神府-東勝采煤塌陷區(qū)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(huán)境學院,454003,河南焦作；2.中原經(jīng)濟區(qū)煤層(頁巖)氣河南省協(xié)同創(chuàng)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(chǎn)和消耗中，煤炭占70%以上[1]，且煤炭的能源支柱作用短期內(nèi)不會改變[2]。大規(guī)模的煤炭開采改變了礦區(qū)水文地質(zhì)條件，造成大面積塌陷，出現(xiàn)地裂縫、塌陷坑、塌陷洞等，嚴重破壞土體結(jié)構(gòu)，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?shù)厣鷳B(tài)環(huán)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(qū)和非塌陷區(qū)的土壤含水量，分析了塌陷區(qū)土壤含水量分布特征，但少見針對塌陷區(qū)內(nèi)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(qū)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(qū)與非裂縫區(qū)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(qū)裂縫對土壤水的影響，為礦區(qū)土地復墾及生態(tài)環(huán)境治理提供基礎(chǔ)理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于神府-東勝煤田石圪臺礦區(qū)[11]。石圪臺煤礦東西長10 km，南北寬8.5 km，礦區(qū)面積65.25 km2，地質(zhì)儲量8.35億t，其中可開采量6.62億t。礦區(qū)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(qū)，沙丘連綿，地形相對平緩；南部丘陵溝壑區(qū)，梁峁相間分布，地形東高西低[12]。礦區(qū)內(nèi)主要水系為烏蘭木倫河，年徑流量0.38億～5.25億m3。氣候?qū)俦睖貛Ц珊蛋敫珊荡箨懶詺夂颍募纠錈岫嘧?，日夜溫差懸殊，多年平均降雨量約為400 mm，蒸發(fā)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(qū)選取100 m×100 m區(qū)域作為試驗區(qū)，區(qū)內(nèi)包括裂縫區(qū)、有植被覆蓋的非裂縫區(qū)和無植被覆蓋的非裂縫區(qū)。在實驗區(qū)內(nèi)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(qū)布點26個，其中有植被區(qū)7個，無植被區(qū)19個，裂縫區(qū)布點10個。根據(jù)塌陷裂縫邊界及植被區(qū)與無植被區(qū)分界情況，補充10個測點(B1～B10)。在塌陷區(qū)不同寬度裂縫處(8、4、3、2和1 cm)和非裂縫區(qū)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(nèi)的0、10、20、30、40、50和60 cm等7個土層分別用環(huán)刀取樣，每層重復取樣3個，最后實驗室測定結(jié)果取平均值。共采取土壤樣品1 092個置于鋁盒中，現(xiàn)場用精度為0.01 g的電子秤稱量密封并記錄數(shù)據(jù)。

圖1 實驗區(qū)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(tǒng)統(tǒng)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(shù)據(jù)進行正態(tài)性檢驗。在此基礎(chǔ)上，利用地統(tǒng)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(qū)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(jié)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(shù)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(nèi)，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(tǒng)計值

4 采煤塌陷區(qū)土壤含水量空間分布特征

4.1 垂向變化特征

由于土壤結(jié)構(gòu)的非均質(zhì)性以及含水量受土壤結(jié)構(gòu)、質(zhì)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(qū)土壤塌陷和大量裂縫的出現(xiàn)，破壞土體結(jié)構(gòu)，進而影響土壤的孔隙度，對土壤含水量的分布產(chǎn)生較大影響[17]。從表2和表3裂縫區(qū)和非裂縫區(qū)0～60 cm不同深度下的土壤含水量特征值可以看出，裂縫區(qū)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(qū)和非裂縫區(qū)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(qū)地處干旱半干旱地區(qū)蒸發(fā)作用強烈所致；而地表以下(10～60 cm)的土壤層，歷經(jīng)雨季后水分下滲到土壤深層，地表以下土壤中蒸發(fā)作用減弱，水分蒸發(fā)量降低。同一土層深度，裂縫區(qū)土壤含水量小于非裂縫區(qū)，是由于裂縫的存在破壞土壤原生結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)了水分優(yōu)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(fā)量增加，導致裂縫區(qū)土壤含水量偏低。

