黃河流域陜北煤礦區(qū)采動地裂縫對土壤可蝕性的影響

王雙明，杜 麟，宋世杰

(1.陜西省煤炭綠色開發(fā)地質(zhì)保障重點實驗室，陜西 西安 710054; 2.西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054; 3.西安科技大學(xué) 煤炭綠色開采地質(zhì)研究院，陜西 西安 710054)

長期以來，煤炭資源一直是我國的主體能源，在保障國家能源安全和支撐國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展方面都發(fā)揮著十分重要的作用，其主體地位在未來相當(dāng)長的時期內(nèi)不會發(fā)生改變[1]。黃河流域中游作為我國重要的煤炭資源富集區(qū)，密集分布著6個國家規(guī)劃建設(shè)的大型煤炭基地，原煤產(chǎn)量在2017年已經(jīng)超過27億t，占全國當(dāng)年總產(chǎn)量的78%[2]。其中，陜北煤炭基地因其資源儲量大、煤質(zhì)好、開采條件優(yōu)越，在黃河流域中游煤炭生產(chǎn)區(qū)占有重要地位。然而，大規(guī)模的煤炭開采使得陜北煤炭基地出現(xiàn)了地表變形、水資源枯竭、土壤質(zhì)量下降、植被退化等一系列采動損害問題[3-4]，并最終引發(fā)和加劇了礦區(qū)水土流失。加之陜北煤炭基地與“晉陜蒙接壤煤炭開發(fā)國家級水土流失重點監(jiān)督區(qū)”和“河龍區(qū)間多沙粗沙國家級水土流失重點治理區(qū)”在空間上交錯重疊，以致該區(qū)域煤炭開采與水土保持間的矛盾更加凸顯，不符合習(xí)總書記對黃河流域中游提出的“突出抓好水土保持工作”的要求[5]。因此，采動損害引發(fā)的水土流失效應(yīng)與防控逐漸成為陜北煤炭基地生態(tài)環(huán)境保護(hù)與高質(zhì)量發(fā)展的重點之一，受到國內(nèi)外學(xué)者的高度關(guān)注。目前針對陜北煤礦區(qū)的相關(guān)研究成果主要集中在大空間尺度上的水土流失量估算和小空間尺度上的棄土棄渣及煤矸石堆積區(qū)土壤侵蝕規(guī)律兩個方面。例如，塵福艷等[6]運用遙感與GIS技術(shù)在大空間尺度下估算了陜北煤礦區(qū)水土流失量，并以此為重要參數(shù)評價了礦區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量;李建明等[7]通過野外模擬降雨試驗，對比分析了神府礦區(qū)典型棄土棄渣堆積區(qū)、煤矸石山產(chǎn)流產(chǎn)沙的基本特征與規(guī)律。然而采動地裂縫作為陜北煤炭基地最典型的采動損害形式，對地表生態(tài)環(huán)境的干擾與影響已是一個不爭的事實。但截至目前，關(guān)于采動地裂縫的水土流失效應(yīng)的相關(guān)研究在國內(nèi)外還鮮有報道。

土壤可蝕性是研究水土流失效應(yīng)的重要基礎(chǔ)。它既可以在小尺度上用于刻畫土壤自身的抗侵蝕能力，又可以在大尺度上用于估算土壤侵蝕模數(shù)和水土流失總量。目前在國際上，土壤可蝕性的量化表征通常采用K值[8]，該值的計算方法主要有EPIC模型、Shirazi公式、諾謨及修正諾謨方程、Torri公式等[9]，使用的核心參數(shù)為土壤的機(jī)械組成、有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)。采動地裂縫不僅直接改變了土壤的原有物理結(jié)構(gòu)，而且間接引起土壤有機(jī)質(zhì)等養(yǎng)分的變化，也就必然造成土壤可蝕性K值的改變。因此，從土壤可蝕性K值的角度研究小空間尺度下采動地裂縫的水土流失效應(yīng)不失為一種可行的途徑。

