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        ★ 生態礦山 ★

        黃河中游煤礦區沉陷黃土坡面土壤養分空間變化規律研究

        劉 具1,宋世杰2,杜 麟2,楊 磊2,梁躍強1,程 坤1

        (1.中國煤炭工業協會咨詢中心,北京市朝陽區,100013;2. 西安科技大學地質與環境學院,陜西省西安市,710054)

        摘 要 為了解決煤炭開采沉陷土壤養分損害及修復問題,通過室內外實驗和數據分析等方法,以黃河中游煤礦區陜北張家峁井田沉陷黃土坡面土壤為研究對象,分析土壤養分空間變化特征與規律。研究結果表明,沉陷坡面土壤的有機質、銨態氮、速效鉀含量在不同坡面、不同土層垂直深度存在明顯差異,且呈現出不同的空間變化規律,但速效磷含量差異不明顯;開采沉陷會造成土壤有機質、銨態氮、速效磷等養分全坡面性的損失,速效鉀局部性損失和富集;在沉陷坡面修復過程中,坡頂和坡中土壤的養分最為貧瘠,應以人工修復為主,而坡腳土壤養分較豐富,應以自然恢復為主;坡頂20~40 cm土層、坡腳0~10 cm土層、坡中40~60 cm土層、全坡面0~10 cm土層應依次作為沉陷坡面土壤有機質、銨態氮、速效磷、速效鉀修復的重點部位。

        關鍵詞 沉陷黃土坡面;土壤養分;空間變化規律;修復策略;陜北煤礦區

        煤炭作為我國的主體能源,長時期內對保障國家能源安全發揮著重大作用[1]。黃河流域不僅是我國重要生態屏障,更是煤炭資源主產區,素有“能源流域”之稱,我國煤炭資源的開采主要集中在黃河中上游,這些區域大多處于干旱、半干旱地區,生態環境脆弱[2-4]。煤炭開采不可避免地引發生態環境損傷,加劇水土沉陷流失、耕地損失、植被退化。有學者曾提出自然與人工干預相結合的修復方式[5],并指出采煤擾動下植被修復可有效降低土壤有機碳及氮磷養分含量[6-9]。雖然開采沉陷及其衍生的生態環境損害復雜多樣,但土壤質量損傷是生態環境負效應的關鍵要素,而有機質、銨態氮、磷和鉀等養分含量是表征土壤質量的核心指標,且極大地制約著地表植被的生長狀況和修復方式。在治理開采沉陷過程中,黃土坡面會產生各種變形,導致坡面土壤養分產生顯著空間異質性[10-12]。

        本文以黃河中游煤礦區陜北張家峁礦區井田為研究對象,主要研究陜北煤礦區沉陷黃土坡面土壤養分的空間變化特征與規律,用于指導沉陷區生態修復工作,具有重要的科學價值和實踐意義。

        1 研究區概況

        研究區位于陜西省榆林市神木縣北部張家峁井田,地處陜西省榆林市神木縣北部,屬典型中溫帶半干旱大陸性氣候,冬季寒冷、夏季炎熱,晝夜溫差懸殊,多年平均氣溫為8.5℃,最高氣溫為38.9℃,最低氣溫為-28.5℃,平均降水量為436.7 mm,多集中于7~9月,平均蒸發量為1 907~2 122 mm,是降水量的4~5倍,多年平均風速為2.5 m/s、最大風速為25 m/s,凍土最大深度為146 cm。研究區除西南角外均為黃土溝壑地貌,地表為第四系中上更新統黃土,厚度一般為50~100 m,坎陡溝深、梁峁相間。井田全區主采煤層為3-1煤層、埋深為0~108 m、平均厚度為2.84 m,在長壁綜采開采方式下開采沉陷發育明顯,地表下沉系數約為0.7。

        2 材料與方法

        2.1 布點與采樣

        在研究區選擇沉陷穩定(2 a左右)的3處形態、大小相近的典型黃土坡面,分別在坡頂、坡中和坡腳的3個部位隨機布設3個1 m×1 m的采樣方,采用“五點法”分別采集0~10、10~20、20~40、40~60 cm等4個深度的土壤;將每個黃土坡面不同部位、相同土層深度土壤充分混合后,分別裝入純棉布袋;將同區域未沉陷且形態相似的黃土坡面作為對照,按相同方法采集土壤樣品;共采集48個樣品。研究區沉陷黃土坡面土壤樣品采集示意圖如圖1所示。

