陜北礦區(qū)黃土沉陷坡面土壤有機(jī)質(zhì)的時空變化特征及對土壤侵蝕的影響

張 勇，左 靖,，李國棟，宋世杰，王 藝，彭芮思，鄭貝貝

（1.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 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.山西水務(wù)集團(tuán)建設(shè)投資有限公司,山西 太原 030108；4.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；5.西安科技大學(xué)煤炭綠色開采地質(zhì)研究院,陜西 西安 710054）

陜北作為黃河流域中游重要的煤炭生產(chǎn)基地,在向全國輸送優(yōu)質(zhì)煤炭的同時,也造成了區(qū)域脆弱生態(tài)環(huán)境的嚴(yán)重?fù)p害[1]。由于大規(guī)模煤炭開采,產(chǎn)生大量開采沉陷等地質(zhì)環(huán)境問題,加劇了區(qū)域水土流失,降低了土壤質(zhì)量和土壤抗侵蝕能力,造成生態(tài)環(huán)境脆弱[2-3]。雖然開采沉陷及其衍生的生態(tài)環(huán)境損害復(fù)雜多樣,但土壤質(zhì)量損傷是生態(tài)環(huán)境負(fù)效應(yīng)的關(guān)鍵形式之一。有機(jī)質(zhì)含量是表征土壤質(zhì)量的核心指標(biāo)之一,且極大地制約著地表植被的生長狀況和修復(fù)方式[4]。已有研究表明,煤炭開采必然影響到土壤可蝕性和水土流失強(qiáng)度[5-8]。

選取陜北張家峁礦區(qū)作為研究對象,研究陜北煤礦區(qū)沉陷區(qū)和自然狀態(tài)下黃土坡面土壤有機(jī)質(zhì)的空間變化特征,為沉陷區(qū)生態(tài)修復(fù)與水土保持工作提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

陜西神木市張家峁礦區(qū)屬典型中溫帶半干旱大陸性氣候。井田西部為風(fēng)沙灘地區(qū),其余地區(qū)為黃土溝壑地貌,地形破碎,植被種類少,水土流失嚴(yán)重。井田全區(qū)主采煤層為3-1 煤層、埋深在0～108 m、平均厚度為2.84 m,在長壁綜采開采方式下開采沉陷發(fā)育明顯,地表下沉系數(shù)約為0.7[4]。

2 材料與方法

2.1 布點采樣

研究區(qū)內(nèi)選擇沉陷年限分別為1～2 年、5～6 年、7～8 年的黃土坡面作為實驗組,在坡頂、坡中和坡腳3 個部位隨機(jī)布設(shè)3 個1 m×1 m 的樣方,在每個樣方中采用“五點法”分別采集0 cm～10 cm、10 cm～20 cm、20 cm～40 cm、40 cm～60 cm 土層深度的土壤樣品各1kg；同時將同區(qū)域未沉陷且形態(tài)相似的黃土坡面作為對照組,按相同方法采集土壤樣品。實驗組與對照組共采集樣品48 個。

2.2 樣品檢測

土壤樣品在室內(nèi)經(jīng)過自然風(fēng)干、去除砂石、植物殘枝和雜質(zhì)、研磨過篩等預(yù)處理后,使用總有機(jī)碳分析儀,采用燃燒氧化-非分散紅外吸收法測定有機(jī)質(zhì)含量,平行測定3 次,取算數(shù)平均值作為最終值。

