成六三
(重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院,重慶 江津 402260)
煤炭資源的開采對(duì)區(qū)域的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展做了突出貢獻(xiàn),但隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和模式的改變,開采完煤炭資源引起的環(huán)境地質(zhì)問題已引起了全社會(huì)的關(guān)注[1-2],其中土地資源的損毀強(qiáng)度和規(guī)模尤為突出,據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),在過去50多年時(shí)間里,采煤造成土地資源損毀面積達(dá)上百萬(wàn)公頃[3],已嚴(yán)重影響區(qū)域糧食生產(chǎn)能力,因此,開展采煤沉陷區(qū)土地復(fù)墾研究成為政府和學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)之一[4]。
采煤沉陷區(qū)土地?fù)p毀的方式和特征受區(qū)域的地貌地形、地質(zhì)條件以及土壤性質(zhì)等方面綜合決定的,在西北黃土高原區(qū)、南方的平原區(qū)、東北黑土區(qū)以及中原的平原區(qū)等的土地復(fù)墾技術(shù)和模式都存在較大的差異[5-9]。而在西南喀斯特地貌區(qū)由于地形的復(fù)雜性,導(dǎo)致采煤沉陷區(qū)土地?fù)p害模式更加復(fù)雜[10],加之喀斯特地貌的稻田土壤形成條件和水源生產(chǎn)力要素多以區(qū)域地質(zhì)條件為基礎(chǔ),形成的喀斯特地貌的不同海拔高度的洼地、谷地以及泉水[11]。在采煤沉陷期間,其地表稻田土壤層和稻田灌溉水源的地質(zhì)基礎(chǔ)條件發(fā)生變化,必將導(dǎo)致稻田土壤剖面層結(jié)構(gòu)和灌溉水源泉水賦存介質(zhì)的改變,最終嚴(yán)重影響到稻田水文過程的變化,造成稻田轉(zhuǎn)變?yōu)楹档氐耐恋赝嘶J胶退Y源短缺問題[12]。針對(duì)以上土地復(fù)墾問題,一些學(xué)者對(duì)西南采煤沉陷區(qū)對(duì)土地?fù)p毀特點(diǎn)、農(nóng)田土壤物質(zhì)性質(zhì)、土壤入滲、稻田生產(chǎn)能力以及復(fù)墾模式等方面進(jìn)行研究探討,對(duì)這一地區(qū)采煤沉陷區(qū)土地復(fù)墾工作起到了積極的意義。但這些研究都弱化了一個(gè)重要水文要素的完整過程變化[13],因?yàn)樗疽粋€(gè)生長(zhǎng)過程會(huì)影響到稻田水文變化,更影響著稻田復(fù)墾旱地或水田的方向,使稻田水文效應(yīng)研究基本上處于破碎化和不夠系統(tǒng)化。因此,本文將以水稻的一個(gè)生長(zhǎng)期內(nèi),對(duì)比分析稻田的水文過程變化及其影響因素分析,來(lái)闡述喀斯特地貌區(qū)采煤沉陷對(duì)稻田的水文效應(yīng)變化,旨意為這一地區(qū)水田復(fù)墾提供理論與實(shí)踐指導(dǎo)意義。
