摘 要：【目的】地形因素（坡位和坡向）對(duì)土壤性質(zhì)具有深刻的影響，但針對(duì)采煤沉陷形成的微地形條件，尤其是坡向?qū)ν寥佬再|(zhì)的影響研究較少，有必要對(duì)其進(jìn)行研究?！痉椒ā恳越棺骶爬锷降V典型平原型采煤沉陷區(qū)為研究區(qū)，以耕地土壤為研究對(duì)象，通過野外調(diào)查和室內(nèi)分析，研究了沉陷區(qū)坡向?qū)ν寥览砘再|(zhì)的影響?！窘Y(jié)果】結(jié)果表明：與陽(yáng)坡相比，采煤沉陷區(qū)陰坡土壤含水量、電導(dǎo)率、有機(jī)質(zhì)含量、全磷含量和鈉吸附比均相對(duì)較高，而土壤pH相對(duì)較低；土壤含水量、pH、電導(dǎo)率和全磷含量在不同坡向之間存在顯著差異且上述指標(biāo)與坡向之間存在極顯著相關(guān)性（p<0.01）；坡向?qū)ν寥阑瘜W(xué)指標(biāo)的影響效應(yīng)要強(qiáng)于坡位，坡向與坡位對(duì)土壤全磷含量的影響具有交互作用?！窘Y(jié)論】研究結(jié)果可為探明沉陷區(qū)土壤空間異質(zhì)性的成因及土地的精準(zhǔn)復(fù)墾提供參考。

關(guān)鍵詞：采煤沉陷區(qū)；理化性質(zhì)；地形條件；坡向

中圖分類號(hào)：S153 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2024）18-0090-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.18.017

Study on the Influence of Slope Aspect in Coal Mining Subsidence Area on the Physical and Chemical Properties of Cultivated Soil

ZHU Xiwang XIA Ziqing

（Henan zhonggong design & research group Co.， Ltd.， Zhengzhou 450000， China）

Abstracts：[Purposes] Topographic factors （slope position and slope direction） have a profound impact on soil properties. However， there are few studies on the micro-topographic conditions formed by coal mining subsidence， especially the influence of slope direction on soil properties， so it is necessary to study it. [Methods] Taking the typical plain coal mining subsidence area of Jiulishan Mine in Jiaozuo as the research area， the cultivated land soil was taken as the research object. Through field investigation and indoor analysis， the influence of slope direction on soil physical and chemical properties in subsidence area was studied. [Findings] The results showed that compared with the sunny slope， the soil water content， electrical conductivity， organic matter content， total phosphorus content and sodium adsorption ratio of the shady slope in the coal mining subsidence area were relatively higher， while the soil pH was relatively lower. There were significant differences in soil water content， pH， electrical conductivity and total phosphorus content among different slope directions， and there was a significant correlation between the above indexes and slope direction （p<0.01）. The effect of slope aspect on soil chemical indexes was stronger than that of slope position， and the effect of slope aspect and slope position on soil total phosphorus content had interaction.[Conclusions] The research results can provide a reference for exploring the causes of soil spatial heterogeneity in subsidence areas and the precise reclamation of land.

Keywords：coal mining subsidence area; physical and chemical properties; topographical conditions; slope aspect

0 引言

我國(guó)是世界上煤炭生產(chǎn)量最大的國(guó)家，其中95%以上的煤炭產(chǎn)量來(lái)自井工開采［1］。這種開采方式會(huì)形成大面積的地下采空區(qū)，不可避免地導(dǎo)致地面沉降，從而引發(fā)一系列的生態(tài)環(huán)境問題，如土壤侵蝕和土壤退化、地形條件和水文過程的改變、土地生產(chǎn)力的下降、植物生長(zhǎng)的限制等。我國(guó)大部分井工開采的煤礦位于耕地、林地下方，在一些煤炭主要生產(chǎn)省，含煤區(qū)與耕地分布復(fù)合區(qū)域面積占我國(guó)耕地總量的40%以上，其中煤炭保有資源與耕地復(fù)合面積超過了耕地總面積的10%［2］。因此，煤炭開采導(dǎo)致的地表沉陷造成的耕地土壤結(jié)構(gòu)破壞和土壤退化，嚴(yán)重影響作物產(chǎn)量，對(duì)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)造成的損失不可忽視。

