降雨条件下沉陷区土壤养分迁移响应

王曦+黄璨+章如芹+严家平+Meuser+Helmut+Makowsky+Lutz

摘要:为研究煤矿开采沉陷区域坡地土壤养分运移规律,采用室内降雨模拟方法,研究了降雨条件下沉陷区域坡地土壤养分随坡度变化的迁移规律、土壤养分含量的空间分布规律及随时间的变化规律。结果表明,降雨条件下,在一定沉陷坡度范围内,土壤养分含量随着坡度增加而减少。同一采样点不同深度,接近地表处的土壤养分含量随坡度的增加而大幅度减小,深层土壤的养分含量随坡度变化的幅度不大。坡度大于0°的坡面土壤养分含量从坡顶到坡底呈增加的趋势,接近地表处土壤养分含量从坡顶到坡底大幅度增加,深层土壤养分含量从坡顶到坡底缓慢增加。坡度大于0°的坡面在坡底附近区域出现了速效氮、速效钾、有机质的富集现象。接近地表处土壤速效氮、有机质含量随时间的增加而减少的趋势,速效磷含量随时间没有显著变化规律,接近地表处土壤速效钾含量随时间的增加而增加。

关键词:开采沉陷;降雨;坡地;土壤养分

中图分类号:S153.6文献标识码:A文章编号:0439-8114(2014)11-2520-06

Soil Nutrient Transport of Sloping Fields under Rainfall

WANG Xi1,HUANG Can1,ZHANG Ru-qin1,YAN Jia-ping1,MEUSER Helmut2,MAKOWSKY Lutz2

(1.Faculty of Earth and Environment,Anhui University of Science and Technology,Huainan 232001,Anhui,China;

2. Osnabrück University of Applied Sciences, Osnabrück 19 40,D–49009,Fachhochschule,Germany)

Abstract: Rainfall simulation experiment was made to study soil nutrient migration rule of slope in mining subsidence area. The changing rule of soil nutrient content under the influence of slope and spatio-temporal variation rules of soil nutrient were analyzed. The results showed that soil nutrient content was increased with the increase of slope in a certain slope range. Soil nutrient content of the soil near the surface were greatly reduced with the increase of the slope. Soil nutrient content of the soil in the deep changed slightly. When slope degree was more than 0°,soil nutrient content had a trend of increase from the top to the bottom of slope. Soil nutrient content of the soil near the surface changed greatly. Soil nutrient content of the soil in the deep changed slightly from the top to the bottom of slope. Available nitrogen, available potassium, organic matter were rich in the area near the bottom when the slope degree was more than 0°. Near the surface of earth, the content of soil organic matter and available nitrogen was decreased with the increase of time. Available p content didnt change significantly with time. The content of soil rapidly-available potassium was increased with the increase of time.

Key words: mining subsidence; rainfall; sloping fields; soil nutrient

基金项目:国家自然科学基金项目(42372369);安徽省国土资源科技项目;安徽省自然科学基金项目;教育部留学回国人员科研启动基金项目;安徽省博士后基金项目;淮北矿业集团公司2012年科技项目

煤炭资源的大规模开采和利用对我国经济的发展起到了巨大的推动作用,但因煤炭开采活动而引发的采煤区土地沉陷也给人类的生存环境产生一系列的消极影响,地面塌陷成为煤炭开采过程土地破坏的主要表现形式[1,2]。据测算,在我国每开采万吨煤炭至少有0.033 hm2土地塌陷,最多达到0.533 hm2,平均塌陷面积达0.200 hm2。以新中国成立以来煤炭产量376亿t计算,目前采煤塌陷引起土地破坏面积约75.2万hm2,并且每年以4.6万hm2的速度递增[3]。大面积的采煤沉陷导致矿区土壤结构发生变化,产生大量的坡地。坡地水土流失严重,导致矿区土壤养分大量流失、土地肥力降低,影响矿区土地生产力。

目前对矿区土壤养分变化规律的研究成果较多[4-8],主要集中于经过治理修复后的重构土壤养分含量变化的研究上,对未经治理修复的塌陷区域坡地土壤养分变化规律的研究较少。本研究采用人工降雨模拟试验的方法,对开采沉陷区坡地土壤养分流失过程进行研究,探究沉陷区耕地土壤养分在降雨条件下的时空变化规律,旨在为进一步研究适合矿区土地退化特点的生态恢复技术和沉陷区耕地合理施肥等工作提供理论依据。

