采煤塌陷對土壤理化性質影響的研究進展①

祝宇成，王金滿,2*，白中科,2，秦 倩，王洪丹

(1 中國地質大學土地科學技術學院，北京 100083；2 國土資源部土地整治重點實驗室，北京 100035)

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采煤塌陷對土壤理化性質影響的研究進展①

祝宇成1，王金滿1,2*，白中科1,2，秦 倩1，王洪丹1

(1 中國地質大學土地科學技術學院，北京 100083；2 國土資源部土地整治重點實驗室，北京 100035)

摘 要：煤礦開采導致地表塌陷，并改變原有土壤理化性質。為了更好地開展礦區(qū)土地復墾，進行土壤重構，必須要對塌陷區(qū)土壤理化性質進行分析研究。本文綜述了塌陷對土壤理化性質的影響以及土壤理化性質空間變異的國內外研究現狀，總結當前研究存在的問題，并提出以后塌陷區(qū)土壤理化性質研究方向，為塌陷區(qū)土壤理化特性變化機理揭示提供指導。

關鍵詞：塌陷；理化性質；空間變異

長久以來，我國的煤炭生產消費量位居世界第一，同時我國富煤貧油的能源結構，決定了煤炭在今后相當長時期仍是國內的主體能源。然而，煤炭開采使開采區(qū)的生態(tài)環(huán)境遭到嚴重破壞，土壤結構、地形地貌、景觀生態(tài)和生物群落等環(huán)境要素將發(fā)生不可逆轉的變化。煤炭開采形成大面積采煤塌陷區(qū)，地表大規(guī)模沉降并產生大量塌陷坑和地裂縫，進而影響到土壤理化性質，降低土壤質量[1-2]，然而復墾土壤質量的高低直接關系到復墾的成敗和效益，因此開展采煤塌陷對土壤理化性質影響的研究具有重要意義，可以為土地復墾工作提供指導與依據。

目前，國內外學者從采煤塌陷對土壤理化性質的影響以及土壤理化性質空間變異等方面進行研究，取得了豐碩的成果，但是依然存在很多問題。首先，塌陷影響土壤理化性質的高精度獲取方法有待突破。國內外學者基本使用空間對比法、時間對比法或者相關性分析來研究塌陷區(qū)土壤理化性質的變化規(guī)律，創(chuàng)新性與精確度不足。其次，分形理論在塌陷區(qū)土壤理化性質空間變異規(guī)律中的研究有待加強。在土壤理化性質空間變異性的研究中，分形理論相比地統計學理論有其自身優(yōu)勢，但是迄今為止較少有學者運用分形理論方法來開展此方面研究。再者，結合塌陷微地貌對塌陷區(qū)土壤理化性質空間變異作用機理的揭示有待完善。塌陷微地貌是導致土壤理化性質變異性的主要原因，但是結合微地貌揭示空間變異性作用機理的研究處于空白，必須對此方面研究進行完善。因此本文從采煤塌陷對土壤理化性質的影響以及土壤理化性質空間變異等方面進行綜述，總結現在國內外研究存在的不足，并提出以后塌陷區(qū)土壤理化性質研究方向，對改善塌陷區(qū)土壤質量以及指導礦區(qū)土地復墾具有重要實際意義。

1 塌陷對土壤物理性質的影響

土壤分析物理性指標有：土壤質地、土壤體積質量(容重)、土壤孔隙度、土壤含水量、滲透率、土壤溫度等[3-4]。采煤塌陷會擾動土壤結構，改變剖面土層的垂直序列，土壤體積質量和孔隙度必然發(fā)生變化；同時在風蝕與水蝕作用下，土壤砂化趨勢加劇，土壤質地變差；再者塌陷會降低土壤持水能力，土壤含水量降低[5-7]。下面將從土壤質地、土壤體積質量與孔隙度、土壤含水量3個方面分析塌陷對土壤物理性質的影響。

