全 文 ：中国生态农业学报 2014年 6月 第 22卷 第 6期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, Jun. 2014, 22(6): 635−641


* 安徽省国土资源科技项目(2012-k-24)、安徽省自然科学基金项目(1208085QE91)、教育部留学回国人员科研启动基金和安徽省博士后
基金项目(2012-1)资助
徐良骥, 研究方向为矿山开采沉陷与土地复垦。E-mail: ljxu@aust.edu.cn
收稿日期: 2013−12−31 接受日期: 2014−03−19
DOI: 10.3724/SP.J.1011.2014.31264
充填与非充填开采条件下煤矿沉陷区耕地土壤
质量空间分布规律研究*
徐良骥1 黄 璨1 章如芹1 严家平1 Helmut MEUSER2
Lutz MAKOWSKY2
(1. 安徽理工大学测绘学院 淮南 232001; 2. 奥斯纳布吕克应用科技大学 奥斯纳布吕克 49090)
摘 要 为了研究煤矿井下充填开采是否能有效保护地表耕地土壤环境, 保持土壤肥力, 本文以皖北矿业集
团公司五沟煤矿充填开采工作面与非充填开采工作面为试验区, 在 2 个工作面对应上方地表分别划分试验区
域和对照区域, 进行采样、相关土壤指标检测及结果分析。试验区域(充填开采)包括: 地表沉陷区坡脚 B1处(点
1′~点 3′)、沉陷区坡面 B2处(点 4′~点 6′)、沉陷区坡顶 B3处(点 7′~点 9′); 对照区域(非充填开采)包括: 地表沉
陷区坡脚 A1处(点 1~点 3)、沉陷区坡面 A2处(点 4~点 6)、沉陷区坡顶 A3处(点 7~点 9)。每个区域分别在 9个
采样点内按照 0~20 cm、20~40 cm和 40~60 cm 3个土壤深度分层采集土样, 对土壤理化性质以及该区域小麦
株高和经济产量进行了测定和分析。试验结果显示, 充填开采区域土壤碱解氮、有效磷、速效钾和有机质在 3
个土层的平均含量均高于非充填开采区域。试验观测期间, 3 月份 B1处小麦株高小于 A1处, 5—6 月 B2和 B3
处小麦长势均优于 A2和 A3处, 直至收割; 小麦成熟时, 充填开采区域经济产量高于非充填开采区。充填开采
区域地块土壤含水量高于非充填开采区域。因此, 本文认为充填开采比非充填开采更能保持开采区域上覆土
壤的养分和水分。但与正常土壤背景值相比, 充填开采区域上覆土壤仍存在某些营养元素(如有机质及磷元素)
含量不足的问题, 其作为农耕地需要加强人工活动的影响, 如增施肥料、加强田间管理等。
关键词 充填开采 非充填开采 煤矿沉陷区 土壤养分 空间分布特征 小麦
中图分类号: S158; TD88 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2014)06-0635-07
Spatial distribution regularities of farmland soil quality in subsidence
areas of coal filling mining and non-filling mining
XU Liangji1, HUANG Can1, ZHANG Ruqin1, YAN Jiaping1, Helmut MEUSER2, Lutz MAKOWSKY2
(1. Faculty of Surveying and Mapping, Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, China;
2. Osnabrück University of Applied Sciences, Osnabrück 49090, Germany)
Abstract Correlation research results showed that underground filling coal mining can effectively alleviate ground surface
settlement in coal mining areas. To study whether filling coal mining was effective in protecting surface soils in cultivated lands,
especially the ability of effectively maintaining soil fertility, an investigation was conducted in CT101 filling working face and 1013
non-filling working face in Wugou Coal Mine of Northern Anhui Mining Group. The test region and control region were set in the
corresponding surfaces above the filling mining working face and non-filling working face. The two regions [both non-filling area (A)
and filling mine area (B)] included division A1 or B1 in slope base of surface subsidence (point 1′ to point 3′), division A2 or B2 in
middle subsidence slope (point 4′ to point 6′) and division A3 or B3 at top edge of subsidence (point 7′ to point 9′). In accordance with
nine sampling points of each regions, each point was separately sampled at three soil depths [0−20 cm (H1), 20−40 cm (H2) and
40−60 cm (H3)] and two parallel samples collected for each depth, totaling 108 samples in the two regions. By this way, the physical
properties (including soil bulk density and water content) and nutrients (including organic matter, available nitrogen, available
phosphorus and available potassium contents), the height and yield of wheat in the two regions were analyzed. The results showed
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that nutrients contents of surface soil in the test region were higher than those in the control region. Based on observations during the
experimental period, wheat growth in zones B2 and B3 was better than that in zones A2 and A3 from May to June until harvest.
