聶文杰，趙曉光，杜華棟，曹祎晨，宋世杰，田 德

(1.西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054；2.西安科技大學(xué) 西部礦山生態(tài)環(huán)境修復(fù)研究院，陜西 西安 710054；3.河北省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院，河北 石家莊 050021)

0 引 言

井工開(kāi)采形成地下大規(guī)模采空區(qū)，顯著改變煤系覆巖原始應(yīng)力分布與平衡。根據(jù)“上三帶”理論，冒落帶和裂隙帶若觸及或破壞煤系上覆重要含水層時(shí)，其裂隙即稱(chēng)為導(dǎo)水裂隙。導(dǎo)水裂隙的發(fā)育及其對(duì)區(qū)域關(guān)鍵含水層的破壞，已成為西部煤礦區(qū)最典型、最嚴(yán)重的采動(dòng)損害形式[1]。

采動(dòng)對(duì)含水層的損害使得地下水位下降，反映在地表使得地形、植被、土壤、微氣候等生態(tài)要素受到干擾，其中土壤作為大氣圈、生物圈、水圈等地表圈層物質(zhì)能力交換的界面，煤炭開(kāi)采亦使得土壤生態(tài)系統(tǒng)循環(huán)發(fā)生改變[2]。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)煤炭開(kāi)采對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)的影響開(kāi)展了一系列研究[3-4]，如采煤塌陷使得地表傾斜、拉伸和壓縮變形，地表土壤結(jié)構(gòu)受到損害[5]，影響了土壤持水能力和通氣狀況，土壤水分運(yùn)移過(guò)程發(fā)生改變[6]；土壤膠體的吸附交換、土壤酸堿中和及土壤氧化還原等過(guò)程受阻[7]；地表裂縫促進(jìn)了土壤淋溶過(guò)程，加劇土壤C，N，P庫(kù)的損失[8]；土壤結(jié)構(gòu)、水分狀況的變化亦使得土壤酶活性和微生物數(shù)量降低[9]，進(jìn)而影響了土壤有機(jī)物和礦物質(zhì)等養(yǎng)分循環(huán)[10]。這些研究都嘗試將沉陷類(lèi)型、沉陷階段和復(fù)墾方式等因素與土壤性質(zhì)變化相聯(lián)系，探究地表沉陷后土壤性質(zhì)演化過(guò)程。但由于地下采煤過(guò)程中的沉陷區(qū)與導(dǎo)水裂隙發(fā)育區(qū)在空間上的高度一致性，少有研究將導(dǎo)水裂隙發(fā)育程度與地表生態(tài)環(huán)境響應(yīng)進(jìn)行耦合，尤其是對(duì)于處在干旱、半干旱氣候區(qū)的陜北煤礦區(qū)而言，導(dǎo)水裂隙對(duì)區(qū)域重要含水層的破壞效應(yīng)是影響和控制地表環(huán)境演化規(guī)律的關(guān)鍵，因此有必要從地下導(dǎo)水裂隙發(fā)育程度角度，探究煤炭開(kāi)采對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)的影響。

文中基于榆神府礦區(qū)導(dǎo)水裂隙發(fā)育規(guī)律及其對(duì)區(qū)域關(guān)鍵含水層的破壞程度研究，在劃分出導(dǎo)水裂隙發(fā)育程度的基礎(chǔ)上，將榆神府礦區(qū)劃分為導(dǎo)水裂隙發(fā)育區(qū)和導(dǎo)水裂隙不發(fā)育區(qū)(有導(dǎo)水裂隙發(fā)育但程度輕微)2大類(lèi)型區(qū)，分析2種類(lèi)型下土壤物理、養(yǎng)分和生物特征變化規(guī)律；并結(jié)合未塌陷區(qū)土壤性質(zhì)分析，對(duì)導(dǎo)水裂隙發(fā)育后土壤質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，探討導(dǎo)水裂隙發(fā)育程度對(duì)土壤性質(zhì)的影響程度及其機(jī)理，旨在為礦區(qū)土地生態(tài)修復(fù)提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

