采煤沉陷裂缝区土壤含水量变化对柠条叶片叶绿素荧光的响应

刘 英,雷少刚,宫传刚,卞正富

中国矿业大学环境与测绘学院,徐州 221116

煤炭是我国重要的能源来源,在一次性能源消费结构中所占比例一直是70%左右[1]。煤炭的井工开采导致了矿区大面积塌陷下沉[2],对生态环境造成严重破坏。近年来,煤炭开采的重心西移,使得处于半干旱矿区本就脆弱的生态环境日趋恶化[3]。土壤含水量的变化直接影响植物叶片的光合作用,土壤水分胁迫导致植物光合速率的变化,进而影响植物的生物量和生产力。而采煤塌陷对表土含水量有重要影响,一方面,煤炭高强度开采在地表形成地裂缝,增加了土壤蒸发面,同时采煤塌陷破坏了土体结构,不利于土壤水分保持,地表水流失进一步加重；另一方面,由于地下部分被抽空,潜水位埋深降低,影响地下水对地表水的补给,最终导致裂缝区土壤水含量要明显低于非裂缝区。

近年来,采煤塌陷对植被的影响引起不少学者的广泛关注。有研究指出煤炭高强度开采破坏了植物生长的立地条件,对地表植被产生了极大的负面影响,导致植被覆盖度[4]降低,生物多样性[5]与生物量[6]减少等。实际上采煤塌陷区植被退化的重要原因在于塌陷破坏植物生长的立地条件,影响植物光合生理活动,进而影响植物的生长,但是对微观尺度上开采沉陷对植物个体生长的影响程度及机理研究较少。此外,植物对采煤塌陷扰动的响应反映在从微观到宏观的不同尺度、不同层次上,植物个体叶片叶绿素荧光变化反映了宏观响应所隐含的微观生物学机制。而快速叶绿素荧光诱导动力学曲线(OJIP曲线)被称为植物受胁迫状态的有效探针,能够快速获取光系统II光化学活性和电子传递的信息[7-8]。目前,快速叶绿素荧光诱导动力学曲线分析技术(JIP-test)已经成为研究逆境胁迫对植物光合机构影响的有力工具[9]。例如,Rudzani等利用该技术对干旱胁迫对干豆产量的影响进行了研究[10]。Alexander等利用叶片叶绿素荧光参数对草本和木本植物受到的温度胁迫情况进行了评价[11]。Cambridge[12]、Guirao[13-14]和Koch[15]等通过叶绿素荧光技术分析了高盐度对植物生长以及光合特性的影响。

基于此,本文通过对矿区内采煤塌陷地进行植物调查研究,选择矿区典型生态修复植物柠条(Caraganakorshinskii)为研究对象,根据塌陷裂缝区土壤含水量的差异以及柠条叶片叶绿素荧光变化特征,探知采煤沉陷影响下土壤含水量变化对柠条叶片叶绿素荧光响应影响,为该地区生态治理提供植被保护的理论依据。

1 研究区概况

本文选取大柳塔矿区52302工作面为研究区域,地理坐标为110°05′00″—110°20′00″ E,39°27′00″—39°15′00″ N。该区地处晋、陕、蒙三省接壤处,位于黄土高原丘陵区和毛乌素沙地过渡地带(图1)。气候干燥少雨,年平均降雨量413.5 mm,集中在夏季,年平均蒸发量2111.2 mm,属于典型的干旱、半干旱的高原大陆性气候。年平均日照2875.9 h,多年平均气温7.3℃,年极端最高气温38.9℃,年极端最低气温-28.1℃,年平均湿度56%,年平均风速2.3 m/s,最大风速28.0 m/s。研究区域植被类型主要有干旱草原型、落叶阔叶灌木丛型和沙生类型,以油蒿(Artemisiaordosica)、柠条(Caraganakorshinski)、小叶杨(PopulussimoniiCarr)为主要代表。近年来,矿区大规模的煤炭开采对地表环境造成了明显的影响,如：地表塌陷产生地裂缝群、水土流失、耕地退化、生产力降低等,而这些采煤活动势必会直接或者间接的对矿区地表植物的生长造成影响。

