煤礦復墾排土場裂縫區土壤團聚體分布及穩定性

李葉鑫，呂 剛，王道涵，魏忠平

（1.沈陽工業大學 建筑與土木工程學院，沈陽 110870；2.遼寧工程技術大學環境科學與工程學院，遼寧 阜新 123000；3.遼寧省林業科學研究院，沈陽 110032）

0 引 言

【研究意義】煤炭是我國的主要能源，也是重要的工業原料。2018 年全國煤炭消費總量27.4 億t 標準煤，占全國一次能源消費總量的59%，預測2025年中國能源消費總需求為55 億～56 億t 標準煤，為我國全面建成小康社會、實現“兩個百年”奮斗目標和中華民族偉大復興的中國夢提供能源保障[1]。煤炭資源的開采不僅能夠帶來經濟的快速發展，也會產生嚴重的生態環境問題，其中以露天開采最為嚴重。我國大型煤礦多位于干旱半干旱地區的內蒙古高原、黃土高原及沙漠化地帶[2]，生態環境極其脆弱，其中大規模的露天開采活動會破壞當地的生態系統，形成不同的地貌單元，改變礦區及其周圍的土壤理化性質和水文平衡[3]。排土場是在露天開采過程中形成的平臺-邊坡相間的階梯寶塔狀巨型人工松散堆積體，作為礦區的一種典型地貌單元，具有坡度陡、坡長長的松散坡面和巖土壓實的平臺、物質組成復雜、孔隙發達、沉陷不均勻等特性[4]，其生態環境惡劣，降水量少且分布不均勻、蒸發量大，不利于植被的自然恢復。目前，土地復墾與人工植被構建是生態恢復的主要措施，也是最有效的恢復方法之一，其可通過整治改造使喪失的生產能力重新得到利用，有效地恢復受損的生態系統，從而提高生態系統的穩定性、防治水土流失、增強土壤水源涵養功能，被廣泛應用于礦區生態修復[5]。然而，排土場土地復墾與植被恢復后仍然存在較多的生態環境問題。由于排土場塌陷（塌陷盆地、塌陷坑）、冒落、沉陷、土體裂縫（Ground fissure, GF）等地質災害的發生，不僅改變排土場下墊面地形地貌，而且還能誘發潛蝕、管涌、崩塌、滑坡等水土流失次生災害[6]。因此，露天煤礦排土場的治理對于該區域的生態安全以及綠色礦山建設具有重要意義。

【研究進展】土壤團聚體是土壤結構的基本單元，是土壤中各種活動過程形成的基本結構單位[7]，在評價土壤肥力和影響土壤侵蝕等方面具有重要意義[8-9]。通常利用土壤大團聚體量、土壤平均質量直徑、幾何平均直徑以及分形維數等指標來評價土壤團聚體穩定性[10]。復墾排土場是一種典型的重構土體，經開挖、排棄、碾壓、復墾等工藝使得土壤團聚體遭到破壞，容易誘發嚴重的水土流失[11]。目前，已有一些學者開展了排土場土壤團聚體的相關研究。劉美英等[12]采用土壤團聚體穩定率、土壤團聚體結構破壞率、不穩定團粒指數評價采煤沉陷復墾區土壤水穩性團聚體的穩定性。王凱等[13]研究恢復年限、坡位、坡向對排土場土壤團聚體穩定性及分形維數的影響。劉鴻濤等[14]研究了風化煤和砒砂巖添加對晉陜蒙礦區排土場土壤團聚體特征的影響，指出風化煤和砒砂巖的添加可以改善排土場土壤團聚體及其土壤質地。【切入點】盡管目前對排土場土壤團聚體的研究取得一定的成果，但對于復墾排土場土壤團聚體內部狀況及其穩定性等方面的研究不夠深入，對于排土場土壤團聚體穩定性與土體裂縫的關系研究鮮見報道。排土場土體裂縫的出現會破壞土體連續性和完整性，改變土壤結構，尤其是土體裂縫區域及其附近復墾土壤，影響排土場水分入滲、地表徑流及產流產沙等多個水土流失過程。因此，研究排土場土體裂縫區土壤團聚體分布特征、穩定性及其與土體裂縫的關系對排土場植被恢復與重建具有重要意義。【擬解決的關鍵問題】基于此，本文以北方草原區露天煤礦排土場為研究對象，分析土體裂縫區土壤團聚體量、分布特征及分形特征，揭示土壤團聚體穩定性隨土層深度的變化規律，以期為排土場水土流失防治提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于內蒙古錫林郭勒盟錫林浩特市大唐國際勝利東二號露天煤礦南排土場，東經116°06'—116°14'，北緯44°02'—44°07'，根據《土地復墾質量控制標準》（TD/T1036—2013）[15]，研究區屬于北方草原區。該排土場位于礦區的東南部，總面積13.66 km2，屬中溫帶干旱半干旱氣候，年均氣溫1.7 ℃，年均降水量284.74 mm，主要集中在6—8 月，占全年降水量的71%以上，暴雨多發生在此3 個月內，7 月中旬到8 月中旬則更是暴雨集中頻發時段，多年平均24 h最大降水量為46.8 mm。年平均蒸發量1 794.6 mm，年均風速3.4 m/s，凍結期為10 月初—12 月上旬，解凍期為3 月末—4 月中旬，最大凍土深度2.89 m，土壤為典型栗鈣土。露天礦剝離采用單斗-卡車工藝，排土場采用履帶推土機排土。排土場位于采區南側，使用年限為20 a，排土場總排棄高度、臺階高度、平臺寬度依次為100、25、20 m，排土場容量為592×106m3，最終松散系數為1.15。為盡快恢復排土場的植被，平臺和邊坡復墾采取覆土措施（土壤質地為砂質壤土），平臺覆土厚度約為1 m，邊坡覆土厚度約為0.5 m，復墾植被有檸條（Caragana korshinskii）、沙柳（Salix psammophila）、沙棘（Hippophae rhamnoides）、沙打旺（Astragalus adsurgens）、草木樨（Melilotus officinalis）等灌木或草本。