1材料与方法

1.1区域概况

五沟煤矿位于安徽省淮北平原北部,地形比较单一,以平原为主,地势平坦。该地区属暖温带半湿润季风气候区,年平均降水量为934 mm,降雨集中在7-9月。该矿区属于人口密集、耕地面积大、土地利用率较高的农业耕作区。五沟煤矿隶属于安徽省皖北煤电集团有限责任公司,位于安徽省濉溪县境内,其中心距宿州市35 km,距淮北市50 km。该矿设计年生产能力6×105 t,服务年限52年。井田开采造成地表大面积沉陷,产生大量坡地,影响农作物产量[9]。

1.2供试土壤

2011年6月于淮北市五沟煤矿采煤沉陷区域采集10、25、40 cm深度处土壤样品作为供试土壤,土壤质地为黏壤土。剔除新鲜土样中的植物残体,取5 g土壤样品经风干、磨细、过0.25 mm筛后混合均匀,测定土壤养分含量背景值(表1);其余土样风干、磨细、过5 mm筛,作为降雨模拟试验的填装土壤。

1.3试验设计与分析方法

1.3.1试验设计试验在室内进行,试验装置由试验槽、不锈钢钢架、降雨器组成。试验槽由厚为1 cm的有机玻璃板制成,内部长85 cm,宽18 cm,高50 cm,实际填土体积85 cm×18 cm×45 cm。试验槽两侧设有取样孔,底部设置排水孔,具体设置见图1。

试验槽上方用不锈钢钢架支撑平行排列的PVC水管,水管距离实验槽上方70 cm,水管下方均匀扎有细孔,以保证降雨均匀,降雨投影面积为0.16 m2。水管两侧设置水表,以便测定降雨强度和降雨量。

1.3.2降雨模拟试验在试验槽内按1.3 g/cm3容重分层填装供试土壤,填土深度45 cm。垫起试验槽一端,用地质罗盘仪测定使其达到设计坡度,本试验设置0°、15°、30°、45°四个坡度。设定好坡度后打开降雨装置开始降雨,降雨强度为1.3 mm/min,连续降雨3 h后关闭该装置。

1.3.3采样分析方法降雨后每隔48 h进行一次采样,共采集4次土壤样品。依照与坡面垂直的方向设计剖面,进行土样采集。不同坡度的降雨试验中,第一个采样点距坡顶的垂直距离均为8.5 cm。自第一个采样点起,沿与坡面平行方向每隔17 cm设计一个采样点,共计5个采样点,依次记为点A、B、C、D、E。同时为了能反映降水的渗透、淋溶等作用对土壤养分流失的影响,在每个采样点距地表10、25、40 cm处,自上而下采集3个土样,共计采集土样240个。

试验测定项目有速效氮、速效磷、速效钾、有机质,分别采用碱解扩散法、碳酸氢钠浸提法、乙酸铵浸提法和重铬酸钾容量法测定[10,11]。试验数据采用SPSS数据分析软件进行处理。

2结果与分析

2.1坡度对土壤养分含量的影响

土壤养分主要通过径流和径流中携带的泥沙流失。其中水是土壤溶质的溶剂和载体,也是溶质随地表迁移的驱动者,它不仅使土壤溶质随径流水迁移,而且使溶质随侵蚀泥沙而迁移[12]。降雨过程中,随着土壤由湿润到水分饱和,入渗量逐渐减少,雨水对地表冲刷能力增强,表层径流量增大,侵蚀作用逐渐明显。坡地在雨水的冲刷下,表土极易流失,土壤侵蚀量较大,特别是在细颗粒的吸附作用下[13,14],流失土壤表面的养分物质成为养分流失的主体。

