煤矿复垦排土场裂缝区土壤团聚体分布及稳定性

李叶鑫，吕 刚，王道涵，魏忠平

（1.沈阳工业大学 建筑与土木工程学院，沈阳 110870；2.辽宁工程技术大学环境科学与工程学院，辽宁 阜新 123000；3.辽宁省林业科学研究院，沈阳 110032）

0 引 言

【研究意义】煤炭是我国的主要能源，也是重要的工业原料。2018 年全国煤炭消费总量27.4 亿t 标准煤，占全国一次能源消费总量的59%，预测2025年中国能源消费总需求为55 亿～56 亿t 标准煤，为我国全面建成小康社会、实现“两个百年”奋斗目标和中华民族伟大复兴的中国梦提供能源保障[1]。煤炭资源的开采不仅能够带来经济的快速发展，也会产生严重的生态环境问题，其中以露天开采最为严重。我国大型煤矿多位于干旱半干旱地区的内蒙古高原、黄土高原及沙漠化地带[2]，生态环境极其脆弱，其中大规模的露天开采活动会破坏当地的生态系统，形成不同的地貌单元，改变矿区及其周围的土壤理化性质和水文平衡[3]。排土场是在露天开采过程中形成的平台-边坡相间的阶梯宝塔状巨型人工松散堆积体，作为矿区的一种典型地貌单元，具有坡度陡、坡长长的松散坡面和岩土压实的平台、物质组成复杂、孔隙发达、沉陷不均匀等特性[4]，其生态环境恶劣，降水量少且分布不均匀、蒸发量大，不利于植被的自然恢复。目前，土地复垦与人工植被构建是生态恢复的主要措施，也是最有效的恢复方法之一，其可通过整治改造使丧失的生产能力重新得到利用，有效地恢复受损的生态系统，从而提高生态系统的稳定性、防治水土流失、增强土壤水源涵养功能，被广泛应用于矿区生态修复[5]。然而，排土场土地复垦与植被恢复后仍然存在较多的生态环境问题。由于排土场塌陷（塌陷盆地、塌陷坑）、冒落、沉陷、土体裂缝（Ground fissure, GF）等地质灾害的发生，不仅改变排土场下垫面地形地貌，而且还能诱发潜蚀、管涌、崩塌、滑坡等水土流失次生灾害[6]。因此，露天煤矿排土场的治理对于该区域的生态安全以及绿色矿山建设具有重要意义。

【研究进展】土壤团聚体是土壤结构的基本单元，是土壤中各种活动过程形成的基本结构单位[7]，在评价土壤肥力和影响土壤侵蚀等方面具有重要意义[8-9]。通常利用土壤大团聚体量、土壤平均质量直径、几何平均直径以及分形维数等指标来评价土壤团聚体稳定性[10]。复垦排土场是一种典型的重构土体，经开挖、排弃、碾压、复垦等工艺使得土壤团聚体遭到破坏，容易诱发严重的水土流失[11]。目前，已有一些学者开展了排土场土壤团聚体的相关研究。刘美英等[12]采用土壤团聚体稳定率、土壤团聚体结构破坏率、不稳定团粒指数评价采煤沉陷复垦区土壤水稳性团聚体的稳定性。王凯等[13]研究恢复年限、坡位、坡向对排土场土壤团聚体稳定性及分形维数的影响。刘鸿涛等[14]研究了风化煤和砒砂岩添加对晋陕蒙矿区排土场土壤团聚体特征的影响，指出风化煤和砒砂岩的添加可以改善排土场土壤团聚体及其土壤质地。【切入点】尽管目前对排土场土壤团聚体的研究取得一定的成果，但对于复垦排土场土壤团聚体内部状况及其稳定性等方面的研究不够深入，对于排土场土壤团聚体稳定性与土体裂缝的关系研究鲜见报道。排土场土体裂缝的出现会破坏土体连续性和完整性，改变土壤结构，尤其是土体裂缝区域及其附近复垦土壤，影响排土场水分入渗、地表径流及产流产沙等多个水土流失过程。因此，研究排土场土体裂缝区土壤团聚体分布特征、稳定性及其与土体裂缝的关系对排土场植被恢复与重建具有重要意义。【拟解决的关键问题】基于此，本文以北方草原区露天煤矿排土场为研究对象，分析土体裂缝区土壤团聚体量、分布特征及分形特征，揭示土壤团聚体稳定性随土层深度的变化规律，以期为排土场水土流失防治提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于内蒙古锡林郭勒盟锡林浩特市大唐国际胜利东二号露天煤矿南排土场，东经116°06'—116°14'，北纬44°02'—44°07'，根据《土地复垦质量控制标准》（TD/T1036—2013）[15]，研究区属于北方草原区。该排土场位于矿区的东南部，总面积13.66 km2，属中温带干旱半干旱气候，年均气温1.7 ℃，年均降水量284.74 mm，主要集中在6—8 月，占全年降水量的71%以上，暴雨多发生在此3 个月内，7 月中旬到8 月中旬则更是暴雨集中频发时段，多年平均24 h最大降水量为46.8 mm。年平均蒸发量1 794.6 mm，年均风速3.4 m/s，冻结期为10 月初—12 月上旬，解冻期为3 月末—4 月中旬，最大冻土深度2.89 m，土壤为典型栗钙土。露天矿剥离采用单斗-卡车工艺，排土场采用履带推土机排土。排土场位于采区南侧，使用年限为20 a，排土场总排弃高度、台阶高度、平台宽度依次为100、25、20 m，排土场容量为592×106m3，最终松散系数为1.15。为尽快恢复排土场的植被，平台和边坡复垦采取覆土措施（土壤质地为砂质壤土），平台覆土厚度约为1 m，边坡覆土厚度约为0.5 m，复垦植被有柠条（Caragana korshinskii）、沙柳（Salix psammophila）、沙棘（Hippophae rhamnoides）、沙打旺（Astragalus adsurgens）、草木樨（Melilotus officinalis）等灌木或草本。