图1 研究区域位置图Fig.1 The locations of the study region

2 材料与方法

2.1 地面沉降信息调查

根据开采沉陷水平移动与变形理论,局部矿体被采出后,在岩体内部形成一个空洞,其周围原有应力平衡状态受到破坏,引起应力的重新分布,直至达到新的平衡。随着采矿工作面的不断推进,收采动影响的岩层范围不断扩大,当开采范围足够大时,岩层移动发展到地表,在地表形成一个比采空区大得多的下沉盆地。52302工作面(4484 m×300 m)地面高程1162.4—1255.3 m,标高985.13—1020.99 m,最大裂缝宽度42 cm,最大下沉值2833 mm,表土平均厚度30 m,水平移动系数0.26,沉降系数0.76,开采速率12 m/d,煤层开采厚度7 m。通过对走向观测站的监测结果来判定测点位置的地表沉陷情况,对于观测站的监测结果如图2所示,测点位置在3月26号之前就已经受到开采影响而开始下沉,4月5号还未达到最大下沉值,之后处于下沉活跃期,到4月26号已经处于相对稳沉状态。

图2 开采沉陷的水平移动与变形理论与走向观测站沉降量监测结果Fig.2 The horizontal movement and deformation theory of mining subsidence and the subsidence result of monitoring station

2.2 样地与植物选择

以大柳塔矿区52302工作面为研究区,选择3条宽度在39—42 cm的裂缝,3个裂缝区地貌植被基本一致,海拔在1256.32—1254.52 m,坡向为东南坡,坡度1°—3°。柠条是大柳塔矿区主要的生态修复植物物种,研究其在煤炭开采条件下气孔导度与环境因子的响应特征具有重要意义；通过现场调查发现,柠条在采煤塌陷区具有明显的数量优势,种群密度较其他植物大且在硬梁地和风沙区皆有分布,因此本文选取柠条作为研究对象。通过对所选植物根部土壤进行取样,测得样地土壤养分含量以及颗粒组成信息(表1)。

表1 样地土壤养分含量以及颗粒组成信息(n=9)

2.3 数据采集

2015年6月中旬,在每条裂缝的一侧沿垂直于裂缝的方向按距离裂缝0、30、60、100、150、300 cm选取树龄5—6年、株高1 m左右的柠条6株(图1b),沿植株顶部向下0—30 cm处的成熟叶片进行叶绿素荧光诱导曲线测定,每株柠条做3个重复,结果取平均。利用OSP330+便携式叶绿素荧光仪测定选定的植物叶片的快速叶绿素荧光诱导动力学曲线,并进行JIP-test分析,计算光系统II(PSII)反应中心参数。测定时间为上午9:00—11:00,测定前先将标记的叶片用叶夹暗适应20 min,然后将分析探头置于叶夹上的测试孔,确保探头与暗适应夹紧密接触,无光线进入,按紧探头与叶夹,打开叶夹遮光板后,在10-6—1 s之间的高分辨率间隔荧光信号,仪器自动进行测定并记录保存,测定时叶面温度19.8—25.4℃,周围环境温度18.9—25.6℃,实验期间无降雨。根据苏晓琼等[8]的方法计算相对可变荧光：Vt=(Ft-Fo)/(Fm-Fo),ΔVt=Vt处理-Vt对照；ΔK—band、ΔJ—band和ΔI—band分别为0.0003 s、0.002 s、0.03 s处测定的ΔVt。

在测取叶片叶绿素荧光诱导曲线后,采集选定柠条叶片存放在已知质量的铝盒中,用保鲜膜密封迅速带回实验室,采用烘干法获取植物叶片相对含水量。利用ML3X土壤水分速测仪(Delta-T Inc., UK)同步测定距离裂缝0、30、60、100、150、300 cm表层土壤0—30 cm体积含水量,土壤水分速测仪在测定前用烘干法标定,测定时间为9:00—11:00。利用英国PR2(Profile Probe type PR2)土壤剖面水分速测仪对植物根系土壤含水量进行连续监测,每30分钟监测一次,可以分别监测到10、20、30、40、60、100 cm处土壤体积含水量的变化；监测时间区间为4月7号到6月3号,即监测点受地下开采影响前至沉陷相对稳定后一段时间,获得了监测点在受到地下开采影响前后0—100 cm不同深度土壤含水量的数据。

