中部和东北地区（不含蒙东）是我国重要的粮食生产基地，2017年粮食产量和农作物播种面积分别为3.4亿t和0.74亿hm²，分别占全国的51.3%和44.5%^[1]，与此同时，区域内煤炭产量和新形成沉陷土地面积分别为14.2亿t和2.8万hm²，分别占全国的36.4%和42.7%^[2]。采煤沉陷引发了严重的土地损毁和土壤退化，进而影响矿区粮食生产，加剧人地矛盾^[3-5]，这一社会焦点问题在我国中部和东北地区尤为突出。至2020年，我国煤矿新增沉陷土地复垦率要求达到60%以上^[2]。通过适当的土地修整和土壤养分与水分的可持续管理，合理规划，因地制宜采用动态复垦工艺可期实现采煤沉陷区土地复垦改造的最小经济投入目标^[6-7]。

土壤氮、磷和钾养分含量是土壤肥力的重要组成部分，养分的形态和有效性决定了养分被植物根系获取的可能性，是土壤可持续管理的重要依据。与自然坡面不同，由于应力不均, 采煤沉陷坡面土壤表现为非连续性，在坡顶受水平拉伸与垂直压缩张力的影响在表层产生垂直裂缝，在坡底受水平压缩与垂直拉伸张力的影响在亚表层产生空穴土洞^[8-9]，如图 1（左）所示。受新形成坡度和地表裂缝的共同影响，土壤养分随径流发生定向迁移和转化，随着时间的推移，最终形成了沉陷区土壤肥力水平的高度异质性^[10]。淮北砂姜黑土耕地土壤中铵态氮和有效磷含量在塌陷形成初期较对照显著降低，养分流失量达到峰值；土地整理和耕作行为可部分掩盖氮磷流失现象，至塌陷中后期，土壤铵态氮和有效磷较对照无显著差异^[11]。潘三矿沉陷区土壤生物有效性氮含量占全氮的质量分数为0.52%~5.32%，土壤养分含量（有机质、速效钾、全磷和全氮）分布表现出沿沉陷水域周边向外围逐渐递减的变化趋势^[12-13]。在沉陷坡面上，土壤全氮、硝态氮和铵态氮、全磷和有效磷均表现为由高到低依次为坡底凹陷区、坡顶裂缝区、中间坡面区^[14]。随着沉陷深度的增加，耕地土壤养分信息熵和土壤质量指数的变化趋势为先下降后上升，在坡底处反而较对照升高^[15-16]。沉陷区裂缝30~60 cm范围内耕地土壤有效氮和土壤呼吸显著降低，裂缝60~90 cm范围内小麦穗数和产量显著降低^[17]。在采煤沉陷的有裂缝区，耕地和林地的土壤有机碳储量分别较对照降低65%和45%，耕地向林地转变表现为显著（P < 0.05）减缓土壤碳库损失；在无裂缝区，耕地和林地的土壤有机碳储量分别较对照降低14%和23%，耕地向林地转变却表现为一定程度（0.01 < P < 0.10）加剧土壤碳库损失^[18]。相对于东部高潜水位采煤沉陷区^[10-12]，中部和东北地区的地下水水位通常大于最大沉陷深度，坡底一般无积水，复垦土地利用管理具有更大的自由度，而土壤氮、磷和钾养分含量及其有效性研究并不多。在沉陷区的不同土地利用类型上，坡面土壤养分与水分迁移转化作用机理的差异性研究相对不足^[19-20]，进而新复垦土地并不能有效抑制土壤养分的进一步流失，难以整体实现沉陷区土壤的可持续管理。本研究以焦作九里山矿沉陷区的耕地和林地为研究对象，对土壤氮、磷和钾养分的含量和有效性在沉陷坡面和剖面深度上的空间变异性进行对比分析，对于沉陷区合理规划，促进矿区生态环境综合整治的科学决策有重要理论和实践价值。

