采煤沉陷區(qū)坡向對耕地土壤理化性質的影響研究

摘 要：【目的】地形因素（坡位和坡向）對土壤性質具有深刻的影響，但針對采煤沉陷形成的微地形條件，尤其是坡向對土壤性質的影響研究較少，有必要對其進行研究?！痉椒ā恳越棺骶爬锷降V典型平原型采煤沉陷區(qū)為研究區(qū)，以耕地土壤為研究對象，通過野外調查和室內分析，研究了沉陷區(qū)坡向對土壤理化性質的影響?！窘Y果】結果表明：與陽坡相比，采煤沉陷區(qū)陰坡土壤含水量、電導率、有機質含量、全磷含量和鈉吸附比均相對較高，而土壤pH相對較低；土壤含水量、pH、電導率和全磷含量在不同坡向之間存在顯著差異且上述指標與坡向之間存在極顯著相關性（p<0.01）；坡向對土壤化學指標的影響效應要強于坡位，坡向與坡位對土壤全磷含量的影響具有交互作用?！窘Y論】研究結果可為探明沉陷區(qū)土壤空間異質性的成因及土地的精準復墾提供參考。

關鍵詞：采煤沉陷區(qū)；理化性質；地形條件；坡向

中圖分類號：S153 文獻標志碼：A 文章編號：1003-5168（2024）18-0090-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.18.017

Study on the Influence of Slope Aspect in Coal Mining Subsidence Area on the Physical and Chemical Properties of Cultivated Soil

ZHU Xiwang XIA Ziqing

（Henan zhonggong design & research group Co.， Ltd.， Zhengzhou 450000， China）

Abstracts：[Purposes] Topographic factors （slope position and slope direction） have a profound impact on soil properties. However， there are few studies on the micro-topographic conditions formed by coal mining subsidence， especially the influence of slope direction on soil properties， so it is necessary to study it. [Methods] Taking the typical plain coal mining subsidence area of Jiulishan Mine in Jiaozuo as the research area， the cultivated land soil was taken as the research object. Through field investigation and indoor analysis， the influence of slope direction on soil physical and chemical properties in subsidence area was studied. [Findings] The results showed that compared with the sunny slope， the soil water content， electrical conductivity， organic matter content， total phosphorus content and sodium adsorption ratio of the shady slope in the coal mining subsidence area were relatively higher， while the soil pH was relatively lower. There were significant differences in soil water content， pH， electrical conductivity and total phosphorus content among different slope directions， and there was a significant correlation between the above indexes and slope direction （p<0.01）. The effect of slope aspect on soil chemical indexes was stronger than that of slope position， and the effect of slope aspect and slope position on soil total phosphorus content had interaction.[Conclusions] The research results can provide a reference for exploring the causes of soil spatial heterogeneity in subsidence areas and the precise reclamation of land.

Keywords：coal mining subsidence area; physical and chemical properties; topographical conditions; slope aspect

0 引言

我國是世界上煤炭生產量最大的國家，其中95%以上的煤炭產量來自井工開采［1］。這種開采方式會形成大面積的地下采空區(qū)，不可避免地導致地面沉降，從而引發(fā)一系列的生態(tài)環(huán)境問題，如土壤侵蝕和土壤退化、地形條件和水文過程的改變、土地生產力的下降、植物生長的限制等。我國大部分井工開采的煤礦位于耕地、林地下方，在一些煤炭主要生產省，含煤區(qū)與耕地分布復合區(qū)域面積占我國耕地總量的40%以上，其中煤炭保有資源與耕地復合面積超過了耕地總面積的10%［2］。因此，煤炭開采導致的地表沉陷造成的耕地土壤結構破壞和土壤退化，嚴重影響作物產量，對農業(yè)經濟造成的損失不可忽視。