However, this was not the case for wheat height in zone B1, which was shorter than that in zone A1 in March. Wheat yield was higher
in B zones than that in A zones at harvest. Soil moisture in the test region was higher than that in the control region. The analysis
showed that mine filling activity had a stronger ability than non-filling in holding nutrients and water in overlying soils in mining
areas. This was critical for the protection of land and the environment. Compared with normal soil background values, however, the
overlying soils of mine filling area still exhibited some problems with nutrients contents such as organic matter and available
phosphorus. With regards any effect on agriculture field, mine filling areas needed strengthened artificial activities such as addition of
fertilizers, strengthening of field management, etc.
Keywords Filling mining; Non-filling mining; Coal mining subsidence area; Soil nutrient; Spatial distribution characteristics; Wheat
(Received Dec. 31, 2013; accepted Mar. 19, 2014)
五沟矿隶属皖北煤电集团 , 位于淮北市五沟
镇。矿井目前以 10煤层为主采煤层[1], 平均倾角 8°。
该煤层上方覆盖厚松散层达 272.9 m, 底部平均厚度
为 20.7 m的第 4含水层直接覆盖在开采煤系露头之
上, 对浅部煤层的安全开采构成较大威胁。目前, 该
矿的非充填开采活动已对当地居民生产生活造成严
重影响[2]: 1)现场调研结果显示, 非充填开采活动导
致地表裂隙数量不断增加, 沉陷区及周边地区地表
土壤的水分蒸发活动加剧, 土壤养分流失问题日益
突出, 严重影响土地生产力, 但由于工作面上方松
散层平均厚度较厚达 272.9 m, 巨厚松散层一定程度
上减缓了地表沉陷量 [3], 区域内地表并未出现宽度
较大的裂缝; 2)非充填开采活动在一定程度上对上
覆土壤层结构及相关物理性质产生极大影响, 具体
表现为土体下沉、土壤密实度增加、土体孔隙变化
等; 3)五沟煤矿属于两淮矿区高潜水位区域, 非充填
开采使地表形成了沉陷积水区。为提高水体下采煤
回采上限和实现不迁村开采, 五沟矿在该矿南一采
区 CT101 工作面(开采煤层平均厚度为 3.5 m, 平均
倾角为 6°, 平均埋深 315 m)开展综合机械化煤矸石
充填采煤等相关技术的研究。
已有的研究成果显示 , 充填开采能够有效缓
解因井下开采引起的地表沉陷 , 但对充填与非充
填开采区域土壤质量空间分布规律的研究却鲜有
成果。本文通过在五沟矿 CT101 充填开采工作面
和 1013 非充填开采工作面对应的地表沉陷区农田
内分区分层采样, 监测并对比分析土壤相关理化性
质等指标, 综合评价了充填与非充填开采区域土壤
质量空间分布规律, 探讨井下充填开采技术在控制
地表沉降, 有效保持地表土壤肥力, 保护土壤环境
的效果。
1 材料与方法
1.1 试验材料采集
采集土壤样品时依照矿井上下对照图 , 利用
GPS 定位, 在 CT101 工作面(充填开采区域)上方形
成的地表沉陷盆地内自坡脚至坡顶 [4], 按照工作面
走向剖面线依次布设采样点, 分别记为点 1′、2′、
3′、⋯、9′; 同理在 1013 工作面(非充填开采区域)
上方地表沉陷盆地内, 按照走向剖面依次布设采样
点并分别记为点 1、2、3、⋯、9。采样点具体布设
位置如图 1所示。
本文所述的试验观察期为 2012 年 3—6 月, 样
品采集时间为 2012年 6月下旬。采样期间区域气候
适宜, 区域内小麦均处于成熟收割期。利用采样器
