西北風(fēng)積沙區(qū)采煤擾動下土壤侵蝕與養(yǎng)分演變特征

聶小軍，高 爽，陳永亮，張合兵

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西北風(fēng)積沙區(qū)采煤擾動下土壤侵蝕與養(yǎng)分演變特征

聶小軍1，高 爽1，陳永亮2，張合兵1

（1. 河南理工大學(xué)測繪與國土信息工程學(xué)院，焦作 454000； 2. 中國神華神東哈拉溝煤礦，榆林 719315）

為更好地理解西北風(fēng)積沙礦區(qū)生態(tài)環(huán)境演變規(guī)律，以神東哈拉溝與上灣礦區(qū)為例，利用137Cs示蹤法分析了未采區(qū)、自恢復(fù)沉陷區(qū)（1、2、4、8 a沉陷區(qū)）與植被修復(fù)區(qū)（13 a沉陷區(qū)）的土壤侵蝕與養(yǎng)分特征，研究了礦區(qū)土壤侵蝕與養(yǎng)分的演變規(guī)律。結(jié)果表明：采煤擾動可以導(dǎo)致未采區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度增大與有機(jī)碳、微生物量碳、全氮、全磷、堿解氮養(yǎng)分明顯損失。開采沉陷后，沉陷區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度隨著時間的推移呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢；其中，地表沉陷后的最初2 a是土壤侵蝕急劇增大的時段。采煤擾動下，土壤有機(jī)碳、微生物量碳、全氮、全磷、堿解氮養(yǎng)分的演變規(guī)律與土壤侵蝕演變密切相關(guān)。植被修復(fù)可以有效降低沉陷區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度與提高土壤養(yǎng)分含量。西北風(fēng)積沙區(qū)采煤沉陷地表的生態(tài)恢復(fù)應(yīng)該及時開展地表沉陷后的早起侵蝕防治，兼顧考慮植被修復(fù)與土壤微生物聯(lián)合修復(fù)，以此促進(jìn)土壤、植被正向演替。

土壤；侵蝕；養(yǎng)分；采煤塌陷；生態(tài)環(huán)境演變；137Cs示蹤；風(fēng)積沙區(qū)

0 引 言

西北地區(qū)是中國重要的煤炭基地，煤炭資源儲量豐富、賦存穩(wěn)定、基巖薄、煤層厚、埋深淺、地質(zhì)條件簡單，極適于高強(qiáng)度開采。隨著國家煤炭開采戰(zhàn)略的西移，集群化、高強(qiáng)度開采方式使得地表生態(tài)環(huán)境的破壞范圍廣、速度快、形式多、時空差異大。加之，西北礦區(qū)多處于風(fēng)積沙區(qū)，生態(tài)脆弱，突出表現(xiàn)為干旱缺水、植被覆蓋低、抗擾動能力差，在采礦擾動和自然營力的共同作用下，煤炭開采導(dǎo)致的地表生態(tài)環(huán)境惡化問題極其突出，嚴(yán)重制約了礦區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。

采煤擾動導(dǎo)致的土壤質(zhì)量變化是西北風(fēng)積沙礦區(qū)生態(tài)環(huán)境研究關(guān)注的一個重要科學(xué)議題。受采煤擾動影響，土壤質(zhì)量呈動態(tài)變化，因此開展該方面的研究應(yīng)該關(guān)注土壤質(zhì)量的演變。先前大量的研究從靜態(tài)的角度評價了地表沉陷后土壤水分、養(yǎng)分等理化性質(zhì)的變化，探討了地表破壞（裂縫、沉陷）對土壤質(zhì)量的影響[1-6]。最近，臺曉麗等[7-8]從動態(tài)的角度研究了地表沉陷后的土壤水分、養(yǎng)分演變。目前的研究極大地增加了對礦區(qū)土壤質(zhì)量變化的認(rèn)識，但是這些研究通常以沉陷區(qū)附近的未采區(qū)為對照，忽略了煤炭開采對未采區(qū)生態(tài)環(huán)境的影響（例如：已采區(qū)地下含水層破壞導(dǎo)致整個礦區(qū)土壤干旱加?。?，這不利于全面理解西北風(fēng)積沙礦區(qū)土壤質(zhì)量的演變規(guī)律。