图 1 低潜水位沉陷坡面土壤的非连续特征（左）与可持续管理（右） Fig. 1 Discontinuity(L)and sustainable management(R)of soil in the subsidence slope low in phreatic water level

焦作九里山矿位于焦作市东北18 km（39.34°N，113.42°E），海拔97 m，属太行山山前平原冲洪积扇的边缘地带，总体地形平坦，地面坡度小于0.5°。矿区年均气温14.2℃，年均降水量578 mm，年均蒸发量993 mm^[21]，年均日照时数2 062 h，是全国粮食高产区之一。矿区主要土地利用类型为耕地，占比78.2%，以冬小麦-夏玉米（大豆或花生）为作物；建筑道路工矿用地占比19.5%；林地以速生杨为主，占比2.3%。表土为石灰性褐土，质地为壤土-黏壤土，土体深厚（13~45 m），地下水埋深为15 m左右。

位于矿区东北角的沉陷坑直径超过800 m，深度为6.5 m，2000年开始沉陷，2005年后达到初步稳定，是典型的平原型采煤沉陷坑。坑内及周边以种植冬小麦-夏玉米为主，年均施肥量：化肥N 200 kg·hm^-2，P 30 kg·hm^-2，有机肥约10 t·hm^-2。从坑中心到东侧边缘有一带状270 m×10 m速生杨次生林，为沉陷初期由耕地变更成，种植密度3.0 m×1.5 m，林龄18 a，胸径15~38 cm。林下生长小叶槐（Sophora microphylla）、酸枣（Ziziphus jujuba Mill.）、构树（Broussonetia papyrifera）和柽柳（Tamarix chinensis Lour.）等灌木，黄花蒿（Artemisia annua Linn.）等杂草。从坑中心到边缘自西向东每隔40 m共布置5个土壤采样点，分别对应中心、坡底、坡中、坡顶和对照（距沉陷坑东侧边缘基准点沉降0.4 m，因其地面坡度小于1°且无裂缝分布，将其视作为对照），距林地北侧60 m，等高布置对应的5个耕地采样点，如图 2所示。土壤采样点具体信息见表 1。

注：左图为河南省九里山矿边界；右图为采样点布置方案。  Note:Left:Boundary of the Jiulishan mine in Henan Province; Right:Layout of the soil sampling points. 图 2 采样点位置概况图 Fig. 2 Overview of the location of the sampling points

表 1 Table 1

表 1 土壤采样点基本情况 Table 1 Basic information of the soil sampling sites 坡位 Slope position 距中心距离 Distance from center /m 海拔 Altitude/m 坡度 Slope gradient/° 裂缝分布1） Crack distribution 中心 Center 0 90.53 2.18 无裂缝No crack 坡底 Bottom 40 92.06 3.24 裂缝和土洞Cracks and holes 坡中 Middle 80 94.33 1.61 裂缝大量分布Distribution of a large number of cracks 坡顶 Top 120 95.45 1.38 少量长裂缝A small amount of long fissures 对照 Control 160 96.41 0.59 无裂缝No crack 注：1）此列为林地裂缝分布；耕作行为导致耕地裂缝表观不明显。Note：1）This column indicates distribution of cracks in forest land；Cracks in the cultivated land caused by tillage are inconspicuous.

表 1 土壤采样点基本情况 Table 1 Basic information of the soil sampling sites

土壤样品采集于2015年4月份，采样日的7 d前刚经历一场中雨。单个采样点的1 m范围内平均布置5个钻孔，钻孔避开裂缝且距离树干大于0.5 m，用直径38 mm土钻，每10 cm一层，共采集5个土壤层（0~10、10~20、20~30、30~40、40~50 cm），单个采样点同层的5个钻孔土壤混合，剔除石块和植物根系，再通过2 mm筛，采用四分法形成1个土壤样品。共采集50个土壤样品。取100 g鲜土密封后冰箱内冷冻保存，用于测量土壤有效氮。

