煤矿开采地表沉陷区土壤养分流失与分布特征

严家平 陈孝杨 王长垒 徐良骥 于佳禾 李杰卫

摘 要：平原矿区的煤矿地下开采改变地貌景观，同时加剧矿区土地的水土流失，降低土壤质量。而开采方式不同对地表土壤养分流失的影响程度同样存在较大差异。本文选择皖北五沟煤矿的充填和非充填开采两种开采方式的地面沉陷区，进行了土壤环境调查，监测了开采过程中土壤有机质、铵态氮、有效磷和速效钾等土壤养分的含量，分析其运移变化特征。结果表明，采矿区地表沉陷虽然时间不长，但土壤中的有机质和主要营养元素的含量流失发生显著变化；充填与非充填两种不同开采方式均引起地表土壤养分流失，降低土壤质量。但是充填开采所造成沉陷区内土壤养分的流失程度明显小于非充填开采区，且因氮、磷的流失量明显快于速效钾而使得土壤整体表现为缺氮少磷；土壤养分的迁移与富集与土壤类型密切相关。无论是有机质，还是其他营养元素由表层的耕作土层往深部迁移并在硬砂姜土层富集。这一现象同时说明了地表径流造成土壤养分水平方向的迁移流失的同时，向深部土壤层的迁移现象。

关键词：平原矿区；开采沉陷区；土壤侵蚀；土壤养分迁移；五沟煤矿

中图分类号：X144 文献标志码：A

文章编号：1672-1098（2017）06-0041-05

Abstract：Mining activity will cause the surface subsidence to different degrees. Especially in the plain area， mining activities not only change- the landscape， but also cause the soil erosion of the mining area land， and reduce the soil quality. In this article， a coal mine in northern Anhui Province local production area the slope zone of the surface subsidence basin was selected as the research area. The distribution and content of organic matter， ammonium nitrogen， effective phosphorus， potassium in the soil was monitored for one year， once every three months， and then the collected data was analyzed - The results show that the mining surface subsidence， despite the fact that the short monitoring time was not so long-and the basin subsidence range was not big， the content of organic matter and the main nutrition elements in the soil still suffered marked- and rapid erosion and the soil quality was decreased in both filling mining area and nonfilling mining area. However， the loss of soil nutrient in filling mining area was smaller than that in non-filling mining area and lack of phosphorus and nitrogen was quite obvious； moreover， the transferring and gathering of nutrition elements were closing related to the types of soil； the organic matter as well as other nutrient element would transfer from the surface soil to the deep soil and gather in the hard sand level， which indicates that the direct surface runoff was the cause for soil nutrients loss at the vertical dimension but meanwhile the cause for the transferring in to the deep soil

Key words：plain mining area； mining subsidence area； soil erosion； soil nutrient losing； Wugou coal mine

平原地區的煤矿井工开采会造成矿区内大面积地面塌陷和生态环境的破坏。为降低因地下开采造成的地表环境的破坏程度，采矿工程技术人员采用了采空区充填开采、关键层注浆减沉等开采技术手段，从而有效降低了地表沉降幅度，减轻因开采造成地面环境的毁损[1-4]。

但是由于各种技术因素，地表总会有一定程度的沉陷或毁损。由于地面变形而形成不同的坡度和地表下沉过程中产生的拉张裂隙，在降雨和灌溉过程中的地表径流必然影响到沉陷区土壤结构的破坏和养分的迁移。土壤特性的空间变异和农田特征变异定量化研究一直是土壤环境研究的重要内容之一[5-7]。近些年来，由于我国高强度大面积的煤炭资源开发，对于采煤沉陷区的土壤环境问题成为新的研究热点，甚至包括土壤养分的空间和时间的变异规律等方面的研究[8-10]。王长垒等还研究了煤矸石充填开采沉陷区土壤养分的分布特征[11]。本文通过对皖北五沟煤矿某开采区充填与非充填开采方式的地面沉陷区坡地土壤养分迁移特征的监测，对比分析了两种不同开采方式的地面塌陷区土壤养分流失特征及其差异。