1.1 土壤質地

土壤質地是評定土壤生產性能的一種很重要的參數，理想的土壤質地應具有較好保水保肥的作用。比較塌陷沙丘與非塌陷沙丘土壤質地可知，塌陷使土壤砂粒含量增加，粉黏粒含量減少[8]。塌陷沙丘坡面表層土壤有砂化趨勢，侵蝕作用使上中坡土壤中粉黏粒下移并在坡底匯集[9-11]。塌陷沙丘在不同塌陷年限的土壤質地是不一樣的。隨著塌陷時間的增加，土壤物理性黏粒含量隨之減少[12]。這是因為塌陷擾動了原有土層結構，產生了大量垂直裂隙，土壤中的細小顆粒在地表徑流的作用下沿地裂縫流失，使得塌陷區(qū)土壤中粉黏粒含量減少，砂粒含量增加。不論是采礦引起的還是地震引起的塌陷都會產生這種現象[12-13]。

1.2 土壤體積質量與孔隙度

土壤體積質量是表征土壤密實度與土壤質量的重要指標[14]，同時決定土壤透氣透水能力、溶質運移能力和抗侵蝕能力[15]。塌陷區(qū)土壤體積質量小于未塌陷區(qū)。趙明鵬等[16]測得阜新礦區(qū)塌陷區(qū)土壤體積質量一般在0.90～1.32 g/cm3，而未塌陷區(qū)土壤體積質量一般為1.3～1.5 g/cm3。王健等[11]比較了補連塔煤礦區(qū)塌陷沙丘與未塌陷沙丘不同坡位或者不同深度的土壤體積質量，塌陷區(qū)均小于未塌陷區(qū)。隨著塌陷年限的增加，塌陷程度越來越大，塌陷震動使土壤體積質量減小。王健等[11]比較了不同塌陷年限的土壤體積質量，得出塌陷時間越長，土壤體積質量越小。栗麗等[12]在離石雙柳煤礦區(qū)采煤塌陷坡耕地的研究表明，土壤體積質量隨著塌陷年限的增加而減小。塌陷地自坡頂到坡中到坡底再到沉陷中心，土壤體積質量一般呈逐漸增大趨勢[16-18]。這主要是由于塌陷導致上覆土體失去支撐而下沉，壓實了坡底和塌陷中心的土壤，使土壤體積質量增加。

土壤體積質量與孔隙度存在強相關性，相同質地條件下，土壤總孔隙度和體積質量具有相反的變化規(guī)律，即塌陷區(qū)的土壤孔隙度大于非塌陷區(qū)，塌陷時間長的塌陷區(qū)土壤孔隙度大于塌陷時間短的塌陷區(qū)，塌陷區(qū)土壤孔隙度從坡頂到坡中到坡底到塌陷中心逐漸減小[8-9,12]。塌陷增加土壤總孔隙度的同時，使毛管孔隙度減少，非毛管孔隙度增加[10,12]。塌陷疏松土壤導致土壤非毛管孔隙增加，同時在水蝕及風蝕作用下，塌陷地土壤細粒物質流失，致使毛管孔隙逐漸減少。

塌陷區(qū)不同土層深度的土壤體積質量與孔隙度的變化規(guī)律研究相對較少。栗麗等[12]通過研究表明非塌陷區(qū)和不同塌陷年限的塌陷區(qū)土壤體積質量都隨著土層深度的增加而增加。王健等[9]研究表明：塌陷坡地40 cm以上土層深度內土壤體積質量和孔隙度變化不顯著，但40 cm以下100 cm以上土層深度內土壤體積質量顯著減少，孔隙度顯著增加。

1.3 土壤含水量

土壤水分是植被生長發(fā)育的必備物質，也是礦質養(yǎng)分運輸載體，同時還能夠穩(wěn)定土壤溫度。塌陷產生的裂縫會阻斷土壤水分和溶劑等的運移和傳輸，加速土壤干旱和沙化過程[19-20]。塌陷對耕地的破壞更加嚴重，李曉靜等[21-22]在西南山區(qū)水田研究表明：塌陷影響水田隔水層的保水作用而導致水田漏水，破壞形式有塌陷田、漏水田、裂縫田3種。塌陷在一定程度上降低了土壤的持水能力，土壤含水率、質量含水量、毛管持水量和田間持水量均呈明顯下降的變化趨勢且表層變化更為明顯[23-26]，這是因為塌陷擾動采空區(qū)上覆土體，使得土壤毛管孔隙相對減少，毛管懸著力隨之減小，而毛管懸著力決定了土壤持水能力。

