（水土保持与荒漠化防治专业论文）采煤塌陷后风沙土理化性质变异性研究.pdf

摘要 本文通过对毛乌素沙地南缘补连塔矿塌陷于2 0 0 4 年与2 0 0 5 年的2 个塌陷区塌陷 后风沙土理化性质的变异性进行了研究，为塌陷风沙区的生态修复与建设提供理论依 据。研究结论如下： 1 、采煤塌陷1 2 年后，塌陷区风沙土容重显著降低而孔隙度显著增大 0 0 5 ) ； 塌陷2 3 年后，2 0 0 5 年塌陷区土壤容重与硬度显著低于对照区而孔隙度均显著高于 对照区( p o 0 5 ) ，表现出恢复趋势。塌陷对风沙土孔隙增大扰动最强烈的坡位是土层断裂严 重的坡项，其次是坡中，坡底与丘间低地的扰动相对轻微。土壤冻结与积雪覆盖可以 显著抑制塌陷区的土壤水分亏缺。土壤未冻结时各塌陷区土壤含水量显著降低 ( p 0 0 5 ) 。土壤解冻 以后，塌陷区内不利于冻结的坡位、坡向地段的土壤水分散失过程到来更早并更严重， 且塌陷区0 5 0 c m 层土壤水分散失严重。 2 、塌陷l 2 年后，塌陷风沙区错落裂缝相对出露侧的土壤孔隙度显著大于相对 塌陷n ( p 0 0 5 ) 。塌陷 对中、高错落高度( 3 0 - 9 0 c m ) 的错落处的土壤孔隙扰动显著较大伊 o 0 5 ) ，而对低错落 高度( 1 0 1 3 c m ) 的错落处的土壤孔隙扰动显著较小( p o 0 5 ) ，数值上塌陷对中错落高度 ( 3 0 , - 4 0 c m ) 的错落处的土壤孔隙扰动最大。塌陷后1 3 年间，塌陷区错落相对出露侧 的土壤水分显著小于相对塌陷n ( p o 0 5 ) 。 3 、各塌陷区内的入渗深度( 1 7 5 m i n ) 、平均入渗速率、初始入渗速率普遍超过对 照区平均水平，但未均达到显著( p o 0 5 ) ；用霍顿公式对入渗速率的模拟表明，与对 照区相比，塌陷区丘间低地部位前期入渗速率升高而后期入渗速率降低，而塌陷区坡 顶部位整个观测时间内的入渗速率一直升高。错落处相对塌陷侧入渗深度超过相对出 露侧的现象很普遍( 比例占8 1 8 ) ，随着错落高度的增加，错落裂缝两侧的水分入渗 差有随机增大的趋势。 4 、塌陷2 3 年后，整体上塌陷区全氮、全磷含量显著降低f 全氮_ o 0 1 ，全磷 p o 0 5 ) ，碳氮比显著升高( p o 0 5 ) 。各塌陷区 内裂缝大量暴露的丘间低地部位全氮、全磷普遍显著降低( p 0 0 5 ) 。 5 、塌陷2 3 年后，典型判别分析表明，塌陷区的多指标均值向量与对照区有显 著差异( p o 0 5 ) ，且塌陷对各塌陷区的影响方向有分异性；主成分分析综合表明，塌 陷区反映土壤综合质量的主成分值下降，2 0 0 5 年塌陷区的土壤孔隙主成分值增大严 重，各塌陷区6 0 c m 层以下土壤综合质量下降严重；因子分析表明，采煤塌陷对塌陷 风沙区的土壤综合质量因子的作用最大，对土壤结构因子的作用次之，而对稳定物质 因子无明显作用。 关键词：采煤塌陷：风沙土理化性质；错落裂缝；入渗；多因素方差分析：多元统计 分析 s t u d yo nv a r i a b i l i t yo fp h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e so fs a n d y s o i la f t e rc o a lm i n i n gs u b s i d e n c e a b s t r a c t i no r d e rt o p r o v i d e t h e o r e t i c a lr e f e r e n c ef o rt h e e c o l o g i c a lr e s t o r a t i o na n d c o n s t r u c t i o ni nw i n d yd e s e r ta r e aa f f e c t e db yc o a lm i n i n gs u b s i d e n c e ，t h ev a r i a b i l i t yo f p h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e so fs a n d ys o i l i nt h ea r e as u b s i d e di n2 0 0 5a n dt h ea r e a s u b s i d e di n2 0 0 4i nb u l i a n t am i n i n ga r e ao fs o u t h e a s tm uu ss a n d yl a n da f t e rm i n i n g s u b s i d i n gw e r es t u d i e di nt h i sp a p e r t h ec o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： i 、i n2s u b s i d e n c ea r e a s ，b u l