鑒于此，以土壤可蝕性K值為工具，研究并揭示陜北煤炭基地采動地裂縫在小尺度下對周圍表層土壤(水平距離80 cm以內(nèi)、垂直深度20 cm以淺)潛在侵蝕能力的影響作用，不僅對于豐富和深化煤礦區(qū)采動損害的水土流失效應(yīng)研究具有重要的科學(xué)意義，而且對于黃河流域中游煤礦區(qū)水土流失精準(zhǔn)防控和生態(tài)環(huán)境保護(hù)與高質(zhì)量發(fā)展具有重要的指導(dǎo)意義。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜北檸條塔井田，其地理位置為E109.67°～E110.90°，N38.22°～N39.45°。該區(qū)域?qū)儆诘湫偷闹袦貛О敫珊荡箨懶詺夂?，年降雨量?94.7 ～531.6 mm，其主要集中在每年的7—9月份。研究區(qū)地貌可劃分為風(fēng)沙草灘和黃土溝壑兩大類型，區(qū)內(nèi)自然植被以針茅群系等地帶性植被為主。研究區(qū)隸屬黃河中游國家級水土流失重點治理區(qū)，常年土壤侵蝕模數(shù)超過4 000 t/(km2·a)，近些年隨著資源型經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，區(qū)域土壤侵蝕類型出現(xiàn)由中度及以下向強(qiáng)度及以上轉(zhuǎn)變的趨勢[10]。研究區(qū)主采煤層埋藏淺、厚度大、上覆基巖薄，在長壁綜采等開采方式下，極易造成采動地裂縫的密集發(fā)育。最新調(diào)查結(jié)果顯示，研究區(qū)采動地裂縫多成群(組)出現(xiàn)，直線狀或弧形(或橢圓狀)展布，裂縫長度以0～60 m、深度以0～1 m居多，約占調(diào)查對象的83%[11]。此類采動地裂縫一般很難自愈，嚴(yán)重破壞了地表生態(tài)環(huán)境，導(dǎo)致地表破碎與水土流失加劇[12]。

2 材料與方法

2.1 樣品采集

采樣區(qū)位于陜北檸條塔井田北翼單一煤層開采的典型工作面范圍內(nèi)，中心坐標(biāo)為E110.38°，N39.09°。區(qū)內(nèi)為典型的黃土溝壑地貌，平均坡度22°，平均坡長50 m，坡型為均勻坡，坡向為西南方向(與地下工作面推進(jìn)方向基本保持一致)，坡面植被蓋度為43%，植被類型以黑沙蒿+蒙古蕕+長芒草草地植被群落為主。區(qū)內(nèi)黃土坡面上發(fā)育多組近似垂直于坡向的弧形采動地裂縫，裂縫間距平均為10 m左右，形成時間約為3個月，裂縫寬度因空間位置不同而差異顯著，位于坡頂?shù)牟蓜拥亓芽p寬度最大為40～60 cm;位于坡中的采動地裂縫寬度次之，為20～40 cm;位于坡腳的采動地裂縫寬度最小為0～20 cm。

針對上述特點設(shè)計采樣方案(圖1)，具體為:在坡頂、坡中、坡腳3個部位分別隨機(jī)選擇3條采動地裂縫，共計9條;在每條采動地裂縫上按10～15 m等距布設(shè)3個采樣斷面，每個斷面上沿裂縫法向方向布置水平距離為20,40,60,80 cm等4個采樣點;每個采樣點用土鉆分層采集垂直深度為0～10,10～20 cm的土壤;將每條采動地裂縫3個斷面上對應(yīng)水平距離、垂直深度的土壤進(jìn)行混合，裝入采樣袋，標(biāo)記編號;在采樣工作面西北方向500 m以外的未開采區(qū)內(nèi)選擇坡度、坡長、坡型、坡向、植被蓋度及群落類型相似的黃土坡面作為對照，隨機(jī)布置3個采樣點采集土壤，裝入采樣袋，標(biāo)記編號;采樣工作歷時2 d，于2019-06-30完成，共計采集土壤樣品78個;所有土壤樣品帶回實驗室攤平，自然風(fēng)干至質(zhì)量無明顯變化，去除枯枝落葉、碎石等雜物后用于測定土壤機(jī)械組成以及有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

