基于因子分析的不同采煤地表沉陷年限土壤质量评价

朱 莉，孙 超，杨春艳，王丹丹，丁丽丽

(西安科技大学地质与环境学院， 陕西 西安 710054)



基于因子分析的不同采煤地表沉陷年限土壤质量评价

朱 莉，孙 超，杨春艳，王丹丹，丁丽丽

(西安科技大学地质与环境学院， 陕西 西安 710054)

基于对风蚀水蚀交错地带的榆神府采煤矿区地表沉陷地表层土壤理化生指标的测量，选择18项反映土壤理化性质的定量指标，采用因子分析法对不同沉陷年限下的土壤质量进行综合评价。结果表明：18项土壤指标可转化为5个主因子：土壤水分因子、磷素因子、土壤速效养分因子、全钾因子和氮素因子；不同沉陷年限5个公因子差异明显：未沉陷地土壤养分因子和磷素因子指标较好，地表沉陷5 a土壤水分因子和氮素因子指标较好，而全钾因子在沉陷10 a呈现出较高水平；综合因子分析评价得出采煤地表沉陷1～2 a土壤质量较差，随着时间推移，经过土壤的自然演替土壤质量有转好的趋势，但土壤质量最好的仍为未沉陷地，说明榆神府采煤沉陷区地表土壤经过10 a自然演替土壤质量仍未恢复到未沉陷区状态。

榆神府矿区；采煤沉陷；土壤理化性质评价；因子分析

煤炭作为一次能源在我国社会经济发展中处于重要地位，但煤炭的大量开采给当地造成了严重的生态和社会问题[1]。因采煤引起土地资源的占用与破坏、水土流失、采空区地裂缝与地面沉陷等生态环境问题日趋严重[2]，其中，采煤沉陷对生态环境损害严重且影响范围广，已成为人们共同关注的焦点。

煤炭在井工开采完成后, 上覆岩层失去支撑而使其应力平衡状态被破坏, 导致地表沉陷的发生[3]。采煤沉陷首先会破坏建筑设施，造成人类生命及财产损失[4]；其次，采煤沉陷造成地表变形，阻断天然水系，改变地表径流和地下水循环[5]；采煤沉陷后，土壤理化性质发生变化，土壤肥力下降，影响植物生长，导致水土流失和土地沙漠化等现象的发生，严重影响生态环境的平衡与稳定[6]。

目前，国内众多学者对榆神府矿区采煤沉陷后植被群落特征和土壤理化生性质变化进行了大量的研究，但对采煤地表沉陷后土壤理化生性质随沉陷年限增加的定量评价研究较为薄弱。本文采取因子分析法，对不同沉陷年限土壤理化生性质进行系统分析研究，旨在准确评价不同沉陷年限对土壤理化生性质的影响，以期为矿区生态恢复与重建提供理论依据。

1 研究区概况

研究区位于陕西省榆林市神木县北部，属于黄土高原北部与毛乌素沙地东南边缘的过渡带，平均海拔为1 120～1 280 m；年平均降水量为415.0 mm，且降水多集中在 7～8 月的暴雨期；多年平均蒸发量为 1 788.4 mm，是降水量的4～5倍。研究区土壤以黄土、红土、风沙土为主，土壤贫瘠，水分流失快。植被带属于草原与森林草原的过渡带，主要植被类型有草原群落(本氏针茅Stipabungeana、百里香Thymus mongolicus等)、低矮灌木(中间锦鸡儿Caraganaintermedia、沙棘Hippophaerhamnoides等)、沙生植被(黑沙蒿Artemisia ordosica、沙柳Salix psammophila等)。

2 研究方法

2.1 样地选择

本文主要研究大柳塔矿区覆沙地。首先收集研究区内主要矿井资料确定采空区范围，野外通过GPS定点确定沉陷区边界或地裂缝分布地点，最后确定地表沉陷1 a、2 a、5 a和10 a工作面。每种沉陷年限选择7块下垫面状况(海拔、坡形等)比较相近的沉陷地作为研究样地，同时每块样地选择一块邻近下垫面状况一致且没有受到沉陷影响的坡地作为对照样地。由于土壤理化性质变化最强烈和植物根系吸收水分最活跃的部位主要集中在0～60 cm土层，因此每块样地随机选择5个点，根据不同土层深度(0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm、40～50 cm、50～60 cm)分别取样。

