高 琴 黨曉宏,2 蒙仲舉 高 永 高 巖 劉泓鑫

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)沙漠治理學(xué)院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010011;2.內(nèi)蒙古杭錦荒漠生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站,內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017400;3.伊金霍洛旗水利技術(shù)服務(wù)中心,內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017200)

煤炭資源開發(fā)與利用在提高國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時,也對土地生態(tài)造成了嚴(yán)重影響[1]。持續(xù)性煤炭開采伴隨復(fù)合侵蝕,使得礦區(qū)發(fā)生沉陷、滑坡等災(zāi)害,并引起地貌景觀破壞、地下水滲漏、水資源污染、植被退化、土壤質(zhì)量劇減等問題[2-5]。其中土壤質(zhì)量是實(shí)現(xiàn)礦區(qū)植被恢復(fù)的基礎(chǔ)[6],因此采煤塌陷后土壤質(zhì)量變化成為礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)的熱點(diǎn)問題。沉陷裂縫會影響土壤微結(jié)構(gòu),進(jìn)而影響土壤水分的蒸發(fā)與滲透[7]。琚成遠(yuǎn)等[8]對不同寬度的裂縫進(jìn)行了土壤水分監(jiān)測,分析了不同距離裂縫與土壤含水率的關(guān)系。土壤養(yǎng)分作為評價土壤肥力的重要指標(biāo)[9],營養(yǎng)元素主要來源于土壤有機(jī)質(zhì)[10]。通過對沉陷區(qū)土壤養(yǎng)分的研究發(fā)現(xiàn),沉陷裂縫處出現(xiàn)大量營養(yǎng)元素滲入空隙流入采空區(qū),土壤表層的有機(jī)碳、氮和磷含量降低,而水解性有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為易流失的無機(jī)態(tài)氮和硝態(tài)氮流入土壤深層[11]。磷元素通過淋溶形式流失到深層土壤,使得表土層磷元素含量降低[12],營養(yǎng)元素的流失致使植物生長和恢復(fù)受限[13]。杜華棟等[14]研究了不同塌陷年限和未塌陷區(qū)土壤理化性質(zhì),發(fā)現(xiàn)與未塌陷區(qū)相比,塌陷初期的土壤含水率、有機(jī)質(zhì)、速效養(yǎng)分等指標(biāo)顯著降低。NIKOLAOS 等[15]研究發(fā)現(xiàn),開采后沉陷處土壤養(yǎng)分隨采后時間逐步增加。BOWLES 等[16]發(fā)現(xiàn)風(fēng)沙區(qū)地裂縫的彌合抑制了土壤微生物將全效養(yǎng)分轉(zhuǎn)化為速效養(yǎng)分的速率。賀明輝等[17]分析了陰坡和陽坡塌陷裂縫的速效養(yǎng)分含量,得出塌陷裂縫使原本由坡頂向坡底遷移的速效養(yǎng)分在裂縫處中斷,在表層土比下層土更受影響。

綜上所述,有關(guān)礦區(qū)土壤的研究多集中于采煤沉陷后修復(fù)的土壤理化特征和裂縫對土壤水分影響的分析,從不同坡位垂直深度的裂縫角入手的土壤養(yǎng)分探索有待深入。常規(guī)研究中,采煤沉陷常導(dǎo)致根系受損造成植被枯死等問題,但本研究在野外調(diào)查中發(fā)現(xiàn),鄂爾多斯伊金霍洛旗李家塔礦區(qū)小葉楊林地內(nèi)的塌陷裂縫帶處出現(xiàn)成排分布的小葉楊(Populus simonii)幼苗,這可能是由于裂縫帶土壤性質(zhì)發(fā)生變化所導(dǎo)致。為探明上述現(xiàn)象出現(xiàn)的原因,本研究選擇李家塔采煤沉陷區(qū)展開土壤環(huán)境實(shí)地調(diào)查工作,對比沉陷裂縫處與非裂縫處的土壤養(yǎng)分特征,了解不同坡位沉陷裂縫下的土壤性質(zhì),揭示沉陷裂縫對土壤養(yǎng)分的影響規(guī)律,為風(fēng)沙采煤沉陷區(qū)植被恢復(fù)和生態(tài)修復(fù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