取1 kg样品风干后密封保存。取风干土100 g，研磨，通过80目筛后密封保存，用于测量土壤全氮（KMnO₄+Fe（Ⅱ）+H₂SO₄消解-凯氏定氮法^[22]）、全磷（NaOH熔融-钼锑抗比色法^[22]）、全钾（NaOH熔融-火焰原子吸收法^[22]）、有效磷（NaHCO₃浸提-钼锑抗比色法^[22]）和速效钾（NH₄OAc浸提-火焰原子吸收法^[22]）。另取1（±0.001）g风干土3份采用重量法测量风干土含水率^[22]。

土壤的热水提取物作为一个标准的、敏感的土壤质量指示指标，可反映土壤有效态养分的组成^[23]，本文采用热盐水提取氮作为土壤有效氮。具体步骤为：取30（±0.001）g鲜土置于300 mL三角瓶中，加入150 mL的100 g·kg^-1氯化钠溶液（70℃），振荡30 min，静止18 h后将上清液通过0.45 μm微孔滤膜过滤，冰箱4℃保存滤液。分别取合适体积液体测试总氮（过硫酸钾消解-分光光度法^[24]）、铵态氮（纳氏比色法^[24]）、硝态氮（酚二磺酸分光光度法^[24]）。溶解性有机态氮（DON）等于液体总氮减去铵态氮（$\text{NH}_{\text{4}}^{\text{+}}-\text{N}$）和硝态氮（$\text{NH}_{\text{3}}^{\text{-}}-\text{N}$）含量。另取5（±0.01）g鲜土3份采用重量法测量鲜土含水率^[22]。

土壤养分测量结果用含水率校正为干基养分含量。

土壤养分有效性等于有效态养分含量占对应全量养分含量的百分比，文中AN/TN、AP/TP和AK/TK分别用于表示土壤氮、磷和钾有效性。

采用SPSS Statistics 17.0软件的一般线性模型（GLM）单变量-主效应模型进行土壤全氮、全磷、全钾、有效氮、有效磷和速效钾含量在土地利用类型（耕地和林地）、沉陷坡位（中心、坡底、坡中、坡顶和对照）和土壤剖面（0~10、10~20、20~30、30~40、40~50 cm）3个因素的基于估算边际均值间线性独立成对比较。同土壤层（或坡位）土壤理化指标在不同土壤利用类型（耕地和林地）的差异分析采用SPSS中配对样品T检验模型。数据变异性小于10%为弱变异；10%~30%为中等变异；大于30%为强变异^[25]。

沉陷区土壤全氮、磷和钾含量如表 2所示。土壤全氮、磷和钾含量分别处于4级偏低（0.75~1.0 g·kg^-1）、2级丰富（0.8~1.0 g·kg^-1）和3级正常（15~20 g·kg^-1）水平^[26]，整体变异性由大到小依次为：全氮（41%）、全磷（19%）、全钾（4%），分别为强变异、中等变异和弱变异。林地土壤全磷含量较耕地显著（P < 0.001）降低0.17 g·kg^-1，而全氮和全钾含量在2种土地利用类型间无显著差异。在沉陷坡位上，与对照相比，其他点位全磷含量均显著（P < 0.01）降低14.7%~17.6%；全钾含量仅在中心点位有显著（P < 0.01）降低，降低幅度为5.8%。在土壤剖面层上，全氮和全磷表现为显著（P < 0.001）的表层聚集效应，而全钾却表现为一定的表层降低。表层0~10 cm土壤全氮、磷和钾含量分别为深层40~50 cm的2.64倍、1.36倍和96%。