图2为降雨后48 h距地表10 cm处的土壤养分含量变化情况。土壤养分含量随坡度的增加而减少。该层土壤中速效氮、速效磷、速效钾、有机质含量随坡度的变化有较大不同。坡度由0°增加到15°,土壤速效氮、速效磷、速效钾、有机质含量减少幅度最小,坡度由15°增加到30°,土壤速效氮、速效磷、速效钾、有机质含量减少幅度居中,坡度由30°增加到45°,四种土壤养分含量减少幅度最大。说明在一定的坡度范围内,随着坡度的增加,土壤养分减少幅度会不断增大。

对土壤养分含量与坡度进行相关性分析可知,速效氮、速效磷、速效钾、有机质含量与坡度的决定系数分别为0.990 3、1.000 0、0.996 8、0.992 7,四种土壤养分含量与坡度相关显著,其回归方程如下:

=63.775e-0.465 1x,R2=0.990 3(x:坡度,y:速效氮含量)

=-0.35x2-10.79x+59.30,R2=1.000 0(x:坡度,y:速效磷含量)

=-0.625x2-50.325x+256.830,R2=0.996 8(x:坡度,y:速效钾含量)

=-8.980 9lnx+17.210 0,R2=0.992 7(x:坡度,y:有机质含量)

2.2土壤养分的空间分布状况

图3为降雨48 h后土壤养分含量分布情况。总的趋势是随着坡度的增加土壤养分含量减小,同一坡度下土壤层越深,土壤养分含量越高,例如速效氮在距坡顶8.5 cm处,四种坡度下,10 cm土壤层土壤样本速效氮含量分别为38.9、17.7、9.9、3.8 mg/kg,变异系数为87%;而40 cm土壤层土壤样本速效氮含量则分别为51.1、48.2、47.6、46.3 mg/kg,变异系数为4%。分析原因是伴随坡地土壤侵蚀过程的发生,泥沙与径流水是养分流失的主要载体和途径。土壤侵蚀过程主要发生在地表,对深层土壤的影响不大[15],因此地表土壤养分含量随坡度的增加大幅度减小,深层土壤养分含量受坡度变化的影响并不显著。

坡面土壤养分迁移方式可分为两种,一是易溶于水的土壤养分沿垂直方向随水分入渗至深层土壤中,部分随径流沿坡面向坡底迁移;二是不易溶于水并吸附在土壤颗粒表面的土壤养分在径流的作用下向坡底迁移,而泥沙中含有颗粒细小、比表面积大的黏粒,能够吸附大量的土壤养分[16]。由图3可知,四种不同坡度条件下,各养分在坡底附近的含量均高于坡顶附近含量,如15°坡面10 cm土壤层采样点E处土壤速效氮含量36.9 mg/kg,高于0°坡度相应位置处(可以类比坡顶)土壤速效氮含量。说明两种迁移方式均可导致土壤养分在坡底附近富集。

2.3土壤养分随时间的变化规律

由图4可知,四种坡面土壤养分含量随时间变化规律基本一致,四种坡面10 cm土壤层的土壤速效氮和有机质含量随时间的变化呈减少的趋势,25、40 cm土壤层上述两种土壤养分则没有明显变化。分析原因是部分速效氮挥发至空气中[17],导致表层土壤速效氮含量随时间的增加呈减少的趋势;随着时间推移,有机质中部分物质分解[18],导致表层土壤有机质含量随时间的变化而减少。建议在农业生产中及时补充氮肥和有机肥,以保证农作物的正常生长发育。各坡面各土层速效磷含量无明显变化。四种坡面10 cm土层的土壤速效钾含量随时间的变化呈增加的趋势,中土层和底土层有缓慢减少的趋势。其原因是速效钾易溶于水[19],其迁移方式受水分运动的影响较大,下层土壤速效钾在毛管水的作用下向地表迁移,导致10 cm土层的土壤速效钾含量随时间的变化呈增加的趋势,而25、40 cm土壤层的土壤速效钾含量随时间的变化呈减少的趋势。

3结论

1)降雨条件下,在一定的沉陷区坡度范围内,土壤养分随着坡度增大而减少。距地表10 cm土层的土壤养分含量总体上随坡度的增加而大幅度减小,而深层土壤养分含量随坡度变化较小。

2)不同土壤层的土壤养分含量从沉陷区坡顶到坡底的变化幅度不同:接近地表处,土壤养分含量从坡顶到坡底增加幅度大,而深层土壤养分含量从坡顶到坡底增加缓慢。

3)坡度大于0°的坡面土壤养分含量从坡顶到坡底呈增加的趋势,其坡底附近区域出现了各土壤养分的富集现象。接近地表处土壤速效氮、有机质含量随时间的变化呈现减少的趋势,速效磷含量随时间的推移没有明显变化,接近地表处土壤速效钾含量随时间的变化而增加。

参考文献:

[1] 芮素生.煤炭工业的持续发展与环境[M].北京:煤炭工业出版社,1994.

