煤粮复合区是我国重要的能源、粮食生产基地。煤炭开采引起的采煤沉陷会降低土壤的质量。土壤质量是在整个自然生态体系中,能够保持生物的生产力、维护生态环境质量、促进动物植物和人类健康持续发展的能力,而且是与土壤的形成原因以及人类社会活动引起的动态变化紧密相关的一种固有属性。土壤质量评价就是在已经掌握的土壤外部的基本属性基础上,量化地表达土壤的各个内在属性,以达到全面正确认识土壤和科学管理土壤的目的。研究耕地土壤质量的根本目的就是寻求耕地土壤质量的变动机制以及耕地土壤质量对动植物健康发展的影响,科学地构建耕地土壤质量评价指标体系,为维护耕地土壤质量和耕地土壤定向培育提供理论支持和参考,从而保证农业的可持续生产。煤粮复合区采煤沉陷对耕地土壤的影响评价本质上就是关于人类采煤活动对土壤的物理、化学、生物特性等综合作用的大小进行全面地分析和评价。采煤沉陷对土壤影响的综合评价在土地复垦与生态重建中起着关键作用,是采煤沉陷区复垦土壤特征分析的一项基础工作,可以为煤粮复合区土地复垦和生态重建提供基础数据,以便更好的了解和掌握采煤沉陷对土壤特性的影响机理。因此,选择九里山矿煤粮复合区典型采煤沉陷地为研究对象,充分利用野外调查,原位定点监测,室内分析、数理统计分析相结合的方法,分析了采煤沉陷地(坡地、裂缝、积水)对土壤质量主要因子的影响,探讨了采煤沉陷地土壤质量环境因子、肥力因子、健康因子在不同微地形和不同土壤深度的空间分布规律,研究了采煤沉陷对作物根际微环境的影响特征,构建了采煤沉陷地土壤质量评价模型和土壤质量退化评价模型,分析了采煤沉陷地作物根际与非根际土壤质量对玉米产量的影响,以期为煤粮复合区的土壤复垦、耕地报损和粮食的可持续生产提供理论依据。研究取得的主要成果为:(1)采煤沉陷显著改变土壤环境因子,在采煤沉陷微地形中,采煤沉陷裂缝显著减少了土壤的含水率和pH值,而采煤沉陷(坡地、积水)显著增加了土壤的含水率和土壤pH值;采煤沉陷微地形对土壤含水率影响的大小排序为:沉陷积水>沉陷裂缝>沉陷坡,且在0-20cm土层、20-40cm土层、40-60cm土层表现出相同的规律性。而采煤沉陷微地形对土壤pH值影响的大小排序是:沉陷裂缝>沉陷积水>沉陷坡,且在0-20cm土层、20-40cm土层、40-60cm土层表现出相同的规律性。采煤沉陷对不同土层土壤含水率的影响大小排序为:0-20cm土层>20-40cm土层>40-60cm土层;而采煤沉陷坡和采煤沉陷裂缝对土壤pH值的影响与其对土壤含水量的影响表现出了相同的规律;采煤沉陷积水对土壤pH值的影响则表现出了相反的规律性。采煤沉陷显著改变了土壤的肥力因子。采煤沉陷不同微地形对不同土层的土壤有机质、土壤全氮、土壤碱解氮、土壤全磷、土壤有效磷的影响具有较大的差异性。采煤沉陷对土壤肥力的不同影响为:采煤沉陷裂缝和沉陷积水大于采煤沉陷坡。而在采煤沉陷积水区,距沉陷水域2m-4m的范围内,表层土壤的肥力有所增加,原因在于沉陷坡的土壤养分在受到雨水侵蚀和耕作侵蚀后在沉陷坡坡底汇集造成的。采煤沉陷显著减低了土壤的健康因子。采煤沉陷对不同土层土壤蔗糖酶活性、土壤脲酶活性、土壤过氧化氢酶活性的影响具有一定的差异性。采煤沉陷对0-20cm土层的土壤酶活性的影响最大,其次是20-40cm土层,最小的是40-60cm土层。在采煤沉陷微地形中,沉陷裂缝对不同土层的土壤蔗糖酶活性、土壤过氧化氢酶活性影响最大,而沉陷裂缝对耕地0-20cm土层、20-40cm土层的土壤脲酶活性影响最大,采煤沉陷积水对40-60㎝土层土壤脲酶活性的影响最大,而采煤沉陷坡对不同土层土壤蔗糖酶、土壤脲酶、土壤过氧化氢酶活性的影响相对最小。(2)采煤沉陷改变了作物根际的微环境。采煤沉陷坡、裂缝、积水对作物根际土壤微环境的影响表现出不同的规律。作物根际土壤含水率、ph均低于非根际土壤。采煤沉陷区作物根际土壤含水率、ph的富集率也有所不同,并低于对照。作物根际土壤有机质、全氮、碱解氮、全磷含量均高于非根际土壤,其有效磷含量低于非根际土壤。采煤沉陷地作物根际土壤有机质、氮素、磷素的富集率也有所不同,并低于对照。作物根际土壤蔗糖酶、脲酶、过氧化氢酶活性均高于非根际土壤。采煤沉陷地作物根际土壤蔗糖酶、脲酶、过氧化氢酶活性的根土比也有所不同,并低于对照。表明采煤沉陷坡、裂缝、积水降低了作物的根际效应;采煤沉陷坡自坡上至坡下,作物的根际效应不断减小;距采煤沉陷裂缝越近,作物的根际效应不断减小;距沉陷积水的越近,作物的根际效应不断减小。(3)采煤沉陷显著降低了煤粮复合区耕地土壤的质量。