风沙区采煤沉陷裂缝对不同坡位土壤养分的影响

高 琴 党晓宏,2 蒙仲举 高 永 高 岩 刘泓鑫

(1.内蒙古农业大学沙漠治理学院,内蒙古 呼和浩特 010011;2.内蒙古杭锦荒漠生态系统国家定位观测研究站,内蒙古 鄂尔多斯 017400;3.伊金霍洛旗水利技术服务中心,内蒙古 鄂尔多斯 017200)

煤炭资源开发与利用在提高国民经济发展的同时,也对土地生态造成了严重影响[1]。持续性煤炭开采伴随复合侵蚀,使得矿区发生沉陷、滑坡等灾害,并引起地貌景观破坏、地下水渗漏、水资源污染、植被退化、土壤质量剧减等问题[2-5]。其中土壤质量是实现矿区植被恢复的基础[6],因此采煤塌陷后土壤质量变化成为矿区生态恢复的热点问题。沉陷裂缝会影响土壤微结构,进而影响土壤水分的蒸发与渗透[7]。琚成远等[8]对不同宽度的裂缝进行了土壤水分监测,分析了不同距离裂缝与土壤含水率的关系。土壤养分作为评价土壤肥力的重要指标[9],营养元素主要来源于土壤有机质[10]。通过对沉陷区土壤养分的研究发现,沉陷裂缝处出现大量营养元素渗入空隙流入采空区,土壤表层的有机碳、氮和磷含量降低,而水解性有机氮转化为易流失的无机态氮和硝态氮流入土壤深层[11]。磷元素通过淋溶形式流失到深层土壤,使得表土层磷元素含量降低[12],营养元素的流失致使植物生长和恢复受限[13]。杜华栋等[14]研究了不同塌陷年限和未塌陷区土壤理化性质,发现与未塌陷区相比,塌陷初期的土壤含水率、有机质、速效养分等指标显著降低。NIKOLAOS 等[15]研究发现,开采后沉陷处土壤养分随采后时间逐步增加。BOWLES 等[16]发现风沙区地裂缝的弥合抑制了土壤微生物将全效养分转化为速效养分的速率。贺明辉等[17]分析了阴坡和阳坡塌陷裂缝的速效养分含量,得出塌陷裂缝使原本由坡顶向坡底迁移的速效养分在裂缝处中断,在表层土比下层土更受影响。

综上所述,有关矿区土壤的研究多集中于采煤沉陷后修复的土壤理化特征和裂缝对土壤水分影响的分析,从不同坡位垂直深度的裂缝角入手的土壤养分探索有待深入。常规研究中,采煤沉陷常导致根系受损造成植被枯死等问题,但本研究在野外调查中发现,鄂尔多斯伊金霍洛旗李家塔矿区小叶杨林地内的塌陷裂缝带处出现成排分布的小叶杨(Populus simonii)幼苗,这可能是由于裂缝带土壤性质发生变化所导致。为探明上述现象出现的原因,本研究选择李家塔采煤沉陷区展开土壤环境实地调查工作,对比沉陷裂缝处与非裂缝处的土壤养分特征,了解不同坡位沉陷裂缝下的土壤性质,揭示沉陷裂缝对土壤养分的影响规律,为风沙采煤沉陷区植被恢复和生态修复提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

李家塔矿区采用下行式开采方式[18],井田面积为16.352 2 km2,煤炭资源储量达到27 730 万t[19]。矿区地处陕北黄土高原与毛乌素沙漠的过渡带(图1),该区域属北温带半干旱大陆性气候区,冬季漫长严寒,多风沙,夏季炎热,蒸发强烈,季节性温差悬殊,年均气温6.2 ℃,日极端气温-31.4～38 ℃,年降雨量集中于7～9 这3 个月,约占全年降水的70%,年均降雨量为348.3 mm,年均蒸发量为2 506.3 mm,年均蒸发量是降水量的7.2 倍。李家塔采煤沉陷区土壤有风沙土和沙岩风化土,其中90%为风沙土,土体结构较为松散,常为细沙,养分较瘠薄,且比较难蓄积,土体的抗逆性较差,容易受到侵蚀危害[20]。土壤侵蚀强度自东南向西北递减,土壤侵蚀模数为(4～8)×103t/(km3·a)[21]。矿区内植物以耐旱、耐寒和耐贫瘠的沙生或旱生植物为主,主要包括小叶杨、沙柳(Salix psammophila)、紫穗槐(Amorpha frutiocosa)、柠条锦鸡儿(Caragana microphylla)、沙棘(Hippophae rhamnoides)等[18]。

