神府礦區(qū)采煤塌陷裂隙對坡面土壤水分及植被生長狀況的影響

李 超, 劉文兆.2, 宋曉強

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100;2.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100; 3.陜西省水土保持局, 陜西 西安 710004)

神府礦區(qū)采煤塌陷裂隙對坡面土壤水分及植被生長狀況的影響

李 超1, 劉文兆1.2, 宋曉強3

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100;2.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100; 3.陜西省水土保持局, 陜西 西安 710004)

[目的] 探究采煤塌陷裂隙(塌陷發(fā)生2 a之后)對坡面土壤水分和植被影響的過程與特征，為采煤塌陷區(qū)域植被恢復(fù)與生態(tài)環(huán)境重建提供理論支持。 [方法] 通過對神府礦區(qū)采煤塌陷產(chǎn)生的裂隙兩側(cè)的土壤容重，土壤水分以及植被狀況進行調(diào)查分析開展研究。 [結(jié)果] (1) 采煤塌陷裂隙的出現(xiàn)會導(dǎo)致周邊土壤松動，致使土壤容重降低。(2) 在裂隙走向與坡向呈直角或接近直角的情況下，裂隙的出現(xiàn)阻隔了正常的坡面徑流，裂隙下方由于接受徑流變少而導(dǎo)致水分狀況變差，裂隙對于坡面土壤水分的影響大約在裂隙下方3 m的范圍內(nèi)；在裂隙兩壁處，由于裂隙而出現(xiàn)新的表土面，該處的蒸發(fā)效應(yīng)強烈，裂隙坡面的土壤含水量低于無裂隙坡面 (3) 裂隙坡面植被的地上生物量較無裂隙坡面低，且越遠離裂隙，地上生物量恢復(fù)程度越高。 [結(jié)論] 在不考慮其他因素的影響下，裂隙的出現(xiàn)會使裂隙處以及下部坡面水分狀況變差，進而會對植被生長產(chǎn)生抑制作用。

礦區(qū)塌陷; 土壤水分; 地上生物量; 坡地; 神府礦區(qū)

煤炭是中國的基礎(chǔ)能源，中國95%以上的煤炭開采為井工開采方式[1]。隨著煤炭資源的大規(guī)模開發(fā),與煤炭資源開采有關(guān)的環(huán)境地質(zhì)問題日趨嚴重,不僅威脅礦區(qū)土地資源的安全，還引發(fā)了一系列的生態(tài)環(huán)境問題[2]。尤其是井采煤礦所造成的地面塌陷,已成為礦區(qū)危害范圍廣,危害程度大,延續(xù)時間長的一種環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害。采煤塌陷是指地下煤層開采形成采空區(qū)，采空區(qū)上部巖層在重力以及其他應(yīng)力作用下發(fā)生冒落。冒落后,使得地表發(fā)生變形、破壞,形成一系列裂隙、塌落和地面沉陷等土地破壞[3]。神府煤田是中國西部戰(zhàn)略能源基地,煤炭儲量巨大,但自礦區(qū)正式開采以來,不斷有塌陷發(fā)生,再加上該區(qū)煤層埋藏淺,只有40～100 m,煤層頂板基巖厚度變化較大,一般為20～40 m,局部只有幾米?；鶐r上部即為富水的薩拉烏蘇組含水層,且與煤層分布一致,因而采煤塌陷勢必對水環(huán)境產(chǎn)生影響[4]。采煤塌陷使地表產(chǎn)生大量垂向裂隙或裂縫，這些裂隙不僅會增加土壤蒸發(fā)面和蒸發(fā)強度[5-7]，還會改變地表徑流過程及方向，以優(yōu)先流的形式入滲地下。從而改變坡面土壤中的水分分布狀況，影響到植物生長。神府煤田開采中，如何防止塌陷發(fā)生，改造和利用塌陷后的微地面形態(tài)[3,6]，減弱塌陷對生態(tài)環(huán)境，包括地表植被的負面影響成為普遍關(guān)注的重要問題。本研究選取神府礦區(qū)采煤塌陷在地面形態(tài)改變上最突出的裂隙現(xiàn)象，調(diào)查測定其對土壤水分空間分布狀況及土壤容重的影響，進而分析其與植被生長狀況的關(guān)系，為采煤塌陷區(qū)域植被恢復(fù)與生態(tài)環(huán)境重建提供理論幫助。