土壤侵蝕是導(dǎo)致全球土地退化的一個主要原因[9]。西北風(fēng)積沙區(qū)風(fēng)蝕荒漠化嚴(yán)重，采煤擾動導(dǎo)致該環(huán)境問題更加突出，但是有關(guān)該礦區(qū)土壤侵蝕演變的研究鮮有報道。目前用于評價土壤侵蝕的方法主要有修正的通用土壤流失方程（RUSLE，revised universal soil loss equation）與同位素示蹤法。在RUSLE中，SL（坡長、坡度）是評價土壤侵蝕強(qiáng)度的地形因子。由于西北風(fēng)積沙礦區(qū)地貌類型主要為波狀沙丘，地下煤層近水平分布，開采沉陷導(dǎo)致的地形因子SL變化不明顯，這將限制利用RUSLE對該區(qū)土壤侵蝕演變的準(zhǔn)確評價。與通用土壤流失方程不同，137Cs同位素示蹤法不受地形因子的限制，只需要比較研究區(qū)與背景區(qū)的137Cs含量差異，即可獲取研究區(qū)的侵蝕或沉積狀況；而且，137Cs示蹤法具備簡單、評價精度高、研究費(fèi)用低等特點(diǎn)，因此該方法目前被證明是研究土壤侵蝕（水蝕、風(fēng)蝕、耕作侵蝕）的可靠方法[10]。此外，137Cs示蹤法能夠很好地建立土壤侵蝕-養(yǎng)分間的聯(lián)系[11-13]，為研究土壤養(yǎng)分侵蝕動態(tài)提供了方法論上的支持。

基于以上背景，本研究以神東哈拉溝與上灣礦區(qū)為研究區(qū)，利用137Cs示蹤法調(diào)查未采區(qū)、自恢復(fù)沉陷區(qū)（地表沉陷后穩(wěn)定期分別為1、2、4、8 a的沉陷區(qū)）的土壤侵蝕與養(yǎng)分特征，揭示其演變規(guī)律并探討土壤侵蝕對土壤養(yǎng)分演變的影響，同時也檢驗(yàn)植被修復(fù)區(qū)（地表沉陷后穩(wěn)定期為(13+12) a經(jīng)濟(jì)林恢復(fù)）的土壤保持效果，以期為西北風(fēng)積沙礦區(qū)的生態(tài)恢復(fù)與重建提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)選擇神東哈拉溝（39°23′54″N，110°12′30″E）與上灣（39°16′52″N，110°09′32″E）礦區(qū)（圖1a），地處毛烏素沙漠東南邊緣，海拔1 084～1 350 m；地貌類型主要為波狀固定、半固定沙丘，地表多為第四系風(fēng)積沙等松散層覆蓋。研究區(qū)屬溫帶半干旱半沙漠的高原大陸性季風(fēng)氣候，降雨稀少且年內(nèi)變化大，年均降雨量為375 mm（1957－2016），一年的降水主要集中在7～9月中旬，約占全年降水量的60%以上，且多以暴雨的形式出現(xiàn)。研究區(qū)蒸發(fā)強(qiáng)烈，年均蒸發(fā)量為2 382 mm，是年降雨量的6.4倍。春、冬兩季為研究區(qū)風(fēng)季，西北風(fēng)盛行，風(fēng)速一般在3.30 m/s左右，最大可達(dá)24 m/s（1979年11月）。生態(tài)系統(tǒng)主要為荒漠草原，植被以沙柳（）、沙蒿（）、紫穗槐（）和檸條（）等典型荒漠植被為主。土壤類型為風(fēng)沙土或黃綿土，表層土壤質(zhì)地為砂土或砂壤，結(jié)構(gòu)較松散，土壤肥力低，風(fēng)蝕嚴(yán)重。研究區(qū)煤層埋深較淺，高強(qiáng)度井工開采導(dǎo)致的地表破壞（沉陷、裂縫）、水土流失、植被退化等生態(tài)環(huán)境問題突出。

