长期以来，煤炭资源一直是我国的主体能源，在保障国家能源安全和支撑国民经济发展方面都发挥着十分重要的作用，其主体地位在未来相当长的时期内不会发生改变[1]。黄河流域中游作为我国重要的煤炭资源富集区，密集分布着6个国家规划建设的大型煤炭基地，原煤产量在2017年已经超过27亿t，占全国当年总产量的78%[2]。其中，陕北煤炭基地因其资源储量大、煤质好、开采条件优越，在黄河流域中游煤炭生产区占有重要地位。然而，大规模的煤炭开采使得陕北煤炭基地出现了地表变形、水资源枯竭、土壤质量下降、植被退化等一系列采动损害问题[3-4]，并最终引发和加剧了矿区水土流失。加之陕北煤炭基地与“晋陕蒙接壤煤炭开发国家级水土流失重点监督区”和“河龙区间多沙粗沙国家级水土流失重点治理区”在空间上交错重叠，以致该区域煤炭开采与水土保持间的矛盾更加凸显，不符合习总书记对黄河流域中游提出的“突出抓好水土保持工作”的要求[5]。因此，采动损害引发的水土流失效应与防控逐渐成为陕北煤炭基地生态环境保护与高质量发展的重点之一，受到国内外学者的高度关注。目前针对陕北煤矿区的相关研究成果主要集中在大空间尺度上的水土流失量估算和小空间尺度上的弃土弃渣及煤矸石堆积区土壤侵蚀规律两个方面。例如，尘福艳等[6]运用遥感与GIS技术在大空间尺度下估算了陕北煤矿区水土流失量，并以此为重要参数评价了矿区生态环境质量;李建明等[7]通过野外模拟降雨试验，对比分析了神府矿区典型弃土弃渣堆积区、煤矸石山产流产沙的基本特征与规律。然而采动地裂缝作为陕北煤炭基地最典型的采动损害形式，对地表生态环境的干扰与影响已是一个不争的事实。但截至目前，关于采动地裂缝的水土流失效应的相关研究在国内外还鲜有报道。
土壤可蚀性是研究水土流失效应的重要基础。它既可以在小尺度上用于刻画土壤自身的抗侵蚀能力，又可以在大尺度上用于估算土壤侵蚀模数和水土流失总量。目前在国际上，土壤可蚀性的量化表征通常采用K值[8]，该值的计算方法主要有EPIC模型、Shirazi公式、诺谟及修正诺谟方程、Torri公式等[9]，使用的核心参数为土壤的机械组成、有机质质量分数。采动地裂缝不仅直接改变了土壤的原有物理结构，而且间接引起土壤有机质等养分的变化，也就必然造成土壤可蚀性K值的改变。因此，从土壤可蚀性K值的角度研究小空间尺度下采动地裂缝的水土流失效应不失为一种可行的途径。
鉴于此，以土壤可蚀性K值为工具，研究并揭示陕北煤炭基地采动地裂缝在小尺度下对周围表层土壤(水平距离80 cm以内、垂直深度20 cm以浅)潜在侵蚀能力的影响作用，不仅对于丰富和深化煤矿区采动损害的水土流失效应研究具有重要的科学意义，而且对于黄河流域中游煤矿区水土流失精准防控和生态环境保护与高质量发展具有重要的指导意义。
1 研究区概况
研究区位于陕北柠条塔井田，其地理位置为E109.67°～E110.90°，N38.22°～N39.45°。该区域属于典型的中温带半干旱大陆性气候，年降雨量为194.7 ～531.6 mm，其主要集中在每年的7—9月份。研究区地貌可划分为风沙草滩和黄土沟壑两大类型，区内自然植被以针茅群系等地带性植被为主。研究区隶属黄河中游国家级水土流失重点治理区，常年土壤侵蚀模数超过4 000 t/(km2·a)，近些年随着资源型经济的快速发展，区域土壤侵蚀类型出现由中度及以下向强度及以上转变的趋势[10]。研究区主采煤层埋藏浅、厚度大、上覆基岩薄，在长壁综采等开采方式下，极易造成采动地裂缝的密集发育。最新调查结果显示，研究区采动地裂缝多成群(组)出现，直线状或弧形(或椭圆状)展布，裂缝长度以0～60 m、深度以0～1 m居多，约占调查对象的83%[11]。此类采动地裂缝一般很难自愈，严重破坏了地表生态环境，导致地表破碎与水土流失加剧[12]。
2 材料与方法
2.1 样品采集
采样区位于陕北柠条塔井田北翼单一煤层开采的典型工作面范围内，中心坐标为E110.38°，N39.09°。区内为典型的黄土沟壑地貌，平均坡度22°，平均坡长50 m，坡型为均匀坡，坡向为西南方向(与地下工作面推进方向基本保持一致)，坡面植被盖度为43%，植被类型以黑沙蒿+蒙古莸+长芒草草地植被群落为主。区内黄土坡面上发育多组近似垂直于坡向的弧形采动地裂缝，裂缝间距平均为10 m左右，形成时间约为3个月，裂缝宽度因空间位置不同而差异显著，位于坡顶的采动地裂缝宽度最大为40～60 cm;位于坡中的采动地裂缝宽度次之，为20～40 cm;位于坡脚的采动地裂缝宽度最小为0～20 cm。
针对上述特点设计采样方案(图1)，具体为:在坡顶、坡中、坡脚3个部位分别随机选择3条采动地裂缝，共计9条;在每条采动地裂缝上按10～15 m等距布设3个采样断面，每个断面上沿裂缝法向方向布置水平距离为20,40,60,80 cm等4个采样点;每个采样点用土钻分层采集垂直深度为0～10,10～20 cm的土壤;将每条采动地裂缝3个断面上对应水平距离、垂直深度的土壤进行混合，装入采样袋，标记编号;在采样工作面西北方向500 m以外的未开采区内选择坡度、坡长、坡型、坡向、植被盖度及群落类型相似的黄土坡面作为对照，随机布置3个采样点采集土壤，装入采样袋，标记编号;采样工作历时2 d，于2019-06-30完成，共计采集土壤样品78个;所有土壤样品带回实验室摊平，自然风干至质量无明显变化，去除枯枝落叶、碎石等杂物后用于测定土壤机械组成以及有机质质量分数。
图1 采样示意
Fig.1 Sampling diagram
2.2 实验方法
