風(fēng)沙區(qū)采煤塌陷對(duì)沙質(zhì)地貌及植被生境的影響

由 洋, 田 鵬, 楊雯錦, 胡 玥, 張夢(mèng)琦, 申衛(wèi)博,4, 趙國(guó)平

(1.陜西延長(zhǎng)石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司研究院, 西安 710075; 2.西北農(nóng)林科技大學(xué)化學(xué)與藥學(xué)院, 陜西 楊凌 712100; 3.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院, 陜西 楊凌 712100; 4.中國(guó)科學(xué)院 水利部水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 楊凌 712100; 5.陜西省林業(yè)科學(xué)院黃土高原水土保持與生態(tài)修復(fù)國(guó)家林業(yè)局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 西安 710082; 6.陜西省陜北礦區(qū)生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 榆林 719000)

毛烏素沙地地處我國(guó)北方的晉陜寧蒙接壤區(qū)，是長(zhǎng)城沿線典型的干旱半干旱農(nóng)牧交錯(cuò)帶和風(fēng)水蝕復(fù)合侵蝕的過(guò)渡區(qū)，也是京津風(fēng)沙源二期治理工程西線源最重要的生態(tài)控制區(qū)[1-3]，其生態(tài)區(qū)位非常重要。經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)治理，重點(diǎn)治理區(qū)的林草覆蓋度增幅達(dá)30%以上，生物多樣性日益豐富，局部的生態(tài)環(huán)境逐步好轉(zhuǎn)，形成了固定與半固定沙丘為主的稀樹(shù)草原景觀，荒漠化擴(kuò)展的局勢(shì)得到基本控制。但該區(qū)又地處中國(guó)的八大煤田之一的神府煤田腹地，是中國(guó)西部唯一的國(guó)家級(jí)能源重化工基地和特大型煤礦開(kāi)采開(kāi)發(fā)區(qū)，為中國(guó)一個(gè)典型的煤炭富集與干旱半干旱生態(tài)脆弱區(qū)相互疊加區(qū)域，資源的開(kāi)發(fā)利用與生態(tài)環(huán)境保護(hù)的矛盾十分突出[4]。特別是伴隨著近年來(lái)煤炭開(kāi)采、開(kāi)發(fā)的進(jìn)程加快(2018年煤炭產(chǎn)量超過(guò)4億t)，采煤塌陷引起“二次荒漠化”現(xiàn)象逐漸顯現(xiàn)[1-2]。截至2018年，形成的煤炭采空區(qū)和塌陷區(qū)面積達(dá)到3 000 km2以上，約占整個(gè)榆林沙區(qū)的13.64%。其中，產(chǎn)生明顯塌陷裂縫面積約為2 000 km2，活化固定、半固定沙丘1 000 km2以上，約占整個(gè)榆林沙區(qū)的4.60%。采煤塌陷形成的地表裂縫、塌陷錯(cuò)落(陡崖、陡坎、陡坡沿一些近似垂直的破裂面發(fā)生整體下坐位移)，造成地表扭曲，土壤內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，大量的植被發(fā)生位移而枯萎死亡，引起沙丘“二次活化”，嚴(yán)重制約了經(jīng)濟(jì)社會(huì)的進(jìn)一步發(fā)展。多年來(lái)這里一直是我國(guó)北方荒漠化研究的重點(diǎn)地區(qū)[5-12]，解決了因荒漠化擴(kuò)展而導(dǎo)致的系列生態(tài)問(wèn)題，但就采煤塌陷區(qū)的生態(tài)恢復(fù)與治理而言，僅僅處于起步階段。為了探究風(fēng)沙區(qū)采煤塌陷引起的“二次活化”與治理對(duì)策，采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，對(duì)塌陷邊緣、塌陷中部及塌陷盆地引發(fā)的沙質(zhì)地表變化、植被的位移及傾斜、干沙層變化及風(fēng)蝕/風(fēng)積情況進(jìn)行詳細(xì)的研究，并對(duì)塌陷區(qū)的土地退化及植被生境變化進(jìn)行診斷和整治對(duì)策探討，為礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)、土地復(fù)墾工程提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西省榆林市北部和內(nèi)蒙古鄂爾多斯市東南部接壤地區(qū)，大地構(gòu)造屬于華北地臺(tái)的鄂爾多斯臺(tái)向斜，主要地層有含煤層系侏羅系、白堊系泥巖、沉積砂巖以及第四紀(jì)風(fēng)積沙層。地貌類型多為固定、半固定星月型沙丘，相對(duì)高度5～10 m，植被類型主要以人工栽植的沙柳、楊樹(shù)、楊柴、花棒及檸條為主，煤炭開(kāi)采前植被蓋度為20%～30%。年平均溫度7.3℃，年均降水量368.2 mm，蒸發(fā)量1 319 mm，降水變率大，春季80%保證率的降水量?jī)H12 mm，干燥度1.3以上；年均風(fēng)速3.6 m/s，最大風(fēng)速24 m/s，起沙風(fēng)向以西北風(fēng)和偏北風(fēng)為主，尤其是在春季，不僅干旱少雨、地表干燥，而且大風(fēng)最為頻繁，最高風(fēng)速可高達(dá)20～25 m/s以上。

