西北风积沙区采煤扰动下土壤侵蚀与养分演变特征

聂小军，高 爽，陈永亮，张合兵



西北风积沙区采煤扰动下土壤侵蚀与养分演变特征

聂小军1，高 爽1，陈永亮2，张合兵1

（1. 河南理工大学测绘与国土信息工程学院，焦作 454000； 2. 中国神华神东哈拉沟煤矿，榆林 719315）

为更好地理解西北风积沙矿区生态环境演变规律，以神东哈拉沟与上湾矿区为例，利用137Cs示踪法分析了未采区、自恢复沉陷区（1、2、4、8 a沉陷区）与植被修复区（13 a沉陷区）的土壤侵蚀与养分特征，研究了矿区土壤侵蚀与养分的演变规律。结果表明：采煤扰动可以导致未采区土壤侵蚀强度增大与有机碳、微生物量碳、全氮、全磷、碱解氮养分明显损失。开采沉陷后，沉陷区土壤侵蚀强度随着时间的推移呈现出先增加后降低的趋势；其中，地表沉陷后的最初2 a是土壤侵蚀急剧增大的时段。采煤扰动下，土壤有机碳、微生物量碳、全氮、全磷、碱解氮养分的演变规律与土壤侵蚀演变密切相关。植被修复可以有效降低沉陷区土壤侵蚀强度与提高土壤养分含量。西北风积沙区采煤沉陷地表的生态恢复应该及时开展地表沉陷后的早起侵蚀防治，兼顾考虑植被修复与土壤微生物联合修复，以此促进土壤、植被正向演替。

土壤；侵蚀；养分；采煤塌陷；生态环境演变；137Cs示踪；风积沙区

0 引 言

西北地区是中国重要的煤炭基地，煤炭资源储量丰富、赋存稳定、基岩薄、煤层厚、埋深浅、地质条件简单，极适于高强度开采。随着国家煤炭开采战略的西移，集群化、高强度开采方式使得地表生态环境的破坏范围广、速度快、形式多、时空差异大。加之，西北矿区多处于风积沙区，生态脆弱，突出表现为干旱缺水、植被覆盖低、抗扰动能力差，在采矿扰动和自然营力的共同作用下，煤炭开采导致的地表生态环境恶化问题极其突出，严重制约了矿区的可持续发展。

采煤扰动导致的土壤质量变化是西北风积沙矿区生态环境研究关注的一个重要科学议题。受采煤扰动影响，土壤质量呈动态变化，因此开展该方面的研究应该关注土壤质量的演变。先前大量的研究从静态的角度评价了地表沉陷后土壤水分、养分等理化性质的变化，探讨了地表破坏（裂缝、沉陷）对土壤质量的影响[1-6]。最近，台晓丽等[7-8]从动态的角度研究了地表沉陷后的土壤水分、养分演变。目前的研究极大地增加了对矿区土壤质量变化的认识，但是这些研究通常以沉陷区附近的未采区为对照，忽略了煤炭开采对未采区生态环境的影响（例如：已采区地下含水层破坏导致整个矿区土壤干旱加剧），这不利于全面理解西北风积沙矿区土壤质量的演变规律。

土壤侵蚀是导致全球土地退化的一个主要原因[9]。西北风积沙区风蚀荒漠化严重，采煤扰动导致该环境问题更加突出，但是有关该矿区土壤侵蚀演变的研究鲜有报道。目前用于评价土壤侵蚀的方法主要有修正的通用土壤流失方程（RUSLE，revised universal soil loss equation）与同位素示踪法。在RUSLE中，SL（坡长、坡度）是评价土壤侵蚀强度的地形因子。由于西北风积沙矿区地貌类型主要为波状沙丘，地下煤层近水平分布，开采沉陷导致的地形因子SL变化不明显，这将限制利用RUSLE对该区土壤侵蚀演变的准确评价。与通用土壤流失方程不同，137Cs同位素示踪法不受地形因子的限制，只需要比较研究区与背景区的137Cs含量差异，即可获取研究区的侵蚀或沉积状况；而且，137Cs示踪法具备简单、评价精度高、研究费用低等特点，因此该方法目前被证明是研究土壤侵蚀（水蚀、风蚀、耕作侵蚀）的可靠方法[10]。此外，137Cs示踪法能够很好地建立土壤侵蚀-养分间的联系[11-13]，为研究土壤养分侵蚀动态提供了方法论上的支持。

