风沙区和黄土区采煤塌陷裂缝对土壤物理性质的影响研究

蔺 博，党晓宏,2，高 岩，王 浩，闫 宇

(1.内蒙古农业大学 沙漠治理学院，内蒙古 呼和浩特 010018；2.内蒙古杭锦荒漠生态系统国家定位观测研究站，内蒙古 鄂尔多斯 017400)

1 引言

神府—东胜矿区位于我国蒙晋陕接壤区能源基地的核心区。长久以来，我国的煤炭生产消费量位居世界第一，同时我国富煤贫油的能源结构，决定了煤炭在今后相当长时期仍是国内的主体能源。我国煤炭的开采方式主要是井工开采，开采的煤炭总量占全国煤炭总量的96%[1]。井工开采会破坏煤层的应力平衡状态，导致土壤结构、地形地貌、景观生态和生物群落等环境要素发生不可逆转的变化[2]。据不完全统计，我国井工采煤引起的塌陷总面积已达40 万hm2[3]。煤炭开采导致地表大规模沉降并产生大量塌陷坑和地裂缝，进而影响到土壤理化性质，持续的煤炭开采引起的地面沉降会造成损毁耕地的面积不断增加以及耕地生产力不同程度地下降。然而复垦土壤质量的高低直接关系到复垦的成败和效益，因此开展采煤塌陷对土壤理化性质影响的研究具有重要意义，可以为土地复垦工作提供参考。近年来, 已有学者对神府—东胜矿区大柳塔采空区土地利用与恢复、土壤包气带、复垦土壤质量的研究等方面做出探讨,但是针对神府东胜煤田的采煤塌陷裂缝区域造成土壤物理性质的研究较少，特别是针对该矿区风沙土区域采煤塌陷裂缝对周边小生境土壤物理性质造成的影响研究甚少。本文对该矿区的大柳塔采空区(风沙土区)与内蒙古上湾镇(黄土区)采煤塌陷裂缝的土壤物理特性进行了对比研究, 试图了解不同土壤类型造成的塌陷对土壤物理性质影响的规律, 进而对采煤塌陷对环境的影响评价提供参考。

多年来，广大学者和科研工作人员依托国家科技支撑计划，以我国干旱半干旱的西北等煤炭主产区的采煤沉陷区为研究对象，做了大量的基础研究和相关试验。臧荫桐等[4]研究认为冻结前塌陷区与非塌陷区含水量差异不明显，解冻后塌陷区含水量明显小于非塌陷区。郭巧玲等[5]研究说明采煤塌陷区裂缝在一定程度上破坏土体结构，造成土壤含水量减少，影响土壤水空间分布，造成土壤水分流失，导致生态退化。吴丽等[6]研究结果表明同一尺度不同深度裂缝处，裂缝宽度对土壤含水率的影响随深度的增加而减小，在同裂缝同深度情况下，随着与裂缝距离的增加土壤含水率越高，至2 m后影响不明显。赵红梅等[7]研究结果表明，由于采煤塌陷造成塌陷区土壤层位在垂向上倒置使塌陷区土壤含水量比非塌陷区显著降低。天然含水量作为生态环境极其重要因子，关于煤炭开采对其影响的研究很多，通过野外取样及遥感反演手段分析，均证明开采区土壤含水量低于非采区[8～11]。马迎宾[12]的研究表明，坡面上的采煤塌陷裂缝破坏了坡面原本的完整性, 改变雨后坡面土壤水分的局部分配格局, 增大其附近土层水分的散失，特别是土壤表层水分散失。

容重是土壤的一个基本物理性质，能够综合反映土壤内部质量状况，对土壤入渗性能、持水能力、溶质迁移特征以及土壤的抗侵蚀能力都有非常大的影响[13]。刘哲荣等[14]研究表明随塌陷年限的增加土壤容重呈减小趋势。王健[15]研究表明，风沙区塌陷1年、3年区土壤容重显著小于非塌陷区塌陷后期样地容重与非塌陷区均无显著差异。周瑞平[16]研究表明，在水平方向上，塌陷区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。韩煜等[17]采用对比法系统分析了塌陷区和未塌陷区土壤容重的变化特征，结果表明，采煤塌陷使土壤容重减小3.7%～27.5%。包斯琴[18]研究表明，采煤塌陷使土体遭受外力，结构松散发生变形，导致容重降低，且深层土壤容重降低幅度较大。随着土层深度增加，孔隙度增加趋势明显，80～100 cm层土壤孔隙度由39.02%增加到41.38%。

