采煤沉陷裂縫區土壤含水量變化對檸條葉片葉綠素熒光的響應

劉 英,雷少剛,宮傳剛,卞正富

中國礦業大學環境與測繪學院,徐州 221116

煤炭是我國重要的能源來源,在一次性能源消費結構中所占比例一直是70%左右[1]。煤炭的井工開采導致了礦區大面積塌陷下沉[2],對生態環境造成嚴重破壞。近年來,煤炭開采的重心西移,使得處于半干旱礦區本就脆弱的生態環境日趨惡化[3]。土壤含水量的變化直接影響植物葉片的光合作用,土壤水分脅迫導致植物光合速率的變化,進而影響植物的生物量和生產力。而采煤塌陷對表土含水量有重要影響,一方面,煤炭高強度開采在地表形成地裂縫,增加了土壤蒸發面,同時采煤塌陷破壞了土體結構,不利于土壤水分保持,地表水流失進一步加重；另一方面,由于地下部分被抽空,潛水位埋深降低,影響地下水對地表水的補給,最終導致裂縫區土壤水含量要明顯低于非裂縫區。

近年來,采煤塌陷對植被的影響引起不少學者的廣泛關注。有研究指出煤炭高強度開采破壞了植物生長的立地條件,對地表植被產生了極大的負面影響,導致植被覆蓋度[4]降低,生物多樣性[5]與生物量[6]減少等。實際上采煤塌陷區植被退化的重要原因在于塌陷破壞植物生長的立地條件,影響植物光合生理活動,進而影響植物的生長,但是對微觀尺度上開采沉陷對植物個體生長的影響程度及機理研究較少。此外,植物對采煤塌陷擾動的響應反映在從微觀到宏觀的不同尺度、不同層次上,植物個體葉片葉綠素熒光變化反映了宏觀響應所隱含的微觀生物學機制。而快速葉綠素熒光誘導動力學曲線(OJIP曲線)被稱為植物受脅迫狀態的有效探針,能夠快速獲取光系統II光化學活性和電子傳遞的信息[7-8]。目前,快速葉綠素熒光誘導動力學曲線分析技術(JIP-test)已經成為研究逆境脅迫對植物光合機構影響的有力工具[9]。例如,Rudzani等利用該技術對干旱脅迫對干豆產量的影響進行了研究[10]。Alexander等利用葉片葉綠素熒光參數對草本和木本植物受到的溫度脅迫情況進行了評價[11]。Cambridge[12]、Guirao[13-14]和Koch[15]等通過葉綠素熒光技術分析了高鹽度對植物生長以及光合特性的影響。

基于此,本文通過對礦區內采煤塌陷地進行植物調查研究,選擇礦區典型生態修復植物檸條(Caraganakorshinskii)為研究對象,根據塌陷裂縫區土壤含水量的差異以及檸條葉片葉綠素熒光變化特征,探知采煤沉陷影響下土壤含水量變化對檸條葉片葉綠素熒光響應影響,為該地區生態治理提供植被保護的理論依據。

1 研究區概況

本文選取大柳塔礦區52302工作面為研究區域,地理坐標為110°05′00″—110°20′00″ E,39°27′00″—39°15′00″ N。該區地處晉、陜、蒙三省接壤處,位于黃土高原丘陵區和毛烏素沙地過渡地帶(圖1)。氣候干燥少雨,年平均降雨量413.5 mm,集中在夏季,年平均蒸發量2111.2 mm,屬于典型的干旱、半干旱的高原大陸性氣候。年平均日照2875.9 h,多年平均氣溫7.3℃,年極端最高氣溫38.9℃,年極端最低氣溫-28.1℃,年平均濕度56%,年平均風速2.3 m/s,最大風速28.0 m/s。研究區域植被類型主要有干旱草原型、落葉闊葉灌木叢型和沙生類型,以油蒿(Artemisiaordosica)、檸條(Caraganakorshinski)、小葉楊(PopulussimoniiCarr)為主要代表。近年來,礦區大規模的煤炭開采對地表環境造成了明顯的影響,如：地表塌陷產生地裂縫群、水土流失、耕地退化、生產力降低等,而這些采煤活動勢必會直接或者間接的對礦區地表植物的生長造成影響。

