孟紅旗，郭曉明，楊 英，王明仕

采煤沉陷坡面土壤氮磷鉀養(yǎng)分有效性的空間變異性*

孟紅旗，郭曉明，楊 英，王明仕

（河南理工大學資源環(huán)境學院，河南焦作 454010）

探索采煤沉陷坡面上土壤氮、磷和鉀養(yǎng)分遷移轉化的作用機理，對促進礦區(qū)生態(tài)環(huán)境綜合整治的科學決策有重要理論和實踐價值。以焦作九里山礦典型低潛水位采煤沉陷坑內(nèi)的耕地和林地為研究對象，對比分析了土壤氮、磷和鉀全量及有效態(tài)養(yǎng)分含量在不同土地利用類型（耕地和林地）、沉陷坡位（中心、坡底、坡中、坡頂和對照）和剖面深度（0～10、10～20、20～30、30～40、40～50 cm）的空間變異性。結果表明，沉陷坡面土壤養(yǎng)分含量空間變異性從大到小依次為：有效磷（118%）、有效氮（69%）、全氮（41%）、速效鉀（27%）、全磷（19%）、全鉀（4%）。相對于耕地，林地全磷和有效磷含量顯著（<0.001）降低，速效鉀含量顯著（<0.001）升高。在沉陷坡面上，耕地土壤氮和鉀的有效性在坡底凹陷區(qū)最大，而磷有效性在坡頂裂縫區(qū)最大；林地土壤氮、磷和鉀的有效性均在坡底凹陷區(qū)最大，在中間坡面區(qū)最小。通過對土壤養(yǎng)分有效性在沉陷坡面上空間變異作用機理的分析，提出了低潛水位沉陷區(qū)土壤可持續(xù)管理的具體區(qū)劃模式，以實現(xiàn)采煤沉陷區(qū)土地復墾改造的最小經(jīng)濟投入目標。

采煤沉陷；土地利用；低潛水位；養(yǎng)分有效性；土壤可持續(xù)管理

中部和東北地區(qū)（不含蒙東）是我國重要的糧食生產(chǎn)基地，2017年糧食產(chǎn)量和農(nóng)作物播種面積分別為3.4億t和0.74億hm2，分別占全國的51.3%和44.5%[1]，與此同時，區(qū)域內(nèi)煤炭產(chǎn)量和新形成沉陷土地面積分別為14.2億t和2.8萬hm2，分別占全國的36.4%和42.7%[2]。采煤沉陷引發(fā)了嚴重的土地損毀和土壤退化，進而影響礦區(qū)糧食生產(chǎn)，加劇人地矛盾[3-5]，這一社會焦點問題在我國中部和東北地區(qū)尤為突出。至2020年，我國煤礦新增沉陷土地復墾率要求達到60%以上[2]。通過適當?shù)耐恋匦拚屯寥鲤B(yǎng)分與水分的可持續(xù)管理，合理規(guī)劃，因地制宜采用動態(tài)復墾工藝可期實現(xiàn)采煤沉陷區(qū)土地復墾改造的最小經(jīng)濟投入目標[6-7]。

