开采沉陷区土壤特性空间变化及其作物响应

谢放放，李保莲，焦俊党，马守臣，张合兵，孙瑞，段佩玲

(1.河南理工大学 测绘与国土信息工程学院，河南 焦作 454000；2.河南省国土资源调查规划院，河南 郑州 450011；3.郑州铁路职业技术学院 药学系，河南 郑州 450052)

0 引 言

煤炭在过去以及未来较长一段时间内都会是我国的主要能源。煤炭开采在带来巨大经济增长的同时，也造成了一系列社会和生态环境问题，其中对土地造成的破坏是最直观的，尤其是地下开采造成的地表大面积沉陷变形，导致地形坡度增大，并产生大量地表裂缝，当沉陷深度超过地表潜水位时，浅层地下水、地表径流、降雨、灌溉水等汇聚形成常年或季节性积水[1]。据调查，至2012年底，我国由于煤炭开采造成的土地沉陷面积约为156万hm2[2]。中国统计年鉴显示，2013—2015年我国煤炭总产量约为116亿t，按照每采1万t煤土地沉陷面积0.33 hm2计算[2]，这期间土地沉陷面积约38万hm2，至2015年底土地沉陷总面积约为194万hm2，而我国土地资源的基本国情是人多地少，开采沉陷则进一步加剧了人地矛盾。开采沉陷不但破坏矿区地表形态，而且还对植物生长及其赖以生存的环境产生不良影响。研究表明，开采沉陷引起的土体变形会对植物根系造成一定损害，进而影响植物生长，严重时甚至会导致植物死亡[3]。此外，开采沉陷使原来相对平坦的土地产生附加坡度，加剧了水土流失和土壤侵蚀，坡面表层土壤养分随着侵蚀径流迁移流失，土壤理化性质及微生物特性逐渐恶化[4-7]；地表非连续移动变形产生大量的裂缝，更是增强土壤水分蒸发和渗漏能力，促使地表径流携带养分向深层流失[8-10]，扰乱植物根际不同土壤微生物和酶活性之间的内在联系[11]，不利于植物生长发育；若沉陷区形成常年或季节性积水，原生植物的生存环境将遭到直接破坏[1]。受沉陷扰动的影响，沉陷区耕地在水力、风力等外力作用下土壤质量严重下降，特别是在高潜水位矿区，沉陷区耕地还易受常年或季节性积水的影响，导致耕地生产力严重下降甚至造成作物绝收，进而影响区域以及我国的粮食安全[12]。因此，开展矿区受损耕地研究,对于土地复垦、缓解矿区人地矛盾以及保证区域粮食安全具有实践和理论价值。

近年来，关于煤炭开采对坏境影响的研究主要集中在土壤性质[4-7,13]、土壤重金属污染[14-16]和植被[10,17-18]等方面，当前的研究大都侧重于单一破坏因子对土壤质量和耕地生产力的影响[8,19]。在高潜水位矿区沉陷耕地一般同时遭受裂缝、坡度和积水等破坏形式的多重干扰，而多重干扰因素对土壤特性和耕地生产力的影响还缺少相应的研究。此外，在研究内容上，当前的研究主要侧重土壤特性，而关于作物对土壤变化的响应方面研究不够。因此，本文以河南焦煤能源有限公司赵固二矿的采煤沉陷农田为研究对象，针对土壤特性的空间变化以及作物响应进行相关研究，以期为矿区土地复垦、改善矿区耕地质量，提高土地生产力提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

赵固二矿区位于太行山南麓平原区的焦作煤田东部，行政区划隶属新乡辉县市管辖(图1)，地形简单，自西北向东南缓慢下倾。属暖温带大陆性季风型气候，四季分明，年平均气温14 ℃，年平均降水量573.4 mm，蒸发量2 039 mm。作物种植制度为冬小麦-夏玉米一年两熟制。该地区属于厚松散层、高潜水位煤粮复合区，对煤炭开采相对比较敏感，开采之后容易引起耕地大面积下沉，并在沉陷盆地中心形成积水。近年来，大规模的煤炭开采严重破坏了当地的耕地资源，大量耕地出现了地表沉降、塌陷裂缝、塌陷坑(图2)，已造成塌陷区面积约2 000 hm2，其中稳定塌陷区约1 200 hm2，动态塌陷区约800 hm2。据预测，井田开采结束后塌陷总面积将达到8 260 hm2，大面积的耕地资源将遭受沉陷扰动[20]。

