神府矿区采煤塌陷裂隙对坡面土壤水分及植被生长状况的影响

李 超, 刘文兆.2, 宋晓强

(1.西北农林科技大学 水土保持研究所, 陕西 杨凌 712100;2.中国科学院 水利部 水土保持研究所, 陕西 杨凌 712100; 3.陕西省水土保持局, 陕西 西安 710004)

神府矿区采煤塌陷裂隙对坡面土壤水分及植被生长状况的影响

李 超1, 刘文兆1.2, 宋晓强3

(1.西北农林科技大学 水土保持研究所, 陕西 杨凌 712100;2.中国科学院 水利部 水土保持研究所, 陕西 杨凌 712100; 3.陕西省水土保持局, 陕西 西安 710004)

[目的] 探究采煤塌陷裂隙(塌陷发生2 a之后)对坡面土壤水分和植被影响的过程与特征，为采煤塌陷区域植被恢复与生态环境重建提供理论支持。 [方法] 通过对神府矿区采煤塌陷产生的裂隙两侧的土壤容重，土壤水分以及植被状况进行调查分析开展研究。 [结果] (1) 采煤塌陷裂隙的出现会导致周边土壤松动，致使土壤容重降低。(2) 在裂隙走向与坡向呈直角或接近直角的情况下，裂隙的出现阻隔了正常的坡面径流，裂隙下方由于接受径流变少而导致水分状况变差，裂隙对于坡面土壤水分的影响大约在裂隙下方3 m的范围内；在裂隙两壁处，由于裂隙而出现新的表土面，该处的蒸发效应强烈，裂隙坡面的土壤含水量低于无裂隙坡面 (3) 裂隙坡面植被的地上生物量较无裂隙坡面低，且越远离裂隙，地上生物量恢复程度越高。 [结论] 在不考虑其他因素的影响下，裂隙的出现会使裂隙处以及下部坡面水分状况变差，进而会对植被生长产生抑制作用。

矿区塌陷; 土壤水分; 地上生物量; 坡地; 神府矿区

煤炭是中国的基础能源，中国95%以上的煤炭开采为井工开采方式[1]。随着煤炭资源的大规模开发,与煤炭资源开采有关的环境地质问题日趋严重,不仅威胁矿区土地资源的安全，还引发了一系列的生态环境问题[2]。尤其是井采煤矿所造成的地面塌陷,已成为矿区危害范围广,危害程度大,延续时间长的一种环境地质灾害。采煤塌陷是指地下煤层开采形成采空区，采空区上部岩层在重力以及其他应力作用下发生冒落。冒落后,使得地表发生变形、破坏,形成一系列裂隙、塌落和地面沉陷等土地破坏[3]。神府煤田是中国西部战略能源基地,煤炭储量巨大,但自矿区正式开采以来,不断有塌陷发生,再加上该区煤层埋藏浅,只有40～100 m,煤层顶板基岩厚度变化较大,一般为20～40 m,局部只有几米。基岩上部即为富水的萨拉乌苏组含水层,且与煤层分布一致,因而采煤塌陷势必对水环境产生影响[4]。采煤塌陷使地表产生大量垂向裂隙或裂缝，这些裂隙不仅会增加土壤蒸发面和蒸发强度[5-7]，还会改变地表径流过程及方向，以优先流的形式入渗地下。从而改变坡面土壤中的水分分布状况，影响到植物生长。神府煤田开采中，如何防止塌陷发生，改造和利用塌陷后的微地面形态[3,6]，减弱塌陷对生态环境，包括地表植被的负面影响成为普遍关注的重要问题。本研究选取神府矿区采煤塌陷在地面形态改变上最突出的裂隙现象，调查测定其对土壤水分空间分布状况及土壤容重的影响，进而分析其与植被生长状况的关系，为采煤塌陷区域植被恢复与生态环境重建提供理论帮助。

