采煤沉陷區土壤理化性質時空變化特征

郭程錦

關鍵詞：采煤沉陷;理化性質;坡向;質量評價

煤炭是我國重要的能源來源，在我國一次性能源消費結構中所占比例一直是70%左右[1]。中國90%左右的煤炭源于井工開采，長期大量的井工開采形成大面積的采空區，采空區頂板塌陷[2]，波及地面，形成不均勻沉降（地表裂縫）和地表塌陷，塌陷農田的土壤質量遭到破壞[3-4]。由采煤引發的地面沉陷不僅會威脅土地資源，還會引發一系列生態問題，如土壤質量下降、水資源流失、水體污染、大氣污染等[5-6]。

國內外學者對采煤沉陷區土壤質量的空間變異規律進行了諸多研究，主要從單一土地利用類型上的坡度和裂縫兩個不利因素進行考察[7-9]。以典型焦作九里山采煤沉陷區為研究區，基于PCA和土壤質量評價，對沉陷區微地形（具體坡向和坡位）的土壤理化性質和質量在時空上的差異性進行定量研究，為沉陷區的合理分區、促進礦區生態環境綜合整治和科學決策提供重要的理論和實踐依據。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

本研究以焦作九里山礦區內耕地土壤為研究對象。焦作九里山礦（東經113.42°，北緯39.34°，海拔97 m）位于河南省焦作市馬村區，屬于溫帶大陸季風性氣候，年平均氣溫14.2 ℃，年均降雨量578 mm，年均日照時數2 062 h，光熱資源豐富，是全國糧食高產區之一[10]。據統計，焦作沉陷土地已達2 471.42 hm2。沉陷盆地內地表高低起伏，裂縫遍布，使耕地喪失灌溉能力，土壤持水能力和肥力下降，土地生產力較低[11]。

1.2 研究方法

在研究區內選取不同沉陷坡向（北坡和南坡）、不同沉陷坡位（坡底、坡中和坡頂）的坡面作為采樣點。分別于2020年7月和2021年4月，在同一采樣點利用聚氯乙烯（PVC）硬質管（長200 mm，直徑150 mm）采集原狀土柱，用膠質錘將PVC管垂直砸入土體內，用鐵鍬掘取出來，并將PVC管兩端蓋上管蓋，在每個采樣點隨機采取3個重復樣。

2 結果

2.1 沉陷區不同坡向土壤理化性質時空變化特征

采煤沉陷區不同坡向含水率、有機質、pH和全磷在不同采樣時間的特征如圖1所示。

由圖1可以看出，北坡坡底2020年7月的含水率和有機質含量均高于2021年4月，2021年4月的pH和總磷均高于2020年7月;南坡坡底2021年4月的含水率和總磷分別比2020年7月的含水率和總磷高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月的有機質、pH和總磷均高于2020年7月;南坡坡中2021年4月的含水率和總磷分別比2020年7月的含水率和總磷高54.8%和3.50倍，2020年7月的有機質和pH分別比2021年4月的有機質和pH高52.6%和2.1%。北坡坡頂2020年7月的含水率和有機質分別比2021年4月的含水率和有機質高27.1%和19.6%，2021年4月的pH和總磷分別比2020年7月的pH和總磷高8.9%和1.44;南坡坡頂2021年4月的含水率、有機質、pH和總磷分別比2020年7月的含水率、有機質、pH和總磷高39.7%、7.7%、1.7%和2.88。由此可見，不同時間對土壤理化性質具有顯著影響。

2.2 沉陷區不同坡位土壤質量評價

對土壤含水率、有機質、pH和總磷進行主成分分析，分析結果如表1所示。

對土壤質量指標的公因子方差分析表明，兩個主成分能解釋含水率90%以上的差異，可以解釋pH 87%以上的差異。不同坡位及坡向土壤質量指數如表2所示。

由表2可以看出，不同坡位土壤質量指數在2020年7月和2021年4月不同采樣時間內變化差異明顯。在坡底處，2021年4月的土壤質量指數大于2020年7月，在坡中和坡頂處，2020年7月的土壤質量指數均大于2021年4月;2020年7月的土壤質量指數在坡底處最小，2021年4月的土壤質量指數在坡頂處最小。

3 結論

（1）采煤沉陷區土壤含水率、有機質、pH和總磷在不同坡向具有顯著性變化差異。隨著沉陷時間的延長，含水率和有機質變化差異明顯。

（2）從坡位來看，除坡底外，坡中和坡頂2021年4月的土壤質量指數均小于2020年7月的土壤質量指數。