李禹凝，王金滿,2*，張雅馥，朱秋萍，王敬朋

干旱半干旱煤礦區(qū)土壤水分研究進(jìn)展①

李禹凝1，王金滿1,2*，張雅馥1，朱秋萍1，王敬朋1

(1 中國地質(zhì)大學(xué)(北京)土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京 100083；2 自然資源部土地整治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100035)

本文重點(diǎn)評(píng)述了干旱半干旱煤礦區(qū)土壤水分與生態(tài)環(huán)境效應(yīng)研究進(jìn)展，系統(tǒng)總結(jié)了土壤水分運(yùn)移機(jī)理與動(dòng)態(tài)模擬方法。采煤塌陷會(huì)破壞土壤含水層構(gòu)造并導(dǎo)致地下水位下降，間接改變土壤含水率空間分布特征；露天采礦與復(fù)墾過程中機(jī)械壓實(shí)導(dǎo)致土壤孔隙數(shù)量減少，連通性減弱，土壤水分入滲受阻；土壤重構(gòu)與植被重建技術(shù)能夠有效改善土壤結(jié)構(gòu)，緩解土壤水分流失。在未來研究中，首先應(yīng)進(jìn)一步豐富勢(shì)能理論體系，完善數(shù)值模擬技術(shù)并引入動(dòng)態(tài)指標(biāo)；其次應(yīng)結(jié)合干旱半干旱煤礦區(qū)環(huán)境的特殊性，加強(qiáng)土壤水分運(yùn)移規(guī)律及其機(jī)理研究；最后應(yīng)基于土壤–植被–水分間耦合關(guān)系優(yōu)化調(diào)控措施，促進(jìn)干旱半干旱煤礦區(qū)復(fù)墾與生態(tài)修復(fù)。

土地生態(tài)；土壤水；非飽和帶；土壤水分運(yùn)移；煤礦區(qū)

土壤水是指地表與潛水位垂直剖面間土壤層中的水分，亦被稱為非飽和帶土壤水[1]。非飽和帶土壤孔隙同時(shí)被水分與氣體占據(jù)，是巖土顆粒、水分、氣體三相物質(zhì)共同存在的一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，非飽和帶土壤水運(yùn)移也被認(rèn)為是水文循環(huán)中最重要且最復(fù)雜的環(huán)節(jié)[2]。土壤水是連接大氣水、地表水、地下水與植被間的關(guān)鍵紐帶[3]，是水分與溶質(zhì)吸收、維持和運(yùn)輸?shù)闹匾d體，促進(jìn)了地球地表系統(tǒng)水文循環(huán)與能量交換[4-5]。當(dāng)前，在自然變化和人類活動(dòng)共同作用下，對(duì)土壤的利用與擾動(dòng)不斷加劇，不同時(shí)空尺度中土壤水分運(yùn)移與循環(huán)的變化也更加劇烈，因此開展土壤水分運(yùn)移研究十分必要。

中國是當(dāng)前世界上最大的煤炭生產(chǎn)國和消費(fèi)國之一[6]，煤炭占中國一次能源消費(fèi)比重一半以上，且未來一段時(shí)間內(nèi)中國仍將保持以煤炭為主的能源結(jié)構(gòu)[7]。在中國，煤礦多分布在黃土高原與內(nèi)蒙古高原等干旱半干旱地區(qū)，區(qū)域內(nèi)生境脆弱，水土流失等問題嚴(yán)重。土壤水是干旱半干旱區(qū)植被生長的主導(dǎo)因素[8-9]，然而由于采礦活動(dòng)劇烈，礦區(qū)及周邊土壤逐漸退化，植被受損日益嚴(yán)重[10-13]。其中，井工礦開采會(huì)導(dǎo)致采空區(qū)地面塌陷、裂縫等問題，采礦區(qū)隔水層斷裂，地下水位下降，進(jìn)而影響土壤水分的分布特征；露天礦開采與排土場(chǎng)復(fù)墾過程中土地壓占問題嚴(yán)重，重型機(jī)械的運(yùn)輸與碾壓增強(qiáng)了土壤壓實(shí)程度，破壞了土壤孔隙結(jié)構(gòu)，改變了土壤水分運(yùn)移路徑。由此可見，礦區(qū)活動(dòng)打破了區(qū)域水循環(huán)平衡，加劇了土壤與植被退化[13-14]，礦區(qū)生態(tài)環(huán)境問題亟待解決。