        圖1 研究區沉陷黃土坡面土壤樣品采集示意圖

        2.2 樣品處理與檢測方法

        樣品經晾曬、除雜、研磨、過篩等處理,采用總有機碳分析儀(Vario TOC)測定有機質含量,全自動流動分析儀(AA3)測定銨態氮含量,電感耦合等離子體(PerkinElme2000,ICP)測定速效鉀含量,可見分光光度計測定速效磷含量,每項平行測定3次,取算數平均值作為該項測試的最終值。

        2.3 數據處理

        實驗數據采用SPSS 21.0軟件進行顯著性分析和相關性分析,所得圖件采用Origin 9.1軟件繪制。

        3 實驗與數據分析

        3.1 室內實驗

        通過室內實驗,測定了土壤有機質、銨態氮、速效磷、速效鉀等養分指標,陜北煤礦區沉陷黃土坡面土壤養分含量測定結果見表1。

        1 陜北煤礦區沉陷黃土坡面土壤養分含量測定結果

        對象部位土層深度/cm有機質含量/(mg·kg-1)銨態氮含量/(mg·kg-1)速效磷含量/(mg·kg-1)速效鉀含量/(mg·kg-1)沉陷黃土坡面坡頂坡中坡腳0~10550±22.5c1.74±0.03g190±9.5c190.6±8.7de10~20440±17.0d3.66±0.12de200±10.4c172.3±7.8e20~40510±20.5cd2.27±0.05f210±10.6c271.2±12.8a40~60120±1.0e3.43±0.11e180±9.0c255.5±12.0ab0~10730±31.5b2.37±0.06e200±9.9c165.6±7.5c10~20650±27.5c3.49±0.11b190±9.5cd206.4±9.5b20~40420±16.0d2.62±0.07d120±6.1e234.3±10.9a40~60130±1.5f2.44±0.06de170±8.5d249.9±11.7a0~10349±12.5d4.11±0.15c270±13.5bc242.8±11.3b10~20542±22.1b3.21±0.10d250±12.0c197.5±9.1cd20~40491±19.6c2.14±0.05f300±15.7ab205.07±9.5c40~60381±14.1d2.21±0.05ef210±10.5d178.17±8.1d自然黃土坡面坡頂坡中坡腳0~101120±51.0a5.67±0.22a200±10.0c236.9±11.0bc10~20960±43.0b3.77±0.13cd240±12.9b214.4±9.9cd20~401110±50.5a4.37±0.16b310±15.5a245±11.5ab40~60430±16.5d4.02±0.14c300±15.0a262.9±12.3ab0~10840±37.0a3.935±0.14a240±11.9b168±7.6c10~20700±30.0bc3.44±0.11b240±11.4b239.8±11.2a20~40810±35.5a2.905±0.09c250±12.5b209.6±9.7b40~60280±9.0e2.58±0.07d280±14.8a225.55±10.5ab0~10358±12.9d7.52±0.32a330±16.4a296.6±14.0a10~20631±26.6a7.18±0.30a290±14.2b210.56±9.7c20~40491±19.6c4.79±0.18b270±13.6bc185.68±8.5cd40~60290±9.5e2.56±0.07e270±12.3bc187.21±8.2cd

        注:同一指標同列數據后不同字母表示在0.05的水平上差異顯著,字母本身不具有任何含義,只是通過相互之間的比較來體現差異是否顯著。比較其是否具有顯著差異,只需要比較兩組代表的字母是否有重疊。比如,a、b、c三者之間字母各不相同,相互都有顯著性差異。但是ab和a比較或者ab和b比較,各有重復字母,所有兩對都不具有顯著差異。

        3.2 數據分析

        根據檢測結果繪制了不同部位及土層深度下各土壤養分含量情況,陜北煤礦區沉陷黃土坡面不同部位及土層深度的土壤養分對比如圖2所示。

        3.2.1 沉陷黃土坡面土壤有機質空間變化規律

        由圖2(a)可以看出:

