陜北采煤沉陷區(qū)不同沉陷年限黃土坡面土壤可蝕性的變化規(guī)律

宋世杰，杜 麟，王雙明，孫 濤

（1.西安科技大學(xué)地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054；2.陜西省煤炭綠色開發(fā)地質(zhì)保障重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，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）

0 引 言

煤炭是我國實(shí)現(xiàn)能源安全的兜底資源和壓艙石［1］，其在能源生產(chǎn)和消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的主體地位短期內(nèi)不會(huì)發(fā)生改變［2］。 黃河流域不僅是我國重要的生態(tài)屏障，更是煤炭資源富集區(qū)和輸出地。 據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局最新數(shù)據(jù)，2020 年黃河流域煤炭產(chǎn)量超過29 億t，占全國總產(chǎn)量的77%。 特別是黃河流域中游，密集分布著陜北、黃隴、神東、寧東、晉北、晉中等6 個(gè)國家規(guī)劃的大型煤炭基地，已經(jīng)成為國家能源生產(chǎn)重心向西部轉(zhuǎn)移的重要接續(xù)地。 陜北煤礦區(qū)因資源儲(chǔ)量大、煤炭品質(zhì)好、生產(chǎn)規(guī)模大等特點(diǎn)，在黃河中游煤炭生產(chǎn)區(qū)占有重要地位［3］。 然而，大規(guī)模的煤炭開采造成了地面塌陷、地裂縫、土壤與植被退化等采動(dòng)損害問題，并進(jìn)而導(dǎo)致礦區(qū)水土流失的發(fā)生或加劇［4-6］。 這既不符合習(xí)近平總書記關(guān)于黃河流域生態(tài)文明建設(shè)的重要指示［7］，也不符合2021 年10 月中共中央、國務(wù)院印發(fā)的《黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展規(guī)劃綱要》中“黃河中游突出抓好水土保持工作”的要求。 因此，如何破解采動(dòng)損害引發(fā)的水土流失問題已經(jīng)成為陜北煤礦區(qū)乃至黃河中游生態(tài)環(huán)境保護(hù)與高質(zhì)量發(fā)展的研究熱點(diǎn)。

目前已有的研究成果主要集中在大空間尺度下開采沉陷對(duì)水土流失的影響規(guī)律與小空間尺度下棄土堆積物水土流失量估算方面。 例如：黃翌等［8］采用數(shù)字地形分析技術(shù)和遙感影像融合技術(shù)，計(jì)算了黃土高原煤礦區(qū)山地開采沉陷引起土壤侵蝕變化量，分析了土壤侵蝕變化機(jī)制。 倪含斌等［9］采用模擬降雨技術(shù)、模擬風(fēng)化試驗(yàn)技術(shù)與GIS 技術(shù)，對(duì)不同堆積年限礦區(qū)棄土堆積物進(jìn)行土壤侵蝕量估算，并確定了影響土壤侵蝕的主要因子。 李云鵬［10］利用水力侵蝕預(yù)測(cè)模型Geo WEPP 研究了沉陷對(duì)礦區(qū)水土流失的影響規(guī)律。 然而，開采沉陷在宏觀上影響水土流失的規(guī)律實(shí)際上是沉陷區(qū)地表坡面、溝道等微地形土壤侵蝕過程與結(jié)果的綜合表征。 因此，揭示沉陷區(qū)地表坡面等微地形的水土流失效應(yīng)對(duì)于深化采煤沉陷區(qū)水土流失規(guī)律與機(jī)制科學(xué)認(rèn)識(shí)具有重要的意義。

土壤可蝕性是研究水土流失效應(yīng)的重要定量化指標(biāo)，一般用K值表示［11-12］。 它不僅可以在微觀上體現(xiàn)土壤本身對(duì)侵蝕外營力的敏感程度，也可以用于宏觀上土壤侵蝕模數(shù)的估算［13］。目前在國際上計(jì)算K值的模型主要有EPIC 模型、Shirazi 模型、Torri 模型、諾謨及修正諾謨方程等［14］，其核心計(jì)算參數(shù)主要是土壤的機(jī)械組成、有機(jī)質(zhì)含量。

