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“青年科学家”特刊丨宋世杰副教授:陕北采煤沉陷区不同沉陷年限黄土坡面土壤可蚀性的变化规律

煤炭科学技术03-28

 

本文创新点

阐明了陕北煤矿区不同“沉陷年限-坡面部位”的黄土坡面0-20cm土壤机械组成和有机质含量的变化特征,基于EPIC模型计算了不同“沉陷年限-坡面部位”的土壤可蚀性K值,揭示了陕北煤矿区黄土沉陷坡面的水土流失效应及时空变化规律,为黄河流域中游煤矿区水土流失精准防控和生态环境保护与高质量发展提供科学依据。                      


     

作者简介                    

                   

                     
                     

                     
                       

                       
宋世杰                        
     副教授                        

宋世杰,男,1983年6月生,山东济南人,副教授,硕士生导师,主持完成纵横向项目20余项,获省部级科技奖励4项,厅局级科技奖励2项。发表学术论文40余篇,其中 SCI、EI检索20余篇。授权发明专利3项,获计算机软件著作权1项,出版专著2部。

研究方向                      

煤矿区地质环境采动损害防治

主要成果                      

致力于我国煤矿区开采沉陷及衍生生态环境损害机理与预测防控关键技术研究。揭示了煤层覆岩层状结构关键特征对开采沉陷的影响规律,弥补了地质因素影响开采沉陷的研究不足;提出了基于覆岩层状结构关键特征的开采沉陷分层传递预计方法,拓展了开采沉陷预计理论体系;阐明了采动过程中西部黄土采煤沉陷区地表黄土坡面形态变化规律,建立了地下采动与地表坡面土壤侵蚀的内在联系,指导了西部采煤沉陷区水土流失的采前预判、采中控制和采后治理;发现了西部黄土采煤沉陷区采动地裂缝在小空间尺度下对土壤微生物特性和可蚀性的影响规律,支撑了沉陷区土壤环境的精准修复。


作 者

宋世杰1,2,3,杜 麟1,2,3,王双明1,2,3,孙 涛1,2,3


单 位

1.西安科技大学 地质与环境学院;2.陕西省煤炭绿色开发地质保障重点实验室;3.西安科技大学 煤炭绿色开采地质研究院                  


                     

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摘   要                        

土壤可蚀性不仅可以定量刻画土壤自身抗侵蚀能力,还能反映人类活动产生的水土流失效应,研究煤炭采动损害对土壤可蚀性的影响有利于煤矿区生态环境保护。以陕北煤矿区沉陷年限分别为1~5、6~10a的典型沉陷坡面土壤(垂直深度20cm以浅)为研究对象,分别用MS2000激光粒度仪和总有机碳分析仪测定了土壤机械组成和有机质含量,并以此为基础利用EPIC模型计算土壤可蚀性K值,阐明了土壤机械组成和有机质的空间变化特征,揭示了沉陷坡面的水土流失效应。研究结果表明:① 陕北煤矿区开采沉陷不会改变土壤质地类型,但随沉陷年限增加坡顶部位土壤砂化程度加剧,坡中部位土壤砂化程度减缓,坡脚部位土壤砂粒含量下降趋势、黏粒含量增加趋势日趋明显。沉陷1~5a的坡顶部位10~20cm土层土壤物理结构恶化最为严重,沉陷6~10a内的坡脚部位10~20cm土层物理结构改善最为明显;② 开采沉陷会产生降低坡顶、坡中部位土壤有机质含量的效应,平均降幅为20.8%~55.3%。随着沉陷年限的增加,坡顶部位土壤有机质含量降幅加剧,坡中部位土壤有机质含量降幅减缓。沉陷6~10a的坡顶部位0~10cm土层土壤化学结构恶化最为严重,而对坡脚部位土壤有机质含量的影响不明显;③ 陕北煤矿区开采沉陷会产生提高周围土壤的可蚀性的效应,随着沉陷年限的增加,坡顶、坡中、坡脚部位土壤可蚀性K值增幅均有所减缓。沉陷1~5a的坡顶部位0~10cm土层土壤可蚀性K值增幅最显著,而沉陷6~10a的坡中部位以及不同沉陷年限下坡脚部位0~10cm土层土壤可蚀性K值变化不明显。开采沉陷会显著扩大坡顶部位两层土壤可蚀性的差异,缩小坡中、坡脚部位2层土壤可蚀性的差异;④ 陕北煤矿区沉陷坡顶土壤可蚀性K值较大,土壤抗侵蚀能力较差,应着重考虑人工措施如土壤结构改良、施肥等进行水土流失精准防控,坡脚、坡中部位则应着重考虑自然措施。该结果可为黄河流域中游煤矿区水土流失精准防控和生态环境保护与高质量发展提供科学依据。

