采煤塌陷对贵州百里杜鹃林区土壤水分－物理性质的影响

谢元贵，孙文博，潘高潮，彭 熙，王思锦

(1．贵州省喀斯特资源环境与发展研究中心，贵州贵阳550001;2．贵州省水土保持监测站，贵州贵阳550002;3．贵州大学林学院，贵州贵阳550025)

我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，其中大约4%是露天开采，96%是井下开采。井下开采形成的采空区易造成地面塌陷，目前造成的土地破坏面积已经超过400 万hm2，并且仍在以每年3．3 万～4．7 万hm2的速度增加［1－2］。地下采煤活动会使地表产生裂缝和沉降，引起土体结构变化，从而会对矿区的土壤水分变化产生一定的影响，对区域性的生态环境也将产生一定影响，国内外专家学者对此进行了相关研究［3－5］。贵州地处西部高原，山清水秀、气候宜人，地下煤炭资源也很丰富，尤其是二叠系上统龙潭组的煤，类型齐全，分布广泛，是该地区国民经济发展的基础和重要保障［6－7］。贵州百里杜鹃林区内出露的地层主要为二叠系上统龙潭组，是贵州省的主要产煤区之一。笔者在调查百里杜鹃林区采煤塌陷区域的基础上，对林区内现有采煤塌陷区与非塌陷区作了土壤水分－物理性质的对比分析研究，以期为百里杜鹃采煤塌陷区土地复垦、生态恢复提供理论依据。

1 研究区概况

贵州百里杜鹃林区位于贵州省西北部的大方、黔西两县交界处(105°45'20″—106°04'07″E，27°10'53″—27°20'00″N)，是一条举世罕见的原始杜鹃林带，呈环状分布。林区海拔1 300～1 800 m，长约50 km，宽1～5 km，总面积125．8 km2，是世界上种类分布最集中、面积最大的天然杜鹃花园［8］，被誉为“百里杜鹃”。1987年3月，贵州省人民政府将百里杜鹃林区列为省级风景名胜区，同时将其列为贵州省“十大风景名胜区”之一。1993年5月，原国家林业部批准建立百里杜鹃国家级森林公园。在这里，杜鹃花的覆盖度达到86．56%。这里分布的天然杜鹃花有20 多种颜色，观赏和研究价值极高，是我国高山杜鹃花引种研究的重要种质资源库［9］，杜鹃属植物的种类之多、面积之大、个体之集中国内绝无仅有，不仅是贵州杜鹃花的奇葩，也是中国杜鹃花的奇葩［10］。

2 试验材料与方法

(1)主要仪器。环刀(90～200 cm3)、粗天平、烘箱、铝盒、干燥器、盆或盘(高150 mm)、滤纸等。

(2)研究方法。①样点设定及土壤样品的采集。在充分调查百里景区采煤塌陷区的基础上，综合地质条件、坡向、海拔、坡度、植物种类和覆盖度等多种因素，选择典型矿区(金坡煤矿和化育煤矿)杜鹃林塌陷与未塌陷区作为对比样地。根据土壤发生层次按0—30 cm 和30—60 cm 进行土壤分层环刀取样。取土样时环刀垂直于地面入土，尽量保证环刀上表面与土壤表面相平，环刀下面多余部分用刀刮平，不可压入环刀内。将环刀取得的土样移入铝盒，放置时需将铝盒置于较大的塑料器皿中，以防土样洒出，若有洒出，洒出部分最后需全部倒入铝盒中，记录铝盒编号。②土壤样品的处理、测定。土壤样品的处理、测定参照《森林土壤水分－物理性质的测定》［11］。测定步骤:取原状土后，用水浸泡一定时间，使其达到水饱和，计算土壤不同持水性能下的持水量。用粗天平称环刀加湿土质量。将装有湿土的环刀揭去上、下底盖，仅留一垫有滤纸的带网眼的底盖，放人平底盆中，注入并保持盆中水层的高度至环刀上沿为止，使其吸水达12 h，此时环刀土壤中所有非毛管孔隙及毛管孔隙都充满了水分，盖上上、下底盖，水平取出，立即称量(A)。将称量(A)后的环刀，去掉底盖，放置在铺有干沙的平底盘中2 h，此时环刀中土壤的非毛管水分已全部流出，但环刀中土壤的毛细管仍充满水分，盖上底盖，立即称量(B)，即可计算出毛管持水量(g/kg 或mm)。再将称量(B)后的环刀，揭去上、下底盖，继续放置在铺有干沙的平底盘中，保持一定时间(4～5 d)，此时环刀中土壤的水分为毛管悬着水，盖上上、下底盖，立即称量(C)，即可算出最小持水量(田间持水量，g/kg)。将称量(C)后环刀中的土壤，取出其中有代表性的一部分土样(20 g)，放入铝盒中，测定水分换算系数(K)。用此系数将环刀中的湿土质量换算成烘干土质量，即可计算出土壤密度(g/cm3)。