塌陷區(qū)的土壤含水量在不同的時間點上均低于非塌陷區(qū)，同時塌陷區(qū)的土壤含水量在不同的空間位置上均低于非塌陷區(qū)[27]。塌陷區(qū)土壤含水量空間變化包括含水量的垂向變化和水平變化，垂向變化上塌陷區(qū)各土層深度含水量變異系數均大于非塌陷區(qū)，水平變化上含水量較低區(qū)域處于塌陷裂縫或者塌陷坑周圍[23]。土壤含水量的時間變化包括不同塌陷年限與不同塌陷季節(jié)的土壤含水量的變化。隨著塌陷年限的延長，塌陷區(qū)各深度土壤田間持水量逐漸減少[12]，而塌陷對表層土壤水季節(jié)性動態(tài)變化影響甚微[23]。

土壤含水量的多少受多種因素影響，主要包括降雨、地下水位、土壤質地等。塌陷區(qū)土壤含水量的研究，要考慮到土壤含水量各影響因子的作用，含水量的多少取決于影響因子與土壤持水能力共同作用。

降雨產生地表徑流入滲會增加土壤水分，土壤含水量在短期時間內快速增加。多數學者都研究過降雨后塌陷區(qū)沙丘或者裂縫的水分時空分布特征。塌陷沙丘土壤水分時空變化與降水量有緊密聯系[28]。降水后，塌陷沙丘與對照區(qū)沙丘土壤含水量均增加，隨著時間推移，由于裂縫的存在增加了土壤水分側向蒸發(fā)，塌陷沙丘相應深度土壤水分蒸發(fā)量大于對照沙丘[29]，同時裂縫密度越大，水分損失量越大[30]。降水后塌陷裂縫兩側土壤水分變化特征也是學者們研究方向之一。裂縫會打破坡面儲蓄降水的格局從而加劇坡面局部土壤水分散失[31-32]。

塌陷會造成潛水位相對上升，地下水會隨著土壤毛管作用滲透、移動，從而增加土壤水分含量，下沉量較大的區(qū)域土壤含水量較高，甚至會出現積水，所以塌陷區(qū)土壤含水量自上坡到塌陷中心逐漸增大[17]。對比塌陷區(qū)與對照區(qū)上中下坡土壤含水量可知，處于塌陷邊緣的上坡位置土壤含水量低于對照區(qū)，處于中下坡位置接近塌陷中心的土壤含水量高于對照區(qū)，這是由于塌陷邊緣廣泛分布的地裂縫會加速土壤水分蒸發(fā)，而毛管吸力作用會增加接近地下水位的上中下坡的土壤含水量[8]。

土壤質地也是影響土壤水分的因子之一，砂壤黏比例決定土壤保水保肥能力，比例不同的土壤水分也會有所差異。土壤含水量與粉黏粒含量具有較強相關性，塌陷使土壤中粉黏粒含量減少，毛管懸著力隨之減小，土壤含水量降低[9]。

2 塌陷對土壤化學性質的影響

土壤分析化學性指標有：有機質、全碳和氮、礦化氮、磷和鉀、pH、電導率等[3]。在塌陷區(qū)土壤化學性質分析研究中，大多數學者通過分析土壤養(yǎng)分來研究塌陷對土壤化學性質的影響。

塌陷形成的凹凸地表和地裂縫使土壤養(yǎng)分在徑流作用下遷移至采空區(qū)或者低洼地帶，造成土壤養(yǎng)分非均勻性分布，會對塌陷區(qū)植物生長產生不利影響[33]。氮、磷、鉀是土壤養(yǎng)分的基本指標，土壤養(yǎng)分決定土壤肥力水平。土壤養(yǎng)分中的速效磷和堿解氮由于易被作物吸收，其含量的多少直接反映土壤質量狀況[34]。

