神东矿区塌陷区土壤水含量和稳定同位素特征

王玺凯，赫云兰

(1.中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院，北京 100083；2.中国矿业大学(北京)煤炭资源与安全开采国家重点实验室，北京 100083)

0 引言

我国的煤炭资源呈“井”字型分布，晋陕蒙(西)宁区保有煤炭资源量巨大[1]，是我国目前煤炭开发活动最为活跃的区域。晋陕蒙(西)宁区地处黄河流域中上游，降水稀少，水资源短缺，是制约该区域煤矿开采和生态环境协调发展的瓶颈[2]。为此许多学者进行了研究探索，毕银丽等[3]提出干旱半干旱露天煤矿生态重构技术；顾大钊[4]开发了煤矿分布式地下水库技术,并提出应用“自修复”规律的地表生态主动性减损；范立民等[5]提出加强地质环境监测，为黄河流域煤炭基地可持续发展提供保障;曹志国等[6]通过室内物理模型研究了煤水协调开采技术。目前对于煤矿区表层土壤水的研究尚少，毕银丽[7]等利用数值模拟的方法研究了西部采煤沉陷地裂缝区土壤水盐运移规律；杨志文等[8]研究了山西阳泉矿区塌陷区的土壤水分时空变化；葛梦玉[9]对高潜水位采煤塌陷复垦区的土壤水运移规律进行了讨论。

水中常见的同位素包括17O、18O、2H和3H，最常用的水稳定同位素有18O和2H。水中稳定同位素伴随水的蒸发、运移、降水和地上地下径流而发生富集和分馏，形成水的“指纹”。自1963年Craig[10]进行大气降水的水稳定同位素研究以来，随着同位素质谱分析技术的进步，同位素水文学也蓬勃发展起来，被应用于水文学的各个领域。王力等[11-12]利用水稳定同位素技术分析了榆神府矿区土壤-植被 -大气系统中水分的转化过程;杨国敏等[13]利用土壤水的稳定同位素特征研究了露天矿区排土场的入渗规律。神东矿区长时间高强度的开采对于地表生态系统产生了影响，本文基于煤矿区土壤水的稳定同位素特征，对煤矿区塌陷区土壤层与原状土壤层的水分特征进行了分析和讨论。对比研究沉陷区与未受采动影响区域包气带水运移规律，对于研究采矿对地表生态系统的影响具有重要意义，能够为黄河流域西部矿区生态治理提供理论基础。

1 研究方法

1.1 样地选择

在神东矿区的上湾矿和布尔台矿地面的采煤塌陷区和原状对照区分别选取一个样地进行土壤剖面采样。对照区样地应选择地势平坦开阔的地方，避开河谷低地，，采煤塌陷区的样地应避开裂缝区。同时，采样区都应保证植物密度适中。

1.2 样品采集与处理

在2020年当地雨季过后的九月中下旬，利用洛阳铲人工钻取直径为6cm的采样孔。钻孔剖面每20cm进行土壤样品采集，采集的土壤样品置于300ml聚乙烯塑料瓶中，瓶口用塑料薄膜覆盖，后将瓶口拧紧。采集的样品在野外储存在保温箱中。回到室内后把样品储存于4℃的冰箱中保存。为避免水稳定同位素的分馏，本研究的土壤水提取采用低温共沸蒸馏的方法。所有样品基于质谱法测定。

