陕北煤矿区采动地裂缝对土壤抗蚀性的影响规律研究

宋世杰 ，彭芮思 ，左 靖 ，刘 露 ，陈宝灯

（1.西安科技大学 地质与环境学院, 陕西 西安 710054；2.西安科技大学 煤炭绿色开采地质研究院, 陕西 西安 710054；3.陕西省煤炭绿色开发地质保障重点实验室, 陕西 西安 710054）

0 引 言

“双碳”目标的深入推进不仅加快了我国煤炭生产重心战略西移的步伐，也提高了我国西部煤炭资源绿色开发的要求[1]。黄河中游作为战略西移的首要接续地也自然成为了煤炭资源绿色开发的主战场[2]。2021 年10 月22 日，习近平总书记在深入推动黄河流域生态保护和高质量发展座谈会上发表的重要讲话中再次强调“要抓好上中游水土流失治理和荒漠化防治，推进流域综合治理”[3]。中共中央、国务院印发的《黄河流域生态保护和高质量发展规划纲要》也明确指出“黄河中游要突出抓好水土保持工作”[4]。然而，煤炭资源的规模化开采会产生一系列采动损害问题，如果解决不好势必导致区域水土流失的加剧。以位于黄河中游的陕北煤矿区为例，2022 年，该矿区原煤产量突破5 亿t，占全国煤炭生产总量的12%以上，成为陕西省勇担国家能源保供责任的核心力量[5]。但受煤炭地质赋存条件的影响，大规模的煤炭开采使得陕北煤矿区地表移动变形非常明显，其中采动地裂缝的显著发育最为典型[6]。采动地裂缝可引起周围土壤特性与植被特征变化，进而提高土壤流失的潜在能力[7]。加之与黄河多沙粗沙国家级水土流失重点治理区在空间上高度重叠，区域常年土壤侵蚀模数超过4 000 t/（km2·a），使得陕北煤矿区煤炭资源开发与水土保持之间的矛盾非常尖锐。

煤矿区的水土流失问题一直受到国内外学者的关注。由于水土流失是典型的区域性生态损害形式，所以从大空间尺度开展研究成为首选。黄翌等[8]利用数字地形分析、遥感影像融合等技术，揭示了黄土高原区煤炭井工开采过程中坡度、坡长、植被覆盖因子与侵蚀强度的数量空间变化特征；尘福艳等[9]运用遥感与GIS 技术估算了陕北煤矿区水土流失量，并以此为重要参数评价了矿区生态环境质量；KISHORE 等[10]将修订后的RUSLE 和层次分析法相结合，发现了印度达摩达盆地矿区959.9 km2的面积受煤炭开采的影响成为土壤流失严重区；刘英等[11]基于RUSLE 模型与地理探测器相结合进行驱动力分析，发现神东矿区土壤侵蚀量从1989—2019 年增加了30.28×105t。然而，大空间尺度的认识不足以指导煤矿区开展针对性的水土流失防控工作，因此从小空间尺度研究煤炭开采的水土流失效应逐渐成为热点。聂小军等[12]利用137Cs 示踪法研究了神东哈拉沟与上湾矿区土壤侵蚀与养分特征，发现采煤扰动下，土壤养分含量的变化规律与土壤侵蚀变化密切相关；李建明院士等[13]采用野外模拟降雨试验的方法研究了神府矿区典型矿山固体废弃物堆积区水土流失的特征与规律；王双明等[6]通过采样分析发现采动地裂缝会降低周围土壤的黏粒和有机质含量，进而提高土壤的可蚀性；SONG 等[14]基于EPIC 模型研究和分析了陕北煤矿区塌陷、地裂缝等不同采动损害类型对土壤可蚀性的影响。

土壤抗蚀性是指土壤对侵蚀营力分离和搬运作用的抵抗能力[15]。朱显谟院士[16]将它与土壤可蚀性视为对立统一的有机整体，用于从内因视角全面反映土壤被侵蚀的难易程度。因此，在水土保持领域，土壤抗蚀性经常作为刻画土壤内在属性的重要因素而被研究。目前相关研究成果主要集中在土壤抗蚀性的量化表征上[17]，并经历了由单一指标向多指标发展的过程。由于土壤抗蚀性与土壤质地[18]、土壤团聚体稳定性[19]、有机质含量[20]等众多因素有关，使其量化表征往往受自然环境、人类活动的影响而存在显著的区域性差异。而针对我国黄河中游煤炭开采损害区的土壤抗蚀性量化表征与重要指标却鲜有报道。