土壤氮、磷和鉀養(yǎng)分含量是土壤肥力的重要組成部分，養(yǎng)分的形態(tài)和有效性決定了養(yǎng)分被植物根系獲取的可能性，是土壤可持續(xù)管理的重要依據(jù)。與自然坡面不同，由于應力不均,采煤沉陷坡面土壤表現(xiàn)為非連續(xù)性，在坡頂受水平拉伸與垂直壓縮張力的影響在表層產(chǎn)生垂直裂縫，在坡底受水平壓縮與垂直拉伸張力的影響在亞表層產(chǎn)生空穴土洞[8-9]，如圖1（左）所示。受新形成坡度和地表裂縫的共同影響，土壤養(yǎng)分隨徑流發(fā)生定向遷移和轉化，隨著時間的推移，最終形成了沉陷區(qū)土壤肥力水平的高度異質(zhì)性[10]。淮北砂姜黑土耕地土壤中銨態(tài)氮和有效磷含量在塌陷形成初期較對照顯著降低，養(yǎng)分流失量達到峰值；土地整理和耕作行為可部分掩蓋氮磷流失現(xiàn)象，至塌陷中后期，土壤銨態(tài)氮和有效磷較對照無顯著差異[11]。潘三礦沉陷區(qū)土壤生物有效性氮含量占全氮的質(zhì)量分數(shù)為0.52%～5.32%，土壤養(yǎng)分含量（有機質(zhì)、速效鉀、全磷和全氮）分布表現(xiàn)出沿沉陷水域周邊向外圍逐漸遞減的變化趨勢[12-13]。在沉陷坡面上，土壤全氮、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮、全磷和有效磷均表現(xiàn)為由高到低依次為坡底凹陷區(qū)、坡頂裂縫區(qū)、中間坡面區(qū)[14]。隨著沉陷深度的增加，耕地土壤養(yǎng)分信息熵和土壤質(zhì)量指數(shù)的變化趨勢為先下降后上升，在坡底處反而較對照升高[15-16]。沉陷區(qū)裂縫30～60 cm范圍內(nèi)耕地土壤有效氮和土壤呼吸顯著降低，裂縫60～90 cm范圍內(nèi)小麥穗數(shù)和產(chǎn)量顯著降低[17]。在采煤沉陷的有裂縫區(qū)，耕地和林地的土壤有機碳儲量分別較對照降低65%和45%，耕地向林地轉變表現(xiàn)為顯著（<0.05）減緩土壤碳庫損失；在無裂縫區(qū)，耕地和林地的土壤有機碳儲量分別較對照降低14%和23%，耕地向林地轉變卻表現(xiàn)為一定程度（0.01<<0.10）加劇土壤碳庫損失[18]。相對于東部高潛水位采煤沉陷區(qū)[10-12]，中部和東北地區(qū)的地下水水位通常大于最大沉陷深度，坡底一般無積水，復墾土地利用管理具有更大的自由度，而土壤氮、磷和鉀養(yǎng)分含量及其有效性研究并不多。在沉陷區(qū)的不同土地利用類型上，坡面土壤養(yǎng)分與水分遷移轉化作用機理的差異性研究相對不足[19-20]，進而新復墾土地并不能有效抑制土壤養(yǎng)分的進一步流失，難以整體實現(xiàn)沉陷區(qū)土壤的可持續(xù)管理。本研究以焦作九里山礦沉陷區(qū)的耕地和林地為研究對象，對土壤氮、磷和鉀養(yǎng)分的含量和有效性在沉陷坡面和剖面深度上的空間變異性進行對比分析，對于沉陷區(qū)合理規(guī)劃，促進礦區(qū)生態(tài)環(huán)境綜合整治的科學決策有重要理論和實踐價值。

圖1 低潛水位沉陷坡面土壤的非連續(xù)特征（左）與可持續(xù)管理（右）

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

焦作九里山礦位于焦作市東北18 km（39.34°N，113.42°E），海拔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，地面坡度小于0.5°。礦區(qū)年均氣溫14.2℃，年均降水量578 mm，年均蒸發(fā)量993 mm[21]，年均日照時數(shù)2 062 h，是全國糧食高產(chǎn)區(qū)之一。礦區(qū)主要土地利用類型為耕地，占比78.2%，以冬小麥-夏玉米（大豆或花生）為作物；建筑道路工礦用地占比19.5%；林地以速生楊為主，占比2.3%。表土為石灰性褐土，質(zhì)地為壤土-黏壤土，土體深厚（13～45 m），地下水埋深為15 m左右。