目前，本區(qū)域經(jīng)過(guò)多年的煤炭開(kāi)采，地表沉陷明顯(圖1)，最大沉陷達(dá)200 cm以上，塌陷裂縫交錯(cuò)廣布，最大裂縫寬度達(dá)120 cm，最小1 cm，塌陷錯(cuò)落高度為5～150 cm。植被的最大位移達(dá)100 cm以上，導(dǎo)致大量人工植被死亡，沙質(zhì)土壤容重減小，為1.5～1.6 g/cm3。地表破損率為40%～60%，風(fēng)蝕風(fēng)積面積達(dá)50%以上，植被蓋度下降到20%以下，風(fēng)沙活動(dòng)頻繁，近一半沙丘活化，沙區(qū)“二次”荒漠化的現(xiàn)象日益顯現(xiàn)。

圖1 研究區(qū)塌陷區(qū)

2 研究方法

2.1 塌陷裂縫調(diào)查

2017年3月—2018年11月，選擇采煤塌陷1～2 a的塌陷區(qū)，在塌陷邊緣、塌陷中部及塌陷盆地等典型地段(圖2)，隨機(jī)選取5個(gè)10 m×10 m的樣方，調(diào)查塌陷裂縫寬度(W)、裂縫錯(cuò)落高度(H)、裂縫密度(Pss)及地表破損率(Iss)等。其中，裂縫密度用單位面積的裂縫條數(shù)表示，單位為條/m；地表破損率用地表破損面積占單位面積的百分比表示。

圖2 塌陷區(qū)樣點(diǎn)選擇示意圖

2.2 植被位移及傾斜情況調(diào)查

在三大樣地中，調(diào)查塌陷區(qū)代表性喬木楊樹(shù)及灌木沙柳的地表位移長(zhǎng)度(L)、傾斜程度(k)及1 a后主干根部風(fēng)蝕/風(fēng)積厚度(G)。風(fēng)蝕用“-”表示，風(fēng)積用“+”表示，傾斜程度用斜率(k)表示。

2.3 塌陷區(qū)干沙層變化調(diào)查

在相同樣地內(nèi)，隨機(jī)選擇3個(gè)測(cè)點(diǎn)，用剖面法測(cè)量干沙層厚度(D)，重復(fù)3次。

2.4 風(fēng)蝕/風(fēng)積率調(diào)查

在同一樣地中，重復(fù)3次，調(diào)查塌陷后風(fēng)蝕/風(fēng)蝕率變化，即單位面積內(nèi)整個(gè)風(fēng)蝕/風(fēng)積面積占總面積百分比，用Wss表示。

3 結(jié)果與分析

3.1 采煤塌陷對(duì)微地貌影響

采煤塌陷后形成的塌陷邊緣、塌陷中部及塌陷盆地，裂縫縱橫交錯(cuò)，沙質(zhì)地表變得支離破碎，形成了大小不一、層次錯(cuò)落的裂縫(圖3)。據(jù)分析，塌陷裂縫寬度及錯(cuò)落與塌陷位置具有很大的差異性，從4條隨機(jī)抽樣的塌陷裂縫統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明：塌陷邊緣裂縫寬度變化為(2.6±0.3)～(4.1±0.2)cm，平均寬度為(3.9±0.25)cm；塌陷中部為(5.2±0.2)～(7.3±0.1)cm，平均為(6.6±0.15)cm；而塌陷盆地則變化為(9.3±0.1)～(12.5±0.2)cm，平均為(10.9±0.15)cm，裂縫的平均寬度增加了2.75倍(圖3A)。總體表現(xiàn)出塌陷邊緣寬度最小，塌陷中部次之，塌陷盆地最大，而錯(cuò)落高度的變化則反之，從塌陷盆地到塌陷邊緣，其裂縫平均錯(cuò)落增大了6.23倍(圖3B)。采煤塌陷形成的塌陷裂縫變化使原本得到固定、半固定沙丘可能引發(fā)“二次”風(fēng)蝕或風(fēng)積情況，甚至進(jìn)一步干擾植被的生長(zhǎng)環(huán)境。