2.2 试验方法

在样地内每个取样点分别挖取一个面积约为1 m×1 m、深为1 m 的土壤剖面，依据不同的土壤深度用标准环刀(100 cm3)分层取样用于土壤容重的测定；用20 cm×10 cm铝制饭盒分层取原状土用于测定土壤机械组成；用水分钻分别取不同土层土样放入铝盒用于分析土壤水分含量；同时在土壤剖面分3个点分层取适量土壤样品，带回室内自然风干，进行土壤理化指标的测定与分析；用土壤硬度计在土壤剖面内分层直接测定各土层土壤硬度。

土壤理化生指标测定：土壤含水量采用烘干法；土壤孔隙度采用土壤密度换算法；土壤容重采用标准环刀法；有机质测定采用容量法；全氮测定采用开氏法；速效氮测定采用碱解扩散法；全磷测定采用酸溶-钼锑抗比色法；速效磷测定采用NaHCO3浸提-钼锑抗比色法；全钾测定采用HF消解-火焰光度计法；速效钾测定采用NH4COOH浸提-火焰光度计法；pH用电位测定法；土壤脲酶采用比色法；蔗糖酶采用 3，5-二硝基水杨酸比色法；细菌、放线菌、真菌采用平板菌落测定法[7]。

2.3 数据分析

论文所有数据采用SPSS20.0软件对数据进行统计检验，结果用平均值±标准偏差(SD)表示，用单因素方差分析(one-way ANOVA)和最小显著差异法(LSD)比较不同数据组间的差异，差异显著性水平设定为α=0.05；同时采用SPSS20.0和Excel软件对原始数据进行标准化，并对土壤研究指标进行因子分析和土壤质量评价。

3 结果与讨论

3.1 评价指标体系的建立

土壤质量评价指标以能较显著影响土壤生产力的土壤养分为主[8]。一般来说, 评价土壤质量需要土壤物理、化学和生物指标[9]，同时大量研究表明通过因子分析的数理统计方法能够客观准确地解释土壤属性的变异性，因此本研究基于土壤水分(X1)、孔隙度(X2)、容重(X3)、硬度(X4)、有机质(X5)、全氮(X6)、速效氮(X7)、全磷(X8)、速效磷(X9)、全钾(X10)、速效钾(X11)、pH(X12)、脲酶(X13)、磷酸酶(X14)、蔗糖酶(X15)、细菌(X16)、放线菌(X17)、真菌(X18)共18项土壤理化生指标的测量(表1)，运用因子分析法对榆神府矿区不同采煤沉陷年限土壤的理化生性质进行评价，探讨影响该区土壤质量的驱动因子。

表1 不同采煤沉陷年限土壤理化生指标分析结果

注：不同小写字母表示不同地表沉陷年限差异显著(0.05水平)。

3.2 不同采煤沉陷年限下土壤质量的分析比较

根据选取的18项土壤指标，基于因子分析方法进行不同采煤沉陷年限下土壤质量的驱动因子分析及土壤质量评价，主要步骤为：(1)将选取的指标变量建立原始数据矩阵；(2)原始数据矩阵的标准化；(3)依据特征值≥1的原则提取公因子，确定公因子数，并运用Varimax旋转法对初始因子进行旋转，以便给予明确的因子解释；(4)将公因子作为自变量进行回归分析，计算各处理的因子得分值，并以因子贡献率为权重计算每个处理土壤质量的综合得分及排名[10]。

3.2.1 不同采煤沉陷年限土壤质量的因子分析

因子分析首先是公因子的提取，公因子提取的原则为特征值累计贡献率≥80%以及结合旋转后因子载荷矩阵中变量不出现丢失的前m个主因子。结果表明，5个公因子对样本方差的贡献率为81.3%，即5个公因子包含了原始数据信息总量的81.3%，可以用这5个公因子代表原来的18个评价指标，这5个公因子特征值、贡献率、累计贡献率及通过方差最大化旋转后的因子载荷矩阵见表2。