鉴于此，以陕北煤矿区采动地裂缝周围土壤（水平距离80 cm 以内、垂直深度40 cm 以浅）为研究对象，测定土壤14 项常用抗蚀性指标，结合层次分析法、敏感性分析和因子分析筛选重要指标并构建土壤抗蚀性综合指数模型，揭示不同宽度（0～10，10～20，20～30 cm）的采动地裂缝在小空间尺度下对周围土壤抗蚀性重要指标和综合指数的影响作用，对丰富和深化对黄河中游煤矿采动损害区水土流失效应的科学认识具有重要意义。

1 研究区概况

研究区位于陕西省神木市柠条塔井田，地理坐标为E110°09′29″～110°16′23″，N38°57′24″～39°07′57″，该区域地形西北、西南高，中部低[21]，地貌类型主要为风沙草滩和黄土沟壑两类（图1）。区域属于中温带半干旱大陆性气候，四季冷热多变，干旱少雨，蒸发量大，年降雨量194.7～531.6 mm。区域土壤类型以风沙土、栗钙土、黄绵土为主，植物优势物种为柠条、沙蒿、沙柳、长芒草草丛等。柠条塔井田内主采煤层为2-2层，埋深为2.00～247.01 m，平均厚度为6.11 m，采用长壁综采和全部垮落法开采，使得井田内采动地裂缝发育显著。

图1 研究区概况Fig.1 Study area overview map

采动地裂缝分布在回采工作面内，平行于工作面发育，在空间上多呈直线状或弧状展布，宽度在30 cm 以内、长度为50 m 左右的采动地裂缝在研究区内数量最多（占60%以上）[22]。

2 材料与方法

2.1 样品采集

选择柠条塔井田北翼典型黄土采煤沉陷区为采样区，采样中心坐标为E110°14′10″，N39°04′58″。选择分布最广、代表性最强的一类黄土坡面为研究与采样对象。该类黄土坡面的基本特征表现为：坡形为直线型、坡度20°左右、坡长50 m 左右、坡面倾向为西南方向（与工作面推进方向一致）、坡面植被覆盖度为43%、自然植被类型以针茅、狗牙根为主。在该类坡面上选择形成时间约为1 个月，宽度为0～10，10～20，20～30 cm 的采动地裂缝各3 条，共计9 条，在每条裂缝上按10 m 间距布置3 个采样断面，共计27 个采样断面；根据前人研究成果[6]，在每个采样断面上沿裂缝法向按水平距离为20，40，60，80 cm 布设采样点，用环刀（容积为100 cm3）和铝盒（直径10 cm，高8 cm）分别采集垂直深度为0～20，20～40 cm 的土壤，封存标记编号；在采样区500 m以外的未开采区选择坡度、坡长、坡形、坡向、植被盖度与类型相同或相似的黄土坡面，随机布设3 处采样点，按照相同方法采集土样作为对照（图2）。采样工作于2022 年5 月16 日至18 日完成，采样时天气晴朗无降雨，共采集222 组土壤样品，每组样品包括1 份环刀样和2 份铝盒样。

图2 采样点布设示意Fig.2 Schematic of sampling point layout

环刀采集的土壤样品用于测定土壤含水率和容重。铝盒采集的2 份土壤样品，第一份作为原状土用于测定土壤水稳性团聚体和微团聚体，第二份用于测定土壤机械组成和有机质。第二份样品需去除采集土壤中的石块、植物根系等杂质，于室温下避光自然风干至样品质量无明显变化后，过筛备用。

2.2 抗蚀性指标选取

结合前人在黄土区开展的有关土壤抗蚀性的研究和研究区的实际特点，选取了国内外学者普遍关注的14 个抗蚀性指标，具体见表1。高维森、王佑民等[23-24]已经将这些指标用于研究黄土沟壑区土壤抗蚀性。

表1 土壤抗蚀性指标Table 1 Soil erodibility indexes

2.3 试验方法

土壤水稳性团聚体采用XY-100 型土壤团聚体分析仪进行测定，土壤机械组成采用MS2000 型激光粒度仪进行测定，土壤有机质采用德国普兰德Titrette 滴定仪进行测定，土壤微团聚体采用PD 型颗粒分析特种自控吸液仪进行测定，土壤容重和含水率采用烘箱进行测定。

2.4 数据处理及分析方法

采用Excel 对所有测定数据进行整理，显著性差异采用SPSS22.0 软件进行分析，图片采用Origin2021、Arcgis10.2 软件进行绘制。抗蚀性重要指标的选取采用层次分析法、敏感性分析与因子分析法。

3 土壤抗蚀性重要指标甄选与综合指数模型构建

3.1 土壤抗蚀性重要指标甄选

3.1.1 层次分析法

指标权重可以体现影响土壤抗蚀性的各指标重要程度。层次分析法是把与评价目标相关的指标元素分解为不同层次，并在此基础上进行定性和定量分析，得到各指标权重的方法。根据本文构建的土壤抗蚀性评价指标体系，建立层次结构图，由相关专家对该指标体系进行两两比较打分，得出土壤抗蚀性评价指标体系的判断比较，运用yaahp 软件计算各指标权重，结果见表2。

