矿产开发不仅由于矿渣、矸石、尾矿等的堆积，造成对土地的占压，同时由于采空区的形成产生大量的地裂缝。地裂缝的发生对其周围4m范围内的植被生长有较大的影响^[1-3]。地裂缝区域的土壤水分常作为衡量其对土壤环境影响的重要指标。地裂缝的发育，改变了区域土体的结构、微环境及其水文循环过程，植被生长受到水分胁迫机理研究受到学者的广泛关注^[4-8]。赵红梅等^[9-11]对地裂缝一维纵向剖面上的含水率分布特征进行了研究，表明地裂缝对土壤水分的影响，杨泽元等、王文科等^[12-14]就风沙滩地区采煤塌陷裂缝对包气带水分运移的影响模型进行了研究，李海欣等^[1-2]就煤矿开采沉陷地裂缝对植被覆盖的影响等进行了研究。但是关于地裂缝对土壤水分的影响范围、程度及发生机制研究则较少。明确矿采对区域生态环境的影响、实现地区资源开发同生态环境保护的协调发展、防治土地沙化受到国家和地方政府的重视^[15-21]。

宁东煤炭能源基地总面积约3484km²，地处毛乌素沙漠腹地，降水稀少，蒸发强烈，地质环境极其脆弱，土壤水分是制约植被生长及其迹地植被恢复的重要瓶颈。

本次以宁东煤矿区为研究区域，选择发育于不同土壤母质上的地裂缝，进行地裂缝在二维剖面上的土壤含水率时空演变特征及不同土壤母质对地裂缝的影响研究，为宁东矿采区资源开发与生态环境保护的协调发展，以及防治土地沙化提供理论依据。

1.   研究方法

本文以宁东煤矿区的羊场湾煤矿采空区作为研究场所，地理坐标为北纬37°59'19"、东经106°35' 29"，海拔1361m，地貌类型为冲洪积平原。植物优势种群以沙蒿、柠条为主，植被覆盖度30%~50%。

采用筛分法和密度计相结合的方法进行试验区土壤颗粒分级，以土壤岩性组分进行土壤命名。土壤剖面自上而下可分为4层：0~0.1m为风积沙，含根系；0.1~0.2m为风积沙；0.2~0.5m为粉土；0.5~ 1.0m为黄土。

选择地形平整、植被生长较好、均一的采空地裂缝区域为研究区，以地裂缝为起点，垂直地裂缝方向的二维剖面土壤水分为研究对象，地裂缝的宽度为2~3m，沿垂直地裂缝的方向开挖长3.6m、宽0.9m、深1.0m的浅井，土壤二维含水率监测平面图见图 1。在其一侧的剖面垂直方向由垂向0.0m、0.1m、0.2m、0.3m、0.5m、0.7m、1.0m土层和沿地裂缝垂直水平方向的0.0m、0.3m、0.6m、0.9m、1.2m、1.5m、1.8m、2.1m、2.4m、2.7m、3.0m、3.3m和3.6m处分别设置土壤含水率数据采集点，土壤二维含水率监测点剖面分布见图 2。数据采集仪器设备为英国Delta-T公司生产的土壤水分、温度、电导率便携式测量仪，测量精度约3.0%，分辨率0.1%。采用电导原理测量土壤介质的体积含水率，每次数据采集完后对浅井进行回填处理，以减小开挖浅井造成的土壤水分散失，数据采集时间为2017年6~10月，每月1次。

图  1  土壤二维含水率监测平面图

Figure  1.  Soil 2D moisture content monitoring plan

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图  2  土壤二维含水率监测点剖面分布

Figure  2.  Soil 2D moisture content monitoring section map

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为了避免大气降水对观测的影响，每次数据采集时间选择晴朗的天气进行。

收集附近宁夏灵武市气象站资料，包括降水量、蒸发量、气温等气候要素，作为影响因子。数据处理采用GMS软件中的Interpolation模块，作图采用Excel2016、Coreldraw13.0软件。

2.   研究结果

2.1   气象特征

宁东煤矿区地处毛乌素沙漠腹地，气温呈现单峰季节变化特征，年平均气温7.5℃，最高气温29.3℃，出现于植物生长季7月，最低气温-14.6℃，出现于冬季1月。1~7月为持续升温期，7~12月为持续降温期，区内平均气温及降水量、蒸发量随时间变化曲线见图 3。

图  3  研究区平均气温及降水量、蒸发量曲线

Figure  3.  The average temperature, precipitation and evaporation curve in the study area

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降水亦呈现单峰季节变化特征，年降水量284mm，生长季5~9月月降水量占年降水量的83%，8月的降水量最大，达72.6mm。年平均蒸发量达1723mm，是降水量的6.1倍。蒸发量的季节动态亦呈单峰变化趋势，其峰值出现点提前于降水2个月。

