Analysis of inclined failure characteristics of floor along working face in Ordovician limestone confined water stope
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摘要:
准确预测承压水上采场底板最大破坏深度是预防煤矿底板突水的一个重要环节。为研究沿工作面倾向底板破坏特征的问题，基于矿山压力与岩层控制理论，考虑了采场底板受采动产生的支承压力、采空区压实后对底板的作用力以及承压水的共同作用，建立承压水上采场底板倾向力学计算模型，采用带有拉伸破坏的Mohr-Coulomb屈服准则对采场底板破坏进行判定。结果表明：周期来压时，采场底板沿工作面倾向破坏形态近似“倒马鞍形”，且最大破坏深度为12 m；工作面两侧底板破坏深度较大，采空区底板破坏深度较小。数值模拟计算结果表明：靠近工作面边缘弹塑性交界处底板最大破坏深度为13 m，破坏形式主要为剪切破坏；位于采空区卸压区段，采场底板破坏深度较小，破坏形式主要为剪切破坏及拉伸破坏。这与通过理论分析得到的承压水上采场底板破坏特征几乎一致。通过现场实测得到董家河煤矿22516工作面底板最大破坏深度为13.52 m，这与理论分析得到的12 m和数值模拟计算得到的13 m相比结果非常接近，验证了理论模型建立的合理性以及数值模拟分析的正确性。研究方法为分析承压水上采场底板破坏特征提供了新参考。
Abstract:Accurate prediction of the maximum failure depth of the stope floor on confined water is an important part of preventing water inrush from the coal mine floor. In order to study the failure characteristics of the inclined floor along the working face, the author based on the mine pressure and rock strata control theory, considered the combined action of the inclined bearing pressure of the stope floor, established a mechanical calculation model for the inclined floor of the stope above the confined water, and used the Mohr Coulomb yield criterion with tensile failure to judge the failure of the stope floor. The results show that: under periodic pressure, the failure pattern of the stope floor along the dip of working face tends to be similar to an “inverted saddle shape”, and the maximum failure depth is 12 m; the floor failure depth on both sides of the working face is greater, and the failure depth of the gob floor is small. Numerical simulation calculation results show that the maximum failure depth of the floor near the elastoplastic boundary of the working face is 13 m, and the failure mode is mainly shear failure. Located in the pressure relief section of the gob, the failure depth of the stope floor is small, and the main failure forms are shear failure and tensile failure. This is almost consistent with the failure mode of the stope floor on confined water obtained