图1 研究区地理位置

图2 研究区土地破坏特征

1.2 研究方法

该试验于2015年10月—2016年6月在赵固二矿的沉陷区进行，沉陷盆地中心存在积水导致无法耕种，盆地周围未积水的坡地仍正常种植作物，在裂缝、坡度、积水以及降雨等自然条件的共同作用下，沉陷坡耕地遭受严重的水土流失和土壤侵蚀，对土壤质量以及作物生长发育造成不同程度的影响。研究区耕地土壤为黏壤土，种植作物为冬小麦“百农矮抗58”。播前深耕，基施氮磷钾复合肥(质量比为w(N)∶w(P)∶w(K)=15%∶ 15%∶ 15%)750 kg/hm2；灌溉方式为低压管道输水，地面软管灌溉，其他管理同常规农田。将沉陷区坡耕地(沉陷坡度约8°，坡长约100 m)沿坡面从上到下划分为3个区域，分别为坡上、坡中和坡下(图3)。分别在小麦的拔节期(3月15日)和花期(4月23日)，在各个小区内选取3个样点，用五点混合取样法采集各点0～30 cm土层的土样，并装入铝盒和自封塑料袋内，密封后，带回实验室内以供土壤含水量、全氮含量以及酶活性测定，每个样点各个土壤指标3次重复测定。

图3 沉陷耕地分区与土壤样点分布示意图

土壤含水量和土壤含氮量：土壤含水量采用烘干称重法测量；土壤含氮量采用凯氏定氮法测量。

土壤酶活性：蔗糖酶采用3,5-二硝基水杨酸比色法测定；脲酶采用比色法测定。

土壤呼吸速率：于小麦的拔节期、花期在每个区域随机选取6个样点，使用EGM-4便携式土壤呼吸仪进行测定，每个样点重复3次。

小麦根系活力：采用“TTC”法于小麦的拔节期、花期在每个区域随机选取15株小麦的根系进行测定(3次重复)。

叶绿素含量：使用SPAD-502叶绿素仪在小麦的拔节期和花期分别统一选取具有代表性的倒二叶、旗叶进行测定，每个区域随机选取6株小麦。

净光合速率：使用 Licor-6400光合仪在小麦的拔节期和花期分别统一选取具有代表性的倒二叶、旗叶进行测定，时间为晴朗的上午09:00—11:00，每个区域随机选取3株小麦，且每株重复测3次，取平均值。

叶面积和株高：分别在小麦的拔节期和花期测定各区域小麦的叶面积和株高，每个区域重复6次，叶面积计算方法：长宽积系数法(系数取为0.83)。

小麦成熟期在每个区域随机取1 m2的小麦，测定其穗数、穗粒数、千粒重及产量，每个区域重复3次。

1.3 数据处理

对不同沉陷部位的试验数据使用Excel软件进行分析与绘图，以及使用SPSS软件进行统计分析，并通过单因素ANOVA中的LSD多重比较法进行差异显著性检验(p=0.05)。

2 结果与分析

2.1 开采沉陷区土壤水肥空间变化特征

土壤水肥状况是影响土壤微生物生长、繁殖和作物生长需要的重要因素[21]。图4显示了不同测试时期沉陷耕地表层土壤水、全氮的空间变化特征。拔节期和花期，不同沉陷部位之间的土壤含水量差异显著，呈现自坡上到坡下递增的趋势。在拔节期，坡中和坡下土壤全氮含量无显著差异，但均显著大于坡上；到花期，不同沉陷位置的土壤全氮含量表现为坡下>坡中>坡上，并且两两之间差异显著。

图4 不同沉陷部位土壤含水量(a)和全氮含量(b)

2.2 开采沉陷区土壤微生物特性空间变化特征

土壤呼吸速率和土壤酶活性是重要的土壤微生物学特性，土壤呼吸除了由土壤动物、植物根系呼吸和含碳物质的氧化作用组成外，土壤微生物呼吸也是其重要的组成部分[22]。土壤酶也主要来自土壤微生物，土壤中一切生物化学过程都要在土壤酶参与下才能完成，它为保持土壤生态系统平衡起着重要作用[23]。因此，土壤微生物学特性(土壤呼吸速率及土壤酶活性)在一定程度上反映土壤生物活性强度，可用来表征土壤质量和肥力的生物指标。在拔节期的呼吸强度、蔗糖酶和脲酶活性以及花期的脲酶活性变化规律一致，坡上与坡中差异不明显，且都显著高于坡下。在花期，不同沉陷部位土壤呼吸强度与蔗糖酶活性的差异显著，均表现为坡中>坡上>坡下(图5)。

