排土場土體裂縫特征對土壤物理性質的影響

李葉鑫，呂 剛，王道涵，王 雙，劉 爽，朱 肅

(1. 沈陽工業(yè)大學建筑與土木工程學院，遼寧 沈陽 110870；2. 遼寧工程技術大學環(huán)境科學與工程學院，遼寧 阜新 123000； 3. 鐵嶺縣自然資源事務服務中心，遼寧 鐵嶺 112600；4. 鐵嶺市自然資源事務服務中心，遼寧 鐵嶺 112000)

煤炭是我國的主要能源，也是重要的工業(yè)原料，2018年全國煤炭消費總量27.4億噸標準煤，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55～56億噸標準煤[1]。煤炭資源的開采不僅能夠帶來經濟的快速發(fā)展，也會產生嚴重的生態(tài)環(huán)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(qū)的內蒙古高原、黃土高原及沙漠化地帶[2]，生態(tài)環(huán)境極其脆弱，其中大規(guī)模的露天開采活動會破壞當?shù)氐纳鷳B(tài)系統(tǒng)，形成不同的地貌單元，改變礦區(qū)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(qū)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，以及物質組成復雜、孔隙發(fā)達、沉陷不均勻等特性[4]，其生態(tài)環(huán)境惡劣，降雨量少且分布不均勻、蒸發(fā)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(tài)恢復的主要措施，也是最有效的恢復方法之一，它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(tài)系統(tǒng)，從而提高生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，防治水土流失,增強土壤水源涵養(yǎng)功能，被廣泛應用于礦區(qū)生態(tài)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(tài)環(huán)境問題。排土場塌陷(塌陷盆地、塌陷坑)、冒落、沉陷、土體裂縫等地質災害的發(fā)生，不僅改變排土場下墊面地形地貌，還能誘發(fā)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(qū)域的生態(tài)安全以及綠色礦山建設具有重要意義。

在干旱半干旱地區(qū)進行植被恢復和生態(tài)建設最主要的制約因素就是土壤水分[7]，土壤水分虧缺會嚴重影響區(qū)域植被恢復與重建[8-9]。因此，水分在排土場土壤的高效節(jié)約利用是干旱半干旱露天礦區(qū)生態(tài)重構的關鍵[10]。目前，已有一些學者開展了排土場土壤水分的相關研究。潘德成等[11]采用變異系數(shù)和有效水分參數(shù)相結合的方法研究了排土場土壤水分時空分布對植被恢復的影響。楊政等[12]研究了不同草地群落地上生物量及其對礦區(qū)新土體土壤水分、入滲性能的影響，并提出草灌混播人工草地可以有效地改善土壤水分狀況。楊國敏等[13]利用穩(wěn)定性同位素示蹤技術分析排土場2種典型植物水分來源的差異及水分利用策略。張燕樂等[14]研究了不同林草地條件下土壤水分蒸散、剖面分布、時間變化等特征，揭示排土場土體重構對時間穩(wěn)定性的影響。呂剛等[15]研究了排土場表層土壤飽和導水率的空間變異特征，得出排土場土壤飽和導水率的變異系數(shù)高達248%，造成這一現(xiàn)象的原因是坡面顆粒分布不均。土體裂縫是煤礦區(qū)最直觀、分布最廣、危害最大的一種衍生地質災害，極大程度地影響著煤礦區(qū)地表徑流、入滲、蒸發(fā)等水文循環(huán)過程和礦區(qū)生態(tài)安全[16-18]。張延旭等[19]研究了采煤塌陷地土體裂縫及其周邊區(qū)域土壤含水率分布特征，得出土體裂縫會造成土壤水分的大量流失。王強民等[20]以西部風沙區(qū)淺埋煤礦為研究對象，劃分采煤塌陷對包氣帶結構的影響，構建不同裂縫寬度二維土壤水分運移模型，提出地面塌陷影響下的土壤水分運移調控方法。畢銀麗等[21]模擬研究了不同土壤鹽濃度條件下裂縫區(qū)土壤水鹽分布特征，建立采煤地裂縫土壤水鹽運移模型。然而，已有研究成果多集中在有采煤塌陷而引起的土體裂縫及其對土壤水分、養(yǎng)分流失等方面的研究，建立了不同的水分運移模型，但卻較少關注排土場土體裂縫特征及其對土壤物理性質的影響。在排土場自重及不均勻沉降作用下，土體裂縫在排土場平臺前緣形成、發(fā)育，不僅加快土壤水分的入滲速率和蒸發(fā)強度[22]，增強土壤水分分布的不均勻性和變異程度[23]，也增加了排土場瀉溜、崩塌、滑坡等水土流失災害發(fā)生的可能性[6]?；诖耍疚囊员狈讲菰瓍^(qū)露天煤礦排土場為研究對象，對比分析土體裂縫區(qū)土壤質地、孔隙狀況、水分空間分布和飽和導水率的特征和差異，闡明土體裂縫對土壤水分特征的影響，以期為露天煤礦排土場水土流失防治與礦區(qū)水資源高效利用提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)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，地處東經116°06′～116°14′，北緯44°02′～44°07′。該排土場位于礦區(qū)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月份，占全年降雨量的71%以上，暴雨多發(fā)生在此3個月內，7月中旬到8月中旬則更是暴雨頻發(fā)時段，多年平均24 h最大降水量為46.8 mm。年平均蒸發(fā)量1 794.6 mm，年均風速3.4 m·s-1，凍結期為10月初至12月上旬，解凍期為3月末至4月中旬，≥10℃積溫為1 750℃，多年平均無霜期90～115 d，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(qū)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(shù)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，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(Caraganakorshinskii)、沙柳(Salixpsammophila)、沙棘(Hippophaerhamnoides)、沙打旺(Astragalusadsurgens)、草木樨(Melilotusofficinalis)等灌木或草本。

