風沙區(qū)和黃土區(qū)采煤塌陷裂縫對土壤物理性質(zhì)的影響研究

藺 博，黨曉宏,2，高 巖，王 浩，閆 宇

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學 沙漠治理學院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018；2.內(nèi)蒙古杭錦荒漠生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017400)

1 引言

神府—東勝礦區(qū)位于我國蒙晉陜接壤區(qū)能源基地的核心區(qū)。長久以來，我國的煤炭生產(chǎn)消費量位居世界第一，同時我國富煤貧油的能源結構，決定了煤炭在今后相當長時期仍是國內(nèi)的主體能源。我國煤炭的開采方式主要是井工開采，開采的煤炭總量占全國煤炭總量的96%[1]。井工開采會破壞煤層的應力平衡狀態(tài)，導致土壤結構、地形地貌、景觀生態(tài)和生物群落等環(huán)境要素發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的變化[2]。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國井工采煤引起的塌陷總面積已達40 萬hm2[3]。煤炭開采導致地表大規(guī)模沉降并產(chǎn)生大量塌陷坑和地裂縫，進而影響到土壤理化性質(zhì)，持續(xù)的煤炭開采引起的地面沉降會造成損毀耕地的面積不斷增加以及耕地生產(chǎn)力不同程度地下降。然而復墾土壤質(zhì)量的高低直接關系到復墾的成敗和效益，因此開展采煤塌陷對土壤理化性質(zhì)影響的研究具有重要意義，可以為土地復墾工作提供參考。近年來, 已有學者對神府—東勝礦區(qū)大柳塔采空區(qū)土地利用與恢復、土壤包氣帶、復墾土壤質(zhì)量的研究等方面做出探討,但是針對神府東勝煤田的采煤塌陷裂縫區(qū)域造成土壤物理性質(zhì)的研究較少，特別是針對該礦區(qū)風沙土區(qū)域采煤塌陷裂縫對周邊小生境土壤物理性質(zhì)造成的影響研究甚少。本文對該礦區(qū)的大柳塔采空區(qū)(風沙土區(qū))與內(nèi)蒙古上灣鎮(zhèn)(黃土區(qū))采煤塌陷裂縫的土壤物理特性進行了對比研究, 試圖了解不同土壤類型造成的塌陷對土壤物理性質(zhì)影響的規(guī)律, 進而對采煤塌陷對環(huán)境的影響評價提供參考。

多年來，廣大學者和科研工作人員依托國家科技支撐計劃，以我國干旱半干旱的西北等煤炭主產(chǎn)區(qū)的采煤沉陷區(qū)為研究對象，做了大量的基礎研究和相關試驗。臧蔭桐等[4]研究認為凍結前塌陷區(qū)與非塌陷區(qū)含水量差異不明顯，解凍后塌陷區(qū)含水量明顯小于非塌陷區(qū)。郭巧玲等[5]研究說明采煤塌陷區(qū)裂縫在一定程度上破壞土體結構，造成土壤含水量減少，影響土壤水空間分布，造成土壤水分流失，導致生態(tài)退化。吳麗等[6]研究結果表明同一尺度不同深度裂縫處，裂縫寬度對土壤含水率的影響隨深度的增加而減小，在同裂縫同深度情況下，隨著與裂縫距離的增加土壤含水率越高，至2 m后影響不明顯。趙紅梅等[7]研究結果表明，由于采煤塌陷造成塌陷區(qū)土壤層位在垂向上倒置使塌陷區(qū)土壤含水量比非塌陷區(qū)顯著降低。天然含水量作為生態(tài)環(huán)境極其重要因子，關于煤炭開采對其影響的研究很多，通過野外取樣及遙感反演手段分析，均證明開采區(qū)土壤含水量低于非采區(qū)[8～11]。馬迎賓[12]的研究表明，坡面上的采煤塌陷裂縫破壞了坡面原本的完整性, 改變雨后坡面土壤水分的局部分配格局, 增大其附近土層水分的散失，特別是土壤表層水分散失。

