高潜水位矿区地表拉张裂隙区土壤特征研究

范廷玉，钟 建，王 顺，王兴明，张燕海

(1.安徽理工大学地球与环境学院，安徽 淮南 232001；2. 安徽理工大学安徽省高潜水位矿区水土资源综合利用与生态保护工程实验室，安徽 淮南 232001；3. 淮北矿业(集团)有限责任公司通防地测部，安徽 淮北 235000)

煤炭是我国的主要能源，2018年我国能源生产结构中，原煤占比68.3%，能源消耗结构中煤炭占57.7%。井工开采是主要的采煤方式，导致地表塌陷并产生地表拉张裂隙。根据采煤工作面生产与对应地表拉张裂隙发育情况，可将地表拉张裂隙分为横向裂隙(与切眼平行)与纵向裂隙(与风巷、机巷平行)，横向裂隙位于沉陷盆地底部，沿采煤推进方向不断拉张与闭合，规模小且浅；纵向裂隙则分布在沉陷盆地区，形成后不断拉张，规模相对大且深。地表沉陷裂隙导致了沉陷区土壤呈现高度空间异质性，水土流失、优先流、微地形改造中粘粒、粉粒等易随着地表径流迁移，众多学者围绕土壤质量改变与植被群落结构退化，围绕微生物群落多样性、酶活性等恢复土壤活性进行了研究，但目前针对沉陷区土壤性质研究并未区分拉张裂隙类型，进行土壤水分、营养元素的精细化空间分布研究。论文以淮北矿业集团朱庄煤矿纵向拉张裂隙为研究区域，讨论该区域土壤营养元素分布特征，为沉陷区土壤环境保护与土地质量提升提供理论依据，对于提高农业产量具有重要的现实意义。

1 材料与方法

1.1 区域概况

淮北矿区位于安徽省北部，总面积4 650km，采煤沉陷地面积约272km，约占总面积5.9%。研究区位于淮北市杜集区朱庄矿3522工作面的地表沉陷区，位于人民中路北侧，东临岱河，地理坐标为116°51′02″～116°51′09″E、33°57′20″～33°57′25″N，3522工作面长150m，宽130m。研究区属于暖温带半湿润季风气候，年均降水量823.4mm，年极端最大降水量1 441.4mm。沉陷土壤类型主要为半水成土纲的潮土与砂姜黑土，土地利用类型为林地，潜水位埋深在1～3m。

1.2 点位布设与样品采集

选取平行于3522工作面风巷的两条纵向拉张裂隙(C1、C2)作为研究对象，C1、C2中间为沉陷台阶，东西走向长约70m，裂隙宽度2cm～15cm，北高南低，坡度约2°～3°(见图1)。从高(北)到低(南)布设一条长25m采样线，以裂隙为界从平面上将沉陷斜坡分为Ⅰ(高)、Ⅱ(中)、Ⅲ(低)区。在裂隙两侧每隔0.5m布设一个采样点，共21个点位。每个点位以20cm为间隔使用土壤分层采样器采集天然土壤样品，采至1m深，共105个样品。采样时间为2019年4月6日，采集的土样去除石砾和动植物残体后混匀装入写好标签的密封袋带回实验室。

图1 采样点位示意图

1.3 样品前处理与测试

将带回新鲜土样，部分测定土壤含水率。剩余用无菌手套捏碎混匀，去除杂草和石砾等。均匀的铺在干净的纸上，于室内自然风干，采用四分法用研钵研磨，分别过10目、20目和60目筛，装入聚乙烯塑料袋保存。按照文献分别测定土壤pH、有机质、有效磷、速效钾等指标。其中pH测定取10目土样8g于离心管中，采用液土比2.5混合振荡静置30min后测定上清液pH值，采用重铬酸钾加热法测定有机质，采用钼锑抗比色法测定有效磷，采用四苯硼钠比色法测定速效钾。测试过程中，每批样品设置两个空白试验，两个测定结果的相对偏差小于等于50%。每20个样品测定10%的平行双样，两个测定结果的相对偏差小于等于10%，校准曲线的相关系数均大于0.999。

1.4 评价方法

土壤肥力系数采用修正的内梅罗综合指数法评价，土壤各属性分级指标(见表1)参照第二次全国土壤普查分级标准和《土壤分析技术规范》，综合考虑研究区土壤各指标值范围确定。

