采煤沉陷區(qū)不同裂縫處小葉楊根系損傷特性

高 巖, 黨曉宏,2, 汪 季,2, 高 琴, 翟 波, 劉 博

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 沙漠治理學(xué)院, 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018; 2.內(nèi)蒙古杭錦荒漠生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站, 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017400; 3.內(nèi)蒙古自治區(qū)自然資源保護與利用研究中心 010020)

在一次性能源的生產(chǎn)和消耗中煤炭占中國的70%以上，且煤炭能源的支柱作用在中國短期內(nèi)不會發(fā)生改變[1-4]。煤炭資源開采雖有利于中國經(jīng)濟的高速發(fā)展，但同時也產(chǎn)生了一系列嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問題，其中地表大面積沉陷是最突出的問題之一[5]。沉陷過程中土壤的拉伸和壓縮變形對植物根系造成不定向的機械性傷害，大量根系裸露在空氣中，根表面水分蒸發(fā)加重，使植物對水肥的吸收能力下降，影響其生長發(fā)育，加之沉陷產(chǎn)生裂縫使得沉陷區(qū)土壤水分蒸發(fā)增強和養(yǎng)分流失加劇，營養(yǎng)元素隨著裂隙和地表徑流進入采空區(qū)，引起土地荒漠化和貧瘠化，導(dǎo)致傷根植物生長的土壤環(huán)境惡化，植物因缺水缺肥枯萎[6-7]，礦區(qū)生態(tài)環(huán)境受到破壞。探究沉陷區(qū)不同塌陷地裂縫處植物根系損傷狀況，直接反映植物根系遭受地表沉陷的迫害程度，對采煤沉陷區(qū)植被恢復(fù)與生態(tài)環(huán)境重建具有重要意義。

植物根系在土壤中分布情況是隨機不均的，地表塌陷對根系的作用力也是不規(guī)則的。根系在土壤中就像是在“盲盒”中，難以對其進行實時監(jiān)測和人為控制，大部分試驗都集中在室內(nèi)模擬根系損傷方面。因此，在采煤沉陷區(qū)實地觀測植物根系損傷狀況的研究，需要進一步進行探索。采煤沉陷區(qū)內(nèi)塌陷引起裂縫處植物位移，將根系拉斷，植株撕裂，嚴(yán)重者甚至致使植物死亡[8-9]。

蒙仲舉等[10]發(fā)現(xiàn)裂縫寬度、錯位差、植物距離裂縫距離是影響根系損傷程度的主要因素；植物根系在坡頂和坡中損傷程度最嚴(yán)重，坡腳和丘間低地?fù)p傷程度最輕；在任何坡位塌陷下，小于0.1 cm的細(xì)根損傷程度均最嚴(yán)重。李有芳等[11]發(fā)現(xiàn)檸條(Caraganakorshinskii)、沙棘(Hippophaerhamnoides)、沙柳(Salixpsammophila)、白沙蒿(Caryopterismongholica)4種植物根系損傷的易損部位均在根系分支處。Andersen等[12]研究果樹根斷后地上部分各生長指標(biāo)變化，發(fā)現(xiàn)斷根處理后果樹高度、冠幅、枝條數(shù)量、枝條長度、葉片面積等均受影響。馬其東等[13]發(fā)現(xiàn)北疆苜蓿主根受損，會使自身總根重下降。趙寧等[14]發(fā)現(xiàn)切根處理會對刺槐(Robiniapseudoacacia)和白榆(Ulmuspumila)的光合速率、蒸騰速率產(chǎn)生不利影響。曹杰等[15]發(fā)現(xiàn)垂直切根對返青期羊草(Leymuschinensis)根莖中氮的積累有一定的抑制作用。孫金華等[16]發(fā)現(xiàn)隨著玉米傷根程度的增加，地上和地下生物量逐漸減少，地上和根系中N，P，K，Ca和Mg含量也逐漸減少，根系損傷直接影響玉米的生長和營養(yǎng)元素的吸收利用。

綜上所述，根系損傷對植物生長發(fā)育有著不利的影響，所以，進一步實地觀測研究沉陷區(qū)植物根系損傷特征，對根系受損植被的恢復(fù)具有重要意義。小葉楊(Populussimonii)是毛烏素沙地人工植被建設(shè)常見的鄉(xiāng)土樹種之一，也是李家塔采煤沉陷區(qū)內(nèi)植被恢復(fù)的優(yōu)勢樹種[17]。