地形條件（坡位、坡向和坡度等）是某些生態(tài)過程發(fā)生的基本組成要素，也是氣象、環(huán)境等因子具有時(shí)空異質(zhì)性的重要因素，能夠顯著影響著土壤水流、土壤碳氮的轉(zhuǎn)化、土壤團(tuán)聚體和作物生產(chǎn)力等。坡向是關(guān)鍵地形因子，會(huì)引起光照、溫度、降雨量、風(fēng)速等因子的改變，進(jìn)而導(dǎo)致土壤物理、化學(xué)和微生物性質(zhì)的差異。張凱等［3］通過對(duì)黃土高原北部水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)帶的研究發(fā)現(xiàn)，坡向?qū)?～20 cm土壤有機(jī)碳、全氮含量和0～60 cm土壤碳氮比均有顯著影響。

煤炭開采造成的地表沉陷嚴(yán)重改變了地表的地形條件，影響了沉陷區(qū)耕地土壤性質(zhì)的分布特征，進(jìn)而降低了耕地的生產(chǎn)力，甚至影響糧食安全。吳志遠(yuǎn)等［4］研究發(fā)現(xiàn)，采煤沉陷提高了沉降中心的土壤水分含量，而在沉陷盆地邊緣由于存在永久不能閉合的階梯形裂縫，使土壤水分降低。杜濤等［5］研究指出，采煤沉陷區(qū)地表裂縫出現(xiàn)后，土壤含水量等理化性質(zhì)和根系分泌物的變化造成油蒿根際微環(huán)境的改變，進(jìn)而引起油蒿根際微生物數(shù)量和酶活性的適應(yīng)性變化。卞正富［6］研究發(fā)現(xiàn)，采煤沉陷區(qū)中下坡位置土壤含水率明顯升高，總孔隙度在下坡處明顯變小，而土壤養(yǎng)分指標(biāo)上坡位置普遍低于對(duì)照田，下坡位置要高于對(duì)照田。上述有關(guān)采煤沉陷區(qū)微地形條件對(duì)土壤性質(zhì)的影響研究主要集中在坡位、裂縫等條件的影響方面，而對(duì)沉陷區(qū)坡向的影響研究則鮮見報(bào)道，這對(duì)精準(zhǔn)指導(dǎo)沉陷區(qū)的土地復(fù)墾和生態(tài)恢復(fù)是不足的。因此，本研究聚焦于采煤沉陷區(qū)的地形條件，以耕地土壤為研究對(duì)象，通過野外調(diào)查和室內(nèi)分析，研究坡向?qū)ν寥览砘再|(zhì)的影響，為沉陷區(qū)土地的精準(zhǔn)復(fù)墾提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

焦作九里山礦隸屬河南煤業(yè)化工集團(tuán)焦作煤業(yè)（集團(tuán)）有限公司，位于焦作市東北18 km（39.34 °N，113.42 °E），海拔為97 m，屬太行山山前平原沖洪積扇的邊緣地帶，總體地形平坦，地面坡度3‰ ～8‰。礦區(qū)年均氣溫為14.2 ℃，降水量為578 mm，蒸發(fā)量為993 mm，年均日照時(shí)數(shù)為2 062 h，光熱資源豐富，是全國(guó)糧食高產(chǎn)區(qū)之一。礦區(qū)主要土地利用類型如下：耕地占比78.2%，以冬小麥-夏玉米（大豆或花生）作為主作物；建筑道路工礦用地占比19.5%；林地占比2.3%，以速生楊為主。土壤主要為石灰性褐土，質(zhì)地為壤土—黏壤土，母質(zhì)是第四系砂礫石，土體深厚（13～45 m）。礦區(qū)自1983年開采以來(lái)，形成的沉陷區(qū)總面積為540 hm2，呈NE—SW走向，地表平均坡度為2.22°，沉陷深度多在1.2～4.3 m，最大深度為8.2 m，是典型的平原型采煤沉陷坑。

