采煤沉陷区冻结滞水消融过程中土壤水分变化规律①

包斯琴，高 永*，丁延龙，罗凤敏，吕新丰，单玉兵，王剑然



采煤沉陷区冻结滞水消融过程中土壤水分变化规律①

包斯琴1，高 永1*，丁延龙1，罗凤敏2，吕新丰3，单玉兵4，王剑然4

(1内蒙古农业大学沙漠治理学院，呼和浩特 010019；2中国林业科学研究院沙漠林业实验中心，内蒙古磴口 015200； 3内蒙古自治区水土保持工作站，呼和浩特 010020；4内蒙古自治区水利水电勘测设计院，呼和浩特 010020)

冻结滞水的倒置富水性和双向融化特性，使其消融过程中土壤水分迁移动向发生变化。采用烘干法，对采煤沉陷区不同立地类型冻结滞水消融过程中的土壤含水率进行了测定。结果表明：①随着融化时间的延长，采煤沉陷区阴坡土壤含水率峰值沿着垂直方向逐渐向下推移。冻结滞水融化第2天和第5天，土壤含水率峰值出现在0 ~ 10 cm土层；融化第8天土壤含水率最大值出现在20 ~ 30 cm土层；融化第11、14和17天土壤含水率最大值均出现在50 ~ 60 cm土层；②采煤沉陷区沟坡地冻结滞水融化第2天和第5天土壤含水率峰值均出现在20 ~ 30 cm土层；融化第8、11、14和17天土壤含水率最大值均出现在30 ~ 40 cm土层；③采煤区和非采煤区的冻结滞水含水率峰值在冻土层之下。

冻结滞水；土壤含水率；消融过程；采煤沉陷区

冻结滞水的形成是由于冬季的冻结作用在包气带冻土层内产生冻结势，强烈吸附包气带水、支持毛管水、潜水以及空气中的水分，以液态和汽态形式向冻层迁移富集，然后冻结成冰晶，最后形成季节性滞留于冻土层内的固态地下水[1]，冻结滞水是土壤中除毛管水、重力水、薄膜水和上层滞水之外，另外一种可以供给植物利用的水分存在状态[2]。在冻土层厚度为1 m左右的区域，冻结滞水主要分布在20 ~ 80 cm土层内，冻结滞水融化后，除地面蒸发、排泄以及向下渗流以外，大部分都以毛管水以及薄膜水的形态滞留在原位置。冻结滞水的含水率有明显的分布特征，在冻结势作用下包气带水和空气中水分以液态和汽态向冻结滞水层迁移富集，主要富集在0 ~ 20 cm的深度，形成倒置富水性[3]。冻结滞水在解冻期间由上向下融化，其融水以蒸发为主消耗，部分向下运动[4]。

中国干旱、半干旱区普遍气候干旱，生态恢复难度很大[5]，而季节性冻土在中国分布十分广泛，约占中国陆地总面积的46%，从最北端的大小兴安岭地区到长江流域均有分布[6-7]，因此，对西北地区的生态建设来说，季节性冻土形成的冻结滞水应是一部分宝贵的水分资源。掌握冻结滞水的理论和动态规律，根据土壤水分状况合理安排造林时间，对提高造林成活率及生长量，恢复干旱、半干旱地区植被及生态环境具有深远意义。

神东矿区位于鄂尔多斯高原东南部和陕北黄土高原北缘接壤处，为季节性冻土分布区，冻结滞水现象普遍存在。大规模的采煤活动引起地表沉陷，破坏了季节冻结滞水原有的倒置富水性结构，造成季节冻结滞水水分运移状态的改变，从而对地表降雨的入渗与蒸发、地下水的补给、地表植被水分和养分的吸收等都产生重要影响[8-9]。而目前关于采煤沉陷区的研究多集中于土壤水分动态变化[10-13]、土壤理化性质空间分异[14-15]、采煤沉陷区水资源开发利用[16-17]及生态恢复[18-20]等方面，由于地理位置和社会经济意识等社会因素，目前有关采煤沉陷区冻结滞水消融水分变化过程尚未见报道。因此，在该区研究冻结滞水消融过程中土壤水分变化特征，能够完善季节冻结滞水理论，对矿区的植被恢复以及生态环境综合治理提供一定的理论依据和技术支撑。

