采煤塌陷对土壤水分损失影响及其机理研究.pdf

安徽农 业科学 ， J o u rna l o f An h u i A g r i ．S c i ． 2 0 0 9， 3 7 1 1 5 0 5 8_ 5 0 6 2 责任编辑章 炼红责任校对卢瑶 采煤塌 陷对土壤水分损失影响及其机理研究 张 欣 ， 王 健 ， 刘彩云 1 ． 水 利 部 牧 区 水 利 科 学 研 究 所 ， 内 蒙 古 呼 和 浩 特 0 1 0 0 2 0 ；2 ． 内 蒙 古 水 文 总 局 ， 内 蒙 古 呼 和 浩 特 0 1 o 叭 o 摘要摸清采煤塌陷对土壤水分作用是塌陷区退化生态系统恢复、 重建的前提。根据相似可比原则， 应用空间对比法研究毛乌素沙地 东南缘井工矿补连塔 0 ～1 0 0 e m层土壤含水量对采煤塌陷的响应， 探索半干旱风沙区采煤塌陷地土壤水分的空间变化， 为困难立 地土地复垦提供理论指导。试验结果如下 煤矿井工开采形成的裂缝 隙 加剧了土壤水分损失， 造成塌陷区含水量明显降低 ， 3个试验 样地的土壤水分损失量顺序 2 0 0 5年塌陷区 2 0 0 4 年塌陷区未塌陷区。试验样地土壤含水量垂直变化表现为塌陷后 0～ 6 0 c m层含 水量明显下降 P 0 ． 陷区坡顶的含水量大于对照区坡顶 ， 主要是因为该处位于塌 0 5 ； 坡底和丘问低地的含水量与对照区相应位置均有显著 陷边缘的外侧 ， 裂缝密度仅为 l 劣 -’ ／ 1 0 m， 且塌陷时间较早已 差异 P0 ． 1 ； 坡底与塌陷区坡底的含水量有显著差异 月各样点不同观测深度的平均含水量变化曲线。对照区和 2 P0 ． 0 1 。在干旱季节 ， 对照区坡顶与 2 0 0 5年塌陷区坡顶 个塌陷区各层含水量的变化趋势基本一致 ， 表现为表层 0～ 矗 萎善 8 ． O O 7 ． 0 0 6 ． o 0 5 ． 0 0 4 ． 0 0 g U 鼗 吾 6 ． 0 0 5 ． 0 0 4 ． 0 0 3 ． o o 2 ． 0 0 i n 2 0 0 5 i n 2 0 0 4 5 1 5 2 5 4 5 5 5 6 5 7 5 8 5 9 5 5 1 5 2 5 3 5 4 5 5 5 6 5 7 5 8 5 9 5 观测深度 0 b s e r v a t [ on d e p t h“ 锄 观测深度 O b s e r v a t i o n d e p t h ff c lII a b 图 2 对照区和塌陷区水分垂直变化 Fi g ． 2 Ve r t i c a l v a r i a t i o n o fwa t e r c o nt e n ti n c o nt r o l a lte a a n d c o l l a ps e a r e a 1 0 c m的含水量较低， 1 0 ～ 2 0 c m层 的含水量达最大值 ， 2 O～ 5 ． 3 6 ％。 1 0 0 c m层 的含水量变化较小。2 个塌陷区的含水量变动范 综合图2 a 和 2 b 可知 ， 不论是在降雨季节还是在干旱季 围在 3 ． 3 1 ％ ～ 4 ． 2 8 ％ ， 对照 区含水量变 动范 围为 4 ． 2 7 ％ ～ 节 ， 对照区 0 ～ 1 0 0 e m层不同深度的含水量均高于塌陷区相 安徽农业科学 2 0 0 9盎 应深度的含水量。在降雨季节 ， 塌陷后沙丘大孔隙度增多 ， 岩土持水性变差 ， 且降雨时产生裂隙流， 水分人渗深度变大 ， 使得风沙土上层含水量相对降低， 沙丘上下各层含水量趋于 一 致 。