through theoretical analysis. The maximum failure depth of the floor of 22516 working face in Dongjiahe Coal Mine is 13.52 m, which is relatively close to the 12 m calculated by the author through theoretical analysis and 13 m calculated by numerical simulation. The rationality of the author's theoretical model establishment and the correctness of the numerical simulation analysis are verified. The research method provides a new reference for analyzing the failure characteristics of the confined water stope floor.
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Keywords:
- confined water /
- working face inclined /
- shear-tension failure /
- FLAC3D /
- failure characteristics
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0. 引 言
我国西部煤矿井工开采后引发大规模地面沉陷和地表裂缝，使得土壤蓄水能力下降、养分垂直渗漏[1]，植被密度、生物量下降[2]，沉陷地养分平衡受到干扰所造成的土壤—植物退化直接影响沉陷区持续生态恢复。沉陷地土地复垦和生态修复是 “十四五”时期绿色矿山建设重要举措，而土壤重构、植被恢复正是复垦的核心阶段[3]。采煤沉陷地填充复垦以不同填充材料重构适宜的刨面结构及肥水条件，如采用煤矸石、粉煤灰、河湖及黄河泥沙等做填充物构建双层或夹层式多层土壤刨面构型[4]，进而提出土层生态位为理论基础、土壤关键层为构造核心的矿山复垦土壤重构新理论[5]。同时长年植被恢复可以缓解土壤养分限制[6]，并且诱导脆弱生态系统正向演替[7]。但是大面积沉陷地复垦面临着重构土壤的工程成本高，重建植被存活率低、恢复周期长的障碍。而丛枝菌根真菌（Arbuscular Mycorrhizal Fungi，AMF）是重要土壤微生物组成部分并且与80%植物互利共生，以其为亮点的微生物复垦则被证明是沉陷地退化系统高效率、低成本恢复的关键技术[8]。微生物复垦与地貌重构−土壤重建−先锋植物相耦合修复也是黄土高原矿区生态修复固碳增汇的关键[9]。研究表明，AMF复垦多年后土壤养分和驱动养分循环的酶活性显著提高[10]，同时AMF缓解植被受地裂缝导致的根系损伤，并且AMF增加植被根土复合体抗剪切或抗拉伤的能力[11]，人工植被生长速度、成活率增加[12]。土壤AMF与重建植被间相互作用，自然景观得到恢复，然而复垦取得正效益后生态恢复协调性、可持续性如何分析和阐释则成为矿山绿色发展途中的关键问题。
生态化学计量学（ecological stoichiometry）是研究生态系统多重元素（C、N、P）相互作用和协调平衡的工具，对预测沉陷区复垦后生态恢复潜力、理解脆弱生态系统功能和动态具有重要意义 [13]，N、P计量限制影响植物生长和养分循环[14]，黄雍容等[15]通过叶片N:P发现福建常绿阔叶林生长主要受P限制，并且有研究以叶片氮磷回收率之比估计出全球18%天然陆地受N限制、43%受P限制[16]。基于生长率假说的N:P、C:P可以判断植物生长率和对P需求[17]。有学者研究发现黄土高原土壤N:P、C:P随纬度升高而下降，得出黄土高原高纬度缺N、低纬度缺P的结论[18]。枯落叶脱落前养分会从衰老叶片中回收至储藏器官和生长组织，从而提高植物环境适应性减轻对土壤养分的依赖。叶片养分回收和枯落物分解紧密耦合影响养分循环[14, 19]，铁杆蒿正因为较高的N回收率产生C:N较低的枯落物更易进行养分循环而在黄土丘陵区广泛分布[20]。AMF菌根觅食、叶养分回收是植被群落主要磷吸收策略[21]，AMF与腐生菌协同刺激酶活性和微生物生物量促进植物对氮的吸收[22]，以AMF为代表的菌根微生物复垦促进养分循环对恢复植被生长发育具有促进作用[23]。AMF活化土壤养分，影响植物养分回收策略和枯落物分解，菌根介导资源分配影响土壤-植物生态化学计量[24]。研究发现半干旱草甸中AMF降低植物氮磷比缓解土壤N沉降引起的P限制[25]。但是以沉陷复垦区为对象的养分限制研究较少，并且鲜有人探究微生物复垦后AMF对连续体养分回收和生态化学计量的影响，此影响可以预测AMF对矿山脆弱生态可持续恢复潜力的作用。