                           

研究背景

煤炭是我国实现能源安全的兜底资源和压舱石,其在能源生产和消费结构中的主体地位短期内不会发生改变。黄河流域不仅是我国重要的生态屏障,更是煤炭资源富集区和输出地。据国家统计局最新数据,2020年黄河流域煤炭产量超过29亿t,占全国总产量的77%。特别是黄河流域中游,密集分布着陕北、黄陇、神东、宁东、晋北、晋中等6个国家规划的大型煤炭基地,已经成为国家能源生产重心向西部转移的重要接续地。陕北煤矿区因资源储量大、煤炭品质好、生产规模大等特点,在黄河中游煤炭生产区占有重要地位。然而,大规模的煤炭开采造成了地面塌陷、地裂缝、土壤与植被退化等采动损害问题,并进而导致矿区水土流失的发生或加剧。这既不符合习近平总书记关于黄河流域生态文明建设的重要指示,也不符合2021年10月中共中央、国务院印发的《黄河流域生态保护和高质量发展规划纲要》中“黄河中游突出抓好水土保持工作”的要求。因此,如何破解采动损害引发的水土流失问题已经成为陕北煤矿区乃至黄河中游生态环境保护与高质量发展的研究热点。

目前已有的研究成果主要集中在大空间尺度下开采沉陷对水土流失的影响规律与小空间尺度下弃土堆积物水土流失量估算方面。例如:黄翌等采用数字地形分析技术和遥感影像融合技术,计算了黄土高原煤矿区山地开采沉陷引起土壤侵蚀变化量,分析了土壤侵蚀变化机制。倪含斌等采用模拟降雨技术、模拟风化试验技术与GIS技术,对不同堆积年限矿区弃土堆积物进行土壤侵蚀量估算,并确定了影响土壤侵蚀的主要因子。李云鹏利用水力侵蚀预测模型Geo WEPP研究了沉陷对矿区水土流失的影响规律。然而,开采沉陷在宏观上影响水土流失的规律实际上是沉陷区地表坡面、沟道等微地形土壤侵蚀过程与结果的综合表征。因此,揭示沉陷区地表坡面等微地形的水土流失效应对于深化采煤沉陷区水土流失规律与机制科学认识具有重要的意义。

土壤可蚀性是研究水土流失效应的重要定量化指标,一般用K值表示。它不仅可以在微观上体现土壤本身对侵蚀外营力的敏感程度,也可以用于宏观上土壤侵蚀模数的估算。目前在国际上计算K值的模型主要有EPIC模型、Shirazi模型、Torri模型、诺谟及修正诺谟方程等,其核心计算参数主要是土壤的机械组成、有机质含量。

开采沉陷一般会对土壤的机械组成和有机质含量造成明显的影响,也就必然影响到土壤可蚀性。鉴于此,以土壤可蚀性K值为抓手,研究并揭示陕北采煤沉陷区黄土坡面土壤在不同沉陷年限下的潜在侵蚀能力特征及变化规律,以期为黄河流域中游煤矿区水土流失精准防控和生态环境保护与高质量发展提供科学依据。