kd e n s i t yr e d u c e ds i g n i f i c a n t l y ( p o 0 5 ) w h i l es o i l p o r o s i t yi n c r e a s e ds i g n i f i c a n t l y ( p 0 0 5 ) 1 - 2y e a r sa f t e rm i n i n gs u b s i d e n c e 2 - 3y e a r s a f t e rs u b s i d i n g ，b u l kd e n s i t ya n dh a r d n e s si ss i g n i f i c a n t l yl o w e rt h a nt h ec o n t r 0 1a r e aw h i l e s o i lp o r o s i t yi ss t i l lh i g h e rt h a nt h ec o n t r o la r e ai nt h es u b s i d e n c ea r e as u b s i d e di n2 0 0 5 ， h o w e v e r ，b u l kd e n s i t y ，h a r d n e s sa n ds o i lp o r o s i t yo f t h es u b s i d e n c ea r e as u b s i d e di n2 0 0 4 s h o w e dn os i g n i f i c a n td i f f e r e n c ew i t ht h ec o n t r o la r e aa n dd i s p l a y e da r e c o v e r i n gt e n d e n c y t h es l o p ep o s i t i o nt h a ts u b s i d e n c ec a u s e dm o s ti n t e n s ep o r o s i t yd i s t u r b a n c ei st l l et o po f t h es l o p ew h e r es o i ll a y e rr a p t u r e ds e v e r e l y ，w h i l et h es e c o n d i n t e n s ep o r o s i t yd i s t u r b a n c e o c c o r r e da tt h em i do ft h es l o p ea n dt h ep o r o s i t yd i s t u r b a n c es h o w e dc o r r e s p o n d i n g l y s l i g h ta tt h eb o t t o mo ft h es l o p ea n dt h el o w l a n d a f f e c t e db yf r e e z i n ga n dc o v e r e db y s n o w , t h es h o r t a g eo fs o i lw a t e ri nt h es u b s i d e n c ea r e aw a ss i g n i f i c a n t l yr e s t r a i n e d t h e s o i lw a t e rc o n t e n to fs u b s i d e n c ea r e ar e d u c e ds i g n i f i c a n t l yw h e nt h es o i lw a sn o tf r e e z i n g ( p 0 0 5 ) a f t e rt h es o i l t h a w i n g ，t h es h o r t a g eo fs o i lw a t e rs t a r t e de a r l i e ra n ds h o w e dm o r es e r i o u s l ya tt h e p o s i t i o n st h a ta r en o tp r o p i t i o u st of r e e z ea n dt h ed i s s i p a t i o no ft h es o i lw a t e ri n0 - 5 0 c m l a y e rs h o w e ds e v e r e l yi nt h es u b s i d e n c ea r e a 2 、1 - 2y e a r sa f t e rs u b s i d i n g ，t h ep o r o s i t yo f c o r r e s p o n d i n g l y o u t c r o p p i n gs i d eo f t h e c a v i n gc r a c k sw e r es i g n