图1 研究区地理位置和研究地块布局Fig.1 Geographical location of the study area and the layout of study plots

1.2 试验设计与测定方法

本研究于2021年4月以李家塔采煤沉陷区坡地为研究对象(图1),选取具备典型坡面特征的坡地,在采煤沉陷坡的坡顶、坡中、坡底3 个坡位分别依“品”字形布设3 个10 m×10 m 的样方,每个样方内选取裂缝带样点作为试验组,在距离裂缝3 m 范围内选取非裂缝带作为对照组进行取土。在样地内每个取样点沿裂缝挖取一个1 m 长、0.5 m 宽、0.6 m 深的土壤剖面,采取分层采样方法,每隔10 cm 进行分层采样。使用环刀自下而上取至铝盒,每层取3 件样品,然后置于105 ℃烘干箱内烘干,直至恒重时测定并计算土壤含水率[22]。同时在各土层再取一些土壤装入塑封袋带回实验室自然风干,过2 mm 土壤筛后备用,进行土壤有机质和速效养分(速效氮、速效磷、速效钾)测定。土壤有机质采用重铬酸钾容量法测定,土壤速效氮采用碱解扩散法测定,速效磷采用NaHCO3浸提-钼锑抗比色法测定,速效钾采用NH4COOH-火焰光度法测定[23]。

1.3 数据处理

试验数据利用Microsoft Excel 2021 软件进行归纳整理,采用SPSS 23 软件进行单因素方差分析,通过Pearson 相关分析检验不同坡位下沉陷裂缝处土壤理化性质之间的相关性,用Origin 2018 软件对上述数据进行绘图处理。利用Arc Map 10.2 和Auto-CAD 2022 软件绘制研究区位置、取样概况等图件。

2 试验结果与讨论

2.1 沉陷裂缝对土壤水分的影响

土壤含水率大小影响植被汲取土壤养分。由图2 可知:各个观测水平的土壤含水率随土层加深而增大,坡顶、坡中、坡底裂缝较非裂缝分别低了5.43%、8.70%、21.76%,裂缝带表层土壤较深层土壤分别损耗了3.89%、48.69%、8.76%。土壤含水率在坡顶裂缝带20～30 cm土层最大,0～10 cm土层最小,与非裂缝带相比,0～30 cm 土层内损耗了0.33%～0.79%,30～60 cm 土层内损耗了8.14%～12.31%,说明坡顶沉陷裂缝主要影响了深层土壤含水率。坡中裂缝带0～10 cm 土层土壤含水率最小,50～60 cm 土层最大,与非裂缝带相比0～10 cm 土层内损耗了34.87%,其余土层含水率变化范围小,为0.52%～8.27%,说明坡中沉陷裂缝主要影响表层土壤含水率。坡底裂缝带0～10 cm 土层最小,10～20 cm 土层最大,与非裂缝相比在10～20 cm 土层损耗仅0.31%,其余土层损耗11.51%～40.89%,说明坡底沉陷裂缝对各土层土壤含水率均有一定的影响。不同坡位沉陷裂缝对土壤含水率的影响程度大小依次为坡底>坡中>坡顶,就土壤含水率损耗情况来说,坡中表层和坡底深层土壤含水率受到的影响较大。

图2 不同坡位裂缝和非裂缝带土壤含水率变化Fig.2 Changes of soil moisture content in different slope positions and non-crack zones

2.2 沉陷裂缝对土壤养分的影响

土壤化学性质是植物正常生长的主要限制因素[24]。土壤有机质可有效加速团粒结构形成,是土壤重要组分之一。研究区土壤有机质含量整体不高,受采煤沉陷裂缝影响自坡顶至坡底土壤有机质含量越来越高,裂缝带变幅为0.72～1.11 g/kg,变异系数为0.192,非裂缝带变幅为0.98～2.77 g/kg,变异系数为0.178,整体随土层加深呈递减趋势,并在30～60 cm 土层有机质含量逐渐稳定。不同坡位土壤有机质含量均显著降低,较非裂缝带分别在坡顶、坡中、坡顶减少了28.61%、102.59%、149.06%(P<0.05)。表明采煤沉陷裂缝自坡顶至坡底土壤有机质含量受到不同程度影响,采煤沉陷裂缝对土壤有机质含量造成一定的损失,且在坡底较为严重。