圖3 塌陷裂縫變化

同理，采煤塌陷位置不同，其形成的裂縫密度和地表破損率也有所不同(表1)，從塌陷邊緣到塌陷盆地裂縫密度依次增大，分別為0.29，0.37，0.58條/m，而單位面積地表破損率則不斷地減小，為0.60，0.50，0.40。這是由于采煤塌陷時(shí)重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，塌陷邊緣更容易造成局部的滑坡或崩塌，結(jié)合分析結(jié)果可知，塌陷邊緣裂縫寬度雖小，但錯(cuò)落高度相對(duì)較大，土壤內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生嚴(yán)重變化，因而使地表遭到的破壞最為強(qiáng)烈，這種現(xiàn)象往往會(huì)導(dǎo)致植被發(fā)生位移、剪切，甚至拉傷根系，對(duì)植被的生長(zhǎng)損壞最為嚴(yán)重；而塌陷中部和塌陷盆地則反之，造成裂縫寬度逐漸增大，裂縫密度增多，但錯(cuò)落高度和地表破損程度反而進(jìn)一步減小，對(duì)植被造成的影響也相應(yīng)減小。

表1 10 m×10 m樣方塌陷裂縫密度及地表破損情況

3.2 采煤塌陷對(duì)植被的影響

由以上分析可知，當(dāng)采煤發(fā)生塌陷時(shí)，地表會(huì)形成塌陷裂縫和錯(cuò)落，導(dǎo)致區(qū)域喬灌木發(fā)生不同的位移、傾斜。表2—3樣方調(diào)查中，為隨機(jī)選擇塌陷區(qū)兩個(gè)主要建群種楊樹(shù)和沙柳在不同的塌陷位置發(fā)生的位移長(zhǎng)度、傾斜程度及1 a后主干根部出露地表的風(fēng)蝕/風(fēng)積厚度統(tǒng)計(jì)變化。

表2 10 m×10 m樣方楊樹(shù)位移長(zhǎng)度及影響

表3 10 m×10 m樣方沙柳位移長(zhǎng)度及影響

由表2—3可以看出，不同塌陷位置的楊樹(shù)和沙柳位移長(zhǎng)度和斜率均有所不同，塌陷邊緣楊樹(shù)最大位移長(zhǎng)度甚至達(dá)到110 cm以上，沙柳為85 cm左右，塌陷中部為53.34，42.11 cm，而塌陷盆地最大位移僅為12.66，7.36 cm。同理，楊樹(shù)的傾斜率以塌陷邊緣為最大，達(dá)到1.73～5.67，塌陷中部3.73～11.43，而塌陷盆地基本未發(fā)生傾斜(表2)。據(jù)分析，植被的位移長(zhǎng)度與塌陷裂縫錯(cuò)落高度呈線性正相關(guān)關(guān)系，錯(cuò)落高度越大，植被的位移長(zhǎng)度也越大，其傾斜的程度也越高。

