黄土区采煤沉陷农田土壤养分的三维可视化

张亚丽，白文斌，焦晓燕，王立革，王劲松

（1.山西农业大学资源环境学院，山西太谷030801；2.山西省农业科学院高粱研究所，山西晋中030600；3.山西省农业科学院农业环境与资源研究所，山西省土壤环境与养分资源重点实验室，山西太原030006）

当前，煤炭和土地是人们赖以生存的两大资源。当开采煤炭资源为人们供给能源时，由于其多采用综合机械化长壁放顶煤开采方法，使采空区上覆岩层的原始应力平衡状态受到破坏，依次发生冒落、断裂、弯曲等移动变形，最终涉及地表，形成一个比采空区面积大得多的近似椭圆形的下沉盆地，农田受其影响所形成的下沉盆地称之为沉陷农田。沉陷区破坏农田的养分表现为空间变异度大，了解其空间变异是实施沉陷区农田精准农业的基础[1]。因而，明确采煤沉陷区农田土壤养分空间变异，对指导沉陷区农田在一定时期内进行科学种植布局具有重要意义，而如何快速、准确地表达沉陷区农田的养分空间变异是其重要环节。目前，Surfer软件已经应用于农田信息表达[2-3]、农田防护林网研究[4]、水下地形分析[5]、地质勘探布点分析[6]和河道演变分析[7]等领域，并取得了显著成效。

本研究利用Surfer软件的等值线功能和三维地形模块，简便、高效地实现以空间数据的形式表达采煤沉陷破坏后农田区域的养分空间变化格局，实现沉陷区农田土壤信息与地形信息的高效三维可视化表达。

1 研究区概况

1.1 位置及概况

研究区位于长治盆地东南部边缘长治县境内苏店镇郝店村，为黄土平原地貌，土层较厚。区内地势较为平坦开阔，地面坡度在3°～12°之间，海拔为940 m左右，北距长治市14 km，属暖温带大陆性季风气候，四季分明，日照充足，昼夜温差较小。该村有2 300多人口，农户576户，耕地面积125 hm2。2005年出现地表沉陷，该村原有耕地遭到一定程度破坏，形成4个沉陷盆地。

研究区域的地下煤田属潞安集团司马煤矿，该矿矿界西北以太焦铁路东侧保安煤柱与三元煤业公司煤矿相望，南与经坊煤矿为邻，东部为3号煤层露头线，西邻目前在建的高河井田。矿区内为平坦的盆谷平原地貌，村庄多、人口密集，各种道路四通八达，交通便利，即太焦铁路从矿区西部边缘通过，经坊煤矿铁路专用线和207国道从矿区内南北穿过，西部的长治—晋城高速公路已经通车，区内各乡村之间均有公路或大路相通。煤矿的采深区在200～280 m之间，煤层深度为7 m左右，年生产（设计）能力为300 万t。

1.2 地质构造

研究区域大地构造位置处于我国东部新华夏构造体系第三隆起带的中段，亦即太行山隆起褶带，该带系一西缓东陡的大型复背斜隆起，北段逐渐往NE弯曲，南段往SW及往西扭转，总体延伸方向为N 20°～30°E，它与其他隆起带和沉降带彼此平行，并呈雁行排列。

矿区位于晋（城）—获（鹿）褶断带南段的主要构造形迹长治大断裂的西侧，西临武乡—阳城坳褶带。区内构造受新华夏构造体系的控制，其构造形迹呈“多”字型排列规律，总体呈一走向NE、倾向NW、倾角4°左右的单斜构造，并伴有宽缓褶曲和少量断裂，区内无岩浆岩侵入。地表以第四系松散层覆盖较厚，无基岩出露。

1.3 土壤条件

矿区土壤母质为第四纪特殊沉积物，黄土母质，属红黄土类；土壤类型为石灰性褐土，pH值在7.8～8.5之间，有机质含量为1.52%左右，土壤养分除速效钾外，其他养分含量相对较低。土壤质地为中壤，熟化程度较高，可耕性好。耕层厚40 cm，最大冻土层深度100 cm，平均冻土深度80 cm，土壤容重1.42 g/cm3，田间持水量22%，土壤适宜的含水率上限为19.8%、下限为13.2。

2 研究材料和方法

2.1 采煤沉陷区农田测绘

于2007年8月选定一沉陷2 a的沉陷盆地（SM）作为研究对象，沉陷地形用全站仪（南方全站仪NTS662）进行测量，沉陷盆地面积6.25 hm2。沉陷前地表平整，以未沉陷地为参照（CK），按落差1 m设定等高线，分别命名为等1、等2、等3、等4、等5、等6、等7。沉陷盆地特征、不同落差等高线及采样点如图1所示。

2.2 沉陷区农田土样采集方式

在沉陷盆地的4个方向（N-S，E-W）的不同等高线上取样，各方向夹角为90°。每个采样点对0～20 cm和20～40 cm 2个土层分别进行取样，测定土壤有机质含量。土壤有机质测定采用重铬酸钾容量法-外加热法。