因此，開展煤礦區(qū)土壤水分變化與驅(qū)動(dòng)機(jī)制研究對(duì)礦區(qū)植被修復(fù)與水資源調(diào)控具有重要意義。當(dāng)前土壤水分研究方向主要集中在農(nóng)業(yè)活動(dòng)下土壤水鹽運(yùn)移方面，對(duì)采礦活動(dòng)與復(fù)墾措施下水分運(yùn)移規(guī)律與機(jī)理研究的關(guān)注較少，起步較晚。對(duì)此，本文系統(tǒng)整理并評(píng)述了不同活動(dòng)下煤礦區(qū)土壤結(jié)構(gòu)與水分變異特征、土壤水分運(yùn)移形式與能量轉(zhuǎn)化關(guān)系、土壤水分觀測(cè)與模擬方法，并指出了未來有待進(jìn)行的科學(xué)研究工作，以期促進(jìn)有關(guān)領(lǐng)域科學(xué)研究的深入開展。

1 煤礦區(qū)采煤活動(dòng)對(duì)土壤水分的影響

1.1 采煤塌陷對(duì)土壤水分的影響

采煤活動(dòng)中大規(guī)模機(jī)械開采會(huì)破壞上層含水層構(gòu)造，礦層頂部平衡條件被破壞而失去支撐，造成地表發(fā)生裂縫與沉陷[15]，引發(fā)包氣帶宏觀結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化。根據(jù)塌陷區(qū)穩(wěn)定程度可將包氣帶宏觀結(jié)構(gòu)變化劃分為3個(gè)階段：采煤塌陷前階段，包氣帶層序相對(duì)清晰，土壤顆粒排列有序、均一；采煤塌陷非穩(wěn)定階段，大量裂隙貫穿地表，巖土孔隙性發(fā)生變化；塌陷穩(wěn)定階段，土壤層序與容重逐漸趨于塌陷前狀態(tài)，但包氣帶內(nèi)仍存在隱伏裂隙，包氣帶厚度持續(xù)增加[16]。此外，由于外界擾動(dòng)，裂縫塌陷區(qū)土壤內(nèi)部微觀構(gòu)造也發(fā)生改變，土壤中細(xì)黏粒含量減少，中粗粉粒增加，土壤粒徑均一性變差[17-20]。部分學(xué)者對(duì)我國西北干旱半干旱地區(qū)采煤沉陷區(qū)土壤的理化性質(zhì)進(jìn)行觀測(cè)與時(shí)間序列分析，普遍發(fā)現(xiàn)煤礦風(fēng)沙區(qū)土壤逐漸粗化[21-22]，且隨著塌陷年限的增加，土壤毛管孔隙度減小，非毛管孔隙度增加，田間持水量逐漸降低[23]?？梢姡擅核菀鸬陌鼩鈳ЫY(jié)構(gòu)變異研究是探究采煤塌陷對(duì)非飽和帶土壤水運(yùn)移影響機(jī)理的關(guān)鍵。