何金军等[19]研究认为塌陷区地表呈砂化趋势，物理性砂粒含量增加。王琦等[20]研究表明塌陷区土壤呈粗粒化趋势，尤其在表层(0～20 cm)。栗丽等[21]研究表明，采空后1～5年土壤物理性粘粒含量下降，且随着塌陷年限的延长其影响逐渐加剧。王健等[22]试验结果表明，与非塌陷区相比，塌陷区物理性粘粒含量明显减少，尤其地表10 cm土层最为显著。韩振英等[23]结果表明：塌陷区粗粉粒(0.01～0.05 mm)和中粉粒(0.005～0.01 mm)含量明显增加(P<0.05)，细黏粒含量(<0.001 mm)显著减少(P<0.05)。

基于以上背景，本研究选择神府—东胜矿区，位于我国蒙晋陕接壤区能源基地的核心区(神府—东胜矿区)作为研究区，目标是探究裂缝宽度对采煤沉陷区土壤物理性质的影响，评价宽度分别为7 cm、32 cm、54 cm与68 cm ，4 种采煤裂缝宽度的土壤机械组成、含水率、容重含量变化，以期为矿区科学的土地整治与生态文明矿区建设提供理论支撑。

2 材料与方法

2.1 研究区概况

通过野外勘察选择风沙土和黄土两种土壤类型的采煤塌陷区为试验区，试验区分别位于陕西省神东矿区大柳塔镇(风沙土区)与内蒙古上湾镇采煤塌陷区(黄土区)，处于黄土沟壑丘陵和毛乌素沙地的过渡带，风水复合侵蚀较强烈，地理坐标为110°05′00″～110°20′00″N， 39°27′00″～39°15′00″E。气候属于干旱半干旱大陆性季风气候, 蒸发量大,年平均气温在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，年平均风速3.6 m/s。地形表现为西北高，东南低，大柳塔区内表现为剥蚀薄层覆沙硬梁地，而上湾区内大部分属于沙黄土丘陵地貌。试验区地带性土壤主要为黄土性土壤、风沙土、栗钙土等，砂粒含量多，物理性粘粒含量少，结构松散，抗蚀性差，蓄水保墒能力差。试验区位于草原和森林-草原过渡地带，主要植被类型为沙漠草原、落叶阔叶灌丛和沙生植被，主要植被有油蒿(Artemisiaordosica)、沙竹(Psammochloavillosa)、沙米(Agriophyllumpungens)、虫实(corispermum.heptapotamicum)、沙柳(Salixpsammophila)等，植被覆盖度低，一般小于30%，呈零星分布。

2.2 试验方法

在风沙区和黄土区选择较为典型的塌陷稳定区域，分别选取规模、坡位相似的采煤塌陷裂缝， 为了避免其他裂缝影响， 选取的坡面在垂直等高线方向上除所选定的裂缝以外， 无其他裂缝，且在裂缝两端水平外延5 m范围内亦无其他裂缝存在，测定其裂缝的宽度和深度。按照0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、>60 cm分别将裂缝宽度分为4个梯度。本次勘探中，选取2种土壤类型下野外原位测量的采煤塌陷裂缝宽度分别为7 cm、32 cm、54 cm和68 cm，在距裂缝同一侧0 m、1 m、3 m和5 m处，按0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm、40～60 cm进行分层取样，本次试验共布设采样区32 个，土壤样品384 个。

土壤含水量(w)采用烘干法，土壤容重(BD)采用环刀法测定，土壤机械组成采用比重法测定。为了方便研究及试验结果分析，分别对比研究裂缝在不同土壤类型区域、不同深度及不同测定样点的土壤水分变化。采用Excel软件对数据进行整理及描述统计分析。