2.3 數(shù)據(jù)處理

實驗數(shù)據(jù)采用SPSS 21.0 軟件進(jìn)行整理分析,通過Origin 9.1 軟件繪制相關(guān)圖件。

3 結(jié)果與分析

3.1 結(jié)果

陜北煤礦區(qū)其不同沉陷年限所采集的土壤樣品有機(jī)質(zhì)含量測定結(jié)果見表1。

表1 陜北煤礦區(qū)不同沉陷年限土壤有機(jī)質(zhì)含量測定結(jié)果

3.2 分析

陜北煤礦區(qū)黃土沉陷坡面土壤有機(jī)質(zhì)含量變化對比見圖1～圖3。

圖1 陜北煤礦區(qū)黃土坡面沉陷1 年～2 年土壤有機(jī)質(zhì)對比

圖2 陜北煤礦區(qū)黃土坡面沉陷5 年～6 年土壤有機(jī)質(zhì)對比

圖3 陜北煤礦區(qū)黃土坡面沉陷7 年～8 年土壤有機(jī)質(zhì)對比

3.2.1 黃土坡面沉陷1 年～年土壤有機(jī)質(zhì)的空間變化規(guī)律由圖1 可知：

（1）坡頂和坡中土壤有機(jī)質(zhì)含量呈現(xiàn)隨土層深度增加而逐漸減小的趨勢,坡頂0～10 cm 土壤有機(jī)質(zhì)含量是40 cm～60 cm 的4.5 倍；坡中0～10 cm 土壤有機(jī)質(zhì)含量是40 cm～60 cm的5.7 倍。坡腳有機(jī)質(zhì)含量隨土層深度增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,坡腳10 cm～20 cm 土壤有機(jī)質(zhì)含量分別是0～10 cm、40 cm～60 cm 的1.6 倍和1.4 倍。

（2）對比三個坡面部位有機(jī)質(zhì)含量：坡中0～10 cm 土壤有機(jī)質(zhì)含量是坡頂、坡腳的1.3 倍和2.1 倍,坡中10 cm～20 cm 土壤有機(jī)質(zhì)含量是坡頂、坡腳的1.5 倍和1.2 倍,即在0～20 cm 處,坡中的有機(jī)質(zhì)含量最為集中；20～40 cm 坡頂、坡中及坡腳土壤有機(jī)質(zhì)含量變化差異不明顯,均在0.72 g/kg～0.88 g/kg 范圍內(nèi)浮動；坡腳40 cm～60 cm 土壤有機(jī)質(zhì)含量是坡頂、坡中的3.1 倍和3.0 倍,即在40 cm～60 cm 處,坡腳的有機(jī)質(zhì)含量最為集中。

（3）與對照組相比,從不同坡面部位看,垂直深度為0～60 cm 以內(nèi)的不同坡面部位土壤有機(jī)質(zhì)平均損失率由大到小的排序為坡頂（57.8%）>坡中（30.5%）>坡腳（8.3%）。從不同土層深度看,三個坡面部位的各層土壤有機(jī)質(zhì)平均損失率由大到小的排序為40 cm>60 cm（41.9%）>20 cm～40 cm（34.1%）>10 cm>20 cm（25.1%）>0>10 cm（22.2%）。

（4）對于沉陷1 年～2 年,坡頂土壤有機(jī)質(zhì)平均損失率最大,土壤有機(jī)質(zhì)含量減少的越多。土壤有機(jī)質(zhì)的減少意味著微生物生存載體的減少[7],土壤養(yǎng)分降低,土壤可蝕性K 值增大,土壤的抗侵蝕能力越小[8]。因此,沉陷1 年～2 年的坡頂土壤潛在侵蝕風(fēng)險較坡中和坡腳更大。

3.2.2 黃土坡面沉陷5～6 年土壤有機(jī)質(zhì)的空間變化規(guī)律

由圖2 可知：

（1）坡頂和坡中土壤有機(jī)質(zhì)含量隨土層深度增加均呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。在0～40 cm 范圍內(nèi),坡頂和坡中的土壤有機(jī)質(zhì)含量隨土層深度增加而逐漸減小,坡頂0～10 cm 土壤有機(jī)質(zhì)含量是20 cm～40 cm 的3.0 倍；坡中0～10 cm 土壤有機(jī)質(zhì)含量是20 cm～40 cm 的2.3 倍。在40 cm～60 cm 范圍內(nèi),坡頂和坡中的土壤有機(jī)質(zhì)含量反而增大。坡腳有機(jī)質(zhì)含量隨土層深度增加而呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,坡腳10 cm～20 cm土壤有機(jī)質(zhì)含量分別是0～10 cm、40 cm～60 cm 的1.6 倍和1.7倍。