1.2 樣品采集和分析

本研究選取典型沉陷區(qū)為研究區(qū)，選擇2個(gè)具有不同沉陷坡向（南坡為陽(yáng)坡、北坡為陰坡）的坡面，在每個(gè)坡面上，自沉陷邊緣至沉陷中心設(shè)置5個(gè)采樣點(diǎn)，每個(gè)采樣點(diǎn)的間隔距離為40 m。采樣點(diǎn)位置和布設(shè)方案如圖1所示。

在每個(gè)采樣點(diǎn)，按照梅花形布點(diǎn)法采取5個(gè)重復(fù)采集，采集深度為0～20 cm、20～40 cm和40～60 cm。樣品采集后，用保鮮袋密封和記錄編號(hào)，帶回實(shí)驗(yàn)室后，在室內(nèi)進(jìn)行自然風(fēng)干、研磨和過2 mm篩，以供土壤物理和化學(xué)指標(biāo)分析。采用烘干法、比重計(jì)法、重鉻酸鉀-稀釋熱法、NaOH熔融-鉬銻抗比色法、pH計(jì)、電導(dǎo)率儀、離子色譜法分別測(cè)定含水量、土壤質(zhì)地、有機(jī)質(zhì)、全磷、pH、電導(dǎo)率、Ca2+、Mg2+、Na+。鈉吸附比（SAR）計(jì)算公式為式（1）。

[SAR=CNaCCa+CMg2] （1）

式中：C表示陽(yáng)離子的物質(zhì)的量濃度，mmol/L。

1.3 數(shù)據(jù)處理

描述性統(tǒng)計(jì)（Descriptive statistics）用來(lái)分析研究區(qū)土壤性質(zhì)的均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)等統(tǒng)計(jì)特征值。T-test用來(lái)比較不同坡向土壤理化性質(zhì)的差異性，相關(guān)性分析（Correlation analysis）用來(lái)分析土壤性質(zhì)與坡向之間的相關(guān)關(guān)系。上述統(tǒng)計(jì)分析均采用SPSS軟件處理。

2 結(jié)果分析

2.1 沉陷區(qū)不同坡向下土壤物理特征

沉陷區(qū)不同坡向下土壤的物理性質(zhì)如圖2至圖4所示。

由圖2可知，陰坡土壤含水量在40～60 cm層位上最大，在0～20 cm層位上最低；而陽(yáng)坡土壤含水量在0～20 cm層位上最大，在20～40 cm層位上最低。與陽(yáng)坡相比，陰坡0～20 cm、20～40 cm和40～60 cm層位的土壤含水量比同一層位的土壤含水量分別高了11%、35%和33%。由圖3可知，陰坡土壤粉粒在20～40 cm層位上最大，在40～60 cm層位上最低；而陽(yáng)坡土壤粉粒在0～20 cm層位上最大，在40～60 cm層位上最低。由圖4可知，在0～20 cm和40～60 cm層位上，陰坡的土壤黏粒含量比陽(yáng)坡同一層位高了32%和28%。T-test分析結(jié)果表明，20～40 cm和40～60 cm土壤含水量和黏粒含量在陰坡和陽(yáng)坡之間存在顯著性差異（p<0.05）。