1.2 研究方法

本试验于2017 年8 月全面调查排土场1105 平盘（复垦年限为5 a）土体裂缝分布特征，测定每条土体裂缝的长度、宽度和深度，利用数理统计原理从中选取3 条典型土体裂缝（GFⅠ、GFⅡ、GFⅢ）作为研究对象，3 条土体裂缝位于排土场平台前缘且相互之间无影响（图1），土体裂缝长度、宽度、深度以及距排土场坡肩的距离详见表1。

表1 排土场土壤物理性质Table 1 Soil physical properties in the dump

在每条土体裂缝上布设1 个土壤剖面，该剖面位于沿土体裂缝法线方向、距离裂缝10 cm 处，按照0～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60 cm 土层深度处分别采集土壤样品，以测定土壤物理性质（表1）和不同径级土壤团聚体量。土壤团聚体采用H.H.萨维诺夫法测定，即采用干筛法和湿筛法分别测定土壤团聚体特征，土壤筛孔径为10、7、5、3、2、1、0.5、0.25 mm（干筛法）和5、3、2、1、0.5、0.25 mm（湿筛法），称质量并计算各级团聚体占土样总量的百分率，计算>0.25 mm 团聚体量（R>0.25）[16]、土壤团聚体结构破坏率（PAD）[17]、分形维数（D）[18]、平均重量直径（MWD）[19]和几何平均直径（GWD）[19]，各个指标计算式为：

式中：Mi为土粒直径

2 结果与分析

2.1 土壤团聚体量

土壤团聚体是土壤重要的组成部分，其分布特征会影响土壤孔隙结构、土壤有机质等土壤理化性质及土壤侵蚀过程，是评价土壤抗蚀性的重要指标[19]。由表2 可知，各个土体裂缝>0.25 mm 风干土团聚体量较低，主要集中在23.02%～42.70%，平均为34.64%；对于>0.25 mm 风干土团聚体，各个裂缝团聚体分布较均匀，GFⅢ裂缝的0～10 cm 土层量最高，GFⅢ裂缝的30～40 cm 土层量最低；不同裂缝>0.25 mm 风干土团聚体分布特征不同，GFⅠ裂缝0～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60 cm 土层>0.25 mm 团聚体量依次为30.47%、39.11%、37.22%、35.14%、33.91%、31.33%，GFⅡ裂缝依次为30.36%、34.76%、34.29%、36.75%、32.71%、38.24%，GFⅢ裂缝依次为42.7%、41.66%、35.12%、23.02%、32.71%、33.95%；3 个土体裂缝之间>0.25 mm 风干土团聚体无显著差异（P>0.05），GFⅠ、GFⅡ、GFⅢ裂缝0～60 cm 土层>0.25 mm 风干土团聚体量依次为34.53%、34.52%、34.86%。通过湿筛法得土壤水稳性团聚体量可直接反映降水、径流作用下的团聚体水稳定性特征，各个裂缝>0.25 mm 水稳性团聚体量明显低于风干土团聚体量，主要集中在16.9%～29.52%，平均为25.15%，这是由于土壤大团聚体在降水及地表径流等水分作用下被分散为粒径较小的团聚体，更容易被侵蚀冲刷。不同裂缝>0.25 mm 水稳性团聚体分布特征不同，GFⅠ裂缝0～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60 cm 土层>0.25 mm 水稳性团聚体量依次为22.20%、24.96%、26.70%、27.84%、25.60%、24.26%，GFⅡ裂缝依次为23.66%、26.22%、26.62%、28.24%、26.00%、28.68%，GFⅢ裂缝依次为26.80%、29.52%、25.30%、16.90%、23.00%、20.18%；3 个土体裂缝之间>0.25 mm水稳性团聚体无显著差异（P>0.05），但显著小于>0.25 mm 风干土团聚体量，GFⅠ、GFⅡ、GFⅢ裂缝0～60 cm 土层>0.25 mm 水稳性团聚体量依次为25.26%、26.57%、23.62%。