采煤沉陷的發(fā)生是一個(gè)相對(duì)緩慢持續(xù)的過程，隨著地表裂縫發(fā)育與塌陷年限延長，土壤水空間分布特征發(fā)生顯著變化，其中在垂直方向上，表層(0 ～ 20 cm)土壤含水率變異作用顯著，土壤水分流失量隨著剖面深度的增大而減小[21]，土壤含水量低值區(qū)位于塌陷坑部位[24]。在此基礎(chǔ)上，郭巧玲等[25]對(duì)裂縫區(qū)與對(duì)照組垂向土壤含水量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)裂縫越寬，深層含水率變異越明顯。在水平方向上，土壤含水率整體呈現(xiàn)由裂縫區(qū)向非裂縫區(qū)遞增趨勢(shì)，各深度土壤含水量低值區(qū)均位于裂縫區(qū)的裂縫發(fā)育帶，高值區(qū)位于非裂縫區(qū)的植被覆蓋區(qū)[26-27]。在采煤塌陷區(qū)土壤水分運(yùn)移規(guī)律研究中發(fā)現(xiàn)，土壤水分蒸發(fā)與入滲過程變化顯著，沉陷明顯增加了土壤水分垂直入滲深度與蒸發(fā)量，降低了表層土壤持水能力[17]。

目前，研究人員已經(jīng)針對(duì)采煤塌陷對(duì)土壤水分的影響進(jìn)行了多項(xiàng)研究，但當(dāng)前研究指標(biāo)種類較為單一，主要為土壤含水率、入滲率與蒸發(fā)量，并且研究分析多為對(duì)上述指標(biāo)的靜態(tài)描述，缺少對(duì)其他水分運(yùn)移形式的動(dòng)態(tài)探究與機(jī)理揭示。

1.2 土壤壓實(shí)對(duì)土壤水分的影響

土壤內(nèi)固、液、氣三相共存，土?；驁F(tuán)聚體間的孔隙結(jié)構(gòu)會(huì)直接影響水分運(yùn)移路徑與方式[28]，其中大孔隙(孔隙直徑>100 μm)和中孔隙(30 ～ 100 μm)作用效果更為顯著[29]。大量研究表明，礦區(qū)內(nèi)重型機(jī)械運(yùn)輸與排土場(chǎng)壓占等活動(dòng)會(huì)大大增強(qiáng)土壤壓實(shí)程度，大、中孔隙的孔隙直徑、數(shù)量與孔隙度均減少，土壤內(nèi)水分流通與氣體擴(kuò)散嚴(yán)重受阻[30]。從空間角度看，不同土層間的孔隙特性也表現(xiàn)出較大的差異，隨著深度的增加，土壤孔隙的數(shù)量、孔隙度、孔隙直徑和圓度均減小[31]，總孔隙度也呈降低趨勢(shì)[32]。此外，礦區(qū)土壤壓實(shí)還會(huì)破壞包氣帶內(nèi)孔隙的連通性。王金滿等[33]通過CT掃描技術(shù)證明，黃土區(qū)露天煤礦排土場(chǎng)土壤孔隙之間的連通性會(huì)隨著壓實(shí)程度增加而降低；對(duì)土壤水分特征曲線的預(yù)測(cè)發(fā)現(xiàn)，土壤含水量也隨著壓實(shí)程度增加而迅速降低。

采礦活動(dòng)中大型機(jī)械碾壓嚴(yán)重破壞了土壤理化性質(zhì)，改變了水氣運(yùn)移方式，打破了原區(qū)域水文平衡。一方面，表層土壤壓實(shí)增加了土壤容重，阻礙了降水入滲與植被根系生長。在半干旱礦區(qū)，降雨量較小時(shí)，雨水難以入滲到深層土壤(20 cm以下)[34]。呂春娟等[35]通過試驗(yàn)測(cè)算發(fā)現(xiàn)在壓實(shí)作用下，土壤水分入滲特征隨容重的增大呈冪函數(shù)趨勢(shì)減小，進(jìn)一步驗(yàn)證了上述結(jié)論。另一方面，排土場(chǎng)土壤壓實(shí)還會(huì)加速地表集中徑流的形成，造成土壤侵蝕和水土流失等危害。魏忠義等[36]通過調(diào)查安太堡露天煤礦排土場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)其平臺(tái)表層土壤嚴(yán)重壓實(shí)，滲透系數(shù)僅為0.3 ～ 0.4 mm/min，極易形成暴雨徑流，而邊坡易發(fā)生滑坡與水土流失。由于平臺(tái)壓實(shí)強(qiáng)度高而邊坡堆積松散，黃土高原地區(qū)露天煤礦排土場(chǎng)的平臺(tái)徑流量大于邊坡，水土流失量小于邊坡，而在草灌喬混合植被組合修復(fù)下，土壤孔隙率與入滲率均得到提高，可有效緩解區(qū)域水土流失[37]。

