塌陷條件下包氣帶土壤水分布及動態變化特征，研究表明：塌陷區土壤含水量與非塌陷區相比在0—60 cm的各個深度上均明顯減少；塌陷非穩定區裂縫部位與非裂縫部位存在明顯差異[4]，說明裂縫對含水量有較大影響；但目前仍未有學者針對風沙區超大工作面上采煤對土壤溫度和結皮的影響進行系統的研究。

筆者在毛烏素沙地東南緣大柳塔礦區的12個采空區樣地、6個裂縫區樣地和6個對照區樣地，進行采煤對土壤的物理性質、對不同層土壤溫度和對結皮的影響分析，探討采煤擾動和無干擾自修復過程中土壤理化性質和結皮情況的差異性，以期為這一地區的生態治理提供理論依據，同時也為礦區的生態環境重建提供依據。

1研究區概況和方法

1.1　樣地布設和樣地基本情況

研究區植被類型有干草原型、落葉闊葉灌木叢型和沙生類型，其中沙地植被占絕對優勢。土地類型為沙地、喬灌木林地、天然草地、裸巖地等。以沙蒿(ArtemisiadesterorumSpreng)、沙柳(Salixcheilophila)、檸條(Caraganamicrophylla)為代表的沙生植被組合，主要生長于半固定沙地、固定沙地和沙地沙丘間低地。研究區內環境因素波動性大，環境敏感性強，承受能力及抗干擾的能力差，因而具有生態脆弱性和環境問題的嚴酷性，水資源短缺、生態環境脆弱成為約束該區大規模煤炭資源開發的不利條件之一。試驗地基本情況如表1所示。

表1　試驗樣地基本情況

1.2　數據采集與處理

試驗設置24個樣地，樣地均分布于同一開采面的陰坡，對每個樣地坡頂、坡中、坡底和坡間低地的土壤容重、孔隙度、含水率、硬度和結皮情況進行采集和測定，土壤容重、孔隙度和含水率值均為20 cm深度測定，硬度在土壤表層測定；土壤的物理指標和土壤溫度分別在2011年5月30日和2014年6月1日進行測定。土壤容重、孔隙度、硬度分別用：環刀法、容重換算法、土壤硬度計直接測定，利用土壤溫濕度儀(DH8 902,中國)測定土壤溫度(測定深度為20，40，60 cm)，用TSC-V型土壤水分測試儀測定土壤含水率，結皮覆蓋度用樣地法測定，結皮的厚度用游標卡尺測定，以上各項測量均有5個重復。利用Excel 2013和SPSS 19.0對數據進行分析。

2結果分析

由表2分析得知，CKP和CKN的容重、孔隙度、含水率、硬度均不存在顯著差異。KQP和KQN坡頂、坡中、坡底、丘間低地的各項土壤物理指標均與CK的存在顯著差異，整體表現為容重減小(KQP-坡中容重減小7.2%)、孔隙度增大(KQP-坡中增大14.8%)、含水率降低(KQP-坡頂降低22.4%)、硬度減小(KQP-坡頂減小41.8%)；采礦后沉降穩定，KQN各個位置的土壤物理指標與KQP比較均有所修復：容重增大(丘間低地除外)，孔隙度顯著降低，含水率和硬度增大。KC區也受到采礦的影響，各項土壤物理指標與CK比較也存在顯著差異：容重最多減少6.0%，孔隙度最大提高8.4%，含水率最多減少16.7%，硬度最多減小31.3%；同樣，隨著采礦擾動的停止和受生態環境的影響，KCN較KCP的各項土壤物理指標均有所修復。由表2也可知KQP和KCP，KQN和KCN各空間位置的土壤物理指標存在顯著差異性，表現為：一是KQ點受到采礦的影響強于KC區，即KQ點土壤物理性質受到采礦的破壞更嚴重；二是KC區土壤的修復能力優于KQ點，三是采礦對土壤物理性質的影響3 a年后仍未消除。

表2　土壤物理性質和結皮變化

注：表中CK表示對照區，KQ表示開切點，KC表示開采面，P為2011年6月，N表示2014年6月；不同小寫字母表示縱向比較顯著差異(p<0.05)；++表示結皮覆蓋度≥35%，+表示結皮覆蓋度<35%，-表示無結皮，O表示結皮未受到采礦的影響，×表示結皮受到采礦的影響。

土壤溫度是植物生長的重要生態因子，對植物的生長發育具有重要的影響(表3)。沙漠地區的生態環境相對脆弱，在采煤的擾動下，土壤的理化性質“平衡”更易被打破，這必將影響土壤的溫度的變化，進而影響植物的生長發育。20 cm，6：00時KQP，KQN，KCP和KCN的溫度低于CK，14：00時，KQP，KQN，KCP和KCN的坡頂和坡中溫度多數高于CK，坡底與丘間低地的溫度均小于CK。40 cm，6∶00時KQ點的溫度高于CK，KC面的溫度略低于CK，14：00時只有KQP的坡頂和坡中的溫度高于CK，其它點的溫度均低于CK。60 cm，6：00時和14：00時大多數采樣點的溫度高于CK。各采樣點的溫度不僅與CK存在差異性，而且在空間和時間跨度上也存在差異性。

