黃土區(qū)采煤塌陷對(duì)土壤水力特性的影響

1、黃土區(qū)采煤塌陷對(duì)土壤水力特性的影響收稿日期：2016-01-18項(xiàng)目基金：國(guó)土資源部公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)（201411007-4） *通訊作者：王金滿(mǎn)（1979-），男，內(nèi)蒙古赤峰人，教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要從事土地整治與生態(tài)恢復(fù)研究、農(nóng)業(yè)水土與資源研究，E-mail：wangjinman2002。作者簡(jiǎn)介：王平（1991-），女（漢），河北承德人，碩士研究生，主要從事土地整治與生態(tài)恢復(fù)研究，E-mail：xxxywangping。王平1， 王金滿(mǎn)1,2*，秦倩1，王洪丹1，祝宇成1，白中科1,2（1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083；2.國(guó)土資源部土地整治重

2、點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京市西城區(qū)，100035）摘要：采煤塌陷會(huì)造成嚴(yán)重的土地?cái)_動(dòng)。為探討采煤塌陷對(duì)土壤水力特性的影響并為受損土地精確復(fù)墾提供有效途徑，本文通過(guò)對(duì)本文選擇山西省平朔礦區(qū)塌陷區(qū)、原地貌和復(fù)墾區(qū)進(jìn)行調(diào)查采樣和實(shí)驗(yàn)室分析，分析了研究了了采煤塌陷對(duì)土壤容重、含水量、田間持水量、飽和導(dǎo)水率和土壤崩解速率等指標(biāo)的變化影響規(guī)律。研究結(jié)果表明：塌陷區(qū)土壤容重、含水量和田間持水量處于弱變異到中等變異區(qū)間，飽和導(dǎo)水率和崩解速率均為強(qiáng)變異；塌陷雖使土壤容重增加，但影響幅度不大；土壤含水量受塌陷影響規(guī)律不明顯；田間持水量受塌陷影響明顯（P<0.05），較未受損地區(qū)降低了6.2%15.5%；在采煤塌陷的影響

3、下，土壤飽和導(dǎo)水率和崩解速率顯著增加（P<0.05）；復(fù)墾區(qū)土壤水力特性與原地貌沒(méi)有顯著差異（P>0.05），且各層次之間差異性也不顯著（P>0.1）。該研究結(jié)果可為研究區(qū)塌陷對(duì)土壤水力特性影響提供系統(tǒng)的診斷依據(jù)，為遴選該研究區(qū)塌陷土地精確復(fù)墾給予理論指導(dǎo)和技術(shù)支撐。關(guān)鍵詞：塌陷；土壤水力特性；空間變異；復(fù)墾中圖分類(lèi)號(hào)：S152.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：AThe effects of land subsidence on soil hydraulic properties in mining area of the Loess PlateauWANG Ping1, WANG Jinm

4、an1,2, QIN Qian1, WANG Hongdan1, ZHU Yucheng1, BAI Zhongke1,2（1. College of Land Science and Technology, China University of Geosciences, Beijing 100083, China; 2.Key Laboratory of Land Regulation Ministry of Land and Resources, Beijing 100035, China;）Abstract: In order to reveal the effect of minin

5、g subsidence on soil hydraulic properties, provide an effective way to land reclamation in Loess Plateau. The effect of mining subsidence on soil Bulk bulk density, water moisture content, field water-holding capacity, saturated hydraulic conductivity and soil disintegration rate were studied based

6、on field survey, sample collection and lab analysis in mining area of the Loess Plateau.of undamaged land, subsidence land and reclaimed land were figured out using the basic theories and methods of soil science. The results showed: bulk density, water moisture content and field capacity of subsiden

7、ce soil showed low to moderate CV, but saturated hydraulic conductivity and soil disintegration rate were high; soil bulk density was increased caused by mining subsidence, but the impact was little and there was not obvious rule on water moisture content; field capacity saturated hydraulic conducti

8、vity and soil disintegration rate significantly affected by the collapse (P<0.05), where field water-holding capacity decreased from 6.2% to 15.5% compared with undamaged areas; no significant difference was detected between reclaimed soil and undamaged soil (P>0.05), and differences among dep

9、ths was also not significant(P>0.1). The findings could provide a theoretical guidance and technical support for selecting the optimal land reclamation mode of subsidence land.Key words: Land subsidence; Soil hydraulic properties; Spatial variability; Reclamation 十八世紀(jì)以來(lái)煤炭成為人類(lèi)世界的主要能源之一，其中，中國(guó)是世界最大的

10、煤炭產(chǎn)出國(guó)和消費(fèi)國(guó)，其消費(fèi)量占一次性能源總量的74%，而且大約90%的煤炭來(lái)自于井工開(kāi)采1-2，井工開(kāi)采形成了大面積的塌陷地造成了大面積的土地坍塌。目前，我國(guó)平均每年因開(kāi)采而塌陷的土地約有2.4萬(wàn)hm2，平均每采1 t煤就造成了0.24 km2的土地坍塌，至今我國(guó)因采煤而塌陷的土地已有60多萬(wàn)hm2，并以每年3.34.7萬(wàn) hm2的速度遞增3-4，其中大部分為我國(guó)的優(yōu)質(zhì)耕地區(qū)。土壤水是作物正常生長(zhǎng)的直接水源，與地表水、地下水及大氣水有著緊密的聯(lián)系，是水資源中最重要和最復(fù)雜的部分，而土壤水力特性是準(zhǔn)確模擬土壤水分、溶質(zhì)等運(yùn)移的重要參數(shù)，對(duì)土壤生態(tài)模擬、熵情監(jiān)控等具有重要的意義5。采煤塌陷形成大量