3 结果与分析

3.1 采煤塌陷区不同裂缝周边土壤含水量变化

由图1可知，在风沙土区0～10 cm土层深度，当裂缝宽度为7和68 cm时，距裂缝处0、1、3和5 m的含水率表现为在土壤剖面表层随着距裂缝宽度的增加，土壤含水量逐渐减小的趋势；当裂缝宽度为32和54 cm时，距裂缝各宽度的土壤含水率在0～10 cm土层含水量变化明显，距土壤裂缝3 m的土壤含水率显著均低于其他土层，分别为0.62%和0.31%，而最大值位于距测定样点1 m处分别为最大值2.23%和1.09%；在风沙土区10～20 cm土层深度，当裂缝宽度为7 cm时，土壤含水量变化趋势与0～10 cm土层相一致；当裂缝宽度为32 cm时，各样点土壤含水率分别为3.97%、2.95%、4.49%和3.27%；同样当裂缝宽度为54 cm时，土壤剖面距裂缝处0 m处的含水量表现为最大值，而在距裂缝处3 m处为最小值，分别为4.43%、2.16%；当裂缝宽度为68 cm时，土壤剖面距裂缝处5 m处的含水量表现为最大值4.48%，而最小值在距裂缝处0 m处为2.29%。在风沙土区20～40 cm土层深度，当裂缝宽度为7 cm、32 cm和68 cm时，土壤含水率表现为随着土壤剖面距裂缝处距离增加而减少的趋势；当裂缝宽度为54 cm时，土壤剖面距裂缝处0 m处的含水量表现为最大值7.14%，在距裂缝处5 m处表现为最小值3.53%。在风沙土区40～60 cm土层深度，当裂缝宽度为7 cm、32 cm、54 cm和68 cm时，土壤含水率在各样点均表现为随裂缝宽度的增加而减小的趋势。因此，风沙土在0～60 cm土层，距各裂缝宽度0、1 m、3 m和5 m处，土壤含水率整体表现为随着土壤剖面距裂缝处距离增加而减少的趋势；当裂缝宽度一致时，土壤含水率整体表现为，随着土层深度的增加，土壤含水率逐渐增加的趋势，其中，当裂缝深度为54 cm时，各土层土壤含水率的变化幅度最明显。

图1 两种土壤类型下不同裂缝周边土壤含水量变化曲线

在黄土区0～10 cm土层深度，当裂缝宽度为7 cm时，距裂缝处0、1、3和5 m的含水量分别为9.12%、5.62%、5.35%和3.97%，表现为随着距裂缝宽度的增加，土壤含水量逐渐减小的趋势；当裂缝宽度为32 cm时，距裂缝宽度为1 m时的土壤含水率在0～10 cm土层含水率显著低于其它土层，为5.57%，而距裂缝0 m时的土壤含水率为20.37%，为最大值；当裂缝宽度为54 cm时，各样点土壤含水率变化为先减少后增加的趋势，土壤含水率变化依次为18.11%、10.93%、17.32%和18.37%；当裂缝宽度为68 cm时，距裂缝处0、1、3和5 m的土层含水量分别为4.91%、15.04%、10.22%和15.85%，土壤含水率变化无明显趋势；在黄土区10～20 cm土层深度，当裂缝宽度为7 cm时，距裂缝处0、1 m、3 m和5 m的含水量分别为20.45%、18.81%、14.31%和4.44%，呈现出逐级递减的趋势；当裂缝宽度为32 cm时，各样点土壤含水率变化范围为19.30%～20.54%，土壤含水率差别不大；当裂缝宽度为54 cm时，土壤剖面距裂缝处5 m处的含水量表现为最大值19.78%，而在距裂缝处0 m处为最小值18.63%；当裂缝宽度为68 cm时，土层含水量分别为4.44%、8.63%、5.35%和23.20%；在风沙土区20～40 cm土层深度，当裂缝宽度为7 cm时，土壤含水率表现为随着土壤剖面距裂缝处距离增加而减少的趋势，由22.43%减少至5.01%，距裂缝宽度0、1 m、3 m的土壤含水率无显著差别；当裂缝宽度为32 cm时，土壤各层含水率呈现递减趋势；当裂缝宽度为54 cm时，土壤剖面距裂缝处0 m处的含水量表现为最小值12.14%，其余样点无显著差异；当裂缝宽度为68 cm时，土壤含水率分别为5.08%、4.94%、13.92%和20.34%。在风沙土区40～60 cm土层深度，当裂缝宽度为7 cm时，各样点土壤含水率分别为19.83%、13.02%、25.16%和20.15%；当裂缝宽度为32 cm时，各样点土壤含水率表现为逐渐降低的趋势，无显著差异；当裂缝宽度为54 cm时，各样点土壤含水率变化与裂缝宽度为32 cm表现趋势相一致；当裂缝宽度为68 cm时，各样点土壤含水率分别为3.06%、2.86%、9.81%和20.48%。从土壤剖面来看，土壤含水率整体表现为随着土壤剖面距裂缝处距离增加而减少的趋势。从组间来看，土壤含水率整体表现为，随着裂缝宽度的增加而减少的趋势。在黄土区当裂缝宽度一致时，土壤含水率整体变化趋势无明显规律，这可能与黄土区土壤的机械组成有关。