        (1)沉陷黃土坡面土壤有機質含量在不同土層垂直深度上存在明顯差異,坡頂0~10 cm土壤有機質含量為550 mg/kg,是40~60 cm土壤的4.6倍;坡中0~10 cm土壤有機質含量為730 mg/kg,是40~60 cm土壤的5.6倍;坡腳10~20 cm土壤有機質含量為542 mg/kg,分別是0~10 cm、40~60 cm土壤的1.6倍和1.4倍。對于坡頂和坡中,沉陷黃土坡面土壤有機質含量均呈現隨土層深度增加而逐漸降低的變化趨勢,且在坡中最明顯,有機質含量主要集中于0~20 cm土層土壤中;對于坡腳,有機質含量隨土層垂直深度增加而表現為先增加后下降的變化趨勢,有機質含量主要集中于10~40 cm土層土壤。

        (2)與對照組相比較,沉陷黃土坡面任何部位和任何土層垂直深度中的土壤有機質含量均有所損失。從不同坡面部位角度看,垂直深度為0~60 cm以內的不同坡面部位土壤有機質平均損失率由大到小的排序為坡頂(55.2%)>坡中(26.6%)>坡腳(0.4%);從不同土層深度角度看,3個坡面部位的各層土壤有機質平均損失率由大到小的排序為20~40 cm(41.0%)>40~60 cm(36.9%)>0~10 cm(29.8%)>10~20 cm(28.8%)。由此可見,開采沉陷造成了全坡面土壤有機質含量的損失,而坡頂20~40 cm土壤損失最為嚴重。

        圖2 陜北煤礦區沉陷黃土坡面不同部位及土層深度的土壤養分對比

        3.2.2 沉陷黃土坡面土壤銨態氮的空間變化規律

        由圖2(b)可以看出:

        (1)沉陷黃土坡面土壤銨態氮含量在不同土層垂直深度上存在明顯差異,坡頂10~20 cm、40~60 cm土壤銨態氮含量為3.66 mg/kg、3.43 mg/kg,分別是其它2層土壤平均含量的1.8倍和1.7倍;坡中10~20 cm土壤銨態氮含量為3.49 mg/kg,分別是0~10 cm、40~60 cm土壤的1.5倍和1.4倍;坡腳0~10 cm土壤銨態氮含量為4.11 mg/kg,是40~60 cm土壤的1.9倍。由此可見,坡頂銨態氮含量主要集中于10~20 cm及40~60 cm土層土壤中,坡中銨態氮含量主要集中于10~20 cm土層土壤中,坡腳銨態氮含量主要集中于0~20 cm土層土壤中。

        (2)與對照組相比較,沉陷黃土坡面任何部位和任何土層垂直深度中的土壤銨態氮含量均有所損失。具體而言,從不同坡面部位角度看,垂直深度0~60 cm以內的不同坡面部位土壤銨態氮平均損失率由大到小的排序為坡腳(47.1%)>坡頂(37.7%)>坡中(15.1%);從不同土層深度角度看,3個坡面部位的各層土壤銨態氮平均損失率由大到小的排序為0~10 cm土層(52.0%)>20~40 cm土層(41.5%)>10~20 cm土層(28.1%)>40~60 cm土層(13.2%)。由此可見,開采沉陷造成了全坡面土壤銨態氮含量的損失,而坡腳0~10 cm土層土壤損失最為嚴重。

        3.2.3 沉陷黃土坡面土壤速效磷的空間變化規律

        由圖2(c)可以看出:

        (1)沉陷黃土坡面土壤速效磷含量在不同部位上存在明顯差異,坡腳0~10 cm土壤速效磷平均含量為270 mg/kg,均為坡頂、坡中的1.4倍;坡腳10~60 cm土壤速效磷平均含量為253 mg/kg,分別是坡頂、坡中的1.2倍和1.6倍。由此可見,在坡頂向坡中,再向坡腳轉換過程中,土層深度10~60 cm土壤速效磷含量呈現出先降低后增加的變化趨勢,且速效磷含量主要集中于坡腳部位。

        (2)沉陷黃土坡面土壤速效磷含量在各個部位上不同土層垂直深度的差異不明顯,坡頂0~10 cm土壤速效磷含量為190 mg/kg,與其它各層土壤含量相當;坡中0~10 cm土壤速效磷含量為200 mg/kg,僅是40~60 cm土壤的1.2倍;坡腳0~10 cm土壤速效磷含量為270 mg/kg,僅是40~60 cm土壤的1.3倍。由此可見,無論在坡頂、坡中和坡腳,沉陷黃土坡面土壤速效磷含量在各土層上的分布較為均勻。

