基于GIS潘谢矿区氮磷流失特征研究——以潘集、谢桥塌陷区为例
1绪论
1.1研究背景及研究意义
煤炭是我国民经济发展的重要能源，约占整个能源产业的左右⑴。地下开采成为我国煤炭开采的主要方式，煤炭地下开采会产生一系列的问题，如地面沉降。地面沉陷降低了地面耕地标高、使地表出现裂缝、造成土壤积水掩没等问题；在山区，会引起泥石流等灾害，从而破坏了耕地。黄河和淮河地区的矿区，如徐州、淮南矿区，土地塌陷后造成地表大面积积水，从而加大耕地破坏的程度。关于资料表明，每年全国被破坏土地面积的十分之一为采煤塌陷土地，而只有百分之二十的塌陷土地得到复垦整治我国的采煤塌陷范围以每年300m2的速度递增使大量农民失去土地，从而容易发生矿农矛盾；同时引起了一系列的地质环境问题，如地表盆地移动、地下水上升和土壤结构及理化性状的改变等。因此，釆煤塌陷而引起的环境问题日益受到人类的重视。
淮南煤田位于华北平原东南缘，东起郯庐断裂，西临周口增陷，北接畔掉隆起，南邻合肥塊陷。潘谢矿区位于淮南煤田的中部和北部，东部以潘一东矿井为界；西与刘庄井田的陈桥断层（F5）断层为界；南以谢桥向斜一古沟向斜为界，北以明龙山一刘府断裂为界。从西到东，开采矿井有：谢桥矿、张集矿、顾桥矿、顾北矿、丁集矿、潘三矿、潘北矿、朱集矿、潘一矿、潘二矿等。2008年底淮南矿区累计塌陷面积达126.30m2，2021年的塌陷面积为168.25m2，随着塌陷面积及积水区域深度的不断增大，对主要水系和生态地质环境的影响将日益严重。
目前，国内外广泛研究了采煤塌陷地的生态重建和综合利用等方面，对采煤塌陷矿区开展了一些尝试性的工作，如生态恢复、重建工程、综合利用方式。淮南在对塌陷矿区进行农业、渔业、养殖业等综合利用及生态景观重建取得了一定的成效。，但是生态修复解决如重金属等的污染治理、耕作层土壤的恢复与改良方面等问题研究的比较少。
1.2国内外研究现状进展
1.2.1氮磷流失机理研究
氮磷流失主要通过降雨径流、土壤侵烛、地表溶质溶出和土壤溶质渗漏相互联系、相互作用。按照氮憐流失的形态的主要有两种：一是悬浮态流失，氮磷结合在悬浮颗粒上，随土壤流失进入水体；二是淋溶流失，即水溶性较强的氮磷被淋溶而进入径流。
憐对环境的唯一影响在于过量的憐能够加速水体富营养化°。磷肥施入土壤后，只有小部分在土壤中呈离子态的憐酸盐才能被作物吸收，其余大部分很快与土壤组分作用，由于土壤的吸附作用，憐对作物的有效性旱地，也因而不易被雨水、灌概水淋洗。憐素最主要的流失途径是径流流失，磷随地表径流流失的形态分为颗粒态和溶解态两部分，其中颗粒态有不同粒径的团聚体组成，径流中溶解态主要以正憐酸盐形式存在，可为藻类直接吸收；颗粒态磷包括矿物憐、有机磷以及吸附在土壤表面的憐，可成为溶解态的潜在补给源。Lin、in-Shi、ShiXue-Zheng et al。对中国水稻土的储量和密度进行研究，指出在中国1m的水稻土总憐储量330.2Tg，由于水稻土的地下水位、土壤排水等不同使得土壤的浓度也不同，并强调化肥肥料的施用量值得关注。
1.2.2氮碳流失的研究现状