表2 土壤团聚体量Table 2 Soil aggregate content

2.2 土壤团聚体结构破坏率

土壤团聚体结构破坏率反映了团聚体遇水后的破坏程度，其数值越大，破坏越严重，土壤结构越不稳定[20]。由图2 可知，0～60 cm 土层范围GFⅠ裂缝土壤团聚体结构破坏率为20.77%～36.17%，GFⅡ裂缝为20.52%～25.00%，GFⅢ裂缝为26.58%～40.56%，GFⅢ裂缝显著大于GFⅠ裂缝和GFⅡ裂缝（P<0.05）（20 cm除外），说明裂缝形态特征和发育程度会显著影响土壤团聚体稳定性，土体裂缝在发育、扩张的过程会降低土壤结构，破坏土壤团聚体，是稳定的大团聚体在外力作用下分解为细小颗粒或微团聚体，这与刘美英等[12]研究结果类似。GFⅢ裂缝土壤团聚体遇水后破坏程度最大，团聚体稳定性最差，这与风干土和水稳性团聚体研究结果相一致，而GFⅠ裂缝和GFⅡ裂缝土壤团聚体相对稳定，在降水和冲刷条件下不容易被侵蚀。随着土层深度的增加，GFⅠ裂缝和GFⅡ裂缝土壤团聚体结构破坏率表现为先增大后减小最后略有增加的变化趋势，即0～30 cm 土层土壤团聚体结构破坏率高于30～60 cm 土层，说明裂缝的形成与发育会降低土壤团聚体稳定性，在雨水作用下容易分散为颗粒较小的团聚体及颗粒，容易形成水土流失；同时，裂缝的出现会造成部分地表径流汇集、积累、储存，土壤团聚体在水分的浸泡作用下被剥离、流失，进一步加剧土体裂缝的崩塌、扩张，为径流贮存提供更大的空间，2 个过程相互促进，加剧水土流失。GFⅢ裂缝则表现为先减小后增大的变化趋势，其过程可以用抛物线方程很好的描述，20～30 cm 和30～40 cm 土层土壤团聚体结构破坏率为27.96%和26.58%；0～30 cm 土层范围内土壤团聚体结构破坏率呈减小的变化趋势，但其数值也大于GFⅠ裂缝和GFⅡ裂缝，说明该土层土壤团聚体十分不稳定。在30 cm 土层以下，3 个裂缝土壤团聚体结构破坏率均呈增加的变化趋势，这可能是由于地表径流进入深层土壤，降低土壤团聚体稳定性。对于3 个裂缝不同土层深度处的团聚体结构破坏率无显著差异（P>0.05），0～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60 cm 土壤团聚体结构破坏率依次为28.81%、29.96%、26.19%、23.50%、24.91%、29.38%。