土壤机械组成使用MS2000激光粒度仪，采用激光衍射法进行测定;土壤有机质使用总有机碳分析仪，采用燃烧氧化-非分散红外吸收法进行测定。每组数据平行测定3次。
2.3 数据处理方法
所有测定数据采用SPSS21.0软件进行统计分析，显著性分析采用单因素方差分析(one-way ANOVA)和最小显著法(LSD)，使用Origin软件进行图表绘制。土壤可蚀性K值采用EPIC模型进行计算，该模型由WILLIAMS等在1990年建立，它采用土壤有机质和粒径组成来估算K值，如式(1)～(2)所示。
(1)
(2)
式中，KEPIC为用 EPIC 模型计算得到的土壤可蚀性因子;Sa为土壤砂粒(0.05～2.0 mm)质量分数，%;Si为土壤粉粒(0.002～0.05 mm)质量分数，%;Ci为土壤黏粒(<0.002 mm)质量分数，%;C为土壤有机碳质量分数，%;Som为土壤有机质质量分数，%。
3 结果与分析
3.1 采动地裂缝对周围土壤机械组成的影响
土壤的机械组成(土壤质地)是最基本的土壤物理性质之一，其颗粒大小与土壤的物理性质有密切关系，强烈影响着土壤孔隙状况、水力特性、土壤肥力状况等重要的土壤物理特性，并且对土壤抗侵蚀能力也有重要影响。针对矿区内3种裂缝宽度(0～20,20～40,40～60 cm)、距离裂缝20,40,60,80 cm的土壤样品进行机械组成测定，结果见表1;以此为基础，绘制了不同宽度采动地裂缝影响下不同水平距离及垂直深度土壤质地三角图，如图2所示。
由表1、图2可知:采动地裂缝的发育虽然不会改变周围土壤(水平距离80 cm以内、垂直深度20 cm以浅)的质地类型，但会产生降低土壤黏粒质量分数的效应，并以裂缝宽度20 cm为界表现出不同的特征。具体而言:
图2 宽度为0～20，20～40,40～60 cm的采动地裂缝周围不同水平距离及垂直深度的土壤质地三角图
Fig.2 Triangle map of soil texture at different horizontal distances and vertical depths around mining ground fissures with width of 0-20，20-40,40-60 cm
(1)无论发育何种宽度的采动地裂缝，其周围土壤的质地类型与对照组保持一致，均为粉质壤土。但黏粒质量分数呈明显下降趋势，这与栗丽等[13]研究结果相一致。
(2)相对于对照组，距宽度为0～20 cm的采动地裂缝水平距离20,40,60,80 cm的0～10 cm土层土壤黏粒质量分数的降幅依次为20.1%,18.2%,15.4%,14.0%，10～20 cm土层土壤黏粒质量分数的降幅依次为11.6%,19.6%,19.0%,18.6%;距宽度为20～40 cm的采动地裂缝水平距离20,40,60,80 cm的0～10 cm土层土壤黏粒质量分数的降幅依次为31.1%,29.8%,27.3%,26.2%，10～20 cm土层土壤黏粒质量分数的降幅依次为39.3%,38.4%,36.0%,31.7%;距宽度为40～60 cm的采动地裂缝水平距离20,40,60,80 cm的0～10 cm土层土壤黏粒质量分数的降幅依次为31.3%,28.4%,27.2%,25.9%，10～20 cm土层土壤黏粒质量分数的降幅依次为38.9%,38.5%,37.2%,33.9%。由此可见:① 随着采动地裂缝宽度的增大，周围土壤黏粒质量分数的减小幅度呈现增大趋势，但当采动地裂缝宽度超过20 cm时，相同水平距离下土壤黏粒质量分数的降幅趋于稳定;② 采动地裂缝降低周围土壤黏粒质量分数的效应在裂缝宽度小于20 cm时主要表现为水平方向的差异，即随水平距离的增加而减弱;而在裂缝宽度大于20 cm时主要表现为垂直方向的差异，即随垂直深度的增加而增强。
3.2 采动地裂缝对周围土壤有机质的影响
土壤有机质能够改良土壤物理性质、增强土壤持水能力，形成具有稳定的有机无机复合体的良好的土壤结构[13]，进而提高土壤抗侵蚀能力。针对矿区内不同裂缝宽度、不同水平距离下土壤样品进行有机质质量分数测定，结果见表1;以此为基础，绘制了不同宽度采动地裂缝影响下不同水平距离及垂直深度土壤有机质质量分数对比图，如图3所示。
表1 陕北煤矿区采动地裂缝周围土壤机械组成及有机质测定结果
Table 1 Test results of soil mechanical composition and soil organic matter content around mining ground fissures in Northern Shaanxi coal mining area