綜上，在礦區(qū)開采與復(fù)墾過程中，受機(jī)械壓實(shí)作用影響，土壤容重增大，土體孔隙結(jié)構(gòu)受損，影響了土壤水分滲透及溶質(zhì)運(yùn)輸。當(dāng)前研究主要探討了礦區(qū)土壤壓實(shí)對(duì)水分入滲與徑流的影響，而我國煤礦多分布在西部干旱半干旱地區(qū)，水分蒸發(fā)是制約當(dāng)?shù)刂脖簧L的關(guān)鍵。因此，針對(duì)干旱半干旱煤礦區(qū)，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)土壤壓實(shí)對(duì)土面蒸發(fā)的影響規(guī)律研究，深入探討礦區(qū)壓實(shí)對(duì)土壤水分運(yùn)移的動(dòng)態(tài)作用機(jī)理。

2 煤礦區(qū)土地復(fù)墾對(duì)土壤水分的影響

2.1 土壤重構(gòu)

土壤重構(gòu)是礦區(qū)復(fù)墾與生態(tài)修復(fù)的關(guān)鍵基礎(chǔ)與核心，主要通過工程措施或添加改良劑等方法，對(duì)礦區(qū)損毀土壤的理化性質(zhì)進(jìn)行修復(fù)與重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)土壤生產(chǎn)力的恢復(fù)與提高[38]。由于礦區(qū)復(fù)墾方向主要為農(nóng)業(yè)用地，且土壤、水、植被三者間關(guān)系十分緊密，因此土壤重構(gòu)下非飽和帶土壤水分變化得到廣泛關(guān)注[39]。對(duì)于高潛水位采煤塌陷區(qū)，單一粉煤灰充填會(huì)導(dǎo)致上層土壤含水率過高，植物根系腐爛[40-41]；單一煤矸石充填會(huì)抑制地下水上升，植物缺水萎蔫；而煤矸石–粉煤灰混合物充填則兼?zhèn)浔Ｋ耘c透氣性[42]。而在黃土半干旱地區(qū)，通過“堆狀地面”土壤重構(gòu)方法將表層覆土按一定排列方式疏松堆積，發(fā)生降水時(shí)，松散的土壤能夠有效分散土壤入滲，緩解暴雨徑流，加速植被恢復(fù)[36]。在晉陜蒙礦區(qū)，沙黃土和砒砂巖以7∶3比例混摻能有效減少土壤蒸發(fā)量，在含水量較高的時(shí)期抑制效果更加顯著[43]。可見，重構(gòu)土壤能有效改善土壤孔隙結(jié)構(gòu)，恢復(fù)土壤肥力，為植被恢復(fù)提供良好的承載與水源基礎(chǔ)。許多學(xué)者也針對(duì)不同礦區(qū)土壤特征提出了相應(yīng)的重構(gòu)土壤剖面設(shè)計(jì)。研究表明，西部風(fēng)沙區(qū)土壤重構(gòu)時(shí)植被根系層襯墊10 ～ 30 cm的黃土，可以提升土壤含水率，有利于礦區(qū)植被恢復(fù)[44]。孫潔[45]基于野外調(diào)查與數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，東蒙草原區(qū)露天礦排土場(chǎng)“腐殖土+黏土+中砂”的模式能有效提高土壤(0 ～ 50 cm)含水率，但不利于深層地下水接受降水入滲與補(bǔ)給。由此看出，重構(gòu)土壤對(duì)植被根系層的土壤持水能力有顯著提升與恢復(fù)效果，但對(duì)深層土壤以及地下水影響機(jī)理尚不明晰。