1 研究区概况

本研究区位于皖北五沟煤矿开采沉陷区。矿区地貌属于淮北平原，含煤地层上部第四系松散层较厚，地势平坦，地下潜水位较高。煤矿开采前，矿区土地耕作条件较好，农作物主要为冬小麦、玉米、大豆等。研究期间的观测点种植的作物为冬小麦。

区内土壤层在70cm以上可为三层，即表层耕作层、中间黑土层和下层硬砂姜层。其中耕作层厚度约20cm，质地为粘土。黑土层厚度约20～40cm，质地为黑棕色粘土。硬砂姜层剖面深度在40cm以下为硬砂姜层，质地为黄棕色壤粘土，砂姜大小形态不一。

区内煤层累计可采厚度较大，煤层的产状平缓，加之浅层地下水水位较高，煤层开采后在地表形成大面积沉陷水域，从而造成这一区域的耕地在采后失去了耕作条件。不仅如此，在塌陷斜坡地带，因为开采沉陷作用加剧了土壤水土流失。

由于该矿井的开采方法同时具有煤矸石充填开采和非充填开采两种方式，而充填开采的地表塌陷程度明显小于非充填开采。故本文选取充填开采和非充填开采的两种不同开采方式的工作面地表塌陷坡地土壤质量变化作对比研究。

2 材料与方法

2.1 采样点布置

充填开采沉陷区域自盆地中心分别沿开采工作面推进方向和横截工作面方向布设2个采样断面，采样断面L和采样断面W，分别在近坡顶、坡面中段、近坡脚处共设4个采样点，编号为L1、L2、L3、L4和W1、W2、W3、W4。同时在W断面坡顶开挖一个深度为70cm土壤剖面，剖面1。非充填开采沉陷区域布设一个采样断面F，方向平行于采样断面W， 分别在近坡顶、坡面中段、近坡脚处共设4个采样点，编号为F1、F2、F3、F4，同时在坡顶开挖深度70cm土壤剖面，剖面2。非沉陷区域沿平行于W断面方向布设一个采样断面D，每隔50m取一个采样点，共3个采样点，编号为D1、D2、D3。

2.2 采样方法

采集不同采样点表层0～10cm土壤混合样，在实验室风干后，过2mm细筛，进行土壤养分特征参数分析。

2.3 测定方法

有机质含量采用重铬酸钾氧化法测得，土壤速效钾采用乙酸铵提取-火焰光度法，有效磷采用碳酸氢铵浸提法，应用半微量凯式法测得铵态氮的含量[12]。

3 结果与分析

3.1 充填开采沉陷区土壤养分含量特征

充填开采沉陷区表土不同采样断面的有机质、铵态氮、有效磷和速效钾的含量变化在表1中，具有不同的变化特征。从变异系数看，有机质和速效钾变异系数相近，而有效磷与铵态氮在同一采样断面的含量波动幅度较大，其中铵态氮在同一采样断面的不同采样点之间的变异系数最大。在W断面和L 断面分别达到4863%和6382%。而有效磷在同一采样断面的不同采样点之间的变异系数相对较小，W断面为1532%，L 断面为852%。这说明充填开采同样引起的地表土壤环境的变化，直接影响到了营养元素在地表的再分配，或存在土壤营养元素流失的现象。

3.2 不同开采沉陷区表土养分空间分布特征

研究表明，与非充填开采沉陷区域（F断面）土壤营养元素含量对比，充填开采地表沉陷区域（W断面）的变化不大，甚至接近未沉陷区域（D断面）土壤营养元素的含量。在土壤有机质含量分布方面，虽然自近坡顶至坡脚有逐渐增加的趋势，但增长幅度不明显。近坡顶处采样点有机质含量小于1%，为0922%。对比三个采样断面地表土壤，充填开采沉陷区土壤有机质含量与未沉陷区域无显著差异性，而非充填开采沉陷區与充填开采沉陷区和未沉陷区土壤有机质含量空间分布均存在显著差异（见图1a）。