因此，在神东矿区大柳塔菌根生物复垦试验示范基地建立10 a的基础上，探讨AMF、恢复植被类型对植物−枯落叶−土壤微连续体化学计量和养分回收特征的影响，拟解决以下问题：①AMF菌根对植被−土壤养分、生态化学计量及植物养分限制、叶养分回收的影响。②不同恢复植被类型植物−土壤养分、生态化学计量的差异。③接菌下土壤因子和植物生态化学计量的相关关系。研究有助于深入了解矿区复垦地中植物−土壤植物养分限制和生态系统动力学，进而为矿区绿色可持续发展提供科学依据。
1. 材料与方法
1.1 研究区概况
文中中国地图数据获取自中科院环境数据中心，研究区位于中国西北毛乌素沙漠边缘陕北神东矿区大柳塔菌根生物复垦试验示范基地（北纬38°50′～39°47′东经109°13′～110°67′），如图1所示。该地区属黄土高原丘陵沟壑区，海拔1 200～1 300 m，年平均降雨量441 mm且主要集中于7—9月，为典型的半湿润气候，风积沙为主要土壤类型。井工煤矿开采后，该地区土地沉陷导致水土流失和土壤退化。2012年在特定区域进行微生物复垦和生态恢复建立了复垦示范基地，过程中引入5 种人工灌木林植被类型分别为紫穗槐(Amorpha fruticosa)、沙棘(Hippophae rhamnoides)、文冠果(Xanthoceras sorbifolium)、欧李(Cerasus humilis)、野樱桃(Cerasus szechuanica)。每种植被类型设有接菌区和对照区，接菌区在2012 年接种AMF(Funneliformis mosseae)，菌剂接种量为100 g/幼苗。
1.2 采样地设置与样品采集
2021年7月，复垦区植物处于生长旺季，每种植被类型设接菌与对照区，每个样地设3 个随机样方(每个样方20 m×20 m)。每个样方随机选择7～9 株生长良好的重建植被，收集每株植物充分展开的叶片、直挺无病斑的茎，完全枯黄的枯落叶以及一部分根，采集植株下0～5，5～10 cm土壤，去除根、石头和动物，记录环境参数。将每个400 m2样方采集得到的相同植物部位和分层土壤复合为一个样本，即共30 个样方（5 个植被类型×2 个（对照/接菌）分区×3 个随机样方），120 个植物样品（30 个样方×4 个（根、茎、叶、枯）植物部位），60 个土壤样品（30 个样方×2 个土层（0～5、5～10 cm））。上述植物样品带回实验室用蒸馏水清洗，在105 ℃杀青15 min在70 ℃烘干72 h以恒重，使用样品粉碎机磨成0.15 mm的粉末后用于测定植物组织样品中的有机碳（Organic Carbon，OC）、全氮和全磷含量。土壤样品自然风干后过1 mm筛，进行土壤有机碳（Soil Organic Carbon，SOC）、全氮和全磷，易提取球囊霉素（Easily Extractable-Glomalin-Related Soil Protein，EEG）、总提取球囊霉素（Total-Glomalin-Related Soil Protein，TG）的测定。
1.3 分析项目及测定方法
植物叶片、茎、根以及枯落叶和土壤有机碳采用重铬酸钾−外加热法测定。植物和土壤样品分别使用H2SO4-H2O2法，H2SO4-HClO4法进行消煮[26]，消煮后的待测液供全氮、全磷测定。其中，全氮，全磷分别使用凯式定氮仪和电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES, Optima 5300DV, PerkinElmer, Waltham, MA）测定。EEG，TG采用采用Wright等[27]的改进方法提取和测定。菌根定植率（mycorrhizal colonization，MC）通过0.05%台盼蓝染色测定，真空泵微孔滤膜上测定菌丝密度（mycorrhizal colonization，HD）[28]。
1.4 数据处理
文中植物、土壤的OC、N、P的生态化学计量比使用质量比表示。应用Microsoft Excle 2019进行数据整理计算，SPSS 26.0统计软件进行单因素方差分析(one-way ANOVA)和多重比较(LSD)(显著水平为α= 0. 05)以及T检验，利用origin 2021软件作图，图表中数据为平均值±标准差。使用Canoco5.0软件进行冗余分析（Redundancy analysis，RDA）显示土壤性质与植物的生态化学计量之间的关系。氮、磷养分回收率计算公式如下：
$$ N_{{\mathrm{resorption}}}=（N_{{\mathrm{leaf}}}-N_{{\mathrm{litter}}}）/N_{{\mathrm{leaf}}}\times100 {\text{％}} $$ 式中：Nresorption为养分回收率；Nleaf为植物生长旺季叶片养分含量，Nlitter为枯落叶中养分含量。