裂缝宽度/cm土壤深度/cm水平距离/cm砂粒质量分数/%粉粒质量分数/%黏粒质量分数/%有机质质量分数/(g·kg-1)0～200～1010～202028.09±2.41a63.69±4.37a8.22±1.23a1.85±0.16h4028.21±2.28a63.37±6.29a8.42±1.50a2.48±0.82f6028.17±3.27a63.12±3.21a8.71±1.96a3.01±0.47cd8028.71±1.57a62.44±1.76a8.85±1.76a3.29±0.46c2027.83±1.69a61.51±4.11a10.66±1.36a1.91±0.49h4027.97±4.25a62.33±3.15a9.70±2.56a2.59±0.25de6027.95±3.62a62.28±1.86a9.77±1.49a3.55±0.32b8028.83±1.37a61.35±1.51a9.82±1.14a3.96±0.51ab20～400～1010～202030.01±4.16a62.90±4.39a7.09±2.61a1.32±0.34ij4030.12±3.95a62.66±3.97a7.22±2.58a1.58±0.67h6030.23±1.17a62.29±3.26a7.48±1.22a2.02±0.78gh8030.35±1.55a62.06±5.66a7.59±1.05a2.05±0.15gh2029.75±0.35a62.93±4.11a7.32±3.25a1.54±0.62hi4030.07±2.19a62.50±1.93a7.43±2.23a1.82±0.14h6030.02±1.83a62.26±1.27a7.72±1.19a2.52±0.15e8030.21±0.56a61.54±4.36a8.24±1.31a3.30±0.42c40～600～1010～202028.85±2.76a64.08±1.33a7.07±2.13a1.22±0.32j4029.12±4.22a63.51±2.45a7.37±1.45a1.44±0.41i6029.83±3.48a62.68±1.05a7.49±1.21a1.85±0.94h8030.26±1.84a62.12±0.56a7.62±0.86a2.28±0.60fg2027.77±3.34a64.86±2.84a7.37±1.48a1.35±0.55ij4027.46±2.96a65.12±5.27a7.42±1.82a1.56±0.73h6027.86±3.64a64.57±1.53a7.57±0.93a2.51±0.26e8028.57±0.60a63.45±3.87a7.98±1.54a3.22±0.38cCK0～1027.85±2.61a61.86±1.86a10.29±0.79a3.79±0.72abCK10～2026.89±2.43a61.05±1.69a12.06±1.47a4.58±0.15a
注：同一指标同列数据后不同字母表示在0.05的水平上差异显著。
图3 不同宽度采动地裂缝影响下不同水平距离及垂直深度土壤有机质质量分数
Fig.3 Content of soil organic matter in different horizontal distance and vertical depth under the influence of different width of mining ground fissures
由表1和图3可知，采动地裂缝的发育会产生降低周围土壤(水平距离80 cm以内、垂直深度20 cm以浅)有机质质量分数的效应，且随着采动地裂缝宽度的增大和水平距离的减小而增强。具体而言:① 无论发育何种宽度的采动地裂缝，其周围土壤的有机质质量分数均出现明显的下降，这与田惠文等[4]研究结果相一致。② 相对于对照组，距宽度为0～20 cm的采动地裂缝水平距离20,40,60,80 cm的0～10 cm土层土壤有机质质量分数的降幅依次为51.2%,34.6%,20.6%,13.2%，且差异显著(P<0.05)，10～20 cm土层土壤有机质质量分数的降幅依次为58.3%,43.4%,22.5%,13.5%，且差异显著(P<0.05);距宽度为20～40 cm的采动地裂缝水平距离20,40,60,80 cm的0～10 cm土层土壤有机质质量分数的降幅依次为65.2%,58.3%,46.7%,45.9%，且差异显著(P<0.05)，10～20 cm土层土壤有机质质量分数的降幅依次为66.4%,60.3%,45.0%,27.9%，且差异显著(P<0.05);距宽度为40～60 cm的采动地裂缝水平距离20,40,60,80 cm的0～10 cm土层土壤有机质质量分数的降幅依次为67.8%,62.0%,51.2%,39.8%，且差异显著(P<0.05)，10～20 cm土层土壤有机质质量分数的降幅依次为70.5%,65.9%,45.2%,29.7%，且差异显著(P<0.05)。由此可见:① 采动地裂缝的宽度越大，其降低周围土壤有机质质量分数的效应越显著。② 采动地裂缝降低周围土壤有机质质量分数的效应主要在水平方向上，且随着距采动地裂缝水平距离的增加而减弱。
3.3 采动地裂缝对周围土壤可蚀性K值的影响
土壤可蚀性K值是从内因视角客观反映土壤被侵蚀难易程度的量化指标，该值一般超过0.3，即视为高可蚀性。根据表1数据对土壤可蚀性K值进行计算，结果见表2;以此为基础，绘制了不同宽度采动地裂缝影响下不同水平距离及垂直深度土壤可蚀性K值对比图，如图4所示。
表2 陕北煤矿区采动地裂缝周围土壤可蚀性K值 计算结果
Table 2 Calculation results of soil erodibility K-factor around mining ground fissures in Northern Shaanxi coal mining area