容重是土壤的一個基本物理性質(zhì)，能夠綜合反映土壤內(nèi)部質(zhì)量狀況，對土壤入滲性能、持水能力、溶質(zhì)遷移特征以及土壤的抗侵蝕能力都有非常大的影響[13]。劉哲榮等[14]研究表明隨塌陷年限的增加土壤容重呈減小趨勢。王健[15]研究表明，風沙區(qū)塌陷1年、3年區(qū)土壤容重顯著小于非塌陷區(qū)塌陷后期樣地容重與非塌陷區(qū)均無顯著差異。周瑞平[16]研究表明，在水平方向上，塌陷區(qū)土壤容重有不同程度的下降，且塌陷程度越大，土壤容重越低。韓煜等[17]采用對比法系統(tǒng)分析了塌陷區(qū)和未塌陷區(qū)土壤容重的變化特征，結果表明，采煤塌陷使土壤容重減小3.7%～27.5%。包斯琴[18]研究表明，采煤塌陷使土體遭受外力，結構松散發(fā)生變形，導致容重降低，且深層土壤容重降低幅度較大。隨著土層深度增加，孔隙度增加趨勢明顯，80～100 cm層土壤孔隙度由39.02%增加到41.38%。

何金軍等[19]研究認為塌陷區(qū)地表呈砂化趨勢，物理性砂粒含量增加。王琦等[20]研究表明塌陷區(qū)土壤呈粗?；厔?，尤其在表層(0～20 cm)。栗麗等[21]研究表明，采空后1～5年土壤物理性粘粒含量下降，且隨著塌陷年限的延長其影響逐漸加劇。王健等[22]試驗結果表明，與非塌陷區(qū)相比，塌陷區(qū)物理性粘粒含量明顯減少，尤其地表10 cm土層最為顯著。韓振英等[23]結果表明：塌陷區(qū)粗粉粒(0.01～0.05 mm)和中粉粒(0.005～0.01 mm)含量明顯增加(P<0.05)，細黏粒含量(<0.001 mm)顯著減少(P<0.05)。

基于以上背景，本研究選擇神府—東勝礦區(qū)，位于我國蒙晉陜接壤區(qū)能源基地的核心區(qū)(神府—東勝礦區(qū))作為研究區(qū)，目標是探究裂縫寬度對采煤沉陷區(qū)土壤物理性質(zhì)的影響，評價寬度分別為7 cm、32 cm、54 cm與68 cm ，4 種采煤裂縫寬度的土壤機械組成、含水率、容重含量變化，以期為礦區(qū)科學的土地整治與生態(tài)文明礦區(qū)建設提供理論支撐。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)概況

通過野外勘察選擇風沙土和黃土兩種土壤類型的采煤塌陷區(qū)為試驗區(qū)，試驗區(qū)分別位于陜西省神東礦區(qū)大柳塔鎮(zhèn)(風沙土區(qū))與內(nèi)蒙古上灣鎮(zhèn)采煤塌陷區(qū)(黃土區(qū))，處于黃土溝壑丘陵和毛烏素沙地的過渡帶，風水復合侵蝕較強烈，地理坐標為110°05′00″～110°20′00″N， 39°27′00″～39°15′00″E。氣候?qū)儆诟珊蛋敫珊荡箨懶约撅L氣候, 蒸發(fā)量大,年平均氣溫在6.2 ℃，年降水量348.3 mm，降水集中于夏季，占全年降水的70%左右，年平均風速3.6 m/s。地形表現(xiàn)為西北高，東南低，大柳塔區(qū)內(nèi)表現(xiàn)為剝蝕薄層覆沙硬梁地，而上灣區(qū)內(nèi)大部分屬于沙黃土丘陵地貌。試驗區(qū)地帶性土壤主要為黃土性土壤、風沙土、栗鈣土等，砂粒含量多，物理性粘粒含量少，結構松散，抗蝕性差，蓄水保墑能力差。試驗區(qū)位于草原和森林-草原過渡地帶，主要植被類型為沙漠草原、落葉闊葉灌叢和沙生植被，主要植被有油蒿(Artemisiaordosica)、沙竹(Psammochloavillosa)、沙米(Agriophyllumpungens)、蟲實(corispermum.heptapotamicum)、沙柳(Salixpsammophila)等，植被覆蓋度低，一般小于30%，呈零星分布。

