煤矿塌陷区泥浆泵复垦土地土壤理化特性的时间变异性研究

摘要　本文通过对不同耕作时间泥浆泵复垦土地土壤的取样化验，系统地分析了泥浆泵复垦土地土壤的理化特性，并对其随时间的变异性亦进行为探讨。
关键词　泥浆泵　　复垦土壤　　理化特性　变异性

1　 引言

　　在煤矿塌陷区，利用泥浆泵复垦技术造地复田，已经在我国的许多矿区得到了应用，并且取得了较好的社会和环境效益。对于泥浆泵复垦的工艺流程及其土壤特性等都曾有人进行过研究和探讨，并且针对泥浆泵复垦技术的特点，提出了一些改进复垦工艺的措施和建议[1][2]。土地复垦的目的是使被破坏的土地恢复甚至超过破坏前的土地的生产能力，对泥浆泵复垦的土地而言，由于受到泥浆泵复垦技术工艺的影响，使得其土壤的理化特性明显不同于一般农田，其生产能力是否能够在短期内得以恢复，一直是我们关心的问题。鉴于此，作者选择了淮北矿区经过不同耕作时间的泥浆泵复垦土地为研究对象，试图在对其土壤理化特性测试分析的基础上，系统地研究泥浆泵复垦土地土壤理化特性的时间变异性，借此来评价泥浆泵复垦土壤的生产能力，以期为泥浆泵复垦技术的进一步推广提供理论参考。

2　煤矿塌陷区泥浆泵复垦土地的土壤物理特性及其时间变异性

2.1　煤矿塌陷区泥浆泵复垦土地的土壤剖面特性及其时间变异性

　　在煤矿塌陷区，利用泥浆泵复垦技术造地复田， 由于技术工艺自身的特点，使得复垦后土地的土壤特性发生了很大的变化。通过对经过不同耕作时间的泥浆泵复垦土地及一般农田进行挖掘剖面观察分析，我们发现，在剖面上，一般农田土壤均具明显的分层现象，上部表土层由于含有较高的有机质，因此，颜色一般较深，向深部颜色逐渐变浅。对于泥浆泵复垦土壤而言，新近复垦的土壤，由于未经耕作，仍然处于复垦后的自然状态，土壤没有分层现象，并且难以挖掘，粘性较大。经过耕作的泥浆泵复垦土壤，剖面结构发生了明显的变化，不仅粘性降低，而且已经开始出现分层现象，表层土颜色逐渐变暗。且可以看出，随着耕作时间的增加，土壤表层分层现象越明显，但深部的变化仍不明显。

2.2　 煤矿塌陷区泥浆泵复垦土地的土壤容重及其时间变异性

　　土壤容重是指单位土壤体(包括孔隙)的重量，一般而言，在我国北方旱作物地区，耕层的容重在1.0～1.3 mg／m3范围内，能够满足多种作物生长的需要，容重过大或过小对作物的生长均不利[3]。通过对一般农田土壤和经过不同耕作时间泥浆泵复垦土地土壤容重的测试(见图1、图2)，我们发现， 泥浆泵复垦土地土壤的容重在0～20 cm深度上均大于一般的农田土壤，但在深部并没有太大的差别，从经过不同时间耕作的泥浆泵复垦土地的土壤容重的对比分析可以看出，随着耕作时间的增加，在0～20 cm深度上，泥浆泵复垦土地土壤的容重逐渐降低，经过四年的耕作以后，已经接近一般农田土壤，但深部则没有明显的变化。因此，从泥浆泵复垦土地土壤的容重来看，它可以在短期内达到一般农田土壤的水平，能够满足多种作物正常生长的要求，不会成为土地生产力恢复的障碍。

图1　不同深度土壤容重对比图
　　(从左向右分别为新近复垦、耕作1、2、3、4年的泥浆泵复垦土地和一般农田)