空間上差異性表現在KQ點與KC面之間比較，土壤不同深度間的比較。20 cm，清晨KQ點相對應各坡位的土壤溫度顯著低于KC面，最大對應溫差為1.1 ℃，正午KQ點相對應坡位的溫度高于KC面；40 cm，清晨KQ點的土壤溫度高于相對應的KC面，正午，KQ點與KC面相對應的土壤溫差進一步擴大，差異性顯著；60 cm，清晨和正午KQ點相對應土壤的溫度均低于KC面。6：00，相同坡位相對應的不同深度(D)土壤的溫度整體趨勢存在：D20 cmT6：00，且隨著深度的加深，6：00到14：00的溫度增加量逐漸減小；土壤經過三年的沉降和外界非人為因素的作用，在6：00，KQN和KCN的土壤溫度分別高于KQP和KCP，在14：00，KQN和KCN的土壤溫度分別低于KQP和KCP，且差異性顯著。

選用樣地坡底20 cm處土壤的溫度與土壤容重、孔隙度和含水率進行相關性分析，是因為坡底生物群落分布密集，且草本和小灌木根系主要分布于淺層土壤，淺層土壤同樣是微生物活動較為活躍的場所。對其相關性進行詳盡的研究，能夠為采煤對土壤溫度的影響進行更深入的分析。從表4分析得知，3個土壤物理指標與20 cm處土壤溫濕度均存在負相關關系，特別是CK含水率與土壤溫度存在顯著負相關，在KQP-坡底和KCP-坡底與土壤溫度的負相關與CK相比有所減小，顯著性不明顯，而在3 a之后KQN-坡底和KCN-坡底與土壤溫度的負相關性有所增加，達到顯著相關，但仍小于CK與土溫的極顯著相關。

表3　采煤對土壤溫度的影響　℃

注：不同小寫字母表示縱向比較顯著差異(p<0.05)，不同大寫字母表示橫向比較顯著差異(p<0.05)。

表4　20 cm處土壤溫度與土壤物理性質的相關關系

注：**在0.01水平(雙側)上極顯著相關，*在0.05水平(雙側)上顯著相關，N為樣品數。

大面積采煤對風沙區土壤生物結皮具有較大的破壞(表5)。采煤當年和現在的結皮厚度和覆蓋度均小于CK，特別是采煤當年，生物結皮和物理結皮的覆蓋度急劇下降，經過3 a無人為干擾的恢復，結皮覆蓋度仍小于CK。

另外調查發現，生物結皮的含水率從開采前的33.17%下降到開采當年的15.03%，現在又恢復到27.36%；單位面積生物結皮的持水能力(飽和吸水重量)從1.34 g/cm3下降到采礦當年的0.61 g/cm3，下降比例達到54.48%，現在恢復到0.83 g/cm3，僅為采煤前的61.94%。

3結論與討論

本研究表明風沙區超大工作面采煤對土壤物理性質和結皮具有不同程度的影響和破壞，在開采當年對其影響較大，經過3 a的自修復，各項指標逐漸接近開采前，但與開采前仍存在一定差異。

表5　采礦對生物結皮的影響

2011年對照區和2014年對照區的容重、孔隙度、含水率、硬度均不存在顯著差異，但是開采當年開切點和開采面的容重相較對照區減小，孔隙度增大，含水率降低，硬度減小，此結果與臧蔭桐[5]等對采煤沉陷后風沙土理化性質研究結果相似，造成此結果的原因可能是在采煤的過程中經歷多次裂隙出現—發育—修復—再出現—再發育—完全閉合的復雜過程[6]，造成土層的擾動，并且對土壤穩定性造成破壞，出現大孔隙或者裂縫，表層土隨土壤裂隙進入深層土壤，隨之土壤的機械組成發生變化，這必將改變土壤最基本的物理性質。開切點受到采礦的影響強于開采面，且開采面土壤的自修復能力優于開切點，可能因為開采面的土層多是整體下沉，而開切點的土層經過多次沉降且在下沉過程中受剪力作用，土層多被破壞，即造成此結果，表現為受破壞更嚴重的土壤為開切點，從而受破壞更嚴重的開切點的土壤的理化性質也更難修復。

隨土壤物理性質變化，各土層的溫度不僅與對照存在差異性，而且在空間和時間跨度上也存在差異性。根據公式Cg=ρ·c{Cg——土壤體積熱容量〔J/(m3·K)〕；ρ——土壤密度(g/cm3)；c——土壤比熱容〔J/(kg·℃)〕}[7-8]及熱量計算公式Q=cmΔt(Q——熱量；m——質量；Δt——溫度變化)，可推導出公式:Δt=Q/Cg·v[9]。試驗中各個點均處于同一個開采面，并且保證樣地均為陰坡，在日照輻射時數相同情況下，沙土獲得的熱量也基本相同，所以可以認為沙土的溫度的變化由土壤體積熱容量決定。土壤的熱容量是土壤本身特有的屬性，土壤的三相結構影響著熱容量[10]，結合表2知，由于采礦對土壤層造成大面積的擾動，改變了土壤的機械組成，進而改變了土壤的三相結構，這必將影響土壤溫度變化。結合表2和表4，也可以推斷土壤容重、孔隙度和土壤含水率共同影響著土壤的固氣液的組成比例，均與土溫存在負相關關系，并且土壤溫度受土壤含水率的影響更大，表現為極顯著負相關。