2.4 数据处理

采用Excel 2010对数据进行统计；采用Origin 9.1软件进行数据整理和制图。

3 实验结果

3.1 采煤塌陷裂缝区土壤含水量与柠条叶片相对含水量的变化特征

通过对裂缝一侧距离裂缝0—300 cm的表层0—30 cm土壤体积含水量进行统计得到(表2)：塌陷裂缝区土壤体积含水量整体较低,平均值仅为10.78%,最大值15.40%,最小值5.40%。距离塌陷裂缝0 cm处土壤体积含水量最低,平均值为5.63%,最大值6.00%,最小值5.40。距离塌陷裂缝300 cm处土壤体积含水量最大,平均值为15.07%,最大值15.40%,最小值14.60%。在0—300 cm范围内,随着距裂缝距离的增加,土壤体积含水量呈增加的趋势,在距裂缝0—150 cm范围内,土壤体积含水量增加幅度相对较大,在距裂缝150—300 cm范围时,土壤体积含水量有小幅上升。从图3土壤剖面水分速测仪对植物根系(距离裂缝60 cm)土壤含水量进行连续监测结果可以看出,除表层0—10 cm土壤含水量低于塌陷稳定期外,其他土壤层采煤沉陷后含水量均低于沉陷初期,在此期间,4月25日和5月9日降雨量分别为13.8 mm和12.0 mm,土壤含水量有小幅升高,但是从整体来看,受采煤塌陷影响土壤含水量呈降低趋势。通过叶片相对含水量统计结果得到：裂缝一侧距离裂缝0—300 cm柠条叶片相对含水量在39.76%—61.40%。距离塌陷裂缝0 cm处叶片相对含水量最低,平均值43.02%,最大值,46.72%,最小值39.76%。距离塌陷裂缝300 cm处叶片相对含水量最高,最大值61.40%,平均值53.30%。在0—300 cm范围内,柠条叶片相对含水量随着距裂缝距离的增加而增加。

表2 距离裂缝0—300 cm的表层0—30 cm土壤体积含水量与叶片相对含水量统计(n=9)

Table 2 The Changes in the volumetric water content of 0—30 cm in topsoil and Leaf relative water content with different distance from cracks(n=9)

距裂缝距离Distance from the crack/cm土壤体积含水量Soil volumetric water content/%叶片相对含水量Leaf relative water content/%最小值Min最大值Max平均值Ave.标准差SD最小值Min最大值Max平均值Ave.标准差SD05.40 6.005.630.3239.7646.7243.021.78307.90 8.308.100.2041.7748.4045.031.93609.70 10.109.900.2042.8349.8645.891.9310011.40 12.5011.830.5943.7051.9546.952.0415013.8014.5014.170.3545.5054.2048.601.6030014.6015.4015.070.4247.7061.4053.301.80

图3 采煤塌陷过程土壤含水量的变化 Fig.3 Changes of water content in different soil layers during coal mining subsidence

3.2 裂缝导致土壤含水量变化对植物叶片快速叶绿素荧光诱导动力学曲线的影响

快速叶绿素荧光诱导动力学曲线(O—J—I—P曲线)能够提供关于PSⅡ的光化学信息,准确地反映光反应中PSⅡ供体侧、受体侧及PSⅡ反应中心电子氧化还原状态。通过对裂缝一侧不同土壤体积含水量处柠条叶片进行检测,得到快速叶绿素荧光诱导动力学曲线与差异曲线(图4)。从图4可以看出,随着土壤含水量的降低叶绿素荧光诱导动力学曲线发生明显变形,土壤体积含水量越低,曲线变形幅度越大。与15.07%土壤体积含水量下叶绿素荧光诱导动力学曲线对比,其他曲线K—J—I段相对荧光值有不同程度的升高,当土壤体积含水量在9.90%时,O—J—I—P曲线变形为O—K—J—I—P曲线,即在曲线中开始出现拐点K(300 μs)。当土壤体积含水量在5.63%时,O—J—I—P曲线变形幅度最大。以15.07%土壤体积含水量为标准,对其他土壤水条件下叶绿素荧光诱导动力学曲线进行标准化并计算各曲线的差异值,得到叶绿素荧光诱导动力学差异曲线(图4)。随着土壤含水量的降低,ΔK、ΔJ、ΔI值依次升高,当土壤体积含水量为8.10%和5.63%时,ΔK、ΔJ、ΔI值均发生了较大幅度的升高。这可能与土壤干旱胁迫加剧,柠条叶片光合机构破坏与电子传递受抑制有关。