表 2 Table 2

表 2 沉陷区土壤全量和有效态养分含量 Table 2 Contents of total and available nutrients in the soil of the subsidence area 项目Item 全氮 Total N/ （g·kg-1） 全磷 Total P/ （g·kg-1） 全钾 Total K/ （g·kg-1） 有效氮 Available N/ （mg·kg-1） 有效磷 Available P/ （mg·kg-1） 速效钾 Available K/ （mg·kg-1） 土地利用类型 Type of land use 耕地 Cultivated land 0.792±0.269a 0.982±0.187a 15.15±0.54a 13.39±11.28a 12.42±12.06a 51.06±7.19b 林地Forest land 0.823±0.386a 0.812±0.096b 14.93±0.72a 15.93±8.72a 3.99±3.24b 62.50±18.63a F值 F valuea） 0.596 35.74 1.773 1.803 25.60 21.07 显著性P  Sig. P 0.445 < 0.001 0.191 0.187 < 0.001 < 0.001 沉陷坡位 Subsidence slope position 中心 Center 0.897±0.365a 0.899±0.171b 14.39±0.59b 21.84± 8.26a 6.23±7.18a 59.94±14.71a 坡底 Bottom 0.778±0.314a 0.849±0.130b 14.91±0.74a 15.39±13.64b 6.53±6.62a 57.21±12.35a 坡中 Middle 0.752±0.334a 0.890±0.132b 15.16±0.58a 14.06±10.16b 9.08±10.15a 55.79±13.74a 坡顶 Top 0.807±0.435a 0.861±0.151b 15.36±0.53a 10.70±7.76b 10.06±14.02a 55.13±17.96a 对照 Control 0.797±0.322a 1.030±0.249a 15.27±0.57a 11.34±6.68b 8.41±9.45a 57.98±20.27a F值  F valuea） 1.109 5.092 4.704 4.423 0.895 0.348 显著性P  Sig. P 0.366 0.002 0.003 0.005 0.476 0.844 土壤剖面层 Layer of soil profile 0~10 cm 1.308±0.272a 1.043±0.194a 14.80±0.69b 25.94±11.48a 19.15±11.63a 76.90±21.42a 10~20 cm 0.942±0.120b 0.964±0.160ab 14.90±0.74b 19.02±8.06b 13.47±9.56b 54.06±8.05b 20~30 cm 0.718±0.110c 0.905±0.118b 15.15±0.46ab 10.55±4.30c 5.15±3.69c 51.92±5.88b 30~40 cm 0.574±0.089cd 0.806±0.107c 15.42±0.62a 9.04±6.87c 1.95±1.20c 50.25±6.29b 40~50 cm 0.496±0.101d 0.766±0.105c 14.95±0.62ab 8.76±5.76c 1.30±0.54c 50.79±8.46b F值 F valuea） 44.82 12.50 2.204 12.84 19.54 12.76 显著性P  Sig. P < 0.001 < 0.001 0.086 < 0.001 < 0.001 < 0.001 注：同列相同字母表示同一因素内不同水平间无显著性差异；a）该检验基于估算边际均值间的线性独立成对比较。Note：The same letters in the same factor column mean insignificant difference between different levels（Duncan，P=0.05）. a）The test is based on linear independent paired comparison of the estimated marginal mean values.

表 2 沉陷区土壤全量和有效态养分含量 Table 2 Contents of total and available nutrients in the soil of the subsidence area

如表 2所示，沉陷区土壤有效氮、磷和钾含量整体变异性由大到小依次为：有效磷（118%）、有效氮（69%）、速效钾（27%），分别为强变异、强变异和中等变异。林地土壤有效磷含量较耕地有显著（P < 0.001）下降，下降比例为68%；而林地土壤速效钾含量较耕地有显著（P < 0.001）升高，升高比例为22%；有效氮含量在2种土地利用类型间无显著差异。在沉陷坡位上，与对照相比，有效氮含量仅在中心点位有显著（P < 0.01）升高，升高比例为93%，且整体上随着沉陷深度的增加而增加，在坡底和中心处快速积累。在土壤剖面层上，有效氮、磷和钾均表现为显著（P < 0.001）的表层聚集效应，表层0~10 cm土壤有效氮、磷和钾含量分别为深层40~50 cm的2.96倍、14.7倍和1.51倍。