包气带 0～6 0 e n l 层， 塌陷区的含水量始终明显低于 非塌陷区 P 对照区 表 1 。观测期末 8 月 5日 ， 2 0 0 5年和2 0 0 4年塌陷区的土壤水分损失量分别 比对 照区多 O ． 5 7和 0 ． 1 7 e i I l ； 2个塌陷区相 比， 2 0 0 5年塌陷区的 水分损失量 比2 0 0 4年塌陷区多 0 ． 4 0 e m。观测期末 ， 2 0 0 5年 塌陷沙丘各坡位和 2 0 0 4年塌陷区坡顶 、 坡底的水分损失量 均高于对照区对应位置； 2 0 0 4年塌陷沙丘坡中和丘间低地的 水分损失量与对照区对应位置趋于相等。其中2 0 0 5年塌陷 区丘间低地的水分损失量明显大于对照区丘间低地的 P 0 ． 0 5 ， 两者差值 1 ． 6 0 e m ， 这主要是因为 2 0 0 5 年塌陷区丘间 低地受塌陷扰动较大， 塌陷后物理性粘粒含量明显减少， 且 裂缝密度较大， 达 5条／ 1 0 m。 当塌陷裂缝 隙 密度分别 为 2 、 3 、 4 、 5 、 6和 7条／ 1 0 m 时， 风沙土含水量 分别为 5 ． 7 0 ％、 5 ． 6 0 ％、 5 ． 3 6 ％、 5 ． 0 8 ％、 5 ． 0 2 ％和 4 ． 5 0 ％ ， 表明随着塌陷裂缝密度的增大， 沙丘含水 量逐渐降低。裂缝密度为 7条／ 1 0 I n与裂缝密度为 2条／ 1 0 i l l 时的土壤含水量相差 1 ． 2 ％ ， D U N C AN多重区组检验表明， 裂缝密度为 2 、 3和4条／ 1 0 m时， 沙丘含水量显著高于裂缝 密度为 6和7条／ 1 0 m时的沙丘含水量 P 0 ． 0 1 。土壤含 水量与裂缝密度的相关分析表明， 土壤含水量与裂缝密度呈 显著负相关 P 0 ． 0 1 ， 相关系数达 一 0 ． 8 1 。用 S A S 8 ． 2构建 风沙土含水量 与裂缝密度的耦合模 型为 Y一0 ． 2 2 9 X 6 ． 2 4 R 0 ． 8 3 ， P0 ． 1 ； 5 0、 7 0和 9 0 e m层， 塌陷区与对照区相应深度的差异极显著 P 0 ． 0 5 。 2 0 0 4年塌陷区 1 0 c m层细粒物质在风蚀和水蚀作用下损失 较多， 地表剩余大颗粒物质相对增多， 且该区塌陷时间相对 较早 ， 被破坏沙丘表层在各种外营力和土体 自身重力作用下 处于逐渐恢复过程 ， 紧实度有所增加， 孔隙度逐渐减小， 但其 孔隙度小于对照区的原因有待进一步研究。 ～ 一 n 稻 一 射 ％ 舵 一 O 0 O O O O 0 ● O O O l 3 7卷 1 1期 张 欣等采煤塌 陷对土壤水分损 失影响及其机理研 究 4 3 ． 0 0 4 1 ． o 0 金 3 9 ． 0 0 对照区C o n t r o l g r e a 水量 ， 每层重复测定 5次 ， 进行 3 组试验， 然后取平均值 ， 其 结果见表 2 。 由表 2 可知 ， 降雨后不同观测 日内， 在距离裂缝中心 3 0 0 e m范围内， 随着距裂缝中心的距离增大， 呈现出沙丘的贮水 量损失逐渐减小 、 含水量逐渐增加的趋势， 2 0 0～ 3 0 0 e m范围 内沙丘的含水量趋于稳定。裂缝及距离裂缝 中心 5 0 e m处 的含水量在降雨后第 2天 7月 2 2日 、 第 4天 7月 2 4日 大于裂缝两侧 1 0 0和 1 5 0 e m处的含水量 ， 这可能是因为7月 2 0日的降雨产生的裂隙流增大了裂缝及其两侧 5 0 e m处含 水量 。