1 試驗區(qū)概況

試驗地位于陜西省神木縣，為典型的生態(tài)脆弱區(qū)。屬于半干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，冬季干旱少雨，夏秋多雨，年均降水量437.4 mm，其中70%以上的降水集中在7—9月，植被類型為干旱草原。地帶性土壤為黑壚土，但由于長期遭受土壤侵蝕，已被綿沙土、新黃土等取代[8-10]。該區(qū)域水蝕風(fēng)蝕交錯，土壤侵蝕強烈。

2 試驗材料與方法

2.1 材料和方法

調(diào)查時間為2014年10月，地點位于神木侵蝕與環(huán)境試驗站周邊的蛇圪垯村，選取的調(diào)查區(qū)域附近分布有2個井采煤礦，開采造成的地面塌陷約有2 a。選取存在采煤塌陷裂隙的坡面進行調(diào)查測定，并在裂隙坡面附近選取坡度、坡向相同的無裂隙坡面作為對照。坡面土壤為綿沙土并伴有少許石子。裂隙坡面和無裂隙坡面坡向均為北偏西43°，坡度為20°。其中裂隙坡面裂隙平均寬度為15 cm，裂隙平均錯落高度為26 cm，裂隙走向為北偏東15°，裂隙與坡向夾角為58°。不同塌陷產(chǎn)生的裂隙走向是多樣的，所選取的裂隙走向因與坡向夾角較大而對坡面徑流有顯著的阻隔作用。調(diào)查坡面的植物主要為草本植物，包括冰草(Agropyroncristatum)、紫花苜蓿(Medicagosativa)、茵陳蒿(Artemisiacapillaris)、黃蒿(Artemisiascoparia)、草木犀狀黃芪(Astragalusmelilotoides)、沙打旺(Astragalusadsurgens)、長芒草(Stipabungeana)、阿爾泰狗娃花(Heteropappusaltaicus)、艾蒿(Artemisiaargyi)、假葦拂子茅(Calamagrostispseudophragmites)、豬毛菜(Salsolacollina)等植物，其中冰草與長芒草為優(yōu)勢種。

2.2 測定項目和方法

2.2.1 容重 在裂隙坡面沿坡向方向(即坡面徑流方向)距離裂隙0 (即裂隙兩壁)，0.5，1.0，1.5，2.0 m，并沿等高線在無裂隙坡面在同樣高度位置處挖取土壤剖面，在0—10 cm，10—20 cm土層用環(huán)刀采集土樣，每層設(shè)3組重復(fù)，測定土壤容重。

2.2.2 土壤水分 在裂隙坡面沿坡向方向距離裂隙0，0.5，1.0，1.5，2.0，3.0，5.0 m的地方用土鉆法采集0—1 m深度土層土樣，垂直間隔10 cm；無裂隙坡面在同樣高度采集土樣，部位與裂隙上部、下部各個取樣點一致。土壤含水量采用烘干法測定。

2.2.3 植物狀況 在沿坡向距裂隙上下部各1.0，3.0，5.0 m 的地方采用1 m×1 m樣方對裂隙坡面以及無裂隙坡面的植物種類、數(shù)量、蓋度進行調(diào)查，并采用收獲法測定每個樣方內(nèi)的地上生物量，將樣方內(nèi)植物地上部分全部收獲，帶回實驗室進行干生物量測定，先將植物在105 ℃下殺青30 min后在75 ℃下烘干至恒重進行稱重。

3 結(jié)果分析

3.1 裂隙坡地及無裂隙坡地容重測定結(jié)果對比

裂隙坡面與無裂隙坡面0—10 cm土層容重一般小于10—20 cm土層，但裂隙坡面2個層次的土壤容重在裂隙處均突然降低。

圖1所示，裂隙坡面距裂隙兩側(cè)0.5—2 m范圍內(nèi)，0—10 cm土層平均容重約1.45 g/cm3，而裂隙處則為1.29和1.40 g/cm3；10—20 cm土層平均容重大約為1.50 g/cm3，裂隙處為1.38和1.39 g/cm3。而無裂隙坡面則無此現(xiàn)象，可見裂隙的出現(xiàn)會使裂隙處土壤容重降低。

另有研究表明，在塌陷地區(qū)除了地表上出現(xiàn)的可見的裂隙之外，在土層內(nèi)部還會存在比較小的裂隙，這種裂隙如果不開挖的話是發(fā)現(xiàn)不了的[11-12]，裂隙處土壤容重變小以及這種小裂隙的存在，改變了土壤結(jié)構(gòu)，增大了土壤的導(dǎo)水率[1]，加強了塌陷坡面水分的下滲與蒸發(fā)能力。

