霍东矿区煤炭资源开采对土壤质量的影响

王晓娅焦姗王爱军

1 中国冶金地质总局第三地质勘查院，山西 太原 030002

2 中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，河北 保定 071051

山西省是煤炭资源大省，资源储量和产量均位于全国前列。煤炭资源的开采为全省经济发展做出贡献的同时，大量矿山地质环境问题也随之产生，包括地形地貌景观破坏与土地资源占用和破坏、地质灾害、含水层破坏等。其中，地面塌陷、地裂缝作为采煤沉陷区最常见的地质灾害，不仅破坏原有地貌，还会影响作物生长，土壤质量下降，生产力降低。原因在于地下煤层开采产生采空区，经过长时间变形积累在地面形成沉陷区，并产生多处地表裂缝，而地表裂缝的产生改变了耕地原先的入渗条件和蒸发路径，导致采煤塌陷区土壤水分蒸发增强和养分渗漏流失加剧，严重影响了耕地土壤所处的水环境与养分环境，土壤生产力严重下降最终引起土地荒漠化、贫瘠化。

土壤质量的核心是土壤生产力，基础是土壤肥力质量[1]。目前，众多学者[2-3]对土壤质量评价做了研究，用不同的指标和评价方法对土壤质量进行评价，国外常用的评价方法主要有[4]多变量指标克立格法、土壤质量动力学方法、土壤质量综合评分方法和土壤相对质量综合评分方法。此外，Fuzzy 综合评判法[5]、模糊数学法[6]、GIS[7]等多种方法和技术用于土壤质量评价也取得了很好的效果。矿山开采对土壤的影响已经不可忽视[8-10]，为了定量分析煤炭资源开采对土壤质量的影响，本文以霍东矿区某煤矿的沉陷区土壤样品为研究对象，通过层次分析法获得耕地质量综合指数，同时在收集当地农田基础资料的基础上与正常农田综合指数作对比，进一步分析地面沉陷对土壤质量的影响，为土地复垦与治理提供依据。

1 样品准备及检测内容

以霍东矿区某煤矿为例，在沉陷区土地取样30 组，取样位置位于矿区北部地面塌陷与地裂缝较为严重的一处农田里，采样深度为0～20cm，采用不锈钢取土器采样，取样器垂直于地面入土，深度相同；用取土铲取样需要先铲出一个断面，再平行于断面取土。样品编号XYY001～XYY030，委托山西省地质矿产局213 实验室按照《土壤环境监测技术规范》（HJ/T166-2004）及有关国标和行业技术规范对其进行土壤化学性质及常量养分分析，包括pH、氧化还原电位（Eh）、阳离子交换量（CEC）、有机质（O.M）、腐殖质、全氮（T-N）、全磷（T-P）、全钾（T-K）、全硫（T-S）、硫化物（S2-）以及烃类，检测结果初步显示部分样品的有机质和全氮、全磷等含量相比于正常农田有一定流失。

2 沉陷区土壤质量评价

2.1 确定耕地质量指标评价体系

选用层次分析法进行土壤环境质量评价，首先确定评价指标并建立评价体系，耕地质量评价指标可划分为三个层次。

（1）目标层。耕地质量作为工作目标层。

（2）准则层。根据检测指标，准则层包括化学指标、养分指标和生物指标。

（3）指标层。将上述准则层的目标细分为若干具体评价指标（表1）。

表1 研究区耕地质量指标体系 Table 1 Cultivated land quality index system in the study area

2.2 构造判断矩阵

根据Satty 的1～9 度判断矩阵中因子的确定依据，对目标层和准则层的各要素之间进行比较，并构造目标层和准则层中各要素的两两比较判断矩阵，最终确定指标体系的判断矩阵如表2～表5所示。

表2目标层A 的判断矩阵 Table 2Judgment matrix of target layer A

表3准则层A1 的判断矩阵 Table 3Judgment matrix of criterion layer A1

表4准则层A2 的判断矩阵 Table 4Judgment matrix of criterion layerA2

表5准则层A3 的判断矩阵 Table 5Judgment matrix of criterion layer A3

2.3 权重计算与排序

利用方根法求解A 的归一化特征向量和特征值，所求特征向量即为各因子的权重，并采用方根法计算得到各层指标的组合权重值（表6），并且经过一致性检验，具有满意的一致性。

表6各层指标的组合权重值 Table 6 Combination weight value of indices at each level

2.4 评价指标隶属度的确定

由于各指标对土地质量的影响不同，利用Fuzzy 综合评判法[5]确定各指标隶属度，包括S型隶属度函数和抛物线型隶属度函数。本次适宜于抛物线型隶属度函数的评价参数为pH 值，其隶属度函数如下：

适用于S 型隶属度函数类型的指标参数，包括氧化还原电位、阳离子交换量、有机质（O.M）、腐殖质和烃类等，各参数的隶属度函数表达式如下（a、b 为临界值）：

然后，根据实际情况确定各参数表达式的a、b（表7），最终可以确定各参数的表达式。

表7参数表达式临界值取值 Table 7Critical value of parameter expressions

2.5 耕地质量综合指数的计算

根据《耕地质量等级》（GB/T33469-2016），耕地质量综合指数的计算公式如下：

式中，P 为耕地质量综合指数；Ci为第i 个评价指标组合权重；Fi为第i 个评价指标的隶属度。

最终可以得到不同取样点的耕地质量综合指数（表8）。

表8沉陷区土样耕地质量综合指数 Table 8Comprehensive indices of cultivated land quality of soil samplein the subsidence area

2.6 开采沉陷对耕地质量的影响

为定量评价开采沉陷对耕地质量的影响，结合当地耕地正常生产状况，得到取样地区正常农田综合指数，并与土壤样品耕地综合指数相比，划分得到耕地质量下降等级标准（表9），并由此得到各个矿区耕地质量下降等级。

表9研究区耕地质量下降等级标准 Table 9Grade criteria for decreasing the quality of cultivated land in the study area

为了得到该矿区正常农田综合指数，收集资料并参考霍东矿区其它矿山的土地生产状况资料和论文，并与矿区的地形、气候、土壤、降雨等生产条件做类比分析，最终得出该矿区的正常农田生产指数分别为0.8752，由此可以得到采样区各个位置耕地质量下降情况（表10、图1）。

表10研究区耕地质量下降情况 Table 10 Decline in cultivated land quality in the study area

由图1 可以看出，研究区土壤环境质量主要受此处3 条地裂缝的影响，走向175°左右，近似平行，长度60～70m，宽度最大处为0.4m，其中还出现2 处塌陷坑，呈椭圆形，面积10m2左右。可以看出此区域内的土壤环境质量等值线分布较为规律，距离地裂缝近的地方，耕地综合指数越低，其中，耕地综合指数最小值为0.6460（XYY-002），属于中度损坏，其余地区均为轻度损坏。

图1研究区耕地质量下降情况 Fig.1Decline in cultivated land quality in the study area

3 结论

本文计算得到各个土壤样品的耕地质量综合指数，在此基础上，通过与正常农田耕地质量综合指数对比，定量评价了开采沉陷对土壤环境质量的影响，可以发现地裂缝和地面塌陷的存在对耕地质量影响很大，大部分农田都处于“轻度损坏”的状态，但也有局部为“中度损坏”，严重影响了耕地生产力，建议采取一定的治理措施对沉陷区进行治理，比如填埋、复垦、生态修复等。