1 试验区概况

试验地位于陕西省神木县，为典型的生态脆弱区。属于半干旱大陆性季风气候区，冬季干旱少雨，夏秋多雨，年均降水量437.4 mm，其中70%以上的降水集中在7—9月，植被类型为干旱草原。地带性土壤为黑垆土，但由于长期遭受土壤侵蚀，已被绵沙土、新黄土等取代[8-10]。该区域水蚀风蚀交错，土壤侵蚀强烈。

2 试验材料与方法

2.1 材料和方法

调查时间为2014年10月，地点位于神木侵蚀与环境试验站周边的蛇圪垯村，选取的调查区域附近分布有2个井采煤矿，开采造成的地面塌陷约有2 a。选取存在采煤塌陷裂隙的坡面进行调查测定，并在裂隙坡面附近选取坡度、坡向相同的无裂隙坡面作为对照。坡面土壤为绵沙土并伴有少许石子。裂隙坡面和无裂隙坡面坡向均为北偏西43°，坡度为20°。其中裂隙坡面裂隙平均宽度为15 cm，裂隙平均错落高度为26 cm，裂隙走向为北偏东15°，裂隙与坡向夹角为58°。不同塌陷产生的裂隙走向是多样的，所选取的裂隙走向因与坡向夹角较大而对坡面径流有显著的阻隔作用。调查坡面的植物主要为草本植物，包括冰草(Agropyroncristatum)、紫花苜蓿(Medicagosativa)、茵陈蒿(Artemisiacapillaris)、黄蒿(Artemisiascoparia)、草木犀状黄芪(Astragalusmelilotoides)、沙打旺(Astragalusadsurgens)、长芒草(Stipabungeana)、阿尔泰狗娃花(Heteropappusaltaicus)、艾蒿(Artemisiaargyi)、假苇拂子茅(Calamagrostispseudophragmites)、猪毛菜(Salsolacollina)等植物，其中冰草与长芒草为优势种。

2.2 测定项目和方法

2.2.1 容重 在裂隙坡面沿坡向方向(即坡面径流方向)距离裂隙0 (即裂隙两壁)，0.5，1.0，1.5，2.0 m，并沿等高线在无裂隙坡面在同样高度位置处挖取土壤剖面，在0—10 cm，10—20 cm土层用环刀采集土样，每层设3组重复，测定土壤容重。

2.2.2 土壤水分 在裂隙坡面沿坡向方向距离裂隙0，0.5，1.0，1.5，2.0，3.0，5.0 m的地方用土钻法采集0—1 m深度土层土样，垂直间隔10 cm；无裂隙坡面在同样高度采集土样，部位与裂隙上部、下部各个取样点一致。土壤含水量采用烘干法测定。

2.2.3 植物状况 在沿坡向距裂隙上下部各1.0，3.0，5.0 m 的地方采用1 m×1 m样方对裂隙坡面以及无裂隙坡面的植物种类、数量、盖度进行调查，并采用收获法测定每个样方内的地上生物量，将样方内植物地上部分全部收获，带回实验室进行干生物量测定，先将植物在105 ℃下杀青30 min后在75 ℃下烘干至恒重进行称重。

3 结果分析

3.1 裂隙坡地及无裂隙坡地容重测定结果对比

裂隙坡面与无裂隙坡面0—10 cm土层容重一般小于10—20 cm土层，但裂隙坡面2个层次的土壤容重在裂隙处均突然降低。

图1所示，裂隙坡面距裂隙两侧0.5—2 m范围内，0—10 cm土层平均容重约1.45 g/cm3，而裂隙处则为1.29和1.40 g/cm3；10—20 cm土层平均容重大约为1.50 g/cm3，裂隙处为1.38和1.39 g/cm3。而无裂隙坡面则无此现象，可见裂隙的出现会使裂隙处土壤容重降低。

另有研究表明，在塌陷地区除了地表上出现的可见的裂隙之外，在土层内部还会存在比较小的裂隙，这种裂隙如果不开挖的话是发现不了的[11-12]，裂隙处土壤容重变小以及这种小裂隙的存在，改变了土壤结构，增大了土壤的导水率[1]，加强了塌陷坡面水分的下渗与蒸发能力。