从有效氮的组成来分析（图 3），林地铵态氮含量较耕地显著（P < 0.05）升高4.97 mg·kg^-1，硝态氮和有机态氮在两种土地利用类型间均未达到显著差异。随着沉陷深度的增加，耕地土壤溶解性有机态氮积累的程度线性增加，坡中、坡底和中心处溶解性有机态氮含量分别为对照处的8倍、16倍和20倍；林地土壤铵态氮仅在中心处有明显积累，相对对照增加89%。在土壤剖面层上，溶解性有机态氮在耕地表层0~10 cm和10~20 cm均有明显的积累效应，而仅在林地表层0~10 cm有明显的积累效应，分别为对应深层40~50 cm土壤的4.14倍、6.38倍和9.00倍。与表层0~10 cm相反，亚表层和深层土壤铵态氮含量在林地较耕地有显著（P < 0.05）升高。

图 3 沉陷区土壤有效氮组成的差异性（左图为耕地，右图为林地） Fig. 3 Differences in the composition of soil available nitrogen between cultivated land(L)and forest land(R)

沉陷区土壤氮、磷和钾有效性的空间变化趋势如图 4所示。除30~40 cm土层外，氮有效性在耕地和林地间均无显著性差异。在对照处，林地土壤氮有效性显著（P < 0.05）高于耕地，前者约是后者的2.7倍。随着沉陷深度的增加，耕地土壤氮有效性在所有土层均表现为明显增加趋势，在坡底或中心处达到最大值，为对照的2.2倍~3.7倍；林地土壤氮有效性仅在表层表现出随沉陷深度的轻微增加趋势，在40~50 cm土层反而呈明显减小趋势。在土壤剖面上，氮有效性在耕地和林地均无明显表层聚集效应。

注：P值表示耕地和林地同一土壤层养分有效性配对T检验概率；AN/TN、AP/TP和AK/TK分别表示土壤氮、磷和钾的有效性。  Note:P stands for probability of the paired T-test of soil nutrient availability in the same soil layers of the cultivated land and forest land; AN/TN, AP/TP and AK/TK indicate soil available N, P and K versus total N, P and K, respectively. 图 4 沉陷坡面土壤养分有效性的空间变化趋势 Fig. 4 Trends of the spatial variation of soil nutrient availability in the subsidence slope

与耕地相比，林地磷有效性在各土壤层均偏低，在表层0~30 cm均达到显著（P < 0.05）水平。随着沉陷深度的增加，林地磷有效性在表层0~20 cm略呈增加趋势；而耕地在所有土壤层均呈降低趋势，在表层0~20 cm降低幅度最大，中心处最小值较坡顶处最大值显著（P < 0.05）降低1.55%~1.85%。在土壤剖面上，耕地磷有效性表层聚集效应明显大于林地，耕地和林地表层0~10 cm磷有效性分别为对应深层40~50 cm的14倍和6.3倍。

与耕地相比，林地钾有效性在各土壤层均偏高，在表层0~10 cm和深层30~40 cm达到显著水平，升高幅度分别为0.25%（P < 0.01）和0.07%（P < 0.05）。随着沉陷深度的增加，钾有效性在耕地表层0~20 cm和林地深层30~50 cm均呈增加趋势。在土壤剖面上，林地钾有效性表层0~10 cm聚集效应明显大于耕地，林地和耕地表层0~10 cm钾有效性分别为对应深层40~50 cm的1.7倍和1.3倍。