基于以上背景，本研究以神东哈拉沟与上湾矿区为研究区，利用137Cs示踪法调查未采区、自恢复沉陷区（地表沉陷后稳定期分别为1、2、4、8 a的沉陷区）的土壤侵蚀与养分特征，揭示其演变规律并探讨土壤侵蚀对土壤养分演变的影响，同时也检验植被修复区（地表沉陷后稳定期为(13+12) a经济林恢复）的土壤保持效果，以期为西北风积沙矿区的生态恢复与重建提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区选择神东哈拉沟（39°23′54″N，110°12′30″E）与上湾（39°16′52″N，110°09′32″E）矿区（图1a），地处毛乌素沙漠东南边缘，海拔1 084～1 350 m；地貌类型主要为波状固定、半固定沙丘，地表多为第四系风积沙等松散层覆盖。研究区属温带半干旱半沙漠的高原大陆性季风气候，降雨稀少且年内变化大，年均降雨量为375 mm（1957－2016），一年的降水主要集中在7～9月中旬，约占全年降水量的60%以上，且多以暴雨的形式出现。研究区蒸发强烈，年均蒸发量为2 382 mm，是年降雨量的6.4倍。春、冬两季为研究区风季，西北风盛行，风速一般在3.30 m/s左右，最大可达24 m/s（1979年11月）。生态系统主要为荒漠草原，植被以沙柳（）、沙蒿（）、紫穗槐（）和柠条（）等典型荒漠植被为主。土壤类型为风沙土或黄绵土，表层土壤质地为砂土或砂壤，结构较松散，土壤肥力低，风蚀严重。研究区煤层埋深较浅，高强度井工开采导致的地表破坏（沉陷、裂缝）、水土流失、植被退化等生态环境问题突出。

图1 研究区与试验样地位置示意图

1.2 样地选择

根据哈拉沟与上湾矿采煤工作面背景资料，2013年在研究区内选择未采区、自恢复沉陷区（地表沉陷后稳定期分别为1、2、4、8 a的沉陷区，下文分别简称为1、2、4、8 a沉陷区）、植被修复沉陷区（地表沉陷后稳定期为(13+12) a经济林恢复）来开展研究（图1b）。未采区、4个自恢复沉陷区以及植被修复沉陷区的供试样地面积均为0.15 km2。未采区、自恢复沉陷区与植被修复沉陷区地貌、土壤类型一致，地貌类型均为波状沙丘，沙丘均为浅丘，土壤类型均为风沙土，土壤侵蚀主要为风蚀。自恢复沉陷区的植被以自然恢复为主，植被类型为落叶阔叶灌丛和沙生类，覆盖度30%～60%，主要物种包括沙柳（）、沙蒿（）、紫穗槐（）、柠条（）、沙米（）、针茅（）、狗尾草（()）等。植被修复沉陷区的修复措施为水平沟与鱼鳞坑整地+杏树（）种植，修复林地的郁闭度为0.6。本研究调查发现，未采区虽然还没有发生地表沉陷，但已经受到了矿业活动的明显影响，如：周边地表沉陷对未采区地表-地下水文环境的影响、运煤公路对未采区的切割以及对其植被的破坏（植被覆盖度50%～60%；未采区植被类型、主要物种与自恢复沉陷区一样）等，因此，像沉陷区一样，未采区也属于采煤扰动区，反映地表沉陷之前的采煤扰动信息。另外，根据神东矿区井田分布范围资料，本研究在神东矿区边界外（距离上湾矿西部25 km左右）选择植被良好（覆盖度80%）且未受采煤扰动的区域作为研究区的对照区（CP，图1a），以此反映矿区未受采煤扰动前的背景信息。而且，对照区的地貌类型、土壤类型、植被类型、主要植物物种与未采区、自恢复沉陷区完全一样，从而确保对照区的代表性。对照区的供试样地面积同样为0.15 km2。

