陈孝杨， 周育智， 于佳禾， 严家平

(安徽理工大学 地球与环境学院, 安徽 淮南 232001)

综合治理

砂姜黑土区采煤塌陷坡耕地氮磷时空分布与流失特征

陈孝杨， 周育智， 于佳禾， 严家平

(安徽理工大学 地球与环境学院, 安徽 淮南 232001)

摘要：[目的] 研究砂姜黑土区采煤塌陷坡耕地动态过程中表层土壤—N和有效磷(AP)的时空分布，揭示氮磷随地表径流流失的雨强和坡度变化特征。[方法] 选择淮北平原砂姜黑土区两类不同煤矿井工开采方式引发的地表塌陷坡耕地，动态监测表层土壤中—N和AP含量，并在实验室应用人工模拟降雨，测定2种雨强和3种坡度处理的地表径流中可溶态及颗粒态—N，AP含量。[结果] (1) 充填开采地表塌陷坡耕地表层土壤中—N含量为16.5～72.0 mg/kg，AP为26.0～63.5 mg/kg，非充填开采分别为9.08～67.2 mg/kg和22.4～82.1 mg/kg，未塌陷区域为83.5～162 mg/kg和38.7～86.5 mg/kg；(2) 两种开采方式地表塌陷坡地土壤—N和AP含量与未塌陷区域相比，均显著降低—N含量自坡顶至坡底逐渐增加。随时间推移，—N和AP含量未显著降低，AP含量反而有增加迹象；(3) 强降雨时—N和AP的流失量是弱降雨的3～5倍，颗粒态—N和AP流失量占总流失量的60%以上。坡度越大，—N和AP的流失量越多，流失量突变的坡度为5°～10°之间。[结论] 砂姜黑土区采煤塌陷坡耕地土壤氮磷流失显著增加，颗粒态—N和AP为径流流失的主要形式。

关键词：氮磷流失； 坡耕地； 砂姜黑土； 采煤塌陷

区域土壤氮磷流失对生态环境影响和对植物生理的负面作用十分明显[1]。土壤氮磷含量降低直接导致作物养分缺失，而通过地表径流进入附近水体的部分集聚又会造成湖泊或河流富营养化[2-3]。氮磷流失主体是其在土壤中的可溶性部分，地表径流和入渗是其主要运行方式。因此，降雨强度和坡度是其重要的影响因素[4]。当然，表层土壤的性质也决定着土壤剥蚀率和水流含沙量，进而改变地表径流泥沙和水溶液中氮磷含量[5-6]。不同的土地利用方式由于存在相异的地表覆盖物，径流产生方式不同，氮磷流失规律也存在很大差别[7-8]。就影响土壤氮磷流失的主要因素而言，已有研究[9-10]表明，强降雨造成的氮磷流失量远超过弱降雨，流失现象在强降雨的初期和末期达到极大峰值。氮磷随泥沙流失量占地表径流流失总量的80%以上，且随坡度增加，坡耕地土壤可溶性氮磷的流失量增加[11]。农田仍然是氮磷流失较容易的土地利用方式之一，通常来说，植被覆盖度越大、林相越复杂，人工干扰植被越少，则植被对降雨的截留作用越大，氮磷流失量越小[12]。

目前，我国关于高原黄土[13]、川中紫色土[14]、东北黑土[15]、南方红壤[16]等典型土壤氮磷流失规律及其影响因素多有探讨。而砂姜黑土与前者相比土壤性质有较大的不同，其广泛分布于安徽省北部的淮北平原中部，土壤黏粒含量较高，有机质含量少[17]。同时，煤炭开采引起的地表塌陷是个动态过程，坡耕地坡度随时间逐渐增加，表层土壤氮磷流失有其特殊性，而目前此方面的研究尚不多见。本研究在动态监测淮北平原砂姜黑土区煤矿充填和非充填开采地表塌陷坡耕地表土铵态氮与有效磷含量的基础上，应用实验室人工模拟降雨，测定不同雨强和坡度条件下可溶态与颗粒态铵态氮、有效磷随地表径流的流失量，分析地表塌陷坡地动态形成过程中土壤氮磷时空分布和流失规律，旨在为区域生态环境保护和土地复垦提供理论依据。

