1、黄土区采煤塌陷对土壤水力特性的影响 王平 1， 王金满 1,2*，秦倩 1，王洪丹 1，祝宇成 1，白中科 1,2（1.中国地质大学（北京）土地科学技术学院，北京市海淀区，100083；2.国土资源部土地整治重点实验室，北京市西城区，100035）摘要：采煤塌陷会造成严重的土地扰动。为探讨采煤塌陷对土壤水力特性的影响并为受损土地精确复垦提供有效途径，本文通过对本文选择山西省平朔矿区塌陷区、原地貌和复垦区进行调查采样和实验室分析，分析了研究了了采煤塌陷对土壤容重、含水量、田间持水量、饱和导水率和土壤崩解速率等指标的变化影响规律。研究结果表明：塌陷区土壤容重、含水量和田间持水量处于弱变异到中等变异
2、区间，饱和导水率和崩解速率均为强变异；塌陷虽使土壤容重增加，但影响幅度不大；土壤含水量受塌陷影响规律不明显；田间持水量受塌陷影响明显（P0.05） ，且各层次之间差异性也不显著（P0.1 ） 。该研究结果可为研究区塌陷对土壤水力特性影响提供系统的诊断依据，为遴选该研究区塌陷土地精确复垦给予理论指导和技术支撑。关键词：塌陷；土壤水力特性；空间变异；复垦中图分类号：S152.7 文献标识码：AThe effects of land subsidence on soil hydraulic properties in mining area of the Loess PlateauWANG Ping
3、1, WANG Jinman1,2, 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 eff
4、ect of mining 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 st
5、udied based 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
6、 of subsidence 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 hydrau
7、lic conductivity and soil disintegration rate significantly affected by the collapse (P0.05), 收稿日期：2016-01-18项目基金：国土资源部公益性行业科研专项（201411007-4） *通讯作者：王金满（1979-） ，男，内蒙古赤峰人，教授，博士，博士生导师，主要从事土地整治与生态恢复研究、农业水土与资源研究，E-mail：。作者简介：王平（1991-） ，女（汉） ，河北承德人，硕士研究生，主要从事土地整治与生态恢复研究，E-mail： 。and differences among dept
8、hs was also not significant(P0.1). 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 十八世纪以来煤炭成为人类世界的主要能源之一，其中，中国是世界最大的煤炭产出国
9、和消费国，其消费量占一次性能源总量的 74%，而且大约 90%的煤炭来自于井工开采 1-2，井工开采形成了大面积的塌陷地造成了大面积的土地坍塌。目前，我国平均每年因开采而塌陷的土地约有 2.4 万 hm2，平均每采 1 t 煤就造成了 0.24 km2 的土地坍塌，至今我国因采煤而塌陷的土地已有 60 多万 hm2，并以每年 3.34.7万 hm2 的速度递增 3-4，其中大部分为我国的优质耕地区。土壤水是作物正常生长的直接水源，与地表水、地下水及大气水有着紧密的联系，是水资源中最重要和最复杂的部分，而土壤水力特性是准确模拟土壤水分、溶质等运移的重要参数，对土壤生态模拟、熵情监控等具有重要的意