研究區(qū)為重慶市東南部的松藻煤電集團(tuán)下礦區(qū)(E 106°45′~E 106°51′,N 28°38′~N 28°46′),面積為235.5 km2,井下煤炭資源設(shè)計(jì)開采量為1.08×107t/a,已開采50多年,對(duì)地方社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展作出了巨大貢獻(xiàn)。研究區(qū)屬于典型的西南山地喀斯特地貌區(qū),在開采煤層頂板以上主要為嘉陵江組和長(zhǎng)興組的灰?guī)r,開采煤層底板以下主要為茅口組灰?guī)r,這頂?shù)装宓貙訋r溶非常發(fā)育,在地表有形成的典型巖溶洼地、石牙、峰叢、谷地以及溶蝕槽壩地等,地形為中低山、剝蝕、侵蝕切割地形,稻田主要分布在河谷階地、平壩、溶蝕溶蝕槽壩內(nèi)以及少量巖溶洼地,稻田土壤類型為典型的紫色水稻土、紫色土以及黃壤、潮土等,耕作層厚度差異較大,約為15~100 cm。年均降雨量1 241 mm,年均蒸發(fā)量1 024 mm,年均氣溫15℃,屬于亞熱帶濕潤(rùn)氣候。研究區(qū)地表分布上千泉眼,溪河縱橫,流量大小不一,水資源較為豐裕,為稻田灌溉和人畜飲水的重要水源。地下水多以潛水、巖溶和層間裂隙水為主。
井工開采50多年來(lái),已形成大面積沉陷區(qū),據(jù)2012年相關(guān)統(tǒng)計(jì),礦區(qū)地表水和地下水不同程度受損面積達(dá)100 km2,10條以上溪河漏水?dāng)嗔?地下水水位最大降幅超過400 m,地表灌溉溝渠12 000多m不同程度下沉損壞,導(dǎo)致采煤沉陷區(qū)4 000 hm2稻田轉(zhuǎn)變?yōu)楹档鼗蛄袒?給當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人畜飲水造成嚴(yán)重影響,非常不利于礦區(qū)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)生態(tài)的協(xié)調(diào)發(fā)展[14]。
為探索研究采煤沉陷對(duì)稻田的水文效應(yīng)及其影響因素分析,采用現(xiàn)場(chǎng)原位觀測(cè),將采煤沉陷未損壞的稻田設(shè)置1組為對(duì)比(自采煤沉陷以來(lái)稻田未出現(xiàn)任何影響)且3個(gè)重復(fù)分別為1-1,1-2,1-3,將采煤沉陷區(qū)損壞稻田設(shè)置2組(20年前采煤沉陷,稻田出現(xiàn)漏水,無(wú)法蓄水,但現(xiàn)已經(jīng)完成沉降,屬于穩(wěn)定沉陷區(qū)),每組有3個(gè)重復(fù)分別為2-1,2-2,2-3,其基本屬性如表1所示。2018年進(jìn)行大田種植試驗(yàn),在水稻生長(zhǎng)期內(nèi)測(cè)試了稻田土壤物理性質(zhì)、田間土壤入滲系數(shù)、灌溉水量、每次灌溉下田間下滲時(shí)間、降雨量、蒸發(fā)量以及水稻根系生物量、秸稈生物量和產(chǎn)量等指標(biāo)。
表1 采煤沉陷區(qū)稻田基本屬性
1.3.1 稻田土壤樣品采集與物理指標(biāo)測(cè)定
2018年12月對(duì)1-1,1-2,1-3,2-1,2-2,2-3稻田進(jìn)行了土壤采樣。由于正常稻田土壤厚度較大,非正常稻田土壤厚度普遍較薄,因此,稻田土壤取樣分為兩層,即0~15 cm、15~30 cm,采樣方法采用“S”形布點(diǎn),每個(gè)點(diǎn)位每層均采取 2~3個(gè)土樣,充分混合后,“四分法”取 1 個(gè)樣品,將采集的土樣帶回實(shí)驗(yàn)室,風(fēng)干、分選、去雜,再分別過 0.25 和 1 mm 土壤篩備用。室內(nèi)測(cè)量采集土壤樣本的容重、含水率及機(jī)械組成等物理性質(zhì)。稻田土壤樣品的物理性質(zhì)測(cè)定包括土壤容重、總孔隙度、含水率(質(zhì)量含水率)和土壤機(jī)械組成。其中,土壤容重、總孔隙度和含水率的測(cè)定采用環(huán)刀烘干法;土壤機(jī)械組成的測(cè)定采用比重計(jì)法,但由于表土受人類活動(dòng)影響較大,所以僅測(cè)定15~30 cm的土壤機(jī)械組成。