裂缝宽度/cm土壤深度/cm水平距离/cm可蚀性K值0～200～1010～20200.320 8400.312 0600.310 4800.308 3200.313 3400.308 9600.308 1800.305 320～400～1010～20200.349 2400.328 8600.312 5800.311 4200.332 2400.317 8600.308 4800.305 440～600～1010～20200.362 7400.341 1600.317 5800.309 1200.353 0400.337 8600.315 2800.311 0CK0～100.306 9CK10～200.305 1
由表2、图4可知，采动地裂缝的发育会产生放大周围土壤(水平距离80 cm以内、垂直深度20 cm以浅)可蚀性K值，分化土层间抗侵蚀能力的效应，且采动地裂缝宽度越大、距采动地裂缝越近，这种效应越明显，并以裂缝宽度20 cm为界表现出不同的特征。具体而言:
图4 不同宽度采动地裂缝影响下不同水平距离及垂直深度土壤可蚀性K值
Fig.4 Soil erodibility K-factor in different horizontal distance and vertical depth under the influence of different width of mining ground fissures
(1)相对于对照组，距宽度为0～20 cm的采动地裂缝水平距离20,40,60,80 cm的0～10 cm土层土壤可蚀性K值增幅依次为4.5%,1.7%,1.1%,0.5%，10～20 cm土层土壤可蚀性K值增幅依次为2.7%,1.2%,1.0%,0.07%;距宽度为20～40 cm的采动地裂缝水平距离20,40,60,80 cm的0～10 cm土层土壤可蚀性K值增幅依次为13.8%,7.1%,1.8%,1.5%，其中水平距离为20 cm时差异显著(P<0.05)，10～20 cm土层土壤可蚀性K值可蚀性K值增幅依次为8.9%,4.2%,1.1%,0.1%;距宽度为40～60 cm的采动地裂缝水平距离20,40,60,80 cm增幅依次为18.2%,11.1%,3.5%,0.7%，其中水平距离为20,40 cm时差异显著(P<0.05)，10～20 cm土层土壤可蚀性K值增幅依次为15.7%,10.7%,3.3%,1.9%，其中水平距离为20,40 cm时差异显著(P<0.05)。由此可见:① 采动地裂缝宽度的越大，其周围土壤可蚀性K值增幅越显著，尤其当裂缝宽度超过40 cm时，水平距离40 cm以内土壤的可蚀性K值平均增大13%;② 采动地裂缝增大周围土壤可蚀性K值的效应会随着水平距离的增大而减弱，当距裂缝水平距离小于20 cm时，该效应最明显，当距裂缝水平距离接近80 cm时，该效应基本消失。
(2)当采动地裂缝宽度为0～20 cm时，水平距离20,40,60,80 cm的0～10 cm土壤与10～20 cm土壤之间可蚀性K值的差值依次为对照组(0.001 8)的4.2,1.7,1.3,1.7倍;当采动地裂缝宽度为20～40 cm时，水平距离20,40,60,80 cm的0～10 cm土壤与10～20 cm土壤之间可蚀性K值的差值依次为对照组的9.4,6.1,2.3,3.3倍;当采动地裂缝宽度为40～60 cm时，水平距离20,40,60,80 cm的0～10 cm土壤与10～20 cm土壤之间可蚀性K值的差值依次为对照组的5.4,1.8,1.3,-1.1倍。由此可见，采动地裂缝的发育显著扩大了0～10,10～20 cm两层土壤可蚀性的差异，且采动地裂缝宽度越大，距采动地裂缝越近，两层土壤可蚀性能力的分化越显著。
(3)从水平方向上看，越靠近采动地裂缝，土壤可蚀性K值越高，这与受采动地裂缝对土壤黏粒、有机质质量分数的影响程度随水平距离增加而减弱具有高度的一致性。因此，离采动地裂缝越近，土壤黏粒质量分数、有机质越少，土壤越容易产生侵蚀，在进行水土流失精准防控时应着重考虑土壤结构改良、施肥等人工措施，反之则应着重考虑自然措施。从垂直方向上看，在既定水平距离下，相较于10～20 cm土层土壤，0～10 cm土层土壤黏粒、有机质质量分数更少，导致抗侵蚀能力更差，应作为水土流失精准防控的重点对象。根据实测数据，分别绘制了宽度为0～20,20～40,40～60 cm采动地裂缝周围不同水平距离土壤可蚀性K值散点图(图5)，基于线性回归原理分别建立了土壤可蚀性K值与距采动地裂缝水平距离的量化关系，见表3。
图5 宽度为0～20，20～40,40～60 cm的采动地裂缝周围不同垂直深度土壤可蚀性K值与水平距离对应关系
Fig.5 Corresponding relationship between soil erodibility K-factor and horizontal distance at different vertical depths around mining ground fissures with width of 0-20，20-40,40-60 cm
表3 陕北煤矿区采动地裂缝周围土壤可蚀性K值与 水平距离的量化关系
Table 3 Quantitative relationship between soil erodibility K-factor and horizontal distance around mining ground fissures in Northern Shaanxi coal mining area