i f i c a n t l yh i g h e rt h a nt h a to ft h ec o r r e s p o n d i n g l ys u b s i d i n g s i d e ( p 0 0 5 ) t h es u b s i d e n c ec a u s e ds i g n i f i c a n t l yb i g g e rp o r o s i t y d i s t u r b a n c ei nm i d h e i g h ta n dh i 曲一h e i g h t ( 3 0 - 9 0 c m ) c a v i n gp o s i t i o n ，w h i l ec a u s e d s i g n i f i c a n t l ys m a l l e rp o r o s i t yd i s t u r b a n c ei nl o w - h e i g h t ( 1o - 13 c m ) c a v i n gp o s i t i o n t h e p o r o s i t yd i s t u r b a n c ei nm i d - h e i g h t ( 3 0 - - 4 0 c m ) c a v i n gp o s i t i o ni st h eb i g g e s ti nn u m b e r d u r i n g1 - 3y e a r sa f t e rs u b s i d i n g ，t h es o i lw a t e ro fc o r r e s p o n d i n g l yo u t c r o p p i n gs i d eo ft h e c a v i n gc r o c k sw e r es i g n i f i c a n t l yl o w e rt h a nt h a to ft h ec o r r e s p o n d i n g l ys u b s i d i n gs i d ei n ( p 0 0 5 ) i ns u b s i d e n c ea r e a 3 、t h ei n f i i t r a t i o nd e p t h ，a v e r a g ei n f i l t r a t i o nr a t ea n di n i t i a li n f i l t r a t i o nr a t ee x c e e d e d t h ea v e r a g el e v e lo ft h ec o n t r o la r e a ，b u tn o ta l w a y si n c r e a s e ds i g n i f i c a n t l y ( p o 0 5 ) t h e s i m u l a t i o no fi n f i l t r a t i o nr a t et oh o r t o nf o r m u l as h o w e dt h a t ，c o m p a r e d 、i t l lt h ec o n t r o l a r e a ，t h ei n f i l t r a t i o nr a t ea tl o w l a n do fs u b s i d e n c ea r e ai n c r e a s e di nt h ee a r l i e rs t a g eo f i n f i l t r a t i o nw h i l ed e c r e a s e di nt h el a t e rs t a g e ，a n dt h ei n f i l t r a t i o nr a t ea tt o po fs l o p ei n s u b s i d e n c ea r e aa l w a y si n c r e a s e di nt h ew h o l es t a g eo fi n f i l t r a t i o n t h ep h e n o m e n o nt h a t i n f i l t r a t i o nd e p t ho fc o r r e s p o n d i n g l ys u b s i d i n gs i d ee x c e e d e dt h eo u t c r o p p i n gs i d eo ft h e c a v i n gc r a c k ss h o w e du n i v e r s a l l y ( w i t ht h ep r o p o r t i o no f81 8 ) t h ed i f f e r e n c ev a l u eo f i n f i l t r a t i o nd e p t ht ob o t hs i d e so ft h ec a v i n gc r a c k sr