本文以小葉楊為研究對象，針對李家塔礦區(qū)采煤沉陷造成小葉楊水平根系損傷，影響其生長發(fā)育的問題。觀測不同坡位處不同裂縫間小葉楊根系的損傷狀況，運用數(shù)理統(tǒng)計軟件分析根系損傷率和損傷類型與坡位、裂縫類型、錯位差、裂縫寬和根距裂縫水平距離間的關(guān)系，反映小葉楊根系損傷特性。以期為李家塔礦采煤沉陷區(qū)發(fā)生塌陷的小葉楊林地恢復(fù)治理提供理論指導(dǎo)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于伊金霍洛旗烏蘭木倫鎮(zhèn)上灣村境內(nèi)的李家塔礦區(qū)(39°22′32″N，110°7′11″E)，海拔1 210 m。研究區(qū)屬于溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，具有干旱少雨，風(fēng)大沙多的氣候特征[18]。沙塵暴日數(shù)幾乎不少于15 d左右[19]。冬夏的寒暑差異大，年平均氣溫7.8～9.6 ℃[20]，每日最高溫度達38 ℃，最低溫度達-31.4 ℃，年平均降水300 mm，降水集中在第三季度，年平均蒸騰量2 500 mm[21]，約為降水的8.3倍。研究區(qū)土壤有風(fēng)沙土和沙巖風(fēng)化土，其中90%為風(fēng)沙土，土體結(jié)構(gòu)較為松散，常為細(xì)沙，養(yǎng)分較瘠薄，且比較難蓄積，土體的抗逆性較差，極易產(chǎn)生風(fēng)蝕[22-23]。土壤養(yǎng)分中缺少氮元素，磷元素，鉀元素偏多，有機質(zhì)的含量低，肥力低，pH值一般保持在7.5～9.0之間；土壤侵蝕強度自東南向西北遞減[24]，土壤侵蝕模數(shù)大約在4.00×103～8.00×103t/(km2·a)。研究區(qū)內(nèi)主要以耐旱、耐寒和耐貧瘠的沙生或旱生植物為主[22]，人工植被主要為成排的沙柳和小葉楊[25]，它們間分布少量楊柴(Hedysarummongolicum)、檸條錦雞兒(Caraganakorshinskii)、油蒿(Artemisiaordosica)等[26-27]。

表1是研究區(qū)不同坡位小葉楊林帶生長指標(biāo)的調(diào)查結(jié)果。由表1可知，不同坡位小葉楊東西和南北向的冠幅、地徑和胸徑的大小關(guān)系均為：坡中小葉楊>坡頂>坡底(p<0.05)。坡中小葉楊樹高顯著大于坡底和坡頂(p<0.05)，坡底和坡頂小葉楊樹高差異不顯著(p>0.05)。不同坡位小葉楊林帶間行距由大到小依次為：坡中>坡頂>坡底(p<0.05)。不同坡位小葉楊林帶內(nèi)株距由大到小依次為：坡頂>坡中>坡底(p<0.05)。

表1 李家塔礦不同坡位小葉楊林地生長指標(biāo)調(diào)查狀況

2 材料與方法

2.1 研究方法

筆者于2021年4月9—11日，對李家塔采煤沉陷區(qū)進行了為期3 d的大面積初步勘察。依據(jù)裂縫形態(tài)地表裂縫分為3種類型：拉伸型裂縫、滑動型裂縫、塌陷型裂縫[28]。拉伸型裂縫是由于地表的拉伸變形，超過表土的抗拉強度形成，超前于工作面開采發(fā)育，表現(xiàn)為：橫向開裂，長度、寬度和深度較小，無臺階形成；塌陷型裂縫是由于基本頂破斷造成覆巖及表土的全部垮落造成，不會超前于工作面開采而發(fā)育，表現(xiàn)為：橫向開裂，縱向下沉，寬度和深度較大，地表呈臺階；滑動型裂縫是坡體斷裂且發(fā)生滑坡造成，一般發(fā)育在地形起伏較大的山坡處，表現(xiàn)為：裂縫寬度和落差較大，形成臺階[28]。選擇存在符合上述表現(xiàn)特征的裂縫所在塌陷地為試驗樣地。記錄測量試驗樣地坡頂、坡中和坡底的裂縫數(shù)量、類型、長度、寬度、錯位差和臺階寬等。裂縫寬度和錯位差使用10 m規(guī)格鋼卷尺測量。裂縫長和臺階寬使用100 m規(guī)格鋼卷尺測量。