1.3.2 稻田犁底層土壤入滲率測(cè)定
2018年12月對(duì)1-1,1-2,1-3,2-1,2-2,2-3稻田進(jìn)行了土壤入滲率測(cè)定試驗(yàn)。采用了野外測(cè)定包氣帶非飽和松散巖層滲透系數(shù)常用的雙環(huán)法試驗(yàn)法。6塊水稻田選取5個(gè)點(diǎn)做入滲點(diǎn),共30個(gè)測(cè)試點(diǎn),正常與非正常稻田各15個(gè)。土壤滲水試驗(yàn)的原理是在一定的水文地質(zhì)邊界以內(nèi),向地表松散巖層進(jìn)行注水,使?jié)B入的水量達(dá)到穩(wěn)定,即單位時(shí)間的滲入水量近似相等時(shí),再利用達(dá)西定律的原理求出滲透系數(shù)(K,m/d)值,具體的計(jì)算公式如下[15]:
(1)
(2)
式中:Q為穩(wěn)定滲流量,m3/d; W為滲坑內(nèi)環(huán)的滲水面積,m2;Q與W比值為V,即滲透速度,m/d;I為水力梯度(沿滲透路徑水頭損失與滲透路徑長(zhǎng)度的比值);Hk為水向干土中滲透時(shí),所產(chǎn)生的毛細(xì)壓力,以水柱高表示,m,可根據(jù)不同巖性確定;Z為滲坑內(nèi)環(huán)水層厚度,m;L為在試驗(yàn)時(shí)間段內(nèi),水由試坑底向土層中滲透的深度,m。
試坑為圓形(底面積 0.3~0.5 m2),高 30~50 cm,按雙環(huán)法滲水試驗(yàn)原理安裝好試驗(yàn)裝置,控制流量連續(xù)均衡的注水于內(nèi)、外鐵環(huán)內(nèi),并保持內(nèi)外環(huán)的水柱都保持在同一高度,按一定的時(shí)間間隔觀測(cè)滲入水量。開始時(shí)因滲入量大,每隔 2 min 觀測(cè) 1 次,稍后每隔 10 min觀測(cè) 1 次,直至單位時(shí)間滲入水量達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定,再延續(xù) 2~4 h 結(jié)束試驗(yàn)。滲透系數(shù)根據(jù)穩(wěn)滲后單位時(shí)間內(nèi)滲入坑底的水量推算。
1.3.3 其他指標(biāo)測(cè)定方法
2018年3-10月,灌溉水量用水量計(jì)進(jìn)行測(cè)量;每次灌溉下田間下滲時(shí)間采用秒表進(jìn)行觀測(cè);降雨量是用雨量計(jì)測(cè)定;蒸發(fā)量以直徑為20 cm的蒸發(fā)皿測(cè)定;8月對(duì)水稻根系生物量進(jìn)行了測(cè)定;11月對(duì)稻田的秸稈生物量和產(chǎn)量進(jìn)行烘干測(cè)定。
由表2分析,從土壤容重來(lái)看,經(jīng)采煤沉陷穩(wěn)定后,正常與非正常稻田土壤容重都隨土層深度(0~30 cm)增加略有增加,這是由于稻田土壤剖面經(jīng)耕作淋溶、積淀等過程形成的,但在同一深度時(shí),正常稻田土壤容重稍低于非正常稻田土壤容重,且隨土層深度增加,這一趨勢(shì)較明顯。這是由于采煤沉陷導(dǎo)致土壤剖面產(chǎn)生不同程度的微裂隙[16],加速土壤上層黏粒淋溶所造成,但在稻田耕作層(0~30 cm)內(nèi),總體上采煤沉陷未對(duì)稻田土壤容重產(chǎn)生影響;對(duì)土壤含水率而言,正常稻田土壤含水率普遍比非正常稻田土壤含水率高,且隨土壤深度增加略有增高的趨勢(shì),雖然影響土壤含水量的因素較多,但主要可能是由于采煤沉陷后土壤層產(chǎn)生的微裂隙的原因;正常稻田土壤孔隙度在土壤剖面層次比非正常稻田土壤孔隙度略高的規(guī)律,其形成規(guī)律與土壤容重基本一致。