1.2 研究方法

于2017年8月全面調查排土場1 105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，根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計原理和描述性統(tǒng)計結果(表1)從中選取3條典型土體裂縫(GFⅠ、GFⅡ、GFⅢ)作為研究對象，土體裂縫形態(tài)特征見表2。在每個土體裂縫區(qū)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，以測定土壤機械組成(<2 mm)、孔隙狀況、持水能力和導水能力，每個指標3個重復。測定方法：土壤機械組成采用吸管法測定，并按照國際制砂粒(2～0.02 mm)、粉粒(0.02～0.002 mm)、粘粒(<0.002 mm)含量劃分土壤質地類型，土壤容重、孔隙度(總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度)、飽和含水量、田間持水量均采用環(huán)刀法測定，將野外采集的環(huán)刀土樣浸泡12 h使其達到飽和以測定飽和持水量，再將其懸空48 h排出重力水后測定田間持水量，土壤含水率采用烘干法測定[24]；土壤凋萎系數(shù)是通過測定土壤最大吸濕量來間接計算的，土壤最大吸濕量采用飽和硫酸鉀測定，凋萎系數(shù)為土壤最大吸水量的1.5倍[24]；土壤有效水是田間持水量和凋萎系數(shù)之差，反映土壤水分對于植物有效程度。土壤飽和導水率采用定水頭法測定，按照公式(1)[25]計算，并按照公式(2)將其他溫度下測定的飽和導水率換算成標準溫度(10℃)下飽和導水率[25]：

表1 排土場土體裂縫統(tǒng)計特征Table 1 Statistical characteristic of ground fissures in the dump

表2 典型土體裂縫形態(tài)特征Table 2 Morphological characteristics of typical ground fissures

(1)

(2)

式中,Kt為t℃的飽和導水率(mm·min-1)；Rs為穩(wěn)定入滲率(mm·min-1)；h為水頭高(cm)，本次試驗為5 cm；C1和C2為無量綱經驗常數(shù)，分別為0.316π和0.184π；h1為環(huán)刀打入土壤深度(cm)，本次試驗室內環(huán)刀法為5 cm；D1為環(huán)刀內徑(cm)，本次試驗室內環(huán)刀法為7 cm；α為常數(shù)，為0.2(cm-1)；Ks為10℃的飽和導水率(mm·min-1)。

2 結果與分析

2.1 土壤質地

土壤機械組成是指土壤中礦物顆粒的大小及其組成比例，其各粒徑顆粒含量比例直接影響土壤結構、孔隙度和透氣透水能力，良好的土壤顆粒組成有利于植物生長，為根系吸收水分和養(yǎng)分提供條件[26]。由圖1可知，GFⅠ、GFⅡ、GFⅢ0～60 cm土層土壤機械組成表現(xiàn)為砂粒>粉粒>粘粒，隨著土層深度的增加，土壤砂粒、粉粒、粘粒含量無明顯變化規(guī)律，土壤砂粒含量為69.58%～78.62%，粉粒含量為10.25%～17.64%，粘粒含量為6.72%～14.85%，不同土體裂縫之間無顯著差異(P>0.05)。土壤機械組成以砂粒含量為主，粉粒含量和粘粒含量低于20%；由國際制土壤顆粒組成劃分依據(jù)可知，土壤質地為砂質土壤。砂質土壤質地疏松，通氣透水能力強，蓄水能力差，同時土壤有機質分解速度快，不容易積累，進而導致其保肥性差。