内容概要

1 研究区概况                        

研究区位于陕西省榆林市神木县柠条塔井田,其地理位置为E109.67°~110.90°,N38.22°~39.45°,地处毛乌素沙漠南缘和陕北黄土高原的交接处,地势北高南低。

2 材料与方法                        
2.1 样品采集                        

                       

图1 采样示意

2.2 试验方法

土壤机械组成:采用激光衍射法,使用的仪器为MS2000激光粒度仪,每组数据平行测定3次。

土壤有机质:采用燃烧氧化-非分散红外吸收法,使用的仪器为总有机碳分析仪,每组数据平行测定3次。

2.3 数据处理方法                        

对不同沉陷年限、坡面部位、垂直深度的试验数据使用SPSS21.0软件进行统计分析,并通过单因素方差分析和最小显著法进行差异显著性检验,使用Origin软件进行图件绘制。

3 结果与分析                        
3.1 沉陷区黄土坡面土壤机械组成变化特征                        

表1 陕北开采沉陷区土壤机械组成及有机质测定结果

                         

                       

图2 沉陷坡顶不同沉陷年限及垂直深度的土壤质地三角图

                       

图3 沉陷坡中不同沉陷年限及垂直深度的土壤质地三角图

                       

图4 沉陷坡脚不同沉陷年限及垂直深度的土壤质地三角图

3.2 沉陷区黄土坡面土壤有机质变化特征

                       

图5 不同沉陷部位影响下不同沉陷年限及垂直深度有机质含量

3.3 沉陷区黄土坡面土壤可蚀性K值变化特征

表2 陕北开采沉陷区土壤可蚀性K值计算结果

                       

                       

图6 不同沉陷部位影响下不同沉陷年限及垂直深度土壤可蚀性K值

结 论

1)陕北煤矿区开采沉陷不会改变土壤质地类型,但坡顶、坡中部位土壤表现出明显的砂化特征,且随沉陷年限增加,坡顶部位土壤砂化程度持续加剧,坡中部位土壤砂化程度有所减缓,坡脚部位土壤砂粒含量、黏粒含量下降、增加趋势日趋明显。在沉陷1~5a的坡顶部位10~20cm土层土壤物理结构恶化最为严重,沉陷6~10a内的坡脚部位10~20cm土层物理结构改善最为明显。

2)开采沉陷会产生降低坡顶、坡中部位土壤有机质含量的效应,平均降幅为20.8%~55.3%。随着沉陷年限的增加,坡顶部位土壤有机质含量降幅日趋明显,坡中部位土壤有机质含量降幅有所减缓。在沉陷6~10a的坡顶部位0~10cm土层土壤化学结构恶化最为严重,而对坡脚部位土壤有机质含量的影响不明显。

3)陕北煤矿区开采沉陷会产生提高周围土壤的可蚀性的效应,随着沉陷年限的增加,坡顶、坡中、坡脚部位土壤可蚀性K值增幅均有所减缓。在沉陷1~5a的坡顶部位0~10cm土层土壤可蚀性K值增幅最显著,而沉陷6~10a的坡中部位以及不同沉陷年限下坡脚部位0~10cm土层土壤可蚀性K值变化不明显。开采沉陷会显著扩大坡顶部位2层土壤可蚀性的差异,缩小坡中、坡脚部位2层土壤可蚀性的差异。

4)陕北煤矿区沉陷坡顶土壤可蚀性K值较大,土壤抗侵蚀能力较差,应着重考虑人工措施如土壤结构改良、施肥等进行水土流失精准防控,坡脚、坡中部位则应着重考虑自然措施。


                     
引用格式                      

                     

宋世杰,杜麟,王双明,等.陕北采煤沉陷区不同沉陷年限黄土坡面土壤可蚀性的变化规律[J].煤炭科学技术,2022,50(2):289-299.
SONG Shijie,DU Lin,WANG Shuangming,et al.Variation of soil erodibility on loess slope under various subsidence years in coal mining subsidence area located Northern Shaanxi[J].Coal Science and Technology,2022,50(2):289-299.

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