11、的塌陷裂縫，塌陷坑等，致使土層倒置、土壤松散，誘發(fā)嚴(yán)重的水土流失、水質(zhì)污染、和動(dòng)植物生境破壞等一系列問(wèn)題。從微觀上來(lái)講，采煤塌陷造成土體的擾動(dòng)，致使土壤含水量、田間持水量、毛管持水量、土壤導(dǎo)水率、土壤水分特征曲線等土壤水力參數(shù)受到嚴(yán)重的影響，甚至改變土壤中水分、養(yǎng)分的運(yùn)輸通道，進(jìn)而影響土壤的肥力和健康狀況以及土壤-作物系統(tǒng)平衡，更關(guān)系到礦區(qū)的糧食安全和生態(tài)問(wèn)題6-7。因而，研究采煤塌陷對(duì)土壤水力特性影響于科學(xué)開(kāi)展礦區(qū)土地精確復(fù)墾，提高耕地生產(chǎn)能力及推動(dòng)農(nóng)業(yè)協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展具有重要的研究意義。我國(guó)黃土丘陵區(qū)煤炭資源豐富，開(kāi)采時(shí)間較長(zhǎng)，采煤活動(dòng)頻繁，導(dǎo)致地表發(fā)生嚴(yán)重變形（下沉、傾斜、塌陷坑、塌陷裂縫

12、等）8。生態(tài)環(huán)境脆弱、塌陷普遍存在、不同塌陷程度并存、分布面積廣是黃土礦區(qū)采煤塌陷的主要特征9-10。采煤塌陷影響礦區(qū)的土壤環(huán)境，導(dǎo)致農(nóng)田漏水、漏肥現(xiàn)象突出，耕地質(zhì)量連年下降，糧食產(chǎn)量也一路下滑，加劇了當(dāng)?shù)氐娜说刭Y源矛盾。目前，學(xué)者們對(duì)黃土區(qū)內(nèi)土壤水分空間格局和入滲已有深入研究11-13，然而關(guān)于塌陷地土壤水力特性變化及空間分異的研究不夠深入，更缺乏對(duì)黃土礦區(qū)塌陷地土壤水分常數(shù)定量表征以及復(fù)墾后土壤水分存儲(chǔ)與運(yùn)移功能的恢復(fù)等研究。鑒于，我國(guó)黃土丘陵區(qū)采煤塌陷嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境脆弱，且土壤水分在糧食安全和生態(tài)平衡方面具有至關(guān)重要的地位，所以本文選取黃土礦區(qū)內(nèi)塌陷地為研究區(qū)域：（i）分析塌陷區(qū)土壤水力

13、特性的空間變異情況；（ii）進(jìn)行土壤水力特性指標(biāo)的顯著性差異分析，定量表征塌陷對(duì)土壤水力特性的影響，并分析其影響土壤水力特性的機(jī)理，以期為遴選礦區(qū)土地復(fù)墾和生態(tài)恢復(fù)最優(yōu)模式提供重要的指導(dǎo)作用。1. 材料與方法1.1 研究區(qū)概況研究區(qū)選擇山西省平朔煤礦區(qū)，。該礦區(qū)地處黃土高原晉陜蒙接壤的黑三角地帶，山西省北部的朔州市境內(nèi)，地理坐標(biāo)：112°1058113°30 E， 39°0739°37 N。礦區(qū)屬典型的溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，降雨分布不均，多集中在夏季，冬春干旱少雨。平均氣溫為4.87.8 ，年最高溫差可達(dá)61.8 ，無(wú)霜期約115130 d，年平均

14、8 級(jí)以上大風(fēng)日數(shù)在35 d 以上，最多可達(dá)47 d，年降水量為450 mm 左右，而年蒸發(fā)量為年降水量的5倍左右，本區(qū)地帶性土壤為栗鈣土與栗褐土的過(guò)渡帶，土壤的物理風(fēng)化強(qiáng)烈，土體干旱，土壤貧瘠14。本研究的具體區(qū)域選在安家?guī)X3號(hào)礦井導(dǎo)致的塌陷區(qū)，選取兩塊面積均為100 m×100 m的典型樣地進(jìn)行研究，并編號(hào)為樣地和樣地。其中，樣地內(nèi)有13條裂縫，寬度為0.05-3 m，植被類(lèi)型為草本；樣地內(nèi)裂縫較寬，最寬處達(dá)到8 m，深度高達(dá)3 m（表 1）。為了更好的研究塌陷對(duì)土壤水力特性的影響以及復(fù)墾后土壤水分的恢復(fù)情況，我們?cè)谠撍輩^(qū)的附近選擇了地形因子相似，且植被類(lèi)型為草本，但沒(méi)有被破壞