图5 不同沉陷部位土壤呼吸速率(a)、土壤蔗糖酶活性(b)和土壤脲酶活性(c)

2.3 开采沉陷区小麦生理、形态和产量性状响应 特征

2.3.1 开采沉陷区小麦生理性状响应特征

根系是小麦吸收营养物质和水分的重要器官，也是最先对土壤逆境信号作出反应的器官[24]。根系活力的高低影响着植物对所需营养物质与水分的吸收能力以及其他生理功能的发挥，是反映根系吸收功能的重要指标之一[25]。从表1可知，在拔节期，坡上与坡中的小麦根系活力没有明显差异，均显著高于坡下；在花期，小麦根系活力表现为坡中>坡上>坡下。光合作用是小麦生长的重要生理活动，净光合速率作为衡量光合作用水平的重要指标，受到土壤水肥、叶绿素含量、根系吸纳能力等因素的影响。在拔节期，不同沉陷部位小麦的叶绿素含量和净光合速率表现为坡中>坡上>坡下；在花期，坡上和坡中的小麦叶绿素含量差异没有达到显著水平，但均显著大于坡下的，而小麦净光合速率空间变化特征和拔节期一致。

表1 不同沉陷部位小麦生理性状的响应特征

2.3.2 开采沉陷区小麦形态和生产性状响应特征

开采沉陷通过干扰小麦根系吸收水肥的能力和光合循环过程，进而对小麦的地上部分和产量造成影响。在拔节期，坡上和坡中小麦的叶面积、株高均无显著差异，且显著大于坡下的。在花期，小麦叶面积表现为坡中>坡上>坡下；而小麦株高空间变化特征和拔节期一致(表2)。到成熟期，坡下小麦穗数、穗粒数、千粒重、产量显著低于坡上和坡中的，坡上穗数和穗粒数与坡中的无显著差别，但千粒重和产量显著低于坡中的(表3)。

表2 不同沉陷部位小麦形态性状的响应特征

表3 不同沉陷部位小麦产量性状的响应特征

3 讨 论

3.1 开采沉陷对土壤水肥特性的影响

土壤水是土壤中物质和能量交换的主要介质，其空间分布受降雨、地形、植被、土壤理化特性等因素影响[26-28]。采煤沉陷导致局部地形、地貌改变和土壤结构受损，土壤水在势力梯度作用下将进行重新分布。许传阳等[8]研究发现,沉陷裂缝(隙)导致土壤持水能力相对减弱，加剧补给水(降雨、灌溉水等)下渗以及土壤水分侧向蒸发能力，土壤水分更易流失；麦霞梅等[29]对高潜水位采煤沉陷地土壤含水量变化规律研究表明，受地下潜水影响，土壤含水量随着距积水区距离减小而增大。在本研究区域，开采沉陷导致耕地附加一定的坡度，水分易沿坡面从上往下流失，且随着下沉深度的增加，地下水埋深越浅，越容易渗透到地表，并在坡底形成积水，另外，沉陷边缘的土壤受水平拉伸的影响，形成不同大小的裂缝和裂纹，促使表层土壤含水量进一步减少。在多种因素的共同作用下，土壤含水量呈现自坡上到坡下递增趋势。

在农业生产中，土壤氮素是农作物必需的重要营养元素之一，其供应不足是引起农产品产量和品质降低的主要因素。在采煤沉陷区，地表遭受破坏，降水时会引起严重的水土流失和土壤侵蚀，土壤中许多营养元素也会随着侵蚀径流发生迁移，使其空间分布差异化逐渐增大。本研究对沉陷区不同位置的土壤全氮量测定发现，拔节期，坡中和坡下土壤全氮含量无显著差异，但均显著大于坡上的；花期，不同沉陷位置的土壤全氮含量表现为坡下>坡中>坡上，并且两两之间差异显著。该结果与顾和和等[5]研究结果有所不同，其研究表明，开采沉陷使耕地产生坡度而导致的土壤侵蚀是影响土壤养分空间分布的关键因素，土壤全氮含量在坡中最低，坡上次之，坡下与坡底最高。本研究中，坡上的土壤全氮含量低于坡中，主要原因是坡上发育有明显裂缝，地表径流更易在此处汇集，携带表层土壤营养元素向深层渗漏，在坡度和明显裂缝的双重影响下，土壤全氮在坡上的流失程度相较于坡中更为严重。同时，小麦播种前深耕施肥以及拔节期前降水偏少，地表径流对坡中和坡下的土壤全氮含量的影响并不明显，随着时间推移，灌溉和降水量的增加，坡上和坡中的土壤侵蚀更为严重，并向沉陷中心汇聚，导致土壤全氮含量从坡上到坡下递增的趋势更加显著。这也进一步验证了沉陷区土壤肥力分布具有异质性、复杂性和多样性[30]。