對比塌陷區(qū)與對照區(qū)的土壤養(yǎng)分含量可知：塌陷后土壤全量養(yǎng)分、速效養(yǎng)分與有機質含量的變化并沒有一定規(guī)律，不同塌陷區(qū)的土壤養(yǎng)分變化并不一致。孫文博等[35]測定百里杜鵑林區(qū)采煤塌陷地土壤養(yǎng)分含量可知：塌陷使土壤速效磷、速效鉀與有機質含量明顯降低，使土壤全量養(yǎng)分與速效氮含量增加。張麗娟等[36]通過研究表明塌陷使全氮、全磷、速效鉀含量顯著降低。王琦等[37]通過研究表明塌陷使土壤全氮與有機質含量降低，全磷含量增加，全鉀含量未發(fā)生顯著變化；速效氮、磷、鉀含量均出現不同程度的流失。周瑞平[38]在鄂爾多斯地區(qū)的研究表明：非塌陷區(qū)與塌陷區(qū)的土壤養(yǎng)分含量差異不顯著，但在空間分布上有所差異。

許多學者對塌陷造成土壤養(yǎng)分流失變化規(guī)律作了相應研究，主要的研究內容為土壤養(yǎng)分在塌陷坡面上和塌陷垂直剖面上的流失變化規(guī)律。在塌陷坡面上，不同位置點的土壤養(yǎng)分含量規(guī)律呈現為：上坡點＜中坡點＜下坡點＜塌陷中心點[39-41]，表明了土壤養(yǎng)分在塌陷的影響下發(fā)生不同程度的流失，其中速效養(yǎng)分流失更為顯著。上坡點由于存在大量的裂縫，水肥流失嚴重，土壤養(yǎng)分最為短缺；而塌陷中心的養(yǎng)分含量情況則不同于上坡點，當塌陷深度較淺時，塌陷中心養(yǎng)分相對短缺，當塌陷深度較深時，上中坡土壤養(yǎng)分隨水運移到塌陷中心，造成土壤養(yǎng)分富集[16-17]。中坡若是發(fā)育裂縫并且裂隙較大時，會造成由坡頂向坡底遷移的速效養(yǎng)分在裂縫處中斷流失[42]。在塌陷垂直剖面上，任加國等[43]測得40 cm深度以上土壤中堿解氮和速效磷流失較大，60 cm深度以下土壤中養(yǎng)分含量基本不變；王健等[44]則測得塌陷沙丘40 cm以上土壤全氮和全磷含量流失較多，但是全鉀含量流失很少。

塌陷區(qū)土壤養(yǎng)分含量會隨著塌陷時間的延長而發(fā)生改變。孫文博等[45]測得塌陷區(qū)土壤有機質、全氮、全磷含量隨時間逐漸下降，全鉀含量逐漸升高；30 cm以上土層中土壤速效養(yǎng)分含量逐漸下降，30 cm以下60 cm以上土層中土壤速效養(yǎng)分逐漸升高。臧蔭桐[46]在分析塌陷3年后塌陷區(qū)內裂縫處土壤養(yǎng)分含量可知，裂縫部位的全氮、全磷含量普遍顯著減少。王琦等[47]則研究了塌陷區(qū)與非塌陷區(qū)以及塌陷后17年土壤養(yǎng)分含量變化，得出土壤養(yǎng)分在塌陷后12～17年才能逐步恢復。Monokrousos等[48]研究了采礦后沉積位置的土壤有機質、有機氮、速效磷等化學性質隨時間變異規(guī)律，得出這些養(yǎng)分元素含量隨著時間推移逐漸增加。

