黃土沉陷坡面土壤機(jī)械組成的空間變化特征及對(duì)土壤侵蝕的影響

楊軍嚴(yán)，王 藝，張龍宇，宋世杰，張 勇，陳謙亮，鄭貝貝，彭芮思

(1.陜西省水利廳，陜西 西安 710004；2. 西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054；3. 西安理工大學(xué)，陜西 西安 710048；4. 陜西省水利發(fā)展調(diào)查與引漢濟(jì)渭工程協(xié)調(diào)中心，陜西 西安 710000；5.山西水務(wù)集團(tuán)建設(shè)投資有限公司，山西 太原 030108)

1 引言

陜北煤礦區(qū)因其資源儲(chǔ)量大、煤炭品質(zhì)好、生產(chǎn)規(guī)模大等優(yōu)勢(shì)，在黃河中游煤炭生產(chǎn)區(qū)占據(jù)了重要地位[1，2]。黃河流域也被稱(chēng)為“能源流域”，其煤炭資源查明儲(chǔ)量占全國(guó)的60%以上[3，4]。然而大規(guī)模煤炭開(kāi)采活動(dòng)對(duì)礦區(qū)周邊地表植被和土壤造成破壞，導(dǎo)致開(kāi)采沉陷等地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題的出現(xiàn)[5]。土壤機(jī)械組成是研究土壤各種理化行為的基礎(chǔ)，對(duì)土壤的肥力、水分、熱量及土壤結(jié)構(gòu)等都有一定的影響[6～8]。開(kāi)采沉陷通過(guò)影響土壤機(jī)械組成結(jié)構(gòu)比例的變化，進(jìn)而影響土壤可蝕性，改變土壤潛在侵蝕能力，造成土壤侵蝕、水土流失等生態(tài)環(huán)境問(wèn)題的出現(xiàn)。土壤可蝕性作為研究水土流失的重要指標(biāo)，研究采礦區(qū)開(kāi)采沉陷對(duì)土壤可蝕性的影響有利于煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)[9～10]。因此，以黃河中游煤礦區(qū)陜北張家岇礦區(qū)井田為研究對(duì)象，以土壤可蝕性為抓手，通過(guò)分析土壤機(jī)械組成的空間變化特征及對(duì)土壤侵蝕的影響，為陜北黃河流域采煤沉陷區(qū)水土保持與生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作提供理論基礎(chǔ)。

2 研究區(qū)概況

選擇陜西省榆林市張家峁井田作為研究區(qū)域，位于陜西省榆林市神木縣北部。區(qū)域氣候?qū)贉貛О敫珊荡箨懶詺夂颍骄鶜鉁貫?.5 ℃，平均降水量為436.7 mm，多集中于7、8、9月份。研究區(qū)除西南角外均為黃土溝壑地貌，地表侵蝕強(qiáng)烈。井田全區(qū)主采煤層為3-1煤層，屬薄基巖淺埋煤層，在長(zhǎng)壁綜采開(kāi)采方式下開(kāi)采沉陷發(fā)育明顯，地表下沉系數(shù)約為0.7[11，12]。

3 材料與方法

3.1 樣品采集與處理

選擇研究區(qū)3處相似的沉陷穩(wěn)定的典型黃土坡面，在坡頂、坡中和坡腳的3個(gè)部位分別隨機(jī)布設(shè)3個(gè)1 m×1 m的采樣方，使用“五點(diǎn)法”采集0～10、10～20、20～40、40～60 cm共4個(gè)不同土層深度的土壤；混合不同坡面部位、相同土層深度的黃土沉陷區(qū)的土壤，裝入純棉布袋；同區(qū)域未沉陷區(qū)相似的黃土坡面為對(duì)照組，按同樣的方式采集樣品。土壤機(jī)械組成測(cè)定使用MS2000激光粒度儀，采用激光衍射法進(jìn)行測(cè)定，每組數(shù)據(jù)平行測(cè)定3次。

3.2 數(shù)據(jù)處理

使用SPSS21.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理分析，采用Origin2021軟件繪制圖件。

4 結(jié)果與分析

根據(jù)檢測(cè)結(jié)果繪制了不同部位及土層深度下土壤機(jī)械組成中砂粒、粉粒及黏粒的含量情況，陜北煤礦區(qū)黃土沉陷坡面不同部位及土層深度的土壤機(jī)械組成對(duì)比如圖1所示。

圖1 陜北煤礦區(qū)黃土沉陷坡面不同部位及土層深度的土壤機(jī)械組成對(duì)比

4.1 黃土沉陷坡面土壤機(jī)械組成中砂粒的空間變化規(guī)律

(1)黃土沉陷坡面土壤砂粒含量在不同土層垂直深度上有明顯差異，坡頂10～20 cm土壤砂粒含量最高，為32.5%，是0～10 cm土壤砂粒含量的1.3倍，是20～40 cm土壤砂粒含量的1.2倍；坡中0～10 cm和10～20 cm土壤砂粒含量分別為34.39%和34.41%，是40～60 cm土壤砂粒含量的1.2倍。對(duì)于坡頂和坡中，土壤砂粒主要集中在10～20 cm土層土壤中；對(duì)于坡中和坡腳，黃土沉陷坡面土壤砂粒含量均呈現(xiàn)隨土層深度增加而逐漸降低的變化趨勢(shì)。