圖1 研究區域位置圖Fig.1 The locations of the study region

2 材料與方法

2.1 地面沉降信息調查

根據開采沉陷水平移動與變形理論,局部礦體被采出后,在巖體內部形成一個空洞,其周圍原有應力平衡狀態受到破壞,引起應力的重新分布,直至達到新的平衡。隨著采礦工作面的不斷推進,收采動影響的巖層范圍不斷擴大,當開采范圍足夠大時,巖層移動發展到地表,在地表形成一個比采空區大得多的下沉盆地。52302工作面(4484 m×300 m)地面高程1162.4—1255.3 m,標高985.13—1020.99 m,最大裂縫寬度42 cm,最大下沉值2833 mm,表土平均厚度30 m,水平移動系數0.26,沉降系數0.76,開采速率12 m/d,煤層開采厚度7 m。通過對走向觀測站的監測結果來判定測點位置的地表沉陷情況,對于觀測站的監測結果如圖2所示,測點位置在3月26號之前就已經受到開采影響而開始下沉,4月5號還未達到最大下沉值,之后處于下沉活躍期,到4月26號已經處于相對穩沉狀態。

圖2 開采沉陷的水平移動與變形理論與走向觀測站沉降量監測結果Fig.2 The horizontal movement and deformation theory of mining subsidence and the subsidence result of monitoring station

2.2 樣地與植物選擇

以大柳塔礦區52302工作面為研究區,選擇3條寬度在39—42 cm的裂縫,3個裂縫區地貌植被基本一致,海拔在1256.32—1254.52 m,坡向為東南坡,坡度1°—3°。檸條是大柳塔礦區主要的生態修復植物物種,研究其在煤炭開采條件下氣孔導度與環境因子的響應特征具有重要意義；通過現場調查發現,檸條在采煤塌陷區具有明顯的數量優勢,種群密度較其他植物大且在硬梁地和風沙區皆有分布,因此本文選取檸條作為研究對象。通過對所選植物根部土壤進行取樣,測得樣地土壤養分含量以及顆粒組成信息(表1)。

表1 樣地土壤養分含量以及顆粒組成信息(n=9)

2.3 數據采集

2015年6月中旬,在每條裂縫的一側沿垂直于裂縫的方向按距離裂縫0、30、60、100、150、300 cm選取樹齡5—6年、株高1 m左右的檸條6株(圖1b),沿植株頂部向下0—30 cm處的成熟葉片進行葉綠素熒光誘導曲線測定,每株檸條做3個重復,結果取平均。利用OSP330+便攜式葉綠素熒光儀測定選定的植物葉片的快速葉綠素熒光誘導動力學曲線,并進行JIP-test分析,計算光系統II(PSII)反應中心參數。測定時間為上午9:00—11:00,測定前先將標記的葉片用葉夾暗適應20 min,然后將分析探頭置于葉夾上的測試孔,確保探頭與暗適應夾緊密接觸,無光線進入,按緊探頭與葉夾,打開葉夾遮光板后,在10-6—1 s之間的高分辨率間隔熒光信號,儀器自動進行測定并記錄保存,測定時葉面溫度19.8—25.4℃,周圍環境溫度18.9—25.6℃,實驗期間無降雨。根據蘇曉瓊等[8]的方法計算相對可變熒光：Vt=(Ft-Fo)/(Fm-Fo),ΔVt=Vt處理-Vt對照；ΔK—band、ΔJ—band和ΔI—band分別為0.0003 s、0.002 s、0.03 s處測定的ΔVt。

在測取葉片葉綠素熒光誘導曲線后,采集選定檸條葉片存放在已知質量的鋁盒中,用保鮮膜密封迅速帶回實驗室,采用烘干法獲取植物葉片相對含水量。利用ML3X土壤水分速測儀(Delta-T Inc., UK)同步測定距離裂縫0、30、60、100、150、300 cm表層土壤0—30 cm體積含水量,土壤水分速測儀在測定前用烘干法標定,測定時間為9:00—11:00。利用英國PR2(Profile Probe type PR2)土壤剖面水分速測儀對植物根系土壤含水量進行連續監測,每30分鐘監測一次,可以分別監測到10、20、30、40、60、100 cm處土壤體積含水量的變化；監測時間區間為4月7號到6月3號,即監測點受地下開采影響前至沉陷相對穩定后一段時間,獲得了監測點在受到地下開采影響前后0—100 cm不同深度土壤含水量的數據。