[2] JIANG J, CHENG J G. Establish of target system for resource exploitation and ecologicalprotection in coal mine[J].Coal Mine Environmental Protection,2002,16(2):16-18.

[3] 胡振琪,魏忠义,秦萍.矿山复垦土壤重构的概念与方法[J].土壤,2005,37(1):8-12.

[4] 范英宏,陆兆华,程建.中国煤矿区主要生态环境问题及生态重建技术[J].生态学报,2003,23(10):2144-2152.

[5] 黄铭洪,骆永明.矿区土地修复与生态恢复[J].土壤学报,2003,40(2):161-169.

[6] 姚国征.采煤塌陷对生态环境的影响及恢复研究[D].北京:北京林业大学,2012.

[7] 苏晓珍,孙世群.淮北某采煤塌陷复垦区土质分析与复垦适宜性评价[J].环境科学与管理,2011,36(2):133-137.

[8] 李娟,龙健.矿区土地修复与生态农业可持续发展对策[J].农业现代化研究,2004,25 (2): 90-93.

[9] 吴新恒,刘春红,方军,等.五沟矿区土地复垦及生态恢复措施探讨[J].矿山测量,2008(4):76-79.

[10] 赵义涛,姜佰文,梁运江.土壤肥料学[M].北京:化学工业出版社,2009.

[11] SCHL?魻MER D, NIX K. Wheat yield, plant nutrients and physical properties of soil deposits on fly ash and coal gangue used for land reclamation in the coal mining area of Huainan,China[D].安徽淮南:安徽理工大学, 2011.

[12] 王辉,王全九,邵明安.人工降雨条件下黄土坡面养分随径流迁移试验[J].农业工程学报,2006,22(6):39-44.

[13] 王全九,王力,李世清.坡地土壤养分迁移与流失影响因素研究进展[J].西北农林科技大学学报(自然科学版),2007,35(12):109-114.

[14] 李勇,王超,汤红亮.小流域坡地表土层营养物质输运规律研究进展[J].河海大学学报(自然科学版),2004,32(6):627-631.

[15] 潘成忠,上官周平. 黄土半干旱区坡地土壤水分、养分及生产力空间变异[J].应用生态学报,2004,15(11):2061-2066.

[16] 李俊波,华珞,冯琰,等.坡地土壤养分流失研究概况[J].土壤通报,2005,36(5):753-759.

[17] 崔远来,李远华,吕国安.不同水肥条件下水稻氮素运移与转化规律研究[J].水科学进展,2004,15(3):280-285.

[18] 张鼎华,翟明普,贾黎明. 沙地土壤有机质与土壤水动力学参数的关系[J].中国生态农业学报,2003,11(1):74-77.

[19] 彭浩,张兴昌,邵明安.黄土区土壤钾素径流流失规律研究[J].水土保持学报,2002,16(1):47-49.

[4] 范英宏,陆兆华,程建.中国煤矿区主要生态环境问题及生态重建技术[J].生态学报,2003,23(10):2144-2152.

[5] 黄铭洪,骆永明.矿区土地修复与生态恢复[J].土壤学报,2003,40(2):161-169.

[6] 姚国征.采煤塌陷对生态环境的影响及恢复研究[D].北京:北京林业大学,2012.

[7] 苏晓珍,孙世群.淮北某采煤塌陷复垦区土质分析与复垦适宜性评价[J].环境科学与管理,2011,36(2):133-137.

[8] 李娟,龙健.矿区土地修复与生态农业可持续发展对策[J].农业现代化研究,2004,25 (2): 90-93.

[9] 吴新恒,刘春红,方军,等.五沟矿区土地复垦及生态恢复措施探讨[J].矿山测量,2008(4):76-79.