開采沉陷一般會(huì)對(duì)土壤的機(jī)械組成和有機(jī)質(zhì)含量造成明顯的影響，也就必然影響到土壤可蝕性。鑒于此，以土壤可蝕性K值為抓手，研究并揭示陜北采煤沉陷區(qū)黃土坡面土壤在不同沉陷年限下的潛在侵蝕能力特征及變化規(guī)律，以期為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)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西省榆林市神木縣檸條塔井田，其地理位置為E109.67°～110.90°，N38.22°～39.45°，地處毛烏素沙漠南緣和陜北黃土高原的交接處，地勢(shì)北高南低。 該區(qū)域?qū)儆诘湫偷闹袦貛О敫珊荡箨懶詺夂颍緡?yán)寒，夏季炎熱，年平均氣溫約7 ℃，年平均降水量在400 mm 左右。 研究區(qū)根據(jù)地貌類型不同可劃分為風(fēng)沙草灘區(qū)與丘陵溝壑區(qū)，區(qū)內(nèi)植被類型為針茅群系等地帶性植被，種類單一。 研究區(qū)隸屬國家級(jí)水土流失重點(diǎn)監(jiān)督區(qū)和治理區(qū)，多年土壤侵蝕模數(shù)可達(dá)4 000 t／（km2·a）以上，且極強(qiáng)度和劇烈侵蝕面積較大，水土流失嚴(yán)重［15］。 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研結(jié)果表明研究區(qū)主采煤層采用長(zhǎng)壁綜采+全部垮落法開采，且過去15 a 內(nèi)未發(fā)生改變，該開采方法會(huì)造成地表出現(xiàn)嚴(yán)重的塌陷、開裂［16］，下沉系數(shù)一般在0.7 左右。

2 材料與方法

2.1 樣品采集

在檸條塔井田北翼選擇已沉陷年限分別為1 ～5 a、6～10 a（以下簡(jiǎn)稱沉陷年限1 ～5 a、6 ～10 a）的典型黃土沉陷坡面進(jìn)行采樣。 其中，沉陷1 ～5 a 采樣區(qū)中心坐標(biāo)為E110.21°，N39.07°，區(qū)內(nèi)黃土沉陷坡面坡度為20°～30°，坡長(zhǎng)為40～50 m，坡型為均勻坡，坡向?yàn)槲髂戏较?，坡面植被類型主要為長(zhǎng)芒草+蒙古蕕植被群落，植被蓋度為40%；沉陷6 ～10 a 采樣區(qū)中心坐標(biāo)為E110.21°，N39.06°，區(qū)內(nèi)黃土沉陷坡面坡度為25°～30°，坡長(zhǎng)為40～45 m，坡型為均勻坡，坡向?yàn)槲髂戏较?，坡面植被類型主要為檸條+紫花苜蓿植被群落，植被蓋度為43%。

在沉陷年限分別為1～5 a、6 ～10 a 的采樣區(qū)內(nèi)選取形態(tài)相近的黃土沉陷坡面各3 個(gè)，共計(jì)6 個(gè)沉陷坡面；該沉陷坡均為均勻坡，且煤炭開采后，采動(dòng)損害部位出現(xiàn)明顯的分區(qū)性，根據(jù)此特性將沉陷坡上部10 m 視為坡頂，中間部分30 m 視為坡中，下部10 m 視為坡腳，坡度為22°，在每個(gè)沉陷坡面避開采動(dòng)地裂縫發(fā)育的位置選擇坡頂、坡中、坡腳3 個(gè)位置，在每個(gè)坡面部位上隨機(jī)布設(shè)3 個(gè)1 m×1 m 的采樣方，并采用五點(diǎn)法用土鉆分層采集垂直深度為0～10 cm、10～20 cm 的土壤；將每個(gè)樣方的5 個(gè)采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)垂直深度的土壤進(jìn)行混合，裝入采樣袋，標(biāo)記編號(hào)；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(zhǎng)、坡型、坡向相似的黃土坡面作為對(duì)照，按照相同的采集方法進(jìn)行采樣，裝入采樣袋，標(biāo)記編號(hào)，共計(jì)采集土壤樣品126 個(gè)，采樣示意如圖1 所示。 將所采集的土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室攤平，置于室內(nèi)通風(fēng)陰涼處自然風(fēng)干至質(zhì)量無明顯變化，去除土壤樣品中殘留的枯枝落葉、碎石等雜質(zhì)后測(cè)定土壤機(jī)械組成以及有機(jī)質(zhì)含量。

