王一淑，張 凱，王順潔，王冬雨，王芙瑤

(1.國能神東煤炭集團有限責任公司，陜西 榆林 719315；2.中國礦業(yè)大學(北京) 化學與環(huán)境工程學院，北京 100083)

煤炭是我國能源戰(zhàn)略安全的基石，其時空賦存特征決定了當前以西部生態(tài)脆弱礦區(qū)煤炭資源開發(fā)為主的格局[1]。另一方面，受地理與自然因素的影響，西北地區(qū)水資源非常稀缺，是典型的干旱、半干旱的荒漠化地區(qū)和國家級水土流失重點監(jiān)督區(qū)域[2]。西北地區(qū)生態(tài)本底環(huán)境先天脆弱，高強度的煤炭資源開發(fā)易造成生態(tài)環(huán)境造成破壞[3]，例如造成地表塌陷、產(chǎn)生地裂縫、引起地下水位下降以及水土流失等，進而降低土壤質(zhì)量[4，5]。

采煤沉陷對土壤質(zhì)量的影響主要表現(xiàn)在土壤水分、pH和土壤肥力等方面。就土壤含水量而言，部分學者認為，采煤引發(fā)的地裂縫是影響沉陷區(qū)土壤水分變化的重要因素，裂縫深度、密度、寬度等均會對土壤水分變化造成影響[6，7]；其他學者則認為土壤水分補給來自大氣降水，而不是地下水，因此采煤擾動對于土壤水的影響非常有限，即采煤沉陷對土壤水分沒有影響或者影響不明顯[8，9]。就土壤pH和肥力而言，采煤沉陷區(qū)土壤pH、肥力含量的變化并沒有一定規(guī)律，不同沉陷區(qū)含量變化并不一致[10，11]。例如，仝婕研究發(fā)現(xiàn)采煤活動使礦區(qū)全鉀和速效鉀呈現(xiàn)增加的趨勢，而其他指標如有機質(zhì)、氮素、磷素則相對減少[12]；姚國征等研究表明采煤沉陷降低了全氮與全磷，增加了速效磷，但全鉀與有機質(zhì)則無顯著變化，整體上沉陷區(qū)速效肥力有升高、活化的趨勢[13]。目前關(guān)于采煤擾動下土壤質(zhì)量變化規(guī)律尚不明晰。西部礦區(qū)煤炭開采具有高強度和高產(chǎn)特點，且埋深較淺[14，15]，開采過程中對地表土體擾動尤為顯著，分析該地區(qū)煤炭開采對淺地表松散層土壤物理化學性質(zhì)的影響，探究其變化規(guī)律，是預(yù)防和減緩煤炭資源開采對地表環(huán)境影響的前提和保障。

為此，以神東礦區(qū)納林河二礦的表層土壤為研究對象，在對研究區(qū)土壤及生態(tài)環(huán)境進行分析的基礎(chǔ)上，選取10cm、20cm和30cm表層土壤的含水率、pH、堿解氮、有效磷、速效鉀和有機質(zhì)作為土壤環(huán)境質(zhì)量的評價指標，基于克里金插值結(jié)果，分析其時空變化規(guī)律，揭示高強度煤炭開采對土壤質(zhì)量影響的變化規(guī)律，以期為預(yù)防和減緩煤炭資源開采對地表環(huán)境的影響提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市境內(nèi)的烏審旗納林河鎮(zhèn)，其地理位置為：東經(jīng)108°51′30″—109°00′00″，北緯37°58′00″—38°05′30″。井田長約17.8km，傾斜寬約13.5km，面積176.34km2。該區(qū)域位于毛烏素沙漠的東部，地表均被第四系風積沙所覆蓋，具有典型的高原沙漠地貌特征。該區(qū)域氣候特征屬于半干旱的溫帶高原大陸性氣候，太陽輻射強烈，干燥少雨，風大沙多，無霜期短，因此礦區(qū)環(huán)境極度脆弱。