图4 土壤水分的变化对柠条叶片叶绿素荧光诱导动力学曲线的影响Fig.4 The effect of soil moisture changes on the chlorophyll fluorescence induced kinetic curve of C. korshinski leaves快速叶绿素荧光诱导动力学曲线又称O—J—I—P曲线；O、K、J、I、P分别表示在0.00002、0.0003、0.002、0.03、0.3s处叶绿素荧光值；ΔO、ΔK、ΔJ、ΔI、ΔP分别表示在0.00002、0.0003、0.002、0.03、0.3 s处叶绿素荧光差异值

3.3 裂缝导致土壤含水量变化对植物叶片JIP-test参数的变化

本文对土壤含水量在5.63%、8.10%、9.90%、11.83%、14.17%、15.07%等情况下的JIP-test参数进行统计(图5),可以得到：

图5 不同水分条件下柠条叶片JIP-test参数的变化Fig.5 Changes in JIP-test parameters of C. korshinskii leaves under different water conditionsETO/RC: 电子传递的能量; TRO/RC: 捕获的光能; DIO/CS: 热耗散的能量; ABS/RC:单位反应中心吸收的光能; ETO/TRO: 电子传递到电子传递链中QA-下游的电子受体的概率; ETO/ABS: 用于电子传递的量子产额; TRO/ABS: PSII最大量子效率; F0/FM: 热耗散的量子比率; Fv/FM: 最大光化学效率; PI: 叶片性能指数

(1)PSII反应中心的变化

随着干旱胁迫程度的加剧(土壤含水量从15.07%到5.63%),单位反应中心吸收的光能(ABS/RC)分别增加了0.49%、0.80%、14.69%、14.21%和17.34%；捕获的光能(TRO/RC)分别增加了7.33%、3.07%、18.46%、60.29%和64.48%；热耗散的能量(DIO/CS)分别增加了3.11%、27.23%、20.13%、75.77%和87.54%；电子传递的能量(ETO/RC)分别降低了6.07%、18.93%、24.11%、33.44%和38.30%。这说明干旱胁迫影响了植物叶片PSII光能吸收与电子的传递。

(2)PSII受体侧的变化

(3)叶片性能指数的变化

土壤含水量在15.07%时最大光化学效率(Fv/FM)为0.812,随着土壤含水量的降低Fv/FM分别降低了2.22%、8.62%、14.04%、17.73%和18.60%；叶片性能指数(PI)显著降低,分别降低了23.41%、8.59%、29.48%、49.51%和59.20%。说明随着干旱程度的加剧,柠条叶片性能指数降低,受到光抑制,对柠条生长造成胁迫。

4 讨论

根据实验结果,土壤水分状况对柠条叶片叶绿素荧光特性产生明显影响。特别是对于黄土高原半干旱区,土壤水分无疑是植物生长最重要的限制因素[16],井工开采矿区,地底煤炭开采一方面引起地表塌陷,在地表形成大量裂缝,增加了土壤水分的蒸发面,加速了土壤水的散失[17],距离蒸发面距离越近土壤水散失越快,同时采煤塌陷破坏了土体结构,不利于土壤水分保持,地表水流失进一步加重；另一方面,由于地下部分被抽空,潜水位埋深降低,影响地下水对地表水的补给[18],此外,根据王力等利用稳定同位素分馏原理,对神东矿区植物水分来源进行研究,结果表明该区域植物水分的主要来源是地下水和土壤水,而基本没有直接利用湖水、水库水以及夏季降水[19-20]。此外,在垂直于裂缝方向上,在0—300 cm范围内,随着与裂缝之间距离的增加土壤水分含量呈增大的趋势,这与赵宏宇对神东矿区距塌陷裂缝不同距离土壤含水量变化的研究结果一致[21]。