目前礦區(qū)土壤重構(gòu)與水分變化研究主要集中在復(fù)墾措施對(duì)土壤含水率的影響上，與采煤塌陷區(qū)土壤水分研究類似，其研究指標(biāo)相對(duì)靜態(tài)且單一。因此，未來應(yīng)基于動(dòng)態(tài)變量，如土壤導(dǎo)水率、土壤水勢(shì)等，定量探究不同土壤剖面重構(gòu)技術(shù)下土壤水分動(dòng)態(tài)運(yùn)移規(guī)律與時(shí)空變異特征，從表層土壤向深層地下水、從礦區(qū)場(chǎng)地尺度向區(qū)域流域尺度共同推進(jìn)生態(tài)效應(yīng)研究。

2.2 植被重建

采礦活動(dòng)會(huì)導(dǎo)致地下水位下降，土壤含水率顯著變化，且包氣帶結(jié)構(gòu)嚴(yán)重變形，促使植被根系受損，礦區(qū)植被生長受阻[44]。郭巧玲等[25]對(duì)神府–東勝采煤塌陷區(qū)土壤含水量進(jìn)行水平方向研究，發(fā)現(xiàn)各土層土壤含水量低值區(qū)均位于裂縫發(fā)育帶，高值區(qū)位于非裂縫區(qū)的植被覆蓋區(qū)，說明采煤裂縫破壞土體結(jié)構(gòu)，影響土壤水空間分布，進(jìn)而導(dǎo)致植被退化。隨著研究的深入開展，部分學(xué)者基于植被重建角度提出了復(fù)墾研究與建議，以促進(jìn)礦區(qū)水土保持與生態(tài)平衡。溫明霞等[46]從不同土地利用類型角度研究發(fā)現(xiàn)，馬家塔露天煤礦復(fù)墾區(qū)不同土層土壤水分入滲率與飽和導(dǎo)水率表現(xiàn)為：草地>林地>灌木地>荒地，且均與土壤容重呈負(fù)相關(guān)。不同復(fù)墾區(qū)植被組合對(duì)土壤水分的保持與運(yùn)移作用效果亦不同。張燕樂等[47]調(diào)查晉陜蒙接壤區(qū)煤礦排土場(chǎng)發(fā)現(xiàn)，苜蓿(L.)和沙棘(Linn.)草灌混合模式更有利于緩解該地區(qū)土壤水分流失，土壤平均含水量同原地貌草地相比提高了50% 以上。以安太堡露天礦為代表的黃土區(qū)煤礦排土場(chǎng)，刺槐(L.)與油松(Carr.)復(fù)墾組合下土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的穩(wěn)定性最好，復(fù)墾改良效果最佳[48]。雖然上述排土場(chǎng)均位于我國干旱半干旱地區(qū)，氣候與生態(tài)背景具有一定的相似性，但基于地理環(huán)境的異質(zhì)性，針對(duì)不同礦區(qū)不同土壤損毀問題應(yīng)展開理論與實(shí)踐研究，并提出相應(yīng)的植被修復(fù)方案。

目前礦區(qū)植被修復(fù)下水分研究主要為短期內(nèi)植被覆蓋度與含水量的宏觀變化，缺少對(duì)礦區(qū)植被與土壤水間微觀作用機(jī)理分析，以及長期的原位動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。因此，未來應(yīng)繼續(xù)加強(qiáng)二者間耦合研究，并構(gòu)建長期科學(xué)的監(jiān)測(cè)反饋機(jī)制，以指導(dǎo)排土場(chǎng)土地合理利用和生態(tài)植被建設(shè)。