2. 结 果
2.1 菌根、土壤基本性质及其生态化学计量比特征
复垦区接菌与对照区不同植被、不同土层下菌根、土壤性质差异显著（表1、图2），受AMF复垦的小区，所有植被根均被AMF定植且菌根定植率和菌丝密度是对照区的1.02～2.1、2.4～3.1倍。0～5 cm表土中各植被的EEG、对照区各植被TG、接菌紫穗槐、沙棘的TG含量均显著大于5～10 cm。欧李的EEG含量、紫穗槐TG含量大于其余恢复植被类型。
表 1 恢复植被土壤养分含量Table 1. Soil nutrient content of revegetated soils植被
类型土层/cm EEG含量/(g·kg−1) TG含量/(g·kg−1) SOC含量/(g·kg−1) N含量/(g·kg−1) P含量/(g·kg−1) CK AM CK AM CK AM CK AM CK AM 紫穗槐
ZSH0～5 0.33±0.04BC+ 0.41±0.00b+ 1.55±0.06A*+ 1.24±0.05a*+ 3.30±0.20D*+ 6.59±0.05b*+ 0.09±0.01C* 0.16±0.00c*+ 0.18±0.01C*+ 0.29±0.04a*+ 5～10 0.20±0.02C*+ 0.29±0.03a*+ 1.26±0.04B*+ 0.87±0.04c*+ 1.47±0.03BC*+ 3.12±0.06b*+ 0.07±0.00BC* 0.13±0.00ab*+ 0.14±0.02B*+ 0.20±0.01ab*+ 沙棘
SJ0～5 0.45±0.03A+ 0.53±0.02a+ 1.06±0.12C+ 0.90±0.11b 8.30±0.56A+ 9.14±0.75a+ 0.21±0.01A*+ 0.23±0.00a*+ 0.22±0.006B*+ 0.24±0.002b*+ 5～10 0.28±0.03B+ 0.22±0.00b+ 1.75±0.02A*+ 0.69±0.08d* 4.34±0.14A*+ 3.53±0.06a*+ 0.14±0.00A+ 0.14±0.01a+ 0.19±0.01A+ 0.17±0.01c+ 文冠果
WGG0～5 0.38±0.01AB+ 0.37±0.00bc+ 1.02±0.12C+ 0.81±0.03b+ 2.65±0.02E+ 2.73±0.40d+ 0.09±0.00C+ 0.09±0.00e+ 0.17±0.00C+ 0.19±0.01c+ 5～10 0.28±0.02B*+ 0.14±0.02c*+ 0.74±0.02D*+ 0.50±0.05e*+ 1.10±0.16C+ 0.98±0.02d+ 0.07±0.00C+ 0.07±0.01d+ 0.14±0.01B*+ 0.16±0.00Bc*+ 欧李
OL0～5 0.44±0.06A 0.44±0.05b+ 1.59±0.01A+ 1.34±0.14a 6.90±0.15B+ 6.92±0.17b+ 0.17±0.02B 0.18±0.00b+ 0.21±0.01B*+ 0.24±0.01b*+ 5～10 0.35±0.04A 0.32±0.01a+ 1.30±0.02B+ 1.17±0.08b 3.99±0.47A+ 3.26±0.19b+ 0.16±0.02A 0.12±0.00b+ 0.19±0.01A*+ 0.22±0.01a*+ 野樱桃
YYT0～5 0.29±0.02C+ 0.30±0.03c+ 1.33±0.01B+ 1.25±0.08a 5.76±0.211C*+ 5.05±0.12c*+ 0.16±0.01B*+ 0.14±0.00d*+ 0.25±0.01A*+ 0.22±0.01b* 5～10 0.21±0.00C+ 0.23±0.02b+ 0.90±0.07C*+ 1.41±0.09a* 1.92±0.071B*+ 2.28±0.11c*+ 0.09±0.00B+ 0.10±0.01c+ 0.19±0.02A+ 0.19±0.02b 注：不同大写/小写字母代表对照区/接菌区同一土层不同植被类型的差异显著，*代表同一植被类型同一土层对照与接菌差异显著，+代表对照区或接菌区同一植被类型不同土层差异显著（P＜0.05）；紫穗槐，ZSH；沙棘，SJ；文冠果，WGG；欧李，OL；野樱桃，YYT；下同。 ![]()