2.2 試驗方法

在風沙區(qū)和黃土區(qū)選擇較為典型的塌陷穩(wěn)定區(qū)域，分別選取規(guī)模、坡位相似的采煤塌陷裂縫， 為了避免其他裂縫影響， 選取的坡面在垂直等高線方向上除所選定的裂縫以外， 無其他裂縫，且在裂縫兩端水平外延5 m范圍內(nèi)亦無其他裂縫存在，測定其裂縫的寬度和深度。按照0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、>60 cm分別將裂縫寬度分為4個梯度。本次勘探中，選取2種土壤類型下野外原位測量的采煤塌陷裂縫寬度分別為7 cm、32 cm、54 cm和68 cm，在距裂縫同一側(cè)0 m、1 m、3 m和5 m處，按0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm、40～60 cm進行分層取樣，本次試驗共布設采樣區(qū)32 個，土壤樣品384 個。

土壤含水量(w)采用烘干法，土壤容重(BD)采用環(huán)刀法測定，土壤機械組成采用比重法測定。為了方便研究及試驗結果分析，分別對比研究裂縫在不同土壤類型區(qū)域、不同深度及不同測定樣點的土壤水分變化。采用Excel軟件對數(shù)據(jù)進行整理及描述統(tǒng)計分析。

3 結果與分析

3.1 采煤塌陷區(qū)不同裂縫周邊土壤含水量變化

由圖1可知，在風沙土區(qū)0～10 cm土層深度，當裂縫寬度為7和68 cm時，距裂縫處0、1、3和5 m的含水率表現(xiàn)為在土壤剖面表層隨著距裂縫寬度的增加，土壤含水量逐漸減小的趨勢；當裂縫寬度為32和54 cm時，距裂縫各寬度的土壤含水率在0～10 cm土層含水量變化明顯，距土壤裂縫3 m的土壤含水率顯著均低于其他土層，分別為0.62%和0.31%，而最大值位于距測定樣點1 m處分別為最大值2.23%和1.09%；在風沙土區(qū)10～20 cm土層深度，當裂縫寬度為7 cm時，土壤含水量變化趨勢與0～10 cm土層相一致；當裂縫寬度為32 cm時，各樣點土壤含水率分別為3.97%、2.95%、4.49%和3.27%；同樣當裂縫寬度為54 cm時，土壤剖面距裂縫處0 m處的含水量表現(xiàn)為最大值，而在距裂縫處3 m處為最小值，分別為4.43%、2.16%；當裂縫寬度為68 cm時，土壤剖面距裂縫處5 m處的含水量表現(xiàn)為最大值4.48%，而最小值在距裂縫處0 m處為2.29%。在風沙土區(qū)20～40 cm土層深度，當裂縫寬度為7 cm、32 cm和68 cm時，土壤含水率表現(xiàn)為隨著土壤剖面距裂縫處距離增加而減少的趨勢；當裂縫寬度為54 cm時，土壤剖面距裂縫處0 m處的含水量表現(xiàn)為最大值7.14%，在距裂縫處5 m處表現(xiàn)為最小值3.53%。在風沙土區(qū)40～60 cm土層深度，當裂縫寬度為7 cm、32 cm、54 cm和68 cm時，土壤含水率在各樣點均表現(xiàn)為隨裂縫寬度的增加而減小的趨勢。因此，風沙土在0～60 cm土層，距各裂縫寬度0、1 m、3 m和5 m處，土壤含水率整體表現(xiàn)為隨著土壤剖面距裂縫處距離增加而減少的趨勢；當裂縫寬度一致時，土壤含水率整體表現(xiàn)為，隨著土層深度的增加，土壤含水率逐漸增加的趨勢，其中，當裂縫深度為54 cm時，各土層土壤含水率的變化幅度最明顯。