采煤沉陷裂缝显著提高了不同坡位土壤速效养分含量,且不同坡位土壤速效养分差别不大,但基本随土层加深逐渐减少。坡顶、坡中、坡底裂缝带土壤速效氮较非裂缝带分别减少了2.72%、1.73%、0.03%,采煤沉陷裂缝带自坡顶至坡底土壤速效氮含量变化幅度为93.73～116.13 mg/kg,非裂缝带变化范围为86.78～116.77 mg/kg。坡顶、坡中、坡底裂缝带土壤速效磷较非裂缝带分别减少了2.09%、8.70%、2.61%,采煤沉陷裂缝带自坡顶至坡底土壤速效磷含量变化幅度为6.42～9.22 μg/g,非裂缝带变化范围为6.57～9.07 μg/g。坡顶、坡中、坡底裂缝带土壤速效钾较非裂缝带分别减少了14.00%、12.25%、3.13%,采煤沉陷裂缝带自坡顶至坡底土壤速效钾含量变化幅度为7.33～12.00 mg/kg,非裂缝带变化范围为6.25～10.75 mg/kg,表明沉陷裂缝会造成土壤速效养分在表层土壤富集(图3)。

图3 不同坡位各土层土壤养分变化量Fig.3 Variation of soil nutrient in different soil layers at different slope positions

2.3 沉陷裂缝对土壤性质关系的影响

沉陷裂缝导致土壤理化性质发生变化,离不开各因素间的相互制约。如表1所示,从土壤水分含量来看,坡顶沉陷裂缝带相关性不显著;非裂缝带土壤水分与土壤有机质之间呈显著负相关,说明沉陷裂缝降低了土壤水分与土壤有机质之间的相关性。坡中沉陷裂缝带土壤水分与土壤有机质呈极显著负相关,与土壤速效钾呈显著负相关;非裂缝带相关性不显著,说明沉陷裂缝提高了土壤水分与土壤有机质和速效钾之间的相关性。坡底沉陷裂缝带土壤水分与土壤速效磷呈显著正相关,与土壤速效钾呈显著负相关;非裂缝带土壤水分与土壤有机质呈极显著正相关,说明沉陷裂缝提高了土壤水分与土壤速效磷和速效钾之间的相关性,降低了土壤水分与土壤有机质之间的相关性。土壤水分与各指标之间均有不同程度的相关性,但相关性均不显著,这表明地表沉陷裂缝加大了多重因素对土壤水分变化的影响。

表1 不同坡位下裂缝带与非裂缝带土壤性质相关性(n=18)Table 1 Correlation between soil properties of fractured zone and non-fractured zone under different slope positions(n=18)

从土壤有机质含量来看,坡顶沉陷裂缝带和非裂缝带均表现为相关性不显著。坡中和坡底沉陷裂缝带土壤有机质与土壤速效钾呈极显著正相关,非裂缝带土壤有机质与土壤速效钾呈显著正相关,说明坡中和坡底的沉陷裂缝对土壤有机质和土壤速效钾之间的相关性没有影响。各坡位裂缝带与非裂缝带的分析结果不一致,具体原因有待进一步研究。

3 讨 论

煤炭开采加剧了土质的不均一性,引起微地形起伏,生态环境受损[25]。本研究分析了沉陷裂缝对土壤质量的影响,为风沙采煤沉陷区植被恢复及衰退林保育提供了较好的研究思路。土壤水分是半干旱风沙地貌区植被生长的主要限制因素[26]。采煤沉陷过程中地表出现不同程度的裂缝,使得降水入渗的水分更快渗入地下,土壤水补给随之减少。非降水时段,沉陷裂缝增大了土壤与外界的接触面积,土壤水分蒸散量增加[27],加剧了土壤水分的损失速度。补给水减少而蒸发量增加,必然导致土壤含水率减少[28]。本研究通过对不同坡位沉陷裂缝与非裂缝土壤含水率的研究表明,沉陷裂缝造成土壤含水率显著降低,且在坡中和坡底受到的影响较大,该结论与刘英等[29]、杜华栋等[30]、韩瑜等[31]对沉陷区和不同坡位土壤含水率变化规律的分析一致。结合前人对不同坡位裂缝类型和宽度的研究表明[32],随着裂缝宽度加大,土壤含水率逐渐减小[33],说明采煤沉陷裂缝类型、宽度、深度等因素对土壤含水率有一定的干扰性。