（2）對比三個坡面部位有機(jī)質(zhì)含量：坡頂0～10 cm 的土壤有機(jī)質(zhì)含量是坡中、坡腳的2.5 倍和2.3 倍,坡頂10 cm～20 cm的土壤有機(jī)質(zhì)含量是坡中、坡腳的1.9 倍和1.1 倍,即在0～20 cm 處,坡頂?shù)挠袡C(jī)質(zhì)含量最為集中；坡腳20 cm～40 cm 土壤有機(jī)質(zhì)含量是坡頂、坡中的1.8倍和3.4倍,即在20 cm～40 cm處,坡腳的有機(jī)質(zhì)含量最為集中；坡中40 cm～60 cm 土壤有機(jī)質(zhì)含量是坡頂、坡腳的1.5 倍和1.6 倍,即在40 cm～60 cm 處,坡中的有機(jī)質(zhì)含量最為集中。

（3）與對照組相比,從不同坡面部位看,垂直深度為0～60cm 以內(nèi)的不同坡面部位土壤有機(jī)質(zhì)平均損失率由大到小的排序為坡中（67.1%）>坡頂（41.3%）>坡腳（6.5%）。從不同土層深度看,三個坡面部位的各層土壤有機(jī)質(zhì)平均損失率由大到小的排序為20 cm～40 cm（52.5%）>10 cm～20 cm（37.4%）>0～10 cm（29.5%）>40 cm～60 cm（6.9%）。

（4）對于沉陷5 年～6 年,坡中土壤有機(jī)質(zhì)平均損失率最大。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[5]。坡頂土壤有機(jī)質(zhì)含量減少,不利于形成良好的土壤團(tuán)聚體,土壤可蝕性K 值會增大,坡中土壤更容易受到侵蝕。

3.2.3 黃土坡面沉陷7～8 年土壤有機(jī)質(zhì)的空間變化規(guī)律

由圖3 可知：

（1）坡頂和坡中土壤有機(jī)質(zhì)含量均呈現(xiàn)隨土層深度增加而逐漸減小的趨勢,坡頂0～10 cm 土壤有機(jī)質(zhì)含量是40 cm～60 cm 的1.9 倍；坡中0～10 cm 土壤有機(jī)質(zhì)含量是40 cm～60 cm 的3.5 倍。坡腳有機(jī)質(zhì)含量隨土層深度增加而呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,坡腳10 cm～20 cm 土壤有機(jī)質(zhì)含量分別是0～10 cm、40 cm～60 cm 的1.8 倍和2.1 倍。

（2）對比三個坡面部位有機(jī)質(zhì)含量：坡中0～10 cm 土壤有機(jī)質(zhì)含量是坡頂、坡腳的1.5 倍和1.9 倍,即在0～10 cm 處,坡中的有機(jī)質(zhì)含量最為集中；坡腳10 cm～20 cm 土壤有機(jī)質(zhì)含量是坡頂、坡中的1.7 倍和1.1 倍,即在10 cm～20 cm 處,坡腳的有機(jī)質(zhì)含量最為集中；坡頂20 cm～40 cm 的土壤有機(jī)質(zhì)含量是坡中、坡腳的1.6 倍和1.0 倍,即在20 cm～40 cm 處,坡頂?shù)挠袡C(jī)質(zhì)含量最為集中；坡腳40 cm～60 cm 土壤有機(jī)質(zhì)含量是坡頂、坡中的1.3 倍和1.6 倍,即在40 cm～60 cm 處,坡腳的有機(jī)質(zhì)含量最為集中。

（3）與對照組相比,從不同坡面部位看,垂直深度為0～60 cm 以內(nèi)的不同坡面部位土壤有機(jī)質(zhì)平均損失率由大到小的排序為坡頂（54.1%）>坡中（31.5%）>坡腳（0）。從不同土層深度看,三個坡面部位的各層土壤有機(jī)質(zhì)平均損失率由大到小的排序為20 cm～40 cm（37.2%）>10 cm～20 cm（26.9%）>0～10 cm（25.6%）>40 cm～60 cm（24.3%）。