采集的土壤样品均为单一样品, 具体采样方案如下:
1)不同开采工作面沉陷区沿走向剖面线的样品
采集。按照图 1 所示, 用采样器在非充填开采地表
沉陷区(1013 工作面, 非充填开采区域)近坡脚 A1处
(点 1~点 3)、坡面中段 A2处(点 4~点 6)、坡顶 A3处
(点 7~点 9)采集样本 ; 在充填开采地表沉陷区
(CT101工作面, 充填开采区域)对应区域, 即点 1′ ~
点 9′, 按照相同方法采集样本。
2)不同土壤层位样本采集。先按照土壤剖面现
状(图 2), 将非充填开采和充填开采沉陷区采样区域
覆土层分为 H1层(0~20 cm)、H2层(20~40 cm)和 H3
层(40~60 cm); 再用采样器在上述 2个地块的每个采
样点分 3层打孔采样。
3)不同采样点土壤含水量分析样本的采集: 分
别于充填开采和非充填开采沉陷区的 9 个采样点处
挖取剖面, 采用环刀法分别于 H1、H2、H3 土层采
集土壤样本并密封保存。
4)作物长势监测及产量分析: 在小麦不同生长
发育期 (3—6 月 )观察小麦长势 , 测取各采样区域
(A1、A2、A3、B1、B2和 B3)小麦株高, 并取其平均
值作为分析数据。小麦成熟时期, 按照 2)中所述分
层方法用环刀法采集样品, 并烘干称量, 计算根长
密度。小麦成熟后, 分别从充填开采区域、非充填
开采区域和矿区内未受开采沉陷影响地块等 3 类地
块中按照相同面积采集小麦样本, 共计 12份样本。
脱穗烘干至恒重, 称其质量计算小麦产量。
第 6期 徐良骥等: 充填与非充填开采条件下煤矿沉陷区耕地土壤质量空间分布规律研究 637



图 1 非充填开采区(1013 工作面)与充填开采沉陷区(CT101 工作面)现场调查及采样点示意图
Fig. 1 Investigation and sampling diagrammatic sketch of non-filling mining area (Working Face 1013) and filling mining
subsidence area (Working Face CT101)

图 2 非充填开采区(a)和充填开采沉陷区(b)采样剖面图
Fig. 2 Sampling soil profiles in the working faces of non-
filling mining area (a) and filling mining subsidence area (b)
H1、H2和 H3分别为 0~20 cm、20~40 cm和 40~60 cm土
壤层, 下同。H1, H2 and H3 indicate the soil layers of 0−20 cm,
20−40 cm and 40−60 cm, respectively. The same below.

1.2 土样处理及检测方法
取样后, 先将 1.1节中步骤 1)和 2)中样品挑去植
物根茎残体及砖瓦片等侵入体, 再置于 30~35 ℃环
境中自然风干, 经研磨、过 18号筛(孔径 1mm)等工
序后分别装入密封袋, 并置于干燥器内备用。
本试验选取容重、孔隙度、含水量作为土壤物
理性质指标, 碱解氮、有效磷、速效钾和有机质含
量作为土壤肥力检测指标, 以不同时期小麦株高和
产量作为作物长势分析指标。各指标具体检测方法
如表 1所示[5]。
1.3 数据分析
本文采用 AutoCAD 2007 软件进行采样点分布
图的绘制, 利用 Excel 对小麦株高和各营养组分含
量的平均值进行初步数据处理, 利用 SPSS v17.0软
件, 采用 Duncan’ multiple range text(邓肯多重范围
检验)方法进行差异显著性分析。
表 1 各检测指标及其检测方法
Table 1 Different soil detection indicators and detection methods
检测指标 Detection index 检测方法 Detection method
容重 Bulk density 105 ℃烘干称重 Drying in 105 ℃ and weighting 物理指标
Physical index 含水量 Water content 105 ℃烘干称重 Drying in 105 ℃ and weighting
有机质 Organic matter 重铬酸钾-硫酸消化法 Potassium dichromate-sulfuric acid digestion method
碱解氮 Alkaline nitrogen 碱解扩散法 Alkaline hydrolysis diffusion method
有效磷 Available phosphorus 碳酸氢钠浸提−钼锑抗比色法 Sodium bicarbonate extraction-Mo-Sb colorimetry