2.3 数据处理

数据统计分析和制图均采用Surfer软件。

3 结果与分析

3.1 沉陷区农田空间变异三维成像

将全站仪地形数据录入Surfer工作表中，建立X（沉陷盆地WN方向）、Y（沉陷盆地EN方向）和Z（沉陷深度）数据文件（其输出数据为dat格式），获得沉陷地形三维地形图（图2）。

3.2 沉陷区农田土壤养分信息的三维可视化分析（以有机质为例）

为了表达养分的空间变异，利用采样点信息dat文件（表1）生成grid文件，然后分别生成等值线图和张贴图，即养分的空间变异二维等值线图和采样点分布图，通过单击“地图”菜单，在下拉菜单下选择等值线图—新建等值线图，打开对话框，导入grid文件，点“确定”生成等值线图，同理生成地形的等值线图和采样点位置张贴图。而3个图是分开的，不能显著地表达地形等值线、采样点位置和养分的变异信息，为此，选用“覆盖地图”功能。

表1 采样点坐标数据文件的输入格式

运用“覆盖地图”功能前，用Ctrl键同时选中这3个图，单击“地图”菜单下的“覆盖地图”功能，实现三者的合三为一，然后，右击“地形等值线图”选择“属性”，设置“等级”选项卡下的“填充”都为无，单击“确定”。接着，右击“有机质养分等值线图”，选择“属性”，设置“等级”选项卡下的“线条”的式样为“invisible”，单击“确定”。最后，拖动调整3个图层的“覆盖次序”，从上到下为：采样点张贴图—地形等值线图—有机质养分等值线图，最终生成综合等值线覆盖图（图3）。

图3表明了有机质和等高线在整个沉陷区域内的空间变化趋势，即沉陷盆地的底部相对富集有机质，且不同方向上有机质养分的迁移程度不同，其中，东、南2个方向上的有机质养分变异程度大。其比以往的简单等值线图和统计分析图表达更明显，类似于三维空间的俯视图。

由于三维图形具有更加直观、准确地表达数据的特点，因此，将三维地形图和二维等值线图进行合成覆盖，形成三维地形覆盖图。在此制图过程中，坐标系必须一致，即X，Y轴的最大、最小限制范围一样。按住Ctrl键同时选中三维地形图和综合等值线覆盖图，单击“地图”菜单下的“覆盖地图”功能，从而生成3D效果图（图4），通过“地图”菜单下的“轨迹球”功能实现对3D对象的三维控制，从不同的角度对其进行观察。从图4可以清楚地看出，养分随地形变化而产生的空间变异规律。

4 结论与讨论

（1）应用Surfer软件在数据分析方面具有独特的优势，分步骤实现养分数据的三维可视化，并用土壤有机质数据进行了示例，实现以空间数据的形式表达采煤沉陷破坏后农田区域的养分空间变化格局，证明十分可行。

（2）为采煤沉陷区养分的变化规律和沉陷破坏机理研究找到了一个简便绘制等值线和三维图形的方法，能够更加直观、充分地表现空间数据特征，更加准确地掌握研究因子在整个区域内的空间异质性和整体特征，最终达到更加合理的分析结果。

总之，充分利用Surfer软件的操作简单性、功能强大性，发挥其在数据分析方面具有的独特优势，可实现以空间数据的形式表达采煤沉陷破坏后农田区域的养分空间变化格局，找到实现采煤沉陷区养分的变化规律和沉陷破坏机理研究的信息可视化方法。因此，可广泛应用于水土保持科学的数据三维可视化研究，尤其在表现养分等研究因子随地形发生的运移速度、因子的空间变化规律等方面具有独特的优势。

［1］刘鑫，韩鹏远，王立革，等.山西省采煤沉陷地土地破坏及复垦土壤培肥研究现状 [J].山西农业科学，2008，36（11）：97-99.

［2］张淑娟.基于GPS和GIS的精细农业田间信息采集和处理方法的研究[D].杭州：浙江大学，2003.

［3］白文斌，焦晓燕，王立革，等.利用3DSurfer实现田间土壤信息的三维可视化[J].山西农业科学，2008，36（3）：51-54.

［4］刘春利，邵明安.黄土高原坡地表层土壤饱和导水率和水分含量空间变异特征 [J].中国水土保持科学，2009，7（1）：13-18.

［5］苏繁星，关文彬，冶民生，等.Surfer软件在农田防护林网研究中的应用[J].中国水土保持科学，2006，4（4）：88-91.

［6］白世彪，王军见，闾国年.Surfer软件在水下地形三维可视化与分析中的应用[J].海洋测绘，2004，24（5）：51-53.

［7］潘屹峰.基于Surfer软件的三维勘探点布置图实现 [J].广东水利水电，2009（11）：8-10.

［8］雷雨，尹福国，周银军.Surfer在河道演变分析中的应用[J].人民黄河，2010，32（1）：24-25，28.