表2 稻田土壤物理特性
由于稻田表土層(0~15 cm)受人為耕作活動(dòng)的影響較大,未進(jìn)行土壤機(jī)械組成分析。在稻田土壤剖面15~30 cm深度,正常與非正常稻田土壤機(jī)械組成的比例大致一致,黏粒含量占比最多,砂礫含量占比最少;但非正常稻田黏粒含量普遍比正常稻田黏粒含量略高3%左右。這可能由于采煤沉陷導(dǎo)致局部稻田土壤層微裂隙較大,黏粒隨土壤水淋溶而下沉,但整體上對(duì)比正常與非正常稻田土壤機(jī)械組成變化來(lái)看,采煤沉陷對(duì)稻田土壤機(jī)械組成的影響甚微。
對(duì)野外稻田土壤的表層土(0-15cm)進(jìn)行了清除,統(tǒng)計(jì)了正常與非正常稻田犁底層土壤入滲參數(shù)如表3所示。正常稻田犁底層入滲系數(shù)均值在11.625mm/min,樣本的最大值是最小值的3倍左右,變異系數(shù)0.475,屬于中等變異程度,這表明正常稻田犁底層入滲系數(shù)具有一定的空間異質(zhì)性,除了人工耕作因素外,喀斯特地貌的復(fù)雜性也是犁底層特性的原因之一;而非正常稻田土壤犁底層入滲系數(shù)均值為62.718mm/min,且入滲系數(shù)最大值是最小值的6倍,變異系數(shù)0.297,低于正常稻田的變異系數(shù),但也屬于中等變異程度,這表明采煤沉陷造成稻田土壤層微裂隙,損壞了稻田犁底層物理特性,加快了表層土壤水分快速下滲,引起稻田土壤含水率下降。對(duì)比正常與非正常稻田犁底層土壤入滲系數(shù),非正常稻田犁底層土壤入滲系數(shù)均值是正常稻田犁底層土壤入滲系數(shù)的6倍,最大值相差10倍多,這也進(jìn)一步表明采煤沉陷對(duì)局部稻田犁底層土壤入滲系數(shù)產(chǎn)生了較大的影響。
表3 稻田犁底層土壤入滲參數(shù)統(tǒng)計(jì)特征
由表4分析,在一定氣候條件下,正常稻田水稻在生長(zhǎng)期內(nèi)的總需水量為降雨量和灌溉量,總均值為672.7 mm,每平方米水稻需水8.53 mm/m2,非正常稻田水稻在生長(zhǎng)期內(nèi)的總水量均值為945 mm,每平米水稻需水11.2 mm/m2,非正常稻田比正常稻田水稻需水量每平米多2.67 mm/m2,每公頃就要多灌溉26.7 m3的水量。在采煤沉陷區(qū)內(nèi)種植非正常稻田就需要更多的灌溉水量。
表4 水稻生長(zhǎng)期水量統(tǒng)計(jì)
由表5分析知,正常稻田產(chǎn)量均值為1.23 kg/m2,非正常稻田產(chǎn)量為0.92 kg/m2,則每公頃多產(chǎn)3 100 kg水稻,這表明采煤沉陷對(duì)水稻產(chǎn)量影響較為明顯;從秸稈重生物量來(lái)看,正常稻田秸稈生物量干重為0.77 kg/m2,非正常稻田產(chǎn)量為0.65 kg/m2,正常稻田比非正常稻田的秸稈生物量干重多0.12 kg/m2,則每公頃多產(chǎn)出1 200 kg秸稈生物量干重;再?gòu)牡咎锏膯沃晁靖瞪锪扛芍貋?lái)分析,正常稻田的單株水稻根系生物量干重均值為3.18 g,非正常稻田單株水稻根系生物量干重均值為1.44 g,正常稻田單株水稻根系生物量干重均值比非正常稻田的多1.74 g,這表明采煤沉陷引起的稻田土壤環(huán)境嚴(yán)重影響了水稻根系的正常生長(zhǎng)。綜合三者因素分析,采煤沉陷對(duì)局部水稻生產(chǎn)產(chǎn)生較大的影響。