图2 土壤团聚体结构破坏率Fig.2 Percentage of aggregate destruction

2.3 土壤团聚体分形维数

土壤分形维数是反映土壤结构几何形状的参数，土壤黏粒量越高，土壤分形维数越大。土壤团聚体的分形维数反映了土壤水稳性团聚体及水稳性大团聚体量对土壤结构与稳定性的影响趋势，即团粒结构粒径分布的分形维数越小，则土壤越具有良好的结构与稳定性[21]。由图3 可知，3 个裂缝土壤风干土团聚体分形维数为2.847～2.919，不同裂缝之间有所不同。GFⅠ裂缝风干土团聚体分形维数为2.859～2.892，平均为 2.879，GFⅡ裂缝风干土团聚体分形维数为2.85～2.891，平均为2.876，GFⅢ裂缝风干土团聚体分形维数为2.847～2.919，平均为2.878，总体表现为GFⅠ裂缝>GFⅢ裂缝>GFⅡ裂缝，但3 个裂缝之间的风干土团聚体稳定性无显著差异；由土体裂缝宽度可知，GFⅠ、GFⅡ、GFⅢ裂缝表层土体裂缝宽度依次为9.85、2.86、5.77 cm，其变化规律与风干土团聚体稳定性相一致，说明裂缝宽度越大、裂缝发育越明显，土壤团聚体稳定性越差，对团聚体稳定性影响越显著。3 个裂缝土壤水稳性团聚体分形维数为2.898～2.942，与风干土团聚体分形维数相比有所增大，这主要是由于团聚体遇水后分解为小团聚体或更为细小的土壤颗粒，土壤团聚体稳定性也有所降低。GFⅠ裂缝水稳性团聚体分形维数为2.905～2.921，平均为2.912，GFⅡ裂缝水稳性团聚体分形维数为2.898～2.912，平均为 2.907，GFⅢ裂缝水稳性团聚体分形维数为2.907～2.942，平均为2.922，总体表现为GFⅢ裂缝>GFⅠ裂缝>GFⅡ裂缝，这一变化规律与风干土团聚体分形维数有所不同，这是由于GFⅢ裂缝>0.25 mm 风干土团聚体量偏高，遇水后形成较多的细小颗粒，增大土壤分形维数。GFⅡ裂缝水稳性团聚体分形维数最小，说明在同等降雨或地表径流冲刷条件下，其土壤团聚体稳定性相对较好，不易发生水土流失，这与该裂缝宽度较小关系密切。与风干土团聚体相比，水稳性团聚体分形维数有所增加，但其增加幅度较小，GFⅠ、GFⅡ裂缝和GFⅢ裂缝土壤分形维数的增加量分别为0.023～0.053、0.02～0.048、0.022～0.068，增加幅度为0.8%～1.85%、0.69%～1.68%、0.75%～2.39%，其中GFⅢ裂缝土壤分形维数的增加幅度最大，为1.52%，GFⅡ裂缝增加幅度最小，仅为1.08%，但总体上3 个裂缝土壤分形维数的增大幅度均较小。无论是风干土团聚体还是水稳性团聚体，3 个裂缝土壤分形维数均较大，接近3，说明土壤团聚体以小团聚体或细小颗粒为主，这与风干土团聚体和水稳性团聚体的研究结果一致；水稳性大团聚体量对土壤结构及其稳定性的影响较小，裂缝区土壤团聚体稳定性较差，不具有良好的土壤结构与稳定性，遇水后容易形成细小颗粒。

图3 土壤团聚体分形维数特征Fig.3 Fractal dimension characteristics of soil aggregates

2.4 土壤团聚体稳定性

土壤团聚体平均重量直径（MWD）和几何平均直径（GMD）是评价土壤团聚体稳定性的2 个重要指标，受到外界破坏和崩解作用下，土壤团聚体MWD和GMD越大，土壤团聚体稳定性越大，土壤抗侵蚀能力越强[22]。由图4 可知，土壤团聚体的MWD和GMD具有相同的变化规律，0～60 cm 土层范围内3 个裂缝风干土团聚体的MWD和GMD均表现为GFⅢ裂缝>GFⅠ裂缝>GFⅡ裂缝，其中GFⅠ、GFⅡ、GFⅢ裂缝风干土团聚体的MWD依次为1.11、1.05、1.28 mm，风干土团聚体的GMD依次为0.45、0.44、0.49 mm；3 个裂缝水稳性团聚体的MWD和GMD均表现为GFⅡ裂缝>GFⅢ裂缝>GFⅠ裂缝，其中GFⅠ、GFⅡ、GFⅢ裂缝水稳性团聚体的MWD依次为0.67、0.73、0.72 mm，水稳性团聚体的GMD依次为0.36、0.38、0.37 mm，均表现为GFⅡ裂缝大于GFⅠ裂缝和GFⅡ裂缝，说明GFⅡ裂缝土壤具有较好的土壤结构和土壤稳定性，土壤抗侵蚀能力较强，这与前面的分析结果相一致。表层0～10 cm 土层的风干土团聚体和水稳性团聚体的MWD和GMD均相对较小，说明表层土壤抗侵蚀性能较差。风干土团聚体的MWD和GMD均小于水稳性团聚体，这与前文研究结果一致。