        (3)與對照組相比較,沉陷黃土坡面的任何部位和任何土層垂直深度上,土壤速效磷含量均有所損失。具體而言,從不同坡面部位角度看,垂直深度0~60 cm以內的不同坡面部位土壤速效磷平均損失率由大到小的排序為坡中(32.7%)>坡頂(25.7%)>坡腳(11.2%);從不同土層深度角度看,3個坡面部位的各層土壤有機質平均損失率由大到小的排序為40~60 cm土層(33.9%)>20~40 cm土層(24.2%)>10~20 cm土層(17.1%)>0~10 cm土層(14.4%)。由此可見,開采沉陷造成了全坡面土壤速效磷含量的損失,而坡中40~60 cm土壤損失最為嚴重。

        3.2.4 沉陷黃土坡面土壤速效鉀的空間變化規律

        由圖2(d)可以看出:

        (1)沉陷黃土坡面土壤速效鉀含量在不同部位上存在明顯差異,坡腳土層深度0~10 cm土壤速效鉀含量為242.8 mg/kg,分別是坡頂、坡中的1.3倍和1.5倍;坡中土層深度10~20 cm土壤速效鉀含量為206.4 mg/kg,分別是坡頂、坡腳的1.2倍和1.1倍;坡頂土層深度20~60 cm土壤速效鉀平均含量為263.4 mg/kg,分別是坡中、坡腳的1.1倍和1.4倍。由此可見,在坡頂向坡中,再向坡腳轉換過程中,土層深度10~20 cm土壤速效鉀含量呈現出先增加后降低變化趨勢,且速效鉀含量主要集中于坡中部位;土層深度20~60 cm土壤速效鉀主要集中于坡頂部位。

        (2)沉陷黃土坡面土壤速效鉀含量在不同土層垂直深度上存在明顯差異,坡頂20~40 cm土壤速效鉀含量最高,為271.2 mg/kg,10~20 cm土壤速效鉀含量最低,為172.3 mg/kg,前者是后者的1.6倍;坡中40~50 cm土壤速效鉀含量為249.9 mg/kg,是0~10 cm土壤的1.5倍;坡腳0~10 cm土壤速效鉀含量最高,為242.8 mg/kg,10~20 cm土壤速效鉀含量最低,為197.5 mg/kg,前者是后者的1.2倍。由此可見,對于坡頂和坡腳,沉陷黃土坡面速效鉀含量主要集中于坡頂40~60 cm、坡腳0~10cm土層土壤中。

        (3)與對照組相比較,除20~40 cm土層及坡中40~60 cm土層外,沉陷黃土坡面土壤速效鉀含量均有所損失。具體而言,從不同坡面部位角度看,垂直深度0~60 cm以內的不同坡面部位土壤速效鉀平均損失率由大到小的排序為坡頂(7.3%)>坡腳(6.4%)>坡中(-1.6%);從不同土層深度角度看,3個坡面部位的各層土壤速效鉀平均損失率由大到小的排序0~10 cm(14.6%)>10~20 cm土層(13.3%)>40~60 cm土層(-1.2%)>20~40 cm土層(-11.0%)。由此可見,開采沉陷造成了全坡面0~20 cm土層、坡頂及坡腳40~60 cm土層土壤速效鉀含量的損失,其中以全坡面0~10 cm土層損失最嚴重。

        3.3 沉陷黃土坡面土壤養分修復策略

        基于實驗及數據分析,陜北煤礦區開采沉陷發生后,會造成沉陷黃土坡面土壤有機質、銨態氮、速效磷等養分全坡面性損失以及速效鉀局部性損失和局部性富集[10,12]。因此,修復陜北采煤沉陷區生態環境,應根據區域生態環境質量定位以及修復后土地利用類型與植被類型,有選擇、有目標開展沉陷黃土坡面土壤養分修復。具體策略包括以下3個方面。

        (1)采取人工修復與自然恢復相結合的方式實現全坡面土壤有機質、銨態氮、速效磷、速效鉀(0~20 cm土層)的修復。

        (2)黃土沉陷坡面的坡頂、坡中土壤養分最為貧瘠,自然恢復潛力小,應以人工修復為主,而坡腳土壤養分較為豐富,自然恢復潛力大,應以自然恢復為主。

        (3)坡頂20~40 cm土層、坡腳0~10 cm土層、坡中40~60 cm土層、全坡面0~10 cm土層應依次作為沉陷黃土坡面土壤有機質、銨態氮、速效磷、速效鉀修復的重點部位。

