采煤沉陷區土壤成分變化研究——以潞安集團王莊煤礦為例

朱宗澤,陳志超,郝成元

(河南理工大學測繪與國土信息工程學院,河南焦作 454000)

采煤沉陷區土壤成分變化研究
——以潞安集團王莊煤礦為例

朱宗澤,陳志超,郝成元

(河南理工大學測繪與國土信息工程學院,河南焦作 454000)

土壤成分;土壤肥力;采煤沉陷區;王莊煤礦;潞安礦區;山西省

煤炭開采導致地表大面積沉陷、土壤肥力下降,從而影響耕地生產能力。通過對潞安集團王莊煤礦采煤沉陷區沉陷 3年、6年的土壤成分進行對比分析研究,得出以下兩點主要結論:①土壤養分有從沉陷地頂部向底部匯集的趨勢,沉陷 3年的沉陷地頂部和底部的土壤養分差別較大,而沉陷 6年的沉陷地頂部和底部土壤養分差別不大;②沉陷 3年的土壤和沉陷 6年的土壤的 pH值雖無大的變化,但其底部、中部、頂部電導率卻存在顯著差異,即沉陷地底部土壤有鹽化趨勢。依據研究結果,提出了改善土壤物理、化學性狀等相應的土地整治策略。

煤炭是我國現時最主要的能源,約占一次能源構成的74%,且 96%以上的煤炭產量來自于井工開采[1]。這種開采方式破壞了煤層覆巖的應力平衡,導致了覆巖從下至上發生冒落、裂隙(縫)和彎曲下沉,從而使采空區上方地表發生大面積沉陷,并在地表產生大面積裂隙(縫),嚴重破壞了礦區的土地資源。據不完全統計,平均每開采 1萬 t煤,地表沉陷0.2 hm2,最多的達 0.53 hm2[2-3]。山西省地處黃土高原東部,煤炭資源豐富,是我國重要的能源化工基地,含煤面積達 6.2萬km2,占全省總面積的 39.6%[4],近年來由于大規模的煤炭開采,對土地資源和生態環境造成了極大破壞,特別是井工開采造成的礦區地表大面積沉陷,不僅破壞了大量耕地資源,而且毀壞了附近村莊的地面建筑物,礦區人地矛盾日趨尖銳[2]。

自 20世紀 50年代起,歐洲、美洲、大洋洲的一些國家就已經開始關注采礦活動中的生態環境問題,并開展了一些工程措施與生物措施相結合的礦山環境恢復、水體污染和水土流失治理工作[5-7]。我國自改革開放以來,也在煤礦區污染治理、景觀重建與土地復墾研究中取得了一定的成果,主要集中于有毒有害物質防治、植被恢復及土壤基質熟化等方面[8-9],很少從土壤肥力及土壤理化性質等方面開展綜合研究并探索土地退化的內在機理及生態恢復途徑。筆者通過選擇有代表性的采煤沉陷區,對沉陷后耕地土壤中的有機質和營養元素含量進行了對比分析研究,探討了沉陷區耕地土壤肥力特征及其空間變異規律,旨在為尋找適合礦區土地退化特點的生態恢復技術、指導沉陷區耕地合理施肥、提高礦區糧食產量、緩解礦區人地矛盾提供理論依據。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

王莊煤礦位于山西潞安礦區北區的東南部,井田面積79.45 km2,北與漳村井田鄰接,南以二崗山北斷層為界,東以石圪節井田煤層露頭線、漳澤水庫最高水位線為界,西與常村、古城井田鄰接。王莊煤礦建于 1958年,1966年 12月正式投產,經過兩次改擴建,2008年實際生產能力接近 750萬 t。王莊煤礦地處上黨盆地中部,屬巨厚沖積層高潛水位礦區,隨著煤炭資源的持續開采,引發了一系列生態破壞和環境污染問題,若不加強恢復與治理,將嚴重影響礦區的可持續發展。