15、的樣地作為對(duì)照組，命名為樣地。同時(shí)，選擇一塊曾經(jīng)塌陷，但現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)行了植被恢復(fù)，且地形因子相似，植被類(lèi)型為草本和灌木的樣地，命名為樣地。表1 采樣小區(qū)基本情況描述表樣地類(lèi)型樣地坐標(biāo)裂縫植被類(lèi)型經(jīng)度（E）緯度（N）數(shù)量（條）寬度（m）樣地112°2158 112°220239°3146 39°32490草本樣地112°2016 112°202039°3353 39°3356130.051.5草本樣地112°2015 112°201939°3356 39°340081.05.5草

16、本樣地112°2017 112°202139°3349 39°33520草本+灌木a. 樣地 b. 樣地c. 樣地 d. 樣地圖1 研究區(qū)現(xiàn)狀1.2樣品采集與測(cè)定于2015年7月在研究區(qū)進(jìn)行土壤樣品的采集。4個(gè)樣地的采樣面積均為100 m×100 m，采用網(wǎng)格法（25 m×25 m）布點(diǎn)，每個(gè)樣地各挖取16 個(gè)土壤剖面，共64個(gè)剖面。將剖面劃分為四個(gè)不同的土壤層次：0-20 cm，20-40 cm，40-60 cm，60-80 cm，進(jìn)行分層采樣，其中每個(gè)土層采集3種樣品，（1）使用環(huán)刀（50.46 mm×50 mm）取樣，

17、（2）采集5 cm×5 cm×5 cm的土塊供崩解速率測(cè)定，（3）收集大約200g土壤，實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干后過(guò)2 mm篩，供田間持水量測(cè)定。同時(shí)，使用GPS精準(zhǔn)定位，記錄每個(gè)采樣點(diǎn)的坐標(biāo)和海拔。室內(nèi)測(cè)定指標(biāo)有土壤容重、含水量、田間持水量、飽和導(dǎo)水率和崩解速率。樣點(diǎn)布設(shè)圖如下（四個(gè)樣地采用相同的布點(diǎn)方式）：圖2 樣點(diǎn)布設(shè)圖各指標(biāo)在均在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行測(cè)定，土壤容重采用環(huán)刀法測(cè)定；孔隙度利用容重與比重（2.65 g/cm3）的關(guān)系進(jìn)行推導(dǎo)：（1-容重/比重）×100%）；含水量采用烘干法測(cè)定；田間持水量選用威爾克斯法測(cè)得15；土壤飽和導(dǎo)水率采用變水頭測(cè)定，利用公式（1）計(jì)算得出。

18、 （1）其中，Ks表示土壤飽和導(dǎo)水率, cm / min； L 表示土柱的高度； H1 代表初始水頭的高度； H2 代表終了水頭的高度；r 表示供水管的直徑；R表示土樣的直徑；t1表示實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)間；t2表示實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)間。土壤崩解速率采用改進(jìn)的蔣定生法測(cè)定 16，本實(shí)驗(yàn)將浮筒換為更易獲取的彈簧。蔣定生法測(cè)定崩解速率利用公式（2）得出 (2)其中，B表示崩解速率；s表示浮筒底面積；r表示土壤容重；t表示試驗(yàn)時(shí)間；l0表示浮筒起始刻度；lt表示t時(shí)間后浮筒刻度。把土塊和鋼絲網(wǎng)看作一個(gè)整體：A，結(jié)合阿基米德原理將公式（2）變形為： (3)對(duì)A進(jìn)行受力分析（圖3），通過(guò)力學(xué)知識(shí)可得，t時(shí)有F1=G， F

19、2=G，則公式（3）可變形為： (4)其中，F(xiàn)1代表A受到的浮力，F(xiàn)2代表A受到的彈力；K代表彈簧彈性系數(shù)（可以通過(guò)已知重量為mc的物體C求得）；g表示重力加速度；h0表示彈簧起始長(zhǎng)度；h1表示t時(shí)間后彈簧長(zhǎng)度。圖3 A受力分析示意圖聯(lián)合公式（2）-（4）可以推出 (5)1.3分析方法土壤水力特性描述性統(tǒng)計(jì)分析的特征值包括均值、中值、標(biāo)準(zhǔn)差、標(biāo)準(zhǔn)誤、極值和變異系數(shù)等。其中均值與中值可以用來(lái)表示數(shù)據(jù)的集中趨勢(shì)，標(biāo)準(zhǔn)差、標(biāo)準(zhǔn)誤、極值和變異系數(shù)（CV）可以用來(lái)表示樣本數(shù)據(jù)的離散程度及相關(guān)強(qiáng)度17-18。CV可以用來(lái)表示變異程度的強(qiáng)弱，當(dāng) 時(shí)，屬于弱變異；為中等變異；若 ，則屬于強(qiáng)變異19。1.4數(shù)據(jù)