（4）對于沉陷7 年～8 年,坡頂土壤有機(jī)質(zhì)平均損失率最大,有機(jī)質(zhì)含量大幅度減小,土壤養(yǎng)分流失,會引起土壤可蝕性K 值增大,加劇了坡頂土壤水土流失。

3.2.4 不同沉陷年限土壤有機(jī)質(zhì)對比分析及土壤侵蝕的影響

（1）黃土沉陷坡面任何部位和任何土層垂直深度中的土壤有機(jī)質(zhì)含量均有所損失。從不同沉陷年限角度看,坡頂土壤有機(jī)質(zhì)平均損失率由大到小的排序為沉陷1 年～2 年>沉陷7 年～8 年>沉陷5 年～6 年,坡中土壤有機(jī)質(zhì)平均損失率由大到小的排序為沉陷5 年～6 年>沉陷7 年～8 年>沉陷1 年～2 年,坡腳土壤有機(jī)質(zhì)平均損失率由大到小的排序為沉陷1 年～2 年>沉陷5 年～6 年>沉陷7 年～8 年；0～40 cm土壤有機(jī)質(zhì)平均損失率由大到小的排序為沉陷5 年～6 年>沉陷7 年～8 年>沉陷1 年～2 年,40 cm～60 cm 土壤有機(jī)質(zhì)平均損失率由大到小的排序為沉陷1 年～2 年＞沉陷5 年～6 年＞沉陷7 年～8 年。

（2）對于坡頂和坡腳土壤有機(jī)質(zhì)平均損失率在沉陷1 年～2 年時最大,土壤有機(jī)質(zhì)含量損失最嚴(yán)重,不利于形成良好的土壤團(tuán)聚體,造成土壤養(yǎng)分流失,土壤可蝕性K 值增大,土壤更容易受到侵蝕。對于0～40 cm 土壤有機(jī)質(zhì)平均損失率在沉陷5 年～6 年時最大,在沉陷7 年～8 年時有所減小,說明土壤有機(jī)質(zhì)會隨時間的推移而緩慢增加,但在相當(dāng)長的時間內(nèi)仍不能恢復(fù)到擾動前狀態(tài),土壤潛在侵蝕風(fēng)險持續(xù)存在。

4 結(jié)論

（1）陜北煤礦區(qū)黃土沉陷坡面土壤有機(jī)質(zhì)含量在不同坡面部位和不同土層深度上呈現(xiàn)不同的空間變化規(guī)律。總體上看,在任何沉陷年限下,坡頂和坡中土壤有機(jī)質(zhì)含量在0～20 cm 處較為集中,坡腳土壤有機(jī)質(zhì)含量在10 cm～40 cm處較為集中,但坡頂、坡中和坡腳土壤有機(jī)質(zhì)均不同程度的低于自然黃土坡面。

（2）在不同沉陷年限下,開采對坡頂、坡中和坡腳不同土層深度土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響會隨著時間推移而緩慢消減,但在形成沉陷8 年內(nèi),除坡腳外,坡頂和坡中不同土層深度土壤有機(jī)質(zhì)含量仍都明顯低于自然黃土坡面。

（3）沉陷1 年～2 年時,坡頂40 cm～60 cm 土壤有機(jī)質(zhì)含量損失最多；沉陷5 年～6 年時,坡中20 cm～40 cm 土壤有機(jī)質(zhì)含量損失最多；沉陷7 年～8 年時,坡頂土壤有機(jī)質(zhì)含量損失最多。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)[2],有機(jī)質(zhì)含量越少,土壤可蝕性越大,土壤越容易被侵蝕。陜北礦區(qū)黃土沉陷坡面的修復(fù)應(yīng)著重在坡頂和坡中部位考慮工程措施,在坡腳部位考慮植物措施。