李家塔礦區(qū)采用下行式開采方式[18],井田面積為16.352 2 km2,煤炭資源儲量達(dá)到27 730 萬t[19]。礦區(qū)地處陜北黃土高原與毛烏素沙漠的過渡帶(圖1),該區(qū)域?qū)俦睖貛О敫珊荡箨懶詺夂騾^(qū),冬季漫長嚴(yán)寒,多風(fēng)沙,夏季炎熱,蒸發(fā)強(qiáng)烈,季節(jié)性溫差懸殊,年均氣溫6.2 ℃,日極端氣溫-31.4～38 ℃,年降雨量集中于7～9 這3 個月,約占全年降水的70%,年均降雨量為348.3 mm,年均蒸發(fā)量為2 506.3 mm,年均蒸發(fā)量是降水量的7.2 倍。李家塔采煤沉陷區(qū)土壤有風(fēng)沙土和沙巖風(fēng)化土,其中90%為風(fēng)沙土,土體結(jié)構(gòu)較為松散,常為細(xì)沙,養(yǎng)分較瘠薄,且比較難蓄積,土體的抗逆性較差,容易受到侵蝕危害[20]。土壤侵蝕強(qiáng)度自東南向西北遞減,土壤侵蝕模數(shù)為(4～8)×103t/(km3·a)[21]。礦區(qū)內(nèi)植物以耐旱、耐寒和耐貧瘠的沙生或旱生植物為主,主要包括小葉楊、沙柳(Salix psammophila)、紫穗槐(Amorpha frutiocosa)、檸條錦雞兒(Caragana microphylla)、沙棘(Hippophae rhamnoides)等[18]。

圖1 研究區(qū)地理位置和研究地塊布局Fig.1 Geographical location of the study area and the layout of study plots

1.2 試驗設(shè)計與測定方法

本研究于2021年4月以李家塔采煤沉陷區(qū)坡地為研究對象(圖1),選取具備典型坡面特征的坡地,在采煤沉陷坡的坡頂、坡中、坡底3 個坡位分別依“品”字形布設(shè)3 個10 m×10 m 的樣方,每個樣方內(nèi)選取裂縫帶樣點(diǎn)作為試驗組,在距離裂縫3 m 范圍內(nèi)選取非裂縫帶作為對照組進(jìn)行取土。在樣地內(nèi)每個取樣點(diǎn)沿裂縫挖取一個1 m 長、0.5 m 寬、0.6 m 深的土壤剖面,采取分層采樣方法,每隔10 cm 進(jìn)行分層采樣。使用環(huán)刀自下而上取至鋁盒,每層取3 件樣品,然后置于105 ℃烘干箱內(nèi)烘干,直至恒重時測定并計算土壤含水率[22]。同時在各土層再取一些土壤裝入塑封袋帶回實(shí)驗室自然風(fēng)干,過2 mm 土壤篩后備用,進(jìn)行土壤有機(jī)質(zhì)和速效養(yǎng)分(速效氮、速效磷、速效鉀)測定。土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法測定,土壤速效氮采用堿解擴(kuò)散法測定,速效磷采用NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測定,速效鉀采用NH4COOH-火焰光度法測定[23]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)利用Microsoft Excel 2021 軟件進(jìn)行歸納整理,采用SPSS 23 軟件進(jìn)行單因素方差分析,通過Pearson 相關(guān)分析檢驗不同坡位下沉陷裂縫處土壤理化性質(zhì)之間的相關(guān)性,用Origin 2018 軟件對上述數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖處理。利用Arc Map 10.2 和Auto-CAD 2022 軟件繪制研究區(qū)位置、取樣概況等圖件。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 沉陷裂縫對土壤水分的影響