图4 土壤团聚体稳定性特征Fig.4 Soil aggregate stability characteristics

根据土壤水稳性团聚体MWD数值对土壤团聚体稳定性进行分级[23-24]：极不稳定（MWD<0.4），不稳定（0.4≤MWD<0.8），稳定（0.8≤MWD<1.3），较稳定（1.3≤MWD<2.0），极稳定（MWD≥2.0）。由图4可知，GFⅠ裂缝0～10、10～20、20～30、40～50、50～60 cm 土壤水稳性团聚体处于不稳定水平，GFⅡ裂缝0～10、10～20、20～30、40～50 cm 土壤水稳性团聚体处于不稳定水平，GFⅢ裂缝20～30、30～40、40～50、50～60 cm 土壤水稳性团聚体处于不稳定水平，GFⅠ裂缝30～40 cm、GFⅡ裂缝30～40 cm 和50～60 cm、GFⅢ裂缝0～10 cm 和10～20 cm 土壤水稳性团聚体处于稳定水平，大部分土层土壤水稳性团聚体处于不稳定水平，这与裂缝的形成与发育有关。

3 讨 论

排土场是一种典型的矿山工程扰动土，其复垦土壤是由人为方式通过不同重构工艺构成的复杂整体[25]，在开挖-堆弃-压实-重构等作用下其土壤孔隙度[26]、土壤体积质量[27-28]、土壤团聚体[29]、土壤水文过程[3]均发生明显改变，土壤团聚体量及其稳定性可以直接反映排土场重构土壤的结构状况和质量，对区域水循环及土壤侵蚀过程具有重要影响。吕刚等[9]对比分析不同复垦模式条件下团聚体的稳定性。唐骏等[11]研究了植被恢复对排土场土壤团聚体的影响，分析土壤团聚体指标与有机碳和黏粒量的相关性，提出植被恢复类型和地形对排土场土壤团聚体影响显著。然而，以往研究多以复垦排土场不同植被类型土壤团聚体分布特征为主，并未涉及到塌陷、冒落、沉陷、土体裂缝等作用对土壤团聚体稳定性的影响。土体裂缝的形成与发育不仅改变排土场下垫面微地形，也会降低土壤团聚体稳定性，而土壤团聚体的破碎与分散又进一步加剧土体裂缝扩张，2 个过程相互促进、发展。尽管土体裂缝数量较少、分布集中，但其发生位置多位于排土场平台前缘[30]，是排土场滑坡或泥石流危害发生的前兆[31]，对于防治排土场土壤侵蚀具有重要意义[6]。因此，在今后的研究中可将排土场土体裂缝区域土壤团聚体作为研究对象，监测土体裂缝发育过程与土壤团聚体稳定性的动态变化，明确二者的定量关系，以期为露天煤矿排土场土地复垦与水土流失防治提供科学依据。

4 结 论

1）各个土体裂缝>0.25 mm 风干土团聚体量较低，其数值为23.02%～42.70%，且各个裂缝之间无显著差异；>0.25 mm 水稳性团聚体量明显低于风干土团聚体量。

2）3 个土体裂缝土壤团聚体结构破坏率较大，0～30 cm 土层土壤团聚体结构破坏率高于30～60 cm土层，说明裂缝的形成与发育会降低土壤团聚体稳定性，容易形成严重的水土流失。

3）土壤风干土团聚体和水稳性团聚体的分形维数均表现为GFⅡ裂缝最小，土体裂缝宽度越大、裂缝发育越明显，土壤团聚体稳定性越差；与风干土团聚体相比，水稳性团聚体的分形维数有所增大，这主要是遇水后降低了土壤团聚体稳定性，形成更多的细小颗粒。

4）土壤团聚体的MWD和GMD具有相同的变化规律；大部分土层土壤水稳性团聚体处于不稳定水平，这与裂缝的形成与发育有关；GFⅡ裂缝土壤具有较好的土壤结构和土壤稳定性，土壤抗侵蚀能力较强。

（作者声明本文无实际或潜在的利益冲突）