2021年4月12—17日，在試驗樣地坡頂、坡中、坡底處，分別選取4株生長年限相同，形態(tài)指標(biāo)相近的小葉楊為研究對象，在距離小葉楊2 m處，挖長×寬×深為1 m×0.5 m×0.8 m的剖面，每10 cm為一個土層梯度，用木棒在剖面上劃線，記錄測量成年小葉楊側(cè)剖面內(nèi)各土層內(nèi)根系數(shù)量和根徑。根徑使用電子數(shù)顯高精度游標(biāo)卡尺垂直于水平根測量。

2021年4月18—24日，在試驗樣地坡頂、坡中和坡底處，選取典型的塌陷型、滑動型、拉伸型裂縫為試驗裂縫，每種類型裂縫處，選取3個縫間存在小葉楊根系的裂縫為試驗樣點，記錄測量樣點處裂縫的長度、寬度和錯位差，以試驗樣點為中心挖長×寬×深為1 m×0.5 m×0.8 m的剖面，每10 cm為一個土層梯度用木棍劃線，以縫隙側(cè)為觀測面，記錄測量剖面內(nèi)各土層根系數(shù)量、根徑、傷根數(shù)量、根損類型等。根系損傷程度判定方法為目測法，各損傷類型表現(xiàn)為：扯斷即根系被拉斷；皮裂即根的木質(zhì)部和韌皮部未受到損傷，根表皮裂開；扭曲即根的形態(tài)發(fā)生了左右扭動；拉出即根隨裂縫的產(chǎn)生拉出土壤，暴露在土層外[29]。再以每個試驗裂縫為中心點，拉10 m×10 m的樣方，沿裂縫處水平根走向，觀測距離裂縫10 m范圍內(nèi)0—30 cm土層內(nèi)根系的損傷狀況，記錄根徑、根系損傷類型、傷根距裂縫水平距離等(圖1)。

圖1 李家塔礦區(qū)典型裂縫類型和根系損傷類型

2.2 數(shù)據(jù)處理

用Excel 2010對野外記錄數(shù)據(jù)進行整理和計算。制作不同坡位處裂縫狀況表格。使用公式(1)計算不同坡位下0—60 cm深度土壤內(nèi)小葉楊水平根系各土層數(shù)量比例，反映小葉楊水平根系垂直分布特征。使用公式(2)計算各坡位處各類型裂縫間根系損傷率，分析根系損傷率與坡位以及裂縫類型間的關(guān)系。使用公式(3)計算出距裂縫不同水平距離處各類型損傷根系的比例，判定根系損傷程度與根裂距間的聯(lián)系。同時運用SAS 9.2對損傷率、裂縫寬、錯位差、根裂距間進行相關(guān)性分析，排列出裂縫各因素對根系損傷影響因子大小。運用Origin 2021進行繪圖。

(1)

某損傷類型根數(shù)比例=

3 結(jié)果與分析

3.1 沉陷區(qū)不同坡位裂縫類型調(diào)查

地表裂縫是一種最為典型的煤炭開采造成的生態(tài)環(huán)境災(zāi)害。裂縫一般平行于采空區(qū)邊界發(fā)展，裂縫形狀為楔形，開口大隨深度的增加而減小，到一定的深度尖滅[30]。如表2所示，該試驗樣區(qū)拉伸型裂縫主要分布在坡頂和坡底，其表現(xiàn)為：橫向開裂，長度較短為13 m左右，寬度較小為8 cm左右，深度較淺，無明顯錯位差，地表不存在臺階。由于試驗樣區(qū)屬于風(fēng)沙區(qū)，已沉陷1～3 a，拉伸型裂縫大部分已被風(fēng)沙填埋，故觀測到的裂縫數(shù)量較少。塌陷型裂縫主要出現(xiàn)在沉陷區(qū)坡頂和坡中的位置，其主要特征是：橫向開裂且縱向下沉，長度較長為23～36 m，寬度較大為43～45 cm，深度較大(甚至直達采空區(qū))，地表多呈現(xiàn)3級及以上臺階，錯位差39～41 cm，臺階寬5.05～5.53 m。該試驗區(qū)滑動型裂縫主要出現(xiàn)在沉陷區(qū)坡頂和坡底滑坡位置，其主要特征為：裂縫長度較大25～27 m，寬度較大42～92 cm，地表多呈現(xiàn)2或3級臺階，錯位差是裂縫中最大的為47～69 cm，臺階寬3.19～5.81 m。