1.2 研究方法

1.2.1 樣品采集及預處理

在王莊礦區周邊分別選取沉陷 3年、6年的耕地,在沉陷地的上部、中部、下部分別用土鉆按 0— 20、20—40、40— 60 cm分層取土,重復采樣 5次,將樣品帶回實驗室風干保存,用以測定土壤養分。樣品風干后,剔除未分解的植物根系及殘體、昆蟲尸體、石塊等雜物,磨碎、碾細,過 20目、100目尼龍篩后,取足量裝入紙質小袋測定其有機質、氮、磷、鉀等的含量。

1.2.2 測定方法

有機質含量,采用重鉻酸鉀法測定;全氮含量,采用重鉻酸鉀-硫酸硝化法測定;全磷含量,采用高氯酸-硫酸酸溶 -鉬銻抗比色法測定;全鉀含量,采用火焰光度法測定;速效氮含量,采用堿解蒸餾法測定;速效磷含量,采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定;速效鉀含量,采用火焰光度法測定;土壤電導率和pH值則是用蒸餾水,按照 5∶1的比例浸提后,分別用電導儀和pH計測定。

應用SPSS 13.0軟件對試驗數據進行統計分析,5%水平下LSD多重比較檢驗各處理數據間的差異顯著性。

2 研究結果

土壤有機質既是土壤養分的源泉,又是土壤中異養型微生物的能源物質,其含量及組成直接影響土壤的供肥、保肥、保水、適耕性和生物活性,常作為劃分土壤肥力高低的指標[10-11]。土壤養分是土壤肥力的重要組成部分,其含量及貯量是一個動態變量,其中:全氮、全磷和全鉀是衡量土壤供肥能力的重要指標[12-14];速效氮、速效磷、速效鉀常作為土壤養分及時供給的指標,對當季作物的生長發育有著重要的作用[15-16];土壤電導率和 pH值則指示著土壤酸堿化程度。因此,本研究所測定的土壤項目有有機質、全氮、全磷、全鉀、速效氮、速效磷、速效鉀含量和電導率、pH值 9項。

2.1 沉陷3年土壤成分變化

雖然采煤沉陷對土壤有機質有破壞作用,但研究表明沉陷3年的耕地土壤中有機質含量并未出現顯著變化(表 1),這可能與有機質移動性差及沉陷地坡度相對較小有關[17]。采煤沉陷使地表形成了坡地和洼地,土壤中許多營養元素隨著地表徑流沿著裂隙(縫)流入采空區或洼地,造成地表土壤養分的短缺。其中,全氮和全磷含量均呈現出沉陷地中部顯著高于頂部和底部的規律,而沉陷地頂部和底部尚無顯著變化;全鉀含量呈現出沉陷地底部＞中部＞頂部的規律,且變化顯著。

由表1也可以看出潞安礦區采樣地沉陷3年耕地不同坡位土壤速效氮、速效磷、速效鉀分布呈現出底部＞中部 ＞頂部的規律,且變化顯著。究其原因:采煤沉陷形成坡地,這一小地形導致地表耕作層土壤中遷移性較強的速效氮、速效磷、速效鉀隨地表水分運動向沉陷區底部匯集。

人類的擾動是土壤環境質量變化的重要驅動力,常常會引起土壤 pH值發生變化,加重土壤鹽化。采煤沉陷區耕地土壤的 pH值也常常會發生變化,但我們的研究表明,潞安礦區采煤沉陷地耕地土壤的pH值并無顯著變化(圖 1),而土壤電導率則呈現出沉陷地底部 ＞中部＞頂部的規律(圖 2),且差異顯著。這表明沉陷3年的耕地已經出現鹽類向沉陷地底部快速匯集的趨勢,這將加重土壤的鹽化。

表 1 沉陷 3年耕地不同坡位土壤養分

圖2 沉陷 3年耕地不同坡位土壤電導率

2.2 沉陷 6年土壤成分變化

采煤沉陷對土壤有機質有破壞作用,研究表明:沉陷 6年的耕地土壤中有機質含量呈現出中部和底部有機質含量均顯著高于頂部的規律;土壤全氮、全磷和全鉀量均呈現出沉陷地底部含量顯著高于頂部的規律。詳見表2。

