采煤沉陷区林地优先流现象下的土壤特性分布特征研究

常文科，李成杰，郭晓明，徐小涛，朱希望，赵福玲

(1.河南理工大学 资源环境学院，河南 焦作 454000；2.焦作市城乡一体化示范区 环境监察大队，河南 焦作 454000)

0 引 言

优先流是土壤水和溶质绕过土壤基质，快速到达深层土壤或地下水的非均匀流动现象[1]。优先流现象在自然界土壤水分入渗过程中普遍存在[2-4]，可在任何气候类型、土地类型和土壤质地等条件下发生[5-6]。优先流对土壤中水分及溶质运移的影响是极为深刻的，进而影响到种子萌发、植物生长、作物产量以及地下水污染风险[7-8]，并且这种现象导致传统的Darcy定律推算的水流迁移速度、迁移时间和迁移量均不可信[9]，因此优先流现象及其影响下的水流及溶质运移过程已成为国内外学者普遍关注的热点和焦点问题。

优先流是水分和溶质通过某些特定路径快速移动的现象[10-11]，这些特定路径就是优先路径。优先路径由于土壤水和溶质的快速持续通过，导致优先路径与其周围的土壤基质在水-土相互作用方面存在差异，从而造成优先路径和土壤基质中的物理、化学、生物特征的显著区别。已有研究表明，优先路径在数十年的时间里可能是稳定不变的[12-13]。C.J.Ritsema等[13]研究表明，在连续降雨条件下，优先路径在斥水性的砂质土壤中重复出现在同一位置。他们认为在没有人类活动干扰的条件下(未耕作的土壤或森林土壤)，优先路径可能永远保持稳定；C.Bogner等[12]研究表明，优先路径与土壤基质相比，土壤碳、氮、钙、镁和铁含量均相对较高。目前，有关优先路径下土壤特性的研究多聚集于土壤性质对优先流现象的影响方面，而有关优先路径下的土壤特性研究主要集中在土壤物理、化学和微生物碳等方面，但是微生物活性等方面的研究则鲜见报道。

煤炭资源开采在为国民经济发展提供能源和原料的同时，也对土地和环境造成了巨大破坏[14]。我国煤炭产量95%以上为井工开采，这种开采方式会使采空区上方地表产生大面积沉陷，从而对土壤性质产生深刻的影响，导致土地丧失部分或全部生产力[15-16]。目前，有关采煤沉陷对土壤物理性质、养分和微生物活性等方面的影响研究已有大量报道[17-19]，这些研究多从地表形态的改变入手，研究土壤特性分布的变异，缺乏优先流视角下的土壤特性分布研究。因此，本文通过野外采样和室内模拟试验，基于染色示踪技术，重点研究沉陷区林地优先路径下的土壤特性，为发展优先流研究理论和矿区土地恢复奠定基础。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

本研究选取有代表性的焦作煤业集团韩王煤矿沉陷区作为研究区，以研究区内林地土壤为研究对象。韩王煤矿(34°48′～35°30′N，112°32′～113°38′E)位于河南省焦作市马村区，地处太行山南麓，区域地貌为山前冲洪积扇平原，为温带区大陆性季风气候，春旱多风，夏热多雨，秋高气爽，冬寒少雪。研究区年平均气温14 ℃，年平均降雨量603～713 mm，年平均蒸发量2 039 mm，降水年内分配极不均匀——7，8，9三个月降雨量占全年的70%。焦作市地貌类型多样，主要由山区和平原两大基本结构单元构成。该区域发育了潮土、褐土、石质土、粗骨土、棕壤等土壤类型(按中国土壤分类系统分类)，其中褐土与潮土为该区域分布面积最大的2种土壤类型，是平原区最重要的耕作土壤[20]。研究区土壤类型为石灰性褐土，母质是石灰岩和第四系砂砾石[20]。

1.2 研究方法

1.2.1 样品采集及预处理

在研究区内选取典型沉陷坡面，将沉陷坡面自盆地边缘向盆地底部划分为上坡、中坡和下坡3个采样区域。采样点的布设见图1。在上坡(Ⅰ)—中坡(Ⅱ)—下坡(Ⅲ)的位置处布设采样点，利用环刀(容积为500 cm3)在5～15 cm土层内采集原状土壤，每个位置随机采集6个，共计18个原状土壤样品。