圖1 采樣示意Fig.1 Sampling diagram

2.2 實驗方法

土壤機(jī)械組成使用MS2000激光粒度儀，采用激光衍射法進(jìn)行測定;土壤有機(jī)質(zhì)使用總有機(jī)碳分析儀，采用燃燒氧化-非分散紅外吸收法進(jìn)行測定。每組數(shù)據(jù)平行測定3次。

2.3 數(shù)據(jù)處理方法

所有測定數(shù)據(jù)采用SPSS21.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析，顯著性分析采用單因素方差分析(one-way ANOVA)和最小顯著法(LSD)，使用Origin軟件進(jìn)行圖表繪制。土壤可蝕性K值采用EPIC模型進(jìn)行計算，該模型由WILLIAMS等在1990年建立，它采用土壤有機(jī)質(zhì)和粒徑組成來估算K值，如式(1)～(2)所示。

(1)

(2)

式中，KEPIC為用 EPIC 模型計算得到的土壤可蝕性因子;Sa為土壤砂粒(0.05～2.0 mm)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%;Si為土壤粉粒(0.002～0.05 mm)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%;Ci為土壤黏粒(<0.002 mm)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%;C為土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%;Som為土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%。

3 結(jié)果與分析

3.1 采動地裂縫對周圍土壤機(jī)械組成的影響

土壤的機(jī)械組成(土壤質(zhì)地)是最基本的土壤物理性質(zhì)之一，其顆粒大小與土壤的物理性質(zhì)有密切關(guān)系，強(qiáng)烈影響著土壤孔隙狀況、水力特性、土壤肥力狀況等重要的土壤物理特性，并且對土壤抗侵蝕能力也有重要影響。針對礦區(qū)內(nèi)3種裂縫寬度(0～20,20～40,40～60 cm)、距離裂縫20,40,60,80 cm的土壤樣品進(jìn)行機(jī)械組成測定，結(jié)果見表1;以此為基礎(chǔ)，繪制了不同寬度采動地裂縫影響下不同水平距離及垂直深度土壤質(zhì)地三角圖，如圖2所示。

2.1.3 造模藥伊立替康的配制 準(zhǔn)確稱取鹽酸伊立替康277 mg、D-山梨醇0.225 g，先將10 mL純水與34 μL L-(+)-乳酸混勻預(yù)熱至85 ℃制成乳酸溶液，倒入鹽酸伊立替康，迅速加入純水至40 mL充分?jǐn)嚢柚寥咳芙?，隨后加入D-山梨醇攪拌直至溶解即為6 mg/mL的伊立替康溶液，0.22 μm微孔濾膜濾過后于4 ℃避光保存?zhèn)溆肹10]。

由表1、圖2可知:采動地裂縫的發(fā)育雖然不會改變周圍土壤(水平距離80 cm以內(nèi)、垂直深度20 cm以淺)的質(zhì)地類型，但會產(chǎn)生降低土壤黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的效應(yīng)，并以裂縫寬度20 cm為界表現(xiàn)出不同的特征。具體而言:

圖2 寬度為0～20，20～40,40～60 cm的采動地裂縫周圍不同水平距離及垂直深度的土壤質(zhì)地三角圖Fig.2 Triangle map of soil texture at different horizontal distances and vertical depths around mining ground fissures with width of 0-20，20-40,40-60 cm

(1)無論發(fā)育何種寬度的采動地裂縫，其周圍土壤的質(zhì)地類型與對照組保持一致，均為粉質(zhì)壤土。但黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈明顯下降趨勢，這與栗麗等[13]研究結(jié)果相一致。