榆神府礦區(qū)(37°02′～38°30′N(xiāo)，108°37′～111°05′E)，地處陜北毛烏素沙漠前緣，西部為風(fēng)積沙地貌，東部及北部為黃土梁峁丘陵地貌；氣候?qū)俅箨懶园敫珊敌詺夂?；多年平均降水?81.2 mm，年內(nèi)降水量分配不均，主要集中在7～9月；多年平均蒸發(fā)量1 712 mm；主要植被類(lèi)型為干旱灌叢草原，其他植被類(lèi)型零星分布。

榆神府礦區(qū)面積8 369 km2，區(qū)內(nèi)煤層埋藏淺，厚度大(2～12 m)，開(kāi)采深度為20～150 m。區(qū)內(nèi)現(xiàn)有采空區(qū)、塌陷區(qū)面積分別為366 km2和94.47 km2。區(qū)內(nèi)高強(qiáng)度的煤炭開(kāi)采活動(dòng)引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害主要表現(xiàn)形式為地表裂縫、崩塌、滑坡和地面塌陷。地質(zhì)條件損傷使得地下水位下降、包氣帶厚度增加、地表蒸發(fā)量增多，進(jìn)而加劇了地區(qū)生態(tài)環(huán)境的脆弱性[11]。

圖1 榆神府礦區(qū)邊界及采樣位點(diǎn)示意

1.1 土壤樣品采集與分析方法

1.1.1 樣地設(shè)置

通過(guò)調(diào)查分析研究區(qū)內(nèi)各井田導(dǎo)水裂隙發(fā)育狀況及其對(duì)地下水影響程度的大小，劃分出導(dǎo)水裂隙發(fā)育(包括檸條塔、錦界、涼水井等)、導(dǎo)水裂隙不發(fā)育(指有導(dǎo)水裂隙發(fā)育但程度輕微，包括小保當(dāng)、杭來(lái)灣和榆樹(shù)灣)2大類(lèi)型。以導(dǎo)水裂隙發(fā)育2～3年損害地作為研究對(duì)象，不同導(dǎo)水裂隙發(fā)育類(lèi)型下各選擇7塊下墊面狀況類(lèi)似樣地(海拔1 100～1 400，坡度10°～25°、坡向陽(yáng)坡)，而且依據(jù)趙國(guó)平(2007)[12]每100 m塌陷裂縫條數(shù)計(jì)算的塌陷等級(jí)選擇中強(qiáng)度塌陷等級(jí)坡面，同時(shí)每種裂隙發(fā)育類(lèi)型區(qū)選擇下墊面相近且沒(méi)有受到導(dǎo)水裂隙發(fā)育影響的未損害地作為對(duì)照，開(kāi)展土壤理化生因子監(jiān)測(cè)。

1.1.2 土壤樣品采集與特性分析方法

每個(gè)樣地內(nèi)隨機(jī)選取3塊5 m ×5 m樣方，不同樣方內(nèi)各隨機(jī)選取7點(diǎn)進(jìn)行土壤取樣，分別用于測(cè)定土壤水分、機(jī)械組成、養(yǎng)分、生物學(xué)性質(zhì)等，其中土壤水分用土壤水分鉆采集地表下0～100 cm土層；用20 cm×10 cm鋁制飯盒取原狀土用于測(cè)定土壤顆粒組成；用標(biāo)準(zhǔn)環(huán)刀(100 cm3)取土用于土壤體積質(zhì)量的測(cè)定；土壤養(yǎng)分和生物學(xué)性狀用土壤養(yǎng)分取樣鉆采集，土壤機(jī)械組成、容重、養(yǎng)分和生物學(xué)性質(zhì)采集0～30 cm土層土壤，其中用于土壤微生物活性測(cè)定的土壤采樣后立即于液氮罐中保存后轉(zhuǎn)移至實(shí)驗(yàn)室超低溫冰箱保存，其它常量指標(biāo)測(cè)試土壤于避光處陰干后備用。土壤水分含量用烘干法直接測(cè)定；土壤pH值用電位法測(cè)定；土壤機(jī)械組成用篩分法測(cè)定。土壤有機(jī)質(zhì)含量用燃燒氧化-非分散紅外法測(cè)定；全氮用開(kāi)氏消解法測(cè)定；有效氮用堿解擴(kuò)散法測(cè)定；全磷用NaOH熔融法測(cè)定；速效磷用NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測(cè)定；速效鉀(AK)含量用乙酸銨浸提-火焰光度計(jì)法測(cè)[13]。土壤蔗糖酶活性采用3，5—二硝基水楊酸比色法；過(guò)氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法；脲酶活性采用靛酚藍(lán)比色法；磷酸酶活性測(cè)定采用磷酸苯二鈉法測(cè)定[14]。采用絕對(duì)定量PCR分析土壤DNA樣品細(xì)菌、真菌、放線(xiàn)菌和古菌的基因拷貝數(shù)，獲取土壤樣品中細(xì)菌、真菌、放線(xiàn)菌和古菌的數(shù)量[15]。