未采区、沉陷区、对照区土壤概况见表1。

表1 未采区、沉陷区、对照区土壤（0～15 cm）概况

表1中，对照区土壤容重小，主要是由于对照区植被情况良好，覆盖度高达80%（远高于未采区50%～60%与沉陷区30%～60%的植被覆盖度），植物根系发达，因而导致对照区土壤疏松，结果表现出土壤容重小的现象。此外，对照区土壤容重小与土壤侵蚀强度有关。相比较未采区、自恢复沉陷区，对照区土壤侵蚀弱（见下文中的土壤侵蚀研究结果），因此，对照区土壤中保留的黏粒含量相对高（表1），所以这也是导致对照区土壤容重小的一个原因。而未采区、自恢复沉陷区土壤侵蚀强，由于黏粒相较于砂粒易受侵蚀（风蚀、水蚀）搬运，所以土壤中的黏粒含量降低、砂粒含量增加（表1），最终导致土壤容重增加。

137Cs示踪法已被成功应用于风蚀区土壤侵蚀研究[14-16]。应用该示踪技术开展土壤侵蚀评价的前提是获取研究区域的137Cs背景值。本研究中，为利用137Cs示踪法评价采煤扰动区内的未采区、沉陷区土壤侵蚀变化特征，在对照区附近选择一处具有60 a历史的林地（杨树林，样地面积为0.05 km2，图1a）作为137Cs沉降本底区来获取137Cs背景值。该本底区地表凋落物层次清晰，为不同分解阶段的植物残体，而且未发现泥沙混合现象，表明该土壤无人为扰动、无明显侵蚀和堆积，因此是较理想的137Cs本底值采样区。

137Cs示踪土壤侵蚀的基本原理为：如果采样区的137Cs浓度小于137Cs背景值，则该样区被断定为侵蚀区；反之，为沉积区。在侵蚀区，土壤侵蚀强度与137Cs浓度呈反比关系，即137Cs浓度越低，土壤侵蚀强度越大[17-18]。

1.3 样品采集与分析

样品采集方案为：首先，采集137Cs本底样品。在137Cs本底区，设置7个137Cs背景点，用取土钻（直径=8 cm，钻头长度为15 cm；荷兰Eijkelkamp公司生产）在每个样点按照5 cm的土壤深度间隔采集至地表以下40 cm。其次，在上述未采区、5个沉陷区以及对照区分别随机布设5个重复样点，总计35个样点。根据137Cs本底值的土壤深度分布特征（主要分布在0～25 cm），每个样点按照15 cm的土壤深度间隔，分层采集0～15、>15～30 cm的土壤样品。样品采集结束，带回实验室测定。

待测样品在实验室自然风干、过筛，0～15 cm深度的土壤样品用于测定土壤颗粒组成、容重、pH值、有机碳、全氮、全磷、碱解氮、有效磷、微生物量碳指标；0～30 cm深度的分层土壤样品用于测定137Cs浓度与土壤容重。137Cs样品的测定利用美国堪培拉（CANBERRA）公司生产的高纯锗（HPGe）探头多道能谱仪。每个样品测试质量不小于350 g，测试时间为40 000～60 000 s，测试结果相对误差<5%。经仪器测定的137Cs含量为质量浓度（Bq/kg），结合土壤容重将其转化为面积浓度（Bq/m2）。土壤颗粒组成、容重、pH、有机碳、全氮、全磷、碱解氮、有效磷采用常规分析方法来测定[19]，即：土壤颗粒组成通过吸管法来测定，然后把颗粒组分归类成2～0.05 （砂粒）、0.05～0.002（粉粒）、<0.002 mm（黏粒）3部分，根据美国农部制土壤质地判定方法来划定本研究中的土壤质地；土壤容重的测定是通过对本研究中按照5与15 cm土壤深度间隔采集的全部样品利用烘干法（105 ℃）来进行（与环刀法原理一样）；pH值采用电位法来测定（水土比为2.5:1）；有机碳用重铬酸钾油浴外加热法测定；全氮与碱解氮分别用凯氏定氮法与碱解扩散法来测定；全磷用HClO4-H2SO4酸溶-钼锑抗比色法测定，有效磷用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定。土壤微生物量碳通过氯仿熏蒸－K2SO4提取法测定[20]。

1.4 数据分析

所有测定数据采用SPSS19.0统计软件来处理。未采区、沉陷区以及对照区间的各指标均值差异采用ONE－ANOVA单因素方差分析来进行，在<0.05的显著性水平下认为均值具有显著性差异。

