采煤沉陷区土壤理化性质时空变化特征

郭程锦

关键词：采煤沉陷;理化性质;坡向;质量评价

煤炭是我国重要的能源来源，在我国一次性能源消费结构中所占比例一直是70%左右[1]。中国90%左右的煤炭源于井工开采，长期大量的井工开采形成大面积的采空区，采空区顶板塌陷[2]，波及地面，形成不均匀沉降（地表裂缝）和地表塌陷，塌陷农田的土壤质量遭到破坏[3-4]。由采煤引发的地面沉陷不仅会威胁土地资源，还会引发一系列生态问题，如土壤质量下降、水资源流失、水体污染、大气污染等[5-6]。

国内外学者对采煤沉陷区土壤质量的空间变异规律进行了诸多研究，主要从单一土地利用类型上的坡度和裂缝两个不利因素进行考察[7-9]。以典型焦作九里山采煤沉陷区为研究区，基于PCA和土壤质量评价，对沉陷区微地形（具体坡向和坡位）的土壤理化性质和质量在时空上的差异性进行定量研究，为沉陷区的合理分区、促进矿区生态环境综合整治和科学决策提供重要的理论和实践依据。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

本研究以焦作九里山矿区内耕地土壤为研究对象。焦作九里山矿（东经113.42°，北纬39.34°，海拔97 m）位于河南省焦作市马村区，属于温带大陆季风性气候，年平均气温14.2 ℃，年均降雨量578 mm，年均日照时数2 062 h，光热资源丰富，是全国粮食高产区之一[10]。据统计，焦作沉陷土地已达2 471.42 hm2。沉陷盆地内地表高低起伏，裂缝遍布，使耕地丧失灌溉能力，土壤持水能力和肥力下降，土地生产力较低[11]。

1.2 研究方法

在研究区内选取不同沉陷坡向（北坡和南坡）、不同沉陷坡位（坡底、坡中和坡顶）的坡面作为采样点。分别于2020年7月和2021年4月，在同一采样点利用聚氯乙烯（PVC）硬质管（长200 mm，直径150 mm）采集原状土柱，用胶质锤将PVC管垂直砸入土体内，用铁锹掘取出来，并将PVC管两端盖上管盖，在每个采样点随机采取3个重复样。

2 结果

2.1 沉陷区不同坡向土壤理化性质时空变化特征

采煤沉陷区不同坡向含水率、有机质、pH和全磷在不同采样时间的特征如图1所示。

由图1可以看出，北坡坡底2020年7月的含水率和有机质含量均高于2021年4月，2021年4月的pH和总磷均高于2020年7月;南坡坡底2021年4月的含水率和总磷分别比2020年7月的含水率和总磷高9.2%和3.20倍。北坡坡中2020年7月的含水率比2021年4月的含水率高14.4%，2021年4月的有机质、pH和总磷均高于2020年7月;南坡坡中2021年4月的含水率和总磷分别比2020年7月的含水率和总磷高54.8%和3.50倍，2020年7月的有机质和pH分别比2021年4月的有机质和pH高52.6%和2.1%。北坡坡顶2020年7月的含水率和有机质分别比2021年4月的含水率和有机质高27.1%和19.6%，2021年4月的pH和总磷分别比2020年7月的pH和总磷高8.9%和1.44;南坡坡顶2021年4月的含水率、有机质、pH和总磷分别比2020年7月的含水率、有机质、pH和总磷高39.7%、7.7%、1.7%和2.88。由此可见，不同時间对土壤理化性质具有显著影响。

2.2 沉陷区不同坡位土壤质量评价

对土壤含水率、有机质、pH和总磷进行主成分分析，分析结果如表1所示。

对土壤质量指标的公因子方差分析表明，两个主成分能解释含水率90%以上的差异，可以解释pH 87%以上的差异。不同坡位及坡向土壤质量指数如表2所示。

由表2可以看出，不同坡位土壤质量指数在2020年7月和2021年4月不同采样时间内变化差异明显。在坡底处，2021年4月的土壤质量指数大于2020年7月，在坡中和坡顶处，2020年7月的土壤质量指数均大于2021年4月;2020年7月的土壤质量指数在坡底处最小，2021年4月的土壤质量指数在坡顶处最小。

3 结论

（1）采煤沉陷区土壤含水率、有机质、pH和总磷在不同坡向具有显著性变化差异。随着沉陷时间的延长，含水率和有机质变化差异明显。

（2）从坡位来看，除坡底外，坡中和坡顶2021年4月的土壤质量指数均小于2020年7月的土壤质量指数。