10、义 5。采煤塌陷形成大量的塌陷裂缝，塌陷坑等，致使土层倒置、土壤松散，诱发严重的水土流失、水质污染、和动植物生境破坏等一系列问题。从微观上来讲，采煤塌陷造成土体的扰动，致使土壤含水量、田间持水量、毛管持水量、土壤导水率、土壤水分特征曲线等土壤水力参数受到严重的影响，甚至改变土壤中水分、养分的运输通道，进而影响土壤的肥力和健康状况以及土壤-作物系统平衡，更关系到矿区的粮食安全和生态问题 6-7。因而，研究采煤塌陷对土壤水力特性影响于科学开展矿区土地精确复垦，提高耕地生产能力及推动农业协调可持续发展具有重要的研究意义。我国黄土丘陵区煤炭资源丰富，开采时间较长，采煤活动频繁，导致地表发生严重变形（下
11、沉、倾斜、塌陷坑、塌陷裂缝等） 8。生态环境脆弱、塌陷普遍存在、不同塌陷程度并存、分布面积广是黄土矿区采煤塌陷的主要特征 9-10。采煤塌陷影响矿区的土壤环境，导致农田漏水、漏肥现象突出，耕地质量连年下降，粮食产量也一路下滑，加剧了当地的人地资源矛盾。目前，学者们对黄土区内土壤水分空间格局和入渗已有深入研究 11-13，然而关于塌陷地土壤水力特性变化及空间分异的研究不够深入，更缺乏对黄土矿区塌陷地土壤水分常数定量表征以及复垦后土壤水分存储与运移功能的恢复等研究。鉴于，我国黄土丘陵区采煤塌陷严重，生态环境脆弱，且土壤水分在粮食安全和生态平衡方面具有至关重要的地位，所以本文选取黄土矿区内塌陷地为研
12、究区域：（i）分析塌陷区土壤水力特性的空间变异情况；（ ii）进行土壤水力特性指标的显著性差异分析，定量表征塌陷对土壤水力特性的影响，并分析其影响土壤水力特性的机理，以期为遴选矿区土地复垦和生态恢复最优模式提供重要的指导作用。1. 材料与方法1.1 研究区概况研究区选择山西省平朔煤矿区， 。该矿区地处黄土高原晋陕蒙接壤的黑三角地带，山西省北部的朔州市境内，地理坐标：112105811330 E， 39073937 N。矿区属典型的温带半干旱大陆性季风气候区，降雨分布不均，多集中在夏季，冬春干旱少雨。平均气温为 4.87.8 ，年最高温差可达 61.8 ，无霜期约 115130 d，年平均 8
13、级以上大风日数在 35 d 以上，最多可达 47 d，年降水量为 450 mm 左右，而年蒸发量为年降水量的 5 倍左右，本区地带性土壤为栗钙土与栗褐土的过渡带，土壤的物理风化强烈，土体干旱，土壤贫瘠 14。本研究的具体区域选在安家岭 3 号矿井导致的塌陷区，选取两块面积均为 100 m100 m 的典型样地进行研究，并编号为样地 和样地。其中，样地内有 13 条裂缝，宽度为 0.05-3 m，植被类型为草本；样地 内裂缝较宽，最宽处达到 8 m，深度高达 3 m（表 1） 。为了更好的研究塌陷对土壤水力特性的影响以及复垦后土壤水分的恢复情况，我们在该塌陷区的附近选择了地形因子相似，且植被类型
14、为草本，但没有被破坏的样地作为对照组，命名为样地。同时，选择一块曾经塌陷，但现在已经进行了植被恢复，且地形因子相似，植被类型为草本和灌木的样地，命名为样地。表 1 采样小区基本情况描述表样地坐标 裂缝样地类型 经度（ E） 纬度（N） 数量（条） 宽度（m）植被类型样地 1122158 1122202 393146 393249 0 草本样地 1122016 1122020 393353 393356 13 0.051.5 草本样地 1122015 1122019 393356 393400 8 1.05.5 草本样地 1122017 1122021 393349 393352 0 草本+灌木
15、a. 样地 b. 样地c. 样地 d. 样地图 1 研究区现状1.2 样品采集与测定于 2015 年 7 月在研究区进行土壤样品的采集。4 个样地的采样面积均为 100 m100 m，采用网格法（25 m25 m）布点，每个样地各挖取 16 个土壤剖面，共 64个剖面。将剖面划分为四个不同的土壤层次：0-20 cm，20-40 cm，40-60 cm，60-80 cm，进行分层采样，其中每个土层采集 3 种样品， （1）使用环刀（50.46 mm50 mm）取样， （2）采集 5 cm5 cm5 cm 的土块供崩解速率测定， （3）收集大约200g 土壤，实验室风干后过 2 mm 筛，供田间持