通常情况下，耕地改为林地后，生态系统氮输入途径由施氮肥为主转为氮沉降为主，系统由氮盈余状态逐渐转向氮限制状态，土壤微生物和植物对土壤氮的转化利用效率会增加，土壤氮的矿化潜势和硝化潜势增加^{[14, 23]}，土壤氮有效性升高。本研究对照处，林地土壤氮有效性为耕地的2.7倍（图 4），并且增加的有效氮含量以铵态氮和溶解性有机态氮为主，硝态氮占比下降（图 3）。然而，沉陷区土壤全氮、有效氮含量和氮有效性在耕地和林地间并无显著差异（表 2）。这主要是由于随着沉陷深度的增加，耕地溶解性有机态氮含量线性增加，土壤有效氮含量和氮有效性因此增加，在坡底或中心处，氮有效性反而超过林地。这种沿沉陷坡度逐渐增强的土壤氮激发效应，侧面反映了耕地生态系统对外源施入氮肥的利用效率降低，颗粒态铵态氮^[11]和溶解性有机态氮可能是耕地地表径流氮流失的主要形态。在土壤剖面上，有效态氮在耕地0~20 cm和林地0~10 cm的表层聚集效应反映了土壤氮矿化潜势和硝化潜势明显高于其他土壤层，这与沉陷区土壤有机质的剖面特征相类似^[10]。

沉陷区由耕地改为林地后，生态系统磷输入流可完全忽略，而磷在林木体内蓄积增加了对原有土壤磷库的持续消耗^[27]，林地土壤全磷含量、有效磷含量和磷有效性均较耕地有显著（P < 0.001）降低，降低幅度分别为0.17 g·kg^-1、8.43 mg·kg^-1和0.68%（表 2和图 4）。在沉陷坡面上，与对照相比，其他点位全磷含量均显著（P < 0.01）降低14.7%~17.6%，表明采煤沉陷导致的坡度增加引起了地表径流磷流失量增加，颗粒吸附态磷可能是主要流失形态^[11]。裂缝的垂直截留作用会削弱林地地表径流磷流失，林地中间坡面区0~10 cm土层全磷含量较其对照处升高0.11 g·kg^-1；耕作行为对裂缝的封堵反而会促进耕地地表径流磷流失，坡面上0~10 cm土层全磷含量反而较耕地对照处降低0.19 g·kg^-1。与Tripathi等^[14]的研究一致，林地表层土壤有效磷含量和磷有效性在坡底和中心处的凹陷区最大，坡面处最小。与此相反，随着沉陷深度的增加，耕地表层0~20 cm土壤有效磷含量和磷有效性在坡顶处达到最大值，在中心处达到最小值，这与Guo等^[15]的研究中土壤盐分在坡顶富集、有效磷在坡中富集的规律基本一致。尽管裂缝在耕地表观不明显，但仍然会增加土壤氧化还原电位，利于磷的矿化和释放，土壤有效磷含量和磷有效性达到最大值；坡底和中心处形成土洞区或者形成淹水区会降低土壤氧化还原电位，利于磷的闭蓄和固定^[28]，土壤有效磷含量和磷有效性达到最小值。

耕地施用有机肥会产生少量钾输入流，然而与宏大的土壤无机钾库相比则可忽略不计，因此土壤全钾含量在林地和耕地间无显著差异（表 2）。土壤全钾在沉陷区中心处和表层0~20 cm的显著降低现象可解释为土壤有机质对全钾的稀释效应^[29]。与全钾相反，林地土壤速效钾含量较耕地显著（P < 0.001）升高11.44 mg·kg^-1，以及速效钾在土壤剖面有明显表层聚集效应。皮尔森（Pearson）相关分析表明，土壤速效钾含量与有效氮、全氮含量显著正相关（P < 0.01），相关系数分别为0.571和0.748。土壤速效钾含量显著影响土壤反硝化微生物种群的多样性和作物产量^[30]。在沉陷坡面上，耕地钾有效性在坡顶或坡中的裂缝区达到最小值，在坡底或中心处的凹陷区达到最大值，可解释为地表径流的夹带效应使耕地速效钾沿坡面水平流失；林地坡底处土壤钾有效性在表层0~10 cm最低，在深层40~50 cm反而最高，可解释为在坡底土洞区林地速效钾有垂直渗漏发生。

