砂姜黑土區(qū)采煤塌陷坡耕地氮磷時(shí)空分布與流失特征

陳孝楊， 周育智， 于佳禾， 嚴(yán)家平

(安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院, 安徽 淮南 232001)

綜合治理

砂姜黑土區(qū)采煤塌陷坡耕地氮磷時(shí)空分布與流失特征

陳孝楊， 周育智， 于佳禾， 嚴(yán)家平

(安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院, 安徽 淮南 232001)

摘要：[目的] 研究砂姜黑土區(qū)采煤塌陷坡耕地動(dòng)態(tài)過程中表層土壤—N和有效磷(AP)的時(shí)空分布，揭示氮磷隨地表徑流流失的雨強(qiáng)和坡度變化特征。[方法] 選擇淮北平原砂姜黑土區(qū)兩類不同煤礦井工開采方式引發(fā)的地表塌陷坡耕地，動(dòng)態(tài)監(jiān)測表層土壤中—N和AP含量，并在實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用人工模擬降雨，測定2種雨強(qiáng)和3種坡度處理的地表徑流中可溶態(tài)及顆粒態(tài)—N，AP含量。[結(jié)果] (1) 充填開采地表塌陷坡耕地表層土壤中—N含量為16.5～72.0 mg/kg，AP為26.0～63.5 mg/kg，非充填開采分別為9.08～67.2 mg/kg和22.4～82.1 mg/kg，未塌陷區(qū)域?yàn)?3.5～162 mg/kg和38.7～86.5 mg/kg；(2) 兩種開采方式地表塌陷坡地土壤—N和AP含量與未塌陷區(qū)域相比，均顯著降低—N含量自坡頂至坡底逐漸增加。隨時(shí)間推移，—N和AP含量未顯著降低，AP含量反而有增加跡象；(3) 強(qiáng)降雨時(shí)—N和AP的流失量是弱降雨的3～5倍，顆粒態(tài)—N和AP流失量占總流失量的60%以上。坡度越大，—N和AP的流失量越多，流失量突變的坡度為5°～10°之間。[結(jié)論] 砂姜黑土區(qū)采煤塌陷坡耕地土壤氮磷流失顯著增加，顆粒態(tài)—N和AP為徑流流失的主要形式。

關(guān)鍵詞：氮磷流失； 坡耕地； 砂姜黑土； 采煤塌陷

區(qū)域土壤氮磷流失對(duì)生態(tài)環(huán)境影響和對(duì)植物生理的負(fù)面作用十分明顯[1]。土壤氮磷含量降低直接導(dǎo)致作物養(yǎng)分缺失，而通過地表徑流進(jìn)入附近水體的部分集聚又會(huì)造成湖泊或河流富營養(yǎng)化[2-3]。氮磷流失主體是其在土壤中的可溶性部分，地表徑流和入滲是其主要運(yùn)行方式。因此，降雨強(qiáng)度和坡度是其重要的影響因素[4]。當(dāng)然，表層土壤的性質(zhì)也決定著土壤剝蝕率和水流含沙量，進(jìn)而改變地表徑流泥沙和水溶液中氮磷含量[5-6]。不同的土地利用方式由于存在相異的地表覆蓋物，徑流產(chǎn)生方式不同，氮磷流失規(guī)律也存在很大差別[7-8]。就影響土壤氮磷流失的主要因素而言，已有研究[9-10]表明，強(qiáng)降雨造成的氮磷流失量遠(yuǎn)超過弱降雨，流失現(xiàn)象在強(qiáng)降雨的初期和末期達(dá)到極大峰值。氮磷隨泥沙流失量占地表徑流流失總量的80%以上，且隨坡度增加，坡耕地土壤可溶性氮磷的流失量增加[11]。農(nóng)田仍然是氮磷流失較容易的土地利用方式之一，通常來說，植被覆蓋度越大、林相越復(fù)雜，人工干擾植被越少，則植被對(duì)降雨的截留作用越大，氮磷流失量越小[12]。