(2)黃土沉陷坡面土壤砂粒含量在不同部位上存在明顯差異。坡中0～10 cm土壤砂粒含量為34.39%，為坡頂和坡腳的1.3倍；坡中10～20 cm和20～40 cm土壤砂粒含量分別為34.41%和31.30%，依次為坡腳的1.4倍和1.3倍；坡頂和坡中40～60 cm土壤砂粒含量分別為28.77%和28.42%，均為坡腳的1.2倍。由此可見(jiàn)，在由坡頂向坡中再向坡腳轉(zhuǎn)換過(guò)程中，土層深度0～40 cm土壤砂粒的含量呈先增加后降低的變化趨勢(shì)，且砂粒主要集中集中在坡中部位；土層深度40～60 cm土壤砂粒主要集中在坡頂和坡中部位。

(3)與對(duì)照組相比較，除坡頂0～10 cm土層及坡腳10～40 cm土層外，黃土沉陷坡面土壤砂粒含量均有所增加。從不同土層深度角度看，3個(gè)坡面部位的各層土壤砂粒含量增加率大小排序?yàn)?0～20 cm土層(28.7%)>40～60 cm土層(18.8%)>20～40 cm土層(17.8%)>0～10 cm土層(8.07%)；從不同坡面部位角度看，垂直深度0～60 cm以?xún)?nèi)的不同坡面部位土壤砂粒含量增加率大小排序?yàn)槠轮?46.0%)>坡頂(16.6%)>坡腳(-4.5%)。由此可見(jiàn)，開(kāi)采沉陷造成了坡頂10～60 cm土層、坡中0～60 cm土層、坡腳0～10 cm和40～60 cm土層土壤砂粒含量增加。其中以坡中10～60 cm土層土壤砂粒含量的增加程度最顯著。

4.2 黃土沉陷坡面土壤機(jī)械組成中粉粒的空間變化規(guī)律

(1)黃土沉陷坡面任何部位和任何土層垂直深度的土壤粉粒含量均差異不明顯。從不同土層垂直深度角度看，坡頂0～10 cm土壤粉粒含量最高為65.67%， 10～20 cm土壤粉粒含量最低，前者僅為后者的1.1倍；坡中40～60 cm土壤粉粒含量最高為64.02%，10～20 cm土壤粉粒含量最低為59.09%，前者僅為后者的1.1倍；坡腳10～20 cm土壤粉粒含量為66.97%，與其他各層土壤粉粒含量相當(dāng)。從不同坡面部位角度看，坡腳土層深度0～10 cm土壤粉粒含量為65.96%，僅為坡中的1.1倍，且與坡頂相差不明顯；坡腳土層深度10～20 cm土壤粉砂含量為66.97%，僅為坡頂及坡中的1.1倍；坡腳土層深度20～40 cm土壤粉砂含量為65.20%，與坡頂和坡中相差不明顯；坡腳40～60 cm土壤粉粒含量為68.40%，為坡頂和坡中的1.1倍。由此可見(jiàn)，黃土沉陷坡面各個(gè)部位土壤粉粒含量在各土層垂直深度上分布較均勻。

(2)與對(duì)照組相比，除坡頂0～10 cm土層及坡腳10～20 cm土層外，黃土沉陷坡面土壤粉粒含量均有所下降。從不同土層深度角度看，3個(gè)坡面部位的各層土壤粉粒下降率大小排序?yàn)?0～20 cm(7.8%)>20～40 cm(5.8%)>40～60 cm(5.5%)>0～10 cm(2.0%)；從不同坡面部位角度看，垂直深度0～60 cm以?xún)?nèi)的不同坡面部位土壤粉粒含量下降率從大到小排序?yàn)槠轮?11.0%)>坡頂(5.6%)>坡腳(-1.0%)。由此可見(jiàn)，開(kāi)采沉陷造成了坡頂10～60 cm土層、坡中0～60 cm土層、坡腳0～10 cm土層和20～60 cm土層土壤粉粒含量的下降。其中以坡中10～60 cm土層土壤粉粒含量的下降程度最顯著。