地形條件（坡位、坡向和坡度等）是某些生態(tài)過程發(fā)生的基本組成要素，也是氣象、環(huán)境等因子具有時空異質性的重要因素，能夠顯著影響著土壤水流、土壤碳氮的轉化、土壤團聚體和作物生產力等。坡向是關鍵地形因子，會引起光照、溫度、降雨量、風速等因子的改變，進而導致土壤物理、化學和微生物性質的差異。張凱等［3］通過對黃土高原北部水蝕風蝕交錯帶的研究發(fā)現(xiàn)，坡向對0～20 cm土壤有機碳、全氮含量和0～60 cm土壤碳氮比均有顯著影響。

煤炭開采造成的地表沉陷嚴重改變了地表的地形條件，影響了沉陷區(qū)耕地土壤性質的分布特征，進而降低了耕地的生產力，甚至影響糧食安全。吳志遠等［4］研究發(fā)現(xiàn)，采煤沉陷提高了沉降中心的土壤水分含量，而在沉陷盆地邊緣由于存在永久不能閉合的階梯形裂縫，使土壤水分降低。杜濤等［5］研究指出，采煤沉陷區(qū)地表裂縫出現(xiàn)后，土壤含水量等理化性質和根系分泌物的變化造成油蒿根際微環(huán)境的改變，進而引起油蒿根際微生物數(shù)量和酶活性的適應性變化。卞正富［6］研究發(fā)現(xiàn)，采煤沉陷區(qū)中下坡位置土壤含水率明顯升高，總孔隙度在下坡處明顯變小，而土壤養(yǎng)分指標上坡位置普遍低于對照田，下坡位置要高于對照田。上述有關采煤沉陷區(qū)微地形條件對土壤性質的影響研究主要集中在坡位、裂縫等條件的影響方面，而對沉陷區(qū)坡向的影響研究則鮮見報道，這對精準指導沉陷區(qū)的土地復墾和生態(tài)恢復是不足的。因此，本研究聚焦于采煤沉陷區(qū)的地形條件，以耕地土壤為研究對象，通過野外調查和室內分析，研究坡向對土壤理化性質的影響，為沉陷區(qū)土地的精準復墾提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

焦作九里山礦隸屬河南煤業(yè)化工集團焦作煤業(yè)（集團）有限公司，位于焦作市東北18 km（39.34 °N，113.42 °E），海拔為97 m，屬太行山山前平原沖洪積扇的邊緣地帶，總體地形平坦，地面坡度3‰ ～8‰。礦區(qū)年均氣溫為14.2 ℃，降水量為578 mm，蒸發(fā)量為993 mm，年均日照時數(shù)為2 062 h，光熱資源豐富，是全國糧食高產區(qū)之一。礦區(qū)主要土地利用類型如下：耕地占比78.2%，以冬小麥-夏玉米（大豆或花生）作為主作物；建筑道路工礦用地占比19.5%；林地占比2.3%，以速生楊為主。土壤主要為石灰性褐土，質地為壤土—黏壤土，母質是第四系砂礫石，土體深厚（13～45 m）。礦區(qū)自1983年開采以來，形成的沉陷區(qū)總面積為540 hm2，呈NE—SW走向，地表平均坡度為2.22°，沉陷深度多在1.2～4.3 m，最大深度為8.2 m，是典型的平原型采煤沉陷坑。

1.2 樣品采集和分析

本研究選取典型沉陷區(qū)為研究區(qū)，選擇2個具有不同沉陷坡向（南坡為陽坡、北坡為陰坡）的坡面，在每個坡面上，自沉陷邊緣至沉陷中心設置5個采樣點，每個采樣點的間隔距離為40 m。采樣點位置和布設方案如圖1所示。

在每個采樣點，按照梅花形布點法采取5個重復采集，采集深度為0～20 cm、20～40 cm和40～60 cm。樣品采集后，用保鮮袋密封和記錄編號，帶回實驗室后，在室內進行自然風干、研磨和過2 mm篩，以供土壤物理和化學指標分析。采用烘干法、比重計法、重鉻酸鉀-稀釋熱法、NaOH熔融-鉬銻抗比色法、pH計、電導率儀、離子色譜法分別測定含水量、土壤質地、有機質、全磷、pH、電導率、Ca2+、Mg2+、Na+。鈉吸附比（SAR）計算公式為式（1）。