地表塌陷后沙質(zhì)地表變得更加疏松，且伴隨著喬灌木的位移和傾斜，在風(fēng)的作用，引發(fā)一定程度的風(fēng)蝕/風(fēng)積現(xiàn)象，從而導(dǎo)致根系外露或者堆積，對(duì)植被的生長(zhǎng)造成一定的影響(表2—3)。由于喬灌木樹(shù)種的防沙的特性不同，楊樹(shù)更容易在主干根部發(fā)生風(fēng)蝕現(xiàn)象，最大風(fēng)蝕發(fā)生在塌陷邊緣，達(dá)到-30.52 cm左右，而塌陷盆地最小，約為-5.36 cm(表2)。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，在塌陷邊緣位置，大多數(shù)楊樹(shù)主根周圍2 m范圍內(nèi)，根系裸露非常嚴(yán)重，對(duì)楊樹(shù)的生長(zhǎng)影響很大，而塌陷中部和塌陷盆地影響相對(duì)較小，只有部分根系外露，對(duì)植被的生長(zhǎng)影響相對(duì)較小；沙柳由于根部多枝叢生，容易阻攔風(fēng)沙，在3個(gè)不同的塌陷位置均出現(xiàn)風(fēng)積現(xiàn)象，以塌陷盆地最大，塌陷中部次之，塌陷邊緣最小，最大風(fēng)積厚度分別為+25.41，+12.32，+10.21 cm(表3)，對(duì)沙柳的生長(zhǎng)反而起到一定的促進(jìn)作用。

3.3 采煤塌陷對(duì)干沙層及風(fēng)蝕/風(fēng)積的影響

采煤塌陷后，地表變得支離破碎，引起沙質(zhì)地表干沙層厚度發(fā)生變化，對(duì)塌陷區(qū)不同位置18個(gè)樣點(diǎn)隨機(jī)抽樣干沙層等值線變化見(jiàn)圖4。非塌陷時(shí)，沙質(zhì)地表基本為一個(gè)封閉的整體，干沙層的厚度變化與土壤蒸發(fā)有直接的關(guān)系，通常的影響因素有土壤結(jié)構(gòu)、土壤表面特征及地形因子[1-2]。據(jù)分析，3個(gè)隨機(jī)的抽樣點(diǎn)18個(gè)剖面的干沙層變化穩(wěn)定在6—10 cm(圖4B)，遵循丘頂干沙層較厚，丘間干沙層相對(duì)較薄的規(guī)律，這符合毛烏素沙地一般沙丘干沙層變化規(guī)律[1-2]。

圖4 不同塌陷位置的干沙層變化

采煤塌陷后，塌陷導(dǎo)致沙質(zhì)土壤變得更加疏松，結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，表面形成塌陷裂縫和錯(cuò)落，促使塌陷區(qū)不同位置干沙層厚度普遍增加，且在圖中等值線表現(xiàn)出非常紊亂，高低不一，已不符合沙區(qū)干沙層變化規(guī)律。3個(gè)隨機(jī)的抽樣點(diǎn)18個(gè)剖面的平均厚度達(dá)11.10 cm，比非塌陷增大了37.50%。這種變化尤其表現(xiàn)在塌陷邊緣最為明顯，其干沙層厚度甚至達(dá)到在14 cm以上(圖4B)，比對(duì)照增大了4～6 cm；而塌陷中部和塌陷盆地的干沙層厚度相對(duì)較小，變化在11 cm左右，比非塌陷增加了1～4 cm。

干沙層的這種變化，將會(huì)直接導(dǎo)致塌陷區(qū)不同位置的風(fēng)蝕/風(fēng)積面積發(fā)生變化(表4)。采煤塌陷后形成的塌陷邊緣、塌陷中部及塌陷盆地，在風(fēng)的作用下都有不同程度的風(fēng)蝕/風(fēng)積現(xiàn)象出現(xiàn)，但是綜合來(lái)看以塌陷邊緣最為明顯，主要以風(fēng)蝕現(xiàn)象為主，平均風(fēng)蝕率高達(dá)83.34%，塌陷中部次之，為52.06%，而塌陷盆地則由風(fēng)蝕轉(zhuǎn)為風(fēng)積現(xiàn)象，風(fēng)積率高達(dá)51.84%(表4)。這說(shuō)明采煤塌陷產(chǎn)生的塌陷裂縫和錯(cuò)落，改變了局部的地形地貌，間接增加了與空氣的接觸面積，土壤蒸發(fā)量增大，導(dǎo)致沙質(zhì)土壤進(jìn)一步的旱化，風(fēng)蝕/風(fēng)積面積逐漸擴(kuò)張，進(jìn)而影響植被的生長(zhǎng)。