表2 李家塔礦區(qū)沉陷區(qū)不同坡位裂縫類型

3.2 不同坡位小葉楊根系分布的調(diào)查

根系分布深度因影響到林木擁有地下營養(yǎng)空間的大小和對土壤營養(yǎng)及水分的利用，直接影響到林木地上部分產(chǎn)量的高低。尤其林木細(xì)根分布特征及其對干旱的抗御能力，是半濕潤、半干旱地林地生產(chǎn)力高低的主要決定因素[31-32]。由圖2可知，小葉楊水平根系數(shù)量隨土層深度增加呈逐漸降低的變化趨勢。0—10 cm土層根系最為密集，由坡頂至坡底此土層根系數(shù)占0—60 cm土層根數(shù)的40.1%，39.8%，43.0%，坡中和坡底0—10 cm土層內(nèi)根數(shù)較其他土層差異顯著(p<0.05)。50—60 cm土層根系最為稀疏，該土層根系數(shù)在0—60 cm土層內(nèi)根系占比，由坡頂至坡底依次是0.63%，2.28%，3.71%。在0—60 cm土層中每10 cm為一個梯度，由淺至深根系比例范圍為：40.1%～43.2%，24.5%～31.1%，13.3%～17.7%，6.25%～9.78%，4.24%～6.16%，0.63%～3.71%。同一土層內(nèi)坡中根系數(shù)均大于其他坡位根系數(shù)，且差異性顯著(p<0.05)，各土層內(nèi)坡頂與坡底的根系數(shù)量差異性不顯著(p>0.05)。

注：不同大寫字母表示同一坡位不同土層內(nèi)根數(shù)差異顯著性；不同小寫字母表示同一土層內(nèi)不同坡位處根數(shù)差異顯著性。

3.3 不同坡位塌陷下小葉楊根系損傷狀況

礦區(qū)地表塌陷引起地面裂縫產(chǎn)生，在裂縫形成的過程中土層錯位產(chǎn)生的力大于植物根系所能承受的拉力閾值，對植物根系造成機械損傷。如圖3所示，塌陷型裂縫處小葉楊根系損傷率均值為：12%>拉伸型裂縫處(9.67%)>滑動型裂縫處(5.67%)，塌陷型裂縫處根系損傷率最大(p<0.05)。從傷根數(shù)量均值的對比中可看出，受損根數(shù)塌陷型裂縫處>滑動型裂縫>拉伸型裂縫(p>0.05)，差異性不顯著。由于不同類型的裂縫，處于不同的坡位，可見坡中的小葉楊根系損傷最為嚴(yán)重。

注：不同大寫字母表示不同類型裂縫或坡位處根數(shù)差異顯著性。

如圖4所示，塌陷型裂縫處扯斷根數(shù)>皮裂根數(shù)>扭曲根數(shù)>拉出根數(shù)，其中扯斷根占損傷根系的32.91%，皮裂根27.85%，扭曲根26.58%，拉出根12.66%?；瑒有土芽p處：扯斷根數(shù)>皮裂根數(shù)>扭曲根數(shù)=拉出根數(shù)，其中扯斷根數(shù)顯著大于其他損傷類型根數(shù)(p<0.05)，占損傷根系的61.36%，皮裂根系次之15.91%，扭曲根和拉出根均占11.36%。拉伸型裂縫處根系損傷以皮裂為主，占損傷根系的62.5%，扭曲根系31.25%，扯斷根系6.25%，無拉出根系。由以上數(shù)據(jù)分析可看出，塌陷型和滑動型裂縫處4種根系損傷類型均存在，拉伸型裂縫處無拉出損傷根系。塌陷型和滑動型裂縫處根系扯斷損傷最多，皮裂根數(shù)次之，扭曲和拉出根數(shù)較少。拉伸型裂縫處根系損傷以皮裂為主，扭曲次之，扯斷少，無拉出根。