1.2 研究方法

本試驗于2017 年8 月全面調查排土場1105 平盤（復墾年限為5 a）土體裂縫分布特征，測定每條土體裂縫的長度、寬度和深度，利用數理統計原理從中選取3 條典型土體裂縫（GFⅠ、GFⅡ、GFⅢ）作為研究對象，3 條土體裂縫位于排土場平臺前緣且相互之間無影響（圖1），土體裂縫長度、寬度、深度以及距排土場坡肩的距離詳見表1。

表1 排土場土壤物理性質Table 1 Soil physical properties in the dump

在每條土體裂縫上布設1 個土壤剖面，該剖面位于沿土體裂縫法線方向、距離裂縫10 cm 處，按照0～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60 cm 土層深度處分別采集土壤樣品，以測定土壤物理性質（表1）和不同徑級土壤團聚體量。土壤團聚體采用H.H.薩維諾夫法測定，即采用干篩法和濕篩法分別測定土壤團聚體特征，土壤篩孔徑為10、7、5、3、2、1、0.5、0.25 mm（干篩法）和5、3、2、1、0.5、0.25 mm（濕篩法），稱質量并計算各級團聚體占土樣總量的百分率，計算>0.25 mm 團聚體量（R>0.25）[16]、土壤團聚體結構破壞率（PAD）[17]、分形維數（D）[18]、平均重量直徑（MWD）[19]和幾何平均直徑（GWD）[19]，各個指標計算式為：

式中：Mi為土粒直徑

2 結果與分析

2.1 土壤團聚體量

土壤團聚體是土壤重要的組成部分，其分布特征會影響土壤孔隙結構、土壤有機質等土壤理化性質及土壤侵蝕過程，是評價土壤抗蝕性的重要指標[19]。由表2 可知，各個土體裂縫>0.25 mm 風干土團聚體量較低，主要集中在23.02%～42.70%，平均為34.64%；對于>0.25 mm 風干土團聚體，各個裂縫團聚體分布較均勻，GFⅢ裂縫的0～10 cm 土層量最高，GFⅢ裂縫的30～40 cm 土層量最低；不同裂縫>0.25 mm 風干土團聚體分布特征不同，GFⅠ裂縫0～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60 cm 土層>0.25 mm 團聚體量依次為30.47%、39.11%、37.22%、35.14%、33.91%、31.33%，GFⅡ裂縫依次為30.36%、34.76%、34.29%、36.75%、32.71%、38.24%，GFⅢ裂縫依次為42.7%、41.66%、35.12%、23.02%、32.71%、33.95%；3 個土體裂縫之間>0.25 mm 風干土團聚體無顯著差異（P>0.05），GFⅠ、GFⅡ、GFⅢ裂縫0～60 cm 土層>0.25 mm 風干土團聚體量依次為34.53%、34.52%、34.86%。通過濕篩法得土壤水穩性團聚體量可直接反映降水、徑流作用下的團聚體水穩定性特征，各個裂縫>0.25 mm 水穩性團聚體量明顯低于風干土團聚體量，主要集中在16.9%～29.52%，平均為25.15%，這是由于土壤大團聚體在降水及地表徑流等水分作用下被分散為粒徑較小的團聚體，更容易被侵蝕沖刷。不同裂縫>0.25 mm 水穩性團聚體分布特征不同，GFⅠ裂縫0～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60 cm 土層>0.25 mm 水穩性團聚體量依次為22.20%、24.96%、26.70%、27.84%、25.60%、24.26%，GFⅡ裂縫依次為23.66%、26.22%、26.62%、28.24%、26.00%、28.68%，GFⅢ裂縫依次為26.80%、29.52%、25.30%、16.90%、23.00%、20.18%；3 個土體裂縫之間>0.25 mm水穩性團聚體無顯著差異（P>0.05），但顯著小于>0.25 mm 風干土團聚體量，GFⅠ、GFⅡ、GFⅢ裂縫0～60 cm 土層>0.25 mm 水穩性團聚體量依次為25.26%、26.57%、23.62%。