表4 塌陷區(qū)不同位置的風(fēng)蝕/風(fēng)積率變化

3.4 “二次”荒漠化診斷與整治對(duì)策

由以上分析可知，采煤塌陷后會(huì)引起一系列的連鎖反應(yīng)，首先是在內(nèi)營(yíng)力塌陷重力影響下地表產(chǎn)生裂縫和錯(cuò)落，造成不同塌陷位置的裂縫縱橫和地表破損，引發(fā)喬灌木位移和傾斜。在外營(yíng)力風(fēng)的作用下，植物體周圍發(fā)生風(fēng)蝕或風(fēng)積，促使植被根系外露，逐漸喪失防風(fēng)固沙的能力，進(jìn)一步地塌陷，風(fēng)蝕/風(fēng)積面積擴(kuò)大，直接影響植物的生長(zhǎng)，從而導(dǎo)致固定半固定沙丘重新活化，最終形成塌陷區(qū)“二次”荒漠化(圖5)。

圖5 塌陷“二次”荒漠化診斷及整治對(duì)策

因此，采煤塌陷后應(yīng)該及時(shí)地進(jìn)行分區(qū)生態(tài)修復(fù)，避免引起整個(gè)塌陷區(qū)的“二次”荒漠化，建議在塌陷邊緣經(jīng)過(guò)裂縫土地整治和工程(沙障)措施后，進(jìn)行植被的恢復(fù)與重建；塌陷中部做適當(dāng)改造(平茬形成活沙障)后，進(jìn)行人工促進(jìn)生態(tài)修復(fù)；而對(duì)塌陷盆地則進(jìn)行適當(dāng)?shù)母脑旌螅庥晕疑鷳B(tài)修復(fù)。

4 討論與結(jié)論

(1) 裂縫寬度和密度呈現(xiàn)塌陷邊緣裂縫<塌陷中部<塌陷盆地的規(guī)律，而錯(cuò)落高度和單位面積地表破損率從塌陷邊緣到塌陷盆地逐漸減小。總之，塌陷邊緣的裂縫寬度和密度雖小，但錯(cuò)落高度和單位地表破損率較高，導(dǎo)致其裸露地表的面積較大，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)突出。此外，塌陷區(qū)干沙層厚度平均達(dá)11.10 cm，其中塌陷邊緣干沙層較厚，達(dá)到在14 cm以上。采煤塌陷后形成不同程度的風(fēng)蝕/風(fēng)積現(xiàn)象出現(xiàn)，但以塌陷邊緣最為明顯，平均風(fēng)蝕率高達(dá)83.34%，塌陷中部次之。此外，塌陷盆地則由風(fēng)蝕轉(zhuǎn)為風(fēng)積現(xiàn)象，風(fēng)積率高達(dá)51.84%。

(2) 整體來(lái)說(shuō)，楊樹(shù)和沙柳最大位移長(zhǎng)度從塌陷邊緣到塌陷盆地逐漸減小，且楊樹(shù)最大位移長(zhǎng)度大于沙柳。植被的位移長(zhǎng)度與塌陷裂縫錯(cuò)落高度呈線性正相關(guān)關(guān)系，錯(cuò)落高度越大，植被的位移長(zhǎng)度也越大，其傾斜的程度也越高。此外，楊樹(shù)主干根部最大風(fēng)蝕發(fā)生在塌陷邊緣，達(dá)到-30.52 cm左右，而塌陷盆地最小，約為-5.36 cm。沙柳在3個(gè)不同的塌陷位置均出風(fēng)積現(xiàn)象，以塌陷盆地最大，塌陷中部次之，塌陷邊緣最小，最大風(fēng)積厚度分別為+25.41 cm，+12.32 cm，+10.21 cm，對(duì)沙柳的生長(zhǎng)反而起到一定的促進(jìn)作用。

(3) 總之，塌陷邊緣對(duì)沙質(zhì)地表和植被生境影響最為強(qiáng)烈，為生態(tài)修復(fù)的重點(diǎn)區(qū)域，而塌陷中部次之，而塌陷盆地為最小。建議：采煤塌陷后應(yīng)該及時(shí)地進(jìn)行分區(qū)生態(tài)修復(fù)，對(duì)癥下藥，在塌陷邊緣經(jīng)過(guò)土地整治和工程(沙障)措施后，進(jìn)行植被的恢復(fù)與重建；塌陷中部做適宜改造后，進(jìn)行人工促進(jìn)生態(tài)修復(fù)；而對(duì)塌陷盆地則進(jìn)行適當(dāng)?shù)母脑旌螅庥晕疑鷳B(tài)修復(fù)即可。