裂缝宽度/cm土壤深度/cm量化关系复相关系数R20～200～10K=-0.019 6d+0.322 70.843 510～20K=-0.012 4d+0.315 10.933 020～400～10K=-0.064 8d+0.357 90.894 410～20K=-0.044 9d+0.338 40.925 240～600～10K=-0.092 2d+0.378 70.966 810～20K=-0.074 3d+0.366 40.945 6
由图5和表3可知，对于宽度为0～20 cm的采动地裂缝，当水平距离超过80.6 cm时，采动地裂缝增大周围土壤可蚀性的效应基本消失;对于宽度为20～40 cm的采动地裂缝，当水平距离超过78.7 cm时，采动地裂缝增大周围0～10 cm土层土壤可蚀性的效应基本消失，当水平距离超过74.2 cm时，采动地裂缝增大周围10～20 cm土层土壤可蚀性的效应基本消失;对于宽度为40～60 cm的采动地裂缝，当水平距离超过77.9 cm时，采动地裂缝增大周围0～10 cm土层土壤可蚀性的效应基本消失，当水平距离超过82.5 cm时，采动地裂缝增大周围10～20 cm土层土壤可蚀性的效应基本消失。
4 讨 论
采动地裂缝周围土壤机械组成、有机质的空间变化特征与土壤可蚀性K值的空间变化特征存在高度的一致性。经相关性检验，土壤可蚀性K值与黏粒质量分数、有机质质量分数相关系数依次为-0.569,-0.757，均达到极显著负相关水平(P<0.01)。究其原因，采动地裂缝的发育会显著改变土壤孔性，损伤植物根系性状和微生物活性，进而造成土壤机械组成、有机质质量分数的恶化，从而增加土壤可蚀性。
(1)土壤紧实度对土壤的可蚀性具有重要影响。土壤紧实度越小，则疏松程度越大，土壤孔隙度越大，土壤中空气、水分等组分迁移转化的通道越多，在相同强度的水力、风力作用下表现出更明显的侵蚀效应[14]。研究区采动地裂缝的发育显著改变了原有的土壤孔性特征，使得裂缝处及附近土壤的紧实度变小，孔隙度增大，前人研究发现采动地裂缝可以使周围土壤孔隙度增大24%左右[15]，以致土壤空气对流及扩散作用、降水和地表径流入渗作用增强，空气流、壤中流在土壤孔隙中的流速、流量增大，扩散或入渗深度增加[16]，风力、水力侵蚀强度随之放大[17]，最终导致土壤中小粒径颗粒在地表径流和地表风的侵蚀下沿地裂缝向深层地下大量流失。另一方面，采动地裂缝直接或间接增加了土壤与空气的接触面积，使得土壤水分蒸发强度和蒸发量增大，土壤含水量显著下降[18]，前人研究结果证明采动地裂缝可致周围土壤水分损失约60%[15]。土壤蒸发作用的增强使得土壤溶液的浓度显著提高，以致土壤黏粒的扩散层变薄，进而引发“聚沉效应”，促使黏粒聚合并向大粒径颗粒转化，这可能是表1中采动地裂缝发育后周围土壤粉粒质量分数平均增加2.4%的重要原因。研究区坡顶处土层不仅受地下开采的直接影响，而且还会产生黄土层滑动等附加变形[19]，导致该处裂缝的宽度最大，以致周围土壤的孔隙度最大，土壤空气对流以及水分入渗、蒸发作用最为活跃，土壤中黏粒的流失效应和聚沉效应最强，其质量分数的下降也就最为明显。因此，采动地裂缝宽度越大，土壤黏粒损失量越多，土壤可蚀性K值也就越大。
(2)植物根系对土壤可蚀性同样具有重要的影响。植物根系不仅通过穿插、缠绕、网兜、包裹等方式对土壤颗粒或团聚体进行物理加固[20-21]，而且分泌苯丙烷类、乙酰配基类、类萜、甾类、生物碱类等根系有机物质，促进土壤颗粒或团聚体的生化黏结[22]，形成更加稳定的“根-土复合体”，对于相同强度的水力、风力作用表现出更强的抗侵蚀能力[23]。然而，研究区地下采煤导致的采动地裂缝使得土层发生开裂、滑移、错位等移动变形，造成植物水平根系的机械拉伤甚至拉断，破坏植物根系的自然性状。部分根系还会因土层移动变形量大而暴露在空气中[24]，在干旱少雨的气候条件下极易干枯死亡，对于草本、灌木类植物则更加明显[25]。另外，采动地裂缝会使得裂缝处及附近区域土壤的空隙显著增加，导致土壤水分蒸发作用增强，持水保肥能力下降，土壤水分、养分含量明显降低，大大削弱了植物根系的活性与固土功能[14,26]。“根-土复合体”破坏后的干燥的土壤团聚体在遇到降水后容易发生崩解，离散出很多小粒径颗粒，为侵蚀提供更多的物源[27]。已有研究表明[28]:无论是直接性的机械破坏还是间接性的功能降低，采动地裂缝对植物根系的损伤程度主要取决于裂缝的宽度，即裂缝宽度越大，植物根系损伤程度越严重。由于研究区坡顶处采动地裂缝的宽度最大，对植被根系的损伤范围最大且程度最重，以致植被根系的有机物分泌功能、固土作用和土壤团聚体的稳定性最差，在相同侵蚀外营力的作用下发生土壤侵蚀的可能性和程度最大，以小粒径为主土壤颗粒沿土壤孔隙和地裂缝向深层地下迁移流失的量最多[29]。这可能是造成采动地裂缝宽度越大，周围土壤黏粒质量分数越小，土壤有机质质量分数越低，土壤可蚀性K值越大的重要原因之一。