表2 土壤團聚體量Table 2 Soil aggregate content

2.2 土壤團聚體結構破壞率

土壤團聚體結構破壞率反映了團聚體遇水后的破壞程度，其數值越大，破壞越嚴重，土壤結構越不穩定[20]。由圖2 可知，0～60 cm 土層范圍GFⅠ裂縫土壤團聚體結構破壞率為20.77%～36.17%，GFⅡ裂縫為20.52%～25.00%，GFⅢ裂縫為26.58%～40.56%，GFⅢ裂縫顯著大于GFⅠ裂縫和GFⅡ裂縫（P<0.05）（20 cm除外），說明裂縫形態特征和發育程度會顯著影響土壤團聚體穩定性，土體裂縫在發育、擴張的過程會降低土壤結構，破壞土壤團聚體，是穩定的大團聚體在外力作用下分解為細小顆粒或微團聚體，這與劉美英等[12]研究結果類似。GFⅢ裂縫土壤團聚體遇水后破壞程度最大，團聚體穩定性最差，這與風干土和水穩性團聚體研究結果相一致，而GFⅠ裂縫和GFⅡ裂縫土壤團聚體相對穩定，在降水和沖刷條件下不容易被侵蝕。隨著土層深度的增加，GFⅠ裂縫和GFⅡ裂縫土壤團聚體結構破壞率表現為先增大后減小最后略有增加的變化趨勢，即0～30 cm 土層土壤團聚體結構破壞率高于30～60 cm 土層，說明裂縫的形成與發育會降低土壤團聚體穩定性，在雨水作用下容易分散為顆粒較小的團聚體及顆粒，容易形成水土流失；同時，裂縫的出現會造成部分地表徑流匯集、積累、儲存，土壤團聚體在水分的浸泡作用下被剝離、流失，進一步加劇土體裂縫的崩塌、擴張，為徑流貯存提供更大的空間，2 個過程相互促進，加劇水土流失。GFⅢ裂縫則表現為先減小后增大的變化趨勢，其過程可以用拋物線方程很好的描述，20～30 cm 和30～40 cm 土層土壤團聚體結構破壞率為27.96%和26.58%；0～30 cm 土層范圍內土壤團聚體結構破壞率呈減小的變化趨勢，但其數值也大于GFⅠ裂縫和GFⅡ裂縫，說明該土層土壤團聚體十分不穩定。在30 cm 土層以下，3 個裂縫土壤團聚體結構破壞率均呈增加的變化趨勢，這可能是由于地表徑流進入深層土壤，降低土壤團聚體穩定性。對于3 個裂縫不同土層深度處的團聚體結構破壞率無顯著差異（P>0.05），0～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60 cm 土壤團聚體結構破壞率依次為28.81%、29.96%、26.19%、23.50%、24.91%、29.38%。