        4 結論

        (1)陜北煤礦區沉陷黃土坡面土壤有機質、銨態氮、速效磷、速效鉀含量在不同坡面部位上存在明顯差異,且因土層垂直深度不同而表現出不同的空間變化規律。

        (2)陜北煤礦區沉陷黃土坡面土壤有機質、銨態氮、速效鉀含量在不同土層垂直深度上存在明顯差異,且因部位不同而表現出不同的空間變化規律;土壤速效磷含量在各個部位上不同土層垂直深度的差異不明顯。

        (3)陜北煤礦區開采沉陷會造成黃土坡面土壤有機質、銨態氮、速效磷等養分全坡面性的損失以及速效鉀的局部性損失和局部性富集。其中坡頂20~40 cm土壤有機質含量損失最為嚴重;坡腳0~10 cm土壤銨態氮含量損失最為嚴重;坡中40~60 cm土壤速效磷含量損失最為嚴重;全坡面0~10 cm土壤速效鉀損失最為嚴重,但開采沉陷也使得全坡面20~40 cm土壤的速效鉀含量出現明顯富集現象。

        (4)陜北煤礦區沉陷黃土坡面土壤養分修復應采取人工與自然相結合方式,坡頂、坡中應以人工修復為主,坡腳應以自然恢復為主,并分析了沉陷黃土坡面土壤有機質修復重點部位在坡頂20~40 cm土層,銨態氮修復重點部位在坡腳0~10 cm土層、速效磷修復重點部位在坡中40~60 cm土層、速效鉀修復重點部位在全坡面0~10 cm土層。

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        Study on spatial variation law of soil nutrients on subsidence loess slope in coal mining area of the middle reaches of the Yellow River

        LIU Ju1, SONG Shijie2, DU Lin2, YANG Lei 2, LIANG Yueqiang1, CHENG Kun1

        (1. Consulting Center of China National Coal Association, Chaoyang, Beijing 100013, China;2. College of Geology and Environment, Xi'an University of Science and Technology, Xi'an, Shaanxi 710054, China)

        Abstract In order to solve the problem of soil nutrient damage and restoration in coal mining subsidence area, through indoor and outdoor experiments, data analysis and other methods, taking the loess slope soil of field subsidence in Zhangjiamao mining area in northern Shaanxi in coal mining area of the middle reaches of the Yellow River as the research object, the spatial variation characteristics and laws of soil nutrients were analyzed. The research showed that the contents of organic matter, ammonium nitrogen, available potassium of soil on subsidence slope were significantly different in vertical depths of different slopes and different soil layers, with a different spatial variation patterns, but the difference in available phosphorus content was not obvious; mining subsidence would cause the loss of soil organic matter, ammonium nitrogen, available phosphorus and other nutrients on the whole slope, and the local loss and enrichment of available potassium; in the restoration of subsidence slope, the soil nutrients in the top and middle of the slope were the poorest, which should be mainly repaired by artificial restoration, while the soil nutrients in the toe of the slope were rich, which should be mainly restored by natural restoration; the top 20~40 cm soil layer, the toe 0~10 cm soil layer, the middle 40~60 cm soil layer and the whole slope 0~10 cm soil layer should be the key parts of restoration of soil organic matter, ammonium nitrogen, available phosphorus and available potassium in subsidence slope.

        Key words subsidence loess slope; soil nutrient; spatial variation law; restoration strategy; Northern Shaanxi coal mining area

        中圖分類號 TD997

        文獻標志碼 A

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        引用格式:劉具,宋世杰,杜麟,等. 黃河中游煤礦區沉陷黃土坡面土壤養分空間變化規律研究[J].中國煤炭,2021,47(8):63-68.doi:10.19880/j.cnki.ccm.2021.08.010

        LIU Ju, SONG Shijie , DU Lin,et al. Study on spatial variation law of soil nutrients on subsidence loess slope in coal mining area of the middle reaches of the Yellow River [J]. China Coal, 2021,47(8):63-68. doi:10.19880/j.cnki.ccm.2021.08.010

        作者簡介:劉具(1985-),男,安徽淮南人,碩士,工程師,就職于中國煤炭工業協會咨詢中心,主要從事煤炭行業安全生產技術服務、技術咨詢以及煤炭行業綠色開采等相關技術與標準的研究。E-mail:liuju1115@163.com

        (責任編輯 王雅琴)

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