2 结果与分析

2.1 土壤含水率特征

本文分析的土壤剖面含水率为重量含水率。布尔台和上湾矿区0～5m的土壤剖面含水率区间为1.7%～7.63%，由浅到深整体表现出先减小后增加的趋势。雨季的集中降水过后，0～0.5m的浅层土壤经过降水的补给维持了较高的含水率，除BD5剖面外其余三个剖面均在1m深度存在最小含水率，0.5～1.5m剖面段维持了较低的含水率。自2～4m段四个剖面均表现出含水率上升的趋势，在4～5m段四个剖面均维持了较高的含水率。上述土壤剖面的含水率特征是由于7—9月雨季过后，集中降水的补给使得土壤表层0～0.5m剖面含水率较高。0.5～1.5m剖面含水率降低是因为7—9月降水家中的同时温度较高，是植物快速生长的季节，蒸腾旺盛，植物根系大量吸水，造成0.5～1.5m含水率较低。4～5m剖面段处于神东矿区地表风积沙层的下部，其下与黏土层靠近，黏土层的渗透率较低，所以在风积沙层底部存在着侧向流动的土壤水，造成了4～5m剖面段的较高含水率。2～4m段植物的吸水效应逐渐减弱，4～5m段剖面含水率较高，2～4m段向下补给的土壤水逐渐在此段积累，表现为含水率逐渐增大(图1)。

图1 含水率变化曲线Figure 1 Moisture content variation curve

2.2 土壤水稳定同位素特征

土壤水中δD与δ18O具有相同的变化规律，但D的分子量小于δ18O，所以D更易发生分馏，因此采用δ18O来描述四个剖面土壤水稳定同位素变化更具说服力[14]。SD5剖面δ18O为-16.52‰～5.82‰，均值为-12.67‰；SC5剖面δ18O为-15.1‰～2.77‰，均值为-9.88‰；BD5剖面δ18O为-15.26‰～9.95‰，均值为-12.98‰；BC5剖面δ18O为-17.45‰～4.30‰，均值为-11.42‰。塌陷区剖面SC5和BC5的δ18O值变化范围大于对照区剖面SD5和BD5，并且塌陷区剖面SC5和BC5δ18O值的均值都大于对照区剖面SD5和BD5。如图2所示BC5和SC5的δ18O值曲线变化范围更大，变化更加剧烈，且BC5和SC5的δ18O值曲线整体位于BD5和SD5的δ18O值曲线的右侧。

图2 BC5和SC5的δ18O值变化曲线Figure 2 δ18O value variation curves of BC5 and SC5

全球大气水线为δ2H=8.0δ18O+10‰，根据CHNIP监测结果，鄂尔多斯市当地的大气水线为δ2H=7.12δ18O-0.23/‰[15]。如图3所示，鄂尔多斯市的大气水线斜率小于全球大气水线(GMWL)，四个剖面的土壤水同位素大部分位于水线下方，表现出氘贫化的特征，表明四个剖面的土壤水都受到蒸发分馏的影响。对照区剖面SD5和BD5的水稳定同位素点集中分布于图3当地大气水线下方的中间部分，而塌陷区剖面SC5和BC5的水稳定同位素点分布更加分散。对照区剖面SD5和BD5的水稳定同位素点集中于图3中的蓝色椭圆中，整体斜率与当地大气水线斜率基本相同。塌陷区剖面SC5和BC5的水稳定同位素点集中于图3中的红色椭圆中，整体斜率小于当地大气水线斜率。

图3 神东矿区近地表水稳定同位素特征Figure 3 Stable isotope characteristics of near surface water in shendong mining area

3 结论

1)雨季过后，神东矿区塌陷区的土壤含水量没有小于对照区的土壤含水率，甚至略大于对照区的土壤含水率。这表明塌陷区在雨季更易接受大气降水补给，维持自身的高含水率特性。

2)雨季过后，神东矿区塌陷区的土壤水稳定同位素变化范围大于对照区的土壤水稳定同位素，并且塌陷区的土壤水稳定同位素均值大于对照区的土壤水稳定同位素均值。土壤水同位素证据表明塌陷区的土壤层更易受蒸发作用的影响。

3)雨季过后，神东矿区土壤水同位素绝大部分分散于当地大气水线的下方，但塌陷区土壤水同位素分布更加分散，其分布区域在图3中的斜率明显小于当地大气水线，表明塌陷区土壤结构被改变，相比对照区的土壤水，塌陷区土壤水的入渗更加快速，蒸发更加强烈。