1.2 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 21.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，結(jié)果用平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差(SD)表示；用單因素方差分析(one-way ANOVA)和最小顯著差異法(LSD)比較土壤指標(biāo)在不同導(dǎo)水裂隙發(fā)育特征下的顯著性差異，顯著性差異水平設(shè)定為P=0.05。綜合土壤理化生性質(zhì)分析，采用主成分分析(principal component analysis PCA)探討不同土壤因子間的相關(guān)性，分析地表?yè)p害后土壤質(zhì)量變化特征，并且用CANOCO 5.0 軟件得出不同導(dǎo)水裂隙發(fā)育程度樣地分類(lèi)排序圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤物理特性的變化特征

導(dǎo)水裂隙發(fā)育區(qū)和導(dǎo)水裂隙不發(fā)育區(qū)的未損害地土壤容重差異不顯著，且2個(gè)區(qū)域表層土壤容重的垂直變化亦不明顯(P>0.05)(表1)。在導(dǎo)水裂隙發(fā)育后，導(dǎo)水裂隙發(fā)育區(qū)損害地土壤容重顯著減小(P<0.05)，其中0～10，10～20和20～30 cm土層與相對(duì)應(yīng)未損害地土層相比分別降低了14%，8%和4%；導(dǎo)水裂隙不發(fā)育區(qū)地表?yè)p害后土壤容重雖然有所下降，但與該區(qū)未損害地相較差異不顯著(P>0.05)。

表1 不同裂隙發(fā)育程度土壤容重變化特征

圖2表明在導(dǎo)水裂隙發(fā)育區(qū)未損害地土壤硬度顯著大于導(dǎo)水裂隙不發(fā)育區(qū)的未損害地(P<0.05)。在導(dǎo)水裂隙發(fā)育后，導(dǎo)水裂隙發(fā)育區(qū)和不發(fā)育區(qū)表層土壤硬度較其對(duì)應(yīng)未損害地分別降低了16%和20%(P< 0.05)，導(dǎo)水裂隙不發(fā)育區(qū)土壤硬度下降程度大于導(dǎo)水裂隙發(fā)育區(qū)。

圖2 不同裂隙發(fā)育程度表層硬度變化特征

表2顯示研究區(qū)土壤在未裂隙發(fā)育損害前主要以粉粒和砂粒為主，粘粒和粗砂粒所占比例較小。導(dǎo)水裂隙發(fā)育后，導(dǎo)水裂隙發(fā)育區(qū)土壤表層細(xì)粉粒、中粉粒、粗砂粒含量較未損害地顯著降低了76%、66%和84%(P<0.05)；而粘粒、粗粉粒和細(xì)砂粒分別顯著增加了228%，148%和356%(P<0.05)。在導(dǎo)水裂隙不發(fā)育區(qū)，損害地與未損害地不同土壤粒徑并未表現(xiàn)出顯著性差異(P>0.05)。