采集的原状土壤利用示踪剂亮蓝(brilliant blue)进行染色试验，亮蓝溶液具有无毒、溶解度高和不易被土壤物质吸附的优点[3]。配置质量浓度为5 g/L的亮蓝溶液，将100 mL亮蓝溶液通过脉冲式输入方法均匀灌入原状土壤中。入渗过程中尽量避免土壤表面产生过多积水，整个溶液入渗过程平均持续60 min。入渗结束后覆塑料保鲜膜防止水分蒸发以及避免其他水分进入。待24 h后对土壤样品进行切分、观察、拍照，软件提取染色面积等指标。试验结束后，将一部分染色和未染色土样分别研磨过2 mm尼龙网筛，装入无菌塑料袋，置于4 ℃冰箱内保存，以供土壤微生物数量分析；另一部分土样于室内自然风干、研磨和过1 mm筛，以供土壤物理、化学与酶活性指标分析。

图1 研究区采样点分布

1.2.2 测定方法

土壤含水量、pH、电导(EC)和有机质含量的测定分别采用烘干法、pH计、电导率仪、重铬酸钾容量氧化-稀释热法[21-22]。土壤细菌和放线菌数量的测定均采用稀释混合平板计数法，其培养基分别选用牛肉膏蛋白胨培养基和高氏一号琼脂培养基[23]。土壤脲酶、磷酸酶和过氧化氢酶活性的测定分别采用苯酚钠比色法、磷酸苯二钠比色法和高锰酸钾滴定法[24]，其中脲酶活性以脲酶作用下37 ℃恒温培养24 h后100 g土壤中NH3—N的毫克数表示，磷酸酶活性以磷酸酶作用下37 ℃恒温培养2 h后100 g土壤中P2O5的毫克数表示，过氧化氢酶活性以过氧化氢酶作用下20 min后1 g土壤的0.02 mol/L KMnO4溶液的毫升数表示。

1.2.3 优先路径和土壤基质的确定

将染色的区域称为优先流发生区，即为优先路径，而未被染色的区域称为土壤基质[25-26]。

1.2.4 数据分析

示踪剂为质量浓度5 g/L的亮蓝溶液(C37H34N2Na2O9S3，摩尔质量为792.9 g/mol)，由于染色剂中含有56%的碳，这会对染色区域土壤有机质的测定产生影响，所以应根据试验过程中添加的碳对土壤有机质数据进行校正。本文优先路径下的土壤有机质数据结果为校正后的数据。

优先流剖面图像由数码相机拍摄完成，染色图片经Photoshop进行镜头校正、剪切，经过自动对比度、颜色替换和灰度使染色区分为黑色或灰色，非染色区为白色。通过Image-Pro Plus对处理后的水平染色图像进行黑白像素数量统计，依据像素值与实际面积比例计算出染色面积及其所占摄影剖面的面积比例。最大染色深度用刻度尺测量，取3次重复的平均值。均值比较(T-test)和方差分析(One-way ANOVA)采用SPSS 13.0进行。

4号煤层平均厚度14.5 m，上部及下部以半亮型煤为主，节理裂隙较发育，脆性强，中部以半暗型煤为主。煤层中夹有1层灰白色泥岩，井下钻孔原位测试强度平均为21.08 MPa。5244运输巷附近测点的最大水平主应力为16.53 MPa，垂直主应力为11.34 MPa，最小水平主应力为9.13 MPa。最大水平主应力方向为N19.8°W ，巷道布置方向为N63°E，与最佳角度之间的锐角为49.7°，受地应力的影响较大。

2 结 果

2.1 土壤染色特征

总染色面积定义为土壤剖面上被染色区域的总面积，单位为cm2，它用来描述剖面上有水分运动区域的总面积。均匀染色深度定义为剖面上染色均匀的区域深度，单位为cm。优先流面积分数定义为优先流面积与染色面积的比值，它可以定量描述优先流的发生程度。