图 2 恢复植被土壤的菌丝密度和菌根定植率Figure 2. Mycelial density and mycorrhizal colonization rate of restored vegetation soil0～10 cm土壤中对照和接菌平均SOC、N、P含量分别为3.97、0.13、0.19 g/kg，4.36、0.14、0.21 g/kg。除野樱桃外其余植被土壤养分含量接菌区高于对照，其中接菌紫穗槐土壤SOC、N、P相较于对照紫穗槐土壤提高了106%、74%、64%。表土的SOC、N、P含量是5～10 cm土层2.21、1.38、1.24倍，表现出显著的养分表聚。文冠果土壤的养分含量最低，沙棘土壤SOC、N含量最高。土壤化学计量方面差异显著(图3)。紫穗槐土壤中因接菌N:P、C:N、C:P值分别增加了15%、20%、33%。接菌沙棘5～10 cm土壤中的C:N、C:P值降低了16%、11%。所有植被表土的C:N、C:P值均高于5～10 cm土层。各植被类型土壤之间N:P、C:N、C:P比值变化趋势均呈现出沙棘>欧李>野樱桃>紫穗槐>文冠果。
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图 3 恢复植被0～5 cm、5～10 cm土壤的生态化学计量Figure 3. Ecological stoichiometry of revegetation 0～5 cm and 5～10 cm soil2.2 植被C、N、P含量及生态化学计量比特征
接菌对植被C、N、P含量有显著的影响（表2）。接菌区植物根、叶平均C含量（458.38、481.56 g/kg）>对照区（436.39、477.97 g/kg）。植物根、枯落叶的平均N含量在接菌下降低了16%、19%，接菌区紫穗槐、欧李茎的N含量增加了29%、18%。接菌区植被根、茎、叶平均P含量是对照区的1.26、1.54、1.1倍，紫穗槐、文冠果、欧李枯落叶P含量在接菌下显著降低，沙棘、野樱桃显著增加。不同植被类型C、N、P含量具有显著差异（表2）。恢复植被中欧李的C、N、P平均含量（451.44、4.41、0.98 g/kg）最低，文冠果C（484.55 g/kg）、紫穗槐N、P（11.72 、1.91 g/kg）平均含量最高。固氮植物紫穗槐、沙棘根、茎、叶的N、P含量显著高于其余植被，枯落叶氮含量则文冠果>紫穗槐>沙棘>野樱桃>欧李。
表 2 恢复植被各器官的养分含量Table 2. Nutrient content of organs of restoration vegetation植被类型 器官 C含量/( g·kg-1) N含量/( g·kg-1) P含量/( g·kg-1) CK AM CK AM CK AM 紫穗槐
ZSH根 405±15.33B* 442±7.24c* 13.74±0.23A* 9.82±0.01a* 3.09±0.74A 1.26±0.02b 茎 433±8.91C 449±12.75abc 5.90±0.38A* 7.63±0.22a* 0.85±0.06B* 2.11±0.13a* 叶 470±2.70B* 493±3.09a* 19.97±0.12A 20.27±0.22a 2.36±0.30A 2.82±0.17a 枯 466±5.74BC 471±9.54bc 8.28±0.15B 8.16±0.11a 1.56±0.00B* 0.62±0.11b* 沙棘
SJ根 450±15.46A 471±1.48b 5.25±0.28B 5.75±0.16b 0.50±0.05C* 2.61±0.14a* 茎 474±4.38AB 469±12.89ab 5.98±0.13A* 4.25±0.00b* 0.71±0.04B 0.82±0.00c 叶 471±3.65B* 462±2.23b* 14.01±0.28B 14.66±0.07b 1.74±0.25BC 1.95±0.00b 枯 493±15.02A 525±58.31a 8.36±0.24B* 7.94±0.06a* 0.55±0.06E* 0.99±0.12b* 文冠果
WGG根 464±1.66A* 499±1.94a* 5.08±0.27B* 4.43±0.19c* 1.21±0.01C* 0.89±0.01b* 茎 459±21.86BC 443±9.71bc 3.40±0.31B 4.10±0.42b 1.11±0.10A 1.41±0.15b 叶 512±14.26A 505±13.63a 11.90±0.47C 11.90±0.14c 2.00±0.02AB 2.14±0.30b 枯 487±7.84AB* 509±8.10ab* 10.30±0.45A* 6.49±1.08b* 2.76±0.09A* 1.76±0.44a* 欧李
OL根 446±12.80A 440±8.62c 2.65±0.31C* 1.02±0.08e* 0.76±0.13C 0.91±0.08b 茎 450±7.75BC 442±8.53c 2.51±0.04A* 2.96±0.06c* 0.91±0.12AB 0.81±0.00c 叶 466±27.01B 498±1.28a 8.24±0.15E* 8.93±0.22d* 1.24±0.11D 1.18±0.10c 枯 458±9.95C* 411±7.91d* 4.14±0.15D* 3.22±0.11e* 1.04±0.07D* 0.84±0.04b* 野樱桃