從表2和表5可知，受采煤的影響，無論是生物結皮還是物理結皮均受到不同程度的破壞，表現為結皮厚度減小和結皮覆蓋度降低，隨之生物結皮的持水能力急劇下降，這可能是兩個原因共同作用造成的，一是受到生物結皮自身的厚度影響，厚度的減小和覆蓋度的降低必將造成“儲水空間”減小，二是結皮下層沙土理化性質造成破壞，水分無法存蓄而更易發生滲漏。

綜上所述，風沙區超大工作面采煤對土壤物理性質和結皮會造成破壞，且土壤在無人為干擾的情況下將進行自修復，但3 a的修復效果與對照組仍存在一定差異。

[參考文獻]

[1]王琦,全占軍,韓煜,等.采煤塌陷對風沙區土壤性質的影響[J].中國水土保持科學,2013,11(6):110-118.

[2]胡振琪,陳濤.基于ERDAS的礦區植被覆蓋度遙感信息提取研究[J].西北林學院學報,2008,23(2):164-167.

[3]趙紅梅.采礦塌陷條件下包氣帶土壤水分布與動態變化特征研究[D].北京:中國地質科學院,2006.

[4]侯新偉,張發旺,韓占濤,等.神府東勝礦區生態環境脆弱性成因分析[J].干旱區資源與環境,2006,20(3):54-57.

[5]臧蔭桐,汪季,丁國棟,等.采煤沉陷后風沙土理化性質變化及其評價研究[J].土壤學報,2010,47(2):262-269.

[6]李全生,賀安民,曹志國.神東礦區現代煤炭開采技術下地表生態自修復研究[J].煤炭工程,2012,(12):120-122.

[7]王琳琳,高志球,沈新勇,等.土壤水分的垂直運動對黃土高原糜田土壤溫度的影響[J].南京氣象學院學報,2008,31(3):363-368.

[8]李慧星,夏自強,馬廣慧.含水量變化對土壤溫度和水分交換的影響研究[J].河海大學學報:自然科學版,2007,35(2):172-175.

[9]楊永勝,卜崇峰,高國雄.毛烏素沙地生物結皮對土壤溫度的影響[J].干旱區研究,2012,29(1):352-359.

[10]陳繼康,李素娟,張宇,等.不同耕作方式麥田土壤溫度及其對氣溫的響應特征:土壤溫度日變化及其對氣溫的響應[J].中國農業科學,2009,42(7):2593-2600.

Effect of Coal Mining on Soil Physical Properties and Soil Crust in Windy Desert Area

WEI Tingting1, HU Zhenqi1, CAO Yuanbo2, LI Xingyu1, CHEN Chao1

〔1.InstituteofLandReclamationandEcologicalRestoration,ChinaUniversityofMiningandTechnology(Beijing),Beijing100083,China; 2.CollegeofSoilandWaterConservation,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China〕

Abstract：[Objective] To accurately understand the effects of coal mining on vulnerable ecological environment. [Methods] Soil physical properties and soil crust in current and three years later after ultra wide fully-mechanized coal mining in Mu Us desert were analyzed with sample plot survey and indoor element content analysis. [Results] The soil physical properties in fracture zone affected by coal mining were stronger than mined-out area, but the soil repairing ability in mined-out area was better than fracture zone, and coal mining effects on soil physical properties still exist after three years later. The soil temperatures of each sampling point not only have differences with the control group, but also have differences in spatial and temporal span. Soil bulk density, porosity and moisture content in twenty centimeters were negatively correlated with soil temperatures, and the soil moisture content had a significant correlation with soil temperature. Thickness and coverage of soil crust were affected by coal mining, and soil crust moisture content and water holding ability didn’t return to the level before coal mining within three years. [Conclusion] The coal mining with ultra wide fully-mechanized cause damage on soil physical properties and soil crust, and the soil will be self-restored in the absence of human disturbance, but there is a certain difference between the effect of three years restoration and control.

Keywords:windy desert area; ultra wide fully-mechanized; coal mining; soil physical properties; soil crust

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)02-0106-05

中圖分類號：TD88， X37

通信作者：胡振琪(1963—),男(漢族),安徽省五河縣人,教授,博士生導師，從事土地復墾與生態重建方面的研究。E-mail:huzq@cumtb.edu.cn。

收稿日期：2014-10-10修回日期：2014-11-20
資助項目：國家自然科學基金委員會—神華集團有限公司煤炭聯合基金資助項目“風沙區超大工作面開采的土地損傷規律及生態修復方法”(U1361203)
第一作者：魏婷婷(1988—),女(漢族),湖北省荊州市人,博士研究生，研究方向為土地復墾與生態重建。E-mail:sally1988tt@foxmail.com。