2.2   含水率时空特征

为了查明土-气界面地表、地裂缝侧向裸露面对土壤水分散失的影响程度，本文绘制了不同月份土壤剖面含水率等值线图，结合气象要素进行分析，以总结土壤剖面含水率时空变化规律，6~10月土壤剖面含水率分布等值线图见图 4—图 8。

图  4  6月土壤剖面含水率分布等值线

Figure  4.  The contour map of soil profile water content distribution in June

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图  5  7月土壤剖面含水率分布等值线

Figure  5.  The contour map of soil profile water content distribution in July

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图  6  8月土壤剖面含水率分布等值线

Figure  6.  The contour map of soil profile water content distribution in August

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图  7  9月土壤剖面含水率分布等值线

Figure  7.  The contour map of soil profile water content distribution in September

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图  8  10月土壤剖面含水率分布等值线

Figure  8.  The contour map of soil profile water content distribution in October

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受裸露的地裂缝断面水分蒸发的影响，在越靠近地裂缝前缘的部分，其土壤含水率越小，在裸露的地裂缝断面上，其含水率接近残余含水率，水平方向0~1.2m及垂直方向0.4~1.0m的范围属于水分主要散失区，且主要分布在粉土、黄土区段（图 4），表明6月土壤水分主要通过侧面裂缝的裸露面散失，且靠近地表范围基本不受影响，表生植被生长没有来自水分缺失胁迫的影响。6月气温逐步升高，月平均气温20.9℃，植被进入复苏期，根系耗水能力逐步增强，在蒸发作用下，土壤水分略有损耗，但有降雨及时补充。

随着7月气温的骤然升高，土壤水分散失的范围也急剧扩大，在6月的基础上，水平方向大于3.6m及垂直方向大于1.0m的范围属于水分主要散失区（图 5），表明7月受外界气温变化的影响，土壤水分的散失范围扩展到地表，通过地表、侧面裂缝的裸露面散失，表生植被生长受到来自水分缺失胁迫的影响。

风积沙下部的粉土、黄土颗粒较细，渗透性能较差，严重阻碍了大气降雨由风积沙层进入粉土层的入渗速率，且风积沙的渗透性能好，大气降水短时间内滞留在该层，有利于植被根系吸收水分；同时，细颗粒物质的比表面积增加，蒸发面扩大，其水分也更容易蒸发散失。

7月气温快速升高，月平均气温22.7℃，植被进入旺盛生长期，根系耗水能力进一步增强，且在腾发作用下，土壤亏缺大量水分，尽管7月降水量达60.1mm，但依旧无法补充土壤水分的亏缺量。

随着8月气温的略微回落，土壤水分散失的范围也逐步收缩，在7月的基础上，水平方向0~3m及垂直方向0.2~1.0m的范围属于水分主要散失区（图 6），表明8月受外界气温回落的影响，土壤水分的散失范围收缩到地裂缝的裸露面，主要通过侧面裂缝的裸露面散失，表生植被生长略微受到来自水分缺失胁迫的影响。

8月气温略有回落，月平均气温20.8℃，植被进入生长期，根系耗水能力持续增强，但本月降水量增加，达72.6mm，土壤水分得到及时补充。

随着9月气温的持续回落，加之8月的降水量增加，土壤水分散失的范围也逐步收缩，在8月的基础上，水平方向0~1.8m及垂直方向0.2~1.0m的范围属于水分主要散失区（图 7），表明8月受外界气温持续回落的影响，土壤水分的散失范围继续收缩到地裂缝的裸露面，主要通过侧面裂缝的裸露面散失，表生植被生长不会受水分缺失胁迫的影响。

9月气温降低，月平均气温仅15.2℃，植被进入衰退期，根系耗水能力随之下降，土壤水分得到有效补充。

随着10月气温的大幅回落，土壤水分散失的范围也急剧收缩，在9月的基础上，水平方向0~1.5m及垂直方向上接近0.4~1.0m的范围属于水分主要散失区（图 8），表明10月受外界气温大幅回落的影响，土壤水分的散失范围继续收缩到地裂缝的裸露面，主要通过侧面裂缝的裸露面散失，且水平方向的范围也在收缩，表生植被生长不会受水分缺失胁迫的影响。