表2 不同裂隙發(fā)育程度各土壤粒徑比例變化特征

從圖3可以看出，導(dǎo)水裂隙發(fā)育區(qū)未損害地土壤水分小于導(dǎo)水裂隙不發(fā)育區(qū)未損害地的。在導(dǎo)水裂隙發(fā)育后，導(dǎo)水裂隙發(fā)育區(qū)表層土壤平均含水量較未損害樣地下降了33%，其中0～40 cm土層下降幅度較小為22%，而40～60 cm土層土壤水分下降了37%；與之對(duì)應(yīng)導(dǎo)水裂隙不發(fā)育區(qū)，土壤水分并未表現(xiàn)出顯著性差異，土壤水分平均約為13%左右。

圖3 不同裂隙發(fā)育程度表層土壤水分變化特征

圖4為導(dǎo)水裂隙發(fā)育區(qū)和導(dǎo)水裂隙不發(fā)育區(qū)的未損害地土壤pH差異不顯著(P>0.05)，土壤pH平均值為8.3，為堿性土壤。在導(dǎo)水裂隙發(fā)育后，導(dǎo)水裂隙發(fā)育區(qū)損害地土壤pH較未損害地pH上升了8%并達(dá)到顯著性差異(P<0.05)；而導(dǎo)水裂隙不發(fā)育區(qū)地表?yè)p害后對(duì)土壤pH值影響不大，損害地與未損害地土壤pH并未表現(xiàn)出顯著性差異(P>0.05)。

圖4 不同裂隙發(fā)育程度表層土壤pH變化特征

2.2 土壤化學(xué)養(yǎng)分特性的變化特征

圖5(a)顯示在導(dǎo)水裂隙發(fā)育后，導(dǎo)水裂隙發(fā)育損害地土壤有機(jī)質(zhì)較未損害地下降了27%并達(dá)到顯著性差異(P<0.05)；導(dǎo)水裂隙不發(fā)育區(qū)地表?yè)p害后土壤有機(jī)質(zhì)雖然有所下降，但與該區(qū)未損害地相較差異不顯著(P>0.05)。圖5(b)顯示導(dǎo)水裂隙發(fā)育區(qū)未損害地土壤全氮大于導(dǎo)水裂隙不發(fā)育區(qū)且表現(xiàn)出顯著性差異(P<0.05)；在導(dǎo)水裂隙發(fā)育后，導(dǎo)水裂隙發(fā)育和導(dǎo)水裂隙不發(fā)育區(qū)土壤全氮與未損害地相較差異都不顯著(P>0.05)。圖5(c)顯示導(dǎo)水裂隙發(fā)育區(qū)未損害地土壤有效氮大于導(dǎo)水裂隙不發(fā)育區(qū)且表現(xiàn)出顯著性差異(P<0.05)；在導(dǎo)水裂隙發(fā)育后，導(dǎo)水裂隙發(fā)育區(qū)損害地土壤有效氮較未損害地下降46%且表現(xiàn)出顯著性差異(P<0.05)，而在導(dǎo)水裂隙不發(fā)育區(qū)損害地與未損害地土壤有效氮差異不顯著(P>0.05)。圖5(d)顯示導(dǎo)水裂隙發(fā)育和導(dǎo)水裂隙不發(fā)育區(qū)土壤全磷在損害地與未損害地相較差異均不顯著(P>0.05)。圖5(e)顯示導(dǎo)水裂隙發(fā)育區(qū)未損害地土壤有效磷小于導(dǎo)水裂隙不發(fā)育區(qū)且表現(xiàn)出顯著性差異(P<0.05)。

圖5 不同裂隙發(fā)育程度表層土壤養(yǎng)分演變特征

在導(dǎo)水裂隙發(fā)育后，導(dǎo)水裂隙發(fā)育區(qū)損害地和導(dǎo)水裂隙不發(fā)育區(qū)損害地土壤有效磷較其相應(yīng)未損害地差異不顯著(P>0.05)。圖5(f)顯示導(dǎo)水裂隙發(fā)育區(qū)未損害地土壤有效鉀大于導(dǎo)水裂隙不發(fā)育區(qū)且表現(xiàn)出顯著性差異(P<0.05)；在導(dǎo)水裂隙發(fā)育后，導(dǎo)水裂隙發(fā)育區(qū)損害地較未損害地下降了35%且表現(xiàn)出顯著性差異(P<0.05)，而在導(dǎo)水裂隙不發(fā)育區(qū)損害地較未損害地下降了25%且表現(xiàn)出顯著性差異(P<0.05)。