圖2 土壤團聚體結構破壞率Fig.2 Percentage of aggregate destruction

2.3 土壤團聚體分形維數

土壤分形維數是反映土壤結構幾何形狀的參數，土壤黏粒量越高，土壤分形維數越大。土壤團聚體的分形維數反映了土壤水穩性團聚體及水穩性大團聚體量對土壤結構與穩定性的影響趨勢，即團粒結構粒徑分布的分形維數越小，則土壤越具有良好的結構與穩定性[21]。由圖3 可知，3 個裂縫土壤風干土團聚體分形維數為2.847～2.919，不同裂縫之間有所不同。GFⅠ裂縫風干土團聚體分形維數為2.859～2.892，平均為 2.879，GFⅡ裂縫風干土團聚體分形維數為2.85～2.891，平均為2.876，GFⅢ裂縫風干土團聚體分形維數為2.847～2.919，平均為2.878，總體表現為GFⅠ裂縫>GFⅢ裂縫>GFⅡ裂縫，但3 個裂縫之間的風干土團聚體穩定性無顯著差異；由土體裂縫寬度可知，GFⅠ、GFⅡ、GFⅢ裂縫表層土體裂縫寬度依次為9.85、2.86、5.77 cm，其變化規律與風干土團聚體穩定性相一致，說明裂縫寬度越大、裂縫發育越明顯，土壤團聚體穩定性越差，對團聚體穩定性影響越顯著。3 個裂縫土壤水穩性團聚體分形維數為2.898～2.942，與風干土團聚體分形維數相比有所增大，這主要是由于團聚體遇水后分解為小團聚體或更為細小的土壤顆粒，土壤團聚體穩定性也有所降低。GFⅠ裂縫水穩性團聚體分形維數為2.905～2.921，平均為2.912，GFⅡ裂縫水穩性團聚體分形維數為2.898～2.912，平均為 2.907，GFⅢ裂縫水穩性團聚體分形維數為2.907～2.942，平均為2.922，總體表現為GFⅢ裂縫>GFⅠ裂縫>GFⅡ裂縫，這一變化規律與風干土團聚體分形維數有所不同，這是由于GFⅢ裂縫>0.25 mm 風干土團聚體量偏高，遇水后形成較多的細小顆粒，增大土壤分形維數。GFⅡ裂縫水穩性團聚體分形維數最小，說明在同等降雨或地表徑流沖刷條件下，其土壤團聚體穩定性相對較好，不易發生水土流失，這與該裂縫寬度較小關系密切。與風干土團聚體相比，水穩性團聚體分形維數有所增加，但其增加幅度較小，GFⅠ、GFⅡ裂縫和GFⅢ裂縫土壤分形維數的增加量分別為0.023～0.053、0.02～0.048、0.022～0.068，增加幅度為0.8%～1.85%、0.69%～1.68%、0.75%～2.39%，其中GFⅢ裂縫土壤分形維數的增加幅度最大，為1.52%，GFⅡ裂縫增加幅度最小，僅為1.08%，但總體上3 個裂縫土壤分形維數的增大幅度均較小。無論是風干土團聚體還是水穩性團聚體，3 個裂縫土壤分形維數均較大，接近3，說明土壤團聚體以小團聚體或細小顆粒為主，這與風干土團聚體和水穩性團聚體的研究結果一致；水穩性大團聚體量對土壤結構及其穩定性的影響較小，裂縫區土壤團聚體穩定性較差，不具有良好的土壤結構與穩定性，遇水后容易形成細小顆粒。

圖3 土壤團聚體分形維數特征Fig.3 Fractal dimension characteristics of soil aggregates

2.4 土壤團聚體穩定性

土壤團聚體平均重量直徑（MWD）和幾何平均直徑（GMD）是評價土壤團聚體穩定性的2 個重要指標，受到外界破壞和崩解作用下，土壤團聚體MWD和GMD越大，土壤團聚體穩定性越大，土壤抗侵蝕能力越強[22]。由圖4 可知，土壤團聚體的MWD和GMD具有相同的變化規律，0～60 cm 土層范圍內3 個裂縫風干土團聚體的MWD和GMD均表現為GFⅢ裂縫>GFⅠ裂縫>GFⅡ裂縫，其中GFⅠ、GFⅡ、GFⅢ裂縫風干土團聚體的MWD依次為1.11、1.05、1.28 mm，風干土團聚體的GMD依次為0.45、0.44、0.49 mm；3 個裂縫水穩性團聚體的MWD和GMD均表現為GFⅡ裂縫>GFⅢ裂縫>GFⅠ裂縫，其中GFⅠ、GFⅡ、GFⅢ裂縫水穩性團聚體的MWD依次為0.67、0.73、0.72 mm，水穩性團聚體的GMD依次為0.36、0.38、0.37 mm，均表現為GFⅡ裂縫大于GFⅠ裂縫和GFⅡ裂縫，說明GFⅡ裂縫土壤具有較好的土壤結構和土壤穩定性，土壤抗侵蝕能力較強，這與前面的分析結果相一致。表層0～10 cm 土層的風干土團聚體和水穩性團聚體的MWD和GMD均相對較小，說明表層土壤抗侵蝕性能較差。風干土團聚體的MWD和GMD均小于水穩性團聚體，這與前文研究結果一致。