[10] 赵义涛,姜佰文,梁运江.土壤肥料学[M].北京:化学工业出版社,2009.

[11] SCHL?魻MER D, NIX K. Wheat yield, plant nutrients and physical properties of soil deposits on fly ash and coal gangue used for land reclamation in the coal mining area of Huainan,China[D].安徽淮南:安徽理工大学, 2011.

[12] 王辉,王全九,邵明安.人工降雨条件下黄土坡面养分随径流迁移试验[J].农业工程学报,2006,22(6):39-44.

[13] 王全九,王力,李世清.坡地土壤养分迁移与流失影响因素研究进展[J].西北农林科技大学学报(自然科学版),2007,35(12):109-114.

[14] 李勇,王超,汤红亮.小流域坡地表土层营养物质输运规律研究进展[J].河海大学学报(自然科学版),2004,32(6):627-631.

[15] 潘成忠,上官周平. 黄土半干旱区坡地土壤水分、养分及生产力空间变异[J].应用生态学报,2004,15(11):2061-2066.

[16] 李俊波,华珞,冯琰,等.坡地土壤养分流失研究概况[J].土壤通报,2005,36(5):753-759.

[17] 崔远来,李远华,吕国安.不同水肥条件下水稻氮素运移与转化规律研究[J].水科学进展,2004,15(3):280-285.

[18] 张鼎华,翟明普,贾黎明. 沙地土壤有机质与土壤水动力学参数的关系[J].中国生态农业学报,2003,11(1):74-77.

[19] 彭浩,张兴昌,邵明安.黄土区土壤钾素径流流失规律研究[J].水土保持学报,2002,16(1):47-49.

[4] 范英宏,陆兆华,程建.中国煤矿区主要生态环境问题及生态重建技术[J].生态学报,2003,23(10):2144-2152.

[5] 黄铭洪,骆永明.矿区土地修复与生态恢复[J].土壤学报,2003,40(2):161-169.

[6] 姚国征.采煤塌陷对生态环境的影响及恢复研究[D].北京:北京林业大学,2012.

[7] 苏晓珍,孙世群.淮北某采煤塌陷复垦区土质分析与复垦适宜性评价[J].环境科学与管理,2011,36(2):133-137.

[8] 李娟,龙健.矿区土地修复与生态农业可持续发展对策[J].农业现代化研究,2004,25 (2): 90-93.

[9] 吴新恒,刘春红,方军,等.五沟矿区土地复垦及生态恢复措施探讨[J].矿山测量,2008(4):76-79.

[10] 赵义涛,姜佰文,梁运江.土壤肥料学[M].北京:化学工业出版社,2009.

[11] SCHL?魻MER D, NIX K. Wheat yield, plant nutrients and physical properties of soil deposits on fly ash and coal gangue used for land reclamation in the coal mining area of Huainan,China[D].安徽淮南:安徽理工大学, 2011.

[12] 王辉,王全九,邵明安.人工降雨条件下黄土坡面养分随径流迁移试验[J].农业工程学报,2006,22(6):39-44.

[13] 王全九,王力,李世清.坡地土壤养分迁移与流失影响因素研究进展[J].西北农林科技大学学报(自然科学版),2007,35(12):109-114.

[14] 李勇,王超,汤红亮.小流域坡地表土层营养物质输运规律研究进展[J].河海大学学报(自然科学版),2004,32(6):627-631.

[15] 潘成忠,上官周平. 黄土半干旱区坡地土壤水分、养分及生产力空间变异[J].应用生态学报,2004,15(11):2061-2066.

[16] 李俊波,华珞,冯琰,等.坡地土壤养分流失研究概况[J].土壤通报,2005,36(5):753-759.

[17] 崔远来,李远华,吕国安.不同水肥条件下水稻氮素运移与转化规律研究[J].水科学进展,2004,15(3):280-285.

[18] 张鼎华,翟明普,贾黎明. 沙地土壤有机质与土壤水动力学参数的关系[J].中国生态农业学报,2003,11(1):74-77.

[19] 彭浩,张兴昌,邵明安.黄土区土壤钾素径流流失规律研究[J].水土保持学报,2002,16(1):47-49.