在不同坡位上，沉陷區(qū)土壤含水量、粉粒含量和黏粒含量無(wú)明顯的變化規(guī)律。與陽(yáng)坡相比，5個(gè)坡位（坡頂、上坡、中坡、下坡、坡底）陰坡的土壤含水量比同一坡位的土壤含水量分別高了20%、26%、55%、17%和19%。在中坡、下坡和坡底處，陰坡粉粒含量比陽(yáng)坡同一坡位分別低了17%、10%和17%，而在坡頂和上坡處，陰坡粉粒含量比陽(yáng)坡同一坡位分別高了15%和12%。在中坡、下坡和坡底處，陰坡黏粒含量比陽(yáng)坡同一坡位分別低了11%、14%和44%，而在坡頂和上坡處，陰坡粉粒含量比陽(yáng)坡同一坡位分別高了7%和6%。中坡坡位土壤含水量、粉粒含量在陰坡和陽(yáng)坡之間存在顯著性差異。

2.2 沉陷區(qū)不同坡向的土壤化學(xué)特征

沉陷區(qū)不同坡向下土壤的化學(xué)性質(zhì)如圖5至圖9所示。由圖5至圖9可知，沉陷區(qū)土壤電導(dǎo)率、有機(jī)質(zhì)、全磷、pH和鈉吸附比在層位上無(wú)明顯的變化規(guī)律。在層位上，與陽(yáng)坡相比，陰坡三個(gè)層位（0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm）的土壤電導(dǎo)率分別高了137%、161%和116%。陰坡0～20 cm層位和40～60 cm層位的土壤有機(jī)質(zhì)含量較陽(yáng)坡同一層位分別高13%和24%。陰坡3個(gè)層位的全磷含量比陽(yáng)坡同一層位分別高了47%、34%和56%。陰坡3個(gè)層位的pH比陽(yáng)坡同一層位分別降低了14%、14%和12%。陰坡三個(gè)層位的鈉吸附比較陽(yáng)坡同一層位分別提高2%、11%和73%。T-test分析結(jié)果表明，在3個(gè)層位上，土壤電導(dǎo)率、pH在不同坡向之間均存在顯著性差異（p<0.05）；在40～60 cm層位上，土壤有機(jī)質(zhì)含量、鈉吸附比在不同坡向之間均存在顯著性差異；在0～20 cm和40～60 cm層位上，土壤全磷含量在不同坡向之間均存在顯著性差異。

陰坡5個(gè)坡位（坡頂、上坡、中坡、下坡、坡底）的土壤電導(dǎo)率較陽(yáng)坡同一坡位的電導(dǎo)率分別高了76%、127%、156%、170%和193%。陰坡5個(gè)坡位的有機(jī)質(zhì)含量較陽(yáng)坡同一坡位分別高了19%、12%、12%、2%和9%；陰坡坡頂、上坡、中坡和坡底處的全磷含量較陽(yáng)坡同一坡位分別高了53%、47%、117%和38%。陰坡5個(gè)坡位的土壤pH比同一坡位分別低了10%、14%、11%、16%和15%。陰坡坡頂和上坡處的鈉吸附比較同一坡位分別低了13%和25%，而坡中、下坡和坡底較同一坡位分別高了117%、139%和38%。T-test分析結(jié)果表明，在5個(gè)坡位上，土壤電導(dǎo)率、pH在不同坡向之間均存在顯著性差異；除下坡外，其他坡位處的全磷含量在不同坡向之間均存在顯著性差異；在中坡、下坡、坡底上，土壤鈉吸附比在不同坡向之間均存在顯著性差異。