表2 层次分析法确定指标权重结果Table 2 Analytic hierarchy process for determining indicator weights results

以抗蚀性指标权重值≥0.03 为筛选阈值，筛选出X1、X2、X3、X4、X7、X11、X12、X138 个指标作为陕北采动地裂缝发育区土壤抗蚀性准重要指标。

3.1.2 敏感性分析

不同的土壤抗蚀性指标会因受到时空变化的影响而发生不同的变化，且差异显著，即具有不同程度的敏感特征。因此采用变异系数和相对极差对14个抗蚀性指标进行敏感性分析，相对极差和变异系数越大，表示各指标对土壤抗蚀性的敏感程度越强[29]。计算结果见表3。

表3 土壤抗蚀性指标敏感性分析结果Table 3 Sensitivity analysis results of soil anti-erodibility indexes

参考前人提出土壤可蚀性因子敏感性评价标准[30]，对表3 中各土壤抗蚀性指标的敏感性进行分析，得出：X2为强敏感指标，X1、X3、X4、X9、X10、X11、X12、X13为中敏感指标。考虑到强敏感指标往往会产生较大的计算误差，而弱敏感指标又会带来迟钝效应[31]，因此中等敏感性指标能最大限度的兼顾准确性和灵敏性，故选取>0.25mm 水稳性团聚体含量（X1）、平均重量直径（X3）、<0.001 mm 细黏粒含量（X4）、分散系数（X9）、团聚状况（X10）、团聚度（X11）、有机质（X12）、含水率（X13）8 个指标作为陕北采动地裂缝发育区土壤抗蚀性准重要指标。需要说明的是，由于分析方法的局限性，这些指标的关键性还需进一步论证。

3.1.3 因子分析

因子分析是筛选关键性因子或指标的重要方法之一。通过计算得出，KMO 检验值结果为0.819，大于0.8，Bartlett 球形检验结果为p值小于0.05，表明14 个土壤抗蚀性指标及其实测数据符合因子分析要求。按照特征值大于1 的原则，提取了两个公因子F1、F2，累计贡献率达到95.586%，见表4。

表4 土壤抗蚀性指标因子分析Table 4 Factor analysis of soil anti-erodibility indexes

以因子载荷绝对值≥0.97 为筛选阈值，筛选出X1、X3、X4、X6、X7、X11、X12等7 个指标作为陕北采动地裂缝发育区土壤抗蚀性准重要指标。同时分别构建了F1、F2两个公因子与14 个土壤抗蚀性指标、土壤抗蚀性综合得分（FK）的量化关系，见式（1）、式（2）、式（3）。

3.1.4 土壤抗蚀性重要指标确定

结合层次分析法、敏感性分析和因子分析，将3三种方法筛选出的指标进行对比，结果见表5。

根据表5，综合考虑指标排序及重叠情况，最终确定>0.25 mm 团聚体含量（X1）、平均重量直径（X3）、<0.001 mm 细黏粒含量（X4）、土壤团聚度（X11）和有机质（X12）5 个指标作为陕北采动地裂缝发育区土壤抗蚀性重要指标。

3.2 土壤抗蚀性综合指数模型构建

将式（3）计算得到的各实测点位土壤FK，作为因变量，将5 个土壤抗蚀性重要指标作为自变量，基于多元线性回归原理，构建了陕北采动地裂缝发育区土壤抗蚀性综合指数（YK）模型，见式（4）。

需要说明的是，第一，该模型R2为0.960，F检验结果P<0.05，达到显著；第二，为了更加准确体现计算结果正、负号的含义，设定当YK的计算结果中至少存在一个负值时，则所有YK统一加上最小YK的绝对值（ |MinYKi|），修正后所有计算结果即可保持原有的相互关系，又可免除负值带来的歧义。

4 采动地裂缝对土壤抗蚀性的影响

4.1 采动地裂缝对土壤抗蚀性重要指标的影响

3 种宽度(0～10，10～20，20～30 cm)采动地裂缝，垂直深度为0～20，20～40 cm，水平距离为20，40，60，80 cm 处土壤样品中抗蚀性重要指标测定结果见表6。

表6 不同宽度采动地裂缝周边土壤抗蚀性重要指标测定结果Table 6 Determination results of important indexes of soil anti-erodibility around ground fissures with different widths

4.1.1 对土壤>0.25 mm 水稳性团聚体含量的影响

根据表6，绘制了不同宽度采动地裂缝影响下不同水平距离及垂直深度土壤>0.25 mm 水稳性团聚体含量变化图，如图3 所示。

由表6 和图3 可知，相较于对照组：

第一，3 种宽度采动地裂缝周边水平距离80 cm内的0～20 cm 土层土壤中>0.25 mm 水稳性团聚体含量范围为13.24%～32.71%，20～40 cm 土层土壤中含量范围为7.61%～15.88%。