化学(养分)指标
Chemical (nutrient)
index
速效钾 Available potassium 乙酸铵浸提−火焰光度法 Ammonium acetate extraction-flame photometry
小麦株高 Plant height of wheat 量尺法 Scale method 作物生长指标
Crop growth index 小麦产量 Wheat yield 采集小麦籽粒并称重 Wheat grain collection and weighting

2 结果与分析
2.1 试验区土壤物理性质
根据文献[6−10], 各监测指标含量监测计算结
果如表 2所示。
由表 2 可知, 同一土层, 充填开采区域的地表
土壤容重(1.159 g·cm−3)稍低于非充填开采区域。充
填开采沉陷区地表土壤容重存在自坡顶地区向坡脚
地区逐渐增高的微弱趋势, 说明土壤容重的空间分
布特征不明显。
通过对比充填开采区域和非充填开采区域同一
土层土壤的孔隙度可知, 充填开采沉陷区地表土壤
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表 2 非充填开采区和充填开采沉陷区各土层土壤理化性质
Table 2 Physical and chemical properties of different soil layers in non-filling mining area and filling mining subsidence area
采样点 Sampling site 指标
Index
土层
Soil layer A1 A2 A3 B1 B2 B3
H1 1.26 1.25 1.27 1.21 1.30 1.25
H2 1.14 1.36 1.19 1.19 1.38 1.22
容重
Bulk density
(g·cm−3)
H3 1.17 1.31 1.21 1.39 1.32 1.22
H1 52.45 52.83 52.08 54.34 50.94 52.83
H2 56.98 48.68 55.09 55.09 47.92 53.96
孔隙度
Soil porosity
(%)
H3 55.85 50.57 54.34 47.55 50.19 53.96
H1 10.7 10.3 11.9 13.0 14.7 16.5
H2 13.9 15.7 17.0 15.1 16.0 18.1
含水量
Water content
(%)
H3 14.9 15.8 17.8 17.8 18.4 20.0
A为非充填开采区, B为充填开采沉陷区, 其下标 1、2、3分别指坡脚(图 1的点 1~点 3)、坡中段(图 1的点 4~点 6)、坡顶(图 1的点 7~点
9), 下同。“A” and “B” indicate non-filling mining area and filling mining subsidence area, respectively. Their subscripts 1, 2, 3 means slope base,
middle slope and slop top, respectively, which are sampling points of 1−3, 4−6 and 6−9 in figure 1, respectively. The same below.

的孔隙度总体低于非充填开采, 最大差异出现在 H3
层两沉陷区的坡脚地区, 为 8.3%。分析原因为: 井
下充填开采降低了地表沉降速率, 能够有效控制地
表裂隙(缝)发育。
从土壤剖面来看, 随着深度增加, 充填开采区
域和非充填开采区域土壤的含水量有所增加。同一
土壤层中, 充填开采区域各土壤样品含水量均高于
非充填开采区域 , 其中最大差异为 4.6%, 出现在
A3、B3 区域, 即沉陷区坡顶地区。分析原因为: 充
填开采能有效控制地表沉降, 故与非充填开采沉陷
区坡顶地区相比, 其受地表变形拉力影响较小, 地
表裂隙(缝 )数量比非充填开采沉陷区坡顶地区少 ,
土壤水分流失问题能够得到有效缓解。
五沟矿区内土壤为地表土壤砂粒含量 5%~16%,
粉粒含量 41%~54%, 黏粒含量 37%~46%。在非充填
开采沉陷区域, 土壤黏粒含量自坡顶至坡脚沿坡面
逐渐增加(坡顶黏粒含量为 40.13%, 坡脚黏粒含量
为 44.98%), 水土流失现象存在。而在充填开采沉陷
区域内, 地表黏粒含量变化不明显(坡顶黏粒含量为
41.84%, 坡脚黏粒含量为 42.76%)。
2.2 试验区土壤养分分布特征
2.2.1 碱解氮
由图 3 可知, 随采样点由沉陷区坡顶地区向沉
陷区坡脚地区推进, 两沉陷区农耕地地表 3 个土层
中碱解氮含量的空间分布特征如下: H1 土壤层中,