圖1 研究區(qū)與試驗(yàn)樣地位置示意圖

1.2 樣地選擇

根據(jù)哈拉溝與上灣礦采煤工作面背景資料，2013年在研究區(qū)內(nèi)選擇未采區(qū)、自恢復(fù)沉陷區(qū)（地表沉陷后穩(wěn)定期分別為1、2、4、8 a的沉陷區(qū)，下文分別簡稱為1、2、4、8 a沉陷區(qū)）、植被修復(fù)沉陷區(qū)（地表沉陷后穩(wěn)定期為(13+12) a經(jīng)濟(jì)林恢復(fù)）來開展研究（圖1b）。未采區(qū)、4個自恢復(fù)沉陷區(qū)以及植被修復(fù)沉陷區(qū)的供試樣地面積均為0.15 km2。未采區(qū)、自恢復(fù)沉陷區(qū)與植被修復(fù)沉陷區(qū)地貌、土壤類型一致，地貌類型均為波狀沙丘，沙丘均為淺丘，土壤類型均為風(fēng)沙土，土壤侵蝕主要為風(fēng)蝕。自恢復(fù)沉陷區(qū)的植被以自然恢復(fù)為主，植被類型為落葉闊葉灌叢和沙生類，覆蓋度30%～60%，主要物種包括沙柳（）、沙蒿（）、紫穗槐（）、檸條（）、沙米（）、針茅（）、狗尾草（()）等。植被修復(fù)沉陷區(qū)的修復(fù)措施為水平溝與魚鱗坑整地+杏樹（）種植，修復(fù)林地的郁閉度為0.6。本研究調(diào)查發(fā)現(xiàn)，未采區(qū)雖然還沒有發(fā)生地表沉陷，但已經(jīng)受到了礦業(yè)活動的明顯影響，如：周邊地表沉陷對未采區(qū)地表-地下水文環(huán)境的影響、運(yùn)煤公路對未采區(qū)的切割以及對其植被的破壞（植被覆蓋度50%～60%；未采區(qū)植被類型、主要物種與自恢復(fù)沉陷區(qū)一樣）等，因此，像沉陷區(qū)一樣，未采區(qū)也屬于采煤擾動區(qū)，反映地表沉陷之前的采煤擾動信息。另外，根據(jù)神東礦區(qū)井田分布范圍資料，本研究在神東礦區(qū)邊界外（距離上灣礦西部25 km左右）選擇植被良好（覆蓋度80%）且未受采煤擾動的區(qū)域作為研究區(qū)的對照區(qū)（CP，圖1a），以此反映礦區(qū)未受采煤擾動前的背景信息。而且，對照區(qū)的地貌類型、土壤類型、植被類型、主要植物物種與未采區(qū)、自恢復(fù)沉陷區(qū)完全一樣，從而確保對照區(qū)的代表性。對照區(qū)的供試樣地面積同樣為0.15 km2。

未采區(qū)、沉陷區(qū)、對照區(qū)土壤概況見表1。

表1 未采區(qū)、沉陷區(qū)、對照區(qū)土壤（0～15 cm）概況

表1中，對照區(qū)土壤容重小，主要是由于對照區(qū)植被情況良好，覆蓋度高達(dá)80%（遠(yuǎn)高于未采區(qū)50%～60%與沉陷區(qū)30%～60%的植被覆蓋度），植物根系發(fā)達(dá)，因而導(dǎo)致對照區(qū)土壤疏松，結(jié)果表現(xiàn)出土壤容重小的現(xiàn)象。此外，對照區(qū)土壤容重小與土壤侵蝕強(qiáng)度有關(guān)。相比較未采區(qū)、自恢復(fù)沉陷區(qū)，對照區(qū)土壤侵蝕弱（見下文中的土壤侵蝕研究結(jié)果），因此，對照區(qū)土壤中保留的黏粒含量相對高（表1），所以這也是導(dǎo)致對照區(qū)土壤容重小的一個原因。而未采區(qū)、自恢復(fù)沉陷區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)，由于黏粒相較于砂粒易受侵蝕（風(fēng)蝕、水蝕）搬運(yùn)，所以土壤中的黏粒含量降低、砂粒含量增加（表1），最終導(dǎo)致土壤容重增加。

137Cs示蹤法已被成功應(yīng)用于風(fēng)蝕區(qū)土壤侵蝕研究[14-16]。應(yīng)用該示蹤技術(shù)開展土壤侵蝕評價的前提是獲取研究區(qū)域的137Cs背景值。本研究中，為利用137Cs示蹤法評價采煤擾動區(qū)內(nèi)的未采區(qū)、沉陷區(qū)土壤侵蝕變化特征，在對照區(qū)附近選擇一處具有60 a歷史的林地（楊樹林，樣地面積為0.05 km2，圖1a）作為137Cs沉降本底區(qū)來獲取137Cs背景值。該本底區(qū)地表凋落物層次清晰，為不同分解階段的植物殘體，而且未發(fā)現(xiàn)泥沙混合現(xiàn)象，表明該土壤無人為擾動、無明顯侵蝕和堆積，因此是較理想的137Cs本底值采樣區(qū)。

137Cs示蹤土壤侵蝕的基本原理為：如果采樣區(qū)的137Cs濃度小于137Cs背景值，則該樣區(qū)被斷定為侵蝕區(qū)；反之，為沉積區(qū)。在侵蝕區(qū)，土壤侵蝕強(qiáng)度與137Cs濃度呈反比關(guān)系，即137Cs濃度越低，土壤侵蝕強(qiáng)度越大[17-18]。

1.3 樣品采集與分析

樣品采集方案為：首先，采集137Cs本底樣品。在137Cs本底區(qū)，設(shè)置7個137Cs背景點(diǎn)，用取土鉆（直徑=8 cm，鉆頭長度為15 cm；荷蘭Eijkelkamp公司生產(chǎn)）在每個樣點(diǎn)按照5 cm的土壤深度間隔采集至地表以下40 cm。其次，在上述未采區(qū)、5個沉陷區(qū)以及對照區(qū)分別隨機(jī)布設(shè)5個重復(fù)樣點(diǎn)，總計35個樣點(diǎn)。根據(jù)137Cs本底值的土壤深度分布特征（主要分布在0～25 cm），每個樣點(diǎn)按照15 cm的土壤深度間隔，分層采集0～15、>15～30 cm的土壤樣品。樣品采集結(jié)束，帶回實(shí)驗(yàn)室測定。