土壤含水率大小影響植被汲取土壤養(yǎng)分。由圖2 可知:各個觀測水平的土壤含水率隨土層加深而增大,坡頂、坡中、坡底裂縫較非裂縫分別低了5.43%、8.70%、21.76%,裂縫帶表層土壤較深層土壤分別損耗了3.89%、48.69%、8.76%。土壤含水率在坡頂裂縫帶20～30 cm土層最大,0～10 cm土層最小,與非裂縫帶相比,0～30 cm 土層內(nèi)損耗了0.33%～0.79%,30～60 cm 土層內(nèi)損耗了8.14%～12.31%,說明坡頂沉陷裂縫主要影響了深層土壤含水率。坡中裂縫帶0～10 cm 土層土壤含水率最小,50～60 cm 土層最大,與非裂縫帶相比0～10 cm 土層內(nèi)損耗了34.87%,其余土層含水率變化范圍小,為0.52%～8.27%,說明坡中沉陷裂縫主要影響表層土壤含水率。坡底裂縫帶0～10 cm 土層最小,10～20 cm 土層最大,與非裂縫相比在10～20 cm 土層損耗僅0.31%,其余土層損耗11.51%～40.89%,說明坡底沉陷裂縫對各土層土壤含水率均有一定的影響。不同坡位沉陷裂縫對土壤含水率的影響程度大小依次為坡底>坡中>坡頂,就土壤含水率損耗情況來說,坡中表層和坡底深層土壤含水率受到的影響較大。

圖2 不同坡位裂縫和非裂縫帶土壤含水率變化Fig.2 Changes of soil moisture content in different slope positions and non-crack zones

2.2 沉陷裂縫對土壤養(yǎng)分的影響

土壤化學(xué)性質(zhì)是植物正常生長的主要限制因素[24]。土壤有機(jī)質(zhì)可有效加速團(tuán)粒結(jié)構(gòu)形成,是土壤重要組分之一。研究區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量整體不高,受采煤沉陷裂縫影響自坡頂至坡底土壤有機(jī)質(zhì)含量越來越高,裂縫帶變幅為0.72～1.11 g/kg,變異系數(shù)為0.192,非裂縫帶變幅為0.98～2.77 g/kg,變異系數(shù)為0.178,整體隨土層加深呈遞減趨勢,并在30～60 cm 土層有機(jī)質(zhì)含量逐漸穩(wěn)定。不同坡位土壤有機(jī)質(zhì)含量均顯著降低,較非裂縫帶分別在坡頂、坡中、坡頂減少了28.61%、102.59%、149.06%(P<0.05)。表明采煤沉陷裂縫自坡頂至坡底土壤有機(jī)質(zhì)含量受到不同程度影響,采煤沉陷裂縫對土壤有機(jī)質(zhì)含量造成一定的損失,且在坡底較為嚴(yán)重。

采煤沉陷裂縫顯著提高了不同坡位土壤速效養(yǎng)分含量,且不同坡位土壤速效養(yǎng)分差別不大,但基本隨土層加深逐漸減少。坡頂、坡中、坡底裂縫帶土壤速效氮較非裂縫帶分別減少了2.72%、1.73%、0.03%,采煤沉陷裂縫帶自坡頂至坡底土壤速效氮含量變化幅度為93.73～116.13 mg/kg,非裂縫帶變化范圍為86.78～116.77 mg/kg。坡頂、坡中、坡底裂縫帶土壤速效磷較非裂縫帶分別減少了2.09%、8.70%、2.61%,采煤沉陷裂縫帶自坡頂至坡底土壤速效磷含量變化幅度為6.42～9.22 μg/g,非裂縫帶變化范圍為6.57～9.07 μg/g。坡頂、坡中、坡底裂縫帶土壤速效鉀較非裂縫帶分別減少了14.00%、12.25%、3.13%,采煤沉陷裂縫帶自坡頂至坡底土壤速效鉀含量變化幅度為7.33～12.00 mg/kg,非裂縫帶變化范圍為6.25～10.75 mg/kg,表明沉陷裂縫會造成土壤速效養(yǎng)分在表層土壤富集(圖3)。

圖3 不同坡位各土層土壤養(yǎng)分變化量Fig.3 Variation of soil nutrient in different soil layers at different slope positions

