黃河中游煤礦區(qū)沉陷黃土坡面土壤養(yǎng)分空間變化規(guī)律研究

劉 具，宋世杰，杜 麟，楊 磊，梁躍強(qiáng)，程 坤

(1.中國(guó)煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)咨詢中心，北京市朝陽區(qū)，100013；2. 西安科技大學(xué)地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西省西安市，710054)

煤炭作為我國(guó)的主體能源，長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)對(duì)保障國(guó)家能源安全發(fā)揮著重大作用[1]。黃河流域不僅是我國(guó)重要生態(tài)屏障，更是煤炭資源主產(chǎn)區(qū)，素有“能源流域”之稱，我國(guó)煤炭資源的開采主要集中在黃河中上游，這些區(qū)域大多處于干旱、半干旱地區(qū)，生態(tài)環(huán)境脆弱[2-4]。煤炭開采不可避免地引發(fā)生態(tài)環(huán)境損傷，加劇水土沉陷流失、耕地?fù)p失、植被退化。有學(xué)者曾提出自然與人工干預(yù)相結(jié)合的修復(fù)方式[5]，并指出采煤擾動(dòng)下植被修復(fù)可有效降低土壤有機(jī)碳及氮磷養(yǎng)分含量[6-9]。雖然開采沉陷及其衍生的生態(tài)環(huán)境損害復(fù)雜多樣，但土壤質(zhì)量損傷是生態(tài)環(huán)境負(fù)效應(yīng)的關(guān)鍵要素，而有機(jī)質(zhì)、銨態(tài)氮、磷和鉀等養(yǎng)分含量是表征土壤質(zhì)量的核心指標(biāo)，且極大地制約著地表植被的生長(zhǎng)狀況和修復(fù)方式。在治理開采沉陷過程中，黃土坡面會(huì)產(chǎn)生各種變形，導(dǎo)致坡面土壤養(yǎng)分產(chǎn)生顯著空間異質(zhì)性[10-12]。

本文以黃河中游煤礦區(qū)陜北張家峁礦區(qū)井田為研究對(duì)象，主要研究陜北煤礦區(qū)沉陷黃土坡面土壤養(yǎng)分的空間變化特征與規(guī)律，用于指導(dǎo)沉陷區(qū)生態(tài)修復(fù)工作，具有重要的科學(xué)價(jià)值和實(shí)踐意義。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西省榆林市神木縣北部張家峁井田，地處陜西省榆林市神木縣北部，屬典型中溫帶半干旱大陸性氣候，冬季寒冷、夏季炎熱，晝夜溫差懸殊，多年平均氣溫為8.5℃，最高氣溫為38.9℃，最低氣溫為-28.5℃，平均降水量為436.7 mm，多集中于7～9月，平均蒸發(fā)量為1 907～2 122 mm，是降水量的4～5倍，多年平均風(fēng)速為2.5 m/s、最大風(fēng)速為25 m/s，凍土最大深度為146 cm。研究區(qū)除西南角外均為黃土溝壑地貌，地表為第四系中上更新統(tǒng)黃土，厚度一般為50～100 m，坎陡溝深、梁峁相間。井田全區(qū)主采煤層為3-1煤層、埋深為0～108 m、平均厚度為2.84 m，在長(zhǎng)壁綜采開采方式下開采沉陷發(fā)育明顯，地表下沉系數(shù)約為0.7。

2 材料與方法

2.1 布點(diǎn)與采樣

在研究區(qū)選擇沉陷穩(wěn)定(2 a左右)的3處形態(tài)、大小相近的典型黃土坡面，分別在坡頂、坡中和坡腳的3個(gè)部位隨機(jī)布設(shè)3個(gè)1 m×1 m的采樣方，采用“五點(diǎn)法”分別采集0～10、10～20、20～40、40～60 cm等4個(gè)深度的土壤；將每個(gè)黃土坡面不同部位、相同土層深度土壤充分混合后，分別裝入純棉布袋；將同區(qū)域未沉陷且形態(tài)相似的黃土坡面作為對(duì)照，按相同方法采集土壤樣品；共采集48個(gè)樣品。研究區(qū)沉陷黃土坡面土壤樣品采集示意圖如圖1所示。

圖1 研究區(qū)沉陷黃土坡面土壤樣品采集示意圖

2.2 樣品處理與檢測(cè)方法

樣品經(jīng)晾曬、除雜、研磨、過篩等處理，采用總有機(jī)碳分析儀(Vario TOC)測(cè)定有機(jī)質(zhì)含量，全自動(dòng)流動(dòng)分析儀(AA3)測(cè)定銨態(tài)氮含量，電感耦合等離子體(PerkinElme2000，ICP)測(cè)定速效鉀含量，可見分光光度計(jì)測(cè)定速效磷含量，每項(xiàng)平行測(cè)定3次，取算數(shù)平均值作為該項(xiàng)測(cè)試的最終值。