3 煤礦區(qū)土壤水分運(yùn)移機(jī)理及研究方法

3.1 煤礦區(qū)土壤水分運(yùn)移機(jī)理研究

1966年P(guān)hilip提出了土壤–植被–大氣連續(xù)體(soil- plant-atmosphere continuum，SPAC)概念[49]，該理論概念描述了一個(gè)動(dòng)態(tài)統(tǒng)一、相互反饋的連續(xù)系統(tǒng)，隨著SPAC的提出，國際上土壤水分運(yùn)移研究也逐漸從形態(tài)學(xué)觀點(diǎn)向能態(tài)觀點(diǎn)發(fā)展。20世紀(jì)80年代初，SPAC理論被引入中國，許多學(xué)者基于此開展了地下水與土壤水間水分運(yùn)移研究[50]。1999年，楊建鋒等[51]進(jìn)行了華北地區(qū)大氣降雨–地表水–土壤水–地下水相互轉(zhuǎn)化關(guān)系研究，并提出地下水–土壤–植物–大氣連續(xù)體(ground water-soil-plant-atmosphere continuum，GSPAC)的概念。GSPAC系統(tǒng)中水分運(yùn)移直接或間接地影響了大氣降水、地下水補(bǔ)給、植被根系吸水等生態(tài)水文過程，能量隨水分運(yùn)移過程發(fā)生傳遞與轉(zhuǎn)換，其中土壤水分運(yùn)移方式主要包括入滲、蒸發(fā)和再分配。

土壤入滲是土壤與大氣界面水分運(yùn)移的形式之一，同時(shí)也是地面水轉(zhuǎn)化為可被植被吸收利用水分的唯一途徑[52]，影響植被生長狀況與土壤侵蝕程度。土壤入滲一般發(fā)生在降水與灌溉后，垂向與水平方向上土壤入滲的主要驅(qū)動(dòng)力分別為重力勢(shì)和土壤基質(zhì)勢(shì)[53-54]。在干旱半干旱煤礦區(qū)，不同形式與程度的人類活動(dòng)導(dǎo)致土壤水分運(yùn)移規(guī)律的差異性，采煤塌陷區(qū)土壤水分空間變異性強(qiáng)，主要由于塌陷區(qū)域土壤粗化嚴(yán)重，持水性能差，加速水分入滲[24]；在排土場(chǎng)復(fù)墾過程中，由于機(jī)械壓實(shí)作用，平臺(tái)土壤容重增大，大孔隙度降低，水分入滲率減小，加速地表徑流的形成。土面蒸發(fā)是土壤與大氣界面水分的另一種運(yùn)移形式。采煤塌陷產(chǎn)生的裂縫與斷面間接地增加了土壤蒸發(fā)面，顯著增加了水分蒸發(fā)量，減小了表層土壤持水能力[17，21]；當(dāng)包氣帶厚度大于極限蒸發(fā)深度時(shí)，入滲補(bǔ)給量和包氣帶厚度無關(guān)，僅會(huì)延長水分進(jìn)入潛水面時(shí)間[55]。雖然部分學(xué)者對(duì)煤礦區(qū)土壤入滲與蒸發(fā)特征進(jìn)行了一定機(jī)理解釋，但缺少從能量本質(zhì)出發(fā)對(duì)水分運(yùn)移機(jī)理的定量化分析。水分再分配發(fā)生在土壤與植被根系交界處，一般受土壤含水量、土壤質(zhì)地以及植被導(dǎo)水性等因素影響。植物水勢(shì)與土壤水勢(shì)間差值是該運(yùn)移過程的主要驅(qū)動(dòng)力，根系可從深層較濕潤土壤中吸取水分后通過側(cè)根運(yùn)輸?shù)奖韺虞^干燥的土壤中；反之，當(dāng)發(fā)生降水等情況后，根系從表層濕潤土壤中吸收水分向下運(yùn)輸?shù)缴顚虞^干燥土壤中，從而改善表層土壤水分狀況[56-58]?？梢姡寥浪滞瑫r(shí)以多種方式發(fā)生運(yùn)移，且涉及不同空間方向，受到多種因素與驅(qū)動(dòng)力共同影響，很難通過觀測(cè)試驗(yàn)直接探究，應(yīng)加強(qiáng)構(gòu)建土壤水分運(yùn)移模型，以利于對(duì)不同采礦活動(dòng)下土壤水分運(yùn)移展開模擬研究。