[SAR=CNaCCa+CMg2] （1）

式中：C表示陽離子的物質的量濃度，mmol/L。

1.3 數(shù)據(jù)處理

描述性統(tǒng)計（Descriptive statistics）用來分析研究區(qū)土壤性質的均值、標準差和變異系數(shù)等統(tǒng)計特征值。T-test用來比較不同坡向土壤理化性質的差異性，相關性分析（Correlation analysis）用來分析土壤性質與坡向之間的相關關系。上述統(tǒng)計分析均采用SPSS軟件處理。

2 結果分析

2.1 沉陷區(qū)不同坡向下土壤物理特征

沉陷區(qū)不同坡向下土壤的物理性質如圖2至圖4所示。

由圖2可知，陰坡土壤含水量在40～60 cm層位上最大，在0～20 cm層位上最低；而陽坡土壤含水量在0～20 cm層位上最大，在20～40 cm層位上最低。與陽坡相比，陰坡0～20 cm、20～40 cm和40～60 cm層位的土壤含水量比同一層位的土壤含水量分別高了11%、35%和33%。由圖3可知，陰坡土壤粉粒在20～40 cm層位上最大，在40～60 cm層位上最低；而陽坡土壤粉粒在0～20 cm層位上最大，在40～60 cm層位上最低。由圖4可知，在0～20 cm和40～60 cm層位上，陰坡的土壤黏粒含量比陽坡同一層位高了32%和28%。T-test分析結果表明，20～40 cm和40～60 cm土壤含水量和黏粒含量在陰坡和陽坡之間存在顯著性差異（p<0.05）。

在不同坡位上，沉陷區(qū)土壤含水量、粉粒含量和黏粒含量無明顯的變化規(guī)律。與陽坡相比，5個坡位（坡頂、上坡、中坡、下坡、坡底）陰坡的土壤含水量比同一坡位的土壤含水量分別高了20%、26%、55%、17%和19%。在中坡、下坡和坡底處，陰坡粉粒含量比陽坡同一坡位分別低了17%、10%和17%，而在坡頂和上坡處，陰坡粉粒含量比陽坡同一坡位分別高了15%和12%。在中坡、下坡和坡底處，陰坡黏粒含量比陽坡同一坡位分別低了11%、14%和44%，而在坡頂和上坡處，陰坡粉粒含量比陽坡同一坡位分別高了7%和6%。中坡坡位土壤含水量、粉粒含量在陰坡和陽坡之間存在顯著性差異。

2.2 沉陷區(qū)不同坡向的土壤化學特征

沉陷區(qū)不同坡向下土壤的化學性質如圖5至圖9所示。由圖5至圖9可知，沉陷區(qū)土壤電導率、有機質、全磷、pH和鈉吸附比在層位上無明顯的變化規(guī)律。在層位上，與陽坡相比，陰坡三個層位（0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm）的土壤電導率分別高了137%、161%和116%。陰坡0～20 cm層位和40～60 cm層位的土壤有機質含量較陽坡同一層位分別高13%和24%。陰坡3個層位的全磷含量比陽坡同一層位分別高了47%、34%和56%。陰坡3個層位的pH比陽坡同一層位分別降低了14%、14%和12%。陰坡三個層位的鈉吸附比較陽坡同一層位分別提高2%、11%和73%。T-test分析結果表明，在3個層位上，土壤電導率、pH在不同坡向之間均存在顯著性差異（p<0.05）；在40～60 cm層位上，土壤有機質含量、鈉吸附比在不同坡向之間均存在顯著性差異；在0～20 cm和40～60 cm層位上，土壤全磷含量在不同坡向之間均存在顯著性差異。

