神府-東勝采煤塌陷區裂縫對土壤含水量的影響

郭巧玲，馬志華，蘇 寧，楊云松，韓振英

(1.河南理工大學資源環境學院,454003,河南焦作；2.中原經濟區煤層(頁巖)氣河南省協同創新中心, 454003,河南焦作；3.河南理工大學工商管理學院, 454003, 河南焦作)

煤炭是當今世界社會運行的3大支柱能源之一，在我國一次性能源的生產和消耗中，煤炭占70%以上[1]，且煤炭的能源支柱作用短期內不會改變[2]。大規模的煤炭開采改變了礦區水文地質條件，造成大面積塌陷，出現地裂縫、塌陷坑、塌陷洞等，嚴重破壞土體結構，影響土壤水分布特征[3]，水土保持功能降低，改變原有地形地貌，加劇降雨形成的水流對土壤的侵蝕[4]，人為造成水土流失。神府-東勝煤田是我國重要的煤炭基地，近年來煤炭資源的過度開采，給當地生態環境造成了嚴重影響，其中采煤塌陷造成的水土流失尤為嚴重[5-6]。部分學者[7-10]通過對比采煤塌陷區和非塌陷區的土壤含水量，分析了塌陷區土壤含水量分布特征，但少見針對塌陷區內裂縫對土壤含水量影響的研究。筆者以神府-東勝煤田石圪臺采煤塌陷區為研究對象，分析不同裂縫寬度下的土壤水特征，并對采煤塌陷裂縫區與非裂縫區的土壤含水量空間變異特征進行分析，以期了解采煤塌陷區裂縫對土壤水的影響，為礦區土地復墾及生態環境治理提供基礎理論依據。

1 研究區概況

研究區位于神府-東勝煤田石圪臺礦區[11]。石圪臺煤礦東西長10 km，南北寬8.5 km，礦區面積65.25 km2，地質儲量8.35億t，其中可開采量6.62億t。礦區處于陜北黃土高原北部和毛烏素沙漠東南緣，植被覆蓋度低，土壤以風沙土為主。地貌單元主要分為2大類：北部風積沙區，沙丘連綿，地形相對平緩；南部丘陵溝壑區，梁峁相間分布，地形東高西低[12]。礦區內主要水系為烏蘭木倫河，年徑流量0.38億～5.25億m3。氣候屬北溫帶干旱半干旱大陸性氣候，四季冷熱多變，日夜溫差懸殊，多年平均降雨量約為400 mm，蒸發量約為2 000 mm[13]。

2 研究方法

2.1 野外布點與取樣

2016年11月在石圪臺煤礦塌陷區選取100 m×100 m區域作為試驗區，區內包括裂縫區、有植被覆蓋的非裂縫區和無植被覆蓋的非裂縫區。在實驗區內每隔20 m作為1個步長均勻布點，布點36個(見圖1)。非裂縫區布點26個，其中有植被區7個，無植被區19個，裂縫區布點10個。根據塌陷裂縫邊界及植被區與無植被區分界情況，補充10個測點(B1～B10)。在塌陷區不同寬度裂縫處(8、4、3、2和1 cm)和非裂縫區各取樣1個，共6個進行土壤機械組成及含水量分析。在每個實驗點0～60 cm深度內的0、10、20、30、40、50和60 cm等7個土層分別用環刀取樣，每層重復取樣3個，最后實驗室測定結果取平均值。共采取土壤樣品1 092個置于鋁盒中，現場用精度為0.01 g的電子秤稱量密封并記錄數據。

圖1 實驗區采樣布點圖Fig.1 Sampling layout map in the experimental area

2.2 樣品測試與分析方法

土壤含水量測定采用烘干法[12]；采用傳統統計學分析土壤含水量的垂向變化特征[14]；利用P-P檢驗圖法[15]，通過SPSS 20對數據進行正態性檢驗。在此基礎上，利用地統計學中的Kriging插值法，通過Surfer11.0軟件進行土壤含水量的平面變化特征分析。

3 采煤塌陷區裂縫寬度對土壤含水量的影響

不同寬度裂縫下不同深度土層土壤含水量測定結果見表1。對照點與各裂縫點土壤含水量在土層深度上變化的變異系數值范圍為0.33～0.46，均呈中等變異程度[16](0.1

從垂向分布看，對照點及裂縫寬為1 cm、2 cm和3 cm的測點，土壤含水量隨土層深度增加而不斷增大。而當裂縫寬為4 cm和8 cm時，地面以下30 cm內，土壤含水量較小，30～60 cm范圍，各土層間土壤含水量變幅較小，且明顯小于裂縫寬度為1 cm、2 cm和3 cm的相應深度的土壤含水量。說明當裂縫寬度較大時，30 cm以下土壤含水量受裂縫影響較大。