(2)相對于對照組，距寬度為0～20 cm的采動地裂縫水平距離20,40,60,80 cm的0～10 cm土層土壤黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的降幅依次為20.1%,18.2%,15.4%,14.0%，10～20 cm土層土壤黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的降幅依次為11.6%,19.6%,19.0%,18.6%;距寬度為20～40 cm的采動地裂縫水平距離20,40,60,80 cm的0～10 cm土層土壤黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的降幅依次為31.1%,29.8%,27.3%,26.2%，10～20 cm土層土壤黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的降幅依次為39.3%,38.4%,36.0%,31.7%;距寬度為40～60 cm的采動地裂縫水平距離20,40,60,80 cm的0～10 cm土層土壤黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的降幅依次為31.3%,28.4%,27.2%,25.9%，10～20 cm土層土壤黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的降幅依次為38.9%,38.5%,37.2%,33.9%。由此可見:① 隨著采動地裂縫寬度的增大，周圍土壤黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的減小幅度呈現(xiàn)增大趨勢，但當(dāng)采動地裂縫寬度超過20 cm時，相同水平距離下土壤黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的降幅趨于穩(wěn)定;② 采動地裂縫降低周圍土壤黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的效應(yīng)在裂縫寬度小于20 cm時主要表現(xiàn)為水平方向的差異，即隨水平距離的增加而減弱;而在裂縫寬度大于20 cm時主要表現(xiàn)為垂直方向的差異，即隨垂直深度的增加而增強(qiáng)。

3.2 采動地裂縫對周圍土壤有機(jī)質(zhì)的影響

土壤有機(jī)質(zhì)能夠改良土壤物理性質(zhì)、增強(qiáng)土壤持水能力，形成具有穩(wěn)定的有機(jī)無機(jī)復(fù)合體的良好的土壤結(jié)構(gòu)[13]，進(jìn)而提高土壤抗侵蝕能力。針對礦區(qū)內(nèi)不同裂縫寬度、不同水平距離下土壤樣品進(jìn)行有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定，結(jié)果見表1;以此為基礎(chǔ)，繪制了不同寬度采動地裂縫影響下不同水平距離及垂直深度土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)對比圖，如圖3所示。

表1 陜北煤礦區(qū)采動地裂縫周圍土壤機(jī)械組成及有機(jī)質(zhì)測定結(jié)果Table 1 Test results of soil mechanical composition and soil organic matter content around mining ground fissures in Northern Shaanxi coal mining area

圖3 不同寬度采動地裂縫影響下不同水平距離及垂直深度土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)Fig.3 Content of soil organic matter in different horizontal distance and vertical depth under the influence of different width of mining ground fissures

由表1和圖3可知，采動地裂縫的發(fā)育會產(chǎn)生降低周圍土壤(水平距離80 cm以內(nèi)、垂直深度20 cm以淺)有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的效應(yīng)，且隨著采動地裂縫寬度的增大和水平距離的減小而增強(qiáng)。具體而言:① 無論發(fā)育何種寬度的采動地裂縫，其周圍土壤的有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)均出現(xiàn)明顯的下降，這與田惠文等[4]研究結(jié)果相一致。② 相對于對照組，距寬度為0～20 cm的采動地裂縫水平距離20,40,60,80 cm的0～10 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的降幅依次為51.2%,34.6%,20.6%,13.2%，且差異顯著(P<0.05)，10～20 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的降幅依次為58.3%,43.4%,22.5%,13.5%，且差異顯著(P<0.05);距寬度為20～40 cm的采動地裂縫水平距離20,40,60,80 cm的0～10 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的降幅依次為65.2%,58.3%,46.7%,45.9%，且差異顯著(P<0.05)，10～20 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的降幅依次為66.4%,60.3%,45.0%,27.9%，且差異顯著(P<0.05);距寬度為40～60 cm的采動地裂縫水平距離20,40,60,80 cm的0～10 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的降幅依次為67.8%,62.0%,51.2%,39.8%，且差異顯著(P<0.05)，10～20 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的降幅依次為70.5%,65.9%,45.2%,29.7%，且差異顯著(P<0.05)。由此可見:① 采動地裂縫的寬度越大，其降低周圍土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的效應(yīng)越顯著。② 采動地裂縫降低周圍土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的效應(yīng)主要在水平方向上，且隨著距采動地裂縫水平距離的增加而減弱。

3.3 采動地裂縫對周圍土壤可蝕性K值的影響

土壤可蝕性K值是從內(nèi)因視角客觀反映土壤被侵蝕難易程度的量化指標(biāo)，該值一般超過0.3，即視為高可蝕性。根據(jù)表1數(shù)據(jù)對土壤可蝕性K值進(jìn)行計算，結(jié)果見表2;以此為基礎(chǔ)，繪制了不同寬度采動地裂縫影響下不同水平距離及垂直深度土壤可蝕性K值對比圖，如圖4所示。