20、處理本文采用Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的計(jì)算和整理，利用Grubbs法檢驗(yàn)數(shù)據(jù)異常值。運(yùn)用SPSS19.0軟件的描述性統(tǒng)計(jì)分析功能，分析研究區(qū)土壤水力特性的空間情況；并運(yùn)用該軟件的單因素方差分析功能，利用Duncan法進(jìn)行數(shù)據(jù)的多重比較，檢驗(yàn)土壤水力特性的差異顯著性。分層和多層對(duì)比分析不同取樣深度，樣地，樣地，樣地以及樣地的土壤水力性質(zhì)差異。3.結(jié)果與分析3.1土壤水力特性描述性統(tǒng)計(jì)分析表2-表5為土壤水力特性描述性統(tǒng)計(jì)表。在整個(gè)剖面中，土壤容重在1.291.49 g/cm3范圍內(nèi)變動(dòng)，差異不明顯，4個(gè)樣地均有，屬于弱變異。除樣地0-20 cm 和60-80 cm外（），其余各樣地各層次上均有田間

21、持水量 ，屬于弱變異。樣地和樣地的土壤含水量變異系數(shù)均處于之間，為中等變異；樣地和樣地除個(gè)別層次外，總體上來(lái)說(shuō)也屬于中等變異，但變異系數(shù)大于樣地和樣地。土壤飽和導(dǎo)水率在樣地最大，在樣地最小，在各樣地均屬于強(qiáng)變異程度且在樣地有CV> 80%，變異程度最強(qiáng)。土壤崩解速率在0.263.01 cm3 / min1之間變動(dòng)，在樣地和樣地內(nèi)均為強(qiáng)變異，而樣地和樣地除底層外基本屬于中等變異。表2 樣地土壤物理性質(zhì)和水力性質(zhì)統(tǒng)計(jì)特征值土壤性質(zhì)層次(cm)均值±標(biāo)準(zhǔn)差中值變異系數(shù)(%)標(biāo)準(zhǔn)誤值域容重 (gcm-3)0-201.35±0.08a1.36 5.880.021.171.492

22、0-401.37±0.06a1.37 4.410.021.241.5140-601.35±0.07a1.34 5.010.021.241.5060-801.37±0.09a1.35 6.440.021.271.62含水率(%)0-208.57±1.42a8.5516.510.355.7910.7120-408.94±2.23ab8.8424.900.564.7913.5940-609.52±2.98a9.2931.310.755.4914.0960-8010.55±2.47ab9.5323.430.627.4914.14田間

23、持水量(%)0-2023.00±2.39a22.6610.390.6019.7727.8920-4020.20±1.77a22.167.990.4418.5425.3040-6022.95±1.75a23.167.630.4419.2826.0060-8022.40±3.07a22.1813.730.7717.5031.04飽和導(dǎo)水率(cm3 min-1 )(*10-3)0-202.97±1.25a3.2742.260.44 0.944.5220-402.26±1.22a1.9253.700.43 0.764.2140-602.34&

24、#177;1.08a2.4246.350.38 0.623.9960-802.11±0.86a2.2840.540.30 0.703.33崩解速率(cm3 min-1 )0-200.26±0.08a0.2531.220.02 0.130.4120-400.48±0.11ab0.5223.580.03 0.290.6540-600.75±0.20b0.7526.870.05 0.421.1560-802.14±0.97c2.0045.390.24 0.984.12注：abcd不同字母表示，同一樣地不同土層間的差異（P<0.05）表3 樣地土

25、壤物理性質(zhì)和水力特性統(tǒng)計(jì)特征值土壤性質(zhì)層次(cm)均值±標(biāo)準(zhǔn)差中值變異系數(shù)(%)標(biāo)準(zhǔn)誤值域容重 (gcm-3)0-201.49±0.09b1.526.000.021.311.6120-401.43±0.07ab1.445.110.021.321.5540-601.41±0.10a1.427.190.031.161.5560-801.45±0.11ab1.457.270.031.311.71含水率(%)0-209.96±1.54ab9.7615.470.397.4414.0620-409.34±2.78a9.2429.790.

26、704.4013.5040-6010.08±3.72ab10.2236.920.934.2915.9660-8012.19±5.21ab10.3942.771.306.1425.74田間持水量(%)0-2019.23±3.45a18.4717.920.8614.8828.7520-4018.57±2.18a18.0311.750.5515.7623.5840-6019.50±2.12a19.5310.890.5316.0423.4760-8019.23±4.59a18.8223.891.1511.4028.30飽和導(dǎo)水率(cm3 mi

27、n-1 )(*10-3)0-2020.42±17.05a14.8583.524.261.6450.1520-4024.89±22.18a14.9789.115.541.8172.4740-6022.33±23.96a13.89107.295.990.9184.1560-8013.77±13.40a6.6397.303.351.5338.11崩解速率(cm3 min-1 )0-200.52±0.29a0.4854.570.070.190.9520-400.76±0.30ab0.8438.980.070.361.1540-600.62&#

28、177;0.36ab0.5157.220.090.191.5760-801.01±0.82b0.8481.070.200.112.61注：abcd不同字母表示，同一樣地不同土層間的差異（P<0.05）表4 樣地土壤物理性質(zhì)和水力特性統(tǒng)計(jì)特征值土壤性質(zhì)層次(cm)均值±標(biāo)準(zhǔn)差中值變異系數(shù)(%)標(biāo)準(zhǔn)誤值域容重 (gcm-3)0-201.33±0.08a1.355.790.021.171.4220-401.35±0.08a1.336.210.021.241.5240-601.32±0.08a1.355.870.021.211.4360-801.