3 土壤理化性質空間變異

土壤理化性質空間變異研究的方法很多，主要有地統計學方法、人工神經網絡模型法、分形理論方法等。20世紀60年代初至今，地統計學方法一直被國外學者應用于土壤調查分析、土壤制圖以及土壤理化性質空間變異研究[49-51]。我國應用地統計學方法研究土壤理化性質空間變異規(guī)律晚于國外20年，但是也取得了豐碩成果。目前國內學者把研究的重心放在土壤物理性質空間變異上，土壤化學性質空間變異研究相對較少[52-54]。地統計學方法研究空間變異時有其一定的局限性，神經網絡技術是國內一些學者提出來應用于空間變異的新方法，擁有地統計學所不具備的優(yōu)點[55-56]。

1983年，Burrough[57]開創(chuàng)性地利用分形理論研究土壤性質空間變異特征分維。Folorunso等[58]在1994年美國土壤學第58次大會上的報告將多重分形理論應用到土壤學及土壤性質空間變異研究。此后，國內外學者在不同尺度、不同區(qū)域和不同土壤類型上相繼開展了大量土壤屬性空間變異規(guī)律多重分形研究。Uthayakumar等[59]運用多重分形理論定量分析了土壤孔隙的空間變異特征；Jesus等[60]結合統計分析與多重分形方法計算分析土壤中銅元素空間變異性。多重分形理論也廣泛應用于土壤理化性質空間變異研究，Kravchenko等[61]利用多重分形分析了1 600 m × 1 600 m農田土壤pH、CEC、有機質、磷、鉀、鈣和鎂含量的空間變異性；Vidal-Vazquez等[62]運用多重分形理論研究了田間尺度表層土壤含水量的空間變異，多重分形理論方法在土壤理化性質空間變異研究中使用越來越廣泛[63-65]。

土壤物理性質的空間變異研究主要集中在土壤質地、土壤體積質量以及土壤水分等幾個容易測定參數的變異規(guī)律研究上。李敏[66]對土壤顆粒分布分形維數和相關物理屬性空間變異性進行了著重研究；Brocca等[67]結合遙感與野外實測等方法研究了流域尺度土壤水分時空變異情況；肖波等[68]使用傳統統計學和地統計學方法研究了黃土高原東北緣退耕荒草地土壤體積質量的空間變異特征。

對土壤化學性質的空間變異研究主要集中在對土壤養(yǎng)分的研究，掌握土壤養(yǎng)分空間變異特征有助于農業(yè)科學施肥，提高肥料利用效率和增加作物產量等，所以土壤養(yǎng)分空間變異特征是國內外學者研究的熱點。Umali等[69]研究了地形與管理對澳大利亞南部某果園土壤養(yǎng)分、有機質等化學性質的空間變異性的影響；Roger等[70]通過統計學分析研究了瑞士弗里堡州土壤有效磷空間變異性；Liu等[71]分析了中國南方水稻土 9 種化學性質指標，并使用地統計學方法研究了各性質的空間變異性。Zhang等[72]利用古典和地統計學方法，研究了地塊尺度上土壤化學性質的空間格局。

關于土壤理化性質空間變異特征研究的區(qū)域多集中在農田、林區(qū)、小流域地區(qū)，對塌陷區(qū)土壤理化性質空間變異的研究還較少，唯有中國地質科學院水文地質環(huán)境地質研究所的趙紅梅等做過塌陷區(qū)的土壤含水量的空間變異研究。趙紅梅等[73]是以大柳塔采煤塌陷區(qū)表層土壤(0～60 cm)為研究對象，利用傳統統計學方法研究土壤含水量的垂向變異性，并利用地統計學中kriging局部插值法研究土壤含水量的平面變異性。因此，開展塌陷區(qū)土壤理化性質空間變異性研究是下一步的研究方向。

4 研究問題與展望

1)塌陷影響土壤理化性質的高精度獲取方法有待突破。國內外學者大多利用空間對比法、時間對比法或者相關性分析來比較塌陷區(qū)與非塌陷區(qū)土壤理化性質的差異，揭示塌陷對土壤理化性質影響的作用機理與規(guī)律。獲取方法簡單，缺乏創(chuàng)新，作用機理與規(guī)律分析不足。今后，應該加強塌陷影響土壤理化性質的獲取方法的創(chuàng)新，提高獲取方法的精度，比如加強地統計學法、分形理論法、神經網絡法等方法在塌陷區(qū)土壤理化性質變異性的運用，也可以將多種方法聯合使用以提高精度，突破研究存在的瓶頸。