3.2 采煤塌陷区不同裂缝周边土壤容重变化

由图2可知，在风沙土区0～10 cm土层深度，当裂缝宽度为7 cm时，表现为在土壤剖面表层随着距裂缝宽度的增加，土壤容重逐渐减小的趋势；当裂缝宽度为32 cm时，各样点土壤容重分别为1.98、1.12、1.97和1.13；当裂缝宽度为54 cm时，距测定样点5 m的容重表现为最大值1.84，而距测定裂缝0 m的容重表现为最小值1.03；当裂缝宽度为68 cm时，距裂缝处0、1、3和5 m的容重分别为1.39、1.62、1.91和1.32，在0～10 cm土层，采煤塌陷风沙土裂缝区土壤容重整体表现为随着距离裂缝宽度距离的增加，土壤容重逐渐减小的趋势。在10～20 cm土层，当裂缝宽度为7 cm和68 cm时，距裂缝处0、1 m、3 m和5 m的容重无明显规律；当裂缝宽度为32 cm和54 cm时，各样点土壤容重表现为随裂缝宽度增加而减少的趋势，最大值均为距裂缝0 m处。在沙土区20～40 cm土层深度，当裂缝宽度为7 cm、32 cm、54 cm时，土壤容重表现为随着土壤剖面距裂缝处距离增加而减少的趋势；而当裂缝宽度为68 cm时，土层容重分别为1.13、1.89、1.35和1.51，各样点未呈现明显规律；在风沙土区40～60 cm土层深度，当裂缝宽度为7 cm时，土壤容重在各样点分别为1.21、1.11、1.27和1.99；当裂缝宽度为32 cm、54 cm和68 cm时，各样点土壤容重随裂缝宽度的增加而减少，但各样点间土壤容重的差异性不大。当裂缝宽度一致时，土壤容重整体表现无明显规律。

图2 两种土壤类型下不同裂缝周边土壤容重变化曲线

在黄土区0～10 cm土层深度，当裂缝宽度为7 cm时，距裂缝处0、1 m、3 m和5 m的容重分别为1.49、1.63、1.74和1.71，表现为在土壤剖面表层随着距裂缝宽度的增加，土壤容重逐渐减小的趋势；当裂缝宽度为32 cm时，各样点土壤容重分别为1.70、1.72、1.75和1.64，当裂缝宽度为54 cm时，距测定样点1 m的容重表现为最大值1.71，而距测定裂缝5 m的容重表现为最小值1.51；当裂缝宽度为68 cm时，距裂缝处0、1 m、3 m和5 m的容重分别为1.58、1.61、1.63和1.71，在黄土区10～20 cm土层，各裂缝宽度下，各样点土壤容重与风沙土区表现一致；在沙土区20～40 cm土层深度，各裂缝宽度下，土壤容重整体表现为随着土壤剖面距裂缝处距离增加而减少的趋势；在风沙土区40～60 cm土层深度，土壤容重在各样点随裂缝宽度的增加而呈现处先增加后减少的趋势，但各样点间土壤容重的差异性不大。当裂缝宽度一致时，土壤容重整体表现无明显规律。