目前，我國關(guān)于高原黃土[13]、川中紫色土[14]、東北黑土[15]、南方紅壤[16]等典型土壤氮磷流失規(guī)律及其影響因素多有探討。而砂姜黑土與前者相比土壤性質(zhì)有較大的不同，其廣泛分布于安徽省北部的淮北平原中部，土壤黏粒含量較高，有機(jī)質(zhì)含量少[17]。同時(shí)，煤炭開采引起的地表塌陷是個(gè)動(dòng)態(tài)過程，坡耕地坡度隨時(shí)間逐漸增加，表層土壤氮磷流失有其特殊性，而目前此方面的研究尚不多見。本研究在動(dòng)態(tài)監(jiān)測淮北平原砂姜黑土區(qū)煤礦充填和非充填開采地表塌陷坡耕地表土銨態(tài)氮與有效磷含量的基礎(chǔ)上，應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室人工模擬降雨，測定不同雨強(qiáng)和坡度條件下可溶態(tài)與顆粒態(tài)銨態(tài)氮、有效磷隨地表徑流的流失量，分析地表塌陷坡地動(dòng)態(tài)形成過程中土壤氮磷時(shí)空分布和流失規(guī)律，旨在為區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護(hù)和土地復(fù)墾提供理論依據(jù)。

1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于淮北平原中部，區(qū)域氣候?qū)偌撅L(fēng)暖濕帶半濕潤氣候，春秋溫和，雨量少，夏季炎熱多雨，冬季寒冷多風(fēng)。1980—1991年平均氣溫為14.1 ℃，最高氣溫(1988年7月8日)為40.3 ℃，最低氣溫(1988年12月16日)為-10.9 ℃。春秋季多東北風(fēng)，夏季多東至東南風(fēng)，冬季多北至西北風(fēng)，平均風(fēng)速為2.2 m/s，最大風(fēng)速可達(dá)18 m/s。年平均降水量為834 mm，雨量多集中在7—8月。全年蒸發(fā)量1 400 mm，無霜期208～220 d，冰凍期一般在12月上旬至次年2月中旬。研究區(qū)地形比較單一，基本上以平原為主，地勢平坦。研究區(qū)土壤類型為砂姜黑土，其是晚更新世(Q3)以來，在古地理環(huán)境條件下，發(fā)育在第四紀(jì)河湖相沉積物上的半水成土。從60 cm剖面構(gòu)型上來看，具有黑土層與砂姜層兩個(gè)基本層次，黑土層上部為耕作層。耕作層(Ap)厚度約20 cm(0—20 cm)，質(zhì)地為黏土，顏色變淺，為暗灰棕，水分含量較高，呈濕潤態(tài)。主要理化性質(zhì)詳見表1。黑土層(ABt)厚度約20 cm(20—40 cm)，質(zhì)地為黏土，用蒸餾水浸濕，土壤呈腐泥狀，顏色呈黑棕色，土壤顆粒呈柱狀結(jié)構(gòu)。硬砂姜層(Bkg)在深度40 cm以下，質(zhì)地為壤黏土，土體顏色濕態(tài)為黃棕色，剖面淋溶現(xiàn)象和氧化還原現(xiàn)象(脫潛育化)明顯，銹斑濕態(tài)顏色為亮棕色。

表1　研究區(qū)塌陷坡地耕作層土壤主要理化性質(zhì)

2材料與方法

2.1　布點(diǎn)與采樣

2.2　模擬降雨試驗(yàn)

2.3　數(shù)據(jù)處理方法

應(yīng)用SPSS 18.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，單因素方差分析和差異顯著性檢驗(yàn)(p<0.05)。應(yīng)用Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和作圖。