圖1 兩種土壤類型下不同裂縫周邊土壤含水量變化曲線

在黃土區(qū)0～10 cm土層深度，當裂縫寬度為7 cm時，距裂縫處0、1、3和5 m的含水量分別為9.12%、5.62%、5.35%和3.97%，表現(xiàn)為隨著距裂縫寬度的增加，土壤含水量逐漸減小的趨勢；當裂縫寬度為32 cm時，距裂縫寬度為1 m時的土壤含水率在0～10 cm土層含水率顯著低于其它土層，為5.57%，而距裂縫0 m時的土壤含水率為20.37%，為最大值；當裂縫寬度為54 cm時，各樣點土壤含水率變化為先減少后增加的趨勢，土壤含水率變化依次為18.11%、10.93%、17.32%和18.37%；當裂縫寬度為68 cm時，距裂縫處0、1、3和5 m的土層含水量分別為4.91%、15.04%、10.22%和15.85%，土壤含水率變化無明顯趨勢；在黃土區(qū)10～20 cm土層深度，當裂縫寬度為7 cm時，距裂縫處0、1 m、3 m和5 m的含水量分別為20.45%、18.81%、14.31%和4.44%，呈現(xiàn)出逐級遞減的趨勢；當裂縫寬度為32 cm時，各樣點土壤含水率變化范圍為19.30%～20.54%，土壤含水率差別不大；當裂縫寬度為54 cm時，土壤剖面距裂縫處5 m處的含水量表現(xiàn)為最大值19.78%，而在距裂縫處0 m處為最小值18.63%；當裂縫寬度為68 cm時，土層含水量分別為4.44%、8.63%、5.35%和23.20%；在風沙土區(qū)20～40 cm土層深度，當裂縫寬度為7 cm時，土壤含水率表現(xiàn)為隨著土壤剖面距裂縫處距離增加而減少的趨勢，由22.43%減少至5.01%，距裂縫寬度0、1 m、3 m的土壤含水率無顯著差別；當裂縫寬度為32 cm時，土壤各層含水率呈現(xiàn)遞減趨勢；當裂縫寬度為54 cm時，土壤剖面距裂縫處0 m處的含水量表現(xiàn)為最小值12.14%，其余樣點無顯著差異；當裂縫寬度為68 cm時，土壤含水率分別為5.08%、4.94%、13.92%和20.34%。在風沙土區(qū)40～60 cm土層深度，當裂縫寬度為7 cm時，各樣點土壤含水率分別為19.83%、13.02%、25.16%和20.15%；當裂縫寬度為32 cm時，各樣點土壤含水率表現(xiàn)為逐漸降低的趨勢，無顯著差異；當裂縫寬度為54 cm時，各樣點土壤含水率變化與裂縫寬度為32 cm表現(xiàn)趨勢相一致；當裂縫寬度為68 cm時，各樣點土壤含水率分別為3.06%、2.86%、9.81%和20.48%。從土壤剖面來看，土壤含水率整體表現(xiàn)為隨著土壤剖面距裂縫處距離增加而減少的趨勢。從組間來看，土壤含水率整體表現(xiàn)為，隨著裂縫寬度的增加而減少的趨勢。在黃土區(qū)當裂縫寬度一致時，土壤含水率整體變化趨勢無明顯規(guī)律，這可能與黃土區(qū)土壤的機械組成有關。