圖1 排土場土壤機械組成Fig.1 Soil mechanical composition in the dump

2.2 土壤孔隙狀況

土壤容重是土壤物理性質的重要指標之一，反映了土壤的松緊程度，其數(shù)值直接影響著土壤通氣性、透水性和持水性[27]。由表3可知，GFⅠ0～60 cm土層土壤容重為1.30～1.41 g·cm-3，GFⅡ為1.22～1.45 g·cm-3，GFⅢ為1.26～1.43 g·cm-3，隨著土層深度的增加，土壤容重呈現(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律，其最大值出現(xiàn)在10～20 cm和20～30 cm土層，顯著大于其他土層(P<0.05)。土壤總孔隙度由土壤毛管孔隙度和非毛管孔隙度組成。毛管孔隙度反映土壤的蓄水能力，由表3可知，GFⅠ0～60 cm土層土壤毛管孔隙度為29.28%～36.70%，GFⅡ為19.88%～39.30%，GFⅢ為27.91%～37.18%。隨著土層深度的增加，毛管孔隙度呈現(xiàn)先減小后增大的變化規(guī)律，其最小值出現(xiàn)在10～20 cm或20～30 cm土層，顯著小于其他土層(P<0.05)。說明該土層蓄水能力較差，不能為植物生長發(fā)育提供充分水分。非毛管孔隙度反映土壤的通氣透水能力，為土壤水分的暫時貯存提供空間，起到削減洪峰、水源涵養(yǎng)的作用。GFⅠ0～60 cm土層土壤非毛管孔隙度為14.27%～18.11%，GFⅡ為14.20%～26.14%，GFⅢ為14.39%～19.03%。隨著土層深度的增加，非毛管孔隙度先增大后減小，與毛管孔隙度的變化規(guī)律相反，其最大值出現(xiàn)在10～20 cm或20～30 cm土層，顯著大于其他土層(P<0.05)。

表3 排土場土壤孔隙狀況Table 3 Soil porosity characteristics in the dump

2.3 土壤水分空間分布

土壤水分是土壤的重要組成部分，為植物生長發(fā)育的基礎條件，影響植物生長狀態(tài)[28]。由表4可知，GFⅠ0～60 cm土層土壤含水率為4.14%～6.36%，GFⅡ為4.29%～7.16%，GFⅢ為4.89%～7.42%，3個樣地土壤含水率偏低。隨著土層深度的增加，土壤含水率呈現(xiàn)減小的變化規(guī)律，GFⅠ 0～10 cm和10～20 cm土層土壤含水率顯著大于其他土層(P<0.05)，GFⅠ 30～40 cm、40～50 cm、50～60 cm 之間無顯著差異(P>0.05)；GFⅡ 0～10 cm土層土壤含水率最高，為7.16%，顯著大于其他土層(P<0.05)；GFⅢ 0～10 cm土層土壤含水率小于10～20 cm土層，20～30 cm土層土壤含水率顯著小于其他土層(P<0.05)。

土壤飽和含水量是指土壤在完全飽和狀態(tài)下土壤的最大水分含量[29]。GFⅠ0～60 cm飽和含水量為30.19%～37.71%，GFⅡ為23.16%～40.65%，GFⅢ為28.59%～37.92%，3個樣地土壤飽和含水量隨著土層深度的增加而呈現(xiàn)先減小后增大的變化規(guī)律，不同土層之間存在差異(P<0.05)；土壤飽和含水量在土體裂縫深度最大值處出現(xiàn)轉變，其數(shù)值降低至最小值，GFⅠ和GFⅡ土壤飽和含水量最小值出現(xiàn)在10～20 cm土層，數(shù)值為30.19%和23.16%，GFⅢ則出現(xiàn)在20～30 cm土層，為28.59%，均顯著小于其他土層(P<0.05)；土體裂縫區(qū)0～30 cm土層內土壤飽和含水量較高，而30 cm以下的土壤飽和含水量較小，這可能是受裂縫自身深度影響，土體裂縫的出現(xiàn)會破壞土壤結構，影響土壤持水能力，這與韓振英[30]研究結果相一致；當土層深度大于30 cm時，土壤飽和含水量增加，部分土層高于0～10 cm土層。

田間持水量是土壤所能穩(wěn)定保持的最高土壤含水量，也是土壤中所能保持懸著水的最大量[29]。GFⅠ0～60 cm土壤田間持水量為28.08%～35.38%，GFⅡ為21.18%～38.42%，GFⅢ為27.18%～35.89%，不同土層之間存在差異(P<0.05)；隨著土層深度的增加，田間持水量表現(xiàn)為先減小后增大的變化規(guī)律，變化規(guī)律與土壤飽和含水量一致。

