榆神府矿区台阶式地裂缝近距土壤水分的垂向变化特征

马 坤，杨 磊

(西安科技大学 地质与环境学院，陕西 西安 710054)

1 引言

煤炭是我国的最重要的能源，其主导地位短期内不会发生改变。榆神府矿区作为国家重点建设的14个大型煤炭基地中陕北基地的重要组成部分，其探明储量为733.4560×108t，占全国的12%[1，2]，对于保障国家能源供应安全，促进陕西经济社会持续发展具有重要的意义。榆神府矿区在为国民经济发展提供能源支持的同时，也产生了地表沉陷、地下水漏失等一系列的采动损害现象，其中以地表采动地裂缝最为典型。地表采动地裂缝产生后造成地表土地结构破坏，土壤物、化、生等性质发生劣化，其中以土壤水分最为敏感[3]。土壤水分在像陕北这样的生态脆弱区，具有维系地表植被、保持水土的重要生态功能。鉴于此，以陕北麻黄梁采动地裂缝发育区土壤为研究对象，通过野外采样、室内实验等方法，研究并揭示台阶式地裂缝近距土壤的含水量在垂向上的变化特征，以期为陕北采动损害区的生态恢复提供科学依据。

2 研究区概况

陕北麻黄梁采动地裂缝发育区位于毛乌苏沙漠与陕北黄土高原接壤地带，地貌以黄土梁岗为主，峁部与坡中为黄土区，坡脚为沙土区。该采动地裂缝发育区自2013年出现，至2019年已有5年左右的历史，区内发育的采动地裂缝多达数十条，裂缝宽度最大可达1 m左右，最小仅为1～2 mm；裂缝长度一般在200 m左右；裂缝形态多以台阶式为主，台阶高度最大可达40～50 cm。区内植被以草本和小灌木为主。

3 研究方法

3.1 野外采样与室内实验

首先，在遥感解译和实地踏勘的基础上，在麻黄梁采动地裂缝发育区，选择3条形态相似的台阶式地裂缝；第二，在地裂缝两侧近距(20 cm处)随机布设5个采样点；第三，对每个采样点，使用土钻分6层采集土壤，采样深度依次为0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm；第四，将15个采样点中相同一层的土壤进行混合、现场称重、记录编号后装入密封塑料袋中，带回实验室以备检测；第五，在无裂缝区布设空白样点，按照上述方法采集土样带回实验室以备检测；第六，实验室内，将所有土样放置于烘箱，在105 ℃下经24h烘干处理后，依次测其质量。

3.2 土壤含水率计算

土壤含水率是指土壤中实际所含的水分重量占烘干土重量的百分数，可通过式(1)计算得到。

(1)

式(1)中：W为土壤含水率，%；W1为样土湿重，g；W2为样土烘干重，g。

4 结果与分析

4.1 计算结果

根据式(1)，分别计算空白样(CK)和台阶式地裂缝近距土壤的0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm共12组土壤含水率，结果见表1。

4.2 讨论与分析

根据表1中数据，运用origin软件进行数理分析，并绘制图1。由表1和图1可知。

(1)台阶式地裂缝近距土壤在不同深度的含水率介于7.10%～13.14%，垂向上总体表现为土壤含水率随着深度的增加而增加，且存在先提高后降低的两段式变化特点。其中，0～10 cm土壤(表层)含水率最低，仅为7.10%，60～80 cm土壤含水率最高，为13.14%。分析认为，台阶式地裂缝使得0～10 cm土壤开裂，与空气接触面积增大，增强了土壤水分的蒸发，导致其土壤含水率降低；由于裂缝存在，使得降水入渗作用加大，造成10～100 cm土壤含水率回升，这与苏宁等[4]的研究结果一致。

表1 麻黄梁采动地裂缝发育区土壤样品与空白土样的含水率

图1 台阶式地裂缝近距土壤及空白土样含水率在不同深度变化

(2)无裂缝区土壤在不同深度的含水率介于5.11%～10.06%，垂向上总体表现为随着深度的增加，土壤含水率呈现先降低后提高的两段式变化规律。其中，80～100 cm土壤含水率最高，为10.06%，0～10 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm土壤含水率基本保持在8%～9%左右，只有10～20 cm土壤含水率最低，仅为5.11%，与其它深度土壤差异明显。分析认为，该区地表植被多为长芒草，赖草等草本植物，其根系多分布于10～20 cm范围内，因此草本植物根系的大量吸水是土壤含水率低的主因。

(3)台阶式地裂缝近距土壤在除了表层以外的各个深度的含水率均高于无裂缝区土壤。相对于无裂缝区的土壤含水率，台阶式地裂缝近距土壤在除了表层以外的各个深度的含水率均有所提高，平均提高了45%。其中，10～20 cm土壤含水率提高幅度最大，为108%；其他各深度的土壤含水率增幅基本保持在20%～40%； 0～10 cm土壤含水率下降了20%左右。说明台阶式地裂缝对0～20 cm土壤水分的干扰强烈，而其它深度土壤水分相对变化不大。