黃土沉陷坡面土壤機械組成的空間變化特征及對土壤侵蝕的影響

楊軍嚴，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 地質與環境學院，陜西 西安 710054；3. 西安理工大學，陜西 西安 710048；4. 陜西省水利發展調查與引漢濟渭工程協調中心，陜西 西安 710000；5.山西水務集團建設投資有限公司，山西 太原 030108)

1 引言

陜北煤礦區因其資源儲量大、煤炭品質好、生產規模大等優勢，在黃河中游煤炭生產區占據了重要地位[1，2]。黃河流域也被稱為“能源流域”，其煤炭資源查明儲量占全國的60%以上[3，4]。然而大規模煤炭開采活動對礦區周邊地表植被和土壤造成破壞，導致開采沉陷等地質環境問題的出現[5]。土壤機械組成是研究土壤各種理化行為的基礎，對土壤的肥力、水分、熱量及土壤結構等都有一定的影響[6～8]。開采沉陷通過影響土壤機械組成結構比例的變化，進而影響土壤可蝕性，改變土壤潛在侵蝕能力，造成土壤侵蝕、水土流失等生態環境問題的出現。土壤可蝕性作為研究水土流失的重要指標，研究采礦區開采沉陷對土壤可蝕性的影響有利于煤礦區生態環境保護[9～10]。因此，以黃河中游煤礦區陜北張家岇礦區井田為研究對象，以土壤可蝕性為抓手，通過分析土壤機械組成的空間變化特征及對土壤侵蝕的影響，為陜北黃河流域采煤沉陷區水土保持與生態環境保護工作提供理論基礎。

2 研究區概況

選擇陜西省榆林市張家峁井田作為研究區域，位于陜西省榆林市神木縣北部。區域氣候屬溫帶半干旱大陸性氣候，平均氣溫為8.5 ℃，平均降水量為436.7 mm，多集中于7、8、9月份。研究區除西南角外均為黃土溝壑地貌，地表侵蝕強烈。井田全區主采煤層為3-1煤層，屬薄基巖淺埋煤層，在長壁綜采開采方式下開采沉陷發育明顯，地表下沉系數約為0.7[11，12]。

3 材料與方法

3.1 樣品采集與處理

選擇研究區3處相似的沉陷穩定的典型黃土坡面，在坡頂、坡中和坡腳的3個部位分別隨機布設3個1 m×1 m的采樣方，使用“五點法”采集0～10、10～20、20～40、40～60 cm共4個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的土壤，裝入純棉布袋；同區域未沉陷區相似的黃土坡面為對照組，按同樣的方式采集樣品。土壤機械組成測定使用MS2000激光粒度儀，采用激光衍射法進行測定，每組數據平行測定3次。

3.2 數據處理

使用SPSS21.0軟件進行數據整理分析，采用Origin2021軟件繪制圖件。

4 結果與分析

根據檢測結果繪制了不同部位及土層深度下土壤機械組成中砂粒、粉粒及黏粒的含量情況，陜北煤礦區黃土沉陷坡面不同部位及土層深度的土壤機械組成對比如圖1所示。

圖1 陜北煤礦區黃土沉陷坡面不同部位及土層深度的土壤機械組成對比

4.1 黃土沉陷坡面土壤機械組成中砂粒的空間變化規律

(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。對于坡頂和坡中，土壤砂粒主要集中在10～20 cm土層土壤中；對于坡中和坡腳，黃土沉陷坡面土壤砂粒含量均呈現隨土層深度增加而逐漸降低的變化趨勢。

(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，在由坡頂向坡中再向坡腳轉換過程中，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，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個坡面部位的各層土壤砂粒含量增加率大小排序為10～20 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以內的不同坡面部位土壤砂粒含量增加率大小排序為坡中(46.0%)>坡頂(16.6%)>坡腳(-4.5%)。由此可見，開采沉陷造成了坡頂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械組成中粉粒的空間變化規律

(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。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，黃土沉陷坡面各個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個坡面部位的各層土壤粉粒下降率大小排序為10～20 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以內的不同坡面部位土壤粉粒含量下降率從大到小排序為坡中(11.0%)>坡頂(5.6%)>坡腳(-1.0%)。由此可見，開采沉陷造成了坡頂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械組成中黏粒的空間變化規律

(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。對于坡頂和坡腳，土壤黏粒主要集中在20～40 cm土層土壤中；對于坡中，黃土沉陷坡面土壤黏粒含量均呈現隨土層深度增加而逐漸增大的變化趨勢，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%，為坡頂的1.1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，在由坡頂向坡中再像坡腳轉換過程中，0～60 cm土層深度土壤黏粒的含量呈現先減小后增大的變化趨勢。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，各個坡面部位的各層土壤黏粒下降率大小排序為10～20 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以內的不同坡面部位土壤黏粒含量下降率大小排序為坡中(27.4%)>坡頂(4.0%)>坡腳(-6.3%)。由此可見，開采沉陷造成了坡頂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 土壤機械組成的總體空間變化規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，但總體趨勢不變。

(2)與對照組相比，煤炭開采沉陷區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，土壤黏粒是土壤團聚體形成的關鍵成分，顆粒越細小，越易粘結，在一定程度上使土壤形成團粒結構，而團粒具有的多級孔性，使蓄水、透水、通氣同時進行，從而提高土壤質量[13～16]。由此可知，開采導致土壤機械組成結構比例改變，增大土壤可蝕性，加劇了采礦區土壤侵蝕與水土流失等生態環境問題。

5 結論

(1)陜北煤礦區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出不同的空間變化規律；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)開采沉陷導致陜北采煤沉陷區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，進而加劇了水土流失和土壤侵蝕。從土壤機械組成改良修復角度講，黃土沉陷坡面坡中10～60 cm土壤應以作為砂粒、粉粒占比的重點改良修復部位，坡中0～20 cm土壤應作為黏粒占比的重點改良修復部位。