待測樣品在實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干、過篩，0～15 cm深度的土壤樣品用于測定土壤顆粒組成、容重、pH值、有機(jī)碳、全氮、全磷、堿解氮、有效磷、微生物量碳指標(biāo)；0～30 cm深度的分層土壤樣品用于測定137Cs濃度與土壤容重。137Cs樣品的測定利用美國堪培拉（CANBERRA）公司生產(chǎn)的高純鍺（HPGe）探頭多道能譜儀。每個樣品測試質(zhì)量不小于350 g，測試時間為40 000～60 000 s，測試結(jié)果相對誤差<5%。經(jīng)儀器測定的137Cs含量為質(zhì)量濃度（Bq/kg），結(jié)合土壤容重將其轉(zhuǎn)化為面積濃度（Bq/m2）。土壤顆粒組成、容重、pH、有機(jī)碳、全氮、全磷、堿解氮、有效磷采用常規(guī)分析方法來測定[19]，即：土壤顆粒組成通過吸管法來測定，然后把顆粒組分歸類成2～0.05 （砂粒）、0.05～0.002（粉粒）、<0.002 mm（黏粒）3部分，根據(jù)美國農(nóng)部制土壤質(zhì)地判定方法來劃定本研究中的土壤質(zhì)地；土壤容重的測定是通過對本研究中按照5與15 cm土壤深度間隔采集的全部樣品利用烘干法（105 ℃）來進(jìn)行（與環(huán)刀法原理一樣）；pH值采用電位法來測定（水土比為2.5:1）；有機(jī)碳用重鉻酸鉀油浴外加熱法測定；全氮與堿解氮分別用凱氏定氮法與堿解擴(kuò)散法來測定；全磷用HClO4-H2SO4酸溶-鉬銻抗比色法測定，有效磷用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定。土壤微生物量碳通過氯仿熏蒸－K2SO4提取法測定[20]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

所有測定數(shù)據(jù)采用SPSS19.0統(tǒng)計軟件來處理。未采區(qū)、沉陷區(qū)以及對照區(qū)間的各指標(biāo)均值差異采用ONE－ANOVA單因素方差分析來進(jìn)行，在<0.05的顯著性水平下認(rèn)為均值具有顯著性差異。

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤侵蝕

本研究調(diào)查的137Cs本底值為726（SD:±34）Bq/m2。137Cs本底值深度分布格局（圖2）表明：隨著土壤深度的增加，137Cs面積濃度降低，且137Cs含量集中分布在0～25 cm的土壤深度范圍內(nèi)，總體上呈現(xiàn)出單峰+負(fù)指數(shù)分布形態(tài)，這種格局符合137Cs在區(qū)域背景樣地土壤中的分布規(guī)律[21]。

圖2 137Cs本底值的土壤剖面分布格局

未采區(qū)、沉陷區(qū)、對照區(qū)（CP）的137Cs面積濃度（326～581 Bq/m2）均低于137Cs本底值（726 Bq/m2）（圖3），降幅為32%～55%，表明未采區(qū)、沉陷區(qū)與對照區(qū)的土壤遭受了嚴(yán)重的侵蝕，也反映了西北風(fēng)積沙區(qū)風(fēng)蝕嚴(yán)重的背景特征。

Note: CP, control plot; UEP, unexploited plot; 1ySP, 1-year subsided plot; 2ySP, 2-year subsided plot; 4ySP, 4-year subsided plot; 8ySP, 8-year subsided plot; 13ySP, 13-year subsided plot, the same below.

對照區(qū)137Cs含量（494 Bq/m2）反映研究區(qū)未受采煤擾動下的土壤侵蝕水平；與對照區(qū)相比，未采區(qū)137Cs含量（454 Bq/m2）降低8%，表明采煤擾動加劇了未采區(qū)土壤侵蝕，也反映出采煤擾動影響下礦區(qū)地表沉陷之前的土壤侵蝕變化。未采區(qū)土壤侵蝕增強(qiáng)可能與井下開采導(dǎo)致的地下水水文格局破壞有關(guān)。由于研究區(qū)煤系上覆巖層之上的第四系河谷沖積層潛水為土壤、植被的涵養(yǎng)水層，井下工作面開采產(chǎn)生的導(dǎo)水裂縫帶導(dǎo)通了第四系潛水含水層，使得采空區(qū)形成地下漏斗，從而誘發(fā)未采區(qū)的地下水向采空區(qū)匯集，進(jìn)而加劇未采區(qū)地表土壤干旱、沙化，最終導(dǎo)致未采區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度增加。