在观测期内 7月 2 2日～8月 5日 ， 裂缝中心和距离 裂缝 中心 5 0 e m处取样点的贮水量损失总和分别为 5 ． 5 0和 5 ． 1 2 e m， 距离裂缝中心 2 5 0 和 3 0 0 e m处取样点的贮水量损 失总和分别为 3 ． 5 9和3 ． 1 7 e m 。方差分析表明， 裂缝 中心和 距离裂缝中心 5 0 e m处取样点的水分损失量明显大于距离 裂缝中心2 5 0和3 0 0 e m处取样点 的水分损失量 ， 说明裂缝 的 存在明显增大了土壤水分的侧 向蒸发。 3 ． 4 ． 3 塌陷错落面对土壤含水量的影响。为了弄清塌陷错 表 2 距裂缝不同距离处土壤含水量和贮水量的损失变化 Ta b l e 2 Th e c h a n g e s o f wa t e r c o nt e n t a n d wa t e r l o s s a mo u n t a t d i ffe r e nt d i s t a n c e f r o m t h e s l i t 相对出 图 4塌 陷错 落 面 示 意 Fi g ． 4 Th e up - d o wn s u r f a c e o f c o l l a p s e 落面 图4 对土壤水分损失量的影响， 在 2 0 0 5年塌陷区沙丘 中上部， 笔者选择裂缝密度近似相等 2～ 4条／ 1 O m 、 但裂 缝两侧土体的错位高度不等的6条裂缝作为研究对象 ， 在裂 缝两侧距离裂缝中心 7 0 c m的位置分别布设 3个样点 ， 测定 塌陷相对出露部分和相对沉陷部分的土壤含水量 ， 水分含量 测定深度与塌陷错位高度相等 ， 每 1 0 e m平行测定5次， 最后 取其平均值， 其结果见表 3 。 表 3 塌陷错落面对土壤含水量的影响 Ta b l e 3 Effe c t o f c o l l a ps e u p d o wn s urfa c e o n wa t e r c o n t e n t i n s o i l ％ 相对沉陷部分 相对 出露部分 相对沉陷部分 相对 出露部分 相对沉陷部分 相对出露部分 相对沉陷部分 相对出露部分 相对沉陷部分 相对出露部分 相对沉陷部分 相对出露部分 6 ． 8 5 6 ． 0 o 6 ． 0 4 6 ． 2 0 5 ． 8 3 5． 7 0 5． 9 8 5 ． 4 2 5． 5 2 5． 8 6 7 ． 3 3 7． 6 1 7 ． 2 5 6 ． 8 4 6． 3 1 7． 1 l 7． 0 7 6． 2 8 6． 1 5 5． 4 4 8 ． 8 5 8 ． o 5 6． 8 5 6． 6 3 6． 3 8 8． 2 8 7． 7 2 7． 2 0 6． 3 8 6． 1 4 7． 1 7 7． 3 4 6． 9 9 6． 2 7 5 5 6 7． 7 0 6． 7 2 6． 3 7 6． 2 6 5． 5 6 6 ． 6 7 6． 4 0 5． 9 O 5 ． 6 7 4． 9 0 6 ． 4 7 6． 1 3 5． 4 7 5 ． 2 0 3． 8 O 7 ． o 3 6 ． 8 7 6 ． 6 0 6 ． 4 0 4 ． 5 3 6 ． 7 7 6． 0 0 5 ． 40 5 ． 1 7 4 ． 2 3 由表 3 可知 ， 塌陷错落面的存在 ， 相 当增加 了 1 个土壤 水分蒸发面， 加剧了土壤水分的散失， 在不同塌陷错位高度 下和降雨后的不同观测 日内， 基本呈现塌陷出露部分的土壤 含水量低于相对沉陷部分含水量 的趋势， 两者最大差值达 盯 ∞ ∞ B m 5 O 6 2 安徽农业科 学 2 0 o 9年 1 ． 