1.2 樣品采集與分析

位于礦區(qū)東北角的沉陷坑直徑超過800 m，深度為6.5 m，2000年開始沉陷，2005年后達到初步穩(wěn)定，是典型的平原型采煤沉陷坑?？觾?nèi)及周邊以種植冬小麥-夏玉米為主，年均施肥量：化肥N 200 kg·hm–2，P 30 kg·hm–2，有機肥約10 t·hm–2。從坑中心到東側邊緣有一帶狀270 m×10 m速生楊次生林，為沉陷初期由耕地變更成，種植密度3.0 m×1.5 m，林齡18 a，胸徑15～38 cm。林下生長小葉槐（）、酸棗（Mill.）、構樹（）和檉柳（Lour.）等灌木，黃花蒿（Linn.）等雜草。從坑中心到邊緣自西向東每隔40 m共布置5個土壤采樣點，分別對應中心、坡底、坡中、坡頂和對照（距沉陷坑東側邊緣基準點沉降0.4 m，因其地面坡度小于1°且無裂縫分布，將其視作為對照），距林地北側60 m，等高布置對應的5個耕地采樣點，如圖2所示。土壤采樣點具體信息見表1。

土壤樣品采集于2015年4月份，采樣日的7 d前剛經(jīng)歷一場中雨。單個采樣點的1 m范圍內(nèi)平均布置5個鉆孔，鉆孔避開裂縫且距離樹干大于0.5 m，用直徑38 mm土鉆，每10 cm一層，共采集5個土壤層（0～10、10～20、20～30、30～40、40～50 cm），單個采樣點同層的5個鉆孔土壤混合，剔除石塊和植物根系，再通過2 mm篩，采用四分法形成1個土壤樣品。共采集50個土壤樣品。取100 g鮮土密封后冰箱內(nèi)冷凍保存，用于測量土壤有效氮。

取1 kg樣品風干后密封保存。取風干土100 g，研磨，通過80 目篩后密封保存，用于測量土壤全氮（KMnO4+Fe（Ⅱ）+H2SO4消解—凱氏定氮法[22]）、全磷（NaOH熔融—鉬銻抗比色法[22]）、全鉀（NaOH熔融—火焰原子吸收法[22]）、有效磷（NaHCO3浸提—鉬銻抗比色法[22]）和速效鉀（NH4OAc浸提—火焰原子吸收法[22]）。另取1（±0.001）g風干土3份采用重量法測量風干土含水率[22]。

注：左圖為河南省九里山礦邊界；右圖為采樣點布置方案。Note：Left：Boundary of the Jiulishan mine in Henan Province；Right：Layout of the soil sampling points.

表1 土壤采樣點基本情況

注：1）此列為林地裂縫分布；耕作行為導致耕地裂縫表觀不明顯。Note：1）This column indicates distribution of cracks in forest land；Cracks in the cultivated land caused by tillage are inconspicuous.

土壤養(yǎng)分測量結果用含水率校正為干基養(yǎng)分含量。

土壤養(yǎng)分有效性等于有效態(tài)養(yǎng)分含量占對應全量養(yǎng)分含量的百分比，文中AN/TN、AP/TP和AK/TK分別用于表示土壤氮、磷和鉀有效性。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用SPSSStatistics 17.0軟件的一般線性模型（GLM）單變量-主效應模型進行土壤全氮、全磷、全鉀、有效氮、有效磷和速效鉀含量在土地利用類型（耕地和林地）、沉陷坡位（中心、坡底、坡中、坡頂和對照）和土壤剖面（0～10、10～20、20～30、30～40、40～50 cm）3個因素的基于估算邊際均值間線性獨立成對比較。同土壤層（或坡位）土壤理化指標在不同土壤利用類型（耕地和林地）的差異分析采用SPSS中配對樣品檢驗模型。數(shù)據(jù)變異性小于10%為弱變異；10%～30%為中等變異；大于30%為強變異[25]。