注：不同大寫字母表示同一根系損傷類型不同類型裂縫或坡位處根數(shù)差異顯著；不同小寫字母表示同一類型裂縫或坡位處不同損傷類型根數(shù)的差異顯著。

3.4 不同徑級小葉楊根系損傷狀況

根系直徑越粗根系損傷率越低，且根系越粗損傷率降低的速度越緩慢[10]。本試驗中發(fā)現(xiàn)2 mm以下小葉楊根系幾乎全部扯斷，因此不列入分析范圍(圖5)。如圖5所示，隨小葉楊根系直徑的增加，各類型損傷根系數(shù)量呈減少趨勢。根徑<5 mm根系損傷以扯斷為主，根徑>5 mm根系損傷以皮裂為主，扯斷次之，且根越粗扯斷越少皮裂越多。2～5 mm根徑范圍內(nèi)，小葉楊根系損傷狀況：扯斷>扭曲>皮裂>拉出；5～8 mm根徑范圍內(nèi)：皮裂>扯斷>扭曲>拉出；>8 mm根徑范圍內(nèi)：皮裂>扯斷>扭曲，且根徑>8 mm后無拉出損傷根系；當(dāng)根系>11 mm時，皮裂根系數(shù)有明顯增加，數(shù)量顯著大于其他3種類型傷根(p<0.05)，這可能是由于粗根表皮較細(xì)根干燥，因此所致其易損。

注：不同大寫字母表示同一損傷類型不同根徑根數(shù)差異顯著性；不同小寫字母表示同一根徑不同損傷類型根數(shù)差異顯著性。

3.5 距裂縫不同水平距離小葉楊根系損傷狀況

該試驗中將小葉楊根系距裂縫的水平距離簡稱為根裂距。調(diào)查不同根裂距下小葉楊根系的損傷狀況如圖6—7所示。由圖6可知，當(dāng)根裂距<1 m時，傷根數(shù)量最多，占傷根總數(shù)的53.68%。根裂距1～7 m內(nèi)傷根數(shù)量較為接近，為傷根總數(shù)的4.41%～8.09%，根裂距>7 m時傷根數(shù)量很少，只占總傷根數(shù)的0.47%～2.21%。因此可知，根裂距越小，根系損傷數(shù)量越大，根裂距<1 m時根系損傷最為嚴(yán)重。

圖6 李家塔礦區(qū)不同根裂距下各類型損傷根系分布

如圖7所示，沉陷區(qū)裂縫周邊根系扯斷損傷最多，皮裂次之，然后是扭曲和拉出。根裂距<1 m時，扯斷根最多，占60.27%，扭曲和皮裂損傷次之均占16.44%，拉出根6.85%。75%拉出損傷出現(xiàn)在根裂距<1 m時，以后幾乎無拉出損傷根系，根系損傷以扯斷、皮裂、扭曲為主。根裂距1～4 m時，根系損傷以皮裂為主占40%～50%，扭曲損傷次之占20%～33%，最后是扯斷損傷16.67%～30%。當(dāng)根裂距>4 m時根系損傷類型均是以扯斷為主。

圖7 李家塔礦區(qū)不同根裂距下各損傷類型根系比例

3.6 小葉楊根系損傷主導(dǎo)因素分析

采煤沉陷區(qū)植物根系的損傷，歸根結(jié)底是因為地面出現(xiàn)裂縫，土層錯位，砂巖層被破壞，風(fēng)積沙由于流動性強，下泄進入縫隙中，因為根系的支撐導(dǎo)致植物體下降速度風(fēng)積沙不同，導(dǎo)致植物與流沙層相對位置變化，植物根系遭到損傷[9]。如表3所示，裂縫寬與小葉楊根系損傷率呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.922介于0.8～1.0之間，因此它兩相關(guān)性極強，由此可知：裂縫越寬根系損傷越嚴(yán)重；錯位差與小葉楊根系損傷率相關(guān)系數(shù)為0.831介于0.8～1.0之間，呈正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)性極強，可知：裂縫錯位差越大根系損傷越嚴(yán)重；根裂距與小葉楊根系損傷率相關(guān)系數(shù)為-0.65，絕對值位于0.6～0.8之間，呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)性強，可知：根距離裂縫越遠(yuǎn)根系損傷越輕；相關(guān)系數(shù)|0.922|>|0.831|>|-0.65|，因此可知造成根系損傷的主導(dǎo)因素首先是裂縫寬，其次是錯位差，然后是根裂距。