1 研究区概况

研究区位于神东公司采煤沉陷区，为鄂尔多斯高原东南部和陕北黄土高原北缘接壤处，地理坐标为39°13′ ~ 39°15′ N，110°08′ ~ 110°10′ E。该区属典型干旱半干旱大陆性季风气候，年均气温7.3℃，年均蒸发量2 220.65 mm，年均降水量362 mm，主要集中在6—9月份，占全年降雨量的65% ~ 70%；年均风速2.5 ~ 3.0 m/s，最大风速19 ~ 20 m/s；地貌形态主要包括丘陵和沟谷，地形破碎，沟壑密度2 ~ 3 km/km–2；土壤以风沙土为主，区内季节性冻土平均厚度为1.2 m；沙生植物占主要优势，包括：沙柳(Wang et)、油蒿(Krasch.)、虫实(Iljin.) 、糙隐子草((Trin.) Keng.)、沙米 ((L.) Moq.)和百里香((Ronnig.) Ronnig.)等[8]。

2 研究方法

2.1 试验设计

试验样地于2006年发生沉陷，由于煤层规模开采，形成大面积采空区。笔者及其研究团队在前期对沉陷位置、沉陷程度、沉陷类型等全面调查的基础上，以发生沉陷的重点部位且存在明显冻结作用的阴坡和坡沟底作为研究区，坡面坡度22° ~ 25°。考虑到坡位与沉陷区内地表的开裂情况，所有样点避开裂缝处，选择下垫面状况相近的未扰动区作为对照。每研究区平行设置3个样点。

2.2 土样采集及测定

研究区11月初土壤开始冻结，次年3月下旬土体持续解冻。分别于2012年、2013年3月至4月中旬每隔3 d采集1次土样，挖掘土壤剖面：长80 cm、宽50 cm、深100 cm，每10 cm一层，每层3次重复。将土样装入密封袋带回，烘干，计算土壤含水率。根据研究区实际情况，本文对土壤冻融过程持续时间长，且降水少的2013年数据进行分析。

3 结果与分析

3.1 采煤沉陷区阴坡冻结滞水融化过程

图1为研究时段内研究区域的气象变化情况，数据来源于神木县气象局地面气候资料。由图1可知，研究区在2012年11月初最低气温降至零下，此时最高气温仍在零度以上，土壤开始冻结。2012年12月15日开始至2013年1月9日，研究区最高气温均不超过零度，土壤进入稳定冻结状态。随后最高气温回升至零度以上，偶有波动，最低气温多在零度以下，土壤开始融化。从2013年3月2日到3月9日，最低气温持续在零度以上，土壤进入稳定融化状态。研究区在2012年10月15日至2013年3月15日，累积降水量21.2 mm，单日降水量最大不超过4.7 mm。

综合分析采煤沉陷区阴坡冻结滞水融化后土壤含水率的垂直分布特征(图2)可知，在解冻开始时期(2013年3月2日)，融化第2天(图2A)和第5天(图2B)的土壤含水率随土层深度的变化趋势均表现为先降低后增加，二者含水率在0 ~ 10 cm土层达到峰值，分别为16.21% 和14.91%；在30 ~ 40 cm土层达到最小值，其值分别为13.05% 和11.96%；其中融化第2天的40 ~ 100 cm土层土壤含水率随土层增加幅度较小(13.05% ~ 13.88%)，而在融化第5天的40 ~ 100 cm土层土壤含水率增加趋势较为明显(11.96% ~ 14.81%)。在融化第8、11、14和17 天含水率随土层深度的变化趋势整体呈现出先增加后降低的趋势，从融化第8天到第17天，土壤含水率最小值均出现在0 ~ 10 cm土层，并且随着融化时间的延长，含水率最大值沿着垂直方向逐渐向下推移，融化第8 天(图2C)含水率最大值出现在20 ~ 30 cm土层，值为17.91%；融化第11天(图2D)和14天(图2E)含水率最大值则均出现在50 ~ 60 cm土层，至融化第17天(图2F)，土壤含水率最大值出现在60 ~ 70 cm土层。从达到峰值时土壤含水率变化来看，0 ~ 100 cm土层土壤含水率峰值随着融化时间的推移呈逐渐降低趋势。