宋泽芬，吴希嫒，杨金铃等研究表明，不同坡地结构及土地利用类型，如森林、草地、农田、河边植被，影响着径流量及养分含量。农用地和林地面积比例明显的影响氮、磷的含量。周林飞，曾远，等对不同土地类型的土壤在地表径流和壤中流中产生的氮、憐流失特征进行研究，研究指出地表径流和壤中流氮、憐流失特征差异显著，通过耕地和草地的差异，可以看出草地中对总憐的消减作用可达到90%以上。朱继业等在自然降雨过程研究不同农业利用方式下的地表径流氮流失特征。表明坡地上玉米油菜轮作和蔬菜种植条件下的土壤侵烛和径流氮流失大大高于竹园和板栗园，并指出在整个过程中稻田水旱轮作方式下氮的径流输出低于坡地旱地。.Uusi-amppa等对城市的表面氮、憐流失的情况进行研究。张展羽等通过三种植物的不同组合来研究南方红壤地区氮磷养分的流失规律，结果表明，水土流失是导致氮磷流失的主要园林，氮磷流失以泥沙携带为主。
2研究区概况
2.1自然地理概况
2.1.1地形地貌
淮南市境被淮河为界分割成江淮丘陵和淮北平原两种地貌类型，江淮丘陵的一部分为淮河以南的丘陵；淮北平原为淮河以北的地势平坦的土地，淮河南岸分为几个地形，低山丘陵是由东至西隆起不连续的环山组成，属于一斜坡地带，坡度10°左右，宽500-1500m，海拔40-75mm;洪冲积二级阶地是斜坡地带以下交错衔接，坡度2°左右，宽500-2500m，海拔30-40m，淮河冲积一级阶地是舜耕山以北二级阶地以下，坡度平缓，宽2500-3000m，海拔25m以下；淮河高位漫滩是一级阶地以下，宽2000-3000m，海拔17-20m淮河滨河浅滩是漫滩以下。以舜耕山南斜坡以下为准，高塘湖一、二级洪冲积阶地位于东边瓦掉湖一、二级洪冲积阶地位于西边；丘陵岗地位于中边。河间浅桂平原位于淮河以北平原地区，地势呈西北东南向倾斜，对高差4-5m，海拔20-24m。
2.2潘谢矿区概况
2.2.1潘集矿区概况
潘集矿区地处黄淮平原南端，包括潘一矿、潘二矿、潘三矿、潘北矿和朱集矿，现已投入生产的矿区有4个，包括潘一矿、潘二矿、潘三矿、潘北矿。泥河是一支贯穿潘集矿区的河流，至西向东分别经过潘三矿、潘二矿、潘一矿，并从潘一最大的塌陷区穿过，最后流入到淮河。
据统计显示，2004年9月的潘集矿区塌陷面积为36.06m2；2021年潘集矿区的塌陷面积增至52.70m2，其中潘一矿区塌陷面积为18.82m2；潘二矿区塌陷面积为9.21m2，潘三矿区塌陷面积为21.87m2。
潘集矿区大大小小的塌陷水域多达190个，其中潘一矿区99个，总面积为6.75m2，潘一矿区最大的塌陷水域位于潘集杨庄，面积达到3.06m2。平均水深为3.48m，最深为9m。塌陷区周围有潘集、泥河镇、夹沟乡、一个田集街道办事处等5个镇5个乡1个街道办事处、，约为44万人。塌陷水域与泥河相连，塌陷水域周围分布着农田，塌陷水体已被发展为养鱼。
2.2谢桥矿区概况
谢桥煤矿位于阜阳市颖上县东北20m处，潘集矿区的西边，煤矿井田东西走向长11.4m,南北宽4.5m，面积为504m2。截止到2021年底，塌陷年龄达到14年，谢桥矿的塌陷面积为15.28m2。谢桥塌陷水域面积约为2.14m2,平均水深为4.1m，最深为6.5m。塌陷区周围有谢桥和汤店两个镇，约为万人。塌陷水域与济河、谢展河相连，塌陷水域周围分布着农田，塌陷水体已被发展为养鱼。
3采煤塌陷区域氮磷时空分布特征研究.........13
3.1样品的采集与实验方法......13
3.1.1采样点分布........13
3.1.2实验方法........16
4潘集杨庄采煤塌陷区域土壤氮磷释放特征研究.........45