2.4 數據處理

采用Excel 2010對數據進行統計；采用Origin 9.1軟件進行數據整理和制圖。

3 實驗結果

3.1 采煤塌陷裂縫區土壤含水量與檸條葉片相對含水量的變化特征

通過對裂縫一側距離裂縫0—300 cm的表層0—30 cm土壤體積含水量進行統計得到(表2)：塌陷裂縫區土壤體積含水量整體較低,平均值僅為10.78%,最大值15.40%,最小值5.40%。距離塌陷裂縫0 cm處土壤體積含水量最低,平均值為5.63%,最大值6.00%,最小值5.40。距離塌陷裂縫300 cm處土壤體積含水量最大,平均值為15.07%,最大值15.40%,最小值14.60%。在0—300 cm范圍內,隨著距裂縫距離的增加,土壤體積含水量呈增加的趨勢,在距裂縫0—150 cm范圍內,土壤體積含水量增加幅度相對較大,在距裂縫150—300 cm范圍時,土壤體積含水量有小幅上升。從圖3土壤剖面水分速測儀對植物根系(距離裂縫60 cm)土壤含水量進行連續監測結果可以看出,除表層0—10 cm土壤含水量低于塌陷穩定期外,其他土壤層采煤沉陷后含水量均低于沉陷初期,在此期間,4月25日和5月9日降雨量分別為13.8 mm和12.0 mm,土壤含水量有小幅升高,但是從整體來看,受采煤塌陷影響土壤含水量呈降低趨勢。通過葉片相對含水量統計結果得到：裂縫一側距離裂縫0—300 cm檸條葉片相對含水量在39.76%—61.40%。距離塌陷裂縫0 cm處葉片相對含水量最低,平均值43.02%,最大值,46.72%,最小值39.76%。距離塌陷裂縫300 cm處葉片相對含水量最高,最大值61.40%,平均值53.30%。在0—300 cm范圍內,檸條葉片相對含水量隨著距裂縫距離的增加而增加。

表2 距離裂縫0—300 cm的表層0—30 cm土壤體積含水量與葉片相對含水量統計(n=9)

Table 2 The Changes in the volumetric water content of 0—30 cm in topsoil and Leaf relative water content with different distance from cracks(n=9)

距裂縫距離Distance from the crack/cm土壤體積含水量Soil volumetric water content/%葉片相對含水量Leaf relative water content/%最小值Min最大值Max平均值Ave.標準差SD最小值Min最大值Max平均值Ave.標準差SD05.40 6.005.630.3239.7646.7243.021.78307.90 8.308.100.2041.7748.4045.031.93609.70 10.109.900.2042.8349.8645.891.9310011.40 12.5011.830.5943.7051.9546.952.0415013.8014.5014.170.3545.5054.2048.601.6030014.6015.4015.070.4247.7061.4053.301.80

圖3 采煤塌陷過程土壤含水量的變化 Fig.3 Changes of water content in different soil layers during coal mining subsidence

3.2 裂縫導致土壤含水量變化對植物葉片快速葉綠素熒光誘導動力學曲線的影響

快速葉綠素熒光誘導動力學曲線(O—J—I—P曲線)能夠提供關于PSⅡ的光化學信息,準確地反映光反應中PSⅡ供體側、受體側及PSⅡ反應中心電子氧化還原狀態。通過對裂縫一側不同土壤體積含水量處檸條葉片進行檢測,得到快速葉綠素熒光誘導動力學曲線與差異曲線(圖4)。從圖4可以看出,隨著土壤含水量的降低葉綠素熒光誘導動力學曲線發生明顯變形,土壤體積含水量越低,曲線變形幅度越大。與15.07%土壤體積含水量下葉綠素熒光誘導動力學曲線對比,其他曲線K—J—I段相對熒光值有不同程度的升高,當土壤體積含水量在9.90%時,O—J—I—P曲線變形為O—K—J—I—P曲線,即在曲線中開始出現拐點K(300 μs)。當土壤體積含水量在5.63%時,O—J—I—P曲線變形幅度最大。以15.07%土壤體積含水量為標準,對其他土壤水條件下葉綠素熒光誘導動力學曲線進行標準化并計算各曲線的差異值,得到葉綠素熒光誘導動力學差異曲線(圖4)。隨著土壤含水量的降低,ΔK、ΔJ、ΔI值依次升高,當土壤體積含水量為8.10%和5.63%時,ΔK、ΔJ、ΔI值均發生了較大幅度的升高。這可能與土壤干旱脅迫加劇,檸條葉片光合機構破壞與電子傳遞受抑制有關。