1.2 材料與方法

1.2.1 樣品采集

由于研究區(qū)域平坦遼闊，因此以棋盤布點法采集土壤樣品，采集布點如圖1所示。采樣方案設(shè)計及技術(shù)嚴格按照國家環(huán)保局的《環(huán)境監(jiān)測分析方法》《土壤元素的近代分析方法》(中國環(huán)境監(jiān)測總站編)《土壤質(zhì)量土壤采樣技術(shù)指南》(GB/T 36197—2018)執(zhí)行。

圖1 土樣采集布點位置

1.2.2 樣品測定

分別在10cm、20cm、30cm表層土選取樣本，測定其含水量。由于pH本身變化幅度小，且堿解氮、有效磷、速效鉀與有機質(zhì)在0～30cm縱向梯度變化不明顯，因此這些指標不做深度梯度劃分，混合測定各指標在10cm、20cm、30cm表層土中的含量。

1)表層土壤含水量測定。在野外采樣點挖好剖面，并用環(huán)刀取出表層土壤，測其濕重并記錄，精確到0.01g。土樣體積含水量計算公式為：

式中，m1為環(huán)刀內(nèi)濕土樣重量，g；m2為環(huán)刀內(nèi)濕土樣重量，g；V為環(huán)刀容積，cm3；W為土樣體積含水量，%。

2)表層土壤pH測定。稱取10.0g土壤樣品置于50mL的高型燒杯或其他適宜的容器中，加入25mL 0.01mol/L氯化鈣溶液。將容器用封口膜或保鮮膜密封后，用磁力攪拌器劇烈攪拌2min或用水平振蕩器劇烈振蕩2min，并靜置30min。靜置過程中，控制試樣的溫度為(25±1)℃，與標準緩沖溶液的溫度之差不應(yīng)超過2℃。隨后將電極探頭插入試樣懸濁液垂直深度的1/3～2/3處，輕輕搖動試樣，待讀數(shù)穩(wěn)定后，記錄pH值。測定下一個試樣時，需用水沖洗電極，并用濾紙將電極外部水吸干。測定結(jié)果保留至小數(shù)點后2位。

3)表層土壤堿解氮測定。采用堿解-擴散法測定表層土壤堿解氮含量。測定公式如下：

式中，ω為土壤中堿解氮的含量，mg/kg；c為鹽酸或硫酸標準溶液濃度，mol/L；v為樣品測定時消耗鹽酸或硫酸標準溶液的體積，mL；v0空白測定時消耗鹽酸或硫酸標準溶液的體積，mL；m風干土樣質(zhì)量，g；14為氮的毫摩爾質(zhì)量，g/mol。

4)表層土壤有效磷含量的測定公式為：

式中，P2O5為有效鉀，mg/kg；A1為標準液的吸光度值；A2為待測液的吸光度值。

5)表層土壤速效鉀含量的測定公式為：

式中，K2O為有效鉀，mg/kg。

6)表層土壤有機質(zhì)含量的測定公式為：

式中，O.M為土壤有機質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)，g/kg；V0為空白試驗所消耗硫酸亞鐵標準溶液體積，mL；V為試樣測定所消耗硫酸亞鐵標準溶液體積，mL；C為硫酸亞鐵標準溶液的濃度，mol/L；0.003表示1/4碳原子的毫摩爾質(zhì)量，g；1.724為由有機碳換算成有機質(zhì)的系數(shù)；1.10為氧化校正系數(shù)；M為稱取烘干試樣的質(zhì)量，g。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理

煤礦區(qū)土壤含水量、pH、堿解氮、有效磷、速效鉀、有機質(zhì)含量的測定結(jié)果為離散點的形式，不能完整反映土壤質(zhì)量的變化趨勢。本研究借助空間插值方法獲取各指標空間變異情況及特征，并利用VESPER程序?qū)Ⅻc狀數(shù)據(jù)可視化為面狀數(shù)據(jù)。VESPER是由澳大利亞精準農(nóng)業(yè)中心(ACPA)開發(fā)的一個PC-Windows空間預(yù)測程序，該程序能夠使用局部或全局變異函數(shù)對點克里格和塊克里格進行插值，并可進行手動調(diào)整[16]。