表2 陜北煤礦區(qū)采動地裂縫周圍土壤可蝕性K值 計算結(jié)果Table 2 Calculation results of soil erodibility K-factor around mining ground fissures in Northern Shaanxi coal mining area

圖4 不同寬度采動地裂縫影響下不同水平距離及垂直深度土壤可蝕性K值Fig.4 Soil erodibility K-factor in different horizontal distance and vertical depth under the influence of different width of mining ground fissures

(1)相對于對照組，距寬度為0～20 cm的采動地裂縫水平距離20,40,60,80 cm的0～10 cm土層土壤可蝕性K值增幅依次為4.5%,1.7%,1.1%,0.5%，10～20 cm土層土壤可蝕性K值增幅依次為2.7%,1.2%,1.0%,0.07%;距寬度為20～40 cm的采動地裂縫水平距離20,40,60,80 cm的0～10 cm土層土壤可蝕性K值增幅依次為13.8%,7.1%,1.8%,1.5%，其中水平距離為20 cm時差異顯著(P<0.05)，10～20 cm土層土壤可蝕性K值可蝕性K值增幅依次為8.9%,4.2%,1.1%,0.1%;距寬度為40～60 cm的采動地裂縫水平距離20,40,60,80 cm增幅依次為18.2%,11.1%,3.5%,0.7%，其中水平距離為20,40 cm時差異顯著(P<0.05)，10～20 cm土層土壤可蝕性K值增幅依次為15.7%,10.7%,3.3%,1.9%，其中水平距離為20,40 cm時差異顯著(P<0.05)。由此可見:① 采動地裂縫寬度的越大，其周圍土壤可蝕性K值增幅越顯著，尤其當(dāng)裂縫寬度超過40 cm時，水平距離40 cm以內(nèi)土壤的可蝕性K值平均增大13%;② 采動地裂縫增大周圍土壤可蝕性K值的效應(yīng)會隨著水平距離的增大而減弱，當(dāng)距裂縫水平距離小于20 cm時，該效應(yīng)最明顯，當(dāng)距裂縫水平距離接近80 cm時，該效應(yīng)基本消失。

(2)當(dāng)采動地裂縫寬度為0～20 cm時，水平距離20,40,60,80 cm的0～10 cm土壤與10～20 cm土壤之間可蝕性K值的差值依次為對照組(0.001 8)的4.2,1.7,1.3,1.7倍;當(dāng)采動地裂縫寬度為20～40 cm時，水平距離20,40,60,80 cm的0～10 cm土壤與10～20 cm土壤之間可蝕性K值的差值依次為對照組的9.4,6.1,2.3,3.3倍;當(dāng)采動地裂縫寬度為40～60 cm時，水平距離20,40,60,80 cm的0～10 cm土壤與10～20 cm土壤之間可蝕性K值的差值依次為對照組的5.4,1.8,1.3,-1.1倍。由此可見，采動地裂縫的發(fā)育顯著擴(kuò)大了0～10,10～20 cm兩層土壤可蝕性的差異，且采動地裂縫寬度越大，距采動地裂縫越近，兩層土壤可蝕性能力的分化越顯著。

(3)從水平方向上看，越靠近采動地裂縫，土壤可蝕性K值越高，這與受采動地裂縫對土壤黏粒、有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響程度隨水平距離增加而減弱具有高度的一致性。因此，離采動地裂縫越近，土壤黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)、有機(jī)質(zhì)越少，土壤越容易產(chǎn)生侵蝕，在進(jìn)行水土流失精準(zhǔn)防控時應(yīng)著重考慮土壤結(jié)構(gòu)改良、施肥等人工措施，反之則應(yīng)著重考慮自然措施。從垂直方向上看，在既定水平距離下，相較于10～20 cm土層土壤，0～10 cm土層土壤黏粒、有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)更少，導(dǎo)致抗侵蝕能力更差，應(yīng)作為水土流失精準(zhǔn)防控的重點對象。根據(jù)實測數(shù)據(jù)，分別繪制了寬度為0～20,20～40,40～60 cm采動地裂縫周圍不同水平距離土壤可蝕性K值散點圖(圖5)，基于線性回歸原理分別建立了土壤可蝕性K值與距采動地裂縫水平距離的量化關(guān)系，見表3。