3.2 采煤塌陷區(qū)不同裂縫周邊土壤容重變化

由圖2可知，在風沙土區(qū)0～10 cm土層深度，當裂縫寬度為7 cm時，表現(xiàn)為在土壤剖面表層隨著距裂縫寬度的增加，土壤容重逐漸減小的趨勢；當裂縫寬度為32 cm時，各樣點土壤容重分別為1.98、1.12、1.97和1.13；當裂縫寬度為54 cm時，距測定樣點5 m的容重表現(xiàn)為最大值1.84，而距測定裂縫0 m的容重表現(xiàn)為最小值1.03；當裂縫寬度為68 cm時，距裂縫處0、1、3和5 m的容重分別為1.39、1.62、1.91和1.32，在0～10 cm土層，采煤塌陷風沙土裂縫區(qū)土壤容重整體表現(xiàn)為隨著距離裂縫寬度距離的增加，土壤容重逐漸減小的趨勢。在10～20 cm土層，當裂縫寬度為7 cm和68 cm時，距裂縫處0、1 m、3 m和5 m的容重無明顯規(guī)律；當裂縫寬度為32 cm和54 cm時，各樣點土壤容重表現(xiàn)為隨裂縫寬度增加而減少的趨勢，最大值均為距裂縫0 m處。在沙土區(qū)20～40 cm土層深度，當裂縫寬度為7 cm、32 cm、54 cm時，土壤容重表現(xiàn)為隨著土壤剖面距裂縫處距離增加而減少的趨勢；而當裂縫寬度為68 cm時，土層容重分別為1.13、1.89、1.35和1.51，各樣點未呈現(xiàn)明顯規(guī)律；在風沙土區(qū)40～60 cm土層深度，當裂縫寬度為7 cm時，土壤容重在各樣點分別為1.21、1.11、1.27和1.99；當裂縫寬度為32 cm、54 cm和68 cm時，各樣點土壤容重隨裂縫寬度的增加而減少，但各樣點間土壤容重的差異性不大。當裂縫寬度一致時，土壤容重整體表現(xiàn)無明顯規(guī)律。

圖2 兩種土壤類型下不同裂縫周邊土壤容重變化曲線

在黃土區(qū)0～10 cm土層深度，當裂縫寬度為7 cm時，距裂縫處0、1 m、3 m和5 m的容重分別為1.49、1.63、1.74和1.71，表現(xiàn)為在土壤剖面表層隨著距裂縫寬度的增加，土壤容重逐漸減小的趨勢；當裂縫寬度為32 cm時，各樣點土壤容重分別為1.70、1.72、1.75和1.64，當裂縫寬度為54 cm時，距測定樣點1 m的容重表現(xiàn)為最大值1.71，而距測定裂縫5 m的容重表現(xiàn)為最小值1.51；當裂縫寬度為68 cm時，距裂縫處0、1 m、3 m和5 m的容重分別為1.58、1.61、1.63和1.71，在黃土區(qū)10～20 cm土層，各裂縫寬度下，各樣點土壤容重與風沙土區(qū)表現(xiàn)一致；在沙土區(qū)20～40 cm土層深度，各裂縫寬度下，土壤容重整體表現(xiàn)為隨著土壤剖面距裂縫處距離增加而減少的趨勢；在風沙土區(qū)40～60 cm土層深度，土壤容重在各樣點隨裂縫寬度的增加而呈現(xiàn)處先增加后減少的趨勢，但各樣點間土壤容重的差異性不大。當裂縫寬度一致時，土壤容重整體表現(xiàn)無明顯規(guī)律。

3.3 采煤塌陷區(qū)不同裂縫周邊土壤機械組成變化

在實驗室選取>0.25 mm、0.125～0.25 mm、0.075～0.125 mm、0.03～0.075 mm、<0.03 mm的篩子對土樣進行篩取，結合卡欽斯基粒級制和中國粒級制，將土壤機械組成劃分為砂粒(粒徑>0.25 mm)、砂粒(粒徑在0.01～0.25 mm范圍)和粘粒(粒徑小于0.01 mm)進行研究。