表3 李家塔礦區(qū)不同塌陷因素與根系損傷相關(guān)性分析

4 討論與結(jié)論

4.1 討 論

采煤沉陷區(qū)不同程度塌陷形成不同形式的裂縫。本文研究表明：①拉伸型裂縫表現(xiàn)為橫向開裂，長度、寬度、深度是3種裂縫類型中最小的，地表無臺階形成，且伴隨著塌陷型、滑動型裂縫產(chǎn)生；②塌陷型裂縫表現(xiàn)為橫向開裂，縱向下沉，長度、寬度、深度均較大，裂縫處存在明顯錯位差，地表形成臺階多為3級及以上臺階；③滑動型裂縫長度和寬度較大，錯位差為3種類型裂縫中最大，多形成2或3級臺階。該結(jié)果與劉輝等[28]對地表裂縫特征的描述相一致。不同裂縫的形成是由于土層不同運動狀態(tài)所導(dǎo)致，因此裂縫產(chǎn)生時根系受力狀況不同，所以造成根系損傷的程度亦不相同。需進一步加強關(guān)于裂縫形成機理的研究，探究裂縫形成時土層的運動狀態(tài)及此時裂縫處根系的受力狀況，才能更有利于對礦區(qū)植物根系損傷機理的研究。

根系是植物最主要器官之一，它是植物生長中獲取水分和營養(yǎng)物質(zhì)的重要保證。當(dāng)植物根系受到外界脅迫時，整個植株將會受到影響[33]。在本研究中，各坡位小葉楊水平根系主要分布在0—60 cm，且92.88%主要集中在0—40 cm，該研究結(jié)果與劉鑫等[17]關(guān)于小葉楊根系分布特征的研究結(jié)果相同。沉陷區(qū)地表塌陷土層錯位主要拉傷植物水平根系，通過上述研究表明，在觀測裂縫處小葉楊根系損傷狀況時，只需觀測0—60 cm土層內(nèi)的根系即可。根系分布深度直接影響林木擁有地下營養(yǎng)空間大小和對土壤營養(yǎng)及水分利用，從而間接影響到林木地上部分產(chǎn)量高低[31-32]。

因此，建議沉陷區(qū)小葉楊林地的恢復(fù)治理過程中，可主要通過監(jiān)測小葉楊林帶0—60 cm土層內(nèi)的土壤養(yǎng)分和水分特征，來制定相應(yīng)的恢復(fù)措施。同時，通過上述研究發(fā)現(xiàn)，探究沉陷區(qū)植被根系損傷狀況時，必需要先對植物根系在土壤中的分布特征進行調(diào)查研究。目前，關(guān)于采煤沉陷區(qū)不同種類植物根系分布特征的研究較為缺乏，需進一步加強。

蒙仲舉等[10]研究發(fā)現(xiàn)，在采煤沉陷區(qū)隨坡度的增大，塌陷對植物的損傷加重；任何坡位下的裂縫對于細(xì)小根系的損傷都很嚴(yán)重；裂縫的寬度、錯位差、植株距裂縫距離是影響植物根系損傷的主要因素。本研究顯示，小葉楊根系在坡中損傷數(shù)量最多，損傷最為嚴(yán)重，且坡中是3個坡位中坡度最大的，可見坡度越大根系損傷越嚴(yán)重；采煤沉陷區(qū)<2 mm的根系近乎全部扯斷；造成根系損傷的主導(dǎo)因素，根據(jù)相關(guān)性由大到小依次是：裂縫寬、錯位差、根裂距。這與蒙仲舉等[10]的研究結(jié)果一致。本研究表明2～5 mm根系扯斷數(shù)量顯著大于5 mm以上根徑，這與左志言等[34]研究相吻合。李有芳等[11]發(fā)現(xiàn)，檸條、沙棘、沙柳、白沙蒿根系損傷的易損部位均在根系分支處。王博等[35]發(fā)現(xiàn)，沙棘側(cè)根分支處抗折強度越大，木質(zhì)素、纖維素含量越低，棕纖維素含量越高。自然生境下土壤含水量在4.5%～24.5%范圍內(nèi)時，隨含水量增加。沙棘、檸條、紫花苜蓿、楊柴(Hedysarummongolicum)、沙打旺(Astragalusadsurgens)根—土復(fù)合體的抗剪強度呈先增大后減小的趨勢[34]。裂縫處根系損傷程度受自身因素和外部環(huán)境因素綜合影響。外部環(huán)境因素包括：坡位、根系距裂縫距離、裂縫處土壤含水量等；自身因素包括：根徑、根系中的木質(zhì)素和纖維素等含量和根系損傷位置等。

