風沙區采煤沉陷裂縫對不同坡位土壤養分的影響

高 琴 黨曉宏,2 蒙仲舉 高 永 高 巖 劉泓鑫

(1.內蒙古農業大學沙漠治理學院,內蒙古 呼和浩特 010011;2.內蒙古杭錦荒漠生態系統國家定位觀測研究站,內蒙古 鄂爾多斯 017400;3.伊金霍洛旗水利技術服務中心,內蒙古 鄂爾多斯 017200)

煤炭資源開發與利用在提高國民經濟發展的同時,也對土地生態造成了嚴重影響[1]。持續性煤炭開采伴隨復合侵蝕,使得礦區發生沉陷、滑坡等災害,并引起地貌景觀破壞、地下水滲漏、水資源污染、植被退化、土壤質量劇減等問題[2-5]。其中土壤質量是實現礦區植被恢復的基礎[6],因此采煤塌陷后土壤質量變化成為礦區生態恢復的熱點問題。沉陷裂縫會影響土壤微結構,進而影響土壤水分的蒸發與滲透[7]。琚成遠等[8]對不同寬度的裂縫進行了土壤水分監測,分析了不同距離裂縫與土壤含水率的關系。土壤養分作為評價土壤肥力的重要指標[9],營養元素主要來源于土壤有機質[10]。通過對沉陷區土壤養分的研究發現,沉陷裂縫處出現大量營養元素滲入空隙流入采空區,土壤表層的有機碳、氮和磷含量降低,而水解性有機氮轉化為易流失的無機態氮和硝態氮流入土壤深層[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],營養元素的流失致使植物生長和恢復受限[13]。杜華棟等[14]研究了不同塌陷年限和未塌陷區土壤理化性質,發現與未塌陷區相比,塌陷初期的土壤含水率、有機質、速效養分等指標顯著降低。NIKOLAOS 等[15]研究發現,開采后沉陷處土壤養分隨采后時間逐步增加。BOWLES 等[16]發現風沙區地裂縫的彌合抑制了土壤微生物將全效養分轉化為速效養分的速率。賀明輝等[17]分析了陰坡和陽坡塌陷裂縫的速效養分含量,得出塌陷裂縫使原本由坡頂向坡底遷移的速效養分在裂縫處中斷,在表層土比下層土更受影響。

綜上所述,有關礦區土壤的研究多集中于采煤沉陷后修復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分探索有待深入。常規研究中,采煤沉陷常導致根系受損造成植被枯死等問題,但本研究在野外調查中發現,鄂爾多斯伊金霍洛旗李家塔礦區小葉楊林地內的塌陷裂縫帶處出現成排分布的小葉楊(Populus simonii)幼苗,這可能是由于裂縫帶土壤性質發生變化所導致。為探明上述現象出現的原因,本研究選擇李家塔采煤沉陷區展開土壤環境實地調查工作,對比沉陷裂縫處與非裂縫處的土壤養分特征,了解不同坡位沉陷裂縫下的土壤性質,揭示沉陷裂縫對土壤養分的影響規律,為風沙采煤沉陷區植被恢復和生態修復提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

李家塔礦區采用下行式開采方式[18],井田面積為16.352 2 km2,煤炭資源儲量達到27 730 萬t[19]。礦區地處陜北黃土高原與毛烏素沙漠的過渡帶(圖1),該區域屬北溫帶半干旱大陸性氣候區,冬季漫長嚴寒,多風沙,夏季炎熱,蒸發強烈,季節性溫差懸殊,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,年均蒸發量為2 506.3 mm,年均蒸發量是降水量的7.2 倍。李家塔采煤沉陷區土壤有風沙土和沙巖風化土,其中90%為風沙土,土體結構較為松散,常為細沙,養分較瘠薄,且比較難蓄積,土體的抗逆性較差,容易受到侵蝕危害[20]。土壤侵蝕強度自東南向西北遞減,土壤侵蝕模數為(4～8)×103t/(km3·a)[21]。礦區內植物以耐旱、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 試驗設計與測定方法

本研究于2021年4月以李家塔采煤沉陷區坡地為研究對象(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3 個10 m×10 m 的樣方,每個樣方內選取裂縫帶樣點作為試驗組,在距離裂縫3 m 范圍內選取非裂縫帶作為對照組進行取土。在樣地內每個取樣點沿裂縫挖取一個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 進行分層采樣。使用環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驗室自然風干,過2 mm 土壤篩后備用,進行土壤有機質和速效養分(速效氮、速效磷、速效鉀)測定。土壤有機質采用重鉻酸鉀容量法測定,土壤速效氮采用堿解擴散法測定,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 數據處理

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

2 試驗結果與討論

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 土層內損耗了0.33%～0.79%,30～60 cm 土層內損耗了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 沉陷裂縫對土壤養分的影響

土壤化學性質是植物正常生長的主要限制因素[24]。土壤有機質可有效加速團粒結構形成,是土壤重要組分之一。研究區土壤有機質含量整體不高,受采煤沉陷裂縫影響自坡頂至坡底土壤有機質含量越來越高,裂縫帶變幅為0.72～1.11 g/kg,變異系數為0.192,非裂縫帶變幅為0.98～2.77 g/kg,變異系數為0.178,整體隨土層加深呈遞減趨勢,并在30～60 cm 土層有機質含量逐漸穩定。不同坡位土壤有機質含量均顯著降低,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質含量受到不同程度影響,采煤沉陷裂縫對土壤有機質含量造成一定的損失,且在坡底較為嚴重。