2.3 沉陷裂縫對土壤性質(zhì)關(guān)系的影響

沉陷裂縫導(dǎo)致土壤理化性質(zhì)發(fā)生變化,離不開各因素間的相互制約。如表1所示,從土壤水分含量來看,坡頂沉陷裂縫帶相關(guān)性不顯著;非裂縫帶土壤水分與土壤有機(jī)質(zhì)之間呈顯著負(fù)相關(guān),說明沉陷裂縫降低了土壤水分與土壤有機(jī)質(zhì)之間的相關(guān)性。坡中沉陷裂縫帶土壤水分與土壤有機(jī)質(zhì)呈極顯著負(fù)相關(guān),與土壤速效鉀呈顯著負(fù)相關(guān);非裂縫帶相關(guān)性不顯著,說明沉陷裂縫提高了土壤水分與土壤有機(jī)質(zhì)和速效鉀之間的相關(guān)性。坡底沉陷裂縫帶土壤水分與土壤速效磷呈顯著正相關(guān),與土壤速效鉀呈顯著負(fù)相關(guān);非裂縫帶土壤水分與土壤有機(jī)質(zhì)呈極顯著正相關(guān),說明沉陷裂縫提高了土壤水分與土壤速效磷和速效鉀之間的相關(guān)性,降低了土壤水分與土壤有機(jī)質(zhì)之間的相關(guān)性。土壤水分與各指標(biāo)之間均有不同程度的相關(guān)性,但相關(guān)性均不顯著,這表明地表沉陷裂縫加大了多重因素對土壤水分變化的影響。

表1 不同坡位下裂縫帶與非裂縫帶土壤性質(zhì)相關(guān)性(n=18)Table 1 Correlation between soil properties of fractured zone and non-fractured zone under different slope positions(n=18)

從土壤有機(jī)質(zhì)含量來看,坡頂沉陷裂縫帶和非裂縫帶均表現(xiàn)為相關(guān)性不顯著。坡中和坡底沉陷裂縫帶土壤有機(jī)質(zhì)與土壤速效鉀呈極顯著正相關(guān),非裂縫帶土壤有機(jī)質(zhì)與土壤速效鉀呈顯著正相關(guān),說明坡中和坡底的沉陷裂縫對土壤有機(jī)質(zhì)和土壤速效鉀之間的相關(guān)性沒有影響。各坡位裂縫帶與非裂縫帶的分析結(jié)果不一致,具體原因有待進(jìn)一步研究。

3 討 論

煤炭開采加劇了土質(zhì)的不均一性,引起微地形起伏,生態(tài)環(huán)境受損[25]。本研究分析了沉陷裂縫對土壤質(zhì)量的影響,為風(fēng)沙采煤沉陷區(qū)植被恢復(fù)及衰退林保育提供了較好的研究思路。土壤水分是半干旱風(fēng)沙地貌區(qū)植被生長的主要限制因素[26]。采煤沉陷過程中地表出現(xiàn)不同程度的裂縫,使得降水入滲的水分更快滲入地下,土壤水補(bǔ)給隨之減少。非降水時段,沉陷裂縫增大了土壤與外界的接觸面積,土壤水分蒸散量增加[27],加劇了土壤水分的損失速度。補(bǔ)給水減少而蒸發(fā)量增加,必然導(dǎo)致土壤含水率減少[28]。本研究通過對不同坡位沉陷裂縫與非裂縫土壤含水率的研究表明,沉陷裂縫造成土壤含水率顯著降低,且在坡中和坡底受到的影響較大,該結(jié)論與劉英等[29]、杜華棟等[30]、韓瑜等[31]對沉陷區(qū)和不同坡位土壤含水率變化規(guī)律的分析一致。結(jié)合前人對不同坡位裂縫類型和寬度的研究表明[32],隨著裂縫寬度加大,土壤含水率逐漸減小[33],說明采煤沉陷裂縫類型、寬度、深度等因素對土壤含水率有一定的干擾性。