凋萎系數(shù)是指植物發(fā)生永久性凋萎時的含水量，是植物可利用水的下限[31]。GFⅠ0～60 cm凋萎系數(shù)為3.64%～4.50%，GFⅡ為3.41%～4.83%，GFⅢ為3.79%～4.50%，不同土層之間存在差異(P<0.05)；隨著土層深度的增加，凋萎系數(shù)呈現(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律，其變化規(guī)律與土壤飽和含水量和田間持水量相反；凋萎系數(shù)最小值均出現(xiàn)在30～40 cm土層，GFⅠ、GFⅡ、GFⅢ依次為3.64%、3.41%、3.79%。對比不同土體裂縫的土壤含水率和凋萎系數(shù)可知，各土層土壤含水率均大于凋萎系數(shù)，且土壤含水率是凋萎系數(shù)的1.04～1.87倍，說明土體裂縫區(qū)的土壤水分可以被植物吸收利用，但供給能力較弱。

土壤有效水受土壤、植物、氣候等共同影響，是干旱半干旱區(qū)農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中作物產量的主要限制因子之一[31]。由表4可知，GFⅠ0～60 cm土壤有效水為23.58%～31.30%，GFⅡ為16.81%～33.59%，GFⅢ為22.68%～32.10%，分別占土壤田間持水量的83.97%～88.57%、79.37%～90.37%、83.44%～89.43%，所占比例較高。3個樣地不同土層之間的土壤有效水有所差異，均表現(xiàn)為10～20 cm或20～30 cm土層最小，說明該土層土壤水分的利用效率較低。隨土層深度的增加，土壤有效水表現(xiàn)為先減小后增大，其變化規(guī)律與土壤飽和含水量和田間持水量相一致。

表4 排土場土壤水分分布特征Table 4 Distribution characteristics of soil water in the dump

2.4 土壤飽和導水率

土壤飽和導水率是土壤在水分飽和狀態(tài)下，單位時間內通過單位面積的水量，反映了土壤入滲性能和導水能力[32-33]，其大小直接影響地表徑流量和土壤水分分布特征。由圖2可知，GFⅠ0～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60 cm土壤飽和導水率依次為1.10、0.94、0.87、0.90、0.73、0.42 mm·min-1，GFⅡ依次為1.18、1.05、0.73、0.40、0.27、0.18 mm·min-1，GFⅢ依次為1.19、1.06、1.25、0.84、0.40、0.22 mm·min-1，3個樣地表層0～10 cm土壤飽和導水率顯著大于其他土層(P<0.05)；50～60 cm土層土壤飽和導水率最小，顯著小于其他土層(P<0.05)；隨著土層深度的增加，3個樣地土壤飽和導水率的平均值依次為1.16、1.02、0.95、0.71、0.47、0.27 mm·min-1，呈減小趨勢。土壤飽和導水率與土層深度之間具有較好的冪函數(shù)關系，其擬合方程為Kt=3.997x-0.499(Kt為土壤飽和導水率，x為土層深度，R2=0.72，F(xiàn)=52.157，P=0.002)。

注：不同小寫字母表示同一樣地不同土層之間差異顯著(P<0.05)。Note:Different lowercase letters indicate significant differences between different soil layers in the same plot (P<0.05).圖2 排土場土壤飽和導水率隨土層深度的變化Fig.2 Variation of soil saturated hydraulic conductivity with soil depth in the dump

選取土壤含水率(X1)、土壤容重(X2)、飽和含水量(X3)、田間持水量(X4)、凋萎系數(shù)(X5)、砂粒含量(X6)、粉粒含量(X7)、粘粒含量(X8)與土壤飽和導水率(Y)進行相關分析，具體結果見表5。由表5可知，土壤飽和導水率與土壤容重和飽和含水量呈極顯著負相關(P<0.01)，與田間持水量呈顯著負相關(P<0.05)，與其他指標相關性不顯著(P>0.05)。

表5 土壤飽和導水率與土壤物理性質指標的相關性分析Table 5 Correlation analysis between soil saturated hydraulic conductivity and soil physical property indexes