无论是耕地还是林地，目前单一类型的土地利用管理均难以适应沉陷区土壤养分和水分的高空间变异性，在沉陷坡面的不同点位发生明显的土壤养分和水分流失，难以整体实现沉陷区土壤的良性演替。沉陷区土壤的可持续管理就是根据沉陷区土壤养分和水分迁移转化和流失的规律，于沉陷初期在不同坡位选择有利于土壤良性演替的土地利用类型的规划与管理，以降低地下采矿对周围生态环境的不利影响^{[7, 15]}。在我国中部和东北地区的低潜水位沉陷区，土壤养分和土壤水分的运移规律具有一定的交互作用^[18]，空间富集特点和流失途径不完全相同。沉陷坡度引起地表径流增加，会加剧土壤氮、磷和钾养分的地表水平流失；坡面裂缝会阻碍土壤养分的地表水平流失，增加垂直流失风险；土地整理和耕作行为可起到对裂缝的有效封堵，部分掩盖沉陷坡面上土壤氮钾养分和水分的垂直流失^{[11, 31]}。

在沉陷初期，如图 1（左）中断裂角以下的凹陷区快速形成，陷落导致土体疏松，形成土洞空穴，土壤有机质分解加速，土壤水分和有效态养分增加^[32-33]。断裂角以上至坡中处的坡面区发生非形变倾斜，土壤密度增加，导水率下降，形成明显地表径流，携带黏粒和养分流向凹陷区，土壤质地趋向砂化，土壤水分和养分含量迅速降低^[10]。坡中以上区域由于水平拉伸张力的作用形成裂缝区，并逐渐扩展至陷落角边缘，裂缝为土壤水分和养分开辟了垂直流失的途径，耕地表层土壤的氮和钾有效性降低，磷有效性反而增加。根据沉陷区不同坡位土壤养分和水分迁移的特点，分区合理规划，以实现沉陷区土壤的可持续管理。在中间坡面区，最适宜的土地复垦方向是灌木林，丰富的根系能起到良好的水土保持效果，削弱地表径流形成和土壤养分水平流失；在凹陷区，适当土地平整后可发展为经济林或果园，疏松的土壤和充足的养分有利于乔木细根发育^[14]；在坡顶裂缝区，裂缝会引发树木倾倒、断根、细根生物量减少甚至植株死亡现象^[14]，通过等高程造陇、微梯田构造和喷灌设施建设将其改造为高产的耕地或菜园，弱化沉陷坡度对土壤氮、磷和钾养分水平流失的影响，在施用氮肥的同时，适当补充磷钾肥和有机肥。如图 1（右）所示，最终实现采煤沉陷区土地复垦改造的最小经济投入目标。

在我国中部和东北地区典型的低潜水位采煤沉陷区，土壤氮磷钾全量养分和有效态养分含量在土地利用类型、沉陷坡面和土壤剖面3个空间因素上均存在明显的变异性。相对于耕地，林地全磷和有效磷含量显著（P < 0.001）降低，速效钾含量显著（P < 0.001）升高。在沉陷坡面上，耕地土壤氮和钾的有效性在坡底凹陷区最大，而磷有效性在坡顶裂缝区处最大；林地土壤氮、磷和钾的有效性均在坡底凹陷区最大，在中间坡面区最小。耕地土壤溶解性有机态氮和速效钾随地表径流流失，裂缝增加耕地土壤氧化还原电位利于磷的矿化与释放，林地土壤速效钾在坡底凹陷区的垂直渗漏等解释了沉陷区土壤养分有效性的高空间变异性。根据沉陷坡面不同点位土壤养分和水分迁移转化规律，坡顶裂缝区、中间坡面区和坡底凹陷区分别改造为高产的耕地或菜园、灌木林和经济林或果园，以实现低潜水位采煤沉陷区土壤的可持续管理和土地复垦改造的最小经济投入目标。