a n d o m l yi n c r e a s e df o l l o w i n gw i t ht h e i n c r e a s i n go ft h eh e i g h tt ot h ec a v i n gs o i lm a s s 4 、2 - 3y e a r sa f t e rs u b s i d i n g ，t o t a lna n dt o t a lpd e c r e a s e ds i g n i f i c a n t l y ( t o t a ln p o o1 ，t o t a lp p o 0 5 ) ，c a r b o n n i t r o g e nr a t i o ( c ：n ) i n c r e a s e ds i g n i f i c a n t l y ( p 0 0 5 ) a tu n i t a r yl e v e l t o t a l na n dt o t a lpd e c r e a s e du n i v e r s a l l ya n ds i g n i f i c a n t l y ( p ，3 0 m l ) 、可调温高 温电炉、分光光度计、移液管、研钵等。 2 。操作步骤： 熔样。准确称取通过o 1 m m 筛孔的风干土样0 2 5 0 0 9 ，放入镍坩埚底部，加入 无水乙醇4 滴，湿润土样。在样品上平铺2 9 氢氧化钠，将坩埚放入高温电炉，升温， 升至4 0 0 左右切断电源，暂停1 5 m i n 。然后继续升温到7 2 0 1 2 ，保持1 5 m i n ，取出冷 却，加入8 0 水1 0 m l ，并用水多次洗坩埚，将洗涤液一并移入容量瓶，冷却，定容， 用无磷定量滤纸过滤，同时做空白试验。 绘制校准曲线。分别准确吸取5 m g l 1 磷标准溶液0 、2 、4 、6 、8 、1 0 m l 于5 0 m l 容量瓶中，同时加入与显色测定所用的样品溶液等体积空白溶液二硝基酚指 示剂3 滴，并用1 0 0 9 l d 碳酸钠溶液调节溶液至刚呈微黄色，准确加入钼锑抗显色剂 5 m l ，摇匀，加水定容，得到含磷量分别为0 0 、0 2 、0 4 、0 6 、0 8 、1 0 m g l 1 的标 准溶液系列。摇匀，于1 5 以上温度放置3 0 m i n 后，在波长为7 0 0 n m 处，测定其吸 光度，在方格坐标纸上以吸光度为纵坐标，磷浓度为横坐标，绘制校准益线。 样品溶液中磷的定量。准确吸取待测样品溶液5 m l 于5 0 m l 容量瓶中，用水 稀释至总体积约3 5 处，加入二硝基酚指示剂3 滴，并用1 0 0 9 l 1 碳酸钠溶液调节溶 液至刚呈微黄色，准确加入钼锑抗显色剂5 m l ，摇匀，加水定容，于1 5 c 以上温度 放置3 0 r a i n 。显色的样品溶液在分光光度计上，用7 0 0 n m 、l c m 光径比色皿，以空白 试验为参比液调节仪器零点，进行比色测定，读取吸光度，从校准曲线上查得相应的 含磷量。 内蒙古农业大学学位论文 结果计算： 土壤全磷量( g k g 一) = p x v d m x v 2 v s x l 0 - 3 1 0 0 ( 1 0 0 一h )( 1 0 ) 式中： 卜从校准曲线上查得待测样品溶液中磷的质量浓度( m g l 1 ) ； 册一称样质量( g ) ； v l 群品熔后的定容体积( m l ) ； v r 显色时溶液定容的体积( m l ) ； v r 从熔样定容后分取的体积( m l ) ； h 风干土中水分含量百分数。 2 3 8 全钾的测定n a o h 熔融火焰光度法 l 。实验仪器：茂福电炉、镍坩埚、火焰光度计。 2 操作步骤： 待测液制备。称取通过0 1 m m 筛孔的风干样约0 2 5 0 0 9 于镍坩埚底部，用无 水酒精稍湿润样品，然后加固体n a o h 2 0 9 ，平铺于土样表面，暂放在大干燥器中。 将坩埚加盖留一小缝放在高温电炉内，先以低温加热，然后逐渐升温到4 5 0 ，保持 此温度1 5 m i n ，熔融完毕。将坩埚冷却后，加入1 0 m l 水，加热到8 0 左右，待熔块 溶解后再煮5 m i n ，转入5 0 m l 容量瓶中，然后用少量0 2 m o l l h 2 s 0 4 溶液清洗数次， 一起倒入容量瓶内，j 使总体积至约4 0 m l ，再加h c i ( 1 ：1 ) 5 滴和h 2 s 0 4 ( 1 ：3 ) 5 m l ， 用水定容，过滤。 测定。吸取待测液1 0 m l 于5 0 m l 容量瓶中，用水定容，直接在火焰光度计 上测定，记录检流计的读数，然后从标准曲线上查得待测液的k 浓度。 结果计算： 全钾量( g k g j ) = p 测读液的定容体积分取倍数1 0 0 0 ( m x l 0 6 )( 1 1 ) 式中： p 从标准曲线上查得待测样品溶液中钾的质量浓度( 烬m l 。1 ) ： i i 卜一称样质量( 曲。 