2 結 果

2.1 沉陷區(qū)土壤全量養(yǎng)分含量的空間變異性

沉陷區(qū)土壤全氮、磷和鉀含量如表2所示。土壤全氮、磷和鉀含量分別處于4級偏低（0.75～1.0 g·kg–1）、2級豐富（0.8～1.0 g·kg–1）和3級正常（15～20 g·kg–1）水平[26]，整體變異性由大到小依次為：全氮（41%）、全磷（19%）、全鉀（4%），分別為強變異、中等變異和弱變異。林地土壤全磷含量較耕地顯著（<0.001）降低0.17 g·kg–1，而全氮和全鉀含量在2種土地利用類型間無顯著差異。在沉陷坡位上，與對照相比，其他點位全磷含量均顯著（<0.01）降低14.7%～17.6%；全鉀含量僅在中心點位有顯著（<0.01）降低，降低幅度為5.8%。在土壤剖面層上，全氮和全磷表現(xiàn)為顯著（<0.001）的表層聚集效應，而全鉀卻表現(xiàn)為一定的表層降低。表層0～10 cm土壤全氮、磷和鉀含量分別為深層40～50 cm的2.64倍、1.36倍和96%。

2.2 沉陷區(qū)土壤有效態(tài)養(yǎng)分含量的空間變異性

如表2所示，沉陷區(qū)土壤有效氮、磷和鉀含量整體變異性由大到小依次為：有效磷（118%）、有效氮（69%）、速效鉀（27%），分別為強變異、強變異和中等變異。林地土壤有效磷含量較耕地有顯著（<0.001）下降，下降比例為68%；而林地土壤速效鉀含量較耕地有顯著（<0.001）升高，升高比例為22%；有效氮含量在2種土地利用類型間無顯著差異。在沉陷坡位上，與對照相比，有效氮含量僅在中心點位有顯著（<0.01）升高，升高比例為93%，且整體上隨著沉陷深度的增加而增加，在坡底和中心處快速積累。在土壤剖面層上，有效氮、磷和鉀均表現(xiàn)為顯著（<0.001）的表層聚集效應，表層0～10 cm土壤有效氮、磷和鉀含量分別為深層40～50 cm的2.96倍、14.7倍和1.51倍。

表2 沉陷區(qū)土壤全量和有效態(tài)養(yǎng)分含量

注：同列相同字母表示同一因素內(nèi)不同水平間無顯著性差異；a）該檢驗基于估算邊際均值間的線性獨立成對比較。Note：The same letters in the same factor column mean insignificant difference between different levels（Duncan，=0.05）. a）The test is based on linear independent paired comparison of the estimated marginal mean values.

從有效氮的組成來分析（圖3），林地銨態(tài)氮含量較耕地顯著（<0.05）升高4.97 mg·kg–1，硝態(tài)氮和有機態(tài)氮在兩種土地利用類型間均未達到顯著差異。隨著沉陷深度的增加，耕地土壤溶解性有機態(tài)氮積累的程度線性增加，坡中、坡底和中心處溶解性有機態(tài)氮含量分別為對照處的8倍、16倍和20倍；林地土壤銨態(tài)氮僅在中心處有明顯積累，相對對照增加89%。在土壤剖面層上，溶解性有機態(tài)氮在耕地表層0～10 cm和10～20 cm均有明顯的積累效應，而僅在林地表層0～10 cm有明顯的積累效應，分別為對應深層40～50 cm土壤的4.14倍、6.38倍和9.00倍。與表層0～10 cm相反，亞表層和深層土壤銨態(tài)氮含量在林地較耕地有顯著（<0.05）升高。

圖3 沉陷區(qū)土壤有效氮組成的差異性（左圖為耕地，右圖為林地）

2.3 沉陷區(qū)土壤養(yǎng)分有效性的空間變異性

沉陷區(qū)土壤氮、磷和鉀有效性的空間變化趨勢如圖4所示。除30～40 cm土層外，氮有效性在耕地和林地間均無顯著性差異。在對照處，林地土壤氮有效性顯著（<0.05）高于耕地，前者約是后者的2.7倍。隨著沉陷深度的增加，耕地土壤氮有效性在所有土層均表現(xiàn)為明顯增加趨勢，在坡底或中心處達到最大值，為對照的2.2倍～3.7倍；林地土壤氮有效性僅在表層表現(xiàn)出隨沉陷深度的輕微增加趨勢，在40～50 cm土層反而呈明顯減小趨勢。在土壤剖面上，氮有效性在耕地和林地均無明顯表層聚集效應。