2.3 土壤生物特性的變化特征

圖6(a)顯示導(dǎo)水裂隙發(fā)育區(qū)未損害地土壤蔗糖酶活性與導(dǎo)水裂隙不發(fā)育區(qū)差異不顯著(P>0.05)；在導(dǎo)水裂隙發(fā)育后，導(dǎo)水裂隙發(fā)育區(qū)損害地土壤蔗糖酶較未損害地上升了60%且表現(xiàn)出顯著性差異(P<0.05)，而在導(dǎo)水裂隙不發(fā)育區(qū)損害地與未損害地土壤蔗糖酶差異不顯著(P>0.05)。圖6(b)顯示土壤脲酶活性的變化趨勢(shì)相同，表現(xiàn)為導(dǎo)水裂隙發(fā)育區(qū)未損害地脲酶活性與導(dǎo)水裂隙不發(fā)育區(qū)差異不顯著(P>0.05)；在導(dǎo)水裂隙發(fā)育后，導(dǎo)水裂隙發(fā)育區(qū)損害地土壤脲酶較未損害地上升了111%且表現(xiàn)出顯著性差異(P<0.05)，而在導(dǎo)水裂隙不發(fā)育區(qū)損害地與未損害地土壤脲酶差異不顯著(P>0.05)。圖6(c)顯示過(guò)氧化氫酶在不同導(dǎo)水裂隙發(fā)育程度區(qū)未損害地和導(dǎo)水裂隙不發(fā)育后損害地都未表現(xiàn)出顯著性差異(P>0.05)，其平均活性為2.07(mg·g-1·d-1)。圖6(d)顯示導(dǎo)水裂隙發(fā)育區(qū)未損害地磷酸酶活性大于導(dǎo)水裂隙不發(fā)育區(qū)且表現(xiàn)出顯著性差異(P<0.05)；在導(dǎo)水裂隙發(fā)育后，導(dǎo)水裂隙發(fā)育區(qū)損害地土壤磷酸酶較未損害地上升了18%且表現(xiàn)出顯著性差異(P<0.05)，而在導(dǎo)水裂隙不發(fā)育區(qū)損害地與未損害地土壤磷酸酶差異不顯著(P>0.05)。

圖6 不同導(dǎo)水裂隙發(fā)育特征下表層土壤酶活性變化特征

圖7(a)顯示導(dǎo)水裂隙發(fā)育區(qū)未損害地土壤古菌數(shù)量與導(dǎo)水裂隙不發(fā)育區(qū)差異不顯著(P>0.05)；在導(dǎo)水裂隙發(fā)育后，導(dǎo)水裂隙發(fā)育區(qū)損害地土壤古菌數(shù)量較未損害地下降了48%且表現(xiàn)出顯著性差異(P<0.05)，而在導(dǎo)水裂隙不發(fā)育區(qū)損害地與未損害地土壤古菌數(shù)量差異不顯著(P>0.05)，約為1.4×106 cfu·g-1。圖7(b)顯示導(dǎo)水裂隙發(fā)育區(qū)未損害地土壤真菌數(shù)量與導(dǎo)水裂隙不發(fā)育區(qū)差異不顯著(P>0.05)；在導(dǎo)水裂隙發(fā)育后，導(dǎo)水裂隙發(fā)育區(qū)損害地土壤真菌數(shù)量較未損害地上升了88%且表現(xiàn)出顯著性差異(P<0.05)，而在導(dǎo)水裂隙不發(fā)育區(qū)損害地真菌數(shù)量急劇上升，較未損害地上升了213%，達(dá)到1.9×106cfu·g-1。圖7(c)顯示導(dǎo)水裂隙發(fā)育區(qū)未損害地土壤細(xì)菌數(shù)量大約導(dǎo)水裂隙不發(fā)育區(qū)且差異顯著(P<0.05)；在導(dǎo)水裂隙發(fā)育后，導(dǎo)水裂隙發(fā)育區(qū)損害地土壤細(xì)菌數(shù)量較未損害地顯著下降了87%(P<0.05)，與之相反在導(dǎo)水裂隙不發(fā)育區(qū)損害地細(xì)菌數(shù)量顯著增加了72%。圖7(d)顯示導(dǎo)水裂隙發(fā)育區(qū)未損害地土壤放線(xiàn)菌數(shù)量大約導(dǎo)水裂隙不發(fā)育區(qū)且差異顯著(P<0.05)；在導(dǎo)水裂隙發(fā)育后，導(dǎo)水裂隙發(fā)育區(qū)損害地土壤放線(xiàn)菌數(shù)量較未損害地顯著下降了81%(P<0.05)，與之相反在導(dǎo)水裂隙不發(fā)育區(qū)損害地細(xì)菌數(shù)量顯著增加了34%。