YYT根 416±19.23B 441±21.87c 2.82±0.10C 2.44±0.27d 2.32±0.15B 3.32±0.71a 茎 502±26.77A 470±17.86a 2.81±0.00AB 2.37±0.19d 0.65±0.21B 0.76±0.31c 叶 483±4.88B 451±19.49b 10.76±0.21D* 8.23±0.19e* 1.34±0.08CD 1.04±0.20c 枯 477±16.34ABC* 434±9.57cd* 4.94±0.00C 4.95±0.33c 1.29±0.00C* 1.55±0.18a* AMF对植物生态化学计量有直接的调控和影响（图4）。AMF接种降低了恢复植被19%、13%的平均N:P、C:P。接菌显著降低了紫穗槐茎，沙棘根和茎，野樱桃叶的N:P，且植被茎C:P均在接菌区下降。除沙棘根以外其余植被根在接菌下的C:N值是对照区的1.2～2.5倍。不同植被类型的养分利用策略不同其生态化学计量也有显著差异（图4）。沙棘和紫穗槐根、茎、枯落叶N:P值是其余植被类型的1.38～6.26、1.36～2.33、2.38～3.36倍。紫穗槐植株各器官C:N、C:P值最低，欧李各器官C:N最高，植被C:N值表现出欧李>野樱桃>文冠果>沙棘>紫穗槐的趋势。沙棘根、枯落叶C:P值显著高于其余植被类型。
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图 4 CK区和AM区恢复植被各器官的生态化学计量Figure 4. Ecological stoichiometry of various organs of revegetation in CK and AM2.3 养分回收率、土壤性质与植被器官生态化学计量的关系
AM菌根和不同植被类型的共生显著改变了植物叶片的养分回收策略（图5）。接菌文冠果N回收率是对照的3.42倍，接菌沙棘、欧李N回收率提高了14%、29%。紫穗槐P回收率在接菌下增加了2.34倍，文冠果、欧李P回收率在接菌下显著增加，沙棘、野樱桃显著降低。文冠果P回收率对照区为−38.11%而接菌区为21.17%，野樱桃叶P回收对照区3.15%、接菌区−14.59%，植物的养分回收策略在菌根作用下发生改变。接菌区紫穗槐N、P回收率相较其余植被都在较高水平，对照区紫穗槐N回收率、沙棘P回收率最高。
土壤性质对植被化学计量及养分回收的影响如图6所示。植物化学计量特征在RDA第I轴和第Ⅱ轴解释量分别为47.20%和27.26%，累积解释量达74.46%。土壤因子对植物根、茎、叶、枯落叶化学计量影响程度重要性为表土SOC>EEG>表土P>HD >TG >MC>表土N，前3个因子均达到显著水平（P<0.05），是影响植物化学计量特征的主要因子。
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图 6 植物化学计量比及主要土壤因子的RDA分析Figure 6. RDA analysis of plant stoichiometric ratios and major soil factors沿RDA第1轴，表土养分SOC、N、P之间呈极显著相关。表土养分与枯落物C:P和N:P、P回收率、茎C:P和N:P、N回收率、根C:P和N:P、叶N:P之间夹角小于90°呈正相关，表土养分的投影较长，表明土壤养分对其有较大正面影响。EEG与土壤养分正相关且对枯落物C:P和N:P、P回收率、根C:P和N:P有较大正面影响。沿RDA第2轴表明茎C:P和C:N、叶化学计量、枯落叶和根的C:N、N回收率与土壤TG呈正相关，而与土壤EEG、MC、HD之间夹角远大于90°呈负相关，且土壤EEG的投影较长具有较大的负面效应。
3. 讨 论
3.1 接菌和植被类型对生态化学计量和元素限制的影响
生态化学计量学中恢复植被生长率越高合成rRNA所需P就越多，在全球范围内N:P与植物生长速率呈负相关[14]。AMF在支持植被重建的过程中降低了复垦区植被的N:P、C:P，增加植被生长速率。固氮植物紫穗槐、沙棘生长率和P的利用效率在AMF作用下均高于其余3种植被。接菌紫穗槐（C:N低）生长率处在较高水平其生长速率最高。复垦区土壤N贫瘠与土壤养分来源—枯落叶分解密切相关，枯落叶形成和分解将“绿色和棕色世界”联系起来[29]，其碳氮比阈值则会影响其分解和微生物的净氮释放[19]。枯落物养分被微生物固持和释放其C:N低于40[19]，枯落物中N含量超过微生物生长所需才会释放。而复垦区植被枯落叶平均C:N大于40，证明恢复植被枯落叶N含量相对缺乏，微生物分解过程中更倾向于固持N导致土壤中N元素不足。而通过长期监测复垦区土壤养分确实得到恢复，可能原因是沉陷扰动后微生物退化其生长所需养分减少，微生物固持和释放养分临界值变大。枯落物的C:N比与其分解速度成反比，C:N较低的植物残体可溶性低分子量(糖、氨基酸、酚)较多，难溶的大分子结构化合物(木质素)少，有利于微生物分解和枯落物养分的释放[30]。研究中不同植物类型和叶片养分回收是影响枯落叶碳氮比的主要因素，紫穗槐、沙棘、文冠果枯落叶养分易于分解释放。