2 结果与讨论

2.1 土壤侵蚀

本研究调查的137Cs本底值为726（SD:±34）Bq/m2。137Cs本底值深度分布格局（图2）表明：随着土壤深度的增加，137Cs面积浓度降低，且137Cs含量集中分布在0～25 cm的土壤深度范围内，总体上呈现出单峰+负指数分布形态，这种格局符合137Cs在区域背景样地土壤中的分布规律[21]。

图2 137Cs本底值的土壤剖面分布格局

未采区、沉陷区、对照区（CP）的137Cs面积浓度（326～581 Bq/m2）均低于137Cs本底值（726 Bq/m2）（图3），降幅为32%～55%，表明未采区、沉陷区与对照区的土壤遭受了严重的侵蚀，也反映了西北风积沙区风蚀严重的背景特征。

Note: CP, control plot; UEP, unexploited plot; 1ySP, 1-year subsided plot; 2ySP, 2-year subsided plot; 4ySP, 4-year subsided plot; 8ySP, 8-year subsided plot; 13ySP, 13-year subsided plot, the same below.

对照区137Cs含量（494 Bq/m2）反映研究区未受采煤扰动下的土壤侵蚀水平；与对照区相比，未采区137Cs含量（454 Bq/m2）降低8%，表明采煤扰动加剧了未采区土壤侵蚀，也反映出采煤扰动影响下矿区地表沉陷之前的土壤侵蚀变化。未采区土壤侵蚀增强可能与井下开采导致的地下水水文格局破坏有关。由于研究区煤系上覆岩层之上的第四系河谷冲积层潜水为土壤、植被的涵养水层，井下工作面开采产生的导水裂缝带导通了第四系潜水含水层，使得采空区形成地下漏斗，从而诱发未采区的地下水向采空区汇集，进而加剧未采区地表土壤干旱、沙化，最终导致未采区土壤侵蚀强度增加。

与对照区相比，沉陷历史为1、2、4、8 a的自恢复沉陷区137Cs面积浓度在未采区8%的降幅基础上继续降低（图3），分别降低16%、29%、34%、10%。这表明：开采沉陷进一步加剧了研究区的土壤侵蚀强度；而且，自地表沉陷后，随着时间的推移，土壤侵蚀强度呈现出先增加后降低的趋势。综合未采区、1、2、4、8 a沉陷区137Cs含量变化，也可以看出：地表沉陷后的最初2 a，土壤侵蚀急剧增大；4 a以后，土壤侵蚀呈现降低趋势。该结果可能归因于植被的破坏与恢复。实地调查发现，高强度开采沉陷后的最初2 a，由于地表裂缝多（尤其是垂直于井下工作面推进方向的动态裂缝），灌乔木受裂缝拉断根系影响而枯萎，禾本、草本科植物因裂缝增加了土壤水分蒸发通道而大面积干旱死亡，该时段内植被对土壤的保持作用极差，因此，土壤侵蚀急剧增大；及至第4年，裂缝多被风沙掩埋，植被开始好转，植被固土作用也相应转强，因此该时段后，土壤侵蚀开始减弱。从1、2、4、8a沉陷区都是自恢复沉陷区这个角度来看，8年沉陷区相较于1、2、4a沉陷区，其137Cs含量呈现增加趋势。这个结果说明：西北风积沙区沉陷地表随着自恢复期限的延长，土壤侵蚀水平可以降低。

植被修复沉陷区由于植被修复期长（12 a）且取得了良好的修复效果，137Cs面积浓度相较于对照区增加（图3），增幅为18%，表现出最低的土壤侵蚀强度，由此可见，植被修复是防治西北风积沙区采煤沉陷地表土壤侵蚀的有效手段。

2.2 土壤养分

图4显示了未采区、沉陷区、对照区之间土壤养分变化。与对照区相比，未采区土壤有机碳、全氮、全磷、碱解氮含量显著降低（0.05），降低幅度分别为55%、64%、29%、36%，表明地表沉陷之前这些养分的明显损失。但是，未采区土壤有效磷含量相较于对照区显著增加（0.05），这可能是因为井下开采对土壤的涵养水层（第四系潜水）的破坏加剧了土壤干旱，从而增强了土壤有机磷向无机磷的矿化。