(3)土壤有机质和微生物对土壤的可蚀性影响也不容忽视。土壤有机质多以腐殖质的形式存在，而腐殖质表面上的羟基、羧基等官能团可以与土壤颗粒表面的金属阳离子结合成有机无机复合体[30]，通过胶结作用形成土壤团聚体和微团聚体，并维系其稳定性[31]。土壤微生物对土壤颗粒也具有一定的黏结作用。像真菌、放线菌等微生物通过菌丝将不同粒径的土壤颗粒进行缠绕，或是像黑曲霉、丝核菌等微生物通过分泌多糖等物质黏结土壤颗粒，进而形成团聚体[32]。由有机质和微生物参与形成的土壤团聚体具有更好的抗侵蚀能力。然而，研究区采动地裂缝的发育使得土壤孔隙度显著增大，通气性增强，土壤与大气的氧气交换及土壤有机质的分解速率提升，导致土壤有机质的质量分数显著降低[33]，已有研究结果显示采动地裂缝可致周围土壤有机质的质量分数下降33%～38%[34]。部分土壤有机质在地表径流下渗过程中沿土壤孔隙和地裂缝向下迁移流失[35]。另外，采动地裂缝提高了外界气体、热量对土壤的侵入强度，以致土壤水分、养分大量流失，土壤水、肥、气、热等条件显著改变，使得部分微生物因不适应生存环境的改变而停止繁殖甚至死亡[36]，已有研究结果显示采动地裂缝可以造成土壤中细菌、真菌、放线菌数量锐减28.8%～70.2%[37]。无论是土壤有机质质量分数的下降还是微生物数量的减少，都会导致土壤团聚体的稳定性减弱，在水分、空气消散作用下发生崩解的可能性和程度增大，进而增加了以小粒径颗粒为主的侵蚀物质的供给。已有研究表明[38]，采动地裂缝的宽度与土壤有机质及微生物的下降程度具有正相关关系，即裂缝宽度越大，土壤有机质质量分数和微生物数量减少越显著。因此，研究区坡顶处采动地裂缝宽度最大，土壤有机质质量分数和微生物数量最少，以致2者对土壤团聚体的胶结作用减弱最为明显，在崩解和侵蚀过程中小粒径土壤颗粒的流失量也就最多。这可能是导致采动地裂缝宽度越大，土壤黏粒质量分数越小，土壤有机质质量分数越低，土壤可蚀性K值越大的另一重要原因。
5 结 论
(1)陕北煤矿区采动地裂缝的发育会产生降低土壤中黏粒质量分数、有机质质量分数的效应，平均降幅分别为17.06%～32.66%,32.16%～54.01%。当裂缝宽度小于20 cm时，采动地裂缝对周围土壤黏粒质量分数的影响主要表现为水平负效应，且随着水平距离的增加而减弱;当裂缝宽度大于20 cm时，采动地裂缝对周围土壤黏粒质量分数的影响主要表现为垂直负效应，且随着垂直深度的增加而增强;土壤有机质质量分数的下降程度会随采动地裂缝宽度的增大和水平距离的减小而增大。
(2)陕北煤矿区采动地裂缝的发育会产生提高周围土壤的可蚀性，分化土层间抗侵蚀能力的效应，且采动地裂缝宽度越大、距采动地裂缝越近，这种效应越明显。采动地裂缝增强土壤可蚀性的作用范围主要集中在水平距离83 cm以内，其可作为陕北煤炭开采损害区水土流失精准防控的靶向区域。
(3)陕北煤矿区采动地裂缝周围土壤黏粒、有机质质量分数与土壤可蚀性K值在小空间尺度变化特征上存在高度的一致性，相关系数依次为-0.569,-0.757，均达到极显著负相关水平(P<0.01)。究其原因，与采动地裂缝显著改变土壤孔性，损伤植物根系性状和微生物活性有着密切的关系。
(4)在水平方向上，越靠近采动地裂缝，土壤可蚀性K值越大，土壤抗侵蚀能力越差，应着重考虑采用土壤结构改良、施肥等人工措施开展水土流失精准防控，反之则应着重考虑自然措施;在垂直方向上，采动地裂缝周围0～10 cm土层土壤黏粒、有机质质量分数最少，抗侵蚀能力最差，应作为水土流失精准防控的重点对象，采取必要的人工措施。
[1] 王双明,孙强,乔军伟,等.论煤炭绿色开采的地质保障[J].煤炭学报,2020,45(1):8-15.
WANG Shuangming,SUN Qiang,QIAO Junwei,et al.Geological guarantee of coal green mining[J].Journal of China Coal Society,2020,45(1):8-15.
[2] 彭苏萍,毕银丽.黄河流域煤矿区生态环境修复关键技术与战略思考[J].煤炭学报,2020,45(4):1211-1221.
PENG Suping,BI Yinli.Strategic consideration and core technology about environmental ecological restoration in coal mine areas in the Yellow River basin of China[J].Journal of China Coal Society,2020,45(4):1211-1221.
[3] 程静霞,聂小军,刘昌华.煤炭开采沉陷区土壤有机碳空间变化[J].煤炭学报,2014,39(12):2495-2500.
CHENG Jingxia,NIE Xiaojun,LIU Changhua.Spatial variation of soil organic carbon in coal-mining subsidence areas[J].Journal of China Coal Society,2014,39(12):2495-2500.
[4] 田惠文,张欣欣,毕如田,等.煤炭开采导致的农田生态系统固碳损失评估[J].煤炭学报,2020,45(4):1499-1509.
TIAN Huiwen,ZHANG Xinxin,BI Rutian,et al.An assessment of the carbon sequestration loss of farmland ecosystems caused by coal mining[J].Journal of China Coal Society,2020,45(4):1499-1509.
[5] 习近平.在黄河流域生态保护和高质量发展座谈会上的讲话[J].当代广西,2019(20):11-13.
[6] 尘福艳,郭仲皓,张英海,等.基于遥感与GIS技术的陕北煤矿区生态环境质量评价——以杨伙盘矿区为例[J].中国煤炭,2020,46(6):45-51.