表2 裂縫區(qū)土壤含水量特征值統(tǒng)計

表3 非裂縫區(qū)土壤含水量特征值統(tǒng)計

離散系數(shù)是指標準差與平均數(shù)的比例[18]，它反映單位均值上的離散程度，離散系數(shù)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(shù)來度量。裂縫區(qū)土壤含水量不同深度的離散系數(shù)在0.18～0.54之間，非裂縫區(qū)處于0.16～0.44之間。裂縫區(qū)與非裂縫區(qū)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(qū)與非裂縫區(qū)在土壤表層(0 cm)離散系數(shù)均為最大。

4.2 平面變化特征

地統(tǒng)計學是以半方差函數(shù)為工具，研究在空間分布上既有隨機性又有相關(guān)性的自然現(xiàn)象的科學。P-P圖是正態(tài)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(tài)分布。對數(shù)據(jù)進行半方差函數(shù)擬合，分析模型誤差[19-20]。從表5擬合模型的參數(shù)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(qū)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(qū)土壤含水量范圍在0.43%～1.05%之間，平均0.57%，離散系數(shù)0.54，屬于中等變異強度。非裂縫區(qū)土壤含水量范圍在1.12%～4.39%之間，平均1.92%，離散系數(shù)0.44，屬于中等變異,變異性小于裂縫區(qū)(表2和表3)。在實驗區(qū)分別存在2個土壤含水量高值區(qū)和低值區(qū)，高值區(qū)1個位于實驗區(qū)西北角，1個位于東部偏南，低值區(qū)1個位于試驗區(qū)中部，1個位于東北角。結(jié)合實驗區(qū)布點情況，可以看出，土壤含水量高值區(qū)均位于非裂縫區(qū)，同時位于西北角的高值區(qū)土壤含水量相對較高且等值線較密，低值區(qū)1個位于裂縫寬度較大的區(qū)域，另1個位于無植被區(qū)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(jié)作用。

圖2 不同深度土壤含水量P-P正態(tài)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(shù)擬合模型的參數(shù)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(qū)與非裂縫區(qū)土壤含水量均屬于中等變異,非裂縫區(qū)變異性大于裂縫區(qū)。分布有3個土壤含水量高值區(qū)，全部位于非裂縫區(qū)，且等值線分布較密，說明在高值區(qū)含水量平面變幅較大；而土壤含水量低值區(qū)位于裂縫區(qū)及無植被區(qū)接近裂縫區(qū)，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(qū)土壤含水量變異性屬于中等變異，但裂縫區(qū)土壤含水量變異性小于非裂縫區(qū)。位于植被覆蓋區(qū)的土壤含水量高值區(qū)，等值線較為密集，說明含水量平面變幅較大，而位于塌陷區(qū)的低值區(qū)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(qū)相對于10 cm分布圖向北移動，但最高區(qū)依然位于非裂縫區(qū)的植被覆蓋區(qū)，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(qū)土壤含水量與20 cm土層基本一致，裂縫區(qū)土壤含水量有較小幅度的增大。裂縫區(qū)與非裂縫區(qū)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(qū)依然位于非裂縫區(qū)，且最高區(qū)位于植被覆蓋區(qū)，最低區(qū)位于裂縫區(qū)與無植被區(qū)的結(jié)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(qū)土壤含水量與30 cm土層基本一致，裂縫區(qū)土壤含水量有較小的增幅。裂縫區(qū)與非裂縫區(qū)土壤含水量均屬于中等變異。該層土壤含水量最小區(qū)位于采煤塌陷裂縫區(qū)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(qū)與非裂縫區(qū)土壤含水量均屬于中等變異。3個高值區(qū)均位于非裂縫區(qū)，低值區(qū)位于寬裂縫區(qū)或靠近寬裂縫的無植被區(qū)。

60 cm土層含水量分布等值線見圖9。裂縫區(qū)與非裂縫區(qū)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(fā)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(qū)在植被覆蓋區(qū)。2處含水量低值區(qū)均位于裂縫區(qū)中裂縫寬度較大或裂縫較發(fā)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(jié)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(qū)強烈的蒸發(fā)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(fā)量，導致了同一土層深度裂縫區(qū)土壤含水量明顯小于非裂縫區(qū)。

4)采煤塌陷區(qū)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(qū)總是處在無裂縫區(qū)的植被覆蓋區(qū)，低值區(qū)處在裂縫寬度較大的區(qū)域或無植被區(qū)靠近寬裂縫處。