图4 未采区、沉陷区、对照区的土壤养分含量

对于自恢复沉陷区而言，土壤有机碳、全氮、碱解氮含量随着时间的推移而增加（图4），该结果与刘哲荣等[22-23]的研究结果一致，表明西北风积沙区开采沉陷后土壤养分的自恢复演变趋势。具体来说，1、2 a沉陷区土壤有机碳、全氮、碱解氮含量最低，且低于未采区（0.05）；4、8 a沉陷区这3个养分的含量分别接近（0.05）、显著高于未采区，但仍低于对照区。这表明：地表沉陷后的最初2 a，土壤有机碳、全氮、碱解氮损失最严重；4~8 a后，它们的含量将恢复至甚或超出地表沉陷前的水平，但很难恢复到采煤扰动前的水平。另外，土壤全磷含量仅在4 a沉陷区显著低于未采区（<0.05），但相较于其他3个自恢复沉陷区（1、2、8 a）无显著差异（>0.05），这表明：地表沉陷后的第4年，全磷损失明显；其后随着时间的推移，全磷含量可以恢复到地表沉陷前的水平。土壤有效磷在1、2、4、8 a沉陷区的含量均低于未采区（<0.05），大体上表现出随着时间的推移而逐渐降低至采煤扰动前水平的趋势。该结果可能归因于地表沉陷后，随着植被自恢复效果的逐渐好转，植被对有效磷养分的利用不断增强。此外，这4个自恢复沉陷区土壤有效磷含量均不同程度地高于对照区。土壤有效磷亏缺被证实是限制许多矿区土壤、植被正向演替的影响因子[24]。但是，本文结果表明本研究区并没有发生因采煤扰动导致的土壤有效磷亏缺，因此本矿区的生态修复应该合理利用土壤有效磷本底优势，促进土壤、植被正向演替。

在植被修复沉陷区（13 a沉陷区），土壤有机碳、碱解氮含量显著高于对照区（<0.05），全氮、全磷、有效磷含量接近对照区（>0.05），这表明植被修复可以有效提升西北风积沙区开采沉陷地表退化土壤的养分。

本研究调查了采煤扰动区土壤微生物量碳的变化。土壤微生物量碳作为土壤有机碳库中最为活跃的组分，尽管只占总有机碳的1%～5%，但是它积极参与有机质的分解、养分的循环与转化，是反映土壤微生物活性强弱的最重要的指标[25]。本调查（图4）发现，采煤扰动区土壤微生物量碳的演变趋势类似于土壤有机碳、全氮、碱解氮。与土壤有机碳、全氮、碱解氮、全磷含量在植被修复沉陷区高于或接近对照区不同的是，土壤微生物量碳含量在植被修复沉陷区低于（<0.05）对照区，表明植被修复对沉陷区土壤微生物活性的改善效果弱于有机碳与氮磷养分。因此，研究区生态修复应兼顾考虑植被修复与土壤微生物修复措施。

2.3 微生物熵、碳氮比、碳磷比

为进一步探讨采煤扰动区土壤养分的动态，本研究分析了土壤养分比值指标：微生物熵（土壤微生物量碳与有机碳的比值；下文用MBC/SOC来表示）、碳氮比（C/N）与碳磷比（C/P）。图5显示：与对照区（3.43%）相比，未采区、沉陷区的土壤MBC/SOC均出现了不同程度的降低（1.87%～3.18%），其中，8 a自恢复沉陷区与植被修复沉陷区的MBC/SOC最低。与MBC/SOC的变化相反，未采区、沉陷区的C/N（10.4～15.2）相较于对照区呈现不同程度的增加，其中，未采区、8 a自恢复沉陷区与植被修复沉陷区的C/N最高。相较于对照区，未采区的C/P降低，植被修复沉陷区的C/P增加；但在自恢复沉陷区，C/P有增有减，其中，C/P在1、2、4 a自恢复沉陷区降低，而在8 a自恢复沉陷区增加。