3 討論

采煤沉陷區(qū)土壤理化性質(zhì)與坡向之間的相關(guān)系數(shù)見表1。由表1可知，沉陷區(qū)土壤含水量、電導(dǎo)率、全磷含量、pH與坡向之間存在極顯著相關(guān)性（p<0.01）。翟朝陽(yáng)等［7］研究發(fā)現(xiàn)，坡向與土壤含水量之間存在極顯著相關(guān)性。金立群等［8］通過對(duì)高寒礦區(qū)排土場(chǎng)不同坡向的土壤性質(zhì)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)在排土場(chǎng)不同坡向的立地條件下，表層土壤的全磷、含水量與坡向之間表現(xiàn)出顯著相關(guān)性。上述研究與本研究結(jié)果是相似的。此外，本研究發(fā)現(xiàn)，沉陷區(qū)土壤含水量、電導(dǎo)率、全磷含量、pH在不同的坡向上具有顯著的差異性（p<0.05），這意味著采煤沉陷的地形因素（坡向）顯著影響著土壤水分、鹽分、營(yíng)養(yǎng)元素和酸堿度的分布特征。分析其原因應(yīng)為，坡向作為關(guān)鍵地形因子之一，會(huì)引起光照、溫度、風(fēng)速等因子在采煤沉陷地不同坡向上的差異，進(jìn)而會(huì)引起土壤理化性質(zhì)的差異。綜上，坡向顯著影響了沉陷區(qū)土壤理化性質(zhì)的空間分布。

本研究發(fā)現(xiàn)，坡位對(duì)土壤含水量和粉粒含量有顯著的影響，而坡向?qū)ν寥篮俊㈦妼?dǎo)率、全磷和pH有顯著的影響（見表2）?？梢?，坡向?qū)Τ料輩^(qū)土壤化學(xué)性質(zhì)的影響效應(yīng)強(qiáng)于坡位。王寶榮等［9］通過對(duì)黃土丘陵區(qū)不同地形特征對(duì)土壤養(yǎng)分的影響研究發(fā)現(xiàn)，坡向?qū)Ρ韺樱?～10 cm）土壤的碳、氮、磷的影響效應(yīng)強(qiáng)于坡位。這與本研究結(jié)果存在一定的相似性。此外，本研究發(fā)現(xiàn)，坡向和坡位的交互作用對(duì)土壤全磷含量有顯著的影響（見表2）。袁勇等［10］通過對(duì)納板河自然保護(hù)區(qū)季風(fēng)常綠闊葉林不同坡向和坡位的土壤養(yǎng)分的影響研究發(fā)現(xiàn)，坡向和坡位的交互作用顯著影響著土壤pH。汝海麗等［11］通過對(duì)黃土丘陵區(qū)紙坊溝流域坡位和坡向?qū)ν寥鲤B(yǎng)分和水分含量的方差分析研究發(fā)現(xiàn)，坡向和坡位的交互作用對(duì)土壤有效磷有顯著的影響。上述研究均指向地形因素，如坡向和坡位，對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響具有交互作用。這意味著煤炭開采引起的地表沉陷，在進(jìn)行土地復(fù)墾和生態(tài)恢復(fù)的過程中，不能僅從坡位角度入手，根據(jù)坡頂、坡中和坡底的地理?xiàng)l件和實(shí)際情況來(lái)進(jìn)行土地恢復(fù)，還要重點(diǎn)考慮坡向這個(gè)因素。

4 結(jié)論

①與陽(yáng)坡相比，采煤沉陷區(qū)陰坡土壤含水量、電導(dǎo)率、有機(jī)質(zhì)含量、全磷含量和鈉吸附比均相對(duì)較高，而土壤pH相對(duì)較低。

②土壤含水量、pH、電導(dǎo)率和全磷含量在不同坡向之間存在顯著性差異，且上述指標(biāo)與坡向之間存在極顯著相關(guān)性（p<0.01）。

③坡向?qū)ν寥阑瘜W(xué)指標(biāo)的影響效應(yīng)要強(qiáng)于坡位，坡向與坡位對(duì)土壤全磷含量的影響具有交互作用。

④上述特征反映了沉陷地的坡向因素對(duì)土壤水分、酸堿度、鹽分和營(yíng)養(yǎng)元素產(chǎn)生了深刻的影響。

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