2 土壤質(zhì)量時空變化規(guī)律

2.1 Kolmlgorov-Smirnov檢驗

為了進行克里金插值，需對數(shù)據(jù)進行正態(tài)分布檢驗，結(jié)果見表1。從表1可以看出，10cm、20cm、30cm土壤含水量雙側(cè)顯著性<0.1，不服從正態(tài)分布，其對數(shù)符合正態(tài)分布；pH、堿解氮、有效磷、速效鉀、有機質(zhì)雙側(cè)顯著性>0.1，服從正態(tài)分布。

表1 Kolmlgorov-Smirnov檢驗

10cm、20cm和30cm土壤平均含水量分別為3.92%、2.76%和2.71%，含水量隨深度增加依次減小，10cm土壤含水量平均值為20cm的142.03%。各指標變異系數(shù)對比結(jié)果可以看出，10cm、20cm、30cm土壤含水量變異系數(shù)較大，數(shù)據(jù)離散性更大；堿解氮、有效磷、速效鉀、有機質(zhì)變異系數(shù)之間相差較小；pH的變異系數(shù)最小，數(shù)據(jù)離散程度最小。

2.2 交叉驗證結(jié)果

將數(shù)據(jù)隨機均分為10份，每次選取其中的9份用于克里金插值，剩余1份用于驗證插值精度，如此重復(fù)10次，直到所有數(shù)據(jù)均被測試，進而得出克里金插值交叉驗證結(jié)果，如圖2所示。從圖2中可以看出，10cm含水量、20cm含水量、30cm含水量的交叉驗證R2分別為0.72、0.72和0.78，pH、堿解氮、有效磷、速效鉀、有機質(zhì)的交叉檢R2分別為0.84、0.82、0.80、0.82和0.81。各指標交叉驗證R2較高，說明克里格插值可信度較高。

圖2 插值交叉檢驗結(jié)果

按照未采區(qū)、1年沉陷區(qū)、2年沉陷區(qū)進行分區(qū)，并利用克里格插值得到各指標的空間分布圖。以此為基礎(chǔ)，分析土壤各指標的時空變化規(guī)律。

2.3 土壤含水量空間分布規(guī)律

采樣點土壤含水量分布散點如圖3所示。研究區(qū)10cm土壤含水量的平均值最高，1～2年沉陷區(qū)的20～30cm土壤含水量接近且最低。未開采區(qū)含水量隨深度增加先減少后增加，20cm深度含水量減少至10cm深度的67%，而30cm含水量恢復(fù)至10cm的73%；1年沉陷區(qū)含水量隨深度增加逐漸減小，20cm深度含水量減少至10cm深度的69%，30cm深度土壤含水量雖有下降，但減少速度變緩。2年沉陷區(qū)與1年沉陷區(qū)土壤含水量變化相近，但2年沉陷區(qū)土壤含水量整體略高于1年沉陷區(qū)。10cm土壤含水量波動最大，隨深度增加波動減弱，這可能與風力裹挾地表水分、太陽輻射造成水分蒸發(fā)有很大的關(guān)系，地裂縫的生成又會進一步增大二者的影響。