16、水量测定。同时，使用 GPS 精准定位，记录每个采样点的坐标和海拔。室内测定指标有土壤容重、含水量、田间持水量、饱和导水率和崩解速率。样点布设图如下（四个样地采用相同的布点方式）：图 2 样点布设图各指标在均在实验室内进行测定，土壤容重采用环刀法测定；孔隙度利用容重与比重（2.65 g/cm3）的关系进行推导：（1-容重 /比重）100%） ；含水量采用烘干法测定；田间持水量选用威尔克斯法测得 15；土壤饱和导水率采用变水头测定，利用公式（1）计算得出。（1）2122ln/srLHLKRt其中，K s 表示土壤饱和导水率, cm / min； L 表示土柱的高度； H1 代表初始水头的高度；
17、H2 代表终了水头的高度；r 表示供水管的直径；R 表示土样的直径；t 1 表示实验开始时间；t 2 表示实验结束时间。土壤崩解速率采用改进的蒋定生法测定 16，本实验将浮筒换为更易获取的弹簧。蒋定生法测定崩解速率利用公式（2）得出(2)0tlsBr:其中，B 表示崩解速率；s 表示浮筒底面积；r 表示土壤容重； t 表示试验时间；l 0 表示浮筒起始刻度；l t 表示 t 时间后浮筒刻度。把土块和钢丝网看作一个整体：A，结合阿基米德原理将公式（ 2）变形为：(3)1FBrgt:对 A 进行受力分析（图 3） ，通过力学知识可得， t 时有 F1=G， F2=G，则公式（3）可变形为：(4)0
18、12KhFBrgtrt:其中，F 1 代表 A 受到的浮力，F 2 代表 A 受到的弹力；K 代表弹簧弹性系数（可以通过已知重量为 mc 的物体 C 求得） ；g 表示重力加速度；h 0 表示弹簧起始长度；h 1 表示 t 时间后弹簧长度。图 3 A 受力分析示意图联合公式（2）-（4）可以推出(5)01cmhBrt:1.3 分析方法土壤水力特性描述性统计分析的特征值包括均值、中值、标准差、标准误、极值和变异系数等。其中均值与中值可以用来表示数据的集中趋势，标准差、标准误、极值和变异系数（CV）可以用来表示样本数据的离散程度及相关强度 17-18。CV 可以用来表示变异程度的强弱，当 时，属于
19、弱变异；15%CV为中等变异；若 ，则属于强变异 19。15%3CV31.4 数据处理本文采用 Excel 软件进行数据的计算和整理，利用 Grubbs 法检验数据异常值。运用 SPSS19.0 软件的描述性统计分析功能，分析研究区土壤水力特性的空间情况；并运用该软件的单因素方差分析功能，利用 Duncan 法进行数据的多重比较，检验土壤水力特性的差异显著性。分层和多层对比分析不同取样深度，样地，样地，样地以及样地的土壤水力性质差异。3.结果与分析3.1 土壤水力特性描述性统计分析表 2-表 5 为土壤水力特性描述性统计表。在整个剖面中，土壤容重在 1.291.49 g/cm3 范围内变动，差
20、异不明显，4 个样地均有 ，属于弱变异。除样地0-15%CV20 cm 和 60-80 cm 外（ ） ，其余各样地各层次上均有田间持水量15%3，属于弱变异。样地和样地 的土壤含水量变异系数均处于15%CV之间，为中等变异；样地和样地除个别层次外，总体上来说也属于中3:等变异，但变异系数大于样地和样地。土壤饱和导水率在样地最大，在样地最小，在各样地均属于强变异程度且在样地有 CV 80%，变异程度最强。土壤崩解速率在 0.263.01 cm3 / min1 之间变动，在样地 和样地内均为强变异，而样地和样地除底层外基本属于中等变异。表 2 样地土壤物理性质和水力性质统计特征值土壤性质 层次(