采煤沉陷区不同坡位土壤染色特征见图2。由图2可以看出，采煤沉陷区林地土壤总染色面积、均匀染色深度和优先流面积分数在不同坡位上表现出一定的差异性。土壤总染色面积和均匀染色深度均以上坡为最大，表明上坡的土壤水流入渗的发生程度最高。土壤优先流面积分数以中坡为最大，表明中坡土壤优先流的发生程度最高。研究表明，地表沉陷对土壤优先流特征产生了明显的影响。

图2 不同坡位土壤染色特征

2.2 优先流现象下的土壤特性分布特征

2.2.1 土壤理化特性

采煤沉陷区林地不同沉陷坡位优先路径与土壤基质的土壤理化特性见图3。

由图3可见，优先路径下的土壤风干土含水量、pH、EC、有机质含量分别以上坡、中坡、上坡、上坡为最大，土壤基质的风干土含水量、pH、EC、有机质含量分别以上坡、中坡、中坡、上坡为最大。SPSS 13.0软件的方差分析表明，上述指标在不同坡位之间无显著性差异。与土壤基质相比，所有坡位优先路径下的风干土含水量、pH、EC均相对较小；上坡、下坡优先路径下的有机质含量相对较大，而中坡优先路径下的有机质含量相对较小。SPSS 13.0软件的均值比较分析表明，中坡、下坡土壤电导在优先路径与土壤基质之间具有显著性差异(p<0.05)。研究表明，优先流现象下土壤理化指标的分布在空间上存在明显差异。

图3 优先路径和土壤基质的土壤理化特性

2.2.2 土壤微生物数量特性

采煤沉陷区林地不同沉陷坡位优先路径与土壤基质的土壤微生物数量见图4。

由图4可见，优先路径下的土壤细菌数量、放线菌数量分别以下坡、上坡为最大；土壤基质的细菌数量、放线菌数量均以上坡为最大。SPSS 13.0软件的方差分析表明，优先路径下的土壤放线菌数量在上坡与中坡、上坡与下坡之间存在显著性差异；土壤基质的放线菌数量在上坡与中坡、上坡与下坡之间存在显著性差异(p<0.05)。与土壤基质相比，上坡优先路径下的细菌数量相对较小，而中坡和下坡优先路径下的细菌数量相对较大；上坡和下坡优先路径下的放线菌数量相对较大，而中坡优先路径下的放线菌数量相对较小。SPSS 13.0软件的均值比较分析表明，中坡土壤细菌数量、下坡土壤放线菌数量在优先路径与土壤基质之间具有显著性差异(p<0.05)。研究表明，优先流现象下土壤微生物数量的分布在空间上存在明显差异。

2.2.3 土壤酶活性

由图5可见，优先路径下的土壤脲酶活性、磷酸酶活性、过氧化氢酶活性分别以上坡、下坡和中坡为最大；土壤基质的脲酶活性、磷酸酶活性、过氧化氢酶活性分别以下坡、中坡和中坡为最大。SPSS 13.0软件的方差分析表明，优先路径下的土壤磷酸酶活性在中坡和下坡之间存在显著性差异(p<0.05)。与土壤基质相比，所有坡位优先路径下的过氧化氢酶活性均相对较小；上坡和下坡优先路径下的磷酸酶活性相对较大，而中坡优先路径下的磷酸酶活性相对较小；上坡和中坡优先路径下的脲酶活性相对较大，而下坡优先路径下的脲酶活性相对较小。SPSS 13.0软件的均值比较分析表明，上坡土壤脲酶活性在优先路径与土壤基质之间具有显著性差异(p<0.05)。研究表明，优先流现象下土壤酶活性的分布在空间上存在明显差异。