土壤有机质含量是评价土壤肥力高低的一个重要指标[34]。采煤沉陷使0～60 cm 深度内沉陷区各层土壤有机质含量较原地貌明显下降(P<0.05)[31],与本研究土壤有机质在非裂缝带大于裂缝带的分析结果一致,这可能是沉陷增加土壤侵蚀,有机质氧化程度加剧,土壤通气性变好使得土壤有机质的分解速度加快,伴随沉陷强度增加,土壤有机质分解量将会加大[35]。沉陷区坡中和坡底的土壤有机质损失最明显,与韩煜等[31]研究结果相悖,造成该结论差异的原因可能与前期对不同坡位裂缝类型情况的调查情况有关,也可能与不同地区资源差异有关,有待进一步研究。土壤速效养分是植物所需三大基本元素的直接来源[8],沉陷初期土壤速效氮、速效磷均明显减少[36]。沉陷后,坡顶土壤速效氮、速效磷含量持续增加;坡中土壤速效磷、速效氮先减少后增加;坡底土壤速效氮先减少后恢复,土壤速效磷持续增加[37]。煤炭开采后土壤中速效钾含量出现了下降,且开采时间越短,其下降幅度越大,随着开采时间延长,下降速度减缓,部分指标趋于正常[38]。上述结论基本与本研究分析结果相似,这可能与裂缝的存在加之风蚀、水蚀等外营力作用,从而导致水分入渗加速养分迁移有关[39]。

沉陷裂缝提高了土壤水分与土壤有机质和速效钾之间的相关性,可能是由于沉陷使得土壤水分空间变异性增强引起的[22]。研究区沉陷裂缝提高了土壤水分与土壤速效磷和速效钾之间的相关性,降低了土壤水分与土壤有机质之间的相关性。以上结论与吴志远等[40]对于干旱区开采地表土壤影响的研究结论不同,原因可能与不同地区资源差异有关,也可能是由于土壤水分观测时段和指标不同,有待进一步研究。本研究对采煤沉陷裂缝土壤养分特征的分析,可为今后矿区土壤性质改良提供理论依据。土壤质地改善、保墒保肥能力增强,可为植被生长创造适宜的条件,从而更有效地实现矿区生态修复。

4 结论

(1)沉陷裂缝增加了土壤水分的蒸散量,降低了裂缝处的土壤含水率,相较非裂缝处减少了5.41%～21.76%,在裂缝宽度和深度都相对较小的坡顶中受到的影响小,表明沉陷裂缝处土壤含水率自坡顶至坡底受到的干扰越来越大。

(2)沉陷裂缝导致土壤有机质氧化程度和分解量增加,土壤有机质富集在表层土壤,相较非裂缝带减少了28.61%～149.06%,采煤沉陷坡土壤有机质的损失,在一定程度上会影响矿区的温室效应。裂缝带土壤速效养分较非裂缝带均有不同程度的增加,相较非裂缝带增加了0.03%～14.00%。垂直方向上随着土层加深,速效养分含量逐渐减少,沉陷裂缝使速效养分含量增加并在表层土壤附着。

(3)沉陷裂缝降低了坡顶土壤水分与土壤有机质之间的相关性,提高了坡中土壤有机质和土壤速效钾之间的相关性,对坡底的土壤水分与土壤有机质、速效磷和速效钾之间的相关性影响较大,对土壤有机质和土壤速效钾之间的相关性没有影响。煤炭开采引起的采煤沉陷裂缝对土壤指标造成了不同程度的影响,不同坡位上土壤有机质与其他指标的相关性差异显著。

(4)本研究对不同坡位沉陷裂缝处与非裂缝处的土壤水分和养分特征进行了比较,分析了沉陷裂缝在各坡位对纵向土壤指标的影响,从不同视角分析了沉陷裂缝土壤指标的变化,由于不同坡位上裂缝宽度与深度不同,且在室内指标测定尚不全面,后续可就裂缝宽度与深度对土壤理化性质的影响开展深入探究。