圖1 采樣示意Fig.1 Sampling diagram

2.2 試驗(yàn)方法

土壤機(jī)械組成：采用激光衍射法，使用的儀器為MS2000 激光粒度儀，每組數(shù)據(jù)平行測(cè)定3 次。

土壤有機(jī)質(zhì)：采用燃燒氧化-非分散紅外吸收法，使用的儀器為總有機(jī)碳分析儀，每組數(shù)據(jù)平行測(cè)定3 次。

2.3 數(shù)據(jù)處理方法

對(duì)不同沉陷年限、坡面部位、垂直深度的試驗(yàn)數(shù)據(jù)使用SPSS21.0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并通過單因素方差分析和最小顯著法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)，使用Origin 軟件進(jìn)行圖件繪制。 文章擬采用Williams 等在1990 年建立的EPIC 模型計(jì)算土壤可蝕性K值，如式（1）—式（3）所示。

式中：KEPIC為EPIC 模型計(jì)算得到的土壤可蝕性因子，Mg·ha·h ／（ ha·MJ·mm）；Sa為土壤砂粒（0.05～2.0 mm）含量，%；Si為土壤粉粒（0.002 ～0.05 mm）含量，%；Ci為土壤黏粒（＜0.002 mm）含量，%；C為土壤有機(jī)碳含量，%；Som為土壤有機(jī)質(zhì)含量，%。

3 結(jié)果與分析

3.1 沉陷區(qū)黃土坡面土壤機(jī)械組成變化特征

土壤機(jī)械組成（又稱土壤質(zhì)地）和土壤有機(jī)質(zhì)分別是土壤最重要的物理特性和化學(xué)特性之一，對(duì)通氣性、持水性、孔隙度、養(yǎng)分含量等土壤理化性狀指標(biāo)以及土壤抗蝕性都會(huì)產(chǎn)生重要影響。 對(duì)研究區(qū)沉陷年限1～5 a、6～10 a 的黃土沉陷坡面上不同部位、不同垂直深度土壤樣品的機(jī)械組成和有機(jī)質(zhì)含量進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果見表1。 根據(jù)測(cè)定結(jié)果，繪制了不同沉陷年限、不同坡面部位、不同垂直深度的土壤質(zhì)地三角圖，如圖2—圖4 所示。

表1 陜北開采沉陷區(qū)土壤機(jī)械組成及有機(jī)質(zhì)測(cè)定結(jié)果Table 1 Determination results of soil mechanical composition and organic matter in mining subsidence area of Northern Shaanxi

由表1、圖2、圖3、圖4 可知：

圖2 沉陷坡頂不同沉陷年限及垂直深度的土壤質(zhì)地三角圖Fig.2 Triangular map of soil texture at different subsidence years and vertical depth on top of subsidence slope

圖3 沉陷坡中不同沉陷年限及垂直深度的土壤質(zhì)地三角圖Fig.3 Triangular map of soil texture with different subsidence years and vertical depth in subsidence slope

圖4 沉陷坡腳不同沉陷年限及垂直深度的土壤質(zhì)地三角圖Fig.4 Triangular map of soil texture at the foot of subsidence slope with different subsidence years and vertical depth

1）不同沉陷年限、不同坡面部位、不同垂直深度的土壤質(zhì)地類型與對(duì)照組相同，均為粉質(zhì)壤土。但坡頂與坡中部位土壤中的砂粒含量、坡腳部位土壤中的黏粒含量均呈現(xiàn)顯著增加的變化趨勢(shì)。