土壤养分 N、P是普遍的植物生长限制性元素。沉陷扰动和半干旱气候雨量集中的复垦区土壤N受淋滤而损失，复垦区土壤养分在全球标准下属极贫瘠[21]。TANG[31]通过调查全国共739个地点的落叶灌木植物样品得出C、N和P平均群落浓度为：根407.3、6.72、0.51 g/kg，茎420、5.94、0.44 g/kg、叶405.0、17.12、1.10 g/kg。复垦区所引入的5种落叶灌木植被C含量高于全国水平，并且接菌后进一步提高了叶、茎、根的C含量。根、茎N低于全国水平，叶片N低于全国水平和同为矿区的黑岱沟平均N含量（22.39 g/kg）[32]，植被氮含量较低可能与土壤干旱少N有关。P含量方面得益于AMF菌丝高速、大范围的清除式磷吸收能力，复垦区植被平均P水平接菌＞对照＞全国水平。枯落物N和P对枯落物分解率有强烈的积极影响，超过了枯落物分解的环境驱动因素[14]， 恢复植被枯落叶C、N、P含量平均值（473.04、6.68、1.3 g/kg），与同属黄土高原煤矿区的永利煤矿复垦区的植物枯落叶（359.9、17.53、1.22 g/kg）[33]相比表现出N含量低的特点，其分解受N含量限制。复垦区恢复植被、枯落叶均呈现出高C、P低N的元素格局。AMF菌丝与植物根共生在植被恢复过程中增加植物对营养的吸收范围，N、P的吸收量，缓解土壤N贫瘠对植被生长的限制，证明了AMF对恢复植被重建的支持能力。
植物光合作用与植物营养元素的吸收途径不同，植物体内的C含量高变异小，且不限制植物的生长。植物叶片N:P临界比值则可以判断环境中植物生长受何种养分限制。无论是Koerselman和Meuleman[34]通过施肥试验提出的N:P<14和N:P>16，还是之后又有学者[35]提出N:P<10和N:P>20分别作为植物生长受氮限制和磷限制的判定标准。研究中复垦区5种植被类型叶N:P范围在5.63～8.56之间，在两个标准下大柳塔复垦区恢复植被主要受N限制。复垦区植被叶片平均N回收率大于P也证明植被在土壤N限制下增加了N回收。复垦区植被、枯落叶、土壤元素实测，叶片N:P和养分回收都证明复垦区植被生长和N循环受土壤N贫瘠的限制这也与XIAO等[36]的研究一致，并且与研究区域相邻的神府−东胜矿区采煤沉陷复垦地土壤养分限制一致同样缺乏N元素[37]。
3.2 接菌和植被类型养分回收及其与土壤基本性质之间的关系作用
叶片养分回收、枯落物分解是养分循环的两条重要途径[14]。叶片养分回收是在植物物种之间和物种内部产生叶片和枯落叶氮磷浓度以及化学计量比差异的关键过程，而叶片养分回收受养分限制、叶片养分浓度、叶片氮磷比三者调控[38]。叶片氮磷比小和土壤N相对P缺乏正指示了复垦区植被受N限制，复垦区植被平均N回收率高于P印证了植物在适应环境限制时选择性吸收养分的规律[39]。复垦区菌根介导的资源分配使得植物从强吸附的土壤磷源获得磷[24]，菌丝与腐生菌协同增加N获取酶活性热点[22]。从而接菌植被平均N、P回收率增加，减小了恢复植被对贫瘠土壤养分的依赖，缓解了土壤N限制，这也与复垦区AMF支持植被重建改善恢复植被光合作用和生态系统的初级生产力的事实相符。
植被养分利用策略随植被类型不同而有显著差异。叶片养分回收是养分利用策略重要一环，一方面从旧叶中回收养分维持植物体养分水平，一方面向旧叶中补给养分促进枯落叶分解以适应土壤养分的贫瘠加速养分循环[40]。菌根共生和植被类型一起调控植物养分回收，本研究中文冠果叶P回收发生了对照区−38.11%到接菌区21.17%的转变，而野樱桃叶P回收则为对照区3.15%、接菌区-14.59%。AMF的菌根共生增加了文冠果、野樱桃养分水平和生长率，文冠果在菌根下为维持生长率从枯落叶中回收P，而野樱桃在菌根P补给下满足高生长率同时将P补给到枯落叶中促进养分循环。固氮植物紫穗槐和沙棘与菌根共生在氮限制土壤中保持较高的养分回收率和生长速率。