由圖3可知，在各測樣點，砂粒含量均占據(jù)主導地位，各樣點土壤機械組成中砂粒含量均大于65%，在風沙土和黃土中，砂粒平均最大含量均位于距裂縫寬度0 m處，而砂粒平均最小含量分別位于距最大裂縫3 m和5 m處；但在各測樣點處，風沙土和黃土粘粒含量變化范圍分別為13.38%～26.79%、13.13%～26.56%，變化幅度較大，但當裂縫寬度一致時，粘粒含量在各土層間未表現(xiàn)出明顯規(guī)律；而各測樣點土壤機械組成中的粉粒含量均低于11.49%。在各測樣點土壤機械組成中，砂粒、粘粒、粉粒的比例大體表現(xiàn)為7∶2∶1，整體上來看，土壤機械組成表現(xiàn)出采煤塌陷區(qū)土壤物理性質(zhì)整體質(zhì)量較差。

圖3 采煤塌陷裂縫寬度對土壤機械組成的影響

4 討論

本次研究發(fā)現(xiàn)在風沙區(qū)土壤塌陷裂縫寬度對土壤水分、容重和機械組成有明顯的影響，這與崔向新、趙宏宇等研究結果較為相似，研究表明礦區(qū)地表的破壞程度與裂縫發(fā)育的寬度有極大關系[17,18]。本試驗中將采煤塌陷裂縫對土壤水分、容重、機械組成影響范圍，主要集中在距裂縫1～5 m處，整體表現(xiàn)為隨著裂縫寬度的增大，土壤的含水量減少、容重增大、機械組成變得更加粗糙。由于研究區(qū)位于干旱區(qū)，因此土壤水分是采煤塌陷區(qū)后期植被恢復的一項重要的因素，采煤塌陷區(qū)的裂縫分布又較廣，而據(jù)研究裂縫又對土壤含水量存在著影響，因此本研究可以為后期植被恢復中的集水、保水等措施提供理論支持。本文關于采煤塌陷區(qū)裂縫對土壤水分的影響研究，只從空間分布(水平方向和垂直方向)的角度進行了不同寬度塌陷裂縫對土壤含水量的影響研究，但缺乏了對植物種類的調(diào)查研究，因此在后期的研究中應加入植物的調(diào)查研究，找出適合在采煤塌陷區(qū)生存的植物，為后期植被恢復做出貢獻。如何量化地表破壞程度等級，探究地表破壞程度等級與土壤物理性質(zhì)關系的研究還有待深入。同時應加強在裂縫走向、時間角度、降水過程及降水完成后對土壤物理性質(zhì)的影響研究。

5 結論

(1)從塌陷區(qū)裂縫土壤剖面來看，土壤含水率整體表現(xiàn)為隨著土壤剖面距裂縫處距離增加而減少的趨勢；同時土壤含水率整體表現(xiàn)為隨著裂縫寬度的增加而減少的趨勢，但在黃土區(qū)當裂縫寬度一致時，土壤含水率整體變化趨勢未表現(xiàn)出較為明顯的規(guī)律，這可能與黃土區(qū)土壤的機械組成有關。

(2)土壤容重整體表現(xiàn)為距裂縫處距離增加增大的趨勢；同時表現(xiàn)出隨著裂縫寬度的增加而減少的趨勢，但在土壤剖面上仍需增加進一步的細化研究。

(3)采煤塌陷區(qū)，土壤機械組成中砂粒、黏粒、粉粒的比例大體表現(xiàn)為7∶2∶1，其中，砂粒含量均占據(jù)主導地位，均大于65%，但其含量在風沙土和黃土中表現(xiàn)出一定的差異；而黏粒含量在風沙土和黃土中分別為13.38%～26.79%、13.13%～26.56%，變化幅度較大；粉粒含量均低于11.49%。整體上來看，土壤機械組成表現(xiàn)出采煤塌陷區(qū)土壤物理性質(zhì)整體質(zhì)量較差。