2）相對(duì)于對(duì)照組，當(dāng)沉陷年限達(dá)到1 ～5 a 時(shí)，坡頂部位0～10 cm 土層土壤砂粒、黏粒含量變化不明顯，10～20 cm 土層土壤砂粒含量增加了45.2%（P＜0.05），黏粒含量減少了19.5%（P＜0.05）；坡中部位0～10 cm 土層土壤砂粒含量增加了12.0%（P＜0.05），黏粒含量減少了29.8%（P＜0.05），10 ～20 cm土層土壤砂粒含量增加了19.4%（P＜0.05），黏粒含量減少了35.5%（P＜0.05）；坡腳部位0 ～10 cm 土層土壤砂粒、黏粒含量變化不明顯，10 ～20 cm 土層土壤砂粒含量減少了21.7%（P＜0.05），黏粒含量增加了10.4%（P＜0.05）；當(dāng)沉陷年限達(dá)到6 ～10 a 時(shí)，坡頂部位0 ～10 cm 土層土壤砂粒含量增加了14.1%（P＜0.05），黏粒含量減少了23.5%（P＜0.05），10～20 cm 土層土壤砂粒含量增加了35.7%（P＜0.05），黏粒含量減少了27.0%（P＜0.05）；坡中部位0～10 cm 土層土壤砂粒含量變化不明顯，黏粒含量減少了21.7%（P＜0.05），10 ～20 cm 土層土壤砂粒含量增加了19.3%（P＜0.05），黏粒含量減少了29.3%（P＜0.05）；坡腳部位0 ～10 cm 土層土壤砂粒含量減少了14.1%（P＜0.05），黏粒含量減少了33.2%（P＜0.05），10～20 cm 土層土壤砂粒含量減少了36.7%（P＜0.05），黏粒含量增加了58.2%（P ＜0.05）。 由此可見，①坡頂、坡中部位的土壤均表現(xiàn)出明顯的砂化特征，這與孟紅旗等［17］研究結(jié)果相同，隨著沉陷年限的增加，坡頂部位土壤中砂粒含量的平均增幅由18.3%（沉陷年限為1 ～5 a）提高到24.9%（沉陷年限為6～10 a），土壤砂化程度持續(xù)加劇，而坡中部位土壤砂粒含量的平均增幅由15.3%（沉陷年限為1～5 a）降低到11.1%（沉陷年限為6～10 a），土壤砂化程度有所減緩；②坡腳部位的土壤中砂粒含量、黏粒含量分別呈現(xiàn)出下降、增加的變化趨勢(shì)，隨著沉陷年限的增加，坡腳部位土壤中砂粒含量的平均降幅由9.4%（沉陷年限為1 ～5 a）提高到25.4%（沉陷年限為6～10 a），黏粒含量的平均增幅由2.2%（沉陷年限為1～5 a）提高到45.7%（沉陷年限為6～10 a），變化日趨明顯；③采煤沉陷在改善沉陷區(qū)黃土坡面坡腳部位土壤物理結(jié)構(gòu)的同時(shí)也造成了坡頂、坡中部位土壤物理結(jié)構(gòu)的整體惡化，其中沉陷1～5 a 的坡頂部位10 ～20 cm 土層惡化最為嚴(yán)重，沉陷6～10 a 內(nèi)的坡腳部位10 ～20 cm 土層改善最為明顯。

3）沉陷區(qū)黃土坡面土壤機(jī)械組成的變化與區(qū)域氣候、降水、地形等自然因素及煤炭開采等人為因素都有著密切關(guān)系。 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果，在論文研究時(shí)段內(nèi)，氣候、降水等自然因素未發(fā)生顯著性變化，對(duì)土壤機(jī)械組成的影響很小，而煤炭開采活動(dòng)及造成的地形變化可能是導(dǎo)致研究區(qū)坡面土壤機(jī)械組成呈現(xiàn)不同變化特征的主要原因。

經(jīng)分析，黃土坡面坡頂、坡中、坡腳在相同的開采沉陷過程和作用下表現(xiàn)出不同的移動(dòng)變形特征，進(jìn)而對(duì)土壤機(jī)械組成產(chǎn)生不同的影響。 具體而言：在沉陷過程中，黃土坡面的坡頂部位不僅發(fā)生垂向下沉和朝向采空區(qū)的水平移動(dòng)，而且還會(huì)沿著坡面傾向產(chǎn)生黃土層滑動(dòng)等附加變形［18］，以致坡頂部位土壤的“拉張效應(yīng)”非常明顯［19］。 強(qiáng)烈的拉伸作用一方面使得坡頂部位土壤疏松，孔隙度增大，不僅為空氣、水分等組分在土壤中的遷移轉(zhuǎn)化提供更多通道，而且增大了水、氣在土壤孔隙中的流速、流量［20］，在相同風(fēng)力、水力侵蝕條件下，土壤黏粒等小粒徑顆粒更易向深層土壤或坡中、坡腳部位匯集［21］；另一方面造成草本、小灌木等植物的根系發(fā)生嚴(yán)重的機(jī)械拉傷或拉斷，甚至導(dǎo)致部分根系暴露在空氣中而干枯死亡［22］，不僅大大削弱了植物根系的活性與固土功能［23-24］，而且嚴(yán)重破壞了“根-土復(fù)合體”的結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性，以致土壤團(tuán)聚體因崩解而離散出的小顆粒大量流失［25］。 這可能是坡頂部位土壤發(fā)生砂化并隨沉陷年限增加而加劇的重要原因。