與對照區(qū)相比，沉陷歷史為1、2、4、8 a的自恢復(fù)沉陷區(qū)137Cs面積濃度在未采區(qū)8%的降幅基礎(chǔ)上繼續(xù)降低（圖3），分別降低16%、29%、34%、10%。這表明：開采沉陷進(jìn)一步加劇了研究區(qū)的土壤侵蝕強(qiáng)度；而且，自地表沉陷后，隨著時間的推移，土壤侵蝕強(qiáng)度呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢。綜合未采區(qū)、1、2、4、8 a沉陷區(qū)137Cs含量變化，也可以看出：地表沉陷后的最初2 a，土壤侵蝕急劇增大；4 a以后，土壤侵蝕呈現(xiàn)降低趨勢。該結(jié)果可能歸因于植被的破壞與恢復(fù)。實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，高強(qiáng)度開采沉陷后的最初2 a，由于地表裂縫多（尤其是垂直于井下工作面推進(jìn)方向的動態(tài)裂縫），灌喬木受裂縫拉斷根系影響而枯萎，禾本、草本科植物因裂縫增加了土壤水分蒸發(fā)通道而大面積干旱死亡，該時段內(nèi)植被對土壤的保持作用極差，因此，土壤侵蝕急劇增大；及至第4年，裂縫多被風(fēng)沙掩埋，植被開始好轉(zhuǎn)，植被固土作用也相應(yīng)轉(zhuǎn)強(qiáng)，因此該時段后，土壤侵蝕開始減弱。從1、2、4、8a沉陷區(qū)都是自恢復(fù)沉陷區(qū)這個角度來看，8年沉陷區(qū)相較于1、2、4a沉陷區(qū)，其137Cs含量呈現(xiàn)增加趨勢。這個結(jié)果說明：西北風(fēng)積沙區(qū)沉陷地表隨著自恢復(fù)期限的延長，土壤侵蝕水平可以降低。

植被修復(fù)沉陷區(qū)由于植被修復(fù)期長（12 a）且取得了良好的修復(fù)效果，137Cs面積濃度相較于對照區(qū)增加（圖3），增幅為18%，表現(xiàn)出最低的土壤侵蝕強(qiáng)度，由此可見，植被修復(fù)是防治西北風(fēng)積沙區(qū)采煤沉陷地表土壤侵蝕的有效手段。

2.2 土壤養(yǎng)分

圖4顯示了未采區(qū)、沉陷區(qū)、對照區(qū)之間土壤養(yǎng)分變化。與對照區(qū)相比，未采區(qū)土壤有機(jī)碳、全氮、全磷、堿解氮含量顯著降低（0.05），降低幅度分別為55%、64%、29%、36%，表明地表沉陷之前這些養(yǎng)分的明顯損失。但是，未采區(qū)土壤有效磷含量相較于對照區(qū)顯著增加（0.05），這可能是因?yàn)榫麻_采對土壤的涵養(yǎng)水層（第四系潛水）的破壞加劇了土壤干旱，從而增強(qiáng)了土壤有機(jī)磷向無機(jī)磷的礦化。

圖4 未采區(qū)、沉陷區(qū)、對照區(qū)的土壤養(yǎng)分含量

對于自恢復(fù)沉陷區(qū)而言，土壤有機(jī)碳、全氮、堿解氮含量隨著時間的推移而增加（圖4），該結(jié)果與劉哲榮等[22-23]的研究結(jié)果一致，表明西北風(fēng)積沙區(qū)開采沉陷后土壤養(yǎng)分的自恢復(fù)演變趨勢。具體來說，1、2 a沉陷區(qū)土壤有機(jī)碳、全氮、堿解氮含量最低，且低于未采區(qū)（0.05）；4、8 a沉陷區(qū)這3個養(yǎng)分的含量分別接近（0.05）、顯著高于未采區(qū)，但仍低于對照區(qū)。這表明：地表沉陷后的最初2 a，土壤有機(jī)碳、全氮、堿解氮損失最嚴(yán)重；4~8 a后，它們的含量將恢復(fù)至甚或超出地表沉陷前的水平，但很難恢復(fù)到采煤擾動前的水平。另外，土壤全磷含量僅在4 a沉陷區(qū)顯著低于未采區(qū)（<0.05），但相較于其他3個自恢復(fù)沉陷區(qū)（1、2、8 a）無顯著差異（>0.05），這表明：地表沉陷后的第4年，全磷損失明顯；其后隨著時間的推移，全磷含量可以恢復(fù)到地表沉陷前的水平。土壤有效磷在1、2、4、8 a沉陷區(qū)的含量均低于未采區(qū)（<0.05），大體上表現(xiàn)出隨著時間的推移而逐漸降低至采煤擾動前水平的趨勢。該結(jié)果可能歸因于地表沉陷后，隨著植被自恢復(fù)效果的逐漸好轉(zhuǎn)，植被對有效磷養(yǎng)分的利用不斷增強(qiáng)。此外，這4個自恢復(fù)沉陷區(qū)土壤有效磷含量均不同程度地高于對照區(qū)。土壤有效磷虧缺被證實(shí)是限制許多礦區(qū)土壤、植被正向演替的影響因子[24]。但是，本文結(jié)果表明本研究區(qū)并沒有發(fā)生因采煤擾動導(dǎo)致的土壤有效磷虧缺，因此本礦區(qū)的生態(tài)修復(fù)應(yīng)該合理利用土壤有效磷本底優(yōu)勢，促進(jìn)土壤、植被正向演替。

