1 引言

陕北煤炭基地作为黄河流域中游6大煤炭资源输出地[1]，在保障国家能源安全和支撑煤炭生产重心战略西移的同时，也造成了一系列煤矿区采动损害问题，其中以开采沉陷最为典型[2]。大量研究成果已经证明，开采沉陷导致的开裂、塌陷、沉陷等多种地表变形类型对地表生态环境产生显著的负影响，而对土壤质量的损伤是其中关键一环[3]。氮元素不仅是土壤质量和肥力的核心物质之一，更是地表生态环境结构与功能的关键性调节因子[4～6]。因氮元素极易受到人为活动的干扰而表现出显著的空间异质性，因此常常用作人为因素影响下土壤质量变化的指示性指标[7～8]。

鉴于此，通过室内外试验，研究并揭示陕北典型采煤沉陷坡面土壤中氮元素(总氮和铵态氮)在空间上的异质性，以期为陕北采煤沉陷区土壤环境修复提供理论支撑。

2 材料与方法

2.1 布点与采样

根据资料分析与野外勘查结果，选择陕北榆家梁、石圪台、麻黄梁采煤沉陷边缘处沉陷稳定(2年左右)的3处典型黄土坡面，在其坡顶、坡中和坡脚3个部位分别随机布设5个采样点，每个采样点分别采集0～10、10～20、20～40、40～60 cm等4个深度的土壤；将不同部位相同土层深度的土壤充分混合后，分别装入纯棉布袋，标记信息；将同区域内未沉陷且形态相似的黄土坡面作为对照，按相同方法采集土壤样品；共获得24个样品，全部带回实验室。

2.2 样品处理与检测方法

经晾晒、除杂、研磨、过筛等预处理的土壤样品，采用全自动凯氏定氮仪(K1160)、全自动流动分析仪(AA3)分别测定总氮(TN)、铵态氮的含量，每项检测均平行测定3次。

3 结果与讨论

3.1 结果

基于实验数据，绘制了沉陷坡面与未沉陷坡面(对照)不同部位、不同土壤深度含量对比图，见图1、图2。

3.2 讨论

由图1、2可知：沉陷坡面土壤的空间异质性表现如下。

(1)无论是坡顶、坡中还是坡脚，土壤TN含量均呈现随土层深度的增加而逐渐降低的变化趋势，且越靠近坡顶该变化趋势越显著。具体而言，坡顶0～10 cm土层的TN含量是40～60 cm土层的2.7倍；坡中0～10 cm土层的TN含量是40～60 cm土层的1.6倍；坡脚0～10 cm土层的TN含量是40～60 cm土层的1.3倍。对照未沉陷坡面，发现开采沉陷放大了TN含量在坡顶土壤垂向上的差异，而缩小了TN含量在坡中、坡脚土壤垂向上的差异。

(2)在坡顶向坡中，再向坡脚转换的过程中，表层土壤(0～20 cm)TN含量呈现先降低再上升的变化趋势，且坡中含量最低，坡脚含量最高；深层土壤(20～60 cm)TN含量呈现持续上升的变化趋势。具体而言，坡脚、坡顶表层土壤TN含量依次为310～450mg/kg、220～280mg/kg，分别是坡中表层土壤的1.1～3倍、1.3～1.7倍；坡脚深层土壤TN含量为240～250mg/kg，是坡顶深层土壤的2.4～2.5倍。对照未沉陷坡面，发现开采沉陷同时缩小了不同部位表层、深层土壤TN含量的差异，而坡中土壤TN含量最贫瘠。

图1 沉陷坡面与未沉陷坡面不同部位与深度土壤TN含量对比

图2 沉陷坡面与未沉陷坡面不同部位与深度土壤含量对比

(3)无论是部位还是土层深度，沉陷坡面土壤TN含量均小于未沉陷坡面，且差异程度表现为坡脚>坡顶>坡中。具体而言，坡脚表层、深层土壤TN含量较未沉陷区分别减少了38%、41%；坡顶表层、深层土壤TN含量较未沉陷区分别减少了17%、30%；坡中表层、深层土壤TN含量较未沉陷区分别减少了19%、13%。由此可见，开采沉陷造成了全坡面土壤TN含量的损失，而坡脚土壤损失最严重。

(4)坡脚土壤含量随土层深度的增加呈现逐渐降低的变化趋势，而坡中、坡顶土壤含量随土层深度的增加而呈现波动式的变化趋势。具体而言，坡脚0～10 cm土层的含量是40～60 cm土层的1.9倍；坡中土壤含量在10～20 cm土层出现一个峰值，为3.49 mg/kg，是其他各层土壤的1.3～1.5倍；坡顶土壤含量在10～20 cm、40～60 cm土层出现两个峰值，分别为3.66 mg/kg、3.43 mg/kg，是其他各层土壤的1.5～2.1倍。对照未沉陷坡面，发现开采沉陷不仅扰乱了含量在坡顶、坡中土壤垂向上的分布特征，而且还缩小了含量在坡顶、坡脚土壤垂向上的差异。

(5)在坡顶向坡中，再向坡脚转换的过程中，0～10 cm土壤含量呈现持续上升的变化趋势，10～60 cm土壤含量基本呈现不断下降的变化趋势。具体而言，坡脚0～10 cm土壤含量为4.11 mg/kg，是坡顶0～10 cm土壤的2.4倍；坡脚10～60 cm土壤含量平均为2.52 mg/kg，是坡顶10～60 cm土壤含量的80%。对照未沉陷坡面，发现开采沉陷不仅放大了不同部位0～10 cm土壤含量的差异，同时逆转了不同部位10～60 cm土壤含量的水平分布特征，而坡中土壤含量最贫瘠。