因此，探究根系損傷是非常復(fù)雜的，要加強自然生境下裂縫處各類植物根系損傷程度的研究，要繼續(xù)探索如：裂縫寬和錯位差達到多大時，會導(dǎo)致?lián)p傷中扯斷根的數(shù)量急劇增加；裂縫多寬、錯位差多大才會對植物根系造成損傷等科學(xué)問題的答案。

綜上所述，采煤沉陷區(qū)實地監(jiān)測植物根系損傷狀況的研究鮮有。目前，包括本文僅是對小葉楊和沙柳兩種植物根系損傷特性進行了研究[10]，而對于根系損傷力學(xué)機理[35-36]和采用微生物手段修復(fù)受損根系[37-38]的研究已有突出成果，未來應(yīng)加強對礦區(qū)各類優(yōu)勢植物種根系損傷狀況的實地監(jiān)測研究，將野外根系損傷實際狀況同已有的根系損傷機理和修復(fù)理論研究結(jié)合起來，更好地為礦區(qū)生態(tài)環(huán)境修復(fù)服務(wù)。

4.2 結(jié) 論

(1) 李家塔采煤沉陷區(qū)拉伸型裂縫主要分布在坡頂和坡底，它是裂縫中最短、最窄和最淺的，無明顯錯位差。塌陷型裂縫主要分布在坡頂和坡中，橫向開裂且縱向下沉，地表多呈現(xiàn)3級及以上臺階，是裂縫中數(shù)量最多的?；瑒有土芽p主要分布在坡頂和坡底的滑坡位置，多形成2至3級臺階，錯位差最大，分布數(shù)量介于塌陷型和滑動型裂縫間。

(2) 小葉楊水平根系主要存在于0—60 cm土層內(nèi)，根系數(shù)量隨土層深度加深而逐漸減少，0—10 cm土層根最密占60 cm內(nèi)水平根數(shù)的39.8%～43%，50—60 cm土層根系最稀疏占0.63%～3.71%。

(3) 裂縫中塌陷型裂縫處傷根最多。塌陷型和滑動型裂縫處均存在扯斷、拉出、皮裂和扭曲損傷類型根系，且表現(xiàn)為：扯斷根數(shù)>皮裂根數(shù)>扭曲根數(shù)>拉出根數(shù)。拉伸型裂縫處無拉出損傷根系，各類型傷根數(shù)表現(xiàn)為：皮裂根>扭曲根>扯斷根。

(4) 根系損傷數(shù)量隨著根系徑級增粗呈現(xiàn)逐漸遞減的趨勢。小葉楊<2 mm根徑近乎全部扯斷。根徑<5 mm損傷以扯斷為主，>5 mm以皮裂為主，扯斷次之，且根越粗扯斷越少皮裂越多。當(dāng)根系>11 mm時皮裂根數(shù)急促地增長。

(5) 根裂距越小，根系損傷數(shù)量越多，根裂距<1 m時根系損傷最為嚴(yán)重，占傷根的53.68%。裂縫1 m內(nèi)根系扯斷損傷最多，皮裂次之，然后是扭曲和拉出。75%拉出損傷出現(xiàn)在根裂距<1 m時。

(6) 造成小葉楊根系損傷主導(dǎo)因素，根據(jù)相關(guān)性由大到小排列依次為：裂縫寬、錯位差、根裂距。裂縫越寬，錯位差越大，小葉楊根系損傷越嚴(yán)重，根裂距越遠(yuǎn)，根系損傷越小。