图1 研究区裂隙坡面与无裂隙坡面的容重变化

3.2 裂隙坡地及无裂隙坡地水分对比

土壤水分测定时，发生降雨，为了消除试验期间降雨对测定结果的影响，对比雨前与雨后土壤水分坡面变化，发现试验期间降雨入渗深度小于30 cm，因此选取裂隙坡面与无裂隙坡面30—100 cm土层作为分析对象。同时为消除两坡面土壤水分状况原有空间变异带来的影响，将无裂隙坡面与裂隙坡面在裂隙上部0.5～5 m 范围内6个位置处的30—100 cm土层含水量的算术平均值，即坡面平均含水量，作为参比标准(分母)，将两坡面每一位置处的30—100 cm平均含水量与对应的坡面平均含水量进行比值计算，以此比值作为相对含水量，探究裂隙的出现是否会对坡面水分状况带来影响(计算结果详见表1)。

通过比较两坡面在裂隙上部6个位置与下部6个位置的相对含水量均值，在无裂隙坡面，沿坡向自上而下土壤含水量呈现为增加的状态，平均值由1增加到1.14；而裂隙坡面则呈现出与正常坡面不同的结果，平均值由1减少到0.9。这表明采煤塌陷裂隙的出现会使坡面原有水分状况发生转变，裂隙下方的坡面土壤含水量由正常的增大趋势变为降低趋势。裂隙坡面在裂隙下部2 m位置处相对含水量0.79，3 m位置为0.88，而在裂隙下部5 m位置处，裂隙坡面相对含水量具有较大回升，达到0.98，说明裂隙改变坡面原有水分变化的趋势具有一定的距离范围，在本试验中该趋势范围达到裂隙下部大约3 m。在裂隙两壁处，无论是平均含水量还是相对含水量，裂隙坡面均远小于无裂隙坡面相同位置，说明裂隙的出现使裂隙两壁处成为表土面，强烈的蒸发效应使该处土壤含水量远低于无裂隙坡面。

3.3 裂隙坡地及无裂隙坡地植被对比

同样按照上述方法对裂隙和无裂隙坡面地上生物量进行计算分析，计算结果详见表2。由表2可知，裂隙坡面裂隙上下部相对生物量平均值分别为1，0.80，无裂隙坡面上下部则为1，1.06。裂隙下部坡面地上生物量较裂隙上部有较大程度降低，而无裂隙坡面则未出现此现象。

通过两坡面相同位置的地上生物量对比，发现无裂隙坡面地上生物量基本大于裂隙坡面相同位置，尤其是在裂隙处，裂隙坡面生物量达到最低值，在裂隙上部1 m与下部1 m分别为169.68和168.46 g。而在裂隙坡面上下部5 m位置，地上生物量均较1 m处得到提升，即在裂隙坡面地上生物量随距裂隙距离的变化呈U形，越远离裂隙，生物量恢复程度越高。说明裂隙的出现会对植被生长产生抑制作用，并且越靠近裂隙，抑制作用越强。

表2 裂隙坡面及无裂隙坡面地上生物量及相对生物量

将地上生物量与相应位置0—40 cm土壤含水量绘制散点图进行分析(图2)。由图2可知，在裂隙处及其下部坡面，水分状况较差，平均含水量只有11.35%，与正常坡面相比有一定程度降低，相应的地上生物量也处于较低水平。在裂隙上部以及无裂隙坡面土壤水分状况较好，平均含水量达到15.30%，具有较高的地上生物量。通常情况下高的地上生物量对应高的耗水量，如果供水相同则会导致土壤含水量降低，但在本调查中并未展现出这种情况，这应当是坡面径流及微地形差异，来水情况复杂所致。在无裂隙坡面，植物地上生物量与土壤含水量虽然也为线性正相关，但其相关性未达到显著水平，这与高生物量伴随着较高的水分消耗有关。通过对比受裂隙影响坡面和正常坡面地上生物量与相应位置土壤水分状况，可以推断由于塌陷裂隙的出现而导致较差的坡面水分状况会成为植物生长的限制因素。