圖4 土壤水分的變化對檸條葉片葉綠素熒光誘導動力學曲線的影響Fig.4 The effect of soil moisture changes on the chlorophyll fluorescence induced kinetic curve of C. korshinski leaves快速葉綠素熒光誘導動力學曲線又稱O—J—I—P曲線；O、K、J、I、P分別表示在0.00002、0.0003、0.002、0.03、0.3s處葉綠素熒光值；ΔO、ΔK、ΔJ、ΔI、ΔP分別表示在0.00002、0.0003、0.002、0.03、0.3 s處葉綠素熒光差異值

3.3 裂縫導致土壤含水量變化對植物葉片JIP-test參數的變化

本文對土壤含水量在5.63%、8.10%、9.90%、11.83%、14.17%、15.07%等情況下的JIP-test參數進行統計(圖5),可以得到：

圖5 不同水分條件下檸條葉片JIP-test參數的變化Fig.5 Changes in JIP-test parameters of C. korshinskii leaves under different water conditionsETO/RC: 電子傳遞的能量; TRO/RC: 捕獲的光能; DIO/CS: 熱耗散的能量; ABS/RC:單位反應中心吸收的光能; ETO/TRO: 電子傳遞到電子傳遞鏈中QA-下游的電子受體的概率; ETO/ABS: 用于電子傳遞的量子產額; TRO/ABS: PSII最大量子效率; F0/FM: 熱耗散的量子比率; Fv/FM: 最大光化學效率; PI: 葉片性能指數

(1)PSII反應中心的變化

隨著干旱脅迫程度的加劇(土壤含水量從15.07%到5.63%),單位反應中心吸收的光能(ABS/RC)分別增加了0.49%、0.80%、14.69%、14.21%和17.34%；捕獲的光能(TRO/RC)分別增加了7.33%、3.07%、18.46%、60.29%和64.48%；熱耗散的能量(DIO/CS)分別增加了3.11%、27.23%、20.13%、75.77%和87.54%；電子傳遞的能量(ETO/RC)分別降低了6.07%、18.93%、24.11%、33.44%和38.30%。這說明干旱脅迫影響了植物葉片PSII光能吸收與電子的傳遞。

(2)PSII受體側的變化

(3)葉片性能指數的變化

土壤含水量在15.07%時最大光化學效率(Fv/FM)為0.812,隨著土壤含水量的降低Fv/FM分別降低了2.22%、8.62%、14.04%、17.73%和18.60%；葉片性能指數(PI)顯著降低,分別降低了23.41%、8.59%、29.48%、49.51%和59.20%。說明隨著干旱程度的加劇,檸條葉片性能指數降低,受到光抑制,對檸條生長造成脅迫。

4 討論

根據實驗結果,土壤水分狀況對檸條葉片葉綠素熒光特性產生明顯影響。特別是對于黃土高原半干旱區,土壤水分無疑是植物生長最重要的限制因素[16],井工開采礦區,地底煤炭開采一方面引起地表塌陷,在地表形成大量裂縫,增加了土壤水分的蒸發面,加速了土壤水的散失[17],距離蒸發面距離越近土壤水散失越快,同時采煤塌陷破壞了土體結構,不利于土壤水分保持,地表水流失進一步加重；另一方面,由于地下部分被抽空,潛水位埋深降低,影響地下水對地表水的補給[18],此外,根據王力等利用穩定同位素分餾原理,對神東礦區植物水分來源進行研究,結果表明該區域植物水分的主要來源是地下水和土壤水,而基本沒有直接利用湖水、水庫水以及夏季降水[19-20]。此外,在垂直于裂縫方向上,在0—300 cm范圍內,隨著與裂縫之間距離的增加土壤水分含量呈增大的趨勢,這與趙宏宇對神東礦區距塌陷裂縫不同距離土壤含水量變化的研究結果一致[21]。