表2 旋转成份矩阵

表2中旋转因子载荷矩阵显示, 第1个主因子上，具有高载荷因子的指标有土壤水分、孔隙度、容重、硬度、pH、磷酸酶、细菌、放线菌、真菌，反映了土壤保持水分能力的大小和生物活性情况。其中土壤水分含量是反映土壤质量的重要指标，对土壤物理、化学和生物性质有重要影响，且土壤水分对土壤生物活性具有决定性影响，因此第1主因子可称为土壤水分因子(F1)；第2个主因子上，高载荷因子有全磷、速效磷、蔗糖酶，其中全磷、速效磷反映了土壤中磷的储量，可见第2主因子可称为磷素因子(F2)；在因子3上，高载荷因子有有机质、速效氮、速效钾，速效氮、速效钾，都反映了土壤提供速效养分能力状况，因此第3主因子可称为土壤速效养分因子(F3)；全钾在第4因子上有较高的载荷，因此，将第4主因子命名为全钾因子(F4)；因子5上高载荷因子是全氮和脲酶，其都反映了土壤全氮养分贮存与转化能力大小，故第5主因子命名为氮素因子(F5)。

表3 因子得分系数矩阵

3.2.2 不同采煤沉陷年限土壤质量的得分及排名

用线性回归法计算各处理的因子得分，因子得分回归函数表达式为：

Fi=biX

(1)

式中：Fi是各公因子的得分、X是不同因子、bi是因子得分系数矩阵的第i列向量(见表 3)。

计算可得出不同采煤沉陷年限土壤质量综合得分(表4)，表明不同沉陷年限下土壤理化性质在各主分量上存在很大的差异。其中土壤水分因子(F1)中，沉陷1～2 a土壤水分因子损害较为严重，主要原因是采煤地表沉陷初期1～2 a，土壤原始结构遭到破坏而使土壤孔隙度增加，表层土壤水分蒸发迅速，同时引起的土壤含水量的降低影响了与水分关系较大的土壤酶和微生物活性；但由于研究区处于覆沙区地表裂隙弥合较快，土壤水分和通气性在采煤地表沉陷后5 a左右达到较优组合，水分决定的因子中某些土壤指标性质比未沉陷区有所改善，但随着沉陷年限的增加土壤孔隙度不断增加，土壤水分和通气性较优组合打破，土壤水分相关因子接近未沉陷区。磷素因子(F2)中，由于采煤沉陷易造成土壤中磷元素转化受阻，同时有效磷的流失率也增加，因此未沉陷地磷因子水平较高；土壤速效养分因子(F3)中，在沉陷初期由于地表裂缝土壤速效养分易垂直溶淋至较深的土层处，且沉陷初期土壤水分减小使得地区植被退化，地区风蚀作用加强而使土壤养分含量较为丰富的黏粒减小，土壤养分迅速降低，因此沉陷初期1～2 a土壤养分因子最差；而随着沉陷年限的增加，沉陷区土壤物理结构和地上植被不断正向演替，使得研究区土壤速效养分在沉陷后期得到一定程度的恢复，但经过10 a恢复土壤养分因子仍未恢复至未沉陷状态。全钾因子(F4)中，采煤塌陷使土壤孔隙度提高进而加强了土壤好氧微生物的活性，使得钾元素释放速率提高，因此地表沉陷5～10 a研究区钾元素含量较高。氮素因子(F5)中，由于采煤沉陷后土壤氮元素流失率增加，土壤氮元素迅速下降，但因地表沉陷后5 a左右土壤水分和通气性的较优组合，塌陷裂缝消失，土壤氮元素流失减弱，因此采煤地表沉陷后5年土壤氮可利用率最高。

把各公因子的特征值贡献率作为权数进行加权求和可得到综合评价指标值(表4)。

(2)

式中：Vi/p为 SPSS 软件中表“Total Variance Explained”下“Rotation Sums of SquaredLoadings(旋转后因子对 X 的方差) ”栏的“% of Variance”，Fi为各公因子的得分。