研究区表层土壤铵态氮的含量不高，铵态氮含量变化较明显（见图1b）。充填开采塌陷坡地自坡顶至坡脚土壤铵态氮的含量逐渐增加，养分流失迹象存在。三个采样断面表层土壤中铵态氮含量的大小顺序是D断面>W断面>F断面，也即未沉陷区域表土中铵态氮含量最高，其次是充填开采塌陷坡地表层土壤，再次是非充填开采塌陷坡地表层土壤。经统计分析和显著性检验，充填开采塌陷坡地表层土壤铵态氮含量与未沉陷区域表层土壤没有显著性差异，但非充填开采塌陷坡地表层土壤铵态氮含量与未沉陷区域表层土壤存在显著差异（见图1b）。

研究区域表层土壤中有效磷的含量较低，基本都在50mg/kg以内，且空间分布上也不存在明显的规律（见图1c）。对比未沉陷区、充填开采塌陷坡地、非充填开采塌陷坡地三个区域，表层土壤有效磷的平均含量分别为403mg/kg、43mg/kg和515mg/kg。由统计分析和显著性检验结果可知（见图2c），三种类型采样断面的土壤有效磷含量无显著差异。

充填开采塌陷坡地坡顶处的表层土壤速效钾含量相对于坡面其他采样点有降低的迹象，约为150mg/kg（见图1d）。这一点在非充填开采塌陷坡地表现的十分明显，近坡顶处表层土壤中速效钾的含量仅为84mg/kg，且沿坡面自坡顶至坡脚土壤中速效钾含量逐渐升高。通过三个采样断面间的对比分析（见图2d），表层土壤速效钾平均含量以未沉陷区域最高，充填开采和非充填开采塌陷坡地基本相当，与未沉陷区域表层土壤速效钾的含量均存在显著差异，钾的流失现象明显，但充填开采塌陷坡地要好于非充填开采塌陷坡地。

3.3 充填开采沉陷区土壤剖面养分分布特征

从充填开采和非充填开采沉陷区两个土壤剖面有机质含量结果分析可知（见图3），非充填开采沉陷区土壤随深度增加，有机质含量明显升高。表明土壤有机质含量有表层朝深部运移的趋势。而在充填开采沉陷区的这一趋势不够明显，表明充填开采活动对地表水土流失影响不大（见图3a）。在土壤铵态氮和有效磷含量变化方面，充填开采坡地随深度增加逐渐减少，但不够显著（见图3c）。而非充填开采塌陷坡地土壤耕作层的铵态氮含量与充填开采塌陷坡地相应位置土壤基本等量（见图3b），说明非充填开采塌陷坡地表层土壤铵态氮和有效磷由表层土壤往深部大量流失。

非充填开采沉陷区土壤的速效钾的含量同样随深度增加而升高，且升高幅度较大，与之相应位置的充填开采塌陷坡地土壤，速效钾含量虽有变化，但幅度不大（见图3d）。说明充填开采塌陷坡地土壤速效钾的保持能力要好于非充填开采。

4 结论

1）平原矿区的煤矿地下开采在地表变形的同时，沉陷区土壤养分随之流失，土壤质量快速下降。

2）充填与非充填两种不同开采方式均引起地表土壤养分流失，降低土壤质量。但是充填开采所造成沉陷区内土壤养分的流失程度明显小于非充填开采区。

3）土壤养分的迁移与富集与土壤类型密切相关。无论是有机质，还是其他营养元素由表层的耕作土层往深部迁移并在硬砂姜土层富集。这一现象同时说明了地表径流造成土壤养分水平方向的迁移流失的同时，向深部土壤层的迁移现象。

在平原矿区，由于开采沉陷作用，改变了地面坡降，增强了降雨对地表水平方向的侵蚀作用。这一因素成为采煤沉陷区土壤养分流失的重要原因。此外，由于地表沉陷过程中伴随着土体拉张作用产生的不同规模的裂隙，这将成为地下水运移的优先流路径[13]。正因为如此，表层土壤的营养元素随着降雨的入渗作用，同时还影响到土壤颗粒结构的变化[14]，从而加剧土壤环境的改变，降低表层土壤的质量。

采煤沉陷区土壤裂隙的形成不仅取决于土壤的理化性质，同时取决于地下开采地质条件和开采工艺。研究采煤沉陷区土壤条件与煤矿开采条件，采取有效的工程技术手段可以有效降低因开采造成的对地表土壤环境的毁损。

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（责任编辑：李 丽，范 君）