3.2 采煤沉陷区坡沟地冻结滞水融化过程

综合分析采煤沉陷区沟坡地冻结滞水融化后土壤含水率的垂直分布特征(图3)可知，土壤含水率随着时间的推移整体呈现先增加后降低的趋势，融化第2天和第5天土壤含水率峰值均出现在20 ~ 30 cm土层；融化第8、11、14和17天土壤含水率最大值均出现在30 ~ 40 cm土层，分别为13.64%、18.61%、16.31%和15.20%，融化第8天温度降低，因此土壤含水率峰值较低，之后随着融化时间的推移土壤含水率峰值逐渐降低。

由图3A可以看出，土壤解冻后，20 ~ 30 cm土层含水率最大(15.73%)，比冻结期增加了28.30%，向下迅速减少，在40 ~ 50 cm土层内含水率最小(10.29%)，之后又逐渐增加。至融化第5天(图3B)，土壤含水率在20 ~ 30 cm土层内含水率达到最大值15.36%。随着土层的加深，土壤含水率迅速减少，在50 ~ 60 cm土层内含水率最低，为13.21%。融化第8天(图3C)，土壤含水率均降低，含水率的垂直变化特征与融化第5天相似，只是变化幅度不同。融化第11天(图3D)，土壤含水率整体都增加。融化第14天(图3E)，土壤含水率在30 ~ 40 cm土层内含水率达到峰值，其值为16.31%，最小值出现在0 ~ 10 cm土层，值为11.02%，前者是后者的1.48倍。融化第17天(图2F)，随着土层深度的增加，土壤含水率的垂线分布特征呈现“S”型曲线变化规律，在30 ~ 40 cm土层内含水率达到峰值，其值为15.20%，含水率最小值出现在80 ~ 100 cm土层内，该层含水率为10.31%，前者是后者的1.47倍。

3.3 冻结滞水融化过程中土壤含水率峰值层与冻结层的关系

季节性冻土在冻结期内土壤水分由表层逐渐向深层冻结。冻土冻结时，土壤含水率增加并冻结，在冻土层形成结晶体。由于冻结滞水存在倒置富水和双向融化特性，导致垂直方向上的土壤含水率分布特征发生变化[21]。到了融冻期，外界降雨和融雪入渗的水量，主要积蓄在融冻锋面以上，因此导致土壤含水率的垂线分布成为弧线型逆分配，即上层大于下层[22]。因而在融化开始时期，土壤含水率峰值出现在10 ~ 20 cm土层。之后随着温度的升高，土壤水分的蒸发作用也逐渐增强，水分逐渐向上层土壤转移。同时由于冻结滞水的双向融化会使得水分缓慢下移，所以含水率最大值会逐渐下移，且由于水分下移速度大于向上移动，因此在0 ~ 100 cm土层范围内土壤含水率峰值随着时间的推移逐渐降低(图2)。而在沟坡地，由于沟坡地的局部气温较低，因此地表蒸发作用较小，由此产生的蒸腾拉力也较小，因此冻结滞水主要向下运移，使得融化初期含水率峰值出现在冻结滞水的下层(20 ~ 30 cm)；但是随着土壤持续融化，渗透作用的逐渐增强，加之温度逐渐升高，融化深度也逐渐加深，冻结滞水的双向融化也会使得水分缓慢上移，土壤含水率最大值下移，由于水分下移速度大于向上移动，含水率峰值随时间的推移逐渐降低(图3)。

表1 冻结滞水融化过程中土壤含水率峰值层与冻结层的深度(cm)