图2　不同深度泥浆泵复垦土地的土壤容重随时间变化曲线

2.3　煤矿塌陷区泥浆泵复垦土地的土壤水分特征及其时间变异性

　　土壤水是土壤的重要组成部分，它是作物吸水的主要来源。土壤中含水量过低将导致作物缺水，影响其正常生长，但含水量过大，会导致土壤中透气性变差，抑制土壤中各种微生物的正常活动，使土壤中各种养分的释放受到严重的阻碍。从经过不同耕作时间的泥浆泵复垦土地和一般农田的土壤含水量测试结果(见图3、图4)。我们发现，在不同深度上，新近复垦的泥浆泵复垦土地土壤的水分含量明显高于一般的农田土壤，因此，不适宜立即进行作物种植，需经过一定时间的自然蒸发或者采取一定的措施，降低土壤中的水分含量。泥浆泵复垦土壤经过不同时间的耕作以后，其水分含量明显降低，特别是土壤的表层已经基本接近一般的农田土壤。因此，作者认为，泥浆泵复垦技术工艺所导致的土壤水分过高的不利因素不会成为土地恢复生产能力的障碍，但是，为了使破坏的土地尽快地恢复使用并且达到其原来的生产能力，应该采取适当的措施和合理的工艺流程等，使复垦土地土壤中的水分尽快排除。

图3　不同深度土壤水分含量对比图
　　(从左向右分别为新近复垦、耕作1、2、3、4年的泥浆泵复垦土地和一般农田)

图4　不同深度泥浆泵复垦土地的土壤水分含量随时间变化曲线

　　入渗是土壤重要的水分特征。一般情况下，农业土壤的累积入渗量(I)与时间(t)关系为I=a^。b^t(a、b为常数)，对其求导即得入渗率i=dI／dt= a^。b／t。经过野外测试及室内计算，我们发现，一般农田土壤的入渗率在0.002～0.004 cm／s之间，而泥浆泵复垦土地土壤的入渗率则在0.0001～0.0005 cm／s之间。由此可以看出，泥浆泵复垦土地土壤的入渗率明显低于一般农田土壤，虽然经过了不同时间的耕作，但是泥浆泵复垦土地土壤的入渗率没有发生大的变化，泥浆泵复垦土地土壤这种入渗性较差的特点，一定程度上抑制土壤中许多化学反应的进行，不利于作物从土壤中吸收各种养分，同时会导致土壤的盐碱化。因此，作者认为，可以在复垦的过程中，适当地加入粉煤灰等物质，会一定程度上改善因泥浆泵复垦技术导致的土壤入渗差的特性。

3　煤矿塌陷区泥浆泵复垦土地土壤的化学特性及其时间变异性

　　土壤中的化学元素N、P、K是作物生长的必需元素， 它们在土壤中的存在形式及含量严重地影响着作物的生长。为了研究泥浆泵复垦土壤化学特性及其时间变异性，我们选择了土壤中的全氮、全磷、速效磷、速效钾和有机质含量作为评价指标。对新近复垦和经历不同耕作时间泥浆泵复垦土地的土壤进行了取样和分析，同时与一般农田土壤进行了对比，分析结果分别见图5～图14。

图5　不同深度土壤全氮含量对比图
　　(从左向右分别为新近复垦、耕作1、2、3、4年的泥浆泵复垦土地和一般农田)

图6　不同深度泥浆泵复垦土地的土壤全氮含量随时间变化曲线

图7　不同深度土壤全磷含量对比图
　　(从左向右分别为新近复垦、耕作1、2、3、4年的泥浆泵复垦土地和一般农田)

图8　不同深度泥浆泵复垦土地的土壤全磷含量随时间变化曲线

图9　不同深度土壤速效磷含量对比图
　　(从左向右分别为新近复垦、耕作1、2、3、4年的泥浆泵复垦土地和一般农田)

图10　不同深度泥浆泵复垦土地的土壤速效磷含量随时间变化曲线

图11　不同深度土壤速效钾含量对比图
　　(从左向右分别为新近复垦、耕作1、2、3、4年的泥浆泵复垦土地和一般农田)

图12　不同深度泥浆泵复垦土地土壤速效钾含量随时间变化曲线

图13　不同深度土壤有机质含量对比图
　　(从左向右分别为新近复垦、耕作1、2、3、4年的泥浆泵复垦土地和一般农田)