CHEN Fuyan,GUO Zhonghao,ZHANG Yinghai,et al.Evaluation of ecological environment quality of northern Shaanxi mining area based on remote sensing and GIS technology——Taking Yanghuopan mining area as an example[J].China Coal,2020,46(6):45-51.
[7] 李建明,王文龙,王贞,等.神府煤田废弃堆积体新增水土流失研究[J].自然灾害学报,2014,23(2):239-249.
LI Jianming,WANG Wenlong,WANG Zhen,et al.Study on newly increased soil and water loss from waste accumulation in Shenfu Coal-field[J].Journal of Natural Disasters,2014,23(2):239-249.
[8] 胡克志.丹江鹦鹉沟小流域土壤可蚀性空间分异特征研究[J].中国水土保持,2016(7):44-48.
HU Kezhi.Spatial variability of soil erodibility in Yingwugou watershed of Danjiang[J].Soil and Water Conservation in China,2016(7):44-48.
[9] 饶良懿,徐也钦,胡剑汝,等.砒砂岩覆土区小流域土壤可蚀性K值研究[J].应用基础与工程科学学报,2020,28(4):763-773.
RAO Liangyi,XU Yeqing,HU Jianru,et al.Study on soil erodibilty factor K on soil cover area of pisha sandstone region[J].Journal of Basic Science and Engineering,2020,28(4):763-773.
[10] 李奎,岳大鹏,刘鹏,等.基于GIS与RUSLE的榆林市土壤侵蚀空间分布研究[J].水土保持通报,2014,34(6):172-178，371.
LI Kui,YUE Dapeng,LIU Peng,et al.Spatial distribution of soil erosion analyzed based on GIS and RUSLE in Yulin city[J].Bulletin of Soil and Water Conservation,2014,34(6):172-178，371.
[11] 陕西省地质调查院煤炭开采区采动损害报告[R].西安,2016.
[12] 胡振琪,王新静,贺安民.风积沙区采煤沉陷地裂缝分布特征与发生发育规律[J].煤炭学报,2014,39(1):11-18.
HU Zhenqi,WANG Xinjing,HE Anmin.Distribution characteristic and development rules of ground fissures due to coal mining in windy and sandy region[J].Journal of China Coal Society,2014,39(1):11-18.
[13] 栗丽,王曰鑫,王卫斌.采煤塌陷对黄土丘陵区坡耕地土壤理化性质的影响[J].土壤通报,2010,41(5):1237-1240.
LI Li,WANG Yuexin,WANG Weibin.Effects of mining subsidence on physical and chemical properties of soil in slope land in hilly-gully region of loess plateau[J].Chinese Journal of Soil Science,2010,41(5):1237-1240.
[14] 史沛丽,张玉秀,胡振琪,等.采煤塌陷对中国西部风沙区土壤质量的影响机制及修复措施[J].中国科学院大学学报,2017,34(3):318-328.
SHI Peili,ZHANG Yuxiu,HU Zhenqi,et al.Influence mechanism of coal mining subsidence on soil quality and restoration measures in west China aeolian sand area[J].Journal of University of Chinese Academy of Sciences,2017,34(3):318-328.
[15] 杜华栋,赵晓光,张勇,等.榆神府覆沙矿区采煤塌陷地表层土壤理化性质演变[J].土壤,2017,49(4):770-775.
DU Huadong,ZHAO Xiaoguang,ZHANG Yong,et al.Evolution of topsoil physical-chemical properties after coal mining subsidence in Yu-Shen-Fu sand covered mining area[J].Soils,2017,49(4):770-775.
[16] 毕银丽,邹慧,彭超,等.采煤沉陷对沙地土壤水分运移的影响[J].煤炭学报,2014,39(S2):490-496.
BI Yinli,ZOU Hui,PENG Chao,et al.Effects of mining subsidence on soil water movement in sandy area[J].Journal of China Coal Society,2014,39(S2):490-496.
[17] 马坤.榆神矿区采动地裂缝对土壤质量影响与损害评价[D].西安:西安科技大学,2019:22-24.
MA Kun.Impact of mining ground fissures on soil quality and damage assess in Yushen mining area[D].Xi’an:Xi’an University of Science and Technology,2019:22-24.
[18] WANG J M,WANG P,QIN Q,et al.The effects of land subsidence and rehabilitation on soil hydraulic properties in a mining area in the Loess Plateau of China[J].Catena,2017,159:51-59.
[19] 冯军,谭志祥,邓喀中.黄土沟壑区沟谷坡度对采动裂缝发育规律的影响[J].煤矿安全,2015,46(5):216-219.
FENG Jun,TAN Zhixiang,DENG Kazhong,et al.Influence of valley slope in loess gully region on mining-induced fractures development law[J].Safety in Coal Mines,2015,46(5):216-219.
[20] 郝好鑫.侵蚀环境下根系功能性状对土壤保持的影响及机制[D].武汉:华中农业大学,2020:67-71.
HAO Haoxin.The effect and mechanism of root functional traits on soil conservation following the restoration of eroded land[D].Wuhan:Huazhong Agricultural University,2020:67-71.
[21] GILARDELLI F,VERGANI C,GENTILI R,et al.Root characteristics of herbaceous species for topsoil stabilization in restoration projects[J].Land Degrad Dev,2017,28(7):2074-2085.
[22] WANG Bing,ZHANG Guanghui.Quantifying the binding and bonding effects of plant roots on soil detachment by overland flow in 10 typical grasslands on the Loess Plateau[J].Soil Science Society of America Journal,2017,81:1567-1576.