图2 地上生物量与0—40 cm土壤含水量散点图

4 结 论

(1) 采煤塌陷裂隙(调查塌陷年限2 a)会引起裂隙周围土壤结构的变化，一定范围内，由于裂隙产生导致土壤松动，容重值降低，土壤孔隙度增大，土壤的水分下渗能力与土壤水分蒸发能力均得到加强。

(2) 在裂隙上部，裂隙的出现对于该部位土壤水分状况的影响不大；在裂隙下部，由于原有坡面径流受到阻隔，径流过程的改变使得该部位土体接受的来水量减少，土壤水分状况变差；在裂隙壁处，该部位土体成为表土层，土壤蒸发能力大大加强，裂隙坡面的土壤含水量远低于无裂隙坡面。本试验中裂隙对于裂隙下方土壤水分的影响大约在裂隙下方3 m的范围。但当坡面出现较多裂隙时，可以推断坡面水分状况将会更差。

(3) 裂隙坡面植被的地上生物量较无裂隙坡面低，且越远离裂隙，地上生物量恢复程度越高。由于裂隙出现而造成的裂隙处以及裂隙下部坡面较差的水分状况对于植被的生长产生了较强的抑制作用。

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Effects of Mining-induced Slope Collapse Fractures on Soil Moisture and Vegetation in Shenfu Coal Mining Area

LI Chao1, LIU Wenzhao1,2, SONG Xiaoqiang3

(1.InstituteofSoilandWaterConservation,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China; 2.InstituteofSoilandWaterConservation,CAS&MWR,Yangling,Shaanxi712100,China; 3.SoilandWaterConservationBureauofShaanxiProvince,Xi’an,Shaanxi710004,China)

[Objective] The effects of mining-induced collapse fracture occurrence(two years after collapse) on slope vegetation characteristics were demonstrated to provide theoretical support for revegetation and improvement of ecological environment in the coal mining subsidence area. [Methods] Soil bulk density, soil moisture and vegetation on two sides of collapse fractures in the Shenfu coal mining area were investigated and analyzed. [Results] (1) The collapse fracture occurrence made surrounding soil loose and thus resulted to the decrease of soil bulk density nearby. (2) In the case of fracture striking at right angle or close right angle to slope aspect, the fractures affected soil moisture about 3 m slope downward, as the water status in the slope downward part of the fracture became worse due to the intercepting effect of runoff. In the walls of the fracture, soil water content on fracture slope was lower than that the one on slope without fracture as a result of strong evaporation. (3) The aboveground biomass of the vegetation on the fractured slope lower than the one on non-fracture slope. The farther from the fracture, the higher of aboveground biomass revived. [Conclusion] If no other factors exist, the fracture occurrence can worsen soil moisture condition within it; and in the downward part, it can further inhibite the growth of vegetation.

collapse by coal mining; soil moisture; aboveground biomass; sloping land; Shenfu mining area

2016-04-12

2016-05-31

陕西省水土保持局重大水利科技项目“神府榆地区煤炭开采对地表植被影响研究(2013-2016)”; 国家自然科学基金项目(41571036)

李超(1992—),男(汉族),山西省晋中市人,硕士研究生,主要研究方向为环境生态。E-mail:915902219@qq.com。

刘文兆(1960—),男(汉族),陕西省乾县人,博士，研究员,博士生导师,主要从事水文生态与流域管理研究。E-mail:wzliu@ms.iswc.ac.cn。

10.13961/j.cnki.stbctb.2016.06.020

A

1000-288X(2016)06-0121-05

S157.2, X143

文献参数： 李超, 刘文兆, 宋晓强， 等.神府矿区采煤塌陷裂隙对坡面土壤水分及植被生长状况的影响[J].水土保持通报，2016,36(6)：121-125.