采煤沉陷对耕地不同土壤层土壤质量的影响具有一定的差异性。在0-20cm土层土壤质量评价结果来看,采煤沉陷不同微地形对土壤质量指数的影响各不相同。采煤沉陷对下坡的土壤质量影响较大,而对上坡和中坡的土壤质量影响较小,上中下坡分别比对照低了4.08%、6.90%、18.50%,其退化指数分别为0.181、0.239、0.467。采煤沉陷裂缝对其周围90cm范围内的土壤质量影响较大,分别比对照低了31.14%、21.63%、11.08%,其退化指数分别为0.636、0.453、0.232;对距裂缝90cm外的土壤质量影响不大,分别比对照低了1.25%、0.31%,其退化指数分别为0.027、0.008。在采煤沉陷微地形中,采煤沉陷积水对土壤质量的影响最大,其土壤质量分别比对照低了45.66%、15.57%、19.02%、18.60%、18.18%、16.82%,其退化指数分别为0.899、0.314、0.381、0.369、0.362、0.335。在20-40cm土层,采煤沉陷微地形对土壤质量的影响也有较大的差异性。采煤沉陷对下坡土壤质量的影响较大,而对上坡和中坡的土壤质量影响较小,上中下坡的土壤质量指数分别比对照低了3.60%、4.20%、11.10%,其退化指数分别为0.107、0.206、0.352。采煤沉陷裂缝对距其60cm内的耕地土壤质量具有显著影响,分别对对照低了14.20%、5.40%,其退化指数分别为0.495、0.290;对距沉陷裂缝60cm以外的土壤质量影响不大,几乎没有差别,其退化指数分别为0.087、0.038、0.170。沉陷积水对土壤质量的影响最大,其土壤质量指数分别比对照低了33.50%、29.10%、27.10%、25.20%、18.60%、14.40%,其退化指数分别为:0.926、0.795、0.736、0.678、0.513、0.403。采煤沉陷积水区土壤的土壤质量指数明显低于0-20cm土层的土壤质量指数,而其退化指数也明显大于0-20cm土层的,说明采煤沉陷积水对20-40cm土层的土壤质量影响较大。在40-60cm土层,采煤沉陷微地形对土壤质量的影响有所不同。采煤沉陷坡对土壤质量的影响与0-20cm土层和20-40cm土层表现出相同的规律性,上中下坡的土壤质量指数分别对对照低了2.27%、7.49%、13.24%,其退化指数分别为0.046、0.188、0.323。采煤沉陷裂缝对其周围60cm范围内的土壤质量影响较大,分别比对照低了16.55%、9.41%,其退化指数分别为0.464、0.261;对距沉陷裂缝60cm以外的土壤质量影响不大,分别比对照低了3.14%、2.09%、0.87%,其退化指数分别为0.077、0.030、0.018。采煤沉陷积水对土壤质量的影响最大,其土壤质量指数分别比对照低了52.09%、47.56%、44.08%、40.42%、37.63%、30.66%,其退化指数分别为0.941、0.838、0.766、0.682、0.629、0.531。采煤沉陷积水区40-60cm土层土壤质量指数明显低于20-40cm土层,其退化指数也明显大于20-40cm土层,说明采煤沉陷积水对40-60cm土层的土壤质量影响最大。(4)采煤沉陷对玉米的产量具有显著的影响。采煤沉陷不同微地形对玉米产量的影响具有显著的差异性,其对玉米产量影响的变异系数分别为17.26%、31.36%、20.91%,均为中等变异;表明采煤沉陷对玉米产量具有不同程度的影响。采煤沉陷不同微地形对玉米产量影响的大小排序为:沉陷裂缝>沉陷积水>沉陷坡地。采煤沉陷不同微地形玉米产量的分布趋势与土壤质量的分布特征相一致,也与土壤退化指数的分布特征相反。定量分析了煤粮复合区采煤沉陷地玉米产量与土壤质量的关系,相关分析表明玉米产量与采煤沉陷坡、采煤沉陷裂缝、采煤沉陷积水区土壤质量均表现出了显著正相关关系。玉米产量与采煤沉陷地土壤质量指数高度的相关性,证明了本研究采用的评价指标体系和评价方法具有可行性和实用价值。研究取得的创新性成果为:(1)开展了煤粮复合区采煤沉陷(坡地、裂缝、积水)对土壤质量的影响全面系统地研究,开展了对煤粮复合区采煤沉陷对土壤质量的影响进行了全面系统地研究,分析了开采沉陷区土壤质量的主要因子及空间分布特征,分析了开采沉陷对土壤质量、作物根际微环境及根际效应的影响规律。(2)应用土壤质量和退化的评价模型,研究了开采沉陷对土壤质量影响和退化机理,分析了作物产量与土壤质量的关系。