第二，在0～20 cm 土层土壤中，距离宽度为0～10 cm 的采动地裂缝水平距离20，40，60，80 cm处土壤>0.25 mm 水稳性团聚体含量的降幅依次为53.86%，47.71%，37.77%，26.44%；距离宽度为10～20 cm 采动地裂缝水平距离20，40，60，80 cm 处土壤>0.25 mm 水稳性团聚体含量的降幅依次为58.73%，56.27%，52.82%，45.51%；距离宽度为20～30 cm 采动地裂缝水平距离20，40，60，80 cm 处土壤>0.25 mm水稳性团聚体含量的降幅依次为70.22%，67.87%，65.55%，60.86%。以上数据均达到显著差异（p<0.05）。

第三，在20～40 cm 土层土壤中，距离宽度为0～10 cm 的采动地裂缝水平距离20，40，60，80 cm处土壤>0.25 mm 水稳性团聚体含量的降幅依次为55.98%，44.02%，31.25%，9.93%；距离宽度为10～20 cm 采动地裂缝水平距离20，40，60，80 cm 处土壤>0.25 mm 水稳性团聚体含量的降幅依次为56.44%，48.55%，42.20%，18.49%；距离宽度为20～30 cm 采动地裂缝水平距离20，40，60，80 cm 处土壤>0.25 mm水稳性团聚体含量的降幅依次为56.83%，49.40%，46.06%，27.28%。以上数据均达到显著差异（p<0.05）。

由此可见：①宽度范围为0～10，10～20，20～30 cm的3 种采动地裂缝周围水平距离80 cm 以内，垂直深度0～40 cm 土壤中>0.25 mm 水稳性团聚体含量平均降幅依次为38.37%，47.38%，55.51%；②无论发育何种宽度的采动地裂缝，均会产生降低周围土壤中>0.25 mm 水稳性团聚体含量的效应，这种效应随着采动地裂缝宽度的增大和水平距离的减小而增强；③基于指数函数模型预测，得出当距宽度分别为0～10，10～20，20～30 cm 采动地裂缝的水平距离依次超过103，110，122 cm 时，采动地裂缝降低周围0～40 cm 土壤水稳性团聚体含量的效应基本消失；④在任意宽度采动地裂缝影响下，水平距离80 cm内土壤>0.25 mm 水稳性团聚体含量随着土壤深度的增加而降低。

4.1.2 对土壤团聚体平均重量直径的影响

根据表6，绘制了不同宽度采动地裂缝影响下不同水平距离及垂直深度土壤平均重量直径变化图如图4 所示。

图4 不同宽度采动地裂缝周围土壤平均重量直径变化Fig.4 Variation of soil a mean weight diameter around ground fissures with different widths

由表6 和图4 可知，相较于对照组：

第一，3 种宽度范围采动地裂缝周边水平距离80 cm 内，0～20 cm 土层土壤中平均重量直径范围为0.33～0.58 mm；20～40 cm 土层土壤中平均重量直径范围为0.24～0.33 mm。

第二，在0～20 cm 土层土壤中，距离宽度为0～10 cm 的采动地裂缝水平距离20，40，60，80 cm的土壤团聚体平均重量直径的降幅依次为49.11%，42.89%，38.93%，34.41%；距离宽度为10～20 cm 采动地裂缝水平距离20，40，60，80 cm 的土壤团聚体平均重量直径的降幅依次为54.20%，52.31%，49.11%，45.15%；距离宽度为20～30 cm 采动地裂缝水平距离20，40，60，80 cm 的土壤团聚体平均重量直径的降幅依次为63.25%，61.55%，59.29%，55.90%。以上数据均达到显著差异（p<0.05）。

第三，在20～40 cm 土层土壤中，距离宽度为0～10 cm 的采动地裂缝水平距离20，40，60，80 cm的土壤团聚体平均重量直径的降幅依次为28.12%，25.35%，17.06%，8.76%；距离宽度为10～20 cm 采动地裂缝水平距离20，40，60，80 cm 的土壤团聚体平均重量直径的降幅依次为28.12%，28.12%，22.59%，17.06%，且差异显著（p<0.05）；距离宽度为20～30 cm采动地裂缝水平距离20，40，60，80 cm 的土壤团聚体平均重量直径的降幅依次为33.65%，33.65%，22.59%，19.82%。以上数据均达到显著差异（p<0.05）。