4.3 黃土沉陷坡面土壤機(jī)械組成中黏粒的空間變化規(guī)律

(1)黃土沉陷坡面土壤黏粒含量在不同土層垂直深度上存在明顯差異，坡頂20～40 cm土壤黏粒含量最高，為9.29%，10～20 cm土壤黏粒含量最低，為7.88%，前者是后者的1.2倍；坡中40～60 cm土壤黏粒含量為7.56%，是0～10 cm土壤的1.3倍；坡腳20～40 cm土壤黏粒含量最高，為10.54%， 0～10 cm土壤黏粒含量為7.81%，前者是后者的1.3倍。對(duì)于坡頂和坡腳，土壤黏粒主要集中在20～40 cm土層土壤中；對(duì)于坡中，黃土沉陷坡面土壤黏粒含量均呈現(xiàn)隨土層深度增加而逐漸增大的變化趨勢(shì)，黏粒含量主要集中在40～60 cm土層土壤中。

(2)黃土沉陷坡面土壤黏粒含量在不同部位上存在明顯差異。坡頂0～10 cm土壤黏粒含量為8.59%，為坡中1.5倍和坡腳的1.1倍；坡腳10～20 cm土壤黏粒含量為8.39%，分別為坡頂、坡中的1.1倍和1.3倍；坡腳20～40 cm土壤黏粒含量為10.54%，為坡頂?shù)?.1倍和坡中的1.6倍；坡腳40～60 cm土壤黏粒含量為8.20%，為坡中的1.1倍。由此可見(jiàn)，在由坡頂向坡中再像坡腳轉(zhuǎn)換過(guò)程中，0～60 cm土層深度土壤黏粒的含量呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢(shì)。土層深度0～10 cm土壤黏粒主要集中在坡頂部位；土層深度20～40 cm土壤黏粒主要集中在坡腳部位。

(3)與對(duì)照組相比較，除坡頂0～10 cm土層和20～40 cm土層、坡腳10～60 cm土層外，黃土沉陷坡面土壤黏粒含量均有所下降。從不同土層深度角度看，各個(gè)坡面部位的各層土壤黏粒下降率大小排序?yàn)?0～20 cm(17.0%)>0～10 cm(10.6%)>40～60 cm(5.5%)>20～40 cm(2.4%)；從不同坡面部位角度看，垂直深度0～60 cm以?xún)?nèi)的不同坡面部位土壤黏粒含量下降率大小排序?yàn)槠轮?27.4%)>坡頂(4.0%)>坡腳(-6.3%)。由此可見(jiàn)，開(kāi)采沉陷造成了坡頂10～20 cm土層和40～60 cm土層、坡中0～60 cm土層、坡腳0～10 cm土層土壤黏粒含量下降。其中以坡中0～20 cm土層土壤黏粒含量下降程度最顯著。

4.4 土壤機(jī)械組成的總體空間變化規(guī)律及土壤侵蝕的影響

(1)黃土沉陷全坡面0～60 cm土層深度土壤粉粒、砂粒、黏粒含量依次為59.09%～68.40%、23.40%～34.39%和5.89%～10.54%；平均值分別為63.59%、28.44%和7.97%。自然黃土全坡面0～60 cm土層深度土壤粉粒、砂粒、黏粒含量依次為60.93%～72.62%、17.31%～31.47%和7.60%～10.07%；平均值分別為67.15%、24.10%和8.75%。由此可以看出，黃土沉陷坡面同自然坡面坡頂、坡中、坡腳部位粉粒含量均較高，其次是砂粒和黏粒。隨著土層垂直深度的增加，土壤中砂粒、粉粒和黏粒的含量有所波動(dòng)，但總體趨勢(shì)不變。

(2)與對(duì)照組相比，煤炭開(kāi)采沉陷區(qū)黃土坡面土壤砂粒的含量有所增加，而粉粒和黏粒的含量有所下降。有研究表明，土壤黏粒是土壤團(tuán)聚體形成的關(guān)鍵成分，顆粒越細(xì)小，越易粘結(jié)，在一定程度上使土壤形成團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，而團(tuán)粒具有的多級(jí)孔性，使蓄水、透水、通氣同時(shí)進(jìn)行，從而提高土壤質(zhì)量[13～16]。由此可知，開(kāi)采導(dǎo)致土壤機(jī)械組成結(jié)構(gòu)比例改變，增大土壤可蝕性，加劇了采礦區(qū)土壤侵蝕與水土流失等生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。

5 結(jié)論

(1)陜北煤礦區(qū)黃土沉陷坡面土壤砂粒和黏粒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；土壤粉粒含量在不同坡面部位和土層垂直深度上的差異不顯著。

(2)開(kāi)采沉陷導(dǎo)致陜北采煤沉陷區(qū)黃土坡面土壤砂粒含量的增加、砂粒和黏粒含量的減少，增加了土壤可蝕性，進(jìn)而加劇了水土流失和土壤侵蝕。從土壤機(jī)械組成改良修復(fù)角度講，黃土沉陷坡面坡中10～60 cm土壤應(yīng)以作為砂粒、粉粒占比的重點(diǎn)改良修復(fù)部位，坡中0～20 cm土壤應(yīng)作為黏粒占比的重點(diǎn)改良修復(fù)部位。