29、32±0.07a1.334.990.021.201.42含水率(%)0-2010.33±1.98b10.2019.160.496.8313.8020-409.50±3.15b8.9333.140.793.1314.6340-608.65±3.15a8.8036.380.793.4313.3460-809.15±2.94a8.4032.100.735.1614.36田間持水量(%)0-2021.24±1.93a20.909.070.4818.2524.0620-4020.78±1.75a21.158.410.4417.4623

30、.2240-6021.37±2.11a21.539.870.5318.0424.4260-8021.60±1.49a21.856.880.3719.4723.85飽和導(dǎo)水率(cm3 min-1 )(*10-3)0-202.45±1.74a2.0770.940.430.868.2320-402.89±2.59a1.8489.660.650.749.6340-602.66±1.31a2.3649.370.330.885.2360-801.99±1.10a1.4655.070.270.723.82崩解速率(cm3 min-1 )0-200.

31、68±0.41a0.6060.030.100.121.7620-400.40±0.24a0.3160.350.060.110.7940-600.47±0.29a0.3862.180.070.171.2460-803.01±2.44b2.0281.290.610.387.60注：abcd不同字母表示，同一樣地不同土層間的差異（P<0.05）表5 樣地土壤物理性質(zhì)和水力特性統(tǒng)計(jì)特征值土壤性質(zhì)層次(cm)均值±標(biāo)準(zhǔn)差中值變異系數(shù)(%)標(biāo)準(zhǔn)誤值域容重 (gcm-3)0-201.35±0.08b1.336.050.021.221.4820

32、-401.34±0.07ab1.325.170.021.241.5040-601.30±0.07ab1.305.560.021.181.4060-801.29±0.06a1.284.540.011.191.42含水率(%)0-2010.61±1.37a10.4613.100.348.0912.8820-4010.69±2.58a11.2023.040.656.1714.6140-609.72±3.03a9.9330.530.764.1814.1660-8010.23±2.07a10.2520.200.526.5213.38田

33、間持水量(%)0-2023.53±2.13ab23.409.100.5320.327.8220-4023.31±1.37a23.525.840.3420.0925.2640-6024.19±1.46ab24.386.010.3720.8326.3660-8024.53±1.21b24.165.020.3022.5127.03飽和導(dǎo)水率(cm3 min-1 )(*10-3)0-201.04±0.97a0.7293.720.240.233.8220-400.92±0.62a0.6767.590.160.192.5340-600.98

34、77;0.77a0.6779.000.190.212.9860-801.02±0.62a0.9360.530.150.242.39崩解速率(cm3 min-1 )0-200.29±0.11a0.2937.770.030.100.4620-400.52±0.17ab0.5532.060.040.210.7840-600.84±0.27b0.8532.020.070.341.3160-802.26±1.28c2.0056.790.320.894.69注：abcd不同字母表示，同一樣地不同土層間的差異（P<0.05）3.2采煤塌陷對(duì)土壤容重的影

35、響容重是土壤物理性質(zhì)的重要指標(biāo)之一，與土壤質(zhì)地、顆粒密度等指標(biāo)有著密切的聯(lián)系，并且能夠在一定程度上反應(yīng)土壤的孔隙狀況20，借此推測(cè)土壤水分的存儲(chǔ)與運(yùn)移，因此研究塌陷對(duì)土壤容重的影響是十分必要的。由圖4可以看出，樣地土壤剖面各土層的土壤容重顯著高于另外三個(gè)樣地（P<0.01），其中較未受損樣地（樣地）在相應(yīng)土層上分別增加了10.4%，4.4%，4.4%和5.8%；而樣地、樣地和樣地之間土壤容重沒(méi)有顯著差異（P>0.1）。塌陷區(qū)土壤容重較高，這主要是因?yàn)椴擅核萦绕涫撬萘芽p破壞了植被的生長(zhǎng)，降低了植被覆蓋度，使地表起風(fēng)速度變小，增加了塌陷區(qū)土壤的風(fēng)蝕；。另一方面，大量地裂縫的存在也在

36、一定程度上加劇了細(xì)粒土壤的垂向流失，從而使粗粒土層的厚度增加21。樣地與樣地之間沒(méi)有明顯差異，這說(shuō)明該樣地的復(fù)墾效果很好，有效地削弱了水土流失的潛在影響，維持了大、中、小土壤顆粒的平衡，并改善了土壤的孔隙狀況。樣地內(nèi)，0-20 cm土層土壤容重最高，即表層土壤受塌陷影響較大，這是因?yàn)椴擅核莞淖兞嗽械牡孛嫘螒B(tài)（地面不規(guī)則下沉，致使地表坡度增加），破壞了地表結(jié)皮，降低地面起風(fēng)速度的同時(shí)也加速了土壤的水蝕過(guò)程。另外，我們發(fā)現(xiàn)在該樣地有牛的糞便存在，因此我們推測(cè)可能有人在此處放牧，動(dòng)物因以綠草為食而降低了植被的覆蓋度，；另一方面牲畜的踐踏同時(shí)也使局部土壤變緊實(shí)，從而增加實(shí)測(cè)土壤的容重。注：誤差線和