與耕地相比，林地磷有效性在各土壤層均偏低，在表層0～30 cm均達到顯著（<0.05）水平。隨著沉陷深度的增加，林地磷有效性在表層0～20 cm略呈增加趨勢；而耕地在所有土壤層均呈降低趨勢，在表層0～20 cm降低幅度最大，中心處最小值較坡頂處最大值顯著（<0.05）降低1.55%～1.85%。在土壤剖面上，耕地磷有效性表層聚集效應明顯大于林地，耕地和林地表層0～10 cm磷有效性分別為對應深層40～50 cm的14倍和6.3倍。

與耕地相比，林地鉀有效性在各土壤層均偏高，在表層0～10 cm和深層30～40 cm達到顯著水平，升高幅度分別為0.25%（<0.01）和0.07%（<0.05）。隨著沉陷深度的增加，鉀有效性在耕地表層0～20 cm和林地深層30～50 cm均呈增加趨勢。在土壤剖面上，林地鉀有效性表層0～10 cm聚集效應明顯大于耕地，林地和耕地表層0～10 cm鉀有效性分別為對應深層40～50 cm的1.7倍和1.3倍。

3 討 論

3.1 沉陷區(qū)土壤養(yǎng)分有效性空間變異的作用機理

通常情況下，耕地改為林地后，生態(tài)系統(tǒng)氮輸入途徑由施氮肥為主轉為氮沉降為主，系統(tǒng)由氮盈余狀態(tài)逐漸轉向氮限制狀態(tài)，土壤微生物和植物對土壤氮的轉化利用效率會增加，土壤氮的礦化潛勢和硝化潛勢增加[14，23]，土壤氮有效性升高。本研究對照處，林地土壤氮有效性為耕地的2.7倍（圖4），并且增加的有效氮含量以銨態(tài)氮和溶解性有機態(tài)氮為主，硝態(tài)氮占比下降（圖3）。然而，沉陷區(qū)土壤全氮、有效氮含量和氮有效性在耕地和林地間并無顯著差異（表2）。這主要是由于隨著沉陷深度的增加，耕地溶解性有機態(tài)氮含量線性增加，土壤有效氮含量和氮有效性因此增加，在坡底或中心處，氮有效性反而超過林地。這種沿沉陷坡度逐漸增強的土壤氮激發(fā)效應，側面反映了耕地生態(tài)系統(tǒng)對外源施入氮肥的利用效率降低，顆粒態(tài)銨態(tài)氮[11]和溶解性有機態(tài)氮可能是耕地地表徑流氮流失的主要形態(tài)。在土壤剖面上，有效態(tài)氮在耕地0～20 cm和林地0～10 cm的表層聚集效應反映了土壤氮礦化潛勢和硝化潛勢明顯高于其他土壤層，這與沉陷區(qū)土壤有機質(zhì)的剖面特征相類似[10]。