2 3 ％ 。 4 结论与讨论 1 补连塔煤矿井工开采引起的地表沉陷增大了塌陷沙 丘土壤的水分损失， 造成 2 0 0 5 年和 2 0 0 4 年塌陷区的含水量 分别比对照区降低 2 0 ． 5 9 ％和 1 6 ． 3 5 ％ ， 整个观测期 内2 个塌 陷区的含水量始终明显低于对照区 P对 照区。塌陷影响土 壤水分损失的主要原因是 ①风沙土结构性差， 开采塌陷造 成采空区上覆风沙土进一步松动 ， 引起风沙土的非毛管孔隙 增大 ， 促进了土壤水分的垂直蒸发， 而经受塌陷扰动的沙丘 表层在各种外营力和土体 自身重力作用下处于逐渐恢复过 程， 土体紧实度有逐渐增加的趋势， 最终能否消除沉陷对土 壤水分垂直蒸发的影响还有待于进一步的动态观测研究 ； ② 开采塌陷造成沙丘裂缝发育 ， 而塌陷裂缝与土壤水分损失量 形成线性正相关关系， 塌陷裂缝越多则土壤水分损失量就越 大， 且距离裂缝中心越近则土壤水分的损失量就越大； ③塌 陷错落面的存在 ， 增加了 1 个土壤水分蒸发面， 加剧了土壤 内部的水汽散失。 参考文献 [ 1 ] 周文凤． 晋陕蒙接壤区水土保持的优思[ J ] ． 中国水土保持， 1 9 9 3 2 6 1 O [ 2 ] 杨选民， 丁长印． 神府东胜矿区生态环境问题及对策E J 3 ． 能源环境保 护 ， 2 O 0 0 ， 1 4 1 6 97 2 [ 3 ]王兵， 崔向惠， 白秀兰， 等． 荒漠化地区土壤水分时空格 局及其动态规 律研究E J ] ． 林业科学研究 ， 2 0 0 2 ， 1 5 2 1 4 3 1 4 9 [ 4 ]卞正富． 煤矿区土地复垦条件分区研究[ J ] ． 中国矿业大学学报， 1 9 9 9 ， 2 8 3 2 3 7 2 4 2 ． [ 5 ] 魏江生， 贺晓， 胡春元， 等． 干旱半干旱地区采煤塌陷对沙质土壤水分 特 陛的影响[ J ] ． 干旱区资源与环境， 2 0 0 6，2 0 5 8 4- 8 8 ． [ 6 ]吕晶洁， 胡春元， 贺晓． 采媒 塌陷对固定沙丘土壤水分动态的影响研究 [ J ] ． 干旱区资源与环境， 2 0 0 5 ， 1 9 7 1 5 2 1 5 6 ． [ 7 ] 侯庆春， 汪有科， 杨光． 神府 一 东胜煤田开发区建设对植被影响的调查 [ J ] ． 水土保持研究， 1 9 9 4 ， 1 4 1 2 7～ 1 3 7 ． [ 8 ]黄昌勇． 土壤学[ M] ． 北京 中国农业出版社， 2 0 0 0 1 0 1 1 0 2 ． [ 9 ]张发旺， 侯新伟， 韩占涛， 等． 采煤塌陷对土壤质量的影响效应及保护 技术[ J ] ． 地理与地理信息科学 ， 2 0 0 3 ， 1 9 3 6 7 7 0 ． [ 1 0 ]赵明鹏， 张震斌， 周立岱． 阜新矿区地面塌陷灾害对土地生产力的影 响[ J ] ． 中国地质灾害与防治学报 ， 2 0 0 3 ， 1 4 1 7 7 8 o ． 上接第5 0 2 0页 计算法和目测估计法。记名计算法是指在一定面积的样地 中， 直接数出各种群的个体数 目， 一般用于个体较大、 种群数 量有限的群落。目测估计法是按预先确定 的多度等级来估 计单位面积上个体数量的多少。等级的划分和表示方法有 “ 非常多、 多、 较多、 较少 、 少、 很少” 。土壤动物的丰富度也可 以用物种丰富度指数来描述。Ma r g a l e f 指数 d 为 d 51 ／ l n Ⅳ， S为物种数 目； Ⅳ为所有物种的个体数之和。 