土壤有機(jī)質(zhì)含量是評價土壤肥力高低的一個重要指標(biāo)[34]。采煤沉陷使0～60 cm 深度內(nèi)沉陷區(qū)各層土壤有機(jī)質(zhì)含量較原地貌明顯下降(P<0.05)[31],與本研究土壤有機(jī)質(zhì)在非裂縫帶大于裂縫帶的分析結(jié)果一致,這可能是沉陷增加土壤侵蝕,有機(jī)質(zhì)氧化程度加劇,土壤通氣性變好使得土壤有機(jī)質(zhì)的分解速度加快,伴隨沉陷強(qiáng)度增加,土壤有機(jī)質(zhì)分解量將會加大[35]。沉陷區(qū)坡中和坡底的土壤有機(jī)質(zhì)損失最明顯,與韓煜等[31]研究結(jié)果相悖,造成該結(jié)論差異的原因可能與前期對不同坡位裂縫類型情況的調(diào)查情況有關(guān),也可能與不同地區(qū)資源差異有關(guān),有待進(jìn)一步研究。土壤速效養(yǎng)分是植物所需三大基本元素的直接來源[8],沉陷初期土壤速效氮、速效磷均明顯減少[36]。沉陷后,坡頂土壤速效氮、速效磷含量持續(xù)增加;坡中土壤速效磷、速效氮先減少后增加;坡底土壤速效氮先減少后恢復(fù),土壤速效磷持續(xù)增加[37]。煤炭開采后土壤中速效鉀含量出現(xiàn)了下降,且開采時間越短,其下降幅度越大,隨著開采時間延長,下降速度減緩,部分指標(biāo)趨于正常[38]。上述結(jié)論基本與本研究分析結(jié)果相似,這可能與裂縫的存在加之風(fēng)蝕、水蝕等外營力作用,從而導(dǎo)致水分入滲加速養(yǎng)分遷移有關(guān)[39]。

沉陷裂縫提高了土壤水分與土壤有機(jī)質(zhì)和速效鉀之間的相關(guān)性,可能是由于沉陷使得土壤水分空間變異性增強(qiáng)引起的[22]。研究區(qū)沉陷裂縫提高了土壤水分與土壤速效磷和速效鉀之間的相關(guān)性,降低了土壤水分與土壤有機(jī)質(zhì)之間的相關(guān)性。以上結(jié)論與吳志遠(yuǎn)等[40]對于干旱區(qū)開采地表土壤影響的研究結(jié)論不同,原因可能與不同地區(qū)資源差異有關(guān),也可能是由于土壤水分觀測時段和指標(biāo)不同,有待進(jìn)一步研究。本研究對采煤沉陷裂縫土壤養(yǎng)分特征的分析,可為今后礦區(qū)土壤性質(zhì)改良提供理論依據(jù)。土壤質(zhì)地改善、保墑保肥能力增強(qiáng),可為植被生長創(chuàng)造適宜的條件,從而更有效地實(shí)現(xiàn)礦區(qū)生態(tài)修復(fù)。

4 結(jié)論

(1)沉陷裂縫增加了土壤水分的蒸散量,降低了裂縫處的土壤含水率,相較非裂縫處減少了5.41%～21.76%,在裂縫寬度和深度都相對較小的坡頂中受到的影響小,表明沉陷裂縫處土壤含水率自坡頂至坡底受到的干擾越來越大。

(2)沉陷裂縫導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)氧化程度和分解量增加,土壤有機(jī)質(zhì)富集在表層土壤,相較非裂縫帶減少了28.61%～149.06%,采煤沉陷坡土壤有機(jī)質(zhì)的損失,在一定程度上會影響礦區(qū)的溫室效應(yīng)。裂縫帶土壤速效養(yǎng)分較非裂縫帶均有不同程度的增加,相較非裂縫帶增加了0.03%～14.00%。垂直方向上隨著土層加深,速效養(yǎng)分含量逐漸減少,沉陷裂縫使速效養(yǎng)分含量增加并在表層土壤附著。

(3)沉陷裂縫降低了坡頂土壤水分與土壤有機(jī)質(zhì)之間的相關(guān)性,提高了坡中土壤有機(jī)質(zhì)和土壤速效鉀之間的相關(guān)性,對坡底的土壤水分與土壤有機(jī)質(zhì)、速效磷和速效鉀之間的相關(guān)性影響較大,對土壤有機(jī)質(zhì)和土壤速效鉀之間的相關(guān)性沒有影響。煤炭開采引起的采煤沉陷裂縫對土壤指標(biāo)造成了不同程度的影響,不同坡位上土壤有機(jī)質(zhì)與其他指標(biāo)的相關(guān)性差異顯著。

(4)本研究對不同坡位沉陷裂縫處與非裂縫處的土壤水分和養(yǎng)分特征進(jìn)行了比較,分析了沉陷裂縫在各坡位對縱向土壤指標(biāo)的影響,從不同視角分析了沉陷裂縫土壤指標(biāo)的變化,由于不同坡位上裂縫寬度與深度不同,且在室內(nèi)指標(biāo)測定尚不全面,后續(xù)可就裂縫寬度與深度對土壤理化性質(zhì)的影響開展深入探究。