3.3 采煤塌陷区不同裂缝周边土壤机械组成变化

在实验室选取>0.25 mm、0.125～0.25 mm、0.075～0.125 mm、0.03～0.075 mm、<0.03 mm的筛子对土样进行筛取，结合卡钦斯基粒级制和中国粒级制，将土壤机械组成划分为砂粒(粒径>0.25 mm)、砂粒(粒径在0.01～0.25 mm范围)和粘粒(粒径小于0.01 mm)进行研究。

由图3可知，在各测样点，砂粒含量均占据主导地位，各样点土壤机械组成中砂粒含量均大于65%，在风沙土和黄土中，砂粒平均最大含量均位于距裂缝宽度0 m处，而砂粒平均最小含量分别位于距最大裂缝3 m和5 m处；但在各测样点处，风沙土和黄土粘粒含量变化范围分别为13.38%～26.79%、13.13%～26.56%，变化幅度较大，但当裂缝宽度一致时，粘粒含量在各土层间未表现出明显规律；而各测样点土壤机械组成中的粉粒含量均低于11.49%。在各测样点土壤机械组成中，砂粒、粘粒、粉粒的比例大体表现为7∶2∶1，整体上来看，土壤机械组成表现出采煤塌陷区土壤物理性质整体质量较差。

图3 采煤塌陷裂缝宽度对土壤机械组成的影响

4 讨论

本次研究发现在风沙区土壤塌陷裂缝宽度对土壤水分、容重和机械组成有明显的影响，这与崔向新、赵宏宇等研究结果较为相似，研究表明矿区地表的破坏程度与裂缝发育的宽度有极大关系[17,18]。本试验中将采煤塌陷裂缝对土壤水分、容重、机械组成影响范围，主要集中在距裂缝1～5 m处，整体表现为随着裂缝宽度的增大，土壤的含水量减少、容重增大、机械组成变得更加粗糙。由于研究区位于干旱区，因此土壤水分是采煤塌陷区后期植被恢复的一项重要的因素，采煤塌陷区的裂缝分布又较广，而据研究裂缝又对土壤含水量存在着影响，因此本研究可以为后期植被恢复中的集水、保水等措施提供理论支持。本文关于采煤塌陷区裂缝对土壤水分的影响研究，只从空间分布(水平方向和垂直方向)的角度进行了不同宽度塌陷裂缝对土壤含水量的影响研究，但缺乏了对植物种类的调查研究，因此在后期的研究中应加入植物的调查研究，找出适合在采煤塌陷区生存的植物，为后期植被恢复做出贡献。如何量化地表破坏程度等级，探究地表破坏程度等级与土壤物理性质关系的研究还有待深入。同时应加强在裂缝走向、时间角度、降水过程及降水完成后对土壤物理性质的影响研究。

5 结论

(1)从塌陷区裂缝土壤剖面来看，土壤含水率整体表现为随着土壤剖面距裂缝处距离增加而减少的趋势；同时土壤含水率整体表现为随着裂缝宽度的增加而减少的趋势，但在黄土区当裂缝宽度一致时，土壤含水率整体变化趋势未表现出较为明显的规律，这可能与黄土区土壤的机械组成有关。

(2)土壤容重整体表现为距裂缝处距离增加增大的趋势；同时表现出随着裂缝宽度的增加而减少的趋势，但在土壤剖面上仍需增加进一步的细化研究。

(3)采煤塌陷区，土壤机械组成中砂粒、黏粒、粉粒的比例大体表现为7∶2∶1，其中，砂粒含量均占据主导地位，均大于65%，但其含量在风沙土和黄土中表现出一定的差异；而黏粒含量在风沙土和黄土中分别为13.38%～26.79%、13.13%～26.56%，变化幅度较大；粉粒含量均低于11.49%。整体上来看，土壤机械组成表现出采煤塌陷区土壤物理性质整体质量较差。