陕北矿区黄土沉陷坡面土壤有机质的时空变化特征及对土壤侵蚀的影响

张 勇，左 靖,，李国栋，宋世杰，王 艺，彭芮思，郑贝贝

（1.陕西省水利发展调查与引汉济渭工程协调中心,陕西 西安 710004；2.西安科技大学地质与环境学院,陕西西安 710054；3.山西水务集团建设投资有限公司,山西 太原 030108；4.陕西省煤炭绿色开发地质保障重点实验室,陕西 西安 710054；5.西安科技大学煤炭绿色开采地质研究院,陕西 西安 710054）

陕北作为黄河流域中游重要的煤炭生产基地,在向全国输送优质煤炭的同时,也造成了区域脆弱生态环境的严重损害[1]。由于大规模煤炭开采,产生大量开采沉陷等地质环境问题,加剧了区域水土流失,降低了土壤质量和土壤抗侵蚀能力,造成生态环境脆弱[2-3]。虽然开采沉陷及其衍生的生态环境损害复杂多样,但土壤质量损伤是生态环境负效应的关键形式之一。有机质含量是表征土壤质量的核心指标之一,且极大地制约着地表植被的生长状况和修复方式[4]。已有研究表明,煤炭开采必然影响到土壤可蚀性和水土流失强度[5-8]。

选取陕北张家峁矿区作为研究对象,研究陕北煤矿区沉陷区和自然状态下黄土坡面土壤有机质的空间变化特征,为沉陷区生态修复与水土保持工作提供科学依据。

1 研究区概况

陕西神木市张家峁矿区属典型中温带半干旱大陆性气候。井田西部为风沙滩地区,其余地区为黄土沟壑地貌,地形破碎,植被种类少,水土流失严重。井田全区主采煤层为3-1 煤层、埋深在0～108 m、平均厚度为2.84 m,在长壁综采开采方式下开采沉陷发育明显,地表下沉系数约为0.7[4]。

2 材料与方法

2.1 布点采样

研究区内选择沉陷年限分别为1～2 年、5～6 年、7～8 年的黄土坡面作为实验组,在坡顶、坡中和坡脚3 个部位随机布设3 个1 m×1 m 的样方,在每个样方中采用“五点法”分别采集0 cm～10 cm、10 cm～20 cm、20 cm～40 cm、40 cm～60 cm 土层深度的土壤样品各1kg；同时将同区域未沉陷且形态相似的黄土坡面作为对照组,按相同方法采集土壤样品。实验组与对照组共采集样品48 个。

2.2 样品检测

土壤样品在室内经过自然风干、去除砂石、植物残枝和杂质、研磨过筛等预处理后,使用总有机碳分析仪,采用燃烧氧化-非分散红外吸收法测定有机质含量,平行测定3 次,取算数平均值作为最终值。

2.3 数据处理

实验数据采用SPSS 21.0 软件进行整理分析,通过Origin 9.1 软件绘制相关图件。

3 结果与分析

3.1 结果

陕北煤矿区其不同沉陷年限所采集的土壤样品有机质含量测定结果见表1。

表1 陕北煤矿区不同沉陷年限土壤有机质含量测定结果

3.2 分析

陕北煤矿区黄土沉陷坡面土壤有机质含量变化对比见图1～图3。

图1 陕北煤矿区黄土坡面沉陷1 年～2 年土壤有机质对比

图2 陕北煤矿区黄土坡面沉陷5 年～6 年土壤有机质对比

图3 陕北煤矿区黄土坡面沉陷7 年～8 年土壤有机质对比

3.2.1 黄土坡面沉陷1 年～年土壤有机质的空间变化规律由图1 可知：

（1）坡顶和坡中土壤有机质含量呈现随土层深度增加而逐渐减小的趋势,坡顶0～10 cm 土壤有机质含量是40 cm～60 cm 的4.5 倍；坡中0～10 cm 土壤有机质含量是40 cm～60 cm的5.7 倍。坡脚有机质含量随土层深度增加呈现先增大后减小的趋势,坡脚10 cm～20 cm 土壤有机质含量分别是0～10 cm、40 cm～60 cm 的1.6 倍和1.4 倍。