圖4 土壤團聚體穩定性特征Fig.4 Soil aggregate stability characteristics

根據土壤水穩性團聚體MWD數值對土壤團聚體穩定性進行分級[23-24]：極不穩定（MWD<0.4），不穩定（0.4≤MWD<0.8），穩定（0.8≤MWD<1.3），較穩定（1.3≤MWD<2.0），極穩定（MWD≥2.0）。由圖4可知，GFⅠ裂縫0～10、10～20、20～30、40～50、50～60 cm 土壤水穩性團聚體處于不穩定水平，GFⅡ裂縫0～10、10～20、20～30、40～50 cm 土壤水穩性團聚體處于不穩定水平，GFⅢ裂縫20～30、30～40、40～50、50～60 cm 土壤水穩性團聚體處于不穩定水平，GFⅠ裂縫30～40 cm、GFⅡ裂縫30～40 cm 和50～60 cm、GFⅢ裂縫0～10 cm 和10～20 cm 土壤水穩性團聚體處于穩定水平，大部分土層土壤水穩性團聚體處于不穩定水平，這與裂縫的形成與發育有關。

3 討 論

排土場是一種典型的礦山工程擾動土，其復墾土壤是由人為方式通過不同重構工藝構成的復雜整體[25]，在開挖-堆棄-壓實-重構等作用下其土壤孔隙度[26]、土壤體積質量[27-28]、土壤團聚體[29]、土壤水文過程[3]均發生明顯改變，土壤團聚體量及其穩定性可以直接反映排土場重構土壤的結構狀況和質量，對區域水循環及土壤侵蝕過程具有重要影響。呂剛等[9]對比分析不同復墾模式條件下團聚體的穩定性。唐駿等[11]研究了植被恢復對排土場土壤團聚體的影響，分析土壤團聚體指標與有機碳和黏粒量的相關性，提出植被恢復類型和地形對排土場土壤團聚體影響顯著。然而，以往研究多以復墾排土場不同植被類型土壤團聚體分布特征為主，并未涉及到塌陷、冒落、沉陷、土體裂縫等作用對土壤團聚體穩定性的影響。土體裂縫的形成與發育不僅改變排土場下墊面微地形，也會降低土壤團聚體穩定性，而土壤團聚體的破碎與分散又進一步加劇土體裂縫擴張，2 個過程相互促進、發展。盡管土體裂縫數量較少、分布集中，但其發生位置多位于排土場平臺前緣[30]，是排土場滑坡或泥石流危害發生的前兆[31]，對于防治排土場土壤侵蝕具有重要意義[6]。因此，在今后的研究中可將排土場土體裂縫區域土壤團聚體作為研究對象，監測土體裂縫發育過程與土壤團聚體穩定性的動態變化，明確二者的定量關系，以期為露天煤礦排土場土地復墾與水土流失防治提供科學依據。

4 結 論

1）各個土體裂縫>0.25 mm 風干土團聚體量較低，其數值為23.02%～42.70%，且各個裂縫之間無顯著差異；>0.25 mm 水穩性團聚體量明顯低于風干土團聚體量。

2）3 個土體裂縫土壤團聚體結構破壞率較大，0～30 cm 土層土壤團聚體結構破壞率高于30～60 cm土層，說明裂縫的形成與發育會降低土壤團聚體穩定性，容易形成嚴重的水土流失。

3）土壤風干土團聚體和水穩性團聚體的分形維數均表現為GFⅡ裂縫最小，土體裂縫寬度越大、裂縫發育越明顯，土壤團聚體穩定性越差；與風干土團聚體相比，水穩性團聚體的分形維數有所增大，這主要是遇水后降低了土壤團聚體穩定性，形成更多的細小顆粒。

4）土壤團聚體的MWD和GMD具有相同的變化規律；大部分土層土壤水穩性團聚體處于不穩定水平，這與裂縫的形成與發育有關；GFⅡ裂縫土壤具有較好的土壤結構和土壤穩定性，土壤抗侵蝕能力較強。

（作者聲明本文無實際或潛在的利益沖突）