2.3 數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS 21.0軟件進(jìn)行顯著性分析和相關(guān)性分析，所得圖件采用Origin 9.1軟件繪制。

3 實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析

3.1 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，測(cè)定了土壤有機(jī)質(zhì)、銨態(tài)氮、速效磷、速效鉀等養(yǎng)分指標(biāo)，陜北煤礦區(qū)沉陷黃土坡面土壤養(yǎng)分含量測(cè)定結(jié)果見表1。

表1 陜北煤礦區(qū)沉陷黃土坡面土壤養(yǎng)分含量測(cè)定結(jié)果

3.2 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)檢測(cè)結(jié)果繪制了不同部位及土層深度下各土壤養(yǎng)分含量情況，陜北煤礦區(qū)沉陷黃土坡面不同部位及土層深度的土壤養(yǎng)分對(duì)比如圖2所示。

3.2.1 沉陷黃土坡面土壤有機(jī)質(zhì)空間變化規(guī)律

由圖2(a)可以看出：

(1)沉陷黃土坡面土壤有機(jī)質(zhì)含量在不同土層垂直深度上存在明顯差異，坡頂0～10 cm土壤有機(jī)質(zhì)含量為550 mg/kg，是40～60 cm土壤的4.6倍；坡中0～10 cm土壤有機(jī)質(zhì)含量為730 mg/kg，是40～60 cm土壤的5.6倍；坡腳10～20 cm土壤有機(jī)質(zhì)含量為542 mg/kg，分別是0～10 cm、40～60 cm土壤的1.6倍和1.4倍。對(duì)于坡頂和坡中，沉陷黃土坡面土壤有機(jī)質(zhì)含量均呈現(xiàn)隨土層深度增加而逐漸降低的變化趨勢(shì)，且在坡中最明顯，有機(jī)質(zhì)含量主要集中于0～20 cm土層土壤中；對(duì)于坡腳，有機(jī)質(zhì)含量隨土層垂直深度增加而表現(xiàn)為先增加后下降的變化趨勢(shì)，有機(jī)質(zhì)含量主要集中于10～40 cm土層土壤。

(2)與對(duì)照組相比較，沉陷黃土坡面任何部位和任何土層垂直深度中的土壤有機(jī)質(zhì)含量均有所損失。從不同坡面部位角度看，垂直深度為0～60 cm以內(nèi)的不同坡面部位土壤有機(jī)質(zhì)平均損失率由大到小的排序?yàn)槠马?55.2%)>坡中(26.6%)>坡腳(0.4%)；從不同土層深度角度看，3個(gè)坡面部位的各層土壤有機(jī)質(zhì)平均損失率由大到小的排序?yàn)?0～40 cm(41.0%)>40～60 cm(36.9%)>0～10 cm(29.8%)>10～20 cm(28.8%)。由此可見，開采沉陷造成了全坡面土壤有機(jī)質(zhì)含量的損失，而坡頂20～40 cm土壤損失最為嚴(yán)重。

圖2 陜北煤礦區(qū)沉陷黃土坡面不同部位及土層深度的土壤養(yǎng)分對(duì)比

3.2.2 沉陷黃土坡面土壤銨態(tài)氮的空間變化規(guī)律

由圖2(b)可以看出：

(1)沉陷黃土坡面土壤銨態(tài)氮含量在不同土層垂直深度上存在明顯差異，坡頂10～20 cm、40～60 cm土壤銨態(tài)氮含量為3.66 mg/kg、3.43 mg/kg，分別是其它2層土壤平均含量的1.8倍和1.7倍；坡中10～20 cm土壤銨態(tài)氮含量為3.49 mg/kg，分別是0～10 cm、40～60 cm土壤的1.5倍和1.4倍；坡腳0～10 cm土壤銨態(tài)氮含量為4.11 mg/kg，是40～60 cm土壤的1.9倍。由此可見，坡頂銨態(tài)氮含量主要集中于10～20 cm及40～60 cm土層土壤中，坡中銨態(tài)氮含量主要集中于10～20 cm土層土壤中，坡腳銨態(tài)氮含量主要集中于0～20 cm土層土壤中。