土壤紧实度与入渗特性是土壤含水量的重要影响因素。本文对距离裂缝不同距离土壤紧实度与入渗特征差异进行统计(图6)得到：距离裂缝越近,土壤紧实度越低,初始入渗速率与稳定入渗率越高。根据郑秀清和樊贵盛[22]对土壤入渗能力与土壤含水量关系的研究,土壤入渗速率越快,持水能力越差。对于黄砂土而言,土壤紧实度越低,入渗速率越快。由此可知,受采煤塌陷影响,裂缝区土壤原始结果破坏,紧实度降低,入渗速率升高,导致土壤持水能力变差,这也是裂缝区土壤含水量降低的重要原因,而距离裂缝越近,这种影响越明显。

图6 距离裂缝不同距离土壤紧实度与入渗特征差异Fig.6 Differences of soil compaction and infiltration characteristics at different distances from cracks

根据Johnson[30]、Demmig等[31]的研究指出,正常情况下最大光化学效率(Fv/FM)暗适应后大于0.8,然而,当Fv/FM值均小于0.8,表明植物受到环境胁迫,导致光抑制。本研究中,当土壤含水量在15.07%时,Fv/FM为0.812,随着土壤含水量的降低,Fv/FM依次降低且小于0.8。说明随着干旱加重,柠条受到干旱胁迫导致光抑制。但是也有很多研究指出,Fv/FM并不能有效的监测评价植物受到的干旱胁迫情况[25,27]。PI是一种基于光能吸收的性能指标,能准确反映植物光合器官的整体状况,Oukarroum等[27]认为PI对逆境胁迫的敏感程度远高于Fv/FM。为此,本文对柠条叶片性能指数(PI)进行统计,叶片性能指数(PI)显著降低,当土壤含水量为5.63%时降低了59.20%。说明随着干旱程度的加剧,柠条叶片性能指数降低,受到光抑制,对柠条生长造成胁迫。以上分析得出：井工煤炭开采在地表形成大量裂缝,破坏了土体结构,导致裂缝区土壤含水量进一步降低,在此条件下,柠条生长受到干旱胁迫,影响光合作用的正常进行。在矿区植被保护过程中应该注意塌陷裂缝的修复,对塌陷裂缝进行填充以减少土壤水分的蒸发面,减少水分散失。 另外JIP-test技术能有效地识别采煤沉陷裂缝影响下土壤含水量变化对柠条叶片叶绿素荧光响应的影响,最大光化学效率(Fv/FM)与光能吸收的性能指标(PI)可以作为柠条叶片受到光抑制的有效指标。

5 结论

(1)通过对采煤塌陷裂缝一侧土壤含水量进行监测得到：随着与裂缝之间距离的增加土壤含水量呈增大的趋势；通过采煤沉陷过程植物根系土壤剖面0—100 cm水分速测仪连续监测结果得到：采煤沉陷裂缝影响下土壤含水量均低于沉陷初期。土壤含水量的降低原因：煤炭井工开采在地表形成大量裂缝,增加了土壤水分的蒸发面,加速了土壤水的散失,随着与裂缝之间距离的增加,土壤水分散失减少,土壤含水量升高；采煤塌陷破坏了土体结构,不利于土壤水分保持,地表水流失进一步加重；地下部分被抽空,潜水位埋深降低,影响地下水对地表水的补给。

(2)随着距离塌陷裂缝越近,土壤含水量逐渐降低,柠条受到干旱胁迫,叶片O—J—I—P曲线变形为O—K—J—I—P曲线,干旱胁迫通过干扰柠条叶片PSII电子供体侧、受体侧以及电子传递链的功能,严重的损害了柠条叶片光合机构的正常功能。通过JIP-test技术能有效地识别采煤沉陷裂缝影响下土壤含水量变化对柠条叶片叶绿素荧光响应的影响,为该地区植被保护的理论依据。