[23] BURYLO M,REY F,MATHYS N,et al.Plant root traits affecting the resistance of soils to concentrated flow erosion[J].Earth Surf Proc Land,2012,37:1463-1470.
[24] 杨明莉,徐龙君,鲜学福.煤开采中的环境保护途径[J].煤炭学报,2003,28(2):199-204.
YANG Mingli,XU Longjun,XIAN Xuefu.Environmental protection approaches in coal exploitatio[J].Journal of China Coal Society,2003,28(2):199-204.
[25] 岳辉.采煤沉陷区受损根系菌根修复机理及其生态效应研究[D].北京:中国矿业大学(北京),2013:43-48.
YUE Hui.Mycorrhizal restoration mechanism and ecological effect of damaged roots in coal mining subsidence area[D].Beijing:China Mining University,2013:43-48.
[26] 马康,杨帆,张玉秀.西北干旱半干旱区煤炭井工开采对土壤肥力质量的影响研究进展[J].中国科学院大学学报,2020,37(4):442-449.
MA Kang,YANG Fan,ZHANG Yuxiu.Influence of underground coal mining on soil fertility quality in the northwestern arid and semi-arid regions:A review[J].Journal of University of Chinese Academy of Sciences,2020,37(4):442-449.
[27] 王清奎,汪思龙.土壤团聚体形成与稳定机制及影响因素[J].土壤通报,2005,36(3):415-419.
WANG Qingkui,WANG Silong.Forming and stable mechanism of soil aggregate and influencing factors[J].Chinese Journal of Soil Science,2005,36(3):415-419.
[28] 蒙仲举,任晓萌,陈晓燕,等.采煤塌陷对沙柳根系损伤机理研究[J].北方园艺,2014(1):66-68.
MENG Zhongju,REN Xiaomeng,CHEN Xiaoyan.Study on damage mechanism of roots of salix psammophila by mining subsidence[J].Northern Horticulture,2014(1):66-68.
[29] 张庆玮.黄土坡面细沟间侵蚀粒径分选动力学过程试验研究[D].杨凌:西北农林科技大学,2020:52-56.
ZHANG Qingwei.Experimental study on the dynamic process of grain size separation of rill erosion on loess slope[D].Yangling:Northwest A & F University,2020:52-56.
[30] 张旭冉,张卫青.土壤团聚体研究进展[J].北方园艺,2020(21):131-137.
ZHANG Xuran,ZHANG Weiqing.Research progress of soil aggregates[J].Northern Horticulture,2020(21):131-137.
[31] SHI P L,ZHANG Y X,HU Z Q,et al.The response of soil bacterial communities to mining subsidence in the west China aeolian sand area[J].Applied Soil Ecology,2017,121:1-10.
[32] MANN C,LYNCH D,FILLMORE S,et al.Relationship between field management,soil health,and microbial community composition[J].Applied Soil Ecology,2019,144:12-21.
[33] 夏玉成,冀伟珍,孙学阳,等.渭北煤田井工开采对土壤理化性质的影响[J].西安科技大学学报,2010,30(6):677-681.
XIA Yucheng,JI Weizhen,SUN Xueyang,et al.Effect of underground mining on soil physical and chemical properties in Weibei coalfield[J].Journal of Xi’an University of Science and Technology,2010,30(6):677-681.
[34] 王琦,全占军,韩煜,等.风沙区采煤塌陷不同恢复年限土壤理化性质变化[J].水土保持学报,2014,28(2):118-122，126.
WANG Qi,QUAN Zhanjun,HAN Yu,et al.Changes of soil physical and chemical properties under different coal mining subsidence years in windy desert area[J].Journal of Soil and Water Conservation,2014,28(2):118-122，126.
[35] 胡金鑫,郑刘根,孔令健,等.淮南采煤沉陷区土壤中汞的时空分布特征[J].煤田地质与勘探,2018,46(6):115-120.
HU Jinxin,ZHEN Liugen,KONG Lingjian,et al.Spatio-temporal distribution characteristics of mercury in soil of Huainan coal mining subsidence area[J].Coal Geology & Exploration,2018,46(6):115-120.
[36] 杜涛,毕银丽,邹慧,等.地表裂缝对沙柳根际微生物和酶活性的影响[J].煤炭学报,2013,38(12):2221-2226.
DU Tao,BI Yinli,ZOU Hui,et al,Effects of surface cracks caused by coal mining on microorganisms and enzyme activities in rhizosphere of Salix psammophila[J].Journal of China Coal Society,2013,38(12):2221-2226.
[37] 王锐,马守臣,张合兵,等.干旱区高强度开采地表裂缝对土壤微生物学特性和植物群落的影响[J].环境科学研究,2016,29(9):1249-1255.
WANG Rui,MA Shouchen,ZHANG Hebing,et al.Effects of surface cracks caused by high intensity coal mining on soil microbial characteristics and plant communities in arid regions[J].Research of Environmental Sciences,2016,29(9):1249-1255.
[38] 张雅馥,王金满,祝宇成.黄土区采煤塌陷对土壤全氮和有机质含量空间变异性的影响[J].生态学杂志,2018,37(6):1676-1684.
ZHANG Yafu,WANG Jinman,ZHU Yucheng.Effects of land subsidence caused by coal mining on the spatial variation of soil total nitrogen and organic matter concentrations in loess area[J].Chinese Journal of Ecology,2018,37(6):1676-1684.