1研究区概况

研究区位于淮北平原中部，区域气候属季风暖湿带半湿润气候，春秋温和，雨量少，夏季炎热多雨，冬季寒冷多风。1980—1991年平均气温为14.1 ℃，最高气温(1988年7月8日)为40.3 ℃，最低气温(1988年12月16日)为-10.9 ℃。春秋季多东北风，夏季多东至东南风，冬季多北至西北风，平均风速为2.2 m/s，最大风速可达18 m/s。年平均降水量为834 mm，雨量多集中在7—8月。全年蒸发量1 400 mm，无霜期208～220 d，冰冻期一般在12月上旬至次年2月中旬。研究区地形比较单一，基本上以平原为主，地势平坦。研究区土壤类型为砂姜黑土，其是晚更新世(Q3)以来，在古地理环境条件下，发育在第四纪河湖相沉积物上的半水成土。从60 cm剖面构型上来看，具有黑土层与砂姜层两个基本层次，黑土层上部为耕作层。耕作层(Ap)厚度约20 cm(0—20 cm)，质地为黏土，颜色变浅，为暗灰棕，水分含量较高，呈湿润态。主要理化性质详见表1。黑土层(ABt)厚度约20 cm(20—40 cm)，质地为黏土，用蒸馏水浸湿，土壤呈腐泥状，颜色呈黑棕色，土壤颗粒呈柱状结构。硬砂姜层(Bkg)在深度40 cm以下，质地为壤黏土，土体颜色湿态为黄棕色，剖面淋溶现象和氧化还原现象(脱潜育化)明显，锈斑湿态颜色为亮棕色。

表1　研究区塌陷坡地耕作层土壤主要理化性质

2材料与方法

2.1　布点与采样

2.2　模拟降雨试验

2.3　数据处理方法

应用SPSS 18.0软件进行数据统计分析，单因素方差分析和差异显著性检验(p<0.05)。应用Excel软件进行数据整理和作图。

3结果与分析

3.1　氮磷时空分布

表2　采煤塌陷坡地土壤铵态氮和速效磷的含量均值　mg/kg

注：T，B分别为近坡顶和近坡脚处采样点； S1，S2分别为坡面中间的2个采样点；N作为参照的未塌陷区域监测样点。

3.2　氮磷流失对降雨强度响应

图1　雨强对与AP流失的影响(坡度10°)

3.3　坡度动态变化对氮磷流失影响

图2　坡度对-N与AP流失的影响(强降雨)

4结论与讨论

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Temporal-spatial Distribution and Loss Characteristics of Nitrogen and Phosphorus from Sope Farmland in Coal Mining Subsidence Aeas with Lime Concretion Black Soil

CHEN Xiaoyang， ZHOU Yuzhi， YU Jiahe， YAN Jiaping

(SchoolofEarthandEnvironment,AnhuiUniversityofScienceandTechnology,Huainan,Anhui232001,China)

Abstract：[Objective] Temporal-spatial distribution of ammonium —N) and available phosphorus(AP) in surface soil were studied from mining subsidence slope farmland in lime concretion black soil areas. Meanwhile, the loss characteristics of nitrogen and phosphorus from surface runoff was analyzed with respect to rain intensity and slope degree. [Methods] Two surface-subsided slope farmlands resulted from coal mining were selected to sample and measure soil —N and AP concentration from lime concretion black soil areas in Huaibei Plain. By simulated rainfall experiments in laboratory, soluble and particulate —N and AP concentration from surface runoff were determined under two different rain intensity and three slope conditions. [Results] (1) —N and AP concentration in surface soil of slope land for backfill mining were 16.5~72.0 mg/kg and 26.0~63.5mg/kg, respectively; and the corresponding values without backfill filling were 9.08~67.2 mg/kg and 22.4~82.1 mg/kg, respectively. While, —N and AP content were 83.5~162 mg/kg and 38.7~86.5 mg/kg from surface soil in non subsidence areas, respectively; (2) Soil —N and AP contents of the two mining-caused subsidence farmlands significantly decreased in contrast to that of the farmland without subsidence (p<0.05). The content of —N was found gradually increasing from the top to the bottom of the slope there. After subsidence happened, soil —N and AP concentration of the subsidence slope land did not significantly decrease as time went by, and AP content had an increasing instead; (3) —N and AP loss under heavy rainfall were 3~5 times of that of weak precipitation, in which, particulate —N and AP loss accounted for more than 60% of the total loss. The greater the slope is, the more —N and AP would be lost. The inflection gradient of increased loss is 5°~10°. [Conclusion] Mining substance can significantly result in the loss of soil nitrogen and phosphorus on slope lands in lime concretion black soil areas, and particulate —N and AP are the main ways of their loss with surface runoff in the region.

Keywords:nitrogen and phosphorus loss; slope farmland; lime concretion black soil; coal mining subsidence

文献标识码：A

文章编号：1000-288X(2015)02-0236-05

中图分类号：S158.3， S157.1

通信作者：严家平(1954—),男(汉族),安徽省淮南市人,教授、博士生导师,主要从事矿山地质灾害防治与生态环境修复研究。E-mail:jpyan@aust.edu.cn。

收稿日期：2014-12-07修回日期：2014-12-28
资助项目：国家自然科学基金项目“煤矿开采塌陷区土壤优先流时空演变及水土流失机理研究”(41372369)； 国家自然科学基金项目(51274013)
第一作者：陈孝杨(1976—),男(汉族),安徽省肥西县人,博士,副教授,主要从事矿山环境修复与土地复垦研究。E-mail:chenxy@aust.edu.cn。