圖1 研究區(qū)裂隙坡面與無裂隙坡面的容重變化

3.2 裂隙坡地及無裂隙坡地水分對比

土壤水分測定時，發(fā)生降雨，為了消除試驗期間降雨對測定結(jié)果的影響，對比雨前與雨后土壤水分坡面變化，發(fā)現(xiàn)試驗期間降雨入滲深度小于30 cm，因此選取裂隙坡面與無裂隙坡面30—100 cm土層作為分析對象。同時為消除兩坡面土壤水分狀況原有空間變異帶來的影響，將無裂隙坡面與裂隙坡面在裂隙上部0.5～5 m 范圍內(nèi)6個位置處的30—100 cm土層含水量的算術(shù)平均值，即坡面平均含水量，作為參比標準(分母)，將兩坡面每一位置處的30—100 cm平均含水量與對應(yīng)的坡面平均含水量進行比值計算，以此比值作為相對含水量，探究裂隙的出現(xiàn)是否會對坡面水分狀況帶來影響(計算結(jié)果詳見表1)。

通過比較兩坡面在裂隙上部6個位置與下部6個位置的相對含水量均值，在無裂隙坡面，沿坡向自上而下土壤含水量呈現(xiàn)為增加的狀態(tài)，平均值由1增加到1.14；而裂隙坡面則呈現(xiàn)出與正常坡面不同的結(jié)果，平均值由1減少到0.9。這表明采煤塌陷裂隙的出現(xiàn)會使坡面原有水分狀況發(fā)生轉(zhuǎn)變，裂隙下方的坡面土壤含水量由正常的增大趨勢變?yōu)榻档挖厔?。裂隙坡面在裂隙下? m位置處相對含水量0.79，3 m位置為0.88，而在裂隙下部5 m位置處，裂隙坡面相對含水量具有較大回升，達到0.98，說明裂隙改變坡面原有水分變化的趨勢具有一定的距離范圍，在本試驗中該趨勢范圍達到裂隙下部大約3 m。在裂隙兩壁處，無論是平均含水量還是相對含水量，裂隙坡面均遠小于無裂隙坡面相同位置，說明裂隙的出現(xiàn)使裂隙兩壁處成為表土面，強烈的蒸發(fā)效應(yīng)使該處土壤含水量遠低于無裂隙坡面。

3.3 裂隙坡地及無裂隙坡地植被對比

同樣按照上述方法對裂隙和無裂隙坡面地上生物量進行計算分析，計算結(jié)果詳見表2。由表2可知，裂隙坡面裂隙上下部相對生物量平均值分別為1，0.80，無裂隙坡面上下部則為1，1.06。裂隙下部坡面地上生物量較裂隙上部有較大程度降低，而無裂隙坡面則未出現(xiàn)此現(xiàn)象。

通過兩坡面相同位置的地上生物量對比，發(fā)現(xiàn)無裂隙坡面地上生物量基本大于裂隙坡面相同位置，尤其是在裂隙處，裂隙坡面生物量達到最低值，在裂隙上部1 m與下部1 m分別為169.68和168.46 g。而在裂隙坡面上下部5 m位置，地上生物量均較1 m處得到提升，即在裂隙坡面地上生物量隨距裂隙距離的變化呈U形，越遠離裂隙，生物量恢復(fù)程度越高。說明裂隙的出現(xiàn)會對植被生長產(chǎn)生抑制作用，并且越靠近裂隙，抑制作用越強。

表2 裂隙坡面及無裂隙坡面地上生物量及相對生物量

將地上生物量與相應(yīng)位置0—40 cm土壤含水量繪制散點圖進行分析(圖2)。由圖2可知，在裂隙處及其下部坡面，水分狀況較差，平均含水量只有11.35%，與正常坡面相比有一定程度降低，相應(yīng)的地上生物量也處于較低水平。在裂隙上部以及無裂隙坡面土壤水分狀況較好，平均含水量達到15.30%，具有較高的地上生物量。通常情況下高的地上生物量對應(yīng)高的耗水量，如果供水相同則會導(dǎo)致土壤含水量降低，但在本調(diào)查中并未展現(xiàn)出這種情況，這應(yīng)當(dāng)是坡面徑流及微地形差異，來水情況復(fù)雜所致。在無裂隙坡面，植物地上生物量與土壤含水量雖然也為線性正相關(guān)，但其相關(guān)性未達到顯著水平，這與高生物量伴隨著較高的水分消耗有關(guān)。通過對比受裂隙影響坡面和正常坡面地上生物量與相應(yīng)位置土壤水分狀況，可以推斷由于塌陷裂隙的出現(xiàn)而導(dǎo)致較差的坡面水分狀況會成為植物生長的限制因素。