B1处碱解氮含量较 A1处高 2.770 mg·kg−1, 差异显著;
B2、B3处碱解氮含量均略高于 A2、A3处; 其中最小
差异出现在沉陷区坡顶处(A3、B3)为 0.524 mg·kg−1。
H2土壤层中, B1、B2处碱解氮含量明显高于 A1、A2
处, 沉陷区坡顶处(A3、B3)碱解氮含量差异较小, 为
1.023 mg·kg−1。H3土壤层中, 沉陷区坡脚处(A1、B1)
碱解氮含量差异最为显著, 为 5.324 mg·kg−1。原因
是: 1)沉陷区坡顶处土壤受地表径流影响较小, 碱解
氮流失现象不显著; 2)碱解氮随地表径流自沉陷区坡
顶处流失至沉陷区坡脚处并累积; 3)沉陷区坡面处土
壤因受地势坡度影响而不能较好地保持碱解氮。对比
土壤养分分级标准[11], 两沉陷区农耕地土壤碱解氮
平均含量均处于中等水平, 分析原因是人工施肥等
非自然因素使土壤中碱解氮含量没有过分减少。
2.2.2 有效磷
由图 3 可知, 随采样点由沉陷区坡顶处至沉陷
区坡脚处推进, 充填开采区域与非充填开采区域的
土壤有效磷含量为 16~47 mg·kg−1, 呈减少与增加交
替出现的空间分布特征。充填开采区域与非充填开
采区域 H1 层的土壤有效磷含量呈现由沉陷区坡顶
处向坡脚处递减的趋势; H2 层中, 充填开采区域各
采样区域土壤有效磷含量均高于非充填开采区域 ,
其中两沉陷区坡脚处土壤有效磷含量差异最大, 为
36.414 mg·kg−1; 充填开采区域与非充填开采区域
H3 层土壤的有效磷含量差异较小 , 最小差异为
0.728 mg·kg−1。
根据图 3 结果可知, 充填开采区域土壤有效磷
平均含量高于非充填开采区域, 说明充填开采可以
有效地保持地表土壤有效磷。对比土壤养分分级标
准[11], 两沉陷区耕地土壤有效磷含量均处于中低等
水平, 需要增施磷肥以改善土壤养分状况。
2.2.3 速效钾
图 3 显示, 随采样点由沉陷区坡顶处向沉陷区
坡脚处推进, 充填开采区域农耕地土壤中速效钾含
量呈现先减少后增加的空间分布特征, 非充填开采
区域农耕地土壤中速效钾含量呈现增加和减少交替
出现的空间分布特征。
第 6期 徐良骥等: 充填与非充填开采条件下煤矿沉陷区耕地土壤质量空间分布规律研究 639



图 3 非充填开采区和充填开采沉陷区 H1(a)、H2(b)、H3(c)土层碱解氮、有效磷、速效钾和各土层有机质含量(d)
Fig. 3 Nutrients contents in H1 (a), H2 (b) and H3 (c) soil layers and organic matter content of different soil layers (d) in non-
filling mining area and filling mining subsidence area
由图 3 可知, 充填开采区域 B1区域土壤速效钾
含量明显高于非充填开采区域 A1 区域, 其差值为
26.667 mg·kg−1。对照土壤养分分级标准 [11], 两沉
陷区耕地土壤速效钾平均含量均处于中等水平。
采样时小麦处于成熟收割期 , 此时的植物根系不
再需要从土壤中吸收大量钾素 , 且两沉陷区地块
经多年耕作 , 人工施肥使得土壤中速效钾均维持
了较高含量。
2.2.4 有机质
由图 3 可知, 沿坡面自坡顶至坡脚处, 两沉陷
区农耕地土壤有机质含量均出现先减少后增加的空
间分布特征。充填开采区域地表土壤有机质含量明
显高于非充填开采区域。
对比土壤养分分级标准[11]可知, 两沉陷区农耕
地土壤的有机质含量均处于极低水平, 调查并分析
原因可知: 1)小麦高产量品种推广及增加复种次数
使得土壤中养分过度消耗; 2)有机肥投入量不足, 导
致土壤养分逐渐匮乏; 3)小麦收割后大面积秸秆焚
烧降低了土壤碳回归指数。建议在以后的耕作过程
中通过增施有机肥料、秸秆还田、种植绿肥、粮肥
轮作等措施提高土壤有机质含量[12]。
由图 3 可知, 两个地块碱解氮、有效磷和速效
钾含量的垂直空间分布特征为: 从 H1至 H2逐层递
减, 而从 H2至 H3逐层递增。分析原因为充填开采
和非充填开采沉陷区地表均为农用地, 人工施肥使
表层土壤养分含量增加, 受降雨淋溶影响, 土壤 H1
砂土层的各营养元素经淋溶流失后, 在 H3 黏土层中
累积, 而黏土的保水保肥性均优于砂土和砂壤土[13]。
2.3 试验区作物长势监测结果
本试验共观测了 4次小麦株高。由图 4可知, 3
月份各采样区域小麦长势无明显差别, 4—5 月充填
开采区域小麦株高逐渐呈现高于非充填开采区域小
麦株高的趋势, 5—6 月充填开采区域小麦长势明显
优于非充填开采区域; 收割时充填开采区域小麦株
高平均值为 80.2 cm, 高于非充填开采区域小麦平均
株高 72.6 cm。
小麦产量结果显示, 五沟矿区内未受开采影响