黃土坡面的坡中部位在沉陷過程中不僅發(fā)生顯著的整體水平移動(dòng)［26］，而且還會(huì)出現(xiàn)坡度增大的現(xiàn)象［27］，以致坡中部位形態(tài)的“變陡效應(yīng)”比較明顯［28］。 坡度的增大一方面使得相同強(qiáng)度的地表風(fēng)或地表徑流具有更強(qiáng)的侵蝕作用，以致坡中部位土壤中的小粒徑顆粒沿坡面傾向發(fā)生遷移的可能性及數(shù)量大大增加；另一方面造成坡面植被的生境發(fā)生惡化［29］，降低了植被對(duì)土壤顆粒的保護(hù)與攔截功能［30］，加劇了土壤中的小粒徑顆粒流失的程度。 但坡度的增大同時(shí)也會(huì)增加坡頂部位土壤小顆粒向坡中部位的補(bǔ)給效應(yīng)。 這可能是坡中部位土壤發(fā)生砂化但隨沉陷年限增加而減輕的重要原因。

在沉陷過程中，黃土坡面的坡腳部位受到溝谷土體和對(duì)面坡體下沉移動(dòng)的雙重?cái)D壓［26］，從而產(chǎn)生水平位移量減少甚至地表抬升的現(xiàn)象［31］，以致坡腳部位土壤的“擠壓效應(yīng)”較為明顯。 明顯的擠壓作用使得坡腳形成堆積體形態(tài)［32］，以致坡頂、坡中部位流失的土壤小顆粒大量匯集于此［17］。 這可能是坡腳部位土壤黏粒含量提高并隨沉陷年限增加日趨明顯的重要原因。

3.2 沉陷區(qū)黃土坡面土壤有機(jī)質(zhì)變化特征

根據(jù)表1 測(cè)定結(jié)果，繪制了不同沉陷年限、不同坡面部位、不同垂直深度的土壤有機(jī)質(zhì)含量對(duì)比圖，如圖5 所示。 由表1 和圖5 可知：

圖5 不同沉陷部位影響下不同沉陷年限及垂直深度有機(jī)質(zhì)含量Fig.5 Organic matter content in different subsidence years and vertical depth under the influence of different subsidence parts

1）不同沉陷年限、不同垂直深度坡頂部位和坡中部位土壤有機(jī)質(zhì)含量均出現(xiàn)明顯的下降，坡腳部位土壤有機(jī)質(zhì)含量基本恢復(fù)到正常水平。

2）相對(duì)于對(duì)照組，當(dāng)沉陷年限達(dá)到1 ～5 a 時(shí)，坡頂部位0～10 cm 土層土壤有機(jī)質(zhì)含量的降幅為54.2%（P＜0.05），10～20 cm 土層土壤有機(jī)質(zhì)含量的降幅為50.9%（P＜0.05）；坡中部位0～10 cm 土層土壤有機(jī)質(zhì)含量的降幅為40.0%（P＜0.05），10 ～20 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)含量的降幅為42.0%（P＜0.05）；坡腳部位有機(jī)質(zhì)含量基本恢復(fù)正常水平；當(dāng)沉陷年限達(dá)到6～10 a 時(shí)，坡頂部位0 ～10 cm 土層土壤有機(jī)質(zhì)含量的降幅為61.5%（P＜0.05），10 ～20 cm 土層土壤有機(jī)質(zhì)含量的降幅為49.1%（P＜0.05）；坡中部位0 ～10 cm 土層土壤有機(jī)質(zhì)含量的降幅為20.0%（P＜0.05），10～20 cm 土層土壤有機(jī)質(zhì)含量的降幅為21.6%（P＜0.05）；坡腳部位有機(jī)質(zhì)含量基本恢復(fù)正常水平。 由此可見，①坡頂、坡中部位土壤有機(jī)質(zhì)含量均明顯減少，這與諶蕓等［33］研究結(jié)果相同，隨著沉陷年限的增加，坡頂部位土壤有機(jī)質(zhì)含量的平均降幅由52.6%（沉陷年限為1 ～5 a）提高到55.3%（沉陷年限為6 ～10 a），變化日趨明顯，而坡中部位土壤有機(jī)質(zhì)含量的平均降幅由41.0%（沉陷年限為1 ～5 a）降低到20.8%（沉陷年限為6 ～10 a），變化有所減緩；②采煤沉陷造成坡頂、坡中部位土壤化學(xué)結(jié)構(gòu)整體惡化，其中沉陷6～10 a 的坡頂部位0～10 cm 土層惡化最為嚴(yán)重，而對(duì)坡腳部位土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響不明顯。