3 討 論

排土場屬于一種典型的礦山工程擾動土，其形成與復墾的過程是土壤重構的過程，進而影響土壤孔隙結構和土壤水分分布特征。相關研究表明，排土場平臺穩(wěn)定入滲率低于0.2 mm·min-1[4]，植物根系穿透阻力高達30～60 kg·cm-3[34]。Reisinger等[35]研究得出，土壤容重達到1.40 g·cm-3是根系生長的限制值。馬迎賓等[36]研究結果表明裂縫的出現(xiàn)會在一定程度上打破坡面儲蓄降水的格局，加劇坡面局部土壤水分散失。畢銀麗等[21]對比分析了HYDRUS模擬數(shù)值與實測水鹽運移特征。由本研究結果可知，排土場3個樣地土壤容重為1.22～1.45 g·cm-3，GFⅠ的10～20 cm和20～30 cm土層、GFⅡ的10～20 cm土層、GFⅢ的10～20 cm和20～30 cm土層土壤容重大于1.40 g·cm-3，不同土體裂縫區(qū)出現(xiàn)不同深度的高容重土層，說明上述土層會限制排土場植物生長。同時，韓振英[30]研究表明，采煤塌陷區(qū)裂縫密度為1條·3m-1、3條·3m-1、5條·3m-1、7條·3m-1的土壤容重依次為1.37～1.57、1.50～1.59、1.48～1.60、1.48～1.56 g·cm-3，其數(shù)值略高于本研究結果，這是由于本文的研究對象為排土場，屬于人工重構土壤，相比于塌陷地其結構松散，孔隙發(fā)達，進而導致排土場土壤容重偏小。

排土場3個樣地0～10 cm土層土壤含水率表現(xiàn)為GFⅡ>GFⅢ>GFⅠ，其變化規(guī)律與3個樣地裂縫寬度相反，這是由于裂縫寬度越小，外露土體與空氣的接觸面積越小，土壤蒸發(fā)速度慢，土壤含水率相對較高，韓振英[30]也認為裂縫越寬，對裂縫周圍的土壤水分影響越大。對于10～20 cm或20～30 cm土層，其土壤有效水相對較低，造成這一現(xiàn)象的原因有兩點：一是由于土壤含水率隨土層深度的增加而減??；二是由于該土層土體裂縫發(fā)育明顯，加速水分流失，限制植物對土壤水分的吸收利用。土體裂縫的形成與發(fā)育破壞土體連續(xù)性和完整性，改變排土場下墊面微地形和土壤結構，進而影響地表徑流的運動路徑，使水流由水平流動為主轉向縱向運動，大量地表徑流直接由裂縫向排土場內部運動，能夠瞬間增大入滲量和入滲能力，改變滲流場的分布特征。然而，盡管土體裂縫區(qū)土壤飽和導水率表現(xiàn)為隨土層深度的增大而減小，由此產生的入滲量仍小于直接通過土體裂縫這一導水通道的水分，Liu等[37]、張展羽等[38]也認為土體裂縫能夠顯著提高入滲，劉展等[39]研究得出裂縫產生的入滲量占總降雨量的42.3%～51.1%，這在一定程度上增加排土場邊坡失穩(wěn)的可能性[40]。

排土場土地復墾與生態(tài)修復是一個復雜的系統(tǒng)工程，尤其是植被恢復后土體裂縫的出現(xiàn)會改變現(xiàn)有狀況，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。然而，土體裂縫的形成與發(fā)育對排土場水分運移機制的影響仍不清楚，土體裂縫對排土場滲流場、應力場分布以及邊坡失穩(wěn)的作用機理尚不明晰。因此，在今后的研究中，應加強對不同土體裂縫形態(tài)參數(shù)條件下排土場土壤水分運移規(guī)律的探索，監(jiān)測土體裂縫發(fā)育與土壤水分的關系，以期為露天煤礦排土場水分運移機制與水土流失防治提供科學依據(jù)。

4 結 論

1)3個土體裂縫土壤機械組成以砂粒含量為主，土壤質地為砂質土壤，具有較好的通氣透水能力；3個土體裂縫的土壤容重均偏大，這與復墾過程中的壓實作用有關，且土壤容重隨土層深度呈現(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律，其最大值出現(xiàn)在10～30 cm土層。

2)3個土體裂縫的土壤含水率均偏低，但能夠維持植物生長發(fā)育所需的水分；隨著土層深度的加深，各土壤水分指標呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律，且各土層之間存在差異；土壤水分在土體裂縫深度最大值處出現(xiàn)轉變，其數(shù)值降低至最小值，這與土體裂縫破壞土壤結構、降低土壤蓄水能力等有關。

3)3個土體裂縫土壤飽和導水率隨土層深度呈現(xiàn)減小的變化規(guī)律，且表層0～10 cm土壤飽和導水率顯著大于其他土層；土壤飽和導水率與土層深度具有較好的冪函數(shù)關系，與土壤容重、飽和含水量和田間持水量呈極顯著或顯著負相關。