2 3 9 有机质的测定重铬酸钾容量法( 外加热法) 1 实验仪器：油浴消化装置( 油浴锅和铁丝笼) 、可调温电炉、秒表、自动控 温调节器。 2 操作步骤： 称取通过0 。1 4 9 m m 筛孔的风干土样o 3 o 5 9 ，放入干燥的硬质试管中，用移 液管准确加入0 8 m o l l 重铬酸钾标准溶液5 m m 和浓硫酸5 m m 充分摇匀，管口盖上 弯颈小漏斗。 1 6采煤塌陷后风沙土理化性质变异性研究 将8 l o 支硬质试管置于铁丝笼中的( 每笼有1 2 个空白试管) ，放入温度为 1 8 5 - 1 9 0 的石蜡油浴锅中，并控制电炉，使油浴锅内温度始终维持在1 7 0 1 8 0 ， 待试管内液体沸腾发生气泡时开始计时，煮沸5 m i n ，取出试管稍冷后擦净试管外部 油液。 冷却后，将试管内物质倾入2 5 0 m m 三角瓶中，用水洗净试管内部及小漏斗， 使三角瓶内溶液总体积达到6 0 - - - 7 0 m m ，保持混合液中硫酸浓度为2 3 m o l f l ，然后加 入2 羧基代二苯胺指示剂2 3 滴，此时溶液呈橙黄色。用标准的0 2 m o l l 硫酸亚铁 滴定，滴定过程中不断摇动三角瓶，直至溶液的颜色由橙黄色变为蓝绿色，继续用硫 酸亚铁滴定，溶液的颜色变为转红色，即为滴定终点。记录硫酸亚铁滴定毫升数( v ) 。 同样滴定空白。 结果计算： 土壤有机质( g k g q ) = 【( 0 8 5 c ) ( v - v o ) x 3 1 1 1 7 2 4 ( m x v o )( 1 2 ) 式中： o ，8 重铬酸钾标准溶液的浓度，m o l l ： v r 滴定空白时消耗的硫酸亚铁溶液体积( m l ) ： v 滴定样品时消耗的硫酸亚铁溶液体积( m l ) ； c 硫酸亚铁溶液浓度( m o l l ) ； m 风干土样重( g ) ； 1 1 氧化校正系数： 1 7 2 怔将有机碳换算为土壤有机质的系数。 3 。3 数据处理与分析方法 主要应用s a s 软件9 o 版与e x c e l 软件进行数据处理与分析。 3 3 1 研究区土壤理化性质变异性分析方法 应用s a s 软件9 0 版对土壤理化性质数据进行多因素方差分析与单因素方差分 析，研究造成土壤各理化性质变异的因素及各因素影响的显著程度，并通过d u n c a n 多重均值检验( 多重比较) 对各因素水平的各指标值在o 0 5 显著水平下进行显著性大 小比较。同样应用s a s 软件9 o 版对研究区的多指标数据进行多元统计分析，研究采 煤塌陷后土壤理化性质的综合变异性。 3 3 2 研究区土壤水分渗透模拟方法 为研究土壤水分入渗速率的变化规律，应用s a s 软件9 0 版对土壤水分即时入渗 速率与入渗时间的关系进行一元非线性回归拟合，拟合的公式为霍顿渗透公式。霍顿 渗透公式为： 内蒙古农业大学学位论文 f = + ( f o f c ) e 耻( 1 3 ) 式中：f _ 入渗速率；f 卜稳定入渗率；如一刀始入渗率； 卜下渗曲线递减参数，卜入渗时间。 3 3 3 研究区各样地综合土壤性质的排序与评价 应用s a s 软件9 0 版对研究区的多指标数据进行多元统计分析，包括典型判别分 析、主成分分析与因子分析，对塌陷后研究区各样地风沙土理化性质进行排序与评价。 4 结果与分析 4 1研究区整体土壤水分与物理性质的时空变异性分析 4 1 1研究区土壤容重与孑l 隙度时空变异性分析 4 1 1 1 研究区土壤容重与孔隙度整体时空变异性分析 对2 0 0 6 年与2 0 0 7 年研究区分层、分坡位的土壤容重与孔隙度数据分别进行依塌 陷与否、坡位与土层深度3 种因素的多因素方差分析，结果显示，研究区2 年的土壤 容重、孔隙度与硬度的空间分布均有极显著差异( p o 0 1 ) ，塌陷与否、土层深度与坡 位3 种因素均对研究区土壤容重、孔隙度分布有极显著影响( p o 0 1 ) 。 从环境因素的影响看，依土层深度因素的多重均值检验表明，2 年间研究区表层 0 - - 2 0 c m 的容重均显著高于以下各层而孔隙度均显著低于以下各层。表土受外部环境 的影响强于下层，降雨的击溅作用会造成土壤表层孔隙的减少或堵塞m 】，应该是造成 这种现象的主要原因。依坡位因素的多重均值检验表明，2 年间研究区坡底的容重均 显著低于坡顶与丘间低地而孔隙度显著高于坡顶与丘间低地，这是由于在沙丘形成过 程中，受起沙风的作用，沙物质在沙丘背风坡堆积并发生滑塌现象【6 5 1 ，因此位于背风 坡处的坡中与坡底的沙土孔隙较大，相对松散。 从塌陷的影响看，依塌陷与否因素的多重均值检验表明，在2 0 0 6 年，2 个塌陷 区的土壤容重均显著低于对照区而孔隙度均显著高于对照区，说明在采煤塌陷l 2 年后风沙土的土壤孔隙度显著增大，风沙土孔隙度显著增大。到2 0 0 7 年，2 0 0 5 年塌 陷区的土壤容重仍然显著低于对照区而孔隙度均显著高于对照区，未表现出恢复趋 势，该区土壤剖面普遍有土体松散、易坍塌的特点；而2 0 0 4 年塌陷区的土壤容重与 孔隙度已与对照区无显著差异，说明2 0 0 4 年塌陷区的土壤容重与孔隙度在塌珞2 3 年后的2 0 0 7 年表现出恢复趋势。 