圖7 不同導(dǎo)水裂隙發(fā)育特征下表層土壤菌群數(shù)量變化特征

2.4 不同導(dǎo)水裂隙發(fā)育特征下土壤質(zhì)量變化排序

由不同導(dǎo)水裂隙發(fā)育下樣地與土壤因子PCA排序圖知(圖8)，土壤粉粒、硬度、速效鉀、有機(jī)質(zhì)和磷酸酶之間兩兩呈正相關(guān)，且與粘粒、砂粒呈負(fù)相關(guān)；土壤pH值、磷酸酶、脲酶之間正相關(guān)，其中均與真菌、放線(xiàn)菌、古菌、速效磷、容重和含水量呈負(fù)相關(guān)，與蔗糖酶正相關(guān)。除細(xì)菌和過(guò)氧化氫酶外，其他土壤酶類(lèi)、菌類(lèi)指標(biāo)間各自呈正相關(guān)。從圖7研究樣地排序分類(lèi)來(lái)看，圖中沿第1軸方向左側(cè)主要為導(dǎo)水裂隙發(fā)育未損害地和導(dǎo)水裂隙不發(fā)育區(qū)，其表層土壤特征為菌類(lèi)數(shù)量、水分和土壤養(yǎng)分較高；第1軸右側(cè)為導(dǎo)水裂隙發(fā)育損害地樣地，主要土壤特征表現(xiàn)為養(yǎng)分、水分較小，土壤pH值和酶活性較大。在主要以粒徑和硬度為特征的第2軸，導(dǎo)水裂隙發(fā)育未損害地樣地分布與粉粒含量和土壤硬度指向相同，而其他樣地分布沿第2軸向下分布，粉粒和硬度較低。由圖8排序可知導(dǎo)水裂隙發(fā)育區(qū)未損害地與損害樣地排序形成較明顯的類(lèi)群差異，該區(qū)導(dǎo)水裂隙發(fā)育對(duì)地表土壤因子影響較明顯，而導(dǎo)水裂隙不發(fā)育區(qū)未損害地和損害地在排序上有重復(fù)交叉，該區(qū)導(dǎo)水裂隙發(fā)育對(duì)土壤因子影響較小。

圖8 不同導(dǎo)水裂隙發(fā)育特征下樣地與土壤理化生性質(zhì)之間的PCA分析

3 土壤特性對(duì)導(dǎo)水裂隙發(fā)育程度的響應(yīng)規(guī)律

3.1 土壤物理特性對(duì)導(dǎo)水裂隙發(fā)育程度的響應(yīng)規(guī)律

由于導(dǎo)水裂隙發(fā)育區(qū)主要是黃土溝壑區(qū)，該區(qū)地表表現(xiàn)為臺(tái)階狀斷錯(cuò)和密集的裂縫[19]，由于剪力作用土層結(jié)構(gòu)受到破壞，土壤結(jié)構(gòu)松散、容重降低、空隙度增加，研究結(jié)果與何金軍研究結(jié)論相似[20]；但在導(dǎo)水裂隙發(fā)育區(qū)，地表裂縫、斷錯(cuò)發(fā)育過(guò)程中的震動(dòng)，使得質(zhì)量大的粉粒沿地表裂縫跌落至土壤深層，使得粘粒比例增加，這與前人研究地表塌陷使得土壤粗化的結(jié)論有所不同[21]。而導(dǎo)水裂隙不發(fā)育區(qū)主要是風(fēng)積沙地區(qū)，與黃土區(qū)相反，該區(qū)域?qū)严栋l(fā)育后沙土在各種外力和土體自身重力作用向下夯實(shí)，土壤硬度和容重相應(yīng)增加[22]，部分地裂縫自然彌合[23]，地表?yè)p害表象不明顯，地表土壤顆粒組成變化亦較小。

