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        N元素在陜北礦區(qū)采煤沉陷坡面土壤中的空間異質(zhì)性研究

        2021-04-17 03:48:32宋世杰梁躍強(qiáng)
        綠色科技 2021年6期
        關(guān)鍵詞:深度

        劉 具,宋世杰,楊 磊,梁躍強(qiáng),程 坤

        (1.中國(guó)煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)咨詢中心,北京 100013;2. 西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院,陜西 西安 710054)

        1 引言

        陜北煤炭基地作為黃河流域中游6大煤炭資源輸出地[1],在保障國(guó)家能源安全和支撐煤炭生產(chǎn)重心戰(zhàn)略西移的同時(shí),也造成了一系列煤礦區(qū)采動(dòng)損害問題,其中以開采沉陷最為典型[2]。大量研究成果已經(jīng)證明,開采沉陷導(dǎo)致的開裂、塌陷、沉陷等多種地表變形類型對(duì)地表生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生顯著的負(fù)影響,而對(duì)土壤質(zhì)量的損傷是其中關(guān)鍵一環(huán)[3]。氮元素不僅是土壤質(zhì)量和肥力的核心物質(zhì)之一,更是地表生態(tài)環(huán)境結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)鍵性調(diào)節(jié)因子[4~6]。因氮元素極易受到人為活動(dòng)的干擾而表現(xiàn)出顯著的空間異質(zhì)性,因此常常用作人為因素影響下土壤質(zhì)量變化的指示性指標(biāo)[7~8]。

        鑒于此,通過室內(nèi)外試驗(yàn),研究并揭示陜北典型采煤沉陷坡面土壤中氮元素(總氮和銨態(tài)氮)在空間上的異質(zhì)性,以期為陜北采煤沉陷區(qū)土壤環(huán)境修復(fù)提供理論支撐。

        2 材料與方法

        2.1 布點(diǎn)與采樣

        根據(jù)資料分析與野外勘查結(jié)果,選擇陜北榆家梁、石圪臺(tái)、麻黃梁采煤沉陷邊緣處沉陷穩(wěn)定(2年左右)的3處典型黃土坡面,在其坡頂、坡中和坡腳3個(gè)部位分別隨機(jī)布設(shè)5個(gè)采樣點(diǎn),每個(gè)采樣點(diǎn)分別采集0~10、10~20、20~40、40~60 cm等4個(gè)深度的土壤;將不同部位相同土層深度的土壤充分混合后,分別裝入純棉布袋,標(biāo)記信息;將同區(qū)域內(nèi)未沉陷且形態(tài)相似的黃土坡面作為對(duì)照,按相同方法采集土壤樣品;共獲得24個(gè)樣品,全部帶回實(shí)驗(yàn)室。

        2.2 樣品處理與檢測(cè)方法

        3 結(jié)果與討論

        3.1 結(jié)果

        3.2 討論

        (1)無論是坡頂、坡中還是坡腳,土壤TN含量均呈現(xiàn)隨土層深度的增加而逐漸降低的變化趨勢(shì),且越靠近坡頂該變化趨勢(shì)越顯著。具體而言,坡頂0~10 cm土層的TN含量是40~60 cm土層的2.7倍;坡中0~10 cm土層的TN含量是40~60 cm土層的1.6倍;坡腳0~10 cm土層的TN含量是40~60 cm土層的1.3倍。對(duì)照未沉陷坡面,發(fā)現(xiàn)開采沉陷放大了TN含量在坡頂土壤垂向上的差異,而縮小了TN含量在坡中、坡腳土壤垂向上的差異。

        (2)在坡頂向坡中,再向坡腳轉(zhuǎn)換的過程中,表層土壤(0~20 cm)TN含量呈現(xiàn)先降低再上升的變化趨勢(shì),且坡中含量最低,坡腳含量最高;深層土壤(20~60 cm)TN含量呈現(xiàn)持續(xù)上升的變化趨勢(shì)。具體而言,坡腳、坡頂表層土壤TN含量依次為310~450mg/kg、220~280mg/kg,分別是坡中表層土壤的1.1~3倍、1.3~1.7倍;坡腳深層土壤TN含量為240~250mg/kg,是坡頂深層土壤的2.4~2.5倍。對(duì)照未沉陷坡面,發(fā)現(xiàn)開采沉陷同時(shí)縮小了不同部位表層、深層土壤TN含量的差異,而坡中土壤TN含量最貧瘠。

        圖1 沉陷坡面與未沉陷坡面不同部位與深度土壤TN含量對(duì)比

        圖2 沉陷坡面與未沉陷坡面不同部位與深度土壤含量對(duì)比

        (3)無論是部位還是土層深度,沉陷坡面土壤TN含量均小于未沉陷坡面,且差異程度表現(xiàn)為坡腳>坡頂>坡中。具體而言,坡腳表層、深層土壤TN含量較未沉陷區(qū)分別減少了38%、41%;坡頂表層、深層土壤TN含量較未沉陷區(qū)分別減少了17%、30%;坡中表層、深層土壤TN含量較未沉陷區(qū)分別減少了19%、13%。由此可見,開采沉陷造成了全坡面土壤TN含量的損失,而坡腳土壤損失最嚴(yán)重。

        4 結(jié)論

        (1)無論在沉陷坡面任何部位,土壤TN含量均呈現(xiàn)隨土層深度的增加而逐漸降低的變化趨勢(shì),且越靠近坡頂該變化趨勢(shì)越顯著。在坡頂向坡中,再向坡腳轉(zhuǎn)換的過程中,表層土壤TN含量呈現(xiàn)先降低再上升的變化趨勢(shì),且坡中含量最低,坡腳含量最高;而深層土壤TN含量持續(xù)上升。這些表明:開采沉陷在放大坡頂土壤TN含量垂向差異的同時(shí),也縮小了坡中、坡腳土壤TN含量垂向差異和各部位土壤TN含量的水平差異,而坡中土壤TN含量最為貧瘠。

        (2)無論是部位還是土層深度,沉陷坡面土壤TN含量均小于未沉陷坡面,且差異程度表現(xiàn)為坡腳>坡頂>坡中。由此可見,開采沉陷造成了全坡面土壤TN含量的損失,而坡腳土壤損失最嚴(yán)重。

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