在植被修復(fù)沉陷區(qū)（13 a沉陷區(qū)），土壤有機(jī)碳、堿解氮含量顯著高于對照區(qū)（<0.05），全氮、全磷、有效磷含量接近對照區(qū)（>0.05），這表明植被修復(fù)可以有效提升西北風(fēng)積沙區(qū)開采沉陷地表退化土壤的養(yǎng)分。

本研究調(diào)查了采煤擾動區(qū)土壤微生物量碳的變化。土壤微生物量碳作為土壤有機(jī)碳庫中最為活躍的組分，盡管只占總有機(jī)碳的1%～5%，但是它積極參與有機(jī)質(zhì)的分解、養(yǎng)分的循環(huán)與轉(zhuǎn)化，是反映土壤微生物活性強(qiáng)弱的最重要的指標(biāo)[25]。本調(diào)查（圖4）發(fā)現(xiàn)，采煤擾動區(qū)土壤微生物量碳的演變趨勢類似于土壤有機(jī)碳、全氮、堿解氮。與土壤有機(jī)碳、全氮、堿解氮、全磷含量在植被修復(fù)沉陷區(qū)高于或接近對照區(qū)不同的是，土壤微生物量碳含量在植被修復(fù)沉陷區(qū)低于（<0.05）對照區(qū)，表明植被修復(fù)對沉陷區(qū)土壤微生物活性的改善效果弱于有機(jī)碳與氮磷養(yǎng)分。因此，研究區(qū)生態(tài)修復(fù)應(yīng)兼顧考慮植被修復(fù)與土壤微生物修復(fù)措施。

2.3 微生物熵、碳氮比、碳磷比

為進(jìn)一步探討采煤擾動區(qū)土壤養(yǎng)分的動態(tài)，本研究分析了土壤養(yǎng)分比值指標(biāo)：微生物熵（土壤微生物量碳與有機(jī)碳的比值；下文用MBC/SOC來表示）、碳氮比（C/N）與碳磷比（C/P）。圖5顯示：與對照區(qū)（3.43%）相比，未采區(qū)、沉陷區(qū)的土壤MBC/SOC均出現(xiàn)了不同程度的降低（1.87%～3.18%），其中，8 a自恢復(fù)沉陷區(qū)與植被修復(fù)沉陷區(qū)的MBC/SOC最低。與MBC/SOC的變化相反，未采區(qū)、沉陷區(qū)的C/N（10.4～15.2）相較于對照區(qū)呈現(xiàn)不同程度的增加，其中，未采區(qū)、8 a自恢復(fù)沉陷區(qū)與植被修復(fù)沉陷區(qū)的C/N最高。相較于對照區(qū)，未采區(qū)的C/P降低，植被修復(fù)沉陷區(qū)的C/P增加；但在自恢復(fù)沉陷區(qū)，C/P有增有減，其中，C/P在1、2、4 a自恢復(fù)沉陷區(qū)降低，而在8 a自恢復(fù)沉陷區(qū)增加。