沉陷區(qū)由耕地改為林地后，生態(tài)系統(tǒng)磷輸入流可完全忽略，而磷在林木體內(nèi)蓄積增加了對原有土壤磷庫的持續(xù)消耗[27]，林地土壤全磷含量、有效磷含量和磷有效性均較耕地有顯著（<0.001）降低，降低幅度分別為0.17 g·kg–1、8.43 mg·kg–1和0.68%（表2和圖4）。在沉陷坡面上，與對照相比，其他點位全磷含量均顯著（<0.01）降低14.7%～17.6%，表明采煤沉陷導致的坡度增加引起了地表徑流磷流失量增加，顆粒吸附態(tài)磷可能是主要流失形態(tài)[11]。裂縫的垂直截留作用會削弱林地地表徑流磷流失，林地中間坡面區(qū)0～10 cm土層全磷含量較其對照處升高0.11 g·kg–1；耕作行為對裂縫的封堵反而會促進耕地地表徑流磷流失，坡面上0～10 cm土層全磷含量反而較耕地對照處降低0.19 g·kg–1。與Tripathi等[14]的研究一致，林地表層土壤有效磷含量和磷有效性在坡底和中心處的凹陷區(qū)最大，坡面處最小。與此相反，隨著沉陷深度的增加，耕地表層0～20 cm土壤有效磷含量和磷有效性在坡頂處達到最大值，在中心處達到最小值，這與Guo等[15]的研究中土壤鹽分在坡頂富集、有效磷在坡中富集的規(guī)律基本一致。盡管裂縫在耕地表觀不明顯，但仍然會增加土壤氧化還原電位，利于磷的礦化和釋放，土壤有效磷含量和磷有效性達到最大值；坡底和中心處形成土洞區(qū)或者形成淹水區(qū)會降低土壤氧化還原電位，利于磷的閉蓄和固定[28]，土壤有效磷含量和磷有效性達到最小值。

耕地施用有機肥會產(chǎn)生少量鉀輸入流，然而與宏大的土壤無機鉀庫相比則可忽略不計，因此土壤全鉀含量在林地和耕地間無顯著差異（表2）。土壤全鉀在沉陷區(qū)中心處和表層0～20 cm的顯著降低現(xiàn)象可解釋為土壤有機質(zhì)對全鉀的稀釋效應[29]。與全鉀相反，林地土壤速效鉀含量較耕地顯著（<0.001）升高11.44 mg·kg–1，以及速效鉀在土壤剖面有明顯表層聚集效應。皮爾森（Pearson）相關分析表明，土壤速效鉀含量與有效氮、全氮含量顯著正相關（<0.01），相關系數(shù)分別為0.571和0.748。土壤速效鉀含量顯著影響土壤反硝化微生物種群的多樣性和作物產(chǎn)量[30]。在沉陷坡面上，耕地鉀有效性在坡頂或坡中的裂縫區(qū)達到最小值，在坡底或中心處的凹陷區(qū)達到最大值，可解釋為地表徑流的夾帶效應使耕地速效鉀沿坡面水平流失；林地坡底處土壤鉀有效性在表層0～10 cm最低，在深層40～50 cm反而最高，可解釋為在坡底土洞區(qū)林地速效鉀有垂直滲漏發(fā)生。

注：P值表示耕地和林地同一土壤層養(yǎng)分有效性配對T檢驗概率；AN/TN、AP/TP和AK/TK分別表示土壤氮、磷和鉀的有效性。Note：P stands for probability of the paired T-test of soil nutrient availability in the same soil layers of the cultivated land and forest land；AN/TN，AP/TP and AK/TK indicate soil available N，P and K versus total N，P and K，respectively.

3.2 沉陷區(qū)土壤的可持續(xù)管理

無論是耕地還是林地，目前單一類型的土地利用管理均難以適應沉陷區(qū)土壤養(yǎng)分和水分的高空間變異性，在沉陷坡面的不同點位發(fā)生明顯的土壤養(yǎng)分和水分流失，難以整體實現(xiàn)沉陷區(qū)土壤的良性演替。沉陷區(qū)土壤的可持續(xù)管理就是根據(jù)沉陷區(qū)土壤養(yǎng)分和水分遷移轉化和流失的規(guī)律，于沉陷初期在不同坡位選擇有利于土壤良性演替的土地利用類型的規(guī)劃與管理，以降低地下采礦對周圍生態(tài)環(huán)境的不利影響[7,15]。在我國中部和東北地區(qū)的低潛水位沉陷區(qū)，土壤養(yǎng)分和土壤水分的運移規(guī)律具有一定的交互作用[18]，空間富集特點和流失途徑不完全相同。沉陷坡度引起地表徑流增加，會加劇土壤氮、磷和鉀養(yǎng)分的地表水平流失；坡面裂縫會阻礙土壤養(yǎng)分的地表水平流失，增加垂直流失風險；土地整理和耕作行為可起到對裂縫的有效封堵，部分掩蓋沉陷坡面上土壤氮鉀養(yǎng)分和水分的垂直流失[11,31]。