表 2 沉陷 6年耕地不同坡位土壤養分

圖1 沉陷3年耕地不同坡位土壤pH值

由表 2可以看出:潞安礦區采樣地沉陷 6年耕地不同坡位土壤速效磷、速效鉀的含量分布呈現出底部＞中部＞頂部的規律,且差異顯著;底部速效氮含量顯著高于頂部,但中部含量與頂部含量無顯著差異,且這一規律漸漸趨于穩定。

潞安礦區采煤沉陷 6年的耕地土壤pH值并無顯著變化(圖3),而土壤電導率卻呈現出沉陷地底部 ＞中部 ＞頂部的規律,且差異顯著(圖4),這表明沉陷6年的耕地仍然呈現出鹽類向沉陷地底部快速匯集的趨勢,這必將加重土壤的鹽化。

3 結論及土壤整治策略

3.1 結 論

通過對潞安礦區王莊煤礦沉陷 3年與沉陷 6年耕地的土壤成分進行初步對比分析,得出如下結論:①沉陷地頂部土壤養分有向中部和底部遷移的趨勢,但沉陷3年耕地土壤養分受小地形影響更為明顯。沉陷地邊緣地帶產生了不同程度的裂隙(縫),在局部錯位較大、裂隙(縫)較多的地區,地表徑流匯集,使肥分從地表向土壤深層遷移、從沉陷邊緣沿裂隙(縫)向沉陷中心匯集,致使沉陷地耕地表層土壤趨于退化,從而影響了作物生長和土地生產力。②沉陷6年耕地頂部、中部和底部土壤養分差異性變化相對較小,表明在最初沉陷的年份土壤養分向較低地勢遷移更為強烈,隨著沉陷年限增加而漸趨穩定。這一規律對制定礦區土壤肥力定向培育對策尤為重要。③沉陷 3年耕地土壤、沉陷 6年耕地土壤不同坡位 pH值無顯著差異,但電導率差異顯著,存在沉陷地底部日益鹽化的趨勢。

3.2 土壤整治策略

針對以上結論,建議礦區土壤整治應從以下 3個方面著手:①改善土壤的養分狀況。有機廢棄物如污水污泥、垃圾或堆肥可作為土壤添加劑,并在某種程度上充當一種緩慢釋放的營養源,同時可通過螯合有效態的有毒金屬而降低其毒性。②改善土壤的物理性狀,如孔隙度、容重等。③采取一定的田間措施,加強耕作,全面改善土壤水、肥、氣、熱之間的相互關系,為土壤改良和培肥創造良好的環境。

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Variation o f Soil Composition in Coal M ining Subsidence A reas

ZHU Zong-ze,CHEN Zhi-chao,HAO Cheng-yuan

(Schoolof Surveying and Land Information Engineering of Henan Polytechnic University,Jiaozuo,Henan 454000,China)(44)

Coalm ining results in ground subsidence in large areas and decreaseof soil fertility,thus,affecting the production capacity of cultivated lands.The paper conducts comparative analysis and study on 3-year and 6-year soil composition of coalm ining subsidence areas of Wangzhuang CoalMine of Lu'an Group and obtains the following twomain conclusions:a)there is tendency of soil nutrient collecting from top to bottom of the subsidence areas.The difference of soil nutrient at the top and bottom of the 3-year subsidenceareas is greater than thatof the 6-year subsidenceareas;b)although the variation of pH value of soil in the 3-yearand the 6-year subsidence areas is notgreatly,theelectrical conductivity at the bottom,middle and top is obviously different,showing salinization trend of soilat the bottom of the areas.Itputs forward relevant tactics of land reclamation for improving physiochemical properties of soil according to the results of study.

soil composition;soil fertility;coalmining subsidence areas;Wangzhuang Coal Mine;Lu'an Group;Shanxi Province

X 171.4

A

1000-0941(2011)04-0044-03

中國煤炭工業協會科學技術研究指導性計劃項目(MTKJ2010-371);河南省教育廳自然科學研究計劃項目(2009B 440002);河南理工大學青年基金項目(Q2008-1)

朱宗澤(1978—),男,河南羅山縣人,在讀碩士,主要從事礦區生態重建等方面的研究。

2010-09-20

(責任編輯 孫占鋒)