圖5 未采區(qū)、沉陷區(qū)、對照區(qū)土壤微生物熵、碳氮比及碳磷比

土壤微生物熵是衡量土壤有機(jī)質(zhì)積累水平的重要指標(biāo)，它比單獨(dú)用有機(jī)碳或微生物量碳能更好地反映有機(jī)質(zhì)質(zhì)量的變化[26]。土壤C/N、C/P通常被用來表征土壤氮、磷素的礦化能力[27-29]。土壤C/N、C/P低，有利于促進(jìn)微生物分解有機(jī)質(zhì)釋放養(yǎng)分，增加土壤有效氮、磷供給；反之，會導(dǎo)致微生物在分解有機(jī)質(zhì)的過程中氮、磷受限，從而產(chǎn)生微生物與植物對土壤無機(jī)氮、磷的競爭，不利于植物的生長。本研究土壤MBC/SOC變化表明，土壤有機(jī)質(zhì)積累水平在地表沉陷前與沉陷后可以出現(xiàn)不同程度的降低，尤其是在沉陷后。8 a自恢復(fù)沉陷區(qū)與13 a植被修復(fù)沉陷區(qū)表現(xiàn)出最低的MBC/SOC，該結(jié)果歸因于這兩個沉陷歷史長的沉陷區(qū)土壤微生物活性恢復(fù)程度遠(yuǎn)低于有機(jī)碳。因此，開展礦區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量評價應(yīng)該綜合考慮土壤有機(jī)碳與微生物量碳。土壤C/N結(jié)果表明：地表沉陷前與沉陷后土壤氮素礦化能力降低，土壤有效氮供應(yīng)不足。土壤C/P變化表明：受采煤擾動影響，礦區(qū)地表在其沉陷前及沉陷后的短期內(nèi)（1～4 a），土壤磷素礦化能力增強(qiáng)。前述結(jié)果“未采區(qū)、1、2、4 a沉陷區(qū)土壤有效磷含量最高（見表2）”也證實(shí)了礦區(qū)地表沉陷前及沉陷后短期內(nèi)的土壤磷素礦化能力增強(qiáng)這一結(jié)果。8 a自恢復(fù)沉陷區(qū)與植被修復(fù)沉陷區(qū)C/N、C/P最高，表明隨著時間推移，土壤氮磷素礦化能力降低的趨勢，這可能是因?yàn)樵撾A段（地表沉陷后的8～13 a）沉陷區(qū)植被恢復(fù)效果轉(zhuǎn)好，進(jìn)入土壤中的有機(jī)物（枯枝落葉）迅速增多，但土壤微生物活性未能同步增強(qiáng)，所以限制了微生物對有機(jī)N、P底物的礦化分解。

2.4 土壤養(yǎng)分與侵蝕的聯(lián)系

在山地、丘陵等地貌區(qū)，土壤侵蝕是導(dǎo)致土壤養(yǎng)分損失的主要原因[9,30]。通過2.1與2.2節(jié)結(jié)果可以看出：與對照區(qū)相比，未采區(qū)、1、2、4、8 a自恢復(fù)沉陷區(qū)、植被修復(fù)區(qū)的土壤有機(jī)碳、全氮、全磷、微生物量碳、堿解氮變化相似于137Cs變化，表明西北風(fēng)積沙區(qū)采煤擾動地表土壤有機(jī)碳及氮、磷養(yǎng)分的演變規(guī)律與土壤侵蝕演變之間存在密切聯(lián)系。相關(guān)分析也顯示：土壤有機(jī)碳、全氮、全磷、微生物量碳、堿解氮含量均與137Cs含量呈正相關(guān)關(guān)系（0.76～0.87，<0.05；見圖6），這個結(jié)果與程靜霞等[31-32]的研究結(jié)果一致，表明礦區(qū)土壤有機(jī)碳及氮、磷養(yǎng)分含量隨采煤擾動下土壤侵蝕強(qiáng)度的增加而降低。因此，土壤侵蝕防治是西北風(fēng)積沙區(qū)采煤擾動地表土壤養(yǎng)分保持的首要任務(wù)。

圖6 土壤養(yǎng)分與137Cs之間的相關(guān)關(guān)系

3 結(jié) 論

本研究對西北風(fēng)積沙礦區(qū)采煤擾動下土壤侵蝕與養(yǎng)分演變特征調(diào)查的結(jié)果表明：

1）受采煤擾動影響，未采區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度增大，土壤有機(jī)碳、微生物量碳、全氮、全磷、堿解氮養(yǎng)分損失明顯，土壤有機(jī)質(zhì)積累水平、氮素礦化能力降低，土壤磷素礦化能力增加。

2）地表沉陷后，隨著時間的推移，土壤侵蝕強(qiáng)度呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢，土壤有機(jī)碳、微生物量碳、全氮、全磷、堿解氮含量呈現(xiàn)出先降低后增加的趨勢。地表沉陷后的最初2 a是土壤侵蝕急劇增大、碳氮養(yǎng)分損失最嚴(yán)重的時段。

3）采煤擾動下，礦區(qū)土壤有機(jī)碳、微生物量碳、全氮、全磷、堿解氮養(yǎng)分演變與土壤侵蝕演變密切相關(guān)。

4）植被修復(fù)可以有效降低采煤沉陷區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度與提高土壤有機(jī)碳與氮磷養(yǎng)分含量。