3）土壤有機(jī)質(zhì)含量與機(jī)械組成有密切關(guān)系，同理可知煤炭開采活動(dòng)及造成的地形變化可能也是導(dǎo)致研究區(qū)坡面土壤有機(jī)質(zhì)呈現(xiàn)不同變化特征的主要原因。

經(jīng)分析，黃土坡面坡頂、坡中、坡腳在相同的開采沉陷過程和作用下表現(xiàn)出不同的移動(dòng)變形特征，進(jìn)而對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)產(chǎn)生不同的影響。 具體而言：

在沉陷過程中，黃土坡面坡頂部位的“拉張效應(yīng)”一方面使土壤孔隙度變大，通氣性變強(qiáng)，從而土壤與大氣的氧氣交換能力增強(qiáng)，有機(jī)質(zhì)分解速率加快，最終導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)含量明顯減少［34］。 另一方面該效應(yīng)使外界空氣、熱量對(duì)土壤的侵入強(qiáng)度增大，從而土壤中的水、氣、熱等條件發(fā)生變化，以致部分微生物由于不能適應(yīng)生存環(huán)境的改變而停止繁殖甚至死亡［35］，且微生物群落豐度越低，有機(jī)質(zhì)越難在土壤中積累，以致土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著降低［36］。 這可能是坡頂部位土壤有機(jī)質(zhì)損失量隨沉陷年限增加而加劇的重要原因。

在沉陷過程中，黃土坡面坡中部位的“變陡效應(yīng)”一方面使該部位有機(jī)質(zhì)在相同強(qiáng)度的地表風(fēng)和地表徑流侵蝕下沿坡面傾向發(fā)生遷移的可能性及數(shù)量顯著增加；另一方面該效應(yīng)對(duì)植被也造成了一定的損害，使其對(duì)有機(jī)質(zhì)的保護(hù)與攔截功能降低［30］，同時(shí)植被覆蓋度降低，迫使土壤碳儲(chǔ)量不斷流失［37］，加劇了土壤中有機(jī)質(zhì)的損失量。 但該效應(yīng)使坡頂部位有機(jī)質(zhì)向坡中部位的補(bǔ)給量增加，這可能是坡中部位土壤有機(jī)質(zhì)損失量隨沉陷年限增加而減輕的重要原因。

在沉陷過程中，黃土坡面坡腳部位的“擠壓效應(yīng)”使坡頂、坡中部位隨坡面傾向遷移的大量有機(jī)質(zhì)在此匯聚［33］，從而抵消了煤炭開采對(duì)坡腳部位有機(jī)質(zhì)的負(fù)效應(yīng)，這可能是坡腳部位土壤有機(jī)質(zhì)含量與對(duì)照組相比基本沒有變化的重要原因。

3.3 沉陷區(qū)黃土坡面土壤可蝕性K 值變化特征

土壤可蝕性K值是從內(nèi)因視角客觀反映土壤被營力分散和搬運(yùn)難易程度的量化指標(biāo)，主要反映土壤可被侵蝕的潛在能力。 根據(jù)表1 土壤機(jī)械組成和有機(jī)質(zhì)數(shù)據(jù)對(duì)土壤可蝕性K值進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表2；并以此為基礎(chǔ)，繪制了不同沉陷年限、不同坡面部位、不同垂直深度的土壤可蝕性K值對(duì)比如圖6 所示。 由表2、圖6 可知：

圖6 不同沉陷部位影響下不同沉陷年限及垂直深度土壤可蝕性K 值Fig.6 Soil erodibility K value of different subsidence years and vertical depth under the influence of different subsidence parts

表2 陜北開采沉陷區(qū)土壤可蝕性K 值計(jì)算結(jié)果Table 2 Calculation results of soil erodibility K value in mining subsidence area of Northern Shaanxi

1）不同沉陷年限、不同坡面部位、不同垂直深度土壤可蝕性K值基本均呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。