由此可知：①宽度为0～10，10～20，20～30 cm的3 种采动地裂缝周围水平距离80 cm 以内，垂直0～40 cm 深度土壤中团聚体平均重量直径的平均降幅为30.58%，37.08%，43.71%；②无论发育何种宽度的采动地裂缝均会产生降低周围土壤中团聚体平均重量直径的效应，这种效应随着采动地裂缝宽度的增大和水平距离的减小而增强；③基于指数函数模型预测，得出当距宽度分别为0～10 cm，10～20 cm，20～30 cm 采动地裂缝的水平距离依次超过105，140，143 cm 时，采动地裂缝降低周围0～40 cm 土壤团聚体平均重量直径的效应基本消失；④在任意宽度采动地裂缝影响下，水平距离80 cm 内土壤团聚体平均重量直径随土壤深度的增加而降低。

4.1.3 对土壤<0.001 mm 细黏粒的影响

根据表6，绘制了不同宽度采动地裂缝影响下不同水平距离及垂直深度土壤无机黏粒含量变化如图5 所示。

图5 不同宽度采动地裂缝周边土壤无机黏粒含量变化Fig.5 Variation of soil inorganic clay content around ground fissures with different widths

由表6 和图5 可知，相较于对照组：

第一，3 种宽度范围采动地裂缝周边水平距离80 cm 内，0～20 cm 土层土壤中<0.001 mm 细黏粒含量范围为1.74%～2.94%，20～40 cm 土层土壤中<0.001 mm 细黏粒含量范围为2.08%～3.22%。

第二，在0～20 cm 土层土壤中，距离宽度为0～20 cm 的采动地裂缝水平距离20，40，60，80 cm处土壤中<0.001 mm 细黏粒含量的降幅依次为27.40%，21.16%，11.91%，8.17%；距离宽度为10～20 cm 的采动地裂缝水平距离20，40，60，80 cm 处土壤中<0.001 mm 细黏粒含量的降幅依次为31.83%，25.59%，16.69%，12.32%；距离宽度为20～30 cm 的采动地裂缝水平距离20，40，60，80 cm 处土壤中<0.001 mm 细黏粒含量的降幅依次为45.71%，30.42%，25.27%，17.32%。以上数据均达到显著差异（p<0.05）。

第三，在20～40 cm 土层土壤中，距离宽度为0～10 cm 的采动地裂缝水平距离20，40，60，80 cm处土壤中<0.001 mm 细黏粒含量的降幅依次为26.44%，23.04%，17.54%，15.71%；距离宽度为10～20 cm 的采动地裂缝水平距离20，40，60，80 cm 处的<0.001 mm 细黏粒含量的降幅依次为30.10%，29.84%，23.30%，20.94%；距离宽度为20～30 cm 的采动地裂缝水平距离20，40，60，80 cm 处的<0.001 mm细黏粒含量的降幅依次为45.55%，34.03%，29.06%，26.44%。以上数据均达到显著差异（p<0.05）。

由此可见：①宽度为0～10，10～20，20～30 cm的3 种采动地裂缝周围水平距离80 cm 以内，垂直0～40 cm 深度土壤中<0.001 mm 细黏粒含量平均降幅为18.92%，23.83%，31.72%；②采动地裂缝的发育会产生降低周围土壤中<0.001 mm 细黏粒含量的效应，且随着采动地裂缝宽度的增大和水平距离的减小而增强；③基于指数函数模型预测，得出当距宽度分别为0～10，10～20，20～30 cm 采动地裂缝的水平距离依次超过162，123，163 cm 时，采动地裂缝降低周围0～40 cm 土壤<0.001 mm 细黏粒含量的效应基本消失；④在任意宽度采动地裂缝影响下，水平距离80 cm 内土壤<0.001 mm 细黏粒含量随着土壤深度的增加而增加。

4.1.4 对土壤团聚度的影响

根据表6，绘制了不同宽度采动地裂缝影响下不同水平距离及垂直深度土壤团聚度变化图如图6所示。

图6 不同宽度采动地裂缝周边土壤团聚度变化Fig.6 Variation of soil aggregation around ground fissures with different widths

由表6 和图6 可知，相较于对照组：

第一，3 种宽度范围采动地裂缝周边水平距离80 cm 内0～20 cm 土层土壤团聚度变化范围为22.85%～43.44%，20～40 cm 土层土壤团聚度变化范围为27.13%～48.75%。

第二，在0～20 cm 土层土壤中，距离宽度为0～10 cm 的采动地裂缝水平距离20，40，60，80 cm 处土壤团聚度的降幅依次为29.16%（p<0.05），19.75%（p<0.05），8.74%（p<0.05），3.50%；距 离 宽 度为10～20 cm 的采动地裂缝水平距离20，40，60，80 cm处土壤团聚度的降幅依次为40.09%（p<0.05），30.44%（p<0.05），14.90%（p<0.05），11.65%（p<0.05）；距离宽度为20～30 cm 的采动地裂缝水平距离20，40，60，80 cm 处土壤团聚度的降幅依次为49.24%（p<0.05），38.74%（p<0.05），28.60%（p<0.05），22.97%（p<0.05）。