2)運用分形理論對塌陷區(qū)土壤理化性質空間變異規(guī)律的研究有待加強。塌陷區(qū)土壤理化性質空間變異研究有助于正確評價塌陷區(qū)土地復墾潛力，并指導土壤重構與植被重建工作開展。分形理論被廣泛應用于土壤理化性質空間變異性研究，研究區(qū)域包括農田、林區(qū)、小流域地區(qū)等，但并不包括采煤塌陷區(qū)。部分學者將地統計學方法應用于塌陷區(qū)土壤理化性質空間變異性研究，研究取得一定的成果，但是分形理論相比地統計學理論有其自身優(yōu)勢，今后應該加強分形理論在塌陷區(qū)土壤理化性質空間變異研究中的運用。

3)結合塌陷微地貌對塌陷區(qū)土壤理化性質空間變異作用機理的揭示有待完善。多數學者通過比較塌陷區(qū)與非塌陷區(qū)土壤理化性質之間的差異揭示塌陷區(qū)土壤理化性質空間變異作用機理，還有少數學者通過克里金插值法研究土壤理化性質平面變異性并對作用機理進行揭示，但是還沒有學者結合塌陷微地貌來揭示塌陷區(qū)土壤理化性質空間變異作用機理。塌陷形成的塌陷裂縫、塌陷坑、塌陷盆地等塌陷微地貌是造成土壤理化性質空間變異的主要原因，但是過去由于研究理論、研究方法和研究條件的滯后，使此方面研究處于空白，作用機理的揭示也缺乏說服力。通過疊加塌陷微地貌分布圖與塌陷區(qū)土壤理化性質含量空間分布圖，不僅可以更好地研究不同土壤層土壤理化性質空間變異性，還可以在三維空間上對土壤理化性質的變異性規(guī)律進行分析，對作用機理的揭示更加完善。

今后研究中應當重視塌陷微地貌對塌陷區(qū)土壤理化性質空間變異性的影響，完善塌陷區(qū)土壤理化性質空間變異作用機理，從而為塌陷后土地復墾工程順利實施提供理論參考和技術指導，以便進一步提高土地復墾的效率和質量；同時還可以根據塌陷造成土地理化性質變化的根本原因，來改善采礦工藝，從而減弱礦區(qū)塌陷的危害。

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Recent Research Progresses of Influences of Coal Mining Subsidence on Soil Physical and Chemical Properties

ZHU Yucheng1,WANG Jinman1,2*,BAI Zhongke1,2,QIN Qian1,WANG Hongdan1
(1 College of Land Science and Technology,China University of Geosciences,Beijing 100083,China; 2 Key Laboratory of Land Regulation Ministry of Land and Resources,Beijing 100035,China)

Abstract:Coal mining causes subsidence and changes of soil physical and chemical properties.It is necessary to analyze soil physical and chemical properties in subsidence area for land reclamation and soil reconstruction.This paper reviewed the recent research progresses in the influences of coal mining subsidence on soil physical and chemical properties as well as on their spatial variability,summarized the present research problems,put forward the future study directions.It can provide guidance to the mechanism researches on soil physical and chemical changes in the subsidence area.

Key words:Subsidence; Soil physical and chemical properties; Spatial variability

作者簡介：祝宇成(1990—)，男，安徽合肥人，碩士研究生，主要從事土地整理復墾與生態(tài)恢復研究。E-mail:zhychxsh@163.com

* 通訊作者(wangjinman2002@163.com)

基金項目：①國家自然科學基金項目(41271528)和國土資源部公益性行業(yè)科研專項(201411007-4)資助。

DOI:10.13758/j.cnki.tr.2016.01.003

中圖分類號：S153