由表4可得出，土壤综合质量最高的是未沉陷区，未沉陷区土壤受破坏程度较小，土壤熟化程度较高且土壤中酶活性强、微生物的种类及数量多，使得未沉陷区土壤磷素因子和土壤速效养分因子含量较高，可为植物生长提供足够的养分，综合得出未发生采煤沉陷区土壤质量较好；采煤沉陷1～2 a时，原来稳定的性质受到破坏，土壤中水分因子受影响最为明显，并迅速降至最低，土壤中各类速效养分的供应也受到阻断，土壤质量较差；随着沉陷时间的增长覆沙区地表裂隙逐渐弥合，土壤的各项理化性质趋于稳定，最突出的表现是土壤中酶的活性增强，大量微生物开始活跃，有益于植物的生长及土质的改变，土壤质量有变好的趋势，同时由于土壤水分和通气性在采煤地表沉陷后5 a左右达到较优组合，一定时间内随时间的增长对沉陷地土壤质量改善有较明显的作用，但随着土壤水分和孔隙度较优组合的破坏，土壤各项指标变化幅度将减弱甚至后退，自然恢复10年亦未恢复到到未沉陷区的土壤各项指标的状态。

表4 各因子得分及不同采煤沉陷年限土壤质量综合得分

4 结语

通过对不同沉陷年限条件下的土壤理化生指标进行因子分析，可以客观、清晰、 准确地分析不同采煤沉陷年限下地表土壤质量状况。18项土壤研究指标可转化为5个主因子：土壤水分因子、磷素因子、土壤速效养分因子、全钾因子和氮素因子；未沉陷地土壤养分因子和磷素因子指标较好，地表沉陷5年土壤水分因子和氮素因子指标较好，而全钾因子在沉陷10 a呈现出较高水平；综合因子分析评价得出采煤沉陷1～2 a时，土壤原始结构遭到破坏，土壤中水分相关因子受影响最为明显，土壤酶活性和微生物数量降低，土壤质量较差。地表沉陷后5年由于土壤水分和通气性达到较优组合，一定时间内沉陷地土壤质量的改善作用较明显。但土壤综合质量最高的是未沉陷区，土壤的各项理化生性质较为稳定，土壤养分效应最为明显，为地上植被生长提供养分的能力充足。研究表明榆神府采煤沉陷区地表土壤随着时间推移进行土壤演替，土壤质量有转好的趋势，但经过10 a自然演替土壤各项指标仍未恢复到未沉陷区状态。

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Evaluation of Soil Quality in Different Years of Coal Mining Subsidence Based on Factor Analysis

ZHU Li，SUN Chao，YANG Chun-yan，WANG Dan-dan，DING Li-li

(College of Geology & Environment, Xi’an University of Science and Technology, Xi’an 710054, Shaanxi)

Based on the investigation of soil physical-chemical-biological properties on Yushenfu coal mining subsidence mining area which be in wind-water erosion crisscross region, 18 soil properties were used to evaluatesoil quality in different years of coal mining subsidence using factor analysis method. The results showed that 18 soil propertiescan be classified into 5 main factors, namely soil moisture factor, phosphorus factor, soil nutrient factor, total potassium, and nitrogen factor. These 5 factorstook significantly different in different years of coal mining subsidence: un-subsidencearea, 5 years subsidence area, and 10 years subsidence area displayed higher levels of soil phosphorus and nutrient factors, moisture and nitrogen factors, and total potassium than others plotsrespectively. Evaluationof comprehensive factor analysis showed that soil quality of 1～2 years subsidence area is the worst, then the soil quality (physical-chemical-biological properties) gradually improved through natural soil succession with increasing years of subsidence. The best quality, however, still appeared at un-subsidence area. These results reveal that soil quality of Yushenfu coal mining subsidence area has not been restored tooriginal levels after 10 years natural succession.

Yushenfu mining area；coal mining subsidence；evaluation of soil physical and chemical properties；factor analysis

2016-05-18

2015年国家级大学生创新创业训练计划(201510704194)

朱莉(1994-)，女，宁夏贺兰人，主攻方向：矿山环境修复。

TE122.2+3

A

1004-1184(2016)06-0157-04