37、柱分別表示樣本標(biāo)準(zhǔn)差和均值柱代表樣品均值；abcd不同字母表示，同一樣地不同土層間的差異（P<0.05），ABCD不同字母代表，同一土層不同樣地之間的差異(P<0.05)。圖4 塌陷對(duì)土壤容重的影響3.3采煤塌陷對(duì)土壤含水量的影響土壤含水量是表征土壤水分特征的重要指標(biāo)，是指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)必不可少的參數(shù)之一。在0-20 cm處，樣地的土壤含水量顯著低于樣地、樣地和樣地的相應(yīng)層次（P<0.05）。這可能與采完樣地后的降雨有關(guān)，該場(chǎng)降雨增加了表層的土壤水分含量。樣地內(nèi)，60-80 cm土層含水量高于同樣地其它土層和其他樣地相應(yīng)土層，比該樣地0-20 cm增加了22.4%，20-40

38、 cm增加了30.5%，40-60 cm增加了20.9%，與樣地、，樣地和樣地的相應(yīng)土層相比，分別增加了15.5%，33.2%和19.2%。這可能是因?yàn)槲覀冊(cè)谶M(jìn)行土壤取樣時(shí)發(fā)現(xiàn)，在該土層發(fā)現(xiàn)了一些白色的類(lèi)似石灰顆粒的物質(zhì)均勻地分布，我們推測(cè)其為鈣積層22，該層土壤粘重，濕度非常大，因此我們推斷可能是鈣積層導(dǎo)致了該層土壤含水量出現(xiàn)異常。在垂直方向上，樣地和樣地內(nèi)，土壤含水量均隨著深度的增加呈增加的趨勢(shì)，這是因?yàn)樯喜客翆又苯优c大氣接觸，持續(xù)高溫增加了包氣帶上層土壤水分向大氣水的轉(zhuǎn)化。樣地土壤水分變化趨勢(shì)與前者相反，這是因?yàn)樵谠摌拥亓芽p較寬，采樣時(shí)一些采樣點(diǎn)不可避免地設(shè)置在了裂縫邊緣上，而裂縫斷裂面

39、暴露在空氣中，大大加劇了水分的流失23，但由于草本植被的存在，使得土層上半部分被龐大的根系充滿(mǎn)，根系起到了固結(jié)土壤，保持水分的功效24，而隨著深度的增加根系數(shù)量逐漸減少，水分蒸發(fā)嚴(yán)重，從而出現(xiàn)了土壤含水量倒置的現(xiàn)象。樣地土壤含水量沒(méi)有明顯的規(guī)律，這是因?yàn)榱芽p充填導(dǎo)致該樣地土層錯(cuò)置，使得土壤性質(zhì)沒(méi)有明顯的分層現(xiàn)象。注：誤差線和柱分別表示樣本標(biāo)準(zhǔn)差和注體代表樣品均值；abcd不同字母表示，同一樣地不同土層間的差異（P<0.05），ABCD不同字母代表，同一土層不同樣地之間的差異(P<0.05)。圖5 塌陷對(duì)土壤含水量的影響3.4采煤塌陷對(duì)田間持水量的影響田間持水量是土壤中所能保持懸著水

40、的最大量，是對(duì)作物有效的最高的土壤水含量，理想上其被認(rèn)為是一個(gè)常數(shù)，常用來(lái)作為灌溉上限和計(jì)算灌水定額的指標(biāo)。有資料顯示25，田間持水量與物理性粘粒和土壤孔隙度有較強(qiáng)的相關(guān)性，相關(guān)性均在0.5以上。由圖6可以看出，樣地內(nèi)部各土壤層次之間田間持水量無(wú)明顯差異（P>0.1）；從整體上來(lái)看，樣地田間持水量顯著低于樣地和樣地（P<0.01），分別降低了15.5%和19.9%；樣地的田間持水量分別別樣較樣地和樣地降低了6.15%和11.1%。采煤塌陷加劇了土壤風(fēng)蝕和水蝕，使得物理性粘粒含量明顯減少，毛管持水能力下降21；同時(shí)采煤塌陷雖然增加了大孔隙的數(shù)量，但是總的孔隙度仍然呈下降的趨勢(shì)25，因

41、而導(dǎo)致毛管水含量降低。每個(gè)樣地內(nèi)部，四個(gè)土層之間田間持水量沒(méi)有明顯差異（P>0. 1）。樣地和樣地在>60 cm各相應(yīng)土層間也沒(méi)有顯著差異（P>0.1）。這是因?yàn)樵谠摌拥?，?duì)塌陷裂縫進(jìn)行了充填，并開(kāi)展了植被重建，增加了灌木樹(shù)種的種值，有效改善了土壤的孔隙性以及植被覆蓋情況，大大降低了土壤水蝕和風(fēng)蝕的潛在危險(xiǎn)26-27，從而使土壤田間持水量較樣地和樣地有了較大的提高。這說(shuō)明該樣地土地復(fù)墾措施很到位，極大地改善了塌陷土壤的水力特性。注：誤差線和柱分別表示標(biāo)準(zhǔn)差和柱體代表樣本均值；abcd不同字母表示，同一樣地不同土層間的差異（P<0.05），ABCD不同字母代表，同一土層不