第三，在20～40 cm 土层土壤中，距离宽度为0～10 cm 的采动地裂缝水平距离20，40，60，80 cm处土壤团聚度的降幅依次为22.66%（p<0.05），13.18%（p<0.05），6.00%，4.09%；距离宽度为10～20 cm 的采动地裂缝水平距离20，40，60，80 cm 处土壤团聚度的降幅依次为32.85%（p<0.05），25.67%（p<0.05），17.16%（p<0.05），11.02%（p<0.05）；距离宽度为20～30 cm 的采动地裂缝水平距离20，40，60，80 cm 处土壤团聚度的降幅依次为46.63%（p<0.05），38.02%（p<0.05），22.51%（p<0.05），19.12%（p<0.05）。

由此可知：①宽度为0～10，10～20，20～30 cm的3 种采动地裂缝周围水平距离80 cm 以内，垂直0～40 cm 深度土壤的团聚度平均降幅分别为13.39%，22.97%，33.23%；②无论发育何种宽度的采动地裂缝均会产生降低周围土壤团聚度的效应，这种效应随着采动地裂缝宽度的增大和水平距离的减小而增强；③基于指数函数模型预测，得出当距宽度分别为0～10，10～20，20～30 cm 采动地裂缝的水平距离依次超过97，126，140 cm 时，采动地裂缝降低周围0～40 cm 土壤团聚度的效应基本消失；④在任意宽度采动地裂缝影响下，水平距离80 cm 内土壤团聚度随着土壤深度的增加而增加。

4.1.5 对土壤有机质的影响

根据表6，绘制了不同宽度采动地裂缝影响下不同水平距离及垂直深度土壤有机质含量变化如图7所示。

图7 不同宽度采动地裂缝周边土壤有机质变化Fig.7 Variation of soil organic matter around groundfissures with different widths

由表6 和图7 可知，相较于对照组：

第一，3 种宽度范围采动地裂缝周边水平距离80 cm 内0～20 cm 土层土壤中有机质含量变化范围为3.54～6.52 g/kg；20～40 cm 土层土壤中有机质含量变化范围为1.99～3.25 g/kg。采动地裂缝的发育会产生降低周围土壤有机质的效应。

第二，在0～20 cm 土层土壤中，距离宽度为0～10 cm 的采动地裂缝水平距离20，40，60，80 cm处土壤有机质含量的降幅依次为25.29%，22.59%，17.09%，8.90%；距离宽度为10～20 cm 的采动地裂缝水平距离20，40，60，80 cm 处土壤有机质含量的降幅依次为39.73%，36.52%，28.46%，23.66%；距离宽度为20～30 cm 的采动地裂缝水平距离20，40，60，80 cm 处土壤有机质含量的降幅依次为50.58%，41.97%，37.36%，29.11%，以上数据均达到显著性差异（p<0.05）。

第三，在20～40 cm 土层土壤中，距离宽度为0～10 cm 的采动地裂缝水平距离20，40，60，80 cm处土壤有机质含量的降幅依次为23.22%（p<0.05），17.65%（p<0.05），9.60%（p<0.05），-0.62%；距离宽度为10～20 cm 的采动地裂缝水平距离20，40，60，80 cm处土壤有机质含量的降幅依次为25.39%，23.22%，19.81%，15.17%，均达到显著性差异（p<0.05）；距离宽度为20～30 cm 的采动地裂缝水平距离20，40，60，80 cm 处土壤有机质含量的降幅依次为38.39%，33.13%，30.03%，27.55%，均达到显著性差异（p<0.05）。

由此可知：①宽度为0～10，10～20，20～30 cm的3 种采动地裂缝周围水平距离80 cm 以内、垂直0～40 cm 深度土壤有机质含量平均降幅分别为15.46%，26.49%，36.01%；②无论发育何种宽度的采动地裂缝均会产生降低周围土壤有机质含量的效应，这种效应随着采动地裂缝宽度的增大和水平距离的减小而增强；③基于指数函数模型预测，得出当距宽度分别为0～10，10～20，20～30 cm 采动地裂缝的水平距离依次超过92，121，168 cm 时，采动地裂缝降低周围0～40 cm 土壤有机质含量的效应基本消失；④在任意宽度采动地裂缝影响下，水平距离80 cm内土壤有机质含量随着土壤深度的增加而降低。

4.2 采动地裂缝对土壤抗蚀综合指数的影响

根据土壤抗蚀性综合指数模型（如式4），计算了所有试验点位的土壤抗蚀性综合指数（YK），结果如图8 所示。

图8 不同宽度采动地裂缝周边土壤抗蚀性综合指数变化Fig.8 Variation of comprehensive index of soil anti-erodibility around ground fissures with different widths.