2）相對(duì)于對(duì)照組，當(dāng)沉陷年限達(dá)到1 ～5 a 時(shí)，坡頂部位0 ～10 cm 土層土壤可蝕性K值的增幅為8.7%（P＜0.05），10 ～20 cm 土層土壤可蝕性K值的增幅為1.8%；坡中部位0～10 cm 土層土壤可蝕性K值的增幅為1.4%，10 ～20 cm 土層土壤可蝕性K值的增幅為2.6%；坡腳部位0 ～10 cm 土層土壤可蝕性K值變化不大，10 ～20 cm 土層土壤可蝕性K值的增幅為7.5%；當(dāng)沉陷年限達(dá)到6～10 a 時(shí)，坡頂部位0～10 cm 土層土壤可蝕性K值的增幅為4.7%，10～20 cm 土層土壤可蝕性K值的增幅為4.6%；坡中部位0～10 cm 土層和10～20 cm 土層土壤可蝕性K值基本沒有變化；坡腳部位0 ～10 cm 土層土壤可蝕性K值變化不大，10 ～20 cm 土層土壤可蝕性K值的增幅為7.1%。 由此可見，①隨著沉陷年限的增加，坡頂、坡中、坡腳部位土壤可蝕性K值的平均增幅分別由5.3%、2.0%、3.8%（沉陷年限為1 ～5 a）減小到4.7%、0、3.6%（沉陷年限為6～10 a），變化均有所減緩；②采煤沉陷會(huì)造成沉陷坡面不同部位土壤可蝕性K值增大，其中沉陷1 ～5 a 的坡頂部位0 ～10 cm土層土壤可蝕性K值增幅最顯著，而沉陷6 ～10 a 的坡中部位以及不同沉陷年限下坡腳部位0 ～10 cm 土層土壤可蝕性K值變化不明顯。

3）沉陷年限為1 ～5 a 時(shí)，坡頂、坡中、坡腳0 ～10 cm 土層土壤與10 ～20 cm 土層土壤之間可蝕性K值的差值依次為對(duì)照組（0.000 1、0.016 8、0.024 2）的265、0.71、-0.06 倍；沉陷年限為6～10 a 時(shí)，坡頂、坡中、坡腳0～10 cm 土層土壤與10 ～20 cm 土層土壤之間可蝕性K值的差值依次為對(duì)照組的6、0.65、0.14倍。 由此可見，開采沉陷顯著擴(kuò)大了坡頂部位0～10 cm、10 ～20 cm 兩層土壤可蝕性的差異，明顯縮小了坡中、坡腳部位0 ～10 cm、10 ～20 cm 兩層土壤可蝕性的差異，使兩層土壤發(fā)生趨同。

4）究其原因，黃土坡面坡頂、坡中、坡腳在相同的開采沉陷過程和作用下表現(xiàn)出不同的移動(dòng)變形特征，進(jìn)而對(duì)土壤可蝕性K值產(chǎn)生不同的影響。 具體而言：

土壤可蝕性K值與地形、地貌、土壤、植被、降水等自然因素及人工水土保持措施、人類活動(dòng)均有密切關(guān)系。 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果，在論文研究時(shí)段內(nèi)，氣候、降水等自然因素以及人工水土保持措施均未發(fā)生顯著性變化，對(duì)土壤可蝕性K值的影響很小，而煤炭開采活動(dòng)造成的地形改變及其衍生的土壤質(zhì)量、植被特征變化可能是導(dǎo)致研究區(qū)坡面土壤可蝕性K值變化的主要原因。

在沉陷過程中，黃土坡面坡頂部位的“拉張效應(yīng)”使有機(jī)質(zhì)大量減少，導(dǎo)致土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性減弱，同時(shí)該效應(yīng)使“根土復(fù)合體”結(jié)構(gòu)破壞，在相同強(qiáng)度的風(fēng)力、水力侵蝕下發(fā)生崩解的可能性和程度增大［38］，加劇了水土流失和土壤侵蝕，以致土壤可蝕性K值明顯增加。 隨著沉陷年限的增加，坡頂部位0～10 cm 土層粉粒含量逐漸減少，10 ～20 cm土層粉粒含量逐漸增多，而粉粒既沒有黏粒黏結(jié)力強(qiáng)，同時(shí)其抵抗侵蝕介質(zhì)剝蝕和搬運(yùn)的能力較砂粒等大顆粒弱［39］，這可能是坡頂部位0～10 cm 土層土壤可蝕性K值隨沉陷年限的增加其增幅降低，10 ～20 cm 土層土壤可蝕性K值隨沉陷年限增加其增幅增大的重要原因。