图5 未采区、沉陷区、对照区土壤微生物熵、碳氮比及碳磷比

土壤微生物熵是衡量土壤有机质积累水平的重要指标，它比单独用有机碳或微生物量碳能更好地反映有机质质量的变化[26]。土壤C/N、C/P通常被用来表征土壤氮、磷素的矿化能力[27-29]。土壤C/N、C/P低，有利于促进微生物分解有机质释放养分，增加土壤有效氮、磷供给；反之，会导致微生物在分解有机质的过程中氮、磷受限，从而产生微生物与植物对土壤无机氮、磷的竞争，不利于植物的生长。本研究土壤MBC/SOC变化表明，土壤有机质积累水平在地表沉陷前与沉陷后可以出现不同程度的降低，尤其是在沉陷后。8 a自恢复沉陷区与13 a植被修复沉陷区表现出最低的MBC/SOC，该结果归因于这两个沉陷历史长的沉陷区土壤微生物活性恢复程度远低于有机碳。因此，开展矿区土壤有机质质量评价应该综合考虑土壤有机碳与微生物量碳。土壤C/N结果表明：地表沉陷前与沉陷后土壤氮素矿化能力降低，土壤有效氮供应不足。土壤C/P变化表明：受采煤扰动影响，矿区地表在其沉陷前及沉陷后的短期内（1～4 a），土壤磷素矿化能力增强。前述结果“未采区、1、2、4 a沉陷区土壤有效磷含量最高（见表2）”也证实了矿区地表沉陷前及沉陷后短期内的土壤磷素矿化能力增强这一结果。8 a自恢复沉陷区与植被修复沉陷区C/N、C/P最高，表明随着时间推移，土壤氮磷素矿化能力降低的趋势，这可能是因为该阶段（地表沉陷后的8～13 a）沉陷区植被恢复效果转好，进入土壤中的有机物（枯枝落叶）迅速增多，但土壤微生物活性未能同步增强，所以限制了微生物对有机N、P底物的矿化分解。

2.4 土壤养分与侵蚀的联系

在山地、丘陵等地貌区，土壤侵蚀是导致土壤养分损失的主要原因[9,30]。通过2.1与2.2节结果可以看出：与对照区相比，未采区、1、2、4、8 a自恢复沉陷区、植被修复区的土壤有机碳、全氮、全磷、微生物量碳、碱解氮变化相似于137Cs变化，表明西北风积沙区采煤扰动地表土壤有机碳及氮、磷养分的演变规律与土壤侵蚀演变之间存在密切联系。相关分析也显示：土壤有机碳、全氮、全磷、微生物量碳、碱解氮含量均与137Cs含量呈正相关关系（0.76～0.87，<0.05；见图6），这个结果与程静霞等[31-32]的研究结果一致，表明矿区土壤有机碳及氮、磷养分含量随采煤扰动下土壤侵蚀强度的增加而降低。因此，土壤侵蚀防治是西北风积沙区采煤扰动地表土壤养分保持的首要任务。

图6 土壤养分与137Cs之间的相关关系

3 结 论

本研究对西北风积沙矿区采煤扰动下土壤侵蚀与养分演变特征调查的结果表明：

1）受采煤扰动影响，未采区土壤侵蚀强度增大，土壤有机碳、微生物量碳、全氮、全磷、碱解氮养分损失明显，土壤有机质积累水平、氮素矿化能力降低，土壤磷素矿化能力增加。

2）地表沉陷后，随着时间的推移，土壤侵蚀强度呈现出先增加后降低的趋势，土壤有机碳、微生物量碳、全氮、全磷、碱解氮含量呈现出先降低后增加的趋势。地表沉陷后的最初2 a是土壤侵蚀急剧增大、碳氮养分损失最严重的时段。

3）采煤扰动下，矿区土壤有机碳、微生物量碳、全氮、全磷、碱解氮养分演变与土壤侵蚀演变密切相关。

4）植被修复可以有效降低采煤沉陷区土壤侵蚀强度与提高土壤有机碳与氮磷养分含量。

基于本研究结果，西北风积沙矿区的生态恢复应该以侵蚀防治为首要任务，合理利用土壤有效磷本底优势，兼顾考虑植被修复与土壤微生物修复，以此促进土壤、植被正向演替。此外，本研究也启示研究者在今后开展矿区生态环境演变研究时，如果把未采区作为对照区，可能存在不能准确评价沉陷区土壤、植被、水等生态环境要素变化的风险。