圖2 地上生物量與0—40 cm土壤含水量散點圖

4 結(jié) 論

(1) 采煤塌陷裂隙(調(diào)查塌陷年限2 a)會引起裂隙周圍土壤結(jié)構(gòu)的變化，一定范圍內(nèi)，由于裂隙產(chǎn)生導(dǎo)致土壤松動，容重值降低，土壤孔隙度增大，土壤的水分下滲能力與土壤水分蒸發(fā)能力均得到加強。

(2) 在裂隙上部，裂隙的出現(xiàn)對于該部位土壤水分狀況的影響不大；在裂隙下部，由于原有坡面徑流受到阻隔，徑流過程的改變使得該部位土體接受的來水量減少，土壤水分狀況變差；在裂隙壁處，該部位土體成為表土層，土壤蒸發(fā)能力大大加強，裂隙坡面的土壤含水量遠低于無裂隙坡面。本試驗中裂隙對于裂隙下方土壤水分的影響大約在裂隙下方3 m的范圍。但當(dāng)坡面出現(xiàn)較多裂隙時，可以推斷坡面水分狀況將會更差。

(3) 裂隙坡面植被的地上生物量較無裂隙坡面低，且越遠離裂隙，地上生物量恢復(fù)程度越高。由于裂隙出現(xiàn)而造成的裂隙處以及裂隙下部坡面較差的水分狀況對于植被的生長產(chǎn)生了較強的抑制作用。

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Effects of Mining-induced Slope Collapse Fractures on Soil Moisture and Vegetation in Shenfu Coal Mining Area

LI Chao1, LIU Wenzhao1,2, SONG Xiaoqiang3

(1.InstituteofSoilandWaterConservation,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China; 2.InstituteofSoilandWaterConservation,CAS&MWR,Yangling,Shaanxi712100,China; 3.SoilandWaterConservationBureauofShaanxiProvince,Xi’an,Shaanxi710004,China)

[Objective] The effects of mining-induced collapse fracture occurrence(two years after collapse) on slope vegetation characteristics were demonstrated to provide theoretical support for revegetation and improvement of ecological environment in the coal mining subsidence area. [Methods] Soil bulk density, soil moisture and vegetation on two sides of collapse fractures in the Shenfu coal mining area were investigated and analyzed. [Results] (1) The collapse fracture occurrence made surrounding soil loose and thus resulted to the decrease of soil bulk density nearby. (2) In the case of fracture striking at right angle or close right angle to slope aspect, the fractures affected soil moisture about 3 m slope downward, as the water status in the slope downward part of the fracture became worse due to the intercepting effect of runoff. In the walls of the fracture, soil water content on fracture slope was lower than that the one on slope without fracture as a result of strong evaporation. (3) The aboveground biomass of the vegetation on the fractured slope lower than the one on non-fracture slope. The farther from the fracture, the higher of aboveground biomass revived. [Conclusion] If no other factors exist, the fracture occurrence can worsen soil moisture condition within it; and in the downward part, it can further inhibite the growth of vegetation.

collapse by coal mining; soil moisture; aboveground biomass; sloping land; Shenfu mining area

2016-04-12

2016-05-31

陜西省水土保持局重大水利科技項目“神府榆地區(qū)煤炭開采對地表植被影響研究(2013-2016)”; 國家自然科學(xué)基金項目(41571036)

李超(1992—),男(漢族),山西省晉中市人,碩士研究生,主要研究方向為環(huán)境生態(tài)。E-mail:915902219@qq.com。

劉文兆(1960—),男(漢族),陜西省乾縣人,博士，研究員,博士生導(dǎo)師,主要從事水文生態(tài)與流域管理研究。E-mail:wzliu@ms.iswc.ac.cn。

10.13961/j.cnki.stbctb.2016.06.020

A

1000-288X(2016)06-0121-05

S157.2, X143

文獻參數(shù)： 李超, 劉文兆, 宋曉強， 等.神府礦區(qū)采煤塌陷裂隙對坡面土壤水分及植被生長狀況的影響[J].水土保持通報，2016,36(6)：121-125.