4 ． 2 多度一般要求换算成密度 ， 即每平方米多少个， 个体 数换算成的密度也叫做多度。如果每一个收集管内收集到 的个体数为 Ⅳ， 则多度为 凋落物层 NL D ／ A L oNL ／ A ． ．w ； 土壤层0～ 5 c m Ns s D s D Ⅳs 5 w ／ A s w； 土壤层 5～1 0 e m Ⅳs 10 D ／ A s DⅣ s l 0 w ／ A s w ； 土 壤 层 l 0～1 5 c mNs 1 5 D ／ As D I 5 w／ A s w； 土壤层 1 5～ 2 0 C ／ iq 2 0 D s DⅣ 0 w ／ A s w ； 手拣 N ／ A 。总多度 凋落物层 土壤层 0 5 c m 土壤层 5 ～ 1 0 c m土壤层 1 0～1 5 e m土壤层 1 5～2 0 c m手拣。A 表示相应的取样面积； Ⅳ表示相应收集管收集的个体数； S表 示取样来于土壤； L表示取样来于凋落物层； D表示源于干漏 斗分离； w 表示源于湿漏斗分离； H表示源于手拣。 4 ． 3 多样性生物群落的物种多样性指数可分为 O t 多样性 指数、 p多样性指数和 y 多样性指数。其中， O t 多样性指数 是反映群落中物种丰富度和个体在各物种中均匀度的指标 ， B多样性指数是反映群落内环境异质性变化或 随群落 间环 境变化而导致的物种丰富度和均匀程度变化的指标 ， 多样 性指数可以用来在更大的生态学尺度如景观水平上测量物 种多样性变化或差异。 多样性 的统计方法可 以采用 以下 几种多样性指数。 4 ． 3 ． 1 多样性指数。采用 S h a n n o n Wi e n e r 指数公式 H一 EP I n P P ／ N 。Ⅳ为所有种的个体总数， 为第 i 种 的个体数。 4 ． 3 ． 2 均匀性指数。采用 P i e l o u指数公式 E H ／ H 1 1 ／ i n S 。日为实测多样性值， 月 为最大多样性值 ， ．s 为群落中的 总物种数。 4 ． 3 ． 3 相似性指数。采用 J a c c a r d 指数公式 C s c ／ Ⅱ b c 。c为 2种生境类型中共有的物种数 ； n和 b分别为生境 类型A和 曰所具有的物种数。 4 ． 3 ． 4 优势度。采用 S i m p o s o n公式 C∑ ／ Ⅳ 。Ⅳ为 所有种的个体总数， Ⅳ f 为第 i 种的个体数。 土壤动物在土壤有机质分解 、 养分循环 、 改善土壤结构、 影响土壤质量和植物演替 中具有重要的作用 。随着各方 面研究的深入发展， 土壤动物类群多样性研究将不断与农业 生态、 环境生态、 城市生态和恢复生态等应用生 态学领域 结合。 参考文献 [ 1 ]尹文英， 杨逢春， 王振中， 等． 中国亚热带土壤动物[ M] ． 北京 科学出版 社 ， 1 9 9 2 ． [ 2 ]阿布都热合曼， 李金风． 喀什东湖公园及附近土壤动物群落的多样性 初步分析[ J ] ． 科技信息， 2 0 0 7 3 5 2 9 9 3 0 2 ． [ 3 ] 颜绍馗， 汪恩龙， 胡亚林， 等． 亚热带天然次生常绿阔叶林与杉木人工 林土壤动物群落特征比较[ J ] ． 应用生态学报， 2 0 0 4 ， 1 5 1 0 1 7 9 2 1 7 9 6 ． [ 4 ]尹文英． 中国土壤动物检索图鉴[ M] ． 北京 科学出版杜， 1 9 9 8 ． [ 5 ] 尹文英． 中国土壤动物[ M] ． 北京 科学出版社， 2 0 0 0 ．