在沉陷過程中，黃土坡面坡中部位的“變陡效應(yīng)”使植被生境發(fā)生惡化，減少了對(duì)土壤顆粒的保護(hù)與攔截，但土壤發(fā)生明顯砂化現(xiàn)象，以致相同強(qiáng)度的風(fēng)力、水力侵蝕下，沿坡面傾向遷移的能力較弱，表現(xiàn)出更好的抗侵蝕能力，基本抵消了煤炭開采對(duì)坡中土壤抗蝕性的負(fù)效應(yīng)，因此坡中部位土壤可蝕性K值增幅較小。 隨沉陷年限增加，土壤黏粒含量和有機(jī)質(zhì)含量逐漸增多，而有機(jī)質(zhì)大部分以腐殖質(zhì)形式存在，會(huì)與土壤中黏粒復(fù)合形成土壤團(tuán)聚體和微團(tuán)聚體，提高砂土的團(tuán)聚性，對(duì)砂粒松散的狀態(tài)進(jìn)行改善，從而在相同強(qiáng)度的地表風(fēng)、地表徑流侵蝕下，被搬運(yùn)遷移的效應(yīng)更輕，使土壤可蝕性降低［40］，這可能是坡中部位土壤可蝕性K值增幅隨沉陷年限增加而減小的重要原因。

在沉陷過程中，黃土坡面坡腳部位的“擠壓效應(yīng)”使0～10 cm 土層土壤黏粒、有機(jī)質(zhì)含量基本恢復(fù)到正常水平，且土壤砂粒、粉粒含量與對(duì)照組相比差異不明顯，這可能是0 ～10 cm 土層土壤可蝕性K值基本不變的原因。 但10～20 cm 土層土壤砂粒含量顯著減少，粉粒含量明顯增多，更易造成水土流失問題加劇，這可能是10 ～20 cm 土層土壤可蝕性K值明顯增加的重要原因。

5）不同沉陷年限下沉陷坡頂土壤可蝕性K值增幅基本較沉陷坡腳、坡中大，表明坡頂土壤越容易產(chǎn)生侵蝕，在進(jìn)行水土流失精準(zhǔn)防控時(shí)應(yīng)著重考慮土壤結(jié)構(gòu)改良、施肥等人工措施，而坡腳、坡中部位則應(yīng)著重考慮自然措施。

4 結(jié) 論

1）陜北煤礦區(qū)開采沉陷不會(huì)改變土壤質(zhì)地類型，但坡頂、坡中部位土壤表現(xiàn)出明顯的砂化特征，且隨沉陷年限增加，坡頂部位土壤砂化程度持續(xù)加劇，坡中部位土壤砂化程度有所減緩，坡腳部位土壤砂粒含量、黏粒含量下降、增加趨勢(shì)日趨明顯。 在沉陷1～5 a 的坡頂部位10～20 cm 土層土壤物理結(jié)構(gòu)惡化最為嚴(yán)重，沉陷6 ～10 a 內(nèi)的坡腳部位10 ～20 cm 土層物理結(jié)構(gòu)改善最為明顯。

2）開采沉陷會(huì)產(chǎn)生降低坡頂、坡中部位土壤有機(jī)質(zhì)含量的效應(yīng)，平均降幅為20.8%～55.3%。 隨著沉陷年限的增加，坡頂部位土壤有機(jī)質(zhì)含量降幅日趨明顯，坡中部位土壤有機(jī)質(zhì)含量降幅有所減緩。在沉陷6～10 a 的坡頂部位0 ～10 cm 土層土壤化學(xué)結(jié)構(gòu)惡化最為嚴(yán)重，而對(duì)坡腳部位土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響不明顯。

3）陜北煤礦區(qū)開采沉陷會(huì)產(chǎn)生提高周圍土壤的可蝕性的效應(yīng)，隨著沉陷年限的增加，坡頂、坡中、坡腳部位土壤可蝕性K值增幅均有所減緩。 在沉陷1～5 a 的坡頂部位0 ～10 cm 土層土壤可蝕性K值增幅最顯著，而沉陷6～10 a 的坡中部位以及不同沉陷年限下坡腳部位0 ～10 cm 土層土壤可蝕性K值變化不明顯。 開采沉陷會(huì)顯著擴(kuò)大坡頂部位2 層土壤可蝕性的差異，縮小坡中、坡腳部位2 層土壤可蝕性的差異。

4）陜北煤礦區(qū)沉陷坡頂土壤可蝕性K 值較大，土壤抗侵蝕能力較差，應(yīng)著重考慮人工措施如土壤結(jié)構(gòu)改良、施肥等進(jìn)行水土流失精準(zhǔn)防控，坡腳、坡中部位則應(yīng)著重考慮自然措施。