基于本研究結(jié)果，西北風(fēng)積沙礦區(qū)的生態(tài)恢復(fù)應(yīng)該以侵蝕防治為首要任務(wù)，合理利用土壤有效磷本底優(yōu)勢，兼顧考慮植被修復(fù)與土壤微生物修復(fù)，以此促進(jìn)土壤、植被正向演替。此外，本研究也啟示研究者在今后開展礦區(qū)生態(tài)環(huán)境演變研究時，如果把未采區(qū)作為對照區(qū)，可能存在不能準(zhǔn)確評價沉陷區(qū)土壤、植被、水等生態(tài)環(huán)境要素變化的風(fēng)險。

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Characteristics of soil erosion and nutrients evolution under coal mining disturbance in aeolian sand area of Northwest China

Nie Xiaojun1, Gao Shuang1, Chen Yongliang2, Zhang Hebing1

(,,454000,; 2.,,719315,)

Deterioration of the local ecological environment due to coal mining is serious in the aeolian sand area, Northwest China. A better understanding of the evolution of aeolian sandy soil under coal mining disturbance is essential prior to the initiation of restoration of local ecological environment. In this study, the137Cs tracing technique was used to investigate the characteristics of soil erosion and nutrients in coal mining disturbed lands of Shendong mining area, Northwest China. A plot without being disturbed by coal mining activities near Shendong mining area was selected as the control plot. As for the mining disturbed lands, an unexploited plot and 5 subsidence plots were selected as the study sites. The 5 subsidence plots include 4 self-recovery subsidence plots and one vegetation restoration plot. The 4 self-recovery subsidence plots (1ySP, 2ySP, 4ySP, 8ySP) have undergone stabilization for 1, 2, 4, and 8 years, respectively after surface subsidence. The vegetation restoration plot has experienced a 13-year duration of stabilization after surface subsidence, and has been planted with almond trees for 12 years. It was found that137Cs inventories from the unexploited plot, subsidence plots and control plot were 32%-55% lower than local137Cs reference inventory (726 Bq/m2), which demonstrates the background of severe wind erosion desertification in the study area. In comparison with the control plot, the137Cs inventories in the unexploited plot, 1ySP, 2ySP, 3ySP and 4ySP decreased by 8%, 16%, 29%, 34%, and 10%, respectively. Changes in the nutrients, including soil organic carbon (SOC), microbial biomass carbon (MBC), total nitrogen (TN), available nitrogen (AN) and total phosphorus (TP), showed a similar trend to the137Cs variation. Unlike SOC, MBC, TN, AN, and TP, available phosphorus showed higher concentrations in the unexploited plot and the 4 self-recovery subsidence plots than that in the control plot. In addition, the137Cs, SOC and TN concentrations increased in the vegetation restoration plot in comparison with that in the control plot. Overall, there were significant correlations between SOC, MBC, TN, AN, TP and137Cs within the mining disturbed lands. It was also found that the coal-mining disturbed lands exhibited smaller ratios of MBC to SOC but greater ratios of SOC to TN (i.e. C/N) than the control plot. These results suggested that the intensity of soil erosion firstly increased and then decreased after surface subsidence in the aeolian sand area. Soil erosion increased sharply in the first 2 years after surface subsidence. The evolution of soil nutrients is closely associated with soil erosion evolution under coal mining disturbance. The present study provides evidences for the acceleration of soil erosion and nutrients depletion in unexploited lands of mining area by coal mining disturbance. As a consequence, there would be a considerable underestimation of the impact of mining subsidence on soil evolution when using unexploited plots as the control. Our study also suggested that vegetation restoration may effectively weaken soil erosion and improve soil nutrients in subsidence lands. Therefore, ecological restoration in subsidence lands of the aeolian sand area, Northwest China, should combat against earlier soil erosion after surface subsidence, and a plant-microorganism integrated remediation approach should be adopted to promote the positive succession of soil and vegetation.

soils; erosion; nutrients; mining subsidence; ecological environment evolution;137Cs tracing method; aeolian sand area

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.02.017

S157.1; P208

A

1002-6819(2018)-02-0127-08

2017-08-31

2017-12-06

國家自然科學(xué)基金委員會與神華集團(tuán)有限責(zé)任公司聯(lián)合資助項目（U1261206）；河南省高校創(chuàng)新團(tuán)隊支持計劃（18IRTSTHN008）

聶小軍，男，山西曲沃人，博士，副教授，主要從事土壤侵蝕與環(huán)境生態(tài)研究。Email：niexj2005@126.com

聶小軍，高 爽，陳永亮，張合兵. 西北風(fēng)積沙區(qū)采煤擾動下土壤侵蝕與養(yǎng)分演變特征[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2018，34(2)：127－134. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.02.017 http://www.tcsae.org

Nie Xiaojun, Gao Shuang, Chen Yongliang, Zhang Hebing. Characteristics of soil erosion and nutrients evolution under coal mining disturbance in aeolian sand area of Northwest China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(2): 127－134. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.02.017 http://www.tcsae.org