(2)與對(duì)照組相比較，沉陷黃土坡面任何部位和任何土層垂直深度中的土壤銨態(tài)氮含量均有所損失。具體而言，從不同坡面部位角度看，垂直深度0～60 cm以內(nèi)的不同坡面部位土壤銨態(tài)氮平均損失率由大到小的排序?yàn)槠履_(47.1%)>坡頂(37.7%)>坡中(15.1%)；從不同土層深度角度看，3個(gè)坡面部位的各層土壤銨態(tài)氮平均損失率由大到小的排序?yàn)?～10 cm土層(52.0%)>20～40 cm土層(41.5%)>10～20 cm土層(28.1%)>40～60 cm土層(13.2%)。由此可見，開采沉陷造成了全坡面土壤銨態(tài)氮含量的損失，而坡腳0～10 cm土層土壤損失最為嚴(yán)重。

3.2.3 沉陷黃土坡面土壤速效磷的空間變化規(guī)律

由圖2(c)可以看出：

(1)沉陷黃土坡面土壤速效磷含量在不同部位上存在明顯差異，坡腳0～10 cm土壤速效磷平均含量為270 mg/kg，均為坡頂、坡中的1.4倍；坡腳10～60 cm土壤速效磷平均含量為253 mg/kg，分別是坡頂、坡中的1.2倍和1.6倍。由此可見，在坡頂向坡中，再向坡腳轉(zhuǎn)換過程中，土層深度10～60 cm土壤速效磷含量呈現(xiàn)出先降低后增加的變化趨勢(shì)，且速效磷含量主要集中于坡腳部位。

(2)沉陷黃土坡面土壤速效磷含量在各個(gè)部位上不同土層垂直深度的差異不明顯，坡頂0～10 cm土壤速效磷含量為190 mg/kg，與其它各層土壤含量相當(dāng)；坡中0～10 cm土壤速效磷含量為200 mg/kg，僅是40～60 cm土壤的1.2倍；坡腳0～10 cm土壤速效磷含量為270 mg/kg，僅是40～60 cm土壤的1.3倍。由此可見，無論在坡頂、坡中和坡腳，沉陷黃土坡面土壤速效磷含量在各土層上的分布較為均勻。

(3)與對(duì)照組相比較，沉陷黃土坡面的任何部位和任何土層垂直深度上，土壤速效磷含量均有所損失。具體而言，從不同坡面部位角度看，垂直深度0～60 cm以內(nèi)的不同坡面部位土壤速效磷平均損失率由大到小的排序?yàn)槠轮?32.7%)>坡頂(25.7%)>坡腳(11.2%)；從不同土層深度角度看，3個(gè)坡面部位的各層土壤有機(jī)質(zhì)平均損失率由大到小的排序?yàn)?0～60 cm土層(33.9%)>20～40 cm土層(24.2%)>10～20 cm土層(17.1%)>0～10 cm土層(14.4%)。由此可見，開采沉陷造成了全坡面土壤速效磷含量的損失，而坡中40～60 cm土壤損失最為嚴(yán)重。

3.2.4 沉陷黃土坡面土壤速效鉀的空間變化規(guī)律

由圖2(d)可以看出：

(1)沉陷黃土坡面土壤速效鉀含量在不同部位上存在明顯差異，坡腳土層深度0～10 cm土壤速效鉀含量為242.8 mg/kg，分別是坡頂、坡中的1.3倍和1.5倍；坡中土層深度10～20 cm土壤速效鉀含量為206.4 mg/kg，分別是坡頂、坡腳的1.2倍和1.1倍；坡頂土層深度20～60 cm土壤速效鉀平均含量為263.4 mg/kg，分別是坡中、坡腳的1.1倍和1.4倍。由此可見，在坡頂向坡中，再向坡腳轉(zhuǎn)換過程中，土層深度10～20 cm土壤速效鉀含量呈現(xiàn)出先增加后降低變化趨勢(shì)，且速效鉀含量主要集中于坡中部位；土層深度20～60 cm土壤速效鉀主要集中于坡頂部位。

(2)沉陷黃土坡面土壤速效鉀含量在不同土層垂直深度上存在明顯差異，坡頂20～40 cm土壤速效鉀含量最高，為271.2 mg/kg，10～20 cm土壤速效鉀含量最低，為172.3 mg/kg，前者是后者的1.6倍；坡中40～50 cm土壤速效鉀含量為249.9 mg/kg，是0～10 cm土壤的1.5倍；坡腳0～10 cm土壤速效鉀含量最高，為242.8 mg/kg，10～20 cm土壤速效鉀含量最低，為197.5 mg/kg，前者是后者的1.2倍。由此可見，對(duì)于坡頂和坡腳，沉陷黃土坡面速效鉀含量主要集中于坡頂40～60 cm、坡腳0～10cm土層土壤中。