区域的小麦产量为 0.633 kg·m−2, 充填开采区域和非

图 4 不同时期非充填开采区和充填开采沉陷区小麦株高
Fig. 4 Plant height of wheat during different growth stages in
non-filling mining area and filling mining subsidence area
640 中国生态农业学报 2014 第 22卷


充填开采区域的小麦经济产量分别为 0.523 kg·m−2
和 0.436 kg·m−2。对比不同地块的小麦经济产量可知,
在相同气候条件和人工活动干预的影响下: 1)充填开
采区域和非充填开采区域的小麦经济产量低于正常
农田, 分别低 0.110 kg·m−2和 0.199 kg·m−2, 这表明井
下采煤活动降低了开采工作面上方沉陷区农耕地的
土壤质量, 造成沉陷区内小麦减产; 2)充填开采区域
的小麦经济产量高于非充填开采区域, 说明充填开
采沉陷区农耕地土壤质量优于非充填开采沉陷区。
由表 3 可知, 非充填开采区域不同时期小麦株
高标准差均大于充填开采区域, 特别以第 3 次(2012
年 5月 18日)观测数据最为显著, 即非充填开采区域
小麦株高标准差达到最大值 6.9 cm, 远大于充填开
采区域同时期小麦株高标准差 5.5 cm。就变异系数
而言, 充填开采区域的小麦株高变异系数均维持在
0.0~0.1, 而非充填开采区域的小麦株高变异系数均
为 0.1。说明在同等人工干预(施肥、灌溉等)影响下,
充填开采区域小麦长势更加稳定, 且优于非充填开
采区域。
2.4 相关性分析
本文选择 CORREL函数作为分析函数, 进行土
壤养分的相关性分析(表 4), 结果表明, 除有机质与
其他 3 种营养组分呈显著负相关外, 其他 3 种营养
组分均呈正相关, 相关系数在 0.8以上, 表明充填开
采区域和非充填开采区域各营养组分在垂直方向上
的分布表现出较高一致性。
表 3 不同时期非充填开采区和充填开采沉陷区小麦株高标准差与变异系数
Table 3 Standard deviations and variance coefficients of wheat plant height during different growth stages in non-filling mining
area and filling mining subsidence area
监测时间(年-月-日) Monitoring time (year-month-day)
2012-03-18 2012-04-18 2012-05-18 2012-06-18 2012-03-18 2012-04-18 2012-05-18 2012-06-18项目
Item
非充填开采区域 Non-filling mining area 充填开采区域 Filling mining area
标准差 Standard deviation 0.3 1.0 6.9 3.8 0.1 0.3 5.5 3.4
变异系数 Variable coefficient 0.1 0.1 0.1 0.1 0.0 0.0 0.1 0.0
表 4 非充填开采区和充填开采沉陷区土壤营养组分之间的相关系数
Table 4 Correlation among different nutrients contents in non-filling mining area and filling mining areas
非充填开采区域 Non-filling mining area 充填开采区域 Filling mining area
项目
Item
碱解氮(AN)
Alkaline
nitrogen
有效磷(AP)
Available
phosphorus
速效钾(AK)
Available
potassium
有机质(OM)
Organic matter
项目
Item
碱解氮(AN)
Alkaline
nitrogen
有效磷(AP)
Available
phosphorus
速效钾(AK)
Available
potassium
有机质(OM)
Organic
matter
AN 1.000 0.989* 0.899 −0.949 AN 1.000 0.838 0.917* −0.997
AP 0.989* 1.000 0.825 −0.985 AP 0.838 1.000 0.549 −0.789
AK 0.899 0.825 1.000 −0.714 AK 0.917* 0.549 1.000 −0.947
OM −0.949 −0.985 −0.714 1.000 OM −0.997 −0.789 −0.947 1.000
*表示相关性达显著(P<0.05)水平。* indicate significant correlation at 0.05 level.