注：表中数值为冻结层深度平均值±标准差。

采矿后地表沉陷，包气带土壤结构发生改变，原有致密结构层被破坏，土壤结构变得疏松，也使得包气带垂向裂隙(缝)十分发育，增加了入渗通道和土壤水分蒸发面积[10]。因此，在同一融化时间，垂直方向上采煤区融化初期冻土层较非采煤区深。在冬季土壤冻结期，土壤水的垂向运动被冻结，深层蒸发被上层冻结层阻挡，这时的蒸发以土壤冻结层表面蒸发为主。冻融时，由于累积正气温的增加，土壤表层土质疏松，上层融化，但下层冻土依然存在，使土壤的毛管作用大大减弱，此时的蒸发以解冻层的水分蒸发为主，而下层含水率较高，如表1所示，融化第2天非采煤区冻土层出现在20 cm深度，而采煤区冻土层出现在30 ~ 50 cm深度范围内；融化第2天和第5天，采煤区和非采煤区的冻结滞水含水率峰值整体都在冻土层之下；随着累积正气温的增加，水分蒸发作用加强，冻结滞水融化后的水分在蒸腾拉力作用下逐渐向上移动，因此，冻土层出现在冻结滞水峰值层之下，由于3月份气温整体较低，气温降低后已经融化的土壤极易冻结，因此融化第8天至第14天冻土层与含水率峰值层波动比较频繁；至融化第17天，100 cm深度内土壤冻土层出现在100 cm深度或全部解冻，由于冻结滞水的双向融化作用，因此冻土层在峰值层之下。

4 结论

1) 采煤沉陷区冻结滞水随融化时间延长，阴坡土壤含水率峰值沿着垂直方向逐渐向下推移。融化初期，土壤含水率呈现随土层深度增加先降低后增加的趋势，峰值出现在0 ~ 10 cm土层；融化第8天，土壤含水率表现为先增加后降低，最后又增加，含水率最大值下移至20 ~ 30 cm土层；融化第11、14和17天，土壤含水率整体表现为先增加后降低，含水率最大值继续下移至50 ~ 60 cm土层；且融化第8天土壤含水率峰值为整个融化过程的最大值。

2) 沟坡地冻结滞水融化之后土含水率随着时间的推移整体呈现先增加后降低的趋势，融化第2天和第5天土壤含水率峰值均出现在20 ~ 30 cm土层；融化第8、11、14和17天土壤含水率最大值均出现在30 ~ 40 cm土层，融化第8天温度降低，因此含水率峰值较低，之后随着融化时间的推移含水率峰值逐渐降低。

3) 融化第2天非采煤区冻土层出现在20 cm深度，而采煤区冻土层出现在30 ~ 50 cm深度范围内；融化第2天和第5天，采煤区和非采煤区的冻结滞水含水率峰值均在冻土层之下；融化第8天至第14天，冻土层与含水率峰值层波动比较频繁；至融化第17天，冻土层出现在100 cm深度左右且在峰值层以下。

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On Soil Moisture Variation During Thaw Process of Frozen Stagnant Water in Mining Subsidence Area

BAO Siqin1, GAO Yong1*, DING Yanlong1, LUO Fengmin2, LV Xinfeng3, SHAN Yubing4, WANG Jianran4

(1 College of Desert Science and Engineering, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010019, China; 2 Experimental Center of Desert Forestry, Chinese Academy of Forestry, Dengkou, Inner Mongolia 015200, China; 3 Water and Soil Conser­vation Station of Inner Mongolia Autonomous Region, Hohhot 010020, China; 4 Inner Mongolia Water Resources and Hydro­power Survey and Design Institute, Hohhot 010020, China)

Frozen stagnant water possesses inverted enriching water and two-way melting characteristics, which make soil moisture migration trend change during its melting process. In this paper, soil moisture variation was studied during the thaw process of frozen stagnant water in different terrains in mining subsidence area by using the drying method. The results showed that：1) with the extension of melting time, soil moisture peak of shady slope in mining subsidence area decreased gradually along the vertical direction. Soil moisture peak of frozen stagnant water appeared in 0-10 cm on the melted 2ndday and 5thday, appeared in 20-30 cm on the melted 8thday, in 50-60 cm on the melted 11thday, 14thday and 17thday. 2) Soil moisture peak of gully-slop lands appeared in 20-30 cm on the melted 2ndday and 5thday, and in 30-40 cm on the melted 8thday, 11thday, 14thday and 17thday. 3) The moisture peak layer of frozen stagnant water was always under the frozen layer in the mining area and the non-mining area.

Frozen stagnant water; Soil moisture; Thaw process; Mining subsidence area

10.13758/j.cnki.tr.2017.03.026

S152.3

A

内蒙古自治区科学基金重大项目(2014ZD03)资助。

(13948815709@163.com)

包斯琴(1972—)，女(蒙古族)，内蒙古通辽人，博士研究生，主要从事采煤沉陷区土壤修复、荒漠化防治研究。E-mail：baosiqin163@163.com