42、同樣地之間的差異(P<0.05)。圖6 塌陷對(duì)土壤田間持水量的影響3.5采煤塌陷對(duì)土壤飽和導(dǎo)水率的影響土壤飽和導(dǎo)水率是表征土壤水分運(yùn)動(dòng)的重要指標(biāo)，對(duì)指導(dǎo)農(nóng)田灌溉、土壤污染和墑情監(jiān)控等具有重要的作用28。從圖7中可以看出，樣地土壤飽和導(dǎo)水率顯著高于樣地（P<0.01），在20-40 cm處差異最大，是樣地的11倍；在60-80 cm處差異相對(duì)較小，是樣地的6.5倍。土層沉陷時(shí)，增加了地下水的滲漏，降低了地下水位，減弱了地下水與包氣帶土壤水份的轉(zhuǎn)換，使得土壤含水量較低；同時(shí)使土壤包氣帶層受到擾動(dòng)，也使得包氣帶層土壤水分受到影響，干化程度加強(qiáng)，直接影響到表層植被的生長(zhǎng)，地表裸露嚴(yán)重，從而

43、增加了土壤侵蝕發(fā)生的機(jī)率，使得土壤粘粒含量損失嚴(yán)重21，毛管吸力下降，大孔隙數(shù)量明顯增加，土壤滲水能力大大增強(qiáng)。在垂直方向上隨著深度的增加，樣地土壤飽和導(dǎo)水率呈先增加后減少的趨勢(shì)變化，在20-40 cm處達(dá)到最大值，較0-20 cm處增加了21.9%；在 40-60 cm和60-80 cm處呈明顯下降趨勢(shì)，分別減少了10.3%和44.7%。這是因?yàn)楸韺油寥老鄬?duì)疏松，孔隙較多，大大增加了土壤透水性。上部土層直接受到植被的影響，大量植被根系在土體中穿插、纏繞，在土粒接觸面上產(chǎn)生了膠結(jié)物質(zhì)，構(gòu)成了根系-土壤有機(jī)復(fù)合體系29，有固結(jié)土壤、保持水土的功效，能夠在一定程度上抑制水分的嚴(yán)重下滲，而隨著深度的

44、增加根系數(shù)量明顯減少，所以土壤導(dǎo)水能力有所增加。40 cm以下，粘重的鈣積層大大削弱了土壤水分的滲透能力，導(dǎo)致土壤飽和導(dǎo)水率陡然下降。樣地同樣為塌陷區(qū)，但是其滲水能力顯著低于樣地（P<0.05），只比樣地和樣地稍高。我們推測(cè)這與該樣地較嚴(yán)重的裂縫有關(guān)，嚴(yán)重塌陷使得裂縫較寬，斷裂面橫截面積較大，接觸更多的空氣，在風(fēng)力作用下土壤包氣帶上層土壤水分與大氣水轉(zhuǎn)換能力加強(qiáng)，土層干化嚴(yán)重，嚴(yán)重的缺水使得土壤變得堅(jiān)硬、緊實(shí)，從而減弱了地表水分的下滲。圖7塌陷對(duì)土壤飽和導(dǎo)水率的影響從圖7可以看出，樣地的飽和導(dǎo)水率較樣地有所降低，在0-20 cm處減少了65%，在20-40 cm減少了59.3%，40-6

45、0 cm處降低了58.1%，60-80 cm處降低了51.7%，而且樣地內(nèi)各土層土壤飽和導(dǎo)水率無(wú)明顯差異。這與在進(jìn)行土地復(fù)墾時(shí)進(jìn)行的工程措施有關(guān)，裂縫充填工程由于采用了同種物質(zhì)進(jìn)行均一充填，削弱了土壤層次間的分異性，從而導(dǎo)致各土層性狀相似，土壤水力特性無(wú)明顯差異。進(jìn)行塌陷地復(fù)墾時(shí)，一些大型貨車(chē)在裝卸填充裂縫需要的土壤時(shí)，不可避免地會(huì)壓實(shí)土壤，使得該樣地土層緊實(shí)度在一定程度有所增加，土壤孔隙度減少，從而使得樣地內(nèi)土壤飽和導(dǎo)水率低于其他三個(gè)樣地。3.6采煤塌陷對(duì)土壤崩解速率的影響土壤崩解速率是指土塊在靜水中發(fā)生陷落的現(xiàn)象，是表征土壤抗沖性的重要指標(biāo)之一。由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，本實(shí)驗(yàn)使用彈簧來(lái)代替浮筒