10月气温再次降低，月平均气温仅8.4℃，植被进入休眠期，根系耗水能力随之消失，土壤水分进一步得到补充。

2.3   影响因素

研究表明，地裂缝的侧向裸露面、土壤类型及结构、气温、埋深等是土壤水分散失的主要影响要素。

（1）地裂缝侧向裸露面

土壤水分蒸发的主要驱动要素即是外界气象因子，土壤蒸发的水分是自土-气界面散失，界面的大小及形态直接影响土壤水分散失的强度，地裂缝侧向裸露面的存在增加了土-气界面的面积，且自上而下垂直地表的存在形态，加速了靠近地裂缝裸露面土壤水分的散失，这对于土壤水分保持极为不利。

（2）土壤类型

粉土属于细颗粒物质，一方面风积沙+粉土上粗下细的土壤结构，使粉土大部分降水入渗水量拦截保存在近地表的风积沙中，更有利于表生植被生长；另一方面细颗粒物质的比表面积增加，蒸发面扩大，其水分也更容易蒸发散失。

（3）土壤结构

土壤水分散失空间上以下部的细颗粒物质区域为主，上部0.1~0.2m属于水分储存区，因此，该结构地裂缝的存在对植被生长所需水分的影响较小。

（4）气温

气温提供土壤水分散失所需的能量，相同条件下，气温同表土蒸发量呈正相关关系，气温越高，土壤水分散失量更大，反之亦然。

（5）埋深

鉴于土壤蒸发的水分是自土-气界面散失，因此，在远离地裂缝裸露面的情况下，外界太阳辐射对土壤水分的蒸发作用随着埋深的增加而逐步减小，在靠近裸露面的情况下，外界太阳辐射对土壤水分的蒸发作用来自地表和地裂缝侧向裸露面，埋深越大、距离裸露面越远，其外界太阳辐射对土壤水分的蒸发作用越弱，反之亦然。

3.   讨论

土壤含水率的时空变化受外界气象要素、土壤岩性、埋深等多种要素制约，6~10月剖面土壤含水率的观测数据，具有如下几个方面的特征。

（1）将同种土壤岩性含水率监测数据按照同一月份取平均值，绘制出不同土壤岩性含水率随时间变化曲线（图 9），从空间上看，随着土壤埋深的增加，土壤含水率呈现由小（根植土）变大（风积沙）、再由大变小（粉土）、再由小变大（黄土）的“S”形特征变化，不同岩性的含水率大小排序是：风积沙>黄土>根植土>粉土；从时间上看，6~10月期间，7月气温最高，土壤含水率最小（图 3）。

图  9  不同土壤岩性含水率随时间变化曲线

Figure  9.  Curve of water content of different soil lithologic characters with time

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（2）利用6~10月的全部观测数据取平均值进行处理，分为13个监测截面，绘制不同监测截面埋深含水率变化曲线（图 10），不同监测截面土壤含水率自上而下呈现出变化一致、且相互平行的变化特征；随着截面向地裂缝靠近，土壤水分呈现出逐步减小的变化特征，表明地裂缝侧面裸露面的蒸发作用对土壤水分散失起主要作用。

图  10  不同监测截面不同埋深含水率变化曲线

Figure  10.  Curves of water content in different monitoring sections of different depths

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（3）将不同月份所有含水率监测数据取平均值，建立土壤含水率同平均气温、降水量的相关关系（图 11），土壤含水率同降水量呈较差的负相关关系，相关系数R²是0.24，表明在宁东煤矿区降水量对土壤含水率变化的影响较小；土壤含水率与平均气温呈很好的负相关关系，相关系数R²是0.97，与实际情况吻合，表明宁东煤矿区气温对土壤含水率变化的影响较大。

图  11  土壤含水率同平均气温、降水量相关关系

Figure  11.  Diagram of correlation between soil moisture content and average temperature and precipitation

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4.   结论

（1）土壤水分散失空间上水分优先自裂缝裸露面散失，其次才会自地表散失，且增加的土壤水分散失面加剧了表土水分散失的程度和范围，与裂缝发育的宽度、长度以及走向均有关系；

（2）土壤水分散失时间上呈动态变化，同气温呈正相关关系。其中，7月最大，呈现地表及裂缝侧向裸露面2个蒸发面，地表土壤水分散失加剧，土壤水分散失水平影响范围大于3.6m；8月份次之，随着8月降水量的适当增加，地表的蒸发面逐渐消失，但是裂缝区裸露的蒸发面依然散失水分，呈现1个蒸发面，土壤水分散失水平影响范围为3m，对土壤水分保持造成极不利的影响。

（3）宁东煤矿区气温对土壤含水率变化的影响较大；受土壤岩性的影响，随着土壤埋深增加，土壤含水率呈现“S”形变化特征，不同岩性持水性大小顺序为风积沙>黄土>根植土>粉土。

（4）地裂缝的存在使土壤水分呈现出二维、三维的迁移特征，相关机理研究需要考虑土壤水分的侧向流动。