采煤沉陷裂縫顯著提高了不同坡位土壤速效養分含量,且不同坡位土壤速效養分差別不大,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分在表層土壤富集(圖3)。

圖3 不同坡位各土層土壤養分變化量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關系的影響

沉陷裂縫導致土壤理化性質發生變化,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性不顯著;非裂縫帶土壤水分與土壤有機質之間呈顯著負相關,說明沉陷裂縫降低了土壤水分與土壤有機質之間的相關性。坡中沉陷裂縫帶土壤水分與土壤有機質呈極顯著負相關,與土壤速效鉀呈顯著負相關;非裂縫帶相關性不顯著,說明沉陷裂縫提高了土壤水分與土壤有機質和速效鉀之間的相關性。坡底沉陷裂縫帶土壤水分與土壤速效磷呈顯著正相關,與土壤速效鉀呈顯著負相關;非裂縫帶土壤水分與土壤有機質呈極顯著正相關,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性,降低了土壤水分與土壤有機質之間的相關性。土壤水分與各指標之間均有不同程度的相關性,但相關性均不顯著,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相關性(n=18)Table 1 Correlation between soil properties of fractured zone and non-fractured zone under different slope positions(n=18)

從土壤有機質含量來看,坡頂沉陷裂縫帶和非裂縫帶均表現為相關性不顯著。坡中和坡底沉陷裂縫帶土壤有機質與土壤速效鉀呈極顯著正相關,非裂縫帶土壤有機質與土壤速效鉀呈顯著正相關,說明坡中和坡底的沉陷裂縫對土壤有機質和土壤速效鉀之間的相關性沒有影響。各坡位裂縫帶與非裂縫帶的分析結果不一致,具體原因有待進一步研究。

3 討 論

煤炭開采加劇了土質的不均一性,引起微地形起伏,生態環境受損[25]。本研究分析了沉陷裂縫對土壤質量的影響,為風沙采煤沉陷區植被恢復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沙地貌區植被生長的主要限制因素[26]。采煤沉陷過程中地表出現不同程度的裂縫,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。補給水減少而蒸發量增加,必然導致土壤含水率減少[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,該結論與劉英等[29]、杜華棟等[30]、韓瑜等[31]對沉陷區和不同坡位土壤含水率變化規律的分析一致。結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。

土壤有機質含量是評價土壤肥力高低的一個重要指標[34]。采煤沉陷使0～60 cm 深度內沉陷區各層土壤有機質含量較原地貌明顯下降(P<0.05)[31],與本研究土壤有機質在非裂縫帶大于裂縫帶的分析結果一致,這可能是沉陷增加土壤侵蝕,有機質氧化程度加劇,土壤通氣性變好使得土壤有機質的分解速度加快,伴隨沉陷強度增加,土壤有機質分解量將會加大[35]。沉陷區坡中和坡底的土壤有機質損失最明顯,與韓煜等[31]研究結果相悖,造成該結論差異的原因可能與前期對不同坡位裂縫類型情況的調查情況有關,也可能與不同地區資源差異有關,有待進一步研究。土壤速效養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,土壤速效磷持續增加[37]。煤炭開采后土壤中速效鉀含量出現了下降,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,部分指標趨于正常[38]。上述結論基本與本研究分析結果相似,這可能與裂縫的存在加之風蝕、水蝕等外營力作用,從而導致水分入滲加速養分遷移有關[39]。

沉陷裂縫提高了土壤水分與土壤有機質和速效鉀之間的相關性,可能是由于沉陷使得土壤水分空間變異性增強引起的[22]。研究區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性,降低了土壤水分與土壤有機質之間的相關性。以上結論與吳志遠等[40]對于干旱區開采地表土壤影響的研究結論不同,原因可能與不同地區資源差異有關,也可能是由于土壤水分觀測時段和指標不同,有待進一步研究。本研究對采煤沉陷裂縫土壤養分特征的分析,可為今后礦區土壤性質改良提供理論依據。土壤質地改善、保墑保肥能力增強,可為植被生長創造適宜的條件,從而更有效地實現礦區生態修復。

4 結論

(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)沉陷裂縫導致土壤有機質氧化程度和分解量增加,土壤有機質富集在表層土壤,相較非裂縫帶減少了28.61%～149.06%,采煤沉陷坡土壤有機質的損失,在一定程度上會影響礦區的溫室效應。裂縫帶土壤速效養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,速效養分含量逐漸減少,沉陷裂縫使速效養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質之間的相關性,提高了坡中土壤有機質和土壤速效鉀之間的相關性,對坡底的土壤水分與土壤有機質、速效磷和速效鉀之間的相關性影響較大,對土壤有機質和土壤速效鉀之間的相關性沒有影響。煤炭開采引起的采煤沉陷裂縫對土壤指標造成了不同程度的影響,不同坡位上土壤有機質與其他指標的相關性差異顯著。

(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分特征進行了比較,分析了沉陷裂縫在各坡位對縱向土壤指標的影響,從不同視角分析了沉陷裂縫土壤指標的變化,由于不同坡位上裂縫寬度與深度不同,且在室內指標測定尚不全面,后續可就裂縫寬度與深度對土壤理化性質的影響開展深入探究。