4 1 1 22 年问研究区土壤容重与孔隙度分层对比 由表l 与表2 可知，从2 0 0 6 年到2 0 0 7 年，2 0 0 5 年塌陷区各层的容重低于而孔 隙度高于对照区，2 年间其容重与孔隙度变化不大，无恢复趋势。而2 0 0 4 年塌陷区 1 8采煤塌陷后风沙土理化性质变异性研究 2 0 c m 以下2 0 0 7 年的容重与孔隙度较2 0 0 6 年分别有了一定幅度的升高与降低，并与 对照区接近，土壤孔隙状况的恢复比较明显。 表12 年间研究区不同土层深度土壤容重( g 锄 t a b l e1b u c kd e n s i t yo fd i f f e r e n td e p t h si ns t u d i e da r e ai n2y e a r s ( g c m 3 ) 表22 年间研究区不同土层深度土壤孔隙度( ) t a b l e2s o i lp o r o s i t yo fd i f f e r e n td e p t h si ns t u d i e da r e ai n2y e a r s ( x ) 4 1 1 32 年间研究区土壤容重与孑l 隙度分坡位对比 2 年间研究区土壤容重与孔隙度如图3 与图4 所示。单因素方差分析表明，在2 0 0 6 年，2 0 0 5 年塌陷区坡顶、坡中、坡底与2 0 0 4 年塌陷区丘间低地的土壤容重显著低于 而孔隙度显著高于对照区的相应坡位( p o 0 5 ) ，说明采煤塌陷l 2 年后 对塌陷区各坡位产生了一定范围的显著土壤孔隙扰动，并且对各坡位的扰动程度相 当。而单因素方差分析还表明，在塌陷2 3 年后的2 0 0 7 年，只有2 个塌陷区的坡顶 与2 0 0 5 年塌陷区的坡中的土壤容重显著低于而孔隙度显著高于对照区的相应坡位 ( p o 0 5 ) 。 内蒙古农业大学学位论文 l 。8 0d 爱憋童 仍2 0 供淘镯瓤 1 7 0 一1 6 0 善 m1 , 5 0 掣 饕1 4 0 1 3 d 1 2 0 f 子 3 螂 约 1 8 0 一口对照区b 口2 0 0 5 牟4 嚣眍 1 1 5 0 1 4 0 王3 0 1 墩顶坡中坡底丘间f 鼬撅塌冲坊蘸丘阃日目她 坡位坡盥 a 2 d 年容重：b 2 7 年容重 图32 年问研究区不同坡位壤容重( g c m o ) 乱b u c kd e n s i t yi n2 0 0 6 ：b b u c kd e n s i t yi n2 0 0 7 f i g 1 b u c kd e n s i t yo fd i f f e r e n ts l o p ep o s i t i o n si ns t u d i e da r c ai n2y e a r s ( g c m - 3 ) 5 0 0 0 一口对眍a 皿2 0 0 5 牟苟l 怒 目2 0 0 4 年葫班 3 0 0 0 2 5 0 0 5 0 0 0 一口剐眍b 口2 0 0 5 僦 日2 0 0 4 每毫翕陷区 3 0 0 0 2 5 0 0 a 2 0 0 6 年孔隙度；b 2 0 0 7 年孔隙度 图42 年同研究区不同坡位士壤孔隙度佴) 乱s o i lp o r o s i t yi n2 0 0 6 ：b s o i lp o r o s i t yi n2 0 0 7 f i g , 2 s o i lp o r o s i t yo f d i f f e r e n ts l o p ep o s i t i o n si ns t u d i e d 撇i n2y e a r s ( g - c m 3 ) 综合2 年的情况来看，采煤塌陷对土壤孔隙扰动最强烈的坡位在坡顶处，其次是 坡中，坡底与丘间低地的扰动相对轻微。各塌陷区坡项处位于塌陷边界部位，该部位 土层断裂非常严重，沉降错落位移极大( 超过9 0 c m ) ，扰动强烈，是造成该部位及其 附近的坡中( 错落位移3 0 c m - 6 0 c m ) 土壤孔隙扰动较大的直接原因；而丘间低地( 塌陷 中心部位) 的沉降错落位移较小( 一般在1 0 c m - 3 0 c m 之间) ，其土壤容重与孔隙度的扰 动也较小。 弱 s蛰拣f1忡 写i 弧 一芭彗 2 0采煤塌陷后风沙土理化性质变异性研究 4 1 2 研究区土壤硬度变异性分析 对2 0 0 7 年研究区分层、分坡位的土壤硬度数据进行依塌陷与否、坡位与土层深 度3 种因素的多因素方差分析，结果显示，塌陷2 0 年后，研究区土壤硬度的空间分 布有极显著差异( p 0 0 1 ) ，塌陷与否、土层深度与坡位3 种因素对研究区硬度分布均 有显著影响 o 0 5 ) ，可能是由于塌陷3 年后该区土壤的松散化情 况有所恢复的结果；而2 0 0 5 年塌陷区的坡顶与坡底的土壤硬度显著小于对照区相应 坡位( p 0 0 1 ) ，坡顶处位于塌陷边乒部位，土层断裂非常严重，而坡底处于背风坡， 风沙土原本结构松散，更易受到塌陷的影响，应该是造成2 0 0 5 年塌陷区这2 个坡位 处硬度显著降低的主要原因。 