圖5 寬度為0～20，20～40,40～60 cm的采動地裂縫周圍不同垂直深度土壤可蝕性K值與水平距離對應(yīng)關(guān)系Fig.5 Corresponding relationship between soil erodibility K-factor and horizontal distance at different vertical depths around mining ground fissures with width of 0-20，20-40,40-60 cm

表3 陜北煤礦區(qū)采動地裂縫周圍土壤可蝕性K值與 水平距離的量化關(guān)系Table 3 Quantitative relationship between soil erodibility K-factor and horizontal distance around mining ground fissures in Northern Shaanxi coal mining area

由圖5和表3可知，對于寬度為0～20 cm的采動地裂縫，當(dāng)水平距離超過80.6 cm時，采動地裂縫增大周圍土壤可蝕性的效應(yīng)基本消失;對于寬度為20～40 cm的采動地裂縫，當(dāng)水平距離超過78.7 cm時，采動地裂縫增大周圍0～10 cm土層土壤可蝕性的效應(yīng)基本消失，當(dāng)水平距離超過74.2 cm時，采動地裂縫增大周圍10～20 cm土層土壤可蝕性的效應(yīng)基本消失;對于寬度為40～60 cm的采動地裂縫，當(dāng)水平距離超過77.9 cm時，采動地裂縫增大周圍0～10 cm土層土壤可蝕性的效應(yīng)基本消失，當(dāng)水平距離超過82.5 cm時，采動地裂縫增大周圍10～20 cm土層土壤可蝕性的效應(yīng)基本消失。

4 討 論

采動地裂縫周圍土壤機(jī)械組成、有機(jī)質(zhì)的空間變化特征與土壤可蝕性K值的空間變化特征存在高度的一致性。經(jīng)相關(guān)性檢驗，土壤可蝕性K值與黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)、有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)相關(guān)系數(shù)依次為-0.569,-0.757，均達(dá)到極顯著負(fù)相關(guān)水平(P<0.01)。究其原因，采動地裂縫的發(fā)育會顯著改變土壤孔性，損傷植物根系性狀和微生物活性，進(jìn)而造成土壤機(jī)械組成、有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的惡化，從而增加土壤可蝕性。

(1)土壤緊實度對土壤的可蝕性具有重要影響。土壤緊實度越小，則疏松程度越大，土壤孔隙度越大，土壤中空氣、水分等組分遷移轉(zhuǎn)化的通道越多，在相同強(qiáng)度的水力、風(fēng)力作用下表現(xiàn)出更明顯的侵蝕效應(yīng)[14]。研究區(qū)采動地裂縫的發(fā)育顯著改變了原有的土壤孔性特征，使得裂縫處及附近土壤的緊實度變小，孔隙度增大，前人研究發(fā)現(xiàn)采動地裂縫可以使周圍土壤孔隙度增大24%左右[15]，以致土壤空氣對流及擴(kuò)散作用、降水和地表徑流入滲作用增強(qiáng)，空氣流、壤中流在土壤孔隙中的流速、流量增大，擴(kuò)散或入滲深度增加[16]，風(fēng)力、水力侵蝕強(qiáng)度隨之放大[17]，最終導(dǎo)致土壤中小粒徑顆粒在地表徑流和地表風(fēng)的侵蝕下沿地裂縫向深層地下大量流失。另一方面，采動地裂縫直接或間接增加了土壤與空氣的接觸面積，使得土壤水分蒸發(fā)強(qiáng)度和蒸發(fā)量增大，土壤含水量顯著下降[18]，前人研究結(jié)果證明采動地裂縫可致周圍土壤水分損失約60%[15]。土壤蒸發(fā)作用的增強(qiáng)使得土壤溶液的濃度顯著提高，以致土壤黏粒的擴(kuò)散層變薄，進(jìn)而引發(fā)“聚沉效應(yīng)”，促使黏粒聚合并向大粒徑顆粒轉(zhuǎn)化，這可能是表1中采動地裂縫發(fā)育后周圍土壤粉粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均增加2.4%的重要原因。研究區(qū)坡頂處土層不僅受地下開采的直接影響，而且還會產(chǎn)生黃土層滑動等附加變形[19]，導(dǎo)致該處裂縫的寬度最大，以致周圍土壤的孔隙度最大，土壤空氣對流以及水分入滲、蒸發(fā)作用最為活躍，土壤中黏粒的流失效應(yīng)和聚沉效應(yīng)最強(qiáng)，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)的下降也就最為明顯。因此，采動地裂縫寬度越大，土壤黏粒損失量越多，土壤可蝕性K值也就越大。