表1 不同寬度裂縫條件下土壤含水量統計值

4 采煤塌陷區土壤含水量空間分布特征

4.1 垂向變化特征

由于土壤結構的非均質性以及含水量受土壤結構、質地、降雨等因素的影響，土壤含水量在垂向上存在變化特征。采煤塌陷區土壤塌陷和大量裂縫的出現，破壞土體結構，進而影響土壤的孔隙度，對土壤含水量的分布產生較大影響[17]。從表2和表3裂縫區和非裂縫區0～60 cm不同深度下的土壤含水量特征值可以看出，裂縫區土壤含水量在0～30 cm范圍隨著深度增加增幅顯著，30 cm以下，增幅較小。最大值均處于60 cm處，最小值處于土壤表層(0 cm)。裂縫區和非裂縫區土壤含水量的均值和中位值變化趨勢基本一致，隨著土層深度的增加而變大。地表(0 cm)土壤含水量明顯低于地下各層(10～60 cm)，主要因為地表土壤，在冬季(11月)降雨補給少，同時實驗區地處干旱半干旱地區蒸發作用強烈所致；而地表以下(10～60 cm)的土壤層，歷經雨季后水分下滲到土壤深層，地表以下土壤中蒸發作用減弱，水分蒸發量降低。同一土層深度，裂縫區土壤含水量小于非裂縫區，是由于裂縫的存在破壞土壤原生結構，出現了水分優先路徑，使得水分更快向土壤深處運動，降低了土壤持水能力，并且裂縫增加土壤與外界的接觸面積，使得蒸發量增加，導致裂縫區土壤含水量偏低。

表2 裂縫區土壤含水量特征值統計

表3 非裂縫區土壤含水量特征值統計

離散系數是指標準差與平均數的比例[18]，它反映單位均值上的離散程度，離散系數越大，說明其離散程度越大。對于土壤含水量垂向分布的離散程度，采用離散系數來度量。裂縫區土壤含水量不同深度的離散系數在0.18～0.54之間，非裂縫區處于0.16～0.44之間。裂縫區與非裂縫區土壤含水量垂向不同深度的離散程度均為中等變異性。受自然因素與人為因素的影響，裂縫區與非裂縫區在土壤表層(0 cm)離散系數均為最大。

4.2 平面變化特征

地統計學是以半方差函數為工具，研究在空間分布上既有隨機性又有相關性的自然現象的科學。P-P圖是正態分布檢驗的一種方法，本研究利用SPSS20對土壤含水量進行P-P圖檢驗分析。從圖2可以看出，各個深度土壤含水量P-P檢驗圖近似為直線型，可以看作正態分布。對數據進行半方差函數擬合，分析模型誤差[19-20]。從表5擬合模型的參數誤差可知滿足分析要求。利用擬合模型通過Surfer 11.0中的Kriging插值對土壤含水量空間分布進行分析。實驗區0～60 cm不同深度土層含水量空間分布見圖3～9。

從表層(0 cm)土壤含水量等值線圖(圖3)可以看出，該層土壤含水量總體較低。裂縫區土壤含水量范圍在0.43%～1.05%之間，平均0.57%，離散系數0.54，屬于中等變異強度。非裂縫區土壤含水量范圍在1.12%～4.39%之間，平均1.92%，離散系數0.44，屬于中等變異,變異性小于裂縫區(表2和表3)。在實驗區分別存在2個土壤含水量高值區和低值區，高值區1個位于實驗區西北角，1個位于東部偏南，低值區1個位于試驗區中部，1個位于東北角。結合實驗區布點情況，可以看出，土壤含水量高值區均位于非裂縫區，同時位于西北角的高值區土壤含水量相對較高且等值線較密，低值區1個位于裂縫寬度較大的區域，另1個位于無植被區但靠近寬度較大的裂縫處。說明采煤塌陷裂縫使得土壤表層含水量減少，且寬度越大處，含水量越低，植被根系對土壤水具有一定的固結作用。

圖2 不同深度土壤含水量P-P正態檢驗圖Fig.2 P-P normal distribution test diagram of soil moisture content at different depths