4 1 3 研究区土壤水分时空变异性分析 4 1 3 1 土壤冻结对塌陷区土壤水分亏缺的缓解作用 分别在2 0 0 6 年4 月土层未冻结时、2 0 0 6 年2 月土层冻结且无积雪覆盖时与2 0 0 7 年3 月土层冻结且有积雪覆盖时测定研究区土壤质量含水量，如表l 所示。 表33 种环境条件时研究区不同土层深度土壤质量含水量( x ) t a b l e3m a s sw a t e rc o n t e n to fd i f f e r e n td e p t h si nt h es t u d i e da r e aw i t h3k i n d so fe n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n s 分别对表3 中3 种情况研究区的质量含水量进行依塌陷分区( 即对照区与2 0 0 5 、 2 0 0 4 年塌陷区) 与分层情况的双因素方差分析。结果表明：2 0 0 6 年土层未冻结时研究 区的质量含水量差异显著( p 0 0 5 ) ；2 0 0 7 年土层冻结且有积雪覆盖时研究区的质量含水量差异极显 著( p o 0 5 ) 夕f ，而其它情况各塌陷区各坡位的土壤含水量均显著小于对照区相 应坡位( p 0 0 5 ) ：有积雪覆盖时，各塌陷区与 对照区的土壤含水量差异性在所有坡位均不显著( p 0 0 5 ) 。 o 5 0 0 0 0 口对眍a 口2 0 0 5 年麓g ；忍要 堪颓坡中坳芪丘侑燃 口列其眍b 母2 0 0 5 年萄煺 口2 0 0 4 磁 坡直 7 0 0 6 o o 坡顶坡申躲丘间雠 撅 瓣坡位瓿翩僦 坡位 丑土层未冻结时o nc o n d i t i o nt h a tt h es o i li sn o tf r o z e n ； b 土层冻结且无积雪覆盖时o nc o n d i t i o nt h a tt h es o i li sf r o z e nb u tw i t h o u ts n o wc o v e r i n g ： c 土层冻结且有积雪覆盖时o nc o n d i t i o nt h a tt h es o i li sf r o z e na n dw i t hs n o wc o v e r i n g 图63 种环境条件时研究区不同坡位的土壤质量含水量 f i g 6m a s sw a t e rc o n t e n to f s o i lo f d i f f e r e n ts l o p ep o s i t i o n si n t h es t u d i e d 锄陀aw i t h3k i n d so f e n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n s 采煤塌陷造成采空区上方风沙土孔隙增岁2 6 1 与土壤垂向裂缝发育，不仅减弱了风 沙土毛细现象，而且加强了风力挟走土壤水分的能力2 1 ，2 0 0 6 年土层未冻结时塌陷区 裂缝与土壤孔隙暴露，土壤水分散失严重，使得对照区与2 0 0 5 、2 0 0 4 年塌陷区的质 5 ； 2 2 l l o o ()唧善羹i- & 屯 & z l q ()捌v裒臀 5 ； 5 ； 4 3 3 2 2 l l 拿v嘲*钲幂l二 内蒙古农业大学学位论文 2 3 量含水量差异显著。而土层冻结可以增加土壤蓄水量，抑制土壤蒸发，改变土壤水分 的运行规律l 。冻结层不仅可以阻断水分向大气中的蒸发，而且可以使来自浅层地下 水向上层土壤转移的水汽在冻结层底部不断形成冰晶体，加厚冻结层1 6 6 】。这造成 2 0 0 6 、2 0 0 7 年土层冻结时塌陷分区因素对研究区质量含水量分布影响不显著，并且 在2 0 0 7 年有积雪覆盖时各区的差异性( p o 。1 ) 更小。土壤冻结时，土壤水分接近饱和 状态 6 6 】，各塌陷区与对照区土壤水分因此趋于一致。2 0 0 7 年各区因有积雪覆盖，冻 结情况更好，冻结层阻、蓄水作用也更强( 表现为各区o - - 4 0 c m 层质量含水量显著高于 以下各层) ，各区的土壤水分差异性也就更小。从不同坡位的情况来看，土层冻结时 塌陷区土壤含水量与对照区无显著差异的情况很普遍，而土层未冻结时塌陷区多数坡 位的土壤含水量显著小于对照区的相应坡位。因此土壤冻结与积雪覆盖造成的阻、蓄 水作用可以显著抑制塌陷区的土壤水分亏缺。 7 0 0 6 5 0 6 0 0 5 5 0 更 5 0 0 差t5 0 襄4 0 0 3 5 0 3 。0 0 2 5 0 2 0 0 一口对眍 a 田2 0 0 5 年塌陷区 盈2 0 0 4 年塌陷区 7 0 0 6 5 0 6 0 0 5 5 0 善5 0 0 茬t5 0 襄毛o o 3 5 0 3 o o 2 5 0 2 0 0 ? 