由图8 可知，相较于对照组：

第一，在0～20 cm 土层土壤中，距离宽度为0～10 cm 的采动地裂缝水平距离20，40，60，80 cm处YK的降幅依次为65.16%，51.97%，35.11%，24.69%；距离宽度为10～20 cm 的采动地裂缝水平距离20，40，60，80 cm 处 土 壤YK的 降 幅 依 次 为78.39%，67.10%，49.57%，41.24%；距离宽度为20～30 cm 的采动地裂缝水平距离20，40，60，80 cm 处土壤YK的降幅依次为100.00%，81.08%，70.12%，58.28%，以上数据均达到显著性差异（p<0.05）。

第二，在20～40 cm 土层土壤中，距离宽度为0～10 cm 的采动地裂缝水平距离20，40，60，80 cm处YK的降幅依次为55.15%，42.76%，28.89%，21.55%；距离宽度为10～20 cm 的采动地裂缝水平距离20，40，60，80 cm 处 土 壤YK的 降 幅 依 次 为66.48%，60.03%，45.44%，34.91%；距离宽度为20～30 cm 的采动地裂缝水平距离20，40，60，80 cm 处土壤YK的降幅依次为93.97%，74.65%，56.28%，48.50%，以上数据均达到显著性差异（p<0.05）。

由此可知：①宽度为0～10，10～20，20～30 cm的3 种采动地裂缝周围水平距离80 cm 以内，垂直0～40 cm 深 度土壤YK平均降 幅 分 别为40.66%，55.40%，72.86 %。②无论发育何种宽度的采动地裂缝均会产生降低周围土壤YK的效应，这种效应随着采动地裂缝宽度的增大和水平距离的减小而增强；③基于指数函数模型，建立了土壤YK与距裂缝水平距离的量化关系式（表7），并得出当距宽度分别为0～10，10～20，20～30 cm 采动地裂缝的水平距离依次超过125，147，167 cm 时，采动地裂缝降低周围0～40 cm 土壤抗侵蚀综合能力的效应基本消失；④在任意宽度采动地裂缝影响下，水平距离80 cm内土壤YK随着土壤深度的增加而增加。

表7 不同宽度采动地裂缝周围土壤 YK与水平距离的量化关系Table 7 Quantitative relationship between soil YKand horizontal distance around ground fissures with different widths

4.3 讨 论

采动地裂缝的发育会改变周边土壤的孔隙特征、微生物数量以及植物根系性状，并作用于土壤质地、有机质含量、团聚体含量及状态，最终对土壤抗蚀性产生影响。

1）采动地裂缝的发育使得周围土层松动，土壤容重下降和孔隙率增大[32]。一方面增强了大气与土壤的交换速率，提高了土壤空气中的氧气含量，加快了土壤有机质的氧化分解速度，直接导致土壤有机质含量降低[33]，土壤有机质胶结作用的减弱又会使土壤团聚体稳定性下降[34]；另一方面为降水和地表径流入渗提供了更多通道[21]，土壤中小粒径颗粒（例如<0.001 mm 细黏粒）和可溶性有机质均会在地表径流和地表风的作用下沿地裂缝发生垂向流失[35-36]。此外，采动地裂缝引起周围土壤孔隙率的增大也会扩大土壤的蒸发表面积，加速土壤水分的散失，降低土壤的持水能力，提高土壤溶液的浓度，进而导致土壤中小粒径颗粒在“聚沉效应”下向大粒径颗粒转化，进一步加剧土壤细黏粒含量的减少[37]。因此，采动地裂缝宽度越大或者越靠近采动地裂缝，土壤孔隙率增幅越大，土壤中黏粒和有机质损失量越大，土壤团聚体的稳定性越低，土壤抗侵蚀的能力越差。但随着时间的推移，在地表裂缝的自修复作用下，周边表层土壤的孔隙有所恢复，土壤的蒸发作用减弱，使得土壤含水率得到回复。土壤有机质和黏粒含量，以及土壤抗侵蚀能力可能会在一定程度上有所回升[38-39]。

