郭巧玲，馬志華，蘇 寧，楊云松，韓振英

(1.河南理工大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,454003,河南焦作；2.中原經(jīng)濟(jì)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(xué)工商管理學(xué)院, 454003, 河南焦作)

煤炭是當(dāng)今世界社會運(yùn)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(yán)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(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重影響，其中采煤塌陷造成的水土流失尤為嚴(yán)重[5-6]。部分學(xué)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(jìn)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(fù)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(fēng)沙土為主。地貌單元主要分為2大類：北部風(fēng)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?，四季冷熱多變，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(diǎn)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(yàn)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(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)每隔20 m作為1個步長均勻布點(diǎn)，布點(diǎn)36個(見圖1)。非裂縫區(qū)布點(diǎn)26個，其中有植被區(qū)7個，無植被區(qū)19個，裂縫區(qū)布點(diǎn)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(bǔ)充10個測點(diǎn)(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(jìn)行土壤機(jī)械組成及含水量分析。在每個實(shí)驗(yàn)點(diǎn)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(fù)取樣3個，最后實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)區(qū)采樣布點(diǎn)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(jì)學(xué)分析土壤含水量的垂向變化特征[14]；利用P-P檢驗(yàn)圖法[15]，通過SPSS 20對數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上，利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)中的Kriging插值法，通過Surfer11.0軟件進(jìn)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(diǎn)與各裂縫點(diǎn)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(diǎn)及裂縫寬為1 cm、2 cm和3 cm的測點(diǎn)，土壤含水量隨土層深度增加而不斷增大。而當(dāng)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(yīng)深度的土壤含水量。說明當(dāng)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(jì)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(jìn)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?yàn)榈乇硗寥?，在冬?11月)降雨補(bǔ)給少，同時實(shí)驗(yàn)區(qū)地處干旱半干旱地區(qū)蒸發(fā)作用強(qiáng)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(yùn)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(dǎo)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(jì)

表3 非裂縫區(qū)土壤含水量特征值統(tǒng)計(jì)

離散系數(shù)是指標(biāo)準(zhǔn)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(jì)學(xué)是以半方差函數(shù)為工具，研究在空間分布上既有隨機(jī)性又有相關(guān)性的自然現(xiàn)象的科學(xué)。P-P圖是正態(tài)分布檢驗(yàn)的一種方法，本研究利用SPSS20對土壤含水量進(jìn)行P-P圖檢驗(yàn)分析。從圖2可以看出，各個深度土壤含水量P-P檢驗(yàn)圖近似為直線型，可以看作正態(tài)分布。對數(shù)據(jù)進(jìn)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(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)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(qiáng)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)區(qū)西北角，1個位于東部偏南，低值區(qū)1個位于試驗(yàn)區(qū)中部，1個位于東北角。結(jié)合實(shí)驗(yàn)區(qū)布點(diǎn)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(yàn)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(dá)4 cm。說明裂縫寬度對土壤含水量的影響較為強(qiáng)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(dá)到了最大，主要因?yàn)樵搶油寥郎疃容^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(yán)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(dāng)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(qiáng)烈的蒸發(fā)作用和冬季降雨補(bǔ)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(dǎo)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(qiáng)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。