在沉陷初期，如圖1（左）中斷裂角以下的凹陷區(qū)快速形成，陷落導致土體疏松，形成土洞空穴，土壤有機質(zhì)分解加速，土壤水分和有效態(tài)養(yǎng)分增加[32-33]。斷裂角以上至坡中處的坡面區(qū)發(fā)生非形變傾斜，土壤密度增加，導水率下降，形成明顯地表徑流，攜帶黏粒和養(yǎng)分流向凹陷區(qū)，土壤質(zhì)地趨向砂化，土壤水分和養(yǎng)分含量迅速降低[10]。坡中以上區(qū)域由于水平拉伸張力的作用形成裂縫區(qū)，并逐漸擴展至陷落角邊緣，裂縫為土壤水分和養(yǎng)分開辟了垂直流失的途徑，耕地表層土壤的氮和鉀有效性降低，磷有效性反而增加。根據(jù)沉陷區(qū)不同坡位土壤養(yǎng)分和水分遷移的特點，分區(qū)合理規(guī)劃，以實現(xiàn)沉陷區(qū)土壤的可持續(xù)管理。在中間坡面區(qū)，最適宜的土地復墾方向是灌木林，豐富的根系能起到良好的水土保持效果，削弱地表徑流形成和土壤養(yǎng)分水平流失；在凹陷區(qū)，適當土地平整后可發(fā)展為經(jīng)濟林或果園，疏松的土壤和充足的養(yǎng)分有利于喬木細根發(fā)育[14]；在坡頂裂縫區(qū)，裂縫會引發(fā)樹木傾倒、斷根、細根生物量減少甚至植株死亡現(xiàn)象[14]，通過等高程造隴、微梯田構造和噴灌設施建設將其改造為高產(chǎn)的耕地或菜園，弱化沉陷坡度對土壤氮、磷和鉀養(yǎng)分水平流失的影響，在施用氮肥的同時，適當補充磷鉀肥和有機肥。如圖1（右）所示，最終實現(xiàn)采煤沉陷區(qū)土地復墾改造的最小經(jīng)濟投入目標。

4 結 論

在我國中部和東北地區(qū)典型的低潛水位采煤沉陷區(qū)，土壤氮磷鉀全量養(yǎng)分和有效態(tài)養(yǎng)分含量在土地利用類型、沉陷坡面和土壤剖面3個空間因素上均存在明顯的變異性。相對于耕地，林地全磷和有效磷含量顯著（<0.001）降低，速效鉀含量顯著（<0.001）升高。在沉陷坡面上，耕地土壤氮和鉀的有效性在坡底凹陷區(qū)最大，而磷有效性在坡頂裂縫區(qū)處最大；林地土壤氮、磷和鉀的有效性均在坡底凹陷區(qū)最大，在中間坡面區(qū)最小。耕地土壤溶解性有機態(tài)氮和速效鉀隨地表徑流流失，裂縫增加耕地土壤氧化還原電位利于磷的礦化與釋放，林地土壤速效鉀在坡底凹陷區(qū)的垂直滲漏等解釋了沉陷區(qū)土壤養(yǎng)分有效性的高空間變異性。根據(jù)沉陷坡面不同點位土壤養(yǎng)分和水分遷移轉化規(guī)律，坡頂裂縫區(qū)、中間坡面區(qū)和坡底凹陷區(qū)分別改造為高產(chǎn)的耕地或菜園、灌木林和經(jīng)濟林或果園，以實現(xiàn)低潛水位采煤沉陷區(qū)土壤的可持續(xù)管理和土地復墾改造的最小經(jīng)濟投入目標。

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Spatial Variability of Soil Nitrogen, Phosphorus and Potassium Availability in Coal Mining Subsidence Slopes