圖3 不同深度監(jiān)測站點含水量均值分布

不同深度土壤含水量空間分布規(guī)律如圖4所示。從圖4可以看出，不同深度土壤水具有不同的空間分布特征。在10cm土壤深度，土壤含水量高值區(qū)出現(xiàn)在未采區(qū)，覆蓋面積約占未采區(qū)面積的50%；次高區(qū)位于1年沉陷區(qū)西南方向邊界處，這可能與未采區(qū)臨界有關(guān)；低值區(qū)位于1年沉陷區(qū)西北、東南方向和2年沉陷區(qū)中間位置，覆蓋面積約分別占1年沉陷區(qū)和2年沉陷區(qū)面積的60%(圖4a)。在20cm土壤深度，土壤含水量高值區(qū)出現(xiàn)在未采區(qū)，覆蓋面積約占未采區(qū)面積的30%。其他兩區(qū)域均有高值區(qū)域出現(xiàn)，但覆蓋面積較?。坏椭祬^(qū)位于1年沉陷區(qū)的東南方向，覆蓋面積約占1年沉陷區(qū)面積的30%；次低值區(qū)分別位于1年沉陷區(qū)的西北方向和2年沉陷區(qū)的中部、西北方向，覆蓋面積約分別占1年沉陷區(qū)和2年沉陷區(qū)面積的30%和50%(圖4b)。在30cm土壤深度，未采區(qū)有小范圍高值區(qū)，1年沉陷區(qū)出現(xiàn)低值區(qū)，約占1年沉陷區(qū)面積的40%，2年沉陷區(qū)出現(xiàn)零星低值區(qū)(圖4c)。

圖4 不同深度土壤含水量空間分布

不同區(qū)域土壤水分含量對比結(jié)果可以看出，各深度未采區(qū)含水量均高于沉陷區(qū)；1年沉陷區(qū)在10cm深度土壤含水量略高于2年沉陷區(qū)，而在20cm、30cm深度含水量則低于2年沉陷區(qū)，表明2年沉陷區(qū)含水量與1年沉陷區(qū)相比有所恢復(fù)；未采區(qū)與1年沉陷區(qū)交界處的土壤含水量存在明顯界線，沉陷區(qū)土壤含水量與未采區(qū)相比，呈現(xiàn)斷崖式下降，這可能與采煤擾動有直接關(guān)系，正在作業(yè)的煤炭開采對土壤水含量影響較大。

采煤對土壤含水量的影響方式主要表現(xiàn)為：地表微塌陷或者局部小地裂縫的出現(xiàn)，會改變土壤的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，并將土壤暴露在環(huán)境中，從而加速土壤水分的蒸發(fā)[10]。根據(jù)與工作面的相對位置關(guān)系，地裂縫可分為工作面正上方的動態(tài)地裂縫和工作面邊界的邊緣地裂縫。邊緣地裂縫一般以“帶狀”形式平行于開采邊界分布，開采完成后最終以“O”型圈分布于地表。動態(tài)裂縫主要分布在工作面走向中心線附近，且平行于工作面。隨著工作面的向前推進，前方地表不斷產(chǎn)生新的地裂縫[17，18]。因此，受動態(tài)地裂縫影響，未采區(qū)與1年沉陷區(qū)交界處的土壤含水量存在明顯界線。但隨著開采時間的延長，采煤沉陷產(chǎn)生的大量裂縫由于自身和外力因素的影響，大部分裂縫均已基本閉合，土壤含水量逐漸得到恢復(fù)[7]。然而，采煤沉陷造成的土壤結(jié)構(gòu)破壞和土壤物理性粘粒的減少程度的不同，會使不同區(qū)域土壤含水量恢復(fù)速度出現(xiàn)差異[19]，進而造成2年沉陷區(qū)中部含水量較低區(qū)域的出現(xiàn)。

2.4 土壤pH空間分布規(guī)律

研究區(qū)采樣點土壤pH分布如圖5所示。從圖中可以看出，研究區(qū)土壤pH的變化波動小，變化范圍約為6.91～7.51，平均值變化范圍為7.21～7.28左右，整體在中性范圍內(nèi)。

圖5 監(jiān)測站點pH均值分布

研究區(qū)土壤pH空間分布規(guī)律如圖6所示。從空間分布上看，pH較小區(qū)域主要分布在2年沉陷區(qū)與其他兩區(qū)域的交界處，這與采煤巷道的方向一致。未采區(qū)土壤中性偏堿，pH高值區(qū)面積較大，約占未采區(qū)面積的70%；1年沉陷區(qū)存在3個高值區(qū)和3個低值區(qū)，分別約占沉陷區(qū)面積的65%和10%；2年沉陷區(qū)形成一個以區(qū)域為中心的大范圍高值區(qū)，約占沉陷區(qū)面積的80%，三個低值區(qū)分布在區(qū)域邊緣，約占面積的10%。因此，由采樣點均值和空間分布結(jié)果可以看出，研究區(qū)pH的變化總體不明顯。