黃土區(qū)地表?yè)p害后由于蒸發(fā)量的增加使得土壤含水量降低，表層土壤鹽分含量升高，土壤微生物活性下降，微生物分解有機(jī)凋落物形成的有機(jī)酸、酚類(lèi)物質(zhì)量變小，導(dǎo)致土壤pH增加[24]。而在導(dǎo)水裂隙不發(fā)育區(qū)，輕微的導(dǎo)水裂隙發(fā)育并未對(duì)土壤水分、植被的生長(zhǎng)造成較大的影響，因此該區(qū)土壤pH變化較小。

3.2 土壤水分養(yǎng)分特性對(duì)導(dǎo)水裂隙發(fā)育程度的響應(yīng)規(guī)律

采煤引起地表沉陷后表層土壤水分變化目前仍存在爭(zhēng)議[25-26]，本研究表明在導(dǎo)水裂隙發(fā)育的黃土區(qū)，地表?yè)p害后表層土壤水分含量下降，主要原因是由于表層土壤結(jié)構(gòu)破壞后土壤的蒸發(fā)量增加但持水能力下降[27]，同時(shí)由于導(dǎo)水裂隙發(fā)育地下潛水位下降，潛水和包氣帶水水力聯(lián)系被切斷，相對(duì)應(yīng)地表層土壤的儲(chǔ)水能力降低。而在主要處于風(fēng)沙灘地的導(dǎo)水裂隙發(fā)育區(qū)則不同，該區(qū)地表?yè)p害后裂隙彌合較快[19]，表層土壤蒸發(fā)量并未顯著增加，反而沉陷引起的土壤結(jié)構(gòu)損害有利于增加降水的入滲速率，加之風(fēng)沙區(qū)潛水位較高，因此導(dǎo)水裂隙不發(fā)育區(qū)損害地對(duì)40～100 cm土壤水分影響不明顯。

從土壤養(yǎng)分角度看，導(dǎo)水裂隙發(fā)育區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)、有效氮磷鉀等減少，分析有兩方面原因：一是地表?yè)p害使得地表植物生物量和土體微生物數(shù)量減小，土壤養(yǎng)分循環(huán)受阻[28]；二是地表裂縫、塌陷使得坡面徑流攜帶的養(yǎng)分向土層深處轉(zhuǎn)移，加劇了土壤有效養(yǎng)分的流失，這與以往研究結(jié)果相似[24]。導(dǎo)水裂隙不發(fā)育的覆沙區(qū)地表?yè)p傷強(qiáng)度較小而使土壤養(yǎng)分循環(huán)未受影響[22]。

3.3 土壤生物特性對(duì)導(dǎo)水裂隙發(fā)育程度的響應(yīng)規(guī)律

前人研究表明地表塌陷后表層土壤水分含量降低，使得塌陷地土壤酶活性下降[29]，但本研究表明除過(guò)氧化氫酶外，測(cè)試的蔗糖酶、脲酶和磷酸酶都有所增加，主要原因是導(dǎo)水裂隙發(fā)育損害地土壤水分有所減小，但并未使得土壤酶活性大幅度下降，相反導(dǎo)水裂隙在地表產(chǎn)生的裂縫可以使得地表溫度增加、氧氣含量大[30]，兩者綜合使得導(dǎo)水裂隙發(fā)育區(qū)土壤酶含量增加。但導(dǎo)水裂隙發(fā)育區(qū)土壤細(xì)菌數(shù)量均減小，主要是由于地表擾動(dòng)后造成土壤鹽漬化可能使得土壤菌類(lèi)數(shù)量的降低[31]；另一方面導(dǎo)水裂隙發(fā)育導(dǎo)致地表植被發(fā)育受阻，降低了植被根際細(xì)菌、真菌和放線(xiàn)菌的數(shù)量[32]。而在導(dǎo)水裂隙不發(fā)育區(qū)地表?yè)p害強(qiáng)度小，同時(shí)導(dǎo)水裂隙不發(fā)育區(qū)小的擾動(dòng)使得地表土壤容重減小、孔隙度和土壤含水量小幅增加，土層空氣交換能力增強(qiáng)，因此該區(qū)土壤酶活性和土壤菌類(lèi)數(shù)量呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，由此可以推斷導(dǎo)水裂隙不發(fā)育區(qū)后續(xù)生態(tài)恢復(fù)過(guò)程中土壤自我恢復(fù)能力亦較強(qiáng)。