(2)植物根系對土壤可蝕性同樣具有重要的影響。植物根系不僅通過穿插、纏繞、網(wǎng)兜、包裹等方式對土壤顆?；驁F(tuán)聚體進(jìn)行物理加固[20-21]，而且分泌苯丙烷類、乙酰配基類、類萜、甾類、生物堿類等根系有機(jī)物質(zhì)，促進(jìn)土壤顆?；驁F(tuán)聚體的生化黏結(jié)[22]，形成更加穩(wěn)定的“根-土復(fù)合體”，對于相同強(qiáng)度的水力、風(fēng)力作用表現(xiàn)出更強(qiáng)的抗侵蝕能力[23]。然而，研究區(qū)地下采煤導(dǎo)致的采動地裂縫使得土層發(fā)生開裂、滑移、錯位等移動變形，造成植物水平根系的機(jī)械拉傷甚至拉斷，破壞植物根系的自然性狀。部分根系還會因土層移動變形量大而暴露在空氣中[24]，在干旱少雨的氣候條件下極易干枯死亡，對于草本、灌木類植物則更加明顯[25]。另外，采動地裂縫會使得裂縫處及附近區(qū)域土壤的空隙顯著增加，導(dǎo)致土壤水分蒸發(fā)作用增強(qiáng)，持水保肥能力下降，土壤水分、養(yǎng)分含量明顯降低，大大削弱了植物根系的活性與固土功能[14,26]。“根-土復(fù)合體”破壞后的干燥的土壤團(tuán)聚體在遇到降水后容易發(fā)生崩解，離散出很多小粒徑顆粒，為侵蝕提供更多的物源[27]。已有研究表明[28]:無論是直接性的機(jī)械破壞還是間接性的功能降低，采動地裂縫對植物根系的損傷程度主要取決于裂縫的寬度，即裂縫寬度越大，植物根系損傷程度越嚴(yán)重。由于研究區(qū)坡頂處采動地裂縫的寬度最大，對植被根系的損傷范圍最大且程度最重，以致植被根系的有機(jī)物分泌功能、固土作用和土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性最差，在相同侵蝕外營力的作用下發(fā)生土壤侵蝕的可能性和程度最大，以小粒徑為主土壤顆粒沿土壤孔隙和地裂縫向深層地下遷移流失的量最多[29]。這可能是造成采動地裂縫寬度越大，周圍土壤黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)越小，土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)越低，土壤可蝕性K值越大的重要原因之一。