表4 不同深度土壤含水量半方差函數擬合模型的參數誤差

從10 cm深度土壤含水量分布等值線圖(圖4)可以看出，該層土壤含水量總體上比地表(0 cm)處高。裂縫區與非裂縫區土壤含水量均屬于中等變異,非裂縫區變異性大于裂縫區。分布有3個土壤含水量高值區，全部位于非裂縫區，且等值線分布較密，說明在高值區含水量平面變幅較大；而土壤含水量低值區位于裂縫區及無植被區接近裂縫區，其中最低值位于裂縫寬度較大處。

圖3 0 cm土壤含水量等值線圖Fig.3 Contour map of soil moisture content at the depth of 0 cm

圖4 10 cm土壤含水量等值線圖Fig.4 Contour map of soil moisture content at the depth of 10 cm

20 cm土層含水量分布等值線如圖5所示。該層土壤含水量總體上比10 cm土層高。塌陷區土壤含水量變異性屬于中等變異，但裂縫區土壤含水量變異性小于非裂縫區。位于植被覆蓋區的土壤含水量高值區，等值線較為密集，說明含水量平面變幅較大，而位于塌陷區的低值區等值線較為稀疏，說明含水量平面變幅較小。同時，可以看到土壤含水量高值區相對于10 cm分布圖向北移動，但最高區依然位于非裂縫區的植被覆蓋區，說明植物對增加土壤含水量具有較大作用。

30 cm土層含水量分布等值線見圖6。非裂縫區土壤含水量與20 cm土層基本一致，裂縫區土壤含水量有較小幅度的增大。裂縫區與非裂縫區的土壤含水量變異性均屬于中等變異。

圖5 20 cm土壤含水量等值線圖Fig.5 Contour map of soil moisture content at the depth of 20 cm

圖6 30 cm土壤含水量等值線圖Fig.6 Contour map of soil moisture content at the depth of 30 cm

土壤含水量高值區依然位于非裂縫區，且最高區位于植被覆蓋區，最低區位于裂縫區與無植被區的結合處，且靠近寬度較大的裂縫。

40 cm土層含水量分布等值線見圖7。非裂縫區土壤含水量與30 cm土層基本一致，裂縫區土壤含水量有較小的增幅。裂縫區與非裂縫區土壤含水量均屬于中等變異。該層土壤含水量最小區位于采煤塌陷裂縫區中裂縫寬度較大處，裂縫寬度達4 cm。說明裂縫寬度對土壤含水量的影響較為強烈，且裂縫寬度越大，垂直影響深度越深。

圖7 40 cm土壤含水量等值線圖Fig.7 Contour map of soil moisture content at the depth of 40 cm

圖8 50 cm土壤含水量等值線圖Fig.8 Contour map of soil moisture content at the depth of 50 cm

50 cm土層含水量分布等值線如圖8所示。與上層相比，該層土壤含水量均值依然增加。裂縫區與非裂縫區土壤含水量均屬于中等變異。3個高值區均位于非裂縫區，低值區位于寬裂縫區或靠近寬裂縫的無植被區。

60 cm土層含水量分布等值線見圖9。裂縫區與非裂縫區土壤含水量均屬于中等變異。土壤含水量最大值為11.41%，極差為10.38%，土壤含水量平均值為4.55%。與0～50 cm土層對比，土壤含水量最大值、極差和平均值均達到了最大，主要因為該層土壤深度較深，受蒸發蒸騰作用和人為影響較小，土壤含水量損失較少。土壤含水量高值區在植被覆蓋區。2處含水量低值區均位于裂縫區中裂縫寬度較大或裂縫較發育的位置，土壤含水量損失嚴重。

圖9 60 cm土壤含水量等值線圖Fig.9 Contour map of soil moisture content at the depth of 60 cm

5 結論與討論

1)裂縫的存在會使相同深度土層的土壤含水量減少，且隨著裂縫寬度的增加，土壤含水量減小幅度不斷增大。當裂縫寬度>3 cm時，30 cm以下土壤含水量受裂縫影響較大。

2)在干旱半干旱地區強烈的蒸發作用和冬季降雨補給較少的情況下，地表(0 cm)土壤含水量明顯偏低；而地表以下(10～60 cm)的土壤層含水量明顯高于地表(0 cm)。

3)裂縫的存在降低了土壤持水能力；并且裂縫的存在，增加了土壤與外界的接觸面積，增加蒸發量，導致了同一土層深度裂縫區土壤含水量明顯小于非裂縫區。

4)采煤塌陷區裂縫對土壤含水量的平面分布有強烈的影響。0～60 cm各土層土壤含水量高值區總是處在無裂縫區的植被覆蓋區，低值區處在裂縫寬度較大的區域或無植被區靠近寬裂縫處。