3.4 不同導(dǎo)水裂隙發(fā)育特征下土壤質(zhì)量總體變化

研究結(jié)果表明土壤顆粒組成特征、酶活性和微生物數(shù)量是影響研究區(qū)土壤質(zhì)量的主要因子。導(dǎo)水裂隙發(fā)育區(qū)，地表?yè)p害后土壤結(jié)構(gòu)發(fā)生損害且恢復(fù)較慢，使得土壤持水能力下降，且對(duì)土壤水分變化較為敏感的土壤菌群數(shù)量下降[31]，養(yǎng)分循環(huán)受阻，在導(dǎo)水裂隙發(fā)育區(qū)地表?yè)p害使土壤含水量顯著下降，因此從PCA樣地排序圖看出導(dǎo)水裂隙地表?yè)p害后的導(dǎo)水裂隙發(fā)育區(qū)損害地與對(duì)照未損害地分布在不同象限，表明導(dǎo)水裂隙發(fā)育區(qū)地表?yè)p害后應(yīng)采取一定的工程措施重構(gòu)土壤結(jié)構(gòu)，使得土壤生態(tài)功能得以恢復(fù)；而在導(dǎo)水裂隙不發(fā)育區(qū)土壤結(jié)構(gòu)損害不明顯，加之該區(qū)主要位于風(fēng)積沙地區(qū)，地表?yè)p害在風(fēng)蝕、水蝕和重力的作用下自然彌合速度較快，導(dǎo)致土壤自我恢復(fù)能力較強(qiáng)，使土壤指標(biāo)并未顯著下降，PCA排序圖上導(dǎo)水裂隙不發(fā)育區(qū)損害地和未損害地有交叉重疊，表明導(dǎo)水裂隙不發(fā)育區(qū)地表?yè)p害后可主要依靠自然恢復(fù)輔以輕微的人工措施即可恢復(fù)該區(qū)土壤生態(tài)功能。

4 結(jié) 論

1)在未損害地，導(dǎo)水裂隙發(fā)育區(qū)土壤養(yǎng)分含量、酶類(lèi)活性、菌類(lèi)數(shù)量高于導(dǎo)水裂隙不發(fā)育區(qū)，但土壤容重、土壤水分表現(xiàn)出相反的趨勢(shì)。

2)在導(dǎo)水裂隙發(fā)育區(qū)，地表?yè)p害后表層土壤粉粒和砂粒含量減小，粘粒含量增加幅度較小，土壤容重、硬度、水分有機(jī)質(zhì)、有效氮磷和菌類(lèi)數(shù)量均減小，土壤pH和酶類(lèi)活性增加，土壤全效養(yǎng)分損害前后變化不大。

3)在導(dǎo)水裂隙不發(fā)育損害地，除土壤水分、硬度和菌類(lèi)數(shù)量增加以外，其他土壤理化生指標(biāo)與未損害地相比較變化不顯著。

4)土壤顆粒組成、酶活性和微生物數(shù)量是影響研究區(qū)土壤質(zhì)量的主要因子，導(dǎo)水裂隙發(fā)育區(qū)地表?yè)p害后土壤質(zhì)量下降顯著，而在導(dǎo)水裂隙不發(fā)育區(qū)土壤質(zhì)量下降不明顯。