4.1实验材料与方法.......45
4.1.1实验材料.......45
5潘集杨庄采煤塌陷区域土壤侵烛研究........67
5.1土壤流失方程因子....67
5潘集杨庄采煤塌陷区域土壤侵蚀研究
通用土壤流失方程，是20世纪中叶美国农业部开发的一个用于估算农田长期平均土壤流失量的经验模型。20世纪80年代中后期，美国USDA又开发了新一代土壤侵蚀模型，但是其计算量大，数据要求高，所以目前得到广泛应用的仍是USLE及其各种修正模型。
5.1降雨侵烛力指数R
降雨侵烛力是USLE模型中的基础因子，它反映了降雨对土壤的潜在侵蚀能力，与降雨量、降雨强度、下雨时间、雨滴大小和下降速度关于。R值很难直接测定，大多用雨强、雨量等降雨参数来估算。
5.1.1覆盖和管理因子C
植物覆盖因子C反映植被类型、作物种类和管理因素对土壤侵蚀的综合作用，它的大小主要与植被覆盖和土地利用类型关于。当地面完全裸露时，C为1.0，若地面得到很好地保护时，C=0.001,因此C值范围在0.001-1.0之间。研究区域主要以种植水稻和小麦的农田、城镇村庄和塌陷水域三部分构成，其主要的土地利用类型为农田。根据现场的调查，参考关于学者对土壤侵烛采用的参数，确定C因子的值，研究表明耕地、水田、塌陷水域、城镇居民区的C值分别为0.31、0.18、0、0.22，由于研究区为水稻和小麦轮作，因此取坡耕地和水田的平均值作为农田的C值。
5.1.2水土保持措施因子P
水土保持措施因子P是釆取水土保持措施后，土壤流失量与起伏地耕作的相应土壤流失之比，P值反应等高带状耕作、水平梯田等对土壤侵烛的影响程度，不发生侵蚀的地区P值为0，未采取任何控制措施的地区P值为1，一般P值在0.25-1.0之间，我国不同措施的P值如表9:
6结论
本文主要研究潘谢采煤塌陷矿区氮憐流失规律，分析氮憐流失受纳水体的时空分布规律和塌陷水域周围土壤时空分布特征，进行室内土壤释放试验，对在不同条件下的土壤氮、磷释放规律进行模拟，得出不同条件下土壤氮磷释放量，最后通过土壤流失方程对潘集塌陷区域土壤流失量进行估算，得出以下结论：
1）潘集杨庄塌陷水域水体氮、憐含量大，其中总氮达到国家V类水标准，氨氮达到国家类水标准，总憐5月达到类水标准，其空间差异性明显，谢桥总氮含量大，8月总氮最高达到类水标准，并沿着东南方向逐渐递减，10月总氮西边区域整体达到V类水标准，氨氮达到国家3类水标准，銷态氮达到国家类水标准，空间差异性明显。潘集杨庄塌陷水域水体氮、憐含量5月大于8月，与当地气候和外源污染关于；谢桥塌陷水域水体中氮含量时间变化明显，10月高，8月低，季节性差异较为明显，氨氮10月含量明显高于8月，整体波动性大，塌陷水域中总憐的含量差异性及波动性不明显。
2）对潘集杨庄塌陷区土壤进行研究，发现距水域最近的土壤氮、磷含量小，且随着距离的增加氮、憐含量随之增大，从而发现在雨水径流的冲刷下，靠近水域或间歇性淹水的土壤氮、憐含量小，其中总氮、总憐规律性比较明显，土壤氨氮、確态氮、亚销态氮的含量波动性大，受周围和降雨条件影响比较大；从氮、憐时间变化上看，潘集杨庄土壤5月大于8月，8月各指标的含量范围变化幅度大，变异系数大，说明土壤氮、磷含量受到周围环境的影响。谢桥塌陷区域土壤氮、磷含量表现为东边区域大于西边塌陷区域，从时间上看，谢桥塌陷区域土壤氮磷含量10月大于8月。
参考文献（略）