46、進(jìn)行崩解速率的測(cè)算，具體測(cè)算過(guò)程在章節(jié)1.2有詳細(xì)論述?？偟膩?lái)說(shuō)，土壤崩解速率是隨著深度的增加呈增加的趨勢(shì)變化。這是因?yàn)椴荼靖翟^淺，基本分布在60 cm以上，而且隨著深度的增加，根系數(shù)量逐漸減少，而有效的根密度能夠極大地改善土壤結(jié)構(gòu)，增加水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量30-31；.另一方面，斷裂的根系埋藏在土壤中，經(jīng)過(guò)分解會(huì)產(chǎn)生有機(jī)質(zhì)及其他膠結(jié)物質(zhì)，也促進(jìn)了土壤團(tuán)聚體的凝結(jié)，大大強(qiáng)化了土壤的抗沖效應(yīng)，繼而導(dǎo)致土塊崩解速度在垂直方向上逐層增加。而樣地內(nèi)60-80 cm土層崩解速率顯著低于其他三個(gè)樣地的相應(yīng)層次（P<0.05）與前面所提及的鈣積層有著密切的聯(lián)系。在0-20cm土層處，樣地和樣地的土壤

47、靜水崩解速率顯著高于樣地和樣地（P<0.05）。土壤塌陷增大了樣地的土壤容重，粗粒土層滯留，土粒之間的凝聚力顯著降低，使得土壤在水中吸水后分解較快；。樣地內(nèi)裂縫數(shù)量雖較樣地少，但是裂縫寬度和深度均有所增加，使得采樣點(diǎn)多臨近裂縫邊緣，而且裂縫拉斷了植物根系，影響地上植物的正常發(fā)展，尤其是裂縫周?chē)闹脖唬蚨斐闪吮韺油寥揽箾_性能下降。另一方面，斷裂的根系埋藏在土壤中，經(jīng)過(guò)分解會(huì)產(chǎn)生有機(jī)質(zhì)及其他膠結(jié)物質(zhì)，促進(jìn)了土壤團(tuán)聚體的行程，大大強(qiáng)化了土壤的抗沖效應(yīng)30。注：柱體代表樣本誤差線和柱分別表示標(biāo)準(zhǔn)差和均值；abcd不同字母表示，同一樣地不同土層間的差異（P<0.05），ABCD不同字母代

48、表，同一土層不同樣地之間的差異(P<0.05)。圖8 塌陷對(duì)土壤崩解速率的影響4.結(jié)論本文從土壤受損前后土壤水力特性變化入手，探討塌陷對(duì)土壤水力特性影響的可能原因和機(jī)理，并分析了復(fù)墾后土壤水分特征的恢復(fù)情況，得出以下結(jié)論：（1）總體來(lái)說(shuō)，土壤容重、含水量、田間持水量處于弱變異到中等變異；飽和導(dǎo)水率為強(qiáng)變異，且采煤塌陷區(qū)土壤飽和導(dǎo)水率變異程度最大；土壤崩解速率在非塌陷區(qū)基本為中等變異，在塌陷區(qū)屬于強(qiáng)變異；（2）采煤塌陷對(duì)表層土壤容重影響較大，比未受損區(qū)0-20 cm處增加了10.4%，但是對(duì)其他層次影響的幅度不大；采煤塌陷對(duì)研究區(qū)土壤含水量影響規(guī)律不明顯；田間持水量受塌陷影響明顯（P<

49、;0.05），塌陷樣地和樣地分別降低了15.5%和6.2%，而樣地內(nèi)部各層次之間沒(méi)有顯著差異（P>0.05）；塌陷后土壤飽和導(dǎo)水率增大，其中塌陷樣地飽和導(dǎo)水率增加明顯，是未受損土壤的611倍；塌陷區(qū)土壤崩解速率顯著高于未塌陷區(qū)（P<0.05），而且對(duì)表層土壤的影響更大，增加了23倍；（3）復(fù)墾樣地土壤容重、田間持水量和崩解速率與未受損樣地沒(méi)有明顯差異（P>0.05）；復(fù)墾地土壤含水量比原地貌增加9.1%，其中0-40 cm 處影響較大，含水量比未受損樣地增加了21.6%；復(fù)墾樣地飽和導(dǎo)水率各層次之間沒(méi)有顯著差異(P>0.1)，總體來(lái)說(shuō)較未受損樣地降低近11.5倍；（4）

50、進(jìn)行塌陷地土壤重構(gòu)時(shí)，不同土壤層次應(yīng)根據(jù)需要選取有差異的物質(zhì)填充，適當(dāng)增加各層次間的異質(zhì)性，以便使復(fù)墾土壤水力特性更加接近于未受損土壤，適應(yīng)植被等的正常生長(zhǎng)。參考文獻(xiàn)1 胡振琪，魏忠義. 煤礦區(qū)采動(dòng)與復(fù)墾土壤存在的問(wèn)題與對(duì)策J 能源環(huán)境保護(hù)，2003，17(3)：3-7.2 李新舉，胡振琪，李晶，等. 采煤塌陷地復(fù)墾土壤質(zhì)量研究進(jìn)展J. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2007，23(6)： 276-280.3 謝元貴，車(chē)家驤，孫文博，等. 煤礦礦區(qū)不同采煤塌陷年限土壤物理性質(zhì)對(duì)比研究J. 水土保持研究，2012，9(4)：2629-2629.4 Moffat A, Andy D. Reclaiming dis

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