（2）对比三个坡面部位有机质含量：坡中0～10 cm 土壤有机质含量是坡顶、坡脚的1.3 倍和2.1 倍,坡中10 cm～20 cm 土壤有机质含量是坡顶、坡脚的1.5 倍和1.2 倍,即在0～20 cm 处,坡中的有机质含量最为集中；20～40 cm 坡顶、坡中及坡脚土壤有机质含量变化差异不明显,均在0.72 g/kg～0.88 g/kg 范围内浮动；坡脚40 cm～60 cm 土壤有机质含量是坡顶、坡中的3.1 倍和3.0 倍,即在40 cm～60 cm 处,坡脚的有机质含量最为集中。

（3）与对照组相比,从不同坡面部位看,垂直深度为0～60 cm 以内的不同坡面部位土壤有机质平均损失率由大到小的排序为坡顶（57.8%）>坡中（30.5%）>坡脚（8.3%）。从不同土层深度看,三个坡面部位的各层土壤有机质平均损失率由大到小的排序为40 cm>60 cm（41.9%）>20 cm～40 cm（34.1%）>10 cm>20 cm（25.1%）>0>10 cm（22.2%）。

（4）对于沉陷1 年～2 年,坡顶土壤有机质平均损失率最大,土壤有机质含量减少的越多。土壤有机质的减少意味着微生物生存载体的减少[7],土壤养分降低,土壤可蚀性K 值增大,土壤的抗侵蚀能力越小[8]。因此,沉陷1 年～2 年的坡顶土壤潜在侵蚀风险较坡中和坡脚更大。

3.2.2 黄土坡面沉陷5～6 年土壤有机质的空间变化规律

由图2 可知：

（1）坡顶和坡中土壤有机质含量随土层深度增加均呈现先减小后增大的趋势。在0～40 cm 范围内,坡顶和坡中的土壤有机质含量随土层深度增加而逐渐减小,坡顶0～10 cm 土壤有机质含量是20 cm～40 cm 的3.0 倍；坡中0～10 cm 土壤有机质含量是20 cm～40 cm 的2.3 倍。在40 cm～60 cm 范围内,坡顶和坡中的土壤有机质含量反而增大。坡脚有机质含量随土层深度增加而呈现先增大后减小的趋势,坡脚10 cm～20 cm土壤有机质含量分别是0～10 cm、40 cm～60 cm 的1.6 倍和1.7倍。

（2）对比三个坡面部位有机质含量：坡顶0～10 cm 的土壤有机质含量是坡中、坡脚的2.5 倍和2.3 倍,坡顶10 cm～20 cm的土壤有机质含量是坡中、坡脚的1.9 倍和1.1 倍,即在0～20 cm 处,坡顶的有机质含量最为集中；坡脚20 cm～40 cm 土壤有机质含量是坡顶、坡中的1.8倍和3.4倍,即在20 cm～40 cm处,坡脚的有机质含量最为集中；坡中40 cm～60 cm 土壤有机质含量是坡顶、坡脚的1.5 倍和1.6 倍,即在40 cm～60 cm 处,坡中的有机质含量最为集中。

（3）与对照组相比,从不同坡面部位看,垂直深度为0～60cm 以内的不同坡面部位土壤有机质平均损失率由大到小的排序为坡中（67.1%）>坡顶（41.3%）>坡脚（6.5%）。从不同土层深度看,三个坡面部位的各层土壤有机质平均损失率由大到小的排序为20 cm～40 cm（52.5%）>10 cm～20 cm（37.4%）>0～10 cm（29.5%）>40 cm～60 cm（6.9%）。

（4）对于沉陷5 年～6 年,坡中土壤有机质平均损失率最大。由有机质和微生物参与形成的土壤团聚体具有更好的抗侵蚀能力[5]。坡顶土壤有机质含量减少,不利于形成良好的土壤团聚体,土壤可蚀性K 值会增大,坡中土壤更容易受到侵蚀。

3.2.3 黄土坡面沉陷7～8 年土壤有机质的空间变化规律

由图3 可知：

（1）坡顶和坡中土壤有机质含量均呈现随土层深度增加而逐渐减小的趋势,坡顶0～10 cm 土壤有机质含量是40 cm～60 cm 的1.9 倍；坡中0～10 cm 土壤有机质含量是40 cm～60 cm 的3.5 倍。坡脚有机质含量随土层深度增加而呈现先增大后减小的趋势,坡脚10 cm～20 cm 土壤有机质含量分别是0～10 cm、40 cm～60 cm 的1.8 倍和2.1 倍。