参照文献[14]的正常土壤各营养组分背景值可
知, 充填开采区域和非充填开采区域除有机质在各
土层的含量低于正常值 (0~20 cm: 28.3 mg·kg−1;
20~40 cm: 21.8 mg·kg−1; 40~60 cm: 15.6 mg·kg−1)外, 有
效磷和速效钾的含量均高于正常值(有效磷: 0~20 cm:
9.58 mg·kg−1; 20~40 cm: 6.88 mg·kg−1; 40~60 cm:
4.26 mg·kg−1。速效钾: 0~20 cm: 105.35 mg·kg−1; 20~
40 cm: 83.56 mg·kg−1; 40~60 cm: 68.81 mg·kg−1)。其中,
有效磷在 H1层的含量明显高于正常值(9.58 mg·kg−1),
具体为 : 充填开采区域有效磷含量较正常值高
25.417 mg·kg−1, 非充填开采区域有效磷含量较正常
值高 31.986 mg·kg−1。原因是人工施肥等非自然因素
使得两地块土壤中有效磷含量保持了较高水平。
3 结论
本文基于充填开采能够有效控制地表沉降的
研究成果, 利用野外现场采样、室内土壤理化性质
分析等方式方法, 分析了充填与非充填“开采”条件
下煤矿沉陷区耕地土壤质量分布规律, 并得出以下
结论:
1)自沉陷区边缘至沉陷区中心, 充填开采与非
充填开采沉陷区内耕地土壤中碱解氮均呈先减少后
增加的空间分布特征; 有效磷含量呈减少与增加交
替出现的空间分布特征; 充填开采沉陷区耕地土壤
中速效钾含量呈先减少后增加的空间分布特征, 非
充填开采沉陷区耕地土壤中速效钾含量呈减少和增
加交替出现的空间分布特征。充填开采沉陷区内耕
地土壤的碱解氮、有效磷、速效钾含量均高于非充
填沉陷区, 与试验前的预测结果一致。
2)随采样剖面深度增加, 两沉陷区内土壤含水
量均呈现逐层递增的空间分布特征。原因是充填开
第 6期 徐良骥等: 充填与非充填开采条件下煤矿沉陷区耕地土壤质量空间分布规律研究 641


采和非充填开采沉陷区内, H1层土壤以砂壤土为主,
其保肥保水效果最差, H2 层保肥保水效果其次, H3
层土壤中黏土含量较高 , 因此其保肥保水效果最
优。受人工施肥耕作活动的影响, H1层土壤中各指标
监测值较高。
3)试验结果与分析表明, 尽管土壤各营养组分
的显著性差异并不十分显著, 但充填开采沉陷区耕
地土壤各监测指标含量均高于非充填开采沉陷区 ,
且小麦长势优于非充填开采沉陷区。说明充填开采
不仅能够控制上覆岩层和地表的移动变形, 减缓地
表沉陷幅度及沉陷区范围, 而且削弱了开采沉陷区
地表裂缝的发育, 有效减弱了土壤水分蒸发, 使充
填工作面对应地表土壤不易受地表径流及淋溶现象
的影响, 能较好地保持土壤养分, 为农作物的生长
提供有利条件。
4)由于本文中充填开采与非充填开采区域的采
样点主要沿各自的地表移动盆地走向剖面线分布 ,
所采土壤样品未能完全覆盖整个沉陷区域, 使得试
验结果具有一定局限性 , 试验方案有待进一步改
进。建议将以后类似试验中的采样点按照自地表移
动盆地中心点至盆地边缘呈辐射状进行布设。
5)以往研究成果大多局限于充填或非充填“复
垦”的土壤空间质量分布特征, 即在矿区土地已经遭
到破坏后提出土壤环境修复的方法, 本文从改良井
下开采方法, 而不是矿区土地遭到破坏后再修复的
角度, 对 2 种开采条件(充填和非充填“开采”)下, 煤
矿沉陷区耕地的土壤及小麦进行了研究, 力争从煤
矿生产的源头控制因井下开采引起的地表沉降, 更
具有实际生产意义。试验结果认为充填开采不仅能
控制地表沉陷, 同时能有效保护耕地土壤环境, 试
验数据均真实有效。
参考文献
[1] 焦殿志 , 巨峰 . 五沟煤矿矸石充填开采提高回采上限可行
性研究[J]. 能源技术与管理, 2011(3): 76–79
Jiao D Z, Ju F. The feasibility study about improving the
upper limit of coal gangue filling mining in Wugou Mine[J].