陰坡5個坡位（坡頂、上坡、中坡、下坡、坡底）的土壤電導率較陽坡同一坡位的電導率分別高了76%、127%、156%、170%和193%。陰坡5個坡位的有機質含量較陽坡同一坡位分別高了19%、12%、12%、2%和9%；陰坡坡頂、上坡、中坡和坡底處的全磷含量較陽坡同一坡位分別高了53%、47%、117%和38%。陰坡5個坡位的土壤pH比同一坡位分別低了10%、14%、11%、16%和15%。陰坡坡頂和上坡處的鈉吸附比較同一坡位分別低了13%和25%，而坡中、下坡和坡底較同一坡位分別高了117%、139%和38%。T-test分析結果表明，在5個坡位上，土壤電導率、pH在不同坡向之間均存在顯著性差異；除下坡外，其他坡位處的全磷含量在不同坡向之間均存在顯著性差異；在中坡、下坡、坡底上，土壤鈉吸附比在不同坡向之間均存在顯著性差異。

3 討論

采煤沉陷區(qū)土壤理化性質與坡向之間的相關系數(shù)見表1。由表1可知，沉陷區(qū)土壤含水量、電導率、全磷含量、pH與坡向之間存在極顯著相關性（p<0.01）。翟朝陽等［7］研究發(fā)現(xiàn)，坡向與土壤含水量之間存在極顯著相關性。金立群等［8］通過對高寒礦區(qū)排土場不同坡向的土壤性質進行研究，發(fā)現(xiàn)在排土場不同坡向的立地條件下，表層土壤的全磷、含水量與坡向之間表現(xiàn)出顯著相關性。上述研究與本研究結果是相似的。此外，本研究發(fā)現(xiàn)，沉陷區(qū)土壤含水量、電導率、全磷含量、pH在不同的坡向上具有顯著的差異性（p<0.05），這意味著采煤沉陷的地形因素（坡向）顯著影響著土壤水分、鹽分、營養(yǎng)元素和酸堿度的分布特征。分析其原因應為，坡向作為關鍵地形因子之一，會引起光照、溫度、風速等因子在采煤沉陷地不同坡向上的差異，進而會引起土壤理化性質的差異。綜上，坡向顯著影響了沉陷區(qū)土壤理化性質的空間分布。

本研究發(fā)現(xiàn)，坡位對土壤含水量和粉粒含量有顯著的影響，而坡向對土壤含水量、電導率、全磷和pH有顯著的影響（見表2）?？梢姡孪驅Τ料輩^(qū)土壤化學性質的影響效應強于坡位。王寶榮等［9］通過對黃土丘陵區(qū)不同地形特征對土壤養(yǎng)分的影響研究發(fā)現(xiàn)，坡向對表層（0～10 cm）土壤的碳、氮、磷的影響效應強于坡位。這與本研究結果存在一定的相似性。此外，本研究發(fā)現(xiàn)，坡向和坡位的交互作用對土壤全磷含量有顯著的影響（見表2）。袁勇等［10］通過對納板河自然保護區(qū)季風常綠闊葉林不同坡向和坡位的土壤養(yǎng)分的影響研究發(fā)現(xiàn)，坡向和坡位的交互作用顯著影響著土壤pH。汝海麗等［11］通過對黃土丘陵區(qū)紙坊溝流域坡位和坡向對土壤養(yǎng)分和水分含量的方差分析研究發(fā)現(xiàn)，坡向和坡位的交互作用對土壤有效磷有顯著的影響。上述研究均指向地形因素，如坡向和坡位，對土壤理化性質的影響具有交互作用。這意味著煤炭開采引起的地表沉陷，在進行土地復墾和生態(tài)恢復的過程中，不能僅從坡位角度入手，根據(jù)坡頂、坡中和坡底的地理條件和實際情況來進行土地恢復，還要重點考慮坡向這個因素。

4 結論

①與陽坡相比，采煤沉陷區(qū)陰坡土壤含水量、電導率、有機質含量、全磷含量和鈉吸附比均相對較高，而土壤pH相對較低。

②土壤含水量、pH、電導率和全磷含量在不同坡向之間存在顯著性差異，且上述指標與坡向之間存在極顯著相關性（p<0.01）。

③坡向對土壤化學指標的影響效應要強于坡位，坡向與坡位對土壤全磷含量的影響具有交互作用。

④上述特征反映了沉陷地的坡向因素對土壤水分、酸堿度、鹽分和營養(yǎng)元素產生了深刻的影響。

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