N元素在陜北礦區(qū)采煤沉陷坡面土壤中的空間異質性研究

劉 具，宋世杰，楊 磊，梁躍強，程 坤

(1.中國煤炭工業(yè)協(xié)會咨詢中心，北京 100013；2. 西安科技大學 地質與環(huán)境學院，陜西 西安 710054)

1 引言

陜北煤炭基地作為黃河流域中游6大煤炭資源輸出地[1]，在保障國家能源安全和支撐煤炭生產(chǎn)重心戰(zhàn)略西移的同時，也造成了一系列煤礦區(qū)采動損害問題，其中以開采沉陷最為典型[2]。大量研究成果已經(jīng)證明，開采沉陷導致的開裂、塌陷、沉陷等多種地表變形類型對地表生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生顯著的負影響，而對土壤質量的損傷是其中關鍵一環(huán)[3]。氮元素不僅是土壤質量和肥力的核心物質之一，更是地表生態(tài)環(huán)境結構與功能的關鍵性調節(jié)因子[4～6]。因氮元素極易受到人為活動的干擾而表現(xiàn)出顯著的空間異質性，因此常常用作人為因素影響下土壤質量變化的指示性指標[7～8]。

鑒于此，通過室內外試驗，研究并揭示陜北典型采煤沉陷坡面土壤中氮元素(總氮和銨態(tài)氮)在空間上的異質性，以期為陜北采煤沉陷區(qū)土壤環(huán)境修復提供理論支撐。

2 材料與方法

2.1 布點與采樣

根據(jù)資料分析與野外勘查結果，選擇陜北榆家梁、石圪臺、麻黃梁采煤沉陷邊緣處沉陷穩(wěn)定(2年左右)的3處典型黃土坡面，在其坡頂、坡中和坡腳3個部位分別隨機布設5個采樣點，每個采樣點分別采集0～10、10～20、20～40、40～60 cm等4個深度的土壤；將不同部位相同土層深度的土壤充分混合后，分別裝入純棉布袋，標記信息；將同區(qū)域內未沉陷且形態(tài)相似的黃土坡面作為對照，按相同方法采集土壤樣品；共獲得24個樣品，全部帶回實驗室。

2.2 樣品處理與檢測方法

3 結果與討論

3.1 結果

3.2 討論

(1)無論是坡頂、坡中還是坡腳，土壤TN含量均呈現(xiàn)隨土層深度的增加而逐漸降低的變化趨勢，且越靠近坡頂該變化趨勢越顯著。具體而言，坡頂0～10 cm土層的TN含量是40～60 cm土層的2.7倍；坡中0～10 cm土層的TN含量是40～60 cm土層的1.6倍；坡腳0～10 cm土層的TN含量是40～60 cm土層的1.3倍。對照未沉陷坡面，發(fā)現(xiàn)開采沉陷放大了TN含量在坡頂土壤垂向上的差異，而縮小了TN含量在坡中、坡腳土壤垂向上的差異。

(2)在坡頂向坡中，再向坡腳轉換的過程中，表層土壤(0～20 cm)TN含量呈現(xiàn)先降低再上升的變化趨勢，且坡中含量最低，坡腳含量最高；深層土壤(20～60 cm)TN含量呈現(xiàn)持續(xù)上升的變化趨勢。具體而言，坡腳、坡頂表層土壤TN含量依次為310～450mg/kg、220～280mg/kg，分別是坡中表層土壤的1.1～3倍、1.3～1.7倍；坡腳深層土壤TN含量為240～250mg/kg，是坡頂深層土壤的2.4～2.5倍。對照未沉陷坡面，發(fā)現(xiàn)開采沉陷同時縮小了不同部位表層、深層土壤TN含量的差異，而坡中土壤TN含量最貧瘠。

圖1 沉陷坡面與未沉陷坡面不同部位與深度土壤TN含量對比

圖2 沉陷坡面與未沉陷坡面不同部位與深度土壤含量對比

(3)無論是部位還是土層深度，沉陷坡面土壤TN含量均小于未沉陷坡面，且差異程度表現(xiàn)為坡腳>坡頂>坡中。具體而言，坡腳表層、深層土壤TN含量較未沉陷區(qū)分別減少了38%、41%；坡頂表層、深層土壤TN含量較未沉陷區(qū)分別減少了17%、30%；坡中表層、深層土壤TN含量較未沉陷區(qū)分別減少了19%、13%。由此可見，開采沉陷造成了全坡面土壤TN含量的損失，而坡腳土壤損失最嚴重。

4 結論

(1)無論在沉陷坡面任何部位，土壤TN含量均呈現(xiàn)隨土層深度的增加而逐漸降低的變化趨勢，且越靠近坡頂該變化趨勢越顯著。在坡頂向坡中，再向坡腳轉換的過程中，表層土壤TN含量呈現(xiàn)先降低再上升的變化趨勢，且坡中含量最低，坡腳含量最高；而深層土壤TN含量持續(xù)上升。這些表明：開采沉陷在放大坡頂土壤TN含量垂向差異的同時，也縮小了坡中、坡腳土壤TN含量垂向差異和各部位土壤TN含量的水平差異，而坡中土壤TN含量最為貧瘠。

(2)無論是部位還是土層深度，沉陷坡面土壤TN含量均小于未沉陷坡面，且差異程度表現(xiàn)為坡腳>坡頂>坡中。由此可見，開采沉陷造成了全坡面土壤TN含量的損失，而坡腳土壤損失最嚴重。