圖6 pH空間分布

2.5 土壤肥力空間分布規(guī)律

采樣點土壤堿解氮、有效磷、速效鉀與有機質(zhì)分布如圖7所示(圖中堿解氮、有效磷、速效鉀含量的單位為mg/kg，有機質(zhì)含量的單位為g/kg)。從圖7中可以看出，首先，不同監(jiān)測站點堿解氮、有效磷、速效鉀與有機質(zhì)含量整體差別較大，堿解氮含量范圍約為23.33～55.01mg/kg，有效磷含量范圍約為12.07～27.54mg/kg，速效鉀含量范圍約為94.83～202.55mg/kg，有機質(zhì)含量范圍約為9.14～23.56g/kg；其次，由含量均值可以看出，堿解氮、有效磷、速效鉀與有機質(zhì)含量變化較小。

圖7 監(jiān)測站點肥力均值分布

堿解氮、有效磷、速效鉀、有機質(zhì)空間分布如圖8所示。由圖8可以看出，首先，與土壤水分空間分布規(guī)律不同，土壤肥力高值區(qū)域主要集中在2年沉陷區(qū)與1年沉陷區(qū)和未采區(qū)的交界處，尤其是有機質(zhì)分布，在交界處幾乎呈連片的帶狀區(qū)域分布。其次，1年沉陷區(qū)與未采區(qū)交界處土壤肥力存在明顯的界線，1年沉陷區(qū)土壤肥力與未采區(qū)相比，呈現(xiàn)斷崖式下降，這與土壤水分空間的分布相似。再者，堿解氮、有效磷、速效鉀、有機質(zhì)低值區(qū)域分布具有一致性，主要集中在未開采區(qū)中部和1年沉陷區(qū)的西北部、中部和南部，且覆蓋面積略有不同。速效鉀低值區(qū)域面積最大，分別約占未采區(qū)和1年沉陷區(qū)面積的35%和50%。堿解氮低值區(qū)域面積最小，分別僅占未采區(qū)和1年沉陷區(qū)面積的20%和25%。最后，2年沉陷區(qū)堿解氮、有效磷、速效鉀、有機質(zhì)高值區(qū)域分別分布在沉陷區(qū)的不同方位，這與1年沉陷區(qū)和未采區(qū)不同指標低值區(qū)域分布具有一致性的情況相反。

圖8 土壤養(yǎng)分空間分布

研究表明，采煤引起地表塌陷初期土壤堿解氮、有效磷、速效鉀與有機質(zhì)含量均顯著減小，土壤質(zhì)量總體表現(xiàn)出一定的退化趨勢；塌陷區(qū)自然恢復(fù)條件下5年左右后呈現(xiàn)改善的趨勢，部分區(qū)域經(jīng)歷10年仍未完成自修復(fù)，即采煤塌陷對土壤質(zhì)量的損害具有一定延續(xù)性[20，21]。但就本文實驗結(jié)果而言，采煤沉陷對土壤肥力的影響較小，即采煤是否會直接影響土壤肥力仍需進一步研究。

3 結(jié) 論

1)不同深度未采區(qū)含水量均高于沉陷區(qū)，高強度煤炭開采對土壤含水量影響較大。但隨著沉陷年限的增加，土壤整體含水量會有所恢復(fù)。

2)土壤pH平均值范圍為7.21～7.28，高強度煤炭開采對土壤pH影響較小；各區(qū)域堿解氮、有效磷、速效鉀與有機質(zhì)含量變化較小，即高強度煤炭開采對上述指標影響也較小。

3)本研究僅在二維空間上分析了土壤質(zhì)量各指標的時空變化規(guī)律，下一步將考慮采用三維經(jīng)驗貝葉斯克里金插值模型對各指標進行插值，以便在三維空間上進一步分析生態(tài)脆弱區(qū)采煤擾動下的土壤質(zhì)量時空變化。