MENG Hongqi, GUO Xiaoming, YANG Ying, WANG Mingshi

(School of Resources and Environment, Henan Polytechnic University, Jiaozuo, Henan 454010, China)

【】In the central and northeastern parts of China (excluding the eastern part of Inner Mongolia Autonomous Region), coal mining has caused extensive land subsidence, thus leading to land damage and soil degradation, which in turn seriously affects grain production, and intensifies conflicts between people and land. The aim of this study was to explore mechanisms for soil nutrients, for instance, nitrogen (N), phosphorus (P) and potassium (K), migrating and transforming in coal mining subsidence slopes, and to provide certain scientific basis for comprehensive management of eco-environment in the mining areas.【】The cultivated land and forest land in a coal mining subsidence, low in phreatic water level and typical of Jiulishan mining region in Jiaozuo City, Henan Province, China, were selected as object of the study. Soil samples were collected from soil layers (0-10 cm, 10-20 cm, 20-30 cm, 30-40 cm and 40-50 cm) of soil profiles distributed in different slope positions (center, bottom, middle, top and control) and lands different in land use for analysis of total contents and availabilities of N, P and K, and further for spatial variability of the indices.【】It was found that in terms of nutrient spatial variability on the slope, the three soil nutrients followed an order of available P (118%) > available N (69%) > total N (41%) > available K (27%) > total P (19%) > total K (4%). Compared with the cultivated land, the forest land lowered significantly (<0.001) in soil total P and available P, but ascended significantly (<0.001) in soil available K. Along the subsidence slope, availabilities of soil N and K in the cultivated land was the highest at the depressed in the bottom of the slope, while that of soil P in cracky areas at the top of the slope. However, in the forest land on the slope, availabilities of soil N, P and K were the highest in the depressed zone at the bottom of the slope, and the lowest in the middle slope zone. The high spatial variability of soil nutrient availability therein could be explained by the following; 1) loss of dissolved organic N and available K from cultivated soils with surface runoff; 2) cracks enhancing soil redox potential in the farmland, thus promoting release of soil P; 3) translocation of available K with vertical leaching in the depressed zone at the bottom of the slope. 【】Therefore, it is suggested that the land in such coal mining subsidence, low in phreatic water level, should be reclaimed in light of the rules of migration and transformation of soil nutrients and soil water relative to position along the subsidence slope. The cracky area on the top of the slope, the middle slope and the depressed at the bottom of the slope should be reclaimed into high-yield cultivated land or vegetable gardens, shrubbery and economic forest or orchard, respectively, so as to realize sustainable soil management and the goal of cost-minimizing input in land reclamation of coal mining subsidence.

Coal mining subsidence; Land use; Low phreatic water level; Nutrient availability; Sustainable soil management

S158.5；S281；X37

A

10.11766/trxb201906140170

孟紅旗，郭曉明，楊英，王明仕. 采煤沉陷坡面土壤氮磷鉀養(yǎng)分有效性的空間變異性[J]. 土壤學報，2020，57（4）：844–854.

MENG Hongqi，GUO Xiaoming，YANG Ying，WANG Mingshi. Spatial Variability of Soil Nitrogen，Phosphorus and Potassium Availability in Coal Mining Subsidence Slopes[J]. Acta Pedologica Sinica，2020，57（4）：844–854.

* 國家自然科學基金項目（41502241）、河南省高等學校重點科研項目（16A210049）和河南省高校礦山環(huán)境保護與生態(tài)修復省級重點實驗室培育基地開放課題（KF2014-05）資助Supported by the National Natural Science Foundation of China（No. 41502241），the Higher Education Key Research Project of Henan Province in China（No. 16A210049）and the Mines Environmental Protection and Ecological Rehabilitation Provincial Key Laboratory Breeding Base Open Topic of Henan Province in China（No. KF2014-05）

孟紅旗（1979—），男，河南焦作人，博士，副教授，主要從事土壤環(huán)境化學研究。E-mail：mengborse@sohu.com

2019–06–14；

2019–07–31；

2019–09–16

（責任編輯：陳榮府）