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Characteristics of soil erosion and nutrients evolution under coal mining disturbance in aeolian sand area of Northwest China

Nie Xiaojun1, Gao Shuang1, Chen Yongliang2, Zhang Hebing1

(,,454000,; 2.,,719315,)

Deterioration of the local ecological environment due to coal mining is serious in the aeolian sand area, Northwest China. A better understanding of the evolution of aeolian sandy soil under coal mining disturbance is essential prior to the initiation of restoration of local ecological environment. In this study, the137Cs tracing technique was used to investigate the characteristics of soil erosion and nutrients in coal mining disturbed lands of Shendong mining area, Northwest China. A plot without being disturbed by coal mining activities near Shendong mining area was selected as the control plot. As for the mining disturbed lands, an unexploited plot and 5 subsidence plots were selected as the study sites. The 5 subsidence plots include 4 self-recovery subsidence plots and one vegetation restoration plot. The 4 self-recovery subsidence plots (1ySP, 2ySP, 4ySP, 8ySP) have undergone stabilization for 1, 2, 4, and 8 years, respectively after surface subsidence. The vegetation restoration plot has experienced a 13-year duration of stabilization after surface subsidence, and has been planted with almond trees for 12 years. It was found that137Cs inventories from the unexploited plot, subsidence plots and control plot were 32%-55% lower than local137Cs reference inventory (726 Bq/m2), which demonstrates the background of severe wind erosion desertification in the study area. In comparison with the control plot, the137Cs inventories in the unexploited plot, 1ySP, 2ySP, 3ySP and 4ySP decreased by 8%, 16%, 29%, 34%, and 10%, respectively. Changes in the nutrients, including soil organic carbon (SOC), microbial biomass carbon (MBC), total nitrogen (TN), available nitrogen (AN) and total phosphorus (TP), showed a similar trend to the137Cs variation. Unlike SOC, MBC, TN, AN, and TP, available phosphorus showed higher concentrations in the unexploited plot and the 4 self-recovery subsidence plots than that in the control plot. In addition, the137Cs, SOC and TN concentrations increased in the vegetation restoration plot in comparison with that in the control plot. Overall, there were significant correlations between SOC, MBC, TN, AN, TP and137Cs within the mining disturbed lands. It was also found that the coal-mining disturbed lands exhibited smaller ratios of MBC to SOC but greater ratios of SOC to TN (i.e. C/N) than the control plot. These results suggested that the intensity of soil erosion firstly increased and then decreased after surface subsidence in the aeolian sand area. Soil erosion increased sharply in the first 2 years after surface subsidence. The evolution of soil nutrients is closely associated with soil erosion evolution under coal mining disturbance. The present study provides evidences for the acceleration of soil erosion and nutrients depletion in unexploited lands of mining area by coal mining disturbance. As a consequence, there would be a considerable underestimation of the impact of mining subsidence on soil evolution when using unexploited plots as the control. Our study also suggested that vegetation restoration may effectively weaken soil erosion and improve soil nutrients in subsidence lands. Therefore, ecological restoration in subsidence lands of the aeolian sand area, Northwest China, should combat against earlier soil erosion after surface subsidence, and a plant-microorganism integrated remediation approach should be adopted to promote the positive succession of soil and vegetation.

soils; erosion; nutrients; mining subsidence; ecological environment evolution;137Cs tracing method; aeolian sand area

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.02.017

S157.1; P208

A

1002-6819(2018)-02-0127-08

2017-08-31

2017-12-06

国家自然科学基金委员会与神华集团有限责任公司联合资助项目（U1261206）；河南省高校创新团队支持计划（18IRTSTHN008）

聂小军，男，山西曲沃人，博士，副教授，主要从事土壤侵蚀与环境生态研究。Email：niexj2005@126.com

聂小军，高 爽，陈永亮，张合兵. 西北风积沙区采煤扰动下土壤侵蚀与养分演变特征[J]. 农业工程学报，2018，34(2)：127－134. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.02.017 http://www.tcsae.org

Nie Xiaojun, Gao Shuang, Chen Yongliang, Zhang Hebing. Characteristics of soil erosion and nutrients evolution under coal mining disturbance in aeolian sand area of Northwest China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(2): 127－134. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.02.017 http://www.tcsae.org