图14　不同深度泥浆泵复垦土地的土壤有机质含量随时间变化曲线

　　从图5和图6中可以看出，在表层0～20 cm深度， 新近复垦和经过不同耕作时间的泥浆泵复垦土地的土壤全氮含量均明显低于一般农田土壤。尽管随着耕作时间的增加，这种差别有所缩小，但总体而言，泥浆泵复垦土壤中全氮的缺乏是相当严重的。因此，在作物种植过程中，增加氮肥的用量是非常必要的。从图7和图8中可以看出，在不同深度上，除新近复垦土地的土壤中全磷含量明显低于一般农田土壤外，经过不同耕作时间的泥浆泵复垦土地的土壤全磷的含量都已基本达到甚至超过了一般农业土壤，这说明泥浆泵复垦土壤中全磷的含量可以通过施肥迅速得以恢复。从图9和图10中可以看出，在不同深度上，除新近复垦土地的土壤中速效磷含量明显低于一般农田土壤外，经过不同耕作时间的泥浆泵复垦土地的土壤速效磷的含量基本达到甚至超过了一般农业土壤，特别是在土壤的表层(0～20cm)， 经过不同时间耕作的泥浆泵复垦土地土壤中速效磷的含量都已经超过了一般农田土壤，这说明泥浆泵复垦土壤中速效磷可以在短期内得以补充。从图11和图12中可以看出，在不同深度上，除新近复垦土地的土壤中速效钾含量明显低于一般农田土壤外，经过不同耕作时间的泥浆泵复垦土地的土壤速效钾的含量基本达到甚至超过一般农业土壤，特别是在土壤的表层(0～20cm),经过不同耕作时间的泥浆泵复垦土地的土壤速效钾的含量都已经超过了一般农田土壤，这说明泥浆泵复垦土壤中速效钾的缺乏可以在短期内通过施用钾肥得以改善。从图13和图14中可以看出，在不同深度上，泥浆泵复垦土地的土壤有机质含量均明显低于一般农田土壤，尽管经过耕作时间的增长，土壤中有机质的含量有所增加，但是这种增加量很小。因此，作者认为，泥浆泵复垦土地的土壤有机质含量较低，一定程度上会影响土壤生产能力的恢复，并且这种有机质含量低的问题在短期内，仅依靠施用有机肥难以解决，必需同时采取诸如秸杆还田等措施，逐渐加以解决。

4　结论

　　根据对泥浆泵复垦土壤理化特性室外取样观察和室内化验分析，我们得出以下结论:
　　(1)新近复垦的土地，土壤物理特性明显劣于一般农田；其化学元素含量亦均明显低于一般农田土壤，因此，从土壤理化特性分析来看，对新近复垦的土地必需采取适当的措施，加以处理，才能进行作物的种植。
　　(2)随着耕作时间的增加， 泥浆泵复垦土地土壤的物理特性发生了明显的变化，特别是表层土壤的物理特性越来越接近一般农田土壤。从土壤的容重和水分含量随耕作时间的变化来看，它们可以在短时间内得以改善，但由于泥浆泵复垦技术导致的泥浆泵复垦土壤入渗率较低的特点，会对土壤生产能力的恢复产生不良影响。如果不采取有效的措施加以解决，必将会导致土壤的盐碱化。
　　(3)随着耕作时间的增加， 复垦土壤表层的
化学特性发生了比较明显的变化。其中，全氮的含量虽然有所增加，但仍明显低于一般农业土壤；全磷、速效磷和速效钾的含量已基本达到甚至超过了一般农业土壤；土壤中有机质的含量有所增加，但仍明显低于一般农田土壤，但在土壤深部，土壤化学特性的变化不大。因此，土壤中全磷、速效磷和速效钾的缺乏可以通过施肥在短期内得以改善，但土壤中全氮和有机质严重缺乏的问题,除适当地增加施肥量外， 还需采取其它有效的措施加以解决。

第一作者:男，1969年生， 1997年毕业于中国矿业大学获工学博士学位，同年进入中国地质大学博士后流动站从事研究工作,研究方向为矿区可持续发展、矿产资源经济评价等。已发表相关论文10余篇。
作者单位：刘海滨　(中国地质大学资源学院，武汉430074)
　　　　　齐淑娟　(中国矿业大学采矿系)

参考文献

1　胡振琪.高潜水位塌陷区泥浆泵造地复田技术模式的研究. 中国土地科学，1993(1).
2　胡振琪.煤矿沉陷区泥浆泵复田技术研究.中国矿业大学学报，1994(1)，60～65.
3　国家土地管理局土地利用规划司等.矿区土地复垦技术与管理. 农业出版社，1993.