土壤緊實度與入滲特性是土壤含水量的重要影響因素。本文對距離裂縫不同距離土壤緊實度與入滲特征差異進行統計(圖6)得到：距離裂縫越近,土壤緊實度越低,初始入滲速率與穩定入滲率越高。根據鄭秀清和樊貴盛[22]對土壤入滲能力與土壤含水量關系的研究,土壤入滲速率越快,持水能力越差。對于黃砂土而言,土壤緊實度越低,入滲速率越快。由此可知,受采煤塌陷影響,裂縫區土壤原始結果破壞,緊實度降低,入滲速率升高,導致土壤持水能力變差,這也是裂縫區土壤含水量降低的重要原因,而距離裂縫越近,這種影響越明顯。

圖6 距離裂縫不同距離土壤緊實度與入滲特征差異Fig.6 Differences of soil compaction and infiltration characteristics at different distances from cracks

根據Johnson[30]、Demmig等[31]的研究指出,正常情況下最大光化學效率(Fv/FM)暗適應后大于0.8,然而,當Fv/FM值均小于0.8,表明植物受到環境脅迫,導致光抑制。本研究中,當土壤含水量在15.07%時,Fv/FM為0.812,隨著土壤含水量的降低,Fv/FM依次降低且小于0.8。說明隨著干旱加重,檸條受到干旱脅迫導致光抑制。但是也有很多研究指出,Fv/FM并不能有效的監測評價植物受到的干旱脅迫情況[25,27]。PI是一種基于光能吸收的性能指標,能準確反映植物光合器官的整體狀況,Oukarroum等[27]認為PI對逆境脅迫的敏感程度遠高于Fv/FM。為此,本文對檸條葉片性能指數(PI)進行統計,葉片性能指數(PI)顯著降低,當土壤含水量為5.63%時降低了59.20%。說明隨著干旱程度的加劇,檸條葉片性能指數降低,受到光抑制,對檸條生長造成脅迫。以上分析得出：井工煤炭開采在地表形成大量裂縫,破壞了土體結構,導致裂縫區土壤含水量進一步降低,在此條件下,檸條生長受到干旱脅迫,影響光合作用的正常進行。在礦區植被保護過程中應該注意塌陷裂縫的修復,對塌陷裂縫進行填充以減少土壤水分的蒸發面,減少水分散失。 另外JIP-test技術能有效地識別采煤沉陷裂縫影響下土壤含水量變化對檸條葉片葉綠素熒光響應的影響,最大光化學效率(Fv/FM)與光能吸收的性能指標(PI)可以作為檸條葉片受到光抑制的有效指標。

5 結論

(1)通過對采煤塌陷裂縫一側土壤含水量進行監測得到：隨著與裂縫之間距離的增加土壤含水量呈增大的趨勢；通過采煤沉陷過程植物根系土壤剖面0—100 cm水分速測儀連續監測結果得到：采煤沉陷裂縫影響下土壤含水量均低于沉陷初期。土壤含水量的降低原因：煤炭井工開采在地表形成大量裂縫,增加了土壤水分的蒸發面,加速了土壤水的散失,隨著與裂縫之間距離的增加,土壤水分散失減少,土壤含水量升高；采煤塌陷破壞了土體結構,不利于土壤水分保持,地表水流失進一步加重；地下部分被抽空,潛水位埋深降低,影響地下水對地表水的補給。

(2)隨著距離塌陷裂縫越近,土壤含水量逐漸降低,檸條受到干旱脅迫,葉片O—J—I—P曲線變形為O—K—J—I—P曲線,干旱脅迫通過干擾檸條葉片PSII電子供體側、受體側以及電子傳遞鏈的功能,嚴重的損害了檸條葉片光合機構的正常功能。通過JIP-test技術能有效地識別采煤沉陷裂縫影響下土壤含水量變化對檸條葉片葉綠素熒光響應的影響,為該地區植被保護的理論依據。