表1 土壤各属性分级标准

采用标准化计算公式消除各参数之间的量纲差异，将计算得出的肥力系数与肥力分级标准对比可知肥力情况，肥力分级标准：

P

≥2.7，很肥沃；1.80≤

P

<2.70，肥沃；0.90≤

P

<1.80，一般；

P

<0.90，瘦瘠。

2 结果与讨论

2.1 土壤理化性质分布特征

如图2(a)～(b)所示，土壤含水率随着土层深度增加，沿着地势降低，距离裂隙的50～100cm范围内的0～20cm土层含水率最低。Ⅰ区、 Ⅱ区、 Ⅲ区的含水率逐级下降(见图2(c)～(d))，均值分别为13.73%、11.4%、8.53%，最小值均在表层土壤，分别为5%、5%、4%，Ⅰ-Ⅱ区、Ⅱ-Ⅲ区含水率分别下降18%、25%。pH值8.21～9.04，均值8.66，不同深度的pH值变化规律相似，且裂隙两侧50cm范围的pH值最大，伴随到裂隙距离增加缓慢降低。土壤粘粒含量(见表2)随着深度增加而增大，Ⅰ区、Ⅱ区和Ⅲ区的粘粒含量均值分别为5.42%、3.41%和3.03%。

图2 分布特征

表2 各区域不同深度粘粒含量 %

浅层土(0～40cm)中有机质在Ⅱ区累积， 有效磷含量在水平分布上(见图3)呈现显著差异， Ⅰ区含量显著低于Ⅱ区和Ⅲ区。 在0～40cm， Ⅱ区大于Ⅲ区；在40～100cm，Ⅱ区小于Ⅲ区。有效磷含量在距裂隙50cm处(见图4)Ⅲ区表层土中的最高，达5.35mg·kg，随距裂隙长度增加，Ⅰ区、Ⅲ区有效磷均呈现先下降再增加的趋势。速效钾含量11.82～222.51mg·kg，均值86.41mg·kg。在水平分布上呈现与有效磷相反的趋势，在0～40cm土层，Ⅱ区含量最高，Ⅲ区含量最低；40～100cm土层，最高的为Ⅰ区，Ⅱ区和Ⅲ区差异并不显著。

图3 不同深度上的含量

图4 不同坡度的变化图

降雨期间的优先流与非降雨期间的裂隙增加土壤蒸发，均导致表层土壤含水率不同程度下降，其中以0～20cm表层土蒸散发量最高，距离裂隙较近位置的土壤含水率会明显小于较远处的土壤，影响范围在50～100cm左右，有研究表明在室内模拟实验中得出裂隙影响范围为距裂隙距离45cm，Ⅲ区更加接近沉陷盆底，裂隙更加密集，土壤持水能力下降幅度最大。

土壤盐分和可溶性养分与水分运移规律一致，拉张裂隙区土壤含水率的下降导致其他水溶性指标分布的差异性，如pH值上升、有效磷随着地势降低升高等。沉陷裂隙的阻截作用、纵向拉张裂隙区中水土流失与裂隙优先流并存，造成土壤有机质、有效磷和速效钾空间分布差异性。土壤中有机物的主要载体为粘粒，在降雨等外力作用下会随地表径流迁移，向裂隙处聚集、随裂隙优先流向下迁移。土壤表层的磷和钾等元素具有向底土层转移和聚集的趋势。

淮北矿区属于典型的高潜水矿区，土壤含水量与潜水位之间关系紧密。有研究表明淮北平原土壤含水率变化除受气象、人类活动因素影响外，潜水埋深影响也十分显著。丰水期潜水位大概在1m左右，对深层土壤(60～100cm)中的土壤水分产生较大影响，土壤粘粒、养分等可以伴随高潜水位向下迁移，潜水位随着季节波动，也会导致深层土壤各指标变化的复杂性。

2.2 土壤肥力综合评价

由表3可知，Ⅰ区土壤 pH 系数为2.74，属很肥沃水平，Ⅱ和Ⅲ土壤pH< 2.70，属于肥沃水平。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区速效钾肥力系数分别为1.47～1.75，属于一般到肥沃水平。有机质和有效磷的肥力系数分别为0.19～0.25和0.28～0.71，属于瘦瘠水平，有机质、磷养分是肥力较低的限制因子。整体而言，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ裂隙土壤肥力综合系数介于0.89～0.94，属于瘦瘠到一般水平。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区土壤综合肥力系数随土壤深度的变化如图5所示，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区土壤综合肥力系数最大值均在0～20cm的表层土，在0～40cm的土层土壤肥力系数Ⅱ区>Ⅰ区>Ⅲ区，在40～100cm土层土壤肥力系数为Ⅲ区>I区> Ⅱ区，0～40cm和40～100cm土壤肥力呈相反趋势。