21、cm) 均值 标准差 中值 变异系数(%) 标准误 值域0-20 1.350.08a 1.36 5.88 0.02 1.171.4920-40 1.370.06a 1.37 4.41 0.02 1.241.5140-60 1.350.07a 1.34 5.01 0.02 1.241.50容重 (gcm-3)60-80 1.370.09a 1.35 6.44 0.02 1.271.620-20 8.571.42a 8.55 16.51 0.35 5.7910.7120-40 8.942.23ab 8.84 24.90 0.56 4.7913.5940-60 9.522.98a 9.29 31.3
22、1 0.75 5.4914.09含水率(%)60-80 10.552.47ab 9.53 23.43 0.62 7.4914.140-20 23.002.39a 22.66 10.39 0.60 19.7727.8920-40 20.201.77a 22.16 7.99 0.44 18.5425.3040-60 22.951.75a 23.16 7.63 0.44 19.2826.00田间持水量(%)60-80 22.403.07a 22.18 13.73 0.77 17.5031.040-20 2.971.25a 3.27 42.26 0.44 0.944.5220-40 2.261.22a
23、 1.92 53.70 0.43 0.764.2140-60 2.341.08a 2.42 46.35 0.38 0.623.99饱和导水率(cm3 min-1 )(*10-3)60-80 2.110.86a 2.28 40.54 0.30 0.703.330-20 0.260.08a 0.25 31.22 0.02 0.130.4120-40 0.480.11ab 0.52 23.58 0.03 0.290.65崩解速率(cm3 min-1 )40-60 0.750.20b 0.75 26.87 0.05 0.421.1560-80 2.140.97c 2.00 45.39 0.24 0.9
24、84.12注：abcd 不同字母表示，同一样地不同土层间的差异（P0.1） 。塌陷区土壤容重较高，这主要是因为采煤塌陷尤其是塌陷裂缝破坏了植被的生长，降低了植被覆盖度，使地表起风速度变小，增加了塌陷区土壤的风蚀；。另一方面，大量地裂缝的存在也在一定程度上加剧了细粒土壤的垂向流失，从而使粗粒土层的厚度增加 21。样地与样地之间没有明显差异，这说明该样地的复垦效果很好，有效地削弱了水土流失的潜在影响，维持了大、中、小土壤颗粒的平衡，并改善了土壤的孔隙状况。样地内，0-20 cm 土层土壤容重最高，即表层土壤受塌陷影响较大，这是因为采煤塌陷改变了原有的地面形态（地面不规则下沉，致使地表坡度增加） ，
25、破坏了地表结皮，降低地面起风速度的同时也加速了土壤的水蚀过程。另外，我们发现在该样地有牛的粪便存在，因此我们推测可能有人在此处放牧，动物因以绿草为食而降低了植被的覆盖度， ；另一方面牲畜的践踏同时也使局部土壤变紧实，从而增加实测土壤的容重。样 地 样 地 样 地 样 地1.3_1.3_1.4_1.4_1.5_1.5_1.6_0-20 20-40 40-60 60-80容重(g cm-3 )注：误差线和柱分别表示样本标准差和均值柱代表样品均值；abcd 不同字母表示，同一样地不同土层间的差异（P0.05） ，ABCD 不同字母代表，同一土层不同样地之间的差异 (P0.05)。图 4 塌陷对土壤容
26、重的影响3.3 采煤塌陷对土壤含水量的影响土壤含水量是表征土壤水分特征的重要指标，是指导农业生产活动必不可少的参数之一。在 0-20 cm 处，样地的土壤含水量显著低于样地、样地和样地的相应层次（P0.05） 。这可能与采完样地 后的降雨有关，该场降雨增加了表层的土壤水分含量。样地内，60-80 cm 土层含水量高于同样地其它土层和其他样地相应土层，比该样地 0-20 cm 增加了 22.4%，20-40 cm 增加了 30.5%，40-60 cm 增加了20.9%，与样地、 ，样地和样地的相应土层相比，分别增加了 15.5%，33.2%和19.2%。这可能是因为我们在进行土壤取样时发现，在该土层发现了一些白色的类似