3結(jié)果與分析

3.1　氮磷時(shí)空分布

表2　采煤塌陷坡地土壤銨態(tài)氮和速效磷的含量均值　mg/kg

注：T，B分別為近坡頂和近坡腳處采樣點(diǎn)； S1，S2分別為坡面中間的2個(gè)采樣點(diǎn)；N作為參照的未塌陷區(qū)域監(jiān)測樣點(diǎn)。

3.2　氮磷流失對(duì)降雨強(qiáng)度響應(yīng)

圖1　雨強(qiáng)對(duì)與AP流失的影響(坡度10°)

3.3　坡度動(dòng)態(tài)變化對(duì)氮磷流失影響

圖2　坡度對(duì)-N與AP流失的影響(強(qiáng)降雨)

4結(jié)論與討論

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Temporal-spatial Distribution and Loss Characteristics of Nitrogen and Phosphorus from Sope Farmland in Coal Mining Subsidence Aeas with Lime Concretion Black Soil

CHEN Xiaoyang， ZHOU Yuzhi， YU Jiahe， YAN Jiaping

(SchoolofEarthandEnvironment,AnhuiUniversityofScienceandTechnology,Huainan,Anhui232001,China)

Abstract：[Objective] Temporal-spatial distribution of ammonium —N) and available phosphorus(AP) in surface soil were studied from mining subsidence slope farmland in lime concretion black soil areas. Meanwhile, the loss characteristics of nitrogen and phosphorus from surface runoff was analyzed with respect to rain intensity and slope degree. [Methods] Two surface-subsided slope farmlands resulted from coal mining were selected to sample and measure soil —N and AP concentration from lime concretion black soil areas in Huaibei Plain. By simulated rainfall experiments in laboratory, soluble and particulate —N and AP concentration from surface runoff were determined under two different rain intensity and three slope conditions. [Results] (1) —N and AP concentration in surface soil of slope land for backfill mining were 16.5~72.0 mg/kg and 26.0~63.5mg/kg, respectively; and the corresponding values without backfill filling were 9.08~67.2 mg/kg and 22.4~82.1 mg/kg, respectively. While, —N and AP content were 83.5~162 mg/kg and 38.7~86.5 mg/kg from surface soil in non subsidence areas, respectively; (2) Soil —N and AP contents of the two mining-caused subsidence farmlands significantly decreased in contrast to that of the farmland without subsidence (p<0.05). The content of —N was found gradually increasing from the top to the bottom of the slope there. After subsidence happened, soil —N and AP concentration of the subsidence slope land did not significantly decrease as time went by, and AP content had an increasing instead; (3) —N and AP loss under heavy rainfall were 3~5 times of that of weak precipitation, in which, particulate —N and AP loss accounted for more than 60% of the total loss. The greater the slope is, the more —N and AP would be lost. The inflection gradient of increased loss is 5°~10°. [Conclusion] Mining substance can significantly result in the loss of soil nitrogen and phosphorus on slope lands in lime concretion black soil areas, and particulate —N and AP are the main ways of their loss with surface runoff in the region.

Keywords:nitrogen and phosphorus loss; slope farmland; lime concretion black soil; coal mining subsidence

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-288X(2015)02-0236-05

中圖分類號(hào)：S158.3， S157.1

通信作者：嚴(yán)家平(1954—),男(漢族),安徽省淮南市人,教授、博士生導(dǎo)師,主要從事礦山地質(zhì)災(zāi)害防治與生態(tài)環(huán)境修復(fù)研究。E-mail:jpyan@aust.edu.cn。

收稿日期：2014-12-07修回日期：2014-12-28
資助項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“煤礦開采塌陷區(qū)土壤優(yōu)先流時(shí)空演變及水土流失機(jī)理研究”(41372369)； 國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51274013)
第一作者：陳孝楊(1976—),男(漢族),安徽省肥西縣人,博士,副教授,主要從事礦山環(huán)境修復(fù)與土地復(fù)墾研究。E-mail:chenxy@aust.edu.cn。