表3 土壤肥力系数

图5 土壤肥力系数随土壤深度变化

将肥力系数和各指标做相关性分析，如表4所示，土壤肥力系数与土壤的pH无显著相关，但是与有机质、有效磷及速效钾均极显著相关，其相关系数分别为0.661、0.501、0.84。

表4 肥力系数和各指标的相关性

土壤养分流失主要分为伴随径流流失和伴随泥沙流失两种形式，其中有机质和N主要通过径流流失，而P和K则主要伴随泥沙流失，该结论与本研究中P随深度增加流失量不显著的现象正好相反，这可能是因为该研究区域土壤P严重缺乏而K含量较高所致。其中K主要富集在0.01～0.05mm粒径中，随径流迁移以粘粒居多。I和Ⅱ区土壤综合肥力系数大致随裂隙距离的增加而增加，这可能是由于裂隙的产生，增加了土壤与空气的接触面积，使得水土流失现象加剧，致使肥力损失；而Ⅲ区随着距采动地裂隙距离的增加，土壤肥力综合系数大致呈下降趋势，这可能与当地的地形地势有关，I区地势较高，Ⅱ区位于中间较平坦，Ⅲ区地势较低，土壤肥力综合系数大致随地势的降低而减小。

2.3 裂隙区土壤营养元素迁移特征

井工采煤作业过程导致地表沉陷，水土流失是营养元素迁移的首要驱动力，降雨过程中大雨强下的径流泥沙携带、小雨强下的径流水携带以及超渗产流，可矿化泥沙结合态的养分、可溶性溶解态养分均会伴随径流迁移，沉陷边界顶部与底部土壤有机质含量比中部明显下降，有机质在沉陷台阶处聚集；磷具有很强的吸附性，淋失量小，短历暴雨事件产生的侵蚀泥沙是磷流失的主要载体，约60%磷流失是通过泥沙携带迁移，在沉陷斜坡上，有效磷在沉陷盆底聚集；速效钾易溶于水，当斜坡降雨强度小于土壤的入渗能力时，部分速效钾会溶于水并全部入渗深层土壤；当降雨强度大于入渗能力时，会产生径流，速效钾随着径流流失，研究区的高潜水位对沉陷盆底土壤影响更大，速效钾随着潜水向下迁移，导致速效钾的含量在沉陷斜坡顶部最高。结合土壤性质分析和肥力评价，伴随降雨的水土流失、裂隙拦截、高潜水位三者共同作用导致了纵向裂隙区的养分空间分布差异性，营养元素的迁移特征如图6所示。

图6 纵向裂隙区营养元素迁移特征图

3 结论

(1)在高潜水位采煤拉张裂隙区土壤含水率、pH、有机质、有效磷和速效钾进行了研究，发现在沉陷坡度和裂隙的共同作用下，垂直方向上含水率会随着地势的降低而降低，随着土层厚度增加而增大。总体上Ⅲ区含水率较Ⅱ区下降25%，Ⅱ区较Ⅰ区下降18%，水平方向上在裂隙附近的土壤含水率明显低于距离裂隙较远处的含水率，裂隙影响范围在100cm左右。

(2)在纵向拉张裂隙区，土壤的pH无显著差异，有机质在地势较平坦的Ⅱ区0～40cm地表聚集，在地势较高的地方，有机质含量随着距裂隙距离成正比，在地势较低处则相反。土壤有效磷在地势较低处聚集，在地表土距离裂隙不同位置的变化和有机质有相同的规律。土壤速效钾在高区聚集，且在地表0～20cm处含量较高。

(3)通过修正的内梅罗指数法分析，该研究区土壤整体肥力偏低，属于瘦瘠到一般水平，有机质是肥力较低的主要限制因子。

(4)高潜水位、水土流失和裂隙拦截作用共同导致了局部营养元素的空间分布差异性，在对沉陷区土壤提质增效时需在不同区域采取差异性措施，也为沉陷区土壤环境保护提供了理论参考。