2）采动地裂缝的发育增加了土壤中外部空气和热量的交换强度，导致土壤水、肥、气、热等条件发生剧烈变化，部分土壤微生物会因为不能适应新的环境，出现活性下降甚至死亡的现象[40-41]。已有的研究表明采动地裂缝的发育会使周围土壤微生物数量显著减少，最大可减少70.2%[42]。微生物在土壤团聚体的形成与稳定过程中起着重要作用[43]，微生物细胞带有的电荷以及分泌的细胞外聚合物质（EPS）和真菌菌丝等物质，均是形成团聚体的重要胶结剂[44]。微生物数量减少不仅会直接影响土壤团聚体的胶结复合，造成土壤水稳性团聚体含量下降[45]，还会使土壤团聚体平均重量直径因为大团聚体的含量下降而减小[46]。此外，土壤微生物量还是土壤有机质的活性部分和土壤养分的贮存库，植物凋落物等只有经过微生物的作用，才能腐烂分解形成腐殖质，微生物数量的减少也会导致有机质含量的减少[47]。因此，采动地裂缝的宽度越大以及距采动地裂缝的水平距离越小，对土壤微生物造成的影响越大，土壤中有机质含量、大团聚体含量和土壤平均重量直径越小，土壤的抗蚀性越差。随着地裂缝自修复过程的进行，土壤中的微生物含量受到的影响减弱[48]，土壤有机质及团聚体含量提升，土壤抗侵蚀能力可能会得到一定恢复。

3）采动地裂缝的发育会使土层发生开裂和滑移，拉伤甚至断裂附近植物根系，严重影响植物根系的活力与功能，导致裂缝周围植被枯萎、死亡[49-50]。削弱了植物根系在土壤中通过穿插包裹作用促进水稳性大团聚体形成的效应和植物根系通过机械缠结土壤提高土体水稳结构和抗蚀强度的固土功能[51-52]。植物根系受损减少，对土壤有机质的拦截保护作用减弱，同时分泌的根源有机质、渗出液和黏胶等根系分泌物随之减少，导致土壤有机质累积量的减少、根土复合体稳定性降低以及土壤团聚体含量减少[53-54]。已有的研究表明，沉陷区裂缝宽度是导致植物根系损伤的主要因素，采动地裂缝宽度越大，对植物根系的损害程度越大，植物根系的固土、分泌等能力均受到显著影响[55]。采动地裂缝宽度增大，距采动地裂缝距离越近，对植物根系的损害程度越大，土壤有机质、大团聚体含量越少，周边土壤抗侵蚀能力越低。但随着时间的迁移，采动地裂缝周边的植被会进行自我修复，且草本植物的自我修复能力较强，土壤抗蚀性能力可能不再继续降低而是有所回升[38]。

4）土壤中的黏粒和有机质会与土壤矿物颗粒及金属离子发生作用形成微团聚体[56]，微团聚体又与真菌菌丝以及根系、土壤分泌物在粘结力作用下形成土壤水稳性大团聚体[57]。采动地裂缝的发育通过影响周边土壤的物理、化学、微生物特性，导致细黏粒含量、有机质含量、土壤微团聚体含量和水稳性大团聚体含量减少，土壤团聚度和平均重量直径降低，使得土壤抗蚀性综合指数随之降低，土壤抗侵蚀能力减弱。采动地裂缝宽度越大或者越靠近采动地裂缝，土壤中的黏粒、有机质等含量越低，土壤团聚体越不稳定，抗侵蚀能力也就越差。但是，随着时间尺度的拉长，采动地裂缝周边土壤的抗侵蚀能力不会一直变差，受裂缝自修复作用的影响，周边土壤中的含水率、有机质、植物根系等得到一定修复，土壤抗侵蚀能力也可能得到恢复。

上述结果与郑慧慧等[58]在黄土沟壑区得出的结论基本一致，但也可能会因为研究对象区域地形、沉陷特征及类型不同，而使研究结果产生一定的区别。

此外，研究区内还存在着垂直于等高线的采动地裂缝以及其他类型的黄土坡面，二者对土壤抗蚀性的影响规律尚需深入研究。

5 结 论

1）根据层次分析法、敏感性分析和因子分析，甄选出>0.25 mm 水稳性团聚体含量、平均重量直径、<0.001 mm 细黏粒含量、土壤团聚度和有机质含量5 个指标作为量化表征陕北采动地裂缝发育区土壤抗蚀性的重要指标。采动地裂缝的发育会导致周围土壤上述5 个重要指标的显著降低，降幅介于13.39%～55.51%，其中>0.25 mm 水稳性团聚体含量变化最为明显。

2）采动地裂缝对周围土壤抗蚀性重要指标的负影响随着采动地裂缝宽度的增大和水平距离的减小而增强，当距采动地裂缝的水平距离分别超过122，143，163，140，168 cm 时，采动地裂缝对周边土壤>0.25 mm 水稳性团聚体含量、平均重量直径、<0.001 mm 细黏粒含量、土壤团聚度、土壤有机质含量的负影响基本消失。

3）基于因子分析原理构建了陕北采动地裂缝发育区土壤抗蚀性综合指数模型，计算并揭示了采动地裂缝会降低周围土壤的抗侵蚀综合能力，抗蚀性综合指数降幅介于40.66%～72.86%，且该效应随着裂缝宽度的增大和水平距离的减小而增强，当距采动地裂缝的水平距离超过170 cm 时，采动地裂缝对周围土壤抗侵蚀综合能力的负效应基本消失。