（2）对比三个坡面部位有机质含量：坡中0～10 cm 土壤有机质含量是坡顶、坡脚的1.5 倍和1.9 倍,即在0～10 cm 处,坡中的有机质含量最为集中；坡脚10 cm～20 cm 土壤有机质含量是坡顶、坡中的1.7 倍和1.1 倍,即在10 cm～20 cm 处,坡脚的有机质含量最为集中；坡顶20 cm～40 cm 的土壤有机质含量是坡中、坡脚的1.6 倍和1.0 倍,即在20 cm～40 cm 处,坡顶的有机质含量最为集中；坡脚40 cm～60 cm 土壤有机质含量是坡顶、坡中的1.3 倍和1.6 倍,即在40 cm～60 cm 处,坡脚的有机质含量最为集中。

（3）与对照组相比,从不同坡面部位看,垂直深度为0～60 cm 以内的不同坡面部位土壤有机质平均损失率由大到小的排序为坡顶（54.1%）>坡中（31.5%）>坡脚（0）。从不同土层深度看,三个坡面部位的各层土壤有机质平均损失率由大到小的排序为20 cm～40 cm（37.2%）>10 cm～20 cm（26.9%）>0～10 cm（25.6%）>40 cm～60 cm（24.3%）。

（4）对于沉陷7 年～8 年,坡顶土壤有机质平均损失率最大,有机质含量大幅度减小,土壤养分流失,会引起土壤可蚀性K 值增大,加剧了坡顶土壤水土流失。

3.2.4 不同沉陷年限土壤有机质对比分析及土壤侵蚀的影响

（1）黄土沉陷坡面任何部位和任何土层垂直深度中的土壤有机质含量均有所损失。从不同沉陷年限角度看,坡顶土壤有机质平均损失率由大到小的排序为沉陷1 年～2 年>沉陷7 年～8 年>沉陷5 年～6 年,坡中土壤有机质平均损失率由大到小的排序为沉陷5 年～6 年>沉陷7 年～8 年>沉陷1 年～2 年,坡脚土壤有机质平均损失率由大到小的排序为沉陷1 年～2 年>沉陷5 年～6 年>沉陷7 年～8 年；0～40 cm土壤有机质平均损失率由大到小的排序为沉陷5 年～6 年>沉陷7 年～8 年>沉陷1 年～2 年,40 cm～60 cm 土壤有机质平均损失率由大到小的排序为沉陷1 年～2 年＞沉陷5 年～6 年＞沉陷7 年～8 年。

（2）对于坡顶和坡脚土壤有机质平均损失率在沉陷1 年～2 年时最大,土壤有机质含量损失最严重,不利于形成良好的土壤团聚体,造成土壤养分流失,土壤可蚀性K 值增大,土壤更容易受到侵蚀。对于0～40 cm 土壤有机质平均损失率在沉陷5 年～6 年时最大,在沉陷7 年～8 年时有所减小,说明土壤有机质会随时间的推移而缓慢增加,但在相当长的时间内仍不能恢复到扰动前状态,土壤潜在侵蚀风险持续存在。

4 结论

（1）陕北煤矿区黄土沉陷坡面土壤有机质含量在不同坡面部位和不同土层深度上呈现不同的空间变化规律。总体上看,在任何沉陷年限下,坡顶和坡中土壤有机质含量在0～20 cm 处较为集中,坡脚土壤有机质含量在10 cm～40 cm处较为集中,但坡顶、坡中和坡脚土壤有机质均不同程度的低于自然黄土坡面。

（2）在不同沉陷年限下,开采对坡顶、坡中和坡脚不同土层深度土壤有机质含量的影响会随着时间推移而缓慢消减,但在形成沉陷8 年内,除坡脚外,坡顶和坡中不同土层深度土壤有机质含量仍都明显低于自然黄土坡面。

（3）沉陷1 年～2 年时,坡顶40 cm～60 cm 土壤有机质含量损失最多；沉陷5 年～6 年时,坡中20 cm～40 cm 土壤有机质含量损失最多；沉陷7 年～8 年时,坡顶土壤有机质含量损失最多。土壤有机质能够改良土壤物理性质、增强土壤持水能力,形成具有稳定的有机无机复合体的良好的土壤结构[2],有机质含量越少,土壤可蚀性越大,土壤越容易被侵蚀。陕北矿区黄土沉陷坡面的修复应着重在坡顶和坡中部位考虑工程措施,在坡脚部位考虑植物措施。