Energy Technology and Management, 2011(3): 76–79
[2] 张发旺, 侯新伟, 韩占涛, 等. 采煤塌陷对土壤质量的影响效
应及保护技术[J]. 地理与地理信息科学, 2003, 19(3): 67–70
Zhang F W, Hou X W, Han Z T, et al. Impact of coal mining
subsidence on soil quality and some protecting technique for
the soil quality[J]. Geography and Geo-Information Science,
2003, 19(3): 67–70
[3] 卞正富 . 矿区开采沉陷农用土地质量空间变化研究[J]. 中
国矿业大学学报, 2004, 33(2): 213–218
Bian Z F. Change of agricultural land quality due to mining
subsidence[J]. Journal of China University of Mining & Technology,
2004, 33(2): 213–218
[4] 邵明安 , 王全九 , 黄明斌 . 土壤物理学[M]. 北京: 高等教
育出版社, 2006
Shao M A, Wang Q J, Huang M B. Soil Physics[M]. Beijing:
Higher Education Press, 2006
[5] 张甘霖 , 龚子同 . 土壤调查实验室分析方法[M]. 北京: 科
学出版社, 2012
Zhang G L, Gong Z T. Soil Survey Laboratory Methods[M].
Beijing: Science Press, 2012
[6] 北京林业大学. 土壤理化分析实验指导书[M]. 北京: 中国
农业出版社, 2002
Beijing Forestry University. The Experimental Instructions of
Soil Physical and Chemical Analysis[M]. Beijing: China
Agriculture Press, 2002
[7] 路鹏, 苏以荣, 牛铮, 等. 土壤质量评价指标及其时空变异[J].
中国生态农业学报, 2007, 15(4): 190−194
Lu P, Su Y R, Niu Z, et al. Soil quality assessment indicators
and their spatial-temporal variability[J]. Chinese Journal of
Eco-Agriculture, 2007, 15(4): 190−194
[8] 卞正富 . 国内外煤矿区土地复垦研究综述[J]. 中国土地科
学, 2000, 14(1): 6–11
Bian Z F. Domestic and foreign research on land reclamation
in coal mining area[J]. China Land Science, 2000, 14(1): 6–11
[9] 王利利, 董民, 张璐, 等. 不同碳氮比有机肥对有机农业土
壤微生物生物量的影响[J]. 中国生态农业学报, 2013, 21(9):
1073−1077
Wang L L, Dong M, Zhang L, et al. Effects of organic
manures with different carbon-to-nitrogen ratios on soil
microbial biomass of organics agriculture[J]. Chinese Journal
of Eco-Agriculture, 2013, 21(9): 1073−1077
[10] 徐良骥, 许善文, 杨秀芳, 等. 粉煤灰充填复垦地理化特性
与重金属分布特征研究——以淮南洛河电厂粉煤灰复垦地
为例[J]. 农业环境工程学报, 2012, 31(12): 2352–2360
Xu L J, Xu S W, Yang X F, et al. Study on distribution character
of physical and chemical properties and heavy metals in
reclaimed land filled with fly ash: A case study of reclaimed land
of Luohe Power plant in Huainan City[J]. Journal of Agro-
environment Science, 2012, 31(12): 2352–2360
[11] 徐良骥, 许善文, 严家平, 等. 基于粉煤灰基质充填覆土复垦
的最佳覆土厚度[J]. 煤炭学报, 2012, 37(增刊 2): 485–488
Xu L J, Xu S W, Yan J P, et al. Optimum soil coverage
thickness of reclamation land filled with fly ash[J]. Journal of
China Coal Society, 2012, 37(Supp2): 485–488
[12] 徐建明 , 张甘霖 , 谢正菊 , 等 . 土壤质量指标与评价 [M].
北京: 科学出版社, 2010
Xu J M, Zhang G L, Xie Z J, et al. Soil Quality Index and
Evaluation[M]. Beijing: Science Press, 2010
[13] 张欣 , 王健 , 刘彩云 . 采煤塌陷对土壤水分损失影响及其
机理研究[J]. 安徽农业科学, 2009, 37(11): 5058–5062
Zhang X, Wang J, Liu C Y. Influences of coal mining
subsidence on soil water loss and its mechanisms[J]. Journal
of Anhui Agricultural Sciences, 2009, 37(11): 5058–5062
[14] 黎炜 , 陈龙乾 , 周天建 . 张集矿区复垦土壤养分变化研究
及评价[J]. 现代矿业, 2011(2): 41–43
Li W, Chen L Q, Zhou T J. Study and assessment of the
variability in fertility of reclaimed soil in Zhangji mine[J].
Modern Mining, 2011(2): 41–43