表5 水稻生物量與產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)
采煤沉陷導(dǎo)致采空區(qū)地表下沉、變形,地表出現(xiàn)塌陷坑、地裂縫等地質(zhì)災(zāi)害,嚴(yán)重影響了采空區(qū)的水土資源可持續(xù)利用[17]。由于西南山地喀斯特地貌的復(fù)雜性以及稻田土壤剖面的特性等,采煤沉陷引起部分稻田蓄水快速下滲,甚至無(wú)法蓄水,稻田逐步演變?yōu)楹档豙18]。通過在采煤沉陷區(qū)內(nèi)的正常與非正常稻田野外試驗(yàn)對(duì)比分析研究了土壤物理特性,土壤犁地層入滲率,灌溉需水以及生物量等內(nèi)容,西南山地喀斯特地貌采煤沉陷對(duì)稻田正常生產(chǎn)產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響,其主要因素土壤犁地層受損,加快土壤水分快速下滲滲漏,在稻田耕作層形成不利于水稻生長(zhǎng)低水分環(huán)境,以致于水稻生物量包括秸稈、根系以及產(chǎn)量普遍低于正常稻田。
這一研究結(jié)果不同于其他地貌區(qū)下采煤沉陷稻田受損的特點(diǎn),西南山地喀斯特地貌在地表起伏較大,從采空區(qū)地表到煤炭資源頂板巖體變形復(fù)雜,特別在地表,受地形因素較大[19]。另一方面,西南山地喀斯特地貌稻田形成基本上基于洼地、蝕坑以及谷地,稻田土壤剖面層次結(jié)構(gòu)差異性較大[20],在同一地貌下,采煤沉陷對(duì)稻田土壤水分儲(chǔ)存介質(zhì)和運(yùn)移規(guī)律影響異質(zhì)性較明顯,即部分稻田生產(chǎn)正常,部分稻田生產(chǎn)嚴(yán)重影響。
事實(shí)上關(guān)于稻田犁底層對(duì)土壤水分運(yùn)移規(guī)律和水稻生產(chǎn)功能研究已經(jīng)比較深入了[21],但對(duì)稻田犁底層損壞出現(xiàn)的微裂隙及其貫通風(fēng)化層和基巖的水分運(yùn)移通道的演變方面還沒有進(jìn)行深入研究,雖當(dāng)前很少研究集中在犁底層微裂隙的探測(cè)與驗(yàn)證方面取得了較好成果[22],但在指導(dǎo)和診斷非常稻田恢復(fù)方面的野外試驗(yàn)研究還非常少,因此,西南山地喀斯特地貌采煤沉陷非正常稻田修復(fù)還需要多時(shí)間的試驗(yàn)研究來(lái)支撐。
總之,西南山地喀斯特地貌區(qū)采煤沉陷影響稻田正常生產(chǎn)涉及多方面因素,是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)[23],采煤活動(dòng)強(qiáng)度大小、巖性組成及其強(qiáng)度、地形起伏、耕作以及水源利用等都會(huì)對(duì)稻田正常生產(chǎn)產(chǎn)生影響。除此之外,水稻根系對(duì)犁底層的生態(tài)功能還需要今后開展這一研究,這不僅關(guān)系到采煤沉陷去稻田生態(tài)修復(fù)技術(shù),而且關(guān)系到區(qū)域糧食生產(chǎn)能力的提升,更關(guān)系到這一區(qū)域社會(huì)和諧和經(jīng)濟(jì)生態(tài)的協(xié)調(diào)發(fā)展。