口列更眍b i r n2 0 0 5 年蚜煺 i 田2 0 0 掣事塌f 自区 坡位坡垃 8 2 0 0 6 年土壤含水量s o i lw a t e rc o n t e n ti n2 0 0 6 ：b 2 0 0 7 年土壤含水量s o i lw a t e rc o n t e n ti n2 0 0 7 图72 年问解冻后研究区各坡位土壤容积含水量 f i g 7 s o i lb u l kd e n s i t yw a t e rc o n t e n to fe a c hs l o p ep o s i t i o na r e rs o i lt h a w i n gi n2y e a r s i 2 0 0 6 年实验期前没有降雪，实验期间风力较强，3 月1 7 日土壤开始解冻，2 6 自 完全解冻，土体环境干旱：2 0 0 7 年实验期前有降雪，实验期间积雪融化，3 月2 5 日 后土壤已经解冻，土体环境相对湿润。单因素方差分析表明，2 0 0 6 年实验期土壤开 始解冻以后2 0 0 4 年塌陷区坡顶部位与对照区相应坡位土壤含水量差异均不显著 ( p o 1 ) ，2 年实验期土壤开始解冻以后2 0 0 5 年塌陷区坡中部位土壤含水量与对照区 相应坡位差异均不显著( p o 1 ) ，除此以外，在2 年实验期土壤开始解冻以后，2 个塌 陷区其它各坡位的土壤含水量均显著小于对照区相应坡位( p o 0 1 ) 。通过图7 显示的 各坡位土壤容积含水量情况，综合方差分析结论可以看出，土壤开始解冻后，对照区 与2 个塌陷区2 年间土壤容积含水量差异均较明显的坡位是坡底与丘间低地，其中坡 底最为明显。 卤豳谰圈黼豳露照 ri_，jlfliliillillliit 一 l ， p 一 一 2 4 采煤塌陷后风沙土理化性质变异性研究 6 0 - 4 - - 列艇 + 2 0 0 5 每哟瓤 3 o r 2 5 r 3 1 73 2 03 2 33 2 63 2 9 也0 l4 - 0 4 钡步毫日期 0r + 对f 2 区 b + 2 0 0 5 年蚜陋 5 5 十2 0 0 掣列舞笮运 5 0 薹4 5 蓑4 0 墨3 5 3 0 25 z0 3 1 73 2 03 2 3 3 2 63 2 94 0 1 毛0 4 澳| 窿日期 a 坡顶土壤含水量s o i lw a t e rc o n t e n to nt h et o po f d u n e s ； b 坡底土壤含水量s o i lw a t e rc o t 3 t c n to nt h eb o t t o mo fd u n c s 图82 0 0 6 年解冻后坡顶与坡底土壤容积含水量动态 f i g 8d y n a m i cs i t u a t i o no f s o i lb u l kd e n s i t yw a t e rc o n t e n to nt o pa n db o t t o mo f d u n c sa f t e rs o i lt h a w i n gi n2 0 0 6 又如图8 ，2 0 0 6 年实验期土壤开始解冻后各区坡顶土壤水分差异较小，2 6 日解 冻完全后差异不同程度增大。而如图8 ，各区坡底土壤水分差异一直很大。 在土层解冻过程中，冻结层的阻、蓄水作用依然残存，坡位与坡向情况的差异会 影响风力的分布，造成解冻情况的差异，最终对塌陷区土壤水分分布产生影响。风在 爬迎风坡时风速增大，在坡项( 山顶) 处风速可增大2 0 【6 7 1 ，经背风坡至背风坡底时气 流形成涡旋，风速降低【6 引，风力减弱，再向丘间低地运动时风速逐渐回升。在解冻过 程中，相对于其它坡位，坡顶与坡中风速较大，热量散失较多，冻结程度较深，解冻 较慢。所以在坡顶与坡中处，塌陷区土壤水分散失较轻微且到来得较晚，各塌陷区与 对照区的水分差异性相对较小，冻结的作用比较明显；坡中距坡顶较近，情况与坡顶 接近；而在背风坡坡底，风速相对最小，热量散失较少，且各区的背风坡又是阳坡， 光热条件较好，冻结程度较轻，解冻较早，因此，在坡底处，塌陷区土壤水分散失严 重并且很早就表现出来了，2 年间各塌陷区与对照区坡底部位的水分差异在土壤冻结 时与解冻后均较明显( 如图6 - a 、6 - b 、7 与8 - a ) ，塌陷的作用最明显：丘间低地与坡顶 接近，其风速情况与坡底接近，塌陷的作用也与坡底接近( 如图6 - a 、6 - b 、7 ) 。 因此，塌陷区土层开始解冻以后，各不利于冻结的坡位、坡向地段的水分散失过 程会更早到来并更加严重。风对塌陷区土壤水分的作用呈双重性。在土层冻结期，风 可以加速热量散失、促进冻结、加强土壤蓄水，抑制塌陷区土壤水分亏缺；而在气温 回升的土壤解冻后，塌陷裂缝暴露，风开始发挥挟走土壤水分的作用，使塌陷风沙区 水分散失加剧。 0 5 o 5 5 4 4 3 ()嫠善拉孽一 内蒙古农业大学学位论文 4 1 3 2 解冻后研究区土壤含水量时空变异性分析 对2 0 0 6 年与2 0 0 7 年解冻后实验期内研究区的动态、分层、分坡位的大量土壤容 积含水量数据进行依塌陷与否、测定日期、土层深度与坡位4 种因素的多因素方差分 析。结果显示，