图4 优先路径和土壤基质的土壤微生物数量

图5 优先路径和土壤基质的土壤酶活性

3 讨 论

臧荫桐等[27]对毛乌素沙地南缘补连塔矿区沉陷地土壤水分入渗过程中的湿润锋和入渗速率进行了研究，结果表明沉陷区丘间低地入渗以垂直入渗偏强为特征，而坡面入渗以侧渗偏强为特征。何金军等[28]通过对神府-东胜矿区沉陷地研究指出，采煤沉陷对黄土丘陵区土壤含水量影响最大，降雨后不同坡位土壤含水量以坡底最大，坡顶最小。张发旺等[15]、魏江生等[29]研究指出，采煤沉陷地土壤中发育的垂向裂隙，增加了土壤水的蒸发面积和蒸发强度，使土壤持水能力减弱。上述研究指明，煤炭开采形成的沉陷坡地对土壤水分的入渗、蒸发和分布等方面产生了影响，而本研究从优先流的视角进一步阐明土壤水分在空间上的流失特征。本研究得出，土壤总染色面积和均匀染色深度均以上坡为最大，土壤优先流面积分数以中坡为最大。研究表明沉陷区土壤具有明显的优先流现象，中坡的水分优先迁移程度最大，意味着该坡位处水分的损失强度可能最大。

本研究表明，沉陷区林地土壤优先流面积分数为28.27% ± 18.37%，变异系数为64.99%(>35%)；沉陷区优先路径下的土壤有机质含量、放线菌数量、脲酶活性、磷酸酶活性和过氧化氢酶活性分别为(12.73 ± 8.51)g/kg，(32.94 ±24.80)×104cfu/g，(11.41 ±7.06)mg/100g，(24.17 ±10.06)mg/100 g和(0.84 ±0.38)mL/g，变异系数分别为66.86%，75.29%，61.90%，41.64%和45.95%，并且优先路径下的放线菌数量和磷酸酶活性在不同坡位之间存在显著性差异。已有研究表明，优先流现象会受到土壤质地、生物因素、降雨/灌溉强度和管理模式等因素的影响[9]，而本研究进一步得出，优先流现象也会受到地形因素(沉陷坡地)的显著影响。

已有研究表明，优先流现象对土壤特性的分布特征显著影响。C.Bogner等[12]研究发现，与土壤基质相比，优先路径下的土壤碳多了5.0 g/kg，氮质量分数多了0.24 g/kg，碳氮比值增加了2，pH减小了0.16，钙质量分数增加了32%，镁质量分数增加了57%，铁质量分数增加了67%。B.W.Stewart[2]研究发现，与土壤基质相比，优先路径下的土壤含水量和大团聚体数量相对较高，而土壤密度(容重)和小团聚体数量相对较低。M.Bundt等[30]研究发现，在森林土壤中，优先路径下的土壤阳离子交换量、盐基饱和度、有机碳和有机氮含量均相对较高。本研究结果支持 “土壤特性分布会受到优先流现象的影响”这一结论。与土壤基质相比，优先路径下的上坡土壤脲酶活性增大了8.66 mg/100 g，中坡和下坡电导分别降低了27%和12%，中坡细菌数量增大了86%，下坡放线菌数量增大了70%。

V.L.Morales等[8]、牛健植等[31]研究指出，优先路径是土壤生物活动的“热点”。这是因为优先流现象下土壤水和溶质的非均匀流动，使优先路径和土壤基质在氧气、湿度和营养物质等环境因素的获取程度方面存在明显的差异，造成优先路径下土壤微生物活性相对较高。本研究发现，尽管土壤有机质含量在优先路径和土壤基质之间并未表现出显著差异性，但是优先路径下土壤放线菌数量和脲酶活性均显著高于土壤基质。造成这种现象产生的原因可能是：(1)本研究是在“心土尺度”上进行优先流特征的研究[31]，土壤有机质含量在两者之间的差异性可能由于尺度原因未能表现出来；(2)土壤放线菌数量和脲酶活性更能敏感地反映土壤环境质量的变化。

4 结 论

(1)采煤沉陷区林地不同沉陷坡位土壤均具有明显的优先流现象，且以中坡土壤优先流的发生程度为最高。

(2)沉陷区优先路径下的土壤放线菌数量在上坡与中坡、上坡与下坡之间及土壤磷酸酶活性在中坡和下坡之间存在显著性差异(p<0.05)。

(3)与土壤基质相比，优先路径下的上坡土壤脲酶活性高了8.66 mg/100 g，中坡细菌数量增大了86%，下坡放线菌数量增大了70%，中坡和下坡电导分别降低了27%和12%。

(4)上述特征反映了沉陷区优先流现象对土壤特性的分布特征造成了强烈影响。