3 试验结果与分析

3．1 采煤塌陷对土壤密度的影响

土壤密度是单位体积土壤的质量。根据表1，土壤密度变化范围在0．72～1．38 g/cm3之间，与未塌陷区相比，在矿区和土层相同的情况下塌陷区土壤密度均大于未塌陷区。从不同深度角度分析，土壤密度在0—60 cm 范围呈“上小下大”，即表土层密度一致偏小，而稍深层密度偏大;从垂直方向上来看，表层土和底层土的密度差异要稍显著一些。

3．2 采煤塌陷对土壤孔隙度的影响

土壤孔隙度即土壤孔隙占土壤总体积的百分比。土壤孔隙在土壤水分保持以及土壤对植物的供水中有非常重要的意义。毛管孔隙度和非毛管孔隙度综合反映了土壤透水持水能力和基本物理性能。由表2 知，塌陷区与未塌陷区相比较，非毛管孔隙度、毛管孔隙度和总孔隙度三者明显变小;从垂直方向上来看，表层土的非毛管孔隙、毛管孔隙与总孔隙度均大于底层土。

表1 采煤塌陷区与未塌陷区的土壤密度对比

表2 采煤塌陷区与未塌陷区的土壤孔隙度对比

3．3 采煤塌陷对土壤质量含水量的影响

土壤质量含水量能揭示土壤水分状态及其运动规律，可间接反映植物的水分供应状况。

由表3 知，采煤塌陷区的土壤质量含水量值明显比未塌陷区的数值小，且表层土的质量含水量比底层的大，采煤塌陷区表层和底层土壤质量含水量受塌陷的影响基本上是一致的，均呈下降趋势。

表3 采煤塌陷区与未塌陷区的土壤质量含水量对比

3．4 采煤塌陷对土壤毛管持水量的影响

毛管持水量是指当土壤毛管上升水达到最大量时的土壤含水量。由表4 可知，塌陷区的毛管持水量远小于未塌陷区，毛管持水量受采煤塌陷影响较大;底层土的毛管持水量也远小于表层土，这是因为表层土的腐殖质含量较高。

表4 采煤塌陷区与未塌陷区的土壤毛管持水量对比

3．5 采煤塌陷对土壤田间持水量的影响研究

田间持水量是土壤所能稳定保持的最高含水量，也是土壤中所能保持悬着水的最大量，是对植物有效的最高的土壤水含量。如表5 所示，塌陷区与未塌陷区的田间持水量差异明显，塌陷后土壤的田间持水量有减小的趋势，以表层尤为明显。

表5 采煤塌陷区与未塌陷区的土壤田间持水量对比

4 结 语

在对百里杜鹃风景名胜区综合踏查的基础上选取典型矿区，开展了采煤塌陷对百里杜鹃林区土壤水分-物理性质的对比研究。采煤塌陷后，百里杜鹃林区塌陷区土壤密度比未塌陷区有增大趋势，土壤质量含水量、毛管持水量、田间持水量均呈下降趋势，表层下降尤其明显。

采煤塌陷破坏了百里杜鹃林区的土壤结构，加速了土壤淋溶侵蚀。在后期采煤塌陷区土地复垦和生态重建时，应采取必要的工程措施以控制塌陷区的水土流失，如裂缝填埋、土地整理等;在树种选择上，应加大对百里杜鹃风景名胜区耐旱耐瘠薄适生树种的选择和抗性研究，同时要与百里杜鹃风景名胜区的旅游发展的大方向协调一致。在百里杜鹃风景名胜区内，协调好采矿业和旅游业的关系将是以后研究的重点。

［1］李新举，胡振琪，李晶，等．采煤塌陷地复垦土壤质量研究进展［J］．农业工程学报，2007，23(6):276－280．

［2］卞正富．国内外煤矿区土地复垦研究综述［J］．中国土地科学，2000，14(1):6－11．

［3］张发旺，侯新伟，韩占涛，等．采煤塌陷对土壤质量的影响效应及保护技术［J］．地理与地理信息科学，2003，19(3):67－70．

［4］王健，髙永，魏江生，等．采煤塌陷对风沙区土壤理化性质影响的研究［J］．水土保持学报，2006，20(5):53－55．

［5］Datta K K，Jong C．Adverse effect of water logging and soil salinity on crop and land productivity in northwest region of Haryana，India［J］．Agricultural Water Management，2002，57(3):223－238．

［6］郑建军．浅析贵州二叠系上统龙潭组27 号煤层的聚煤规律［J］．中国煤田地质，2007，19(6):11－13．

［7］赵霞．贵州省大型煤矿建设的可行性与必要性分析［J］．煤炭经济研究，2005(8):28－29．

［8］刘振业．贵州百里杜鹃林区科学考察集［R］．贵阳:贵州省科学技术协会，1985:6－7．

［9］李苇洁，聂忠兴，龙秀琴，等．百里杜鹃自然保护区雪凝灾情分析及重建思考［J］．林业科学，2008，44(11)，111－114．

［10］杨成华，李贵远，邓伦秀，等．贵州百里杜鹃保护区的杜鹃属植物种类及其观赏特性研究［J］．西部林业科学，2006，35(4)，14－18．

［11］LY/T 1215—1999，森林土壤水分－物理性质的测定［S］．