3.2 开采沉陷对土壤微生物特性的影响

土壤微生物特性对环境变化较为敏感[31-32]，易受土壤结构和水肥条件等因素影响。本研究中，沉陷区耕地在裂缝、坡度、降水、积水等破坏形式多重干扰下，土壤水分、养分空间异质性增大，使土壤呼吸速率、土壤酶活性空间分布特征变化显著。坡下土壤呼吸速率、蔗糖酶和脲酶活性显著低于坡上和坡中的，主要归因于坡下位置受沉陷坡底积水影响。先前研究也报道了坡底积水情况对坡下土壤微生物特性的不同影响，即在坡底有积水的情况下，坡下土壤酶活性最低[33]，相反，在坡底不存在积水的情况下，坡下位置由于水分、养分的汇聚通常会导致较高的土壤酶活性[34]。

3.3 开采沉陷对小麦生长发育及产量的影响

作物生产对土壤结构、土壤水分、养分以及农田环境有较高的要求[35]。开采沉陷引起的地表移动变形会对植物根系造成直接损伤，进而影响植物的生长发育。此外，开采沉陷还会通过改变原有地表形态以及土壤特性(土壤结构、土壤含水量、土壤养分、微生物等)，干扰植物的生存环境，进而对植物生长发育造成影响。水分作为农作物生存的必要条件之一，其过多过少都会对作物生长产生胁迫，甚至生境发生功能性改变，不适宜种植作物[36]。张沛沛等[19]对采煤沉陷区积水对作物产量的影响研究发现，在沉陷坡度和积水的双重影响下，玉米产量随着距沉陷水域距离的减少而呈减少趋势。本研究结果也表明，积水是影响附近区域作物生长和产量的主要因素。在作物生长早期(拔节期)，受沉陷坡底积水的干扰，坡下土壤含水量过高，恶化土壤通气性，阻碍小麦根系生长发育以及对水分和养分的吸收，进而影响光合循环过程，导致地上部分发育不良；随着生育期推移，坡下部分区域形成季节性积水导致小麦因受渍害而大量死亡，存活个体其生理功能也受到严重的抑制，最终产量显著低于坡上和坡中的。此外，该研究区域作物生长不仅受沉陷坡度和积水的干扰，而且沉陷导致的地表裂缝也影响着作物的生长发育。在本研究中，拔节期坡上和坡中小麦的根系活力没有显著差异，但坡上小麦的叶绿素含量和净光合速率显著低于坡中的，随着生育期推移，坡上根系呼吸、光合作用、叶面积均小于坡中的，进而影响光合产物的形成以及籽粒的灌浆过程。因此，坡上小麦的千粒重和产量显著低于坡中的。可见，开采沉陷对植物生存环境的扰动情况不同，植物的生理特性和产量水平也会存在时空差异。

4 结 论

(1)在裂缝(裂隙)、坡度、长期积水以及降雨等自然条件共同作用下，开采沉陷区的土壤水分和全氮含量空间差异显著。土壤含水量和全氮含量均呈现自坡上到坡下呈递增趋势。

(2)受土壤水肥条件影响，土壤微生物特性(土壤呼吸速率、蔗糖酶和脲酶活性)在坡中相对较好，坡上次之，而坡下土壤由于含水量过高，抑制了土壤微生物活动，使其土壤微生物特性表现最差。

(3)不同沉陷部位小麦生长发育及产量特征也受到不同程度影响。受沉陷积水干扰，坡下小麦大量死亡，存活部分其根系活力、叶绿素含量、净光合速率、株高、叶面积及产量性状均显著低于坡上和坡中的；坡上由于明显裂缝的存在，作物生境条件相对于坡中更差，对小麦生长发育的胁迫作用更强，最终导致小麦产量显著低于坡中的。