RDA分析表明植物养分回收−土壤养分的耦合关系和AMF在养分循环中的作用。土壤养分与叶片养分回收成正比这与XU等[39]研究中成反比不同，这可能是菌根介导的作用。AMF菌丝的潜在土壤探索效率估计是细根的6倍[21]，而养分贫瘠的土壤不能为恢复植被生长和代谢提供充足的能量供应，在AMF菌根人工接种下菌丝对土壤P大范围吸收和与刺激腐生菌、N循环酶活性和丰度分解TG获取小部分N，影响植物养分分配使植物氮磷比降低，植物生长率增加。进而接菌下叶片提升N、P回收维持较高生长率同时保证交给AMF光合碳充足，但枯落叶中P下降N:P和C:P增加不利于枯落叶分解。而土壤中AMF通过P交换的光合碳又以EEG形式释放改善了土壤养分。土壤养分与养分回收在菌根介导下呈正相关，为AMF支持恢复植被重建改善土壤养分提供了证据。
4. 结 论
1）大柳塔微生物复垦区恢复植被和枯落叶都呈现出高C、P低N的元素格局。叶片氮磷比、养分回收特征，土壤元素实测证明氮是恢复植被生长的限制元素。
2）土壤N养分的缺乏是限制枯落物分解、植物生长和养分循环的重要因素，SOC、P、EEG是影响恢复植物生态化学计量的主要土壤因子。
3）复垦区菌根介导的资源分配增加了植被组织器官氮磷养分、叶片平均N、P回收率，降低了植被的氮磷比且接菌下土壤养分与养分回收正相关。表明菌根共生加速恢复植被生长、提升植物养分水平和稳态、减轻土壤养分限制，支持了复垦区恢复植被的重建和土壤改良。
4）固氮植物紫穗槐和沙棘相较其余植被类型与AMF共生在矿区土壤中适应贫瘠环境保持较高的养分回收率和生长速率，改善土壤养分作用明显。
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图 2 承压水上采场底板沿工作面倾向受力示意图
Figure 2. Schematic diagram of the force on the bottom of the confined water stope along the inclination of the working face
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图 4 带有拉伸破坏的Mohr-Coulomb屈服准则强度包线
Figure 4. Mohr-Coulomb yield criterion strength envelope with tensile failure
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图 8 采场底板深度与垂直应力关系
Figure 8. Relationship between depth of stope floor and vertical stress
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图 10 钻孔1～3的钻孔深度与钻孔漏失量关系
Figure 10. Relationship between drilling depth of drilling holes 1 to 3 and the drilling leakage
表 1 煤层顶底板力学参数
Table 1 Mechanical parameters of coal seam roof and floor
岩性 体积模
量/GPa切变模
量/GPa黏聚力/
MPa抗拉强
度/MPa内摩擦
角/(°)密度/
(kg·m−3）粉砂岩 4.67 4.34 4.67 1.34 39 2 670 中粒砂岩 3.38 3.32 5.00 1.10 40 2 650 细粒砂岩 4.22 4.03 3.98 1.11 39 2 620 砂质泥岩 3.65 3.28 2.25 1.55 38 2 640 5号煤 1.43 0.44 1.52 0.10 28 1 400 石英砂岩 4.54 4.31 4.72 1.21 40 2 660 细砂岩 4.20 4.15 4.58 1.24 39 2 640 6号煤 1.43 0.44 1.52 0.10 28 1 400 砂质泥岩 3.65 3.28 2.25 1.55 38 2 640 细粉砂岩 3.38 3.32 5.00 1.10 40 2 650 K2灰岩 22.6 11.10 3.65 1.71 37 2 090 10号煤 1.43 0.44 1.00 0.10 25 1 400 铝质泥岩 4.86 4.78 4.71 1.51 30 2 620 奥灰岩 8.78 5.23 4.32 1.32 37 2 770 
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表 2 钻孔参数
Table 2 Drilling parameters
孔号 钻孔名称 孔径/mm 倾角/(°) 孔深/m 突变点
深度/m破坏深
度/m1 采前孔 89 20 64 — — 2 采后孔 89 25 64 32 13.52 3 采后孔 89 15 64 52 13.46
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