(3)土壤有機(jī)質(zhì)和微生物對土壤的可蝕性影響也不容忽視。土壤有機(jī)質(zhì)多以腐殖質(zhì)的形式存在，而腐殖質(zhì)表面上的羥基、羧基等官能團(tuán)可以與土壤顆粒表面的金屬陽離子結(jié)合成有機(jī)無機(jī)復(fù)合體[30]，通過膠結(jié)作用形成土壤團(tuán)聚體和微團(tuán)聚體，并維系其穩(wěn)定性[31]。土壤微生物對土壤顆粒也具有一定的黏結(jié)作用。像真菌、放線菌等微生物通過菌絲將不同粒徑的土壤顆粒進(jìn)行纏繞，或是像黑曲霉、絲核菌等微生物通過分泌多糖等物質(zhì)黏結(jié)土壤顆粒，進(jìn)而形成團(tuán)聚體[32]。由有機(jī)質(zhì)和微生物參與形成的土壤團(tuán)聚體具有更好的抗侵蝕能力。然而，研究區(qū)采動地裂縫的發(fā)育使得土壤孔隙度顯著增大，通氣性增強(qiáng)，土壤與大氣的氧氣交換及土壤有機(jī)質(zhì)的分解速率提升，導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著降低[33]，已有研究結(jié)果顯示采動地裂縫可致周圍土壤有機(jī)質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降33%～38%[34]。部分土壤有機(jī)質(zhì)在地表徑流下滲過程中沿土壤孔隙和地裂縫向下遷移流失[35]。另外，采動地裂縫提高了外界氣體、熱量對土壤的侵入強(qiáng)度，以致土壤水分、養(yǎng)分大量流失，土壤水、肥、氣、熱等條件顯著改變，使得部分微生物因不適應(yīng)生存環(huán)境的改變而停止繁殖甚至死亡[36]，已有研究結(jié)果顯示采動地裂縫可以造成土壤中細(xì)菌、真菌、放線菌數(shù)量銳減28.8%～70.2%[37]。無論是土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的下降還是微生物數(shù)量的減少，都會導(dǎo)致土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性減弱，在水分、空氣消散作用下發(fā)生崩解的可能性和程度增大，進(jìn)而增加了以小粒徑顆粒為主的侵蝕物質(zhì)的供給。已有研究表明[38]，采動地裂縫的寬度與土壤有機(jī)質(zhì)及微生物的下降程度具有正相關(guān)關(guān)系，即裂縫寬度越大，土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)和微生物數(shù)量減少越顯著。因此，研究區(qū)坡頂處采動地裂縫寬度最大，土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)和微生物數(shù)量最少，以致2者對土壤團(tuán)聚體的膠結(jié)作用減弱最為明顯，在崩解和侵蝕過程中小粒徑土壤顆粒的流失量也就最多。這可能是導(dǎo)致采動地裂縫寬度越大，土壤黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)越小，土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)越低，土壤可蝕性K值越大的另一重要原因。

5 結(jié) 論

(1)陜北煤礦區(qū)采動地裂縫的發(fā)育會產(chǎn)生降低土壤中黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)、有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的效應(yīng)，平均降幅分別為17.06%～32.66%,32.16%～54.01%。當(dāng)裂縫寬度小于20 cm時，采動地裂縫對周圍土壤黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響主要表現(xiàn)為水平負(fù)效應(yīng)，且隨著水平距離的增加而減弱;當(dāng)裂縫寬度大于20 cm時，采動地裂縫對周圍土壤黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響主要表現(xiàn)為垂直負(fù)效應(yīng)，且隨著垂直深度的增加而增強(qiáng);土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的下降程度會隨采動地裂縫寬度的增大和水平距離的減小而增大。

(2)陜北煤礦區(qū)采動地裂縫的發(fā)育會產(chǎn)生提高周圍土壤的可蝕性，分化土層間抗侵蝕能力的效應(yīng)，且采動地裂縫寬度越大、距采動地裂縫越近，這種效應(yīng)越明顯。采動地裂縫增強(qiáng)土壤可蝕性的作用范圍主要集中在水平距離83 cm以內(nèi)，其可作為陜北煤炭開采損害區(qū)水土流失精準(zhǔn)防控的靶向區(qū)域。

(3)陜北煤礦區(qū)采動地裂縫周圍土壤黏粒、有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)與土壤可蝕性K值在小空間尺度變化特征上存在高度的一致性，相關(guān)系數(shù)依次為-0.569,-0.757，均達(dá)到極顯著負(fù)相關(guān)水平(P<0.01)。究其原因，與采動地裂縫顯著改變土壤孔性，損傷植物根系性狀和微生物活性有著密切的關(guān)系。

(4)在水平方向上，越靠近采動地裂縫，土壤可蝕性K值越大，土壤抗侵蝕能力越差，應(yīng)著重考慮采用土壤結(jié)構(gòu)改良、施肥等人工措施開展水土流失精準(zhǔn)防控，反之則應(yīng)著重考慮自然措施;在垂直方向上，采動地裂縫周圍0～10 cm土層土壤黏粒、有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)最少，抗侵蝕能力最差，應(yīng)作為水土流失精準(zhǔn)防控的重點對象，采取必要的人工措施。