(3)與對(duì)照組相比較，除20～40 cm土層及坡中40～60 cm土層外，沉陷黃土坡面土壤速效鉀含量均有所損失。具體而言，從不同坡面部位角度看，垂直深度0～60 cm以內(nèi)的不同坡面部位土壤速效鉀平均損失率由大到小的排序?yàn)槠马?7.3%)>坡腳(6.4%)>坡中(-1.6%)；從不同土層深度角度看，3個(gè)坡面部位的各層土壤速效鉀平均損失率由大到小的排序0～10 cm(14.6%)>10～20 cm土層(13.3%)>40～60 cm土層(-1.2%)>20～40 cm土層(-11.0%)。由此可見，開采沉陷造成了全坡面0～20 cm土層、坡頂及坡腳40～60 cm土層土壤速效鉀含量的損失，其中以全坡面0～10 cm土層損失最嚴(yán)重。

3.3 沉陷黃土坡面土壤養(yǎng)分修復(fù)策略

基于實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析，陜北煤礦區(qū)開采沉陷發(fā)生后，會(huì)造成沉陷黃土坡面土壤有機(jī)質(zhì)、銨態(tài)氮、速效磷等養(yǎng)分全坡面性損失以及速效鉀局部性損失和局部性富集[10，12]。因此，修復(fù)陜北采煤沉陷區(qū)生態(tài)環(huán)境，應(yīng)根據(jù)區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量定位以及修復(fù)后土地利用類型與植被類型，有選擇、有目標(biāo)開展沉陷黃土坡面土壤養(yǎng)分修復(fù)。具體策略包括以下3個(gè)方面。

(1)采取人工修復(fù)與自然恢復(fù)相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)全坡面土壤有機(jī)質(zhì)、銨態(tài)氮、速效磷、速效鉀(0～20 cm土層)的修復(fù)。

(2)黃土沉陷坡面的坡頂、坡中土壤養(yǎng)分最為貧瘠，自然恢復(fù)潛力小，應(yīng)以人工修復(fù)為主，而坡腳土壤養(yǎng)分較為豐富，自然恢復(fù)潛力大，應(yīng)以自然恢復(fù)為主。

(3)坡頂20～40 cm土層、坡腳0～10 cm土層、坡中40～60 cm土層、全坡面0～10 cm土層應(yīng)依次作為沉陷黃土坡面土壤有機(jī)質(zhì)、銨態(tài)氮、速效磷、速效鉀修復(fù)的重點(diǎn)部位。

4 結(jié)論

(1)陜北煤礦區(qū)沉陷黃土坡面土壤有機(jī)質(zhì)、銨態(tài)氮、速效磷、速效鉀含量在不同坡面部位上存在明顯差異，且因土層垂直深度不同而表現(xiàn)出不同的空間變化規(guī)律。

(2)陜北煤礦區(qū)沉陷黃土坡面土壤有機(jī)質(zhì)、銨態(tài)氮、速效鉀含量在不同土層垂直深度上存在明顯差異，且因部位不同而表現(xiàn)出不同的空間變化規(guī)律；土壤速效磷含量在各個(gè)部位上不同土層垂直深度的差異不明顯。

(3)陜北煤礦區(qū)開采沉陷會(huì)造成黃土坡面土壤有機(jī)質(zhì)、銨態(tài)氮、速效磷等養(yǎng)分全坡面性的損失以及速效鉀的局部性損失和局部性富集。其中坡頂20～40 cm土壤有機(jī)質(zhì)含量損失最為嚴(yán)重；坡腳0～10 cm土壤銨態(tài)氮含量損失最為嚴(yán)重；坡中40～60 cm土壤速效磷含量損失最為嚴(yán)重；全坡面0～10 cm土壤速效鉀損失最為嚴(yán)重，但開采沉陷也使得全坡面20～40 cm土壤的速效鉀含量出現(xiàn)明顯富集現(xiàn)象。

(4)陜北煤礦區(qū)沉陷黃土坡面土壤養(yǎng)分修復(fù)應(yīng)采取人工與自然相結(jié)合方式，坡頂、坡中應(yīng)以人工修復(fù)為主，坡腳應(yīng)以自然恢復(fù)為主，并分析了沉陷黃土坡面土壤有機(jī)質(zhì)修復(fù)重點(diǎn)部位在坡頂20～40 cm土層，銨態(tài)氮修復(fù)重點(diǎn)部位在坡腳0～10 cm土層、速效磷修復(fù)重點(diǎn)部位在坡中40～60 cm土層、速效鉀修復(fù)重點(diǎn)部位在全坡面0～10 cm土層。