目前土壤水分運(yùn)移機(jī)理研究相對(duì)集中在農(nóng)田與森林生態(tài)系統(tǒng)中，而煤礦區(qū)土壤水分運(yùn)移特征的機(jī)理研究相對(duì)匱乏，且主要為定性描述，缺少從定量角度揭示礦區(qū)土壤水分運(yùn)移的能量驅(qū)動(dòng)機(jī)制?；谝陨涎芯浚疚奶岢龅V區(qū)土壤水分運(yùn)移示意圖(圖1)，以期進(jìn)一步完善礦區(qū)地下水與地表間相互作用關(guān)系，推動(dòng)礦區(qū)土壤水分運(yùn)移與能量循環(huán)的動(dòng)態(tài)研究。同時(shí)，當(dāng)前煤礦區(qū)土壤水分運(yùn)動(dòng)研究主要集中在大氣–土壤–植被間，在未來的研究中，應(yīng)結(jié)合煤礦區(qū)地下水位下降的實(shí)際背景，聚焦于礦區(qū)土壤水與地下水之間的相互作用研究，不斷豐富完善礦區(qū)GSPAC系統(tǒng)中水分運(yùn)移理論體系。

3.2 煤礦區(qū)土壤水分運(yùn)移研究方法

3.2.1 試驗(yàn)觀測(cè)法 為探究煤礦區(qū)土壤水分運(yùn)移規(guī)律，需結(jié)合相關(guān)儀器對(duì)水分變化情況進(jìn)行觀察與測(cè)算，按照試驗(yàn)實(shí)施位置與觀測(cè)對(duì)象，可分為原位試驗(yàn)和室內(nèi)物理試驗(yàn)(表1)。原位試驗(yàn)一般在礦區(qū)及其周邊自然環(huán)境下布設(shè)儀器，直接對(duì)土壤、植被及氣候等進(jìn)行觀測(cè)。但該方法試驗(yàn)成本高、精度有限，且試驗(yàn)過程會(huì)對(duì)已經(jīng)損毀的土壤帶來二次擾動(dòng)，因此室內(nèi)物理試驗(yàn)方法逐漸得到發(fā)展。通過在實(shí)驗(yàn)室中構(gòu)建土體物理模型，可以較好地模擬并觀測(cè)自然或人為干擾下土壤水分運(yùn)動(dòng)情況。畢銀麗等[59]通過在土體底部設(shè)置留空區(qū)實(shí)現(xiàn)地裂縫發(fā)生過程的模擬，進(jìn)而探究了裂縫區(qū)域內(nèi)土壤的水鹽運(yùn)移規(guī)律。相較于原位觀測(cè)，土柱實(shí)驗(yàn)的操作可控性強(qiáng)，能充分模擬并反映人為擾動(dòng)下土壤水分動(dòng)態(tài)變化，且便于多次試驗(yàn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，但該方法無法反映實(shí)際礦區(qū)宏觀結(jié)構(gòu)下的真實(shí)過程。因此，兩種試驗(yàn)方法互為補(bǔ)充，能夠更直觀準(zhǔn)確地探究土壤水分運(yùn)移規(guī)律。

(①入滲；②蒸發(fā)；③再分配；④徑流；⑤降水；⑥灌溉；⑦蒸騰；⑧地下水交換；a非飽和帶；b飽水帶；c基巖層；d直接頂；e煤層)

表1 土壤水分運(yùn)移原位與室內(nèi)觀測(cè)的主要方法

3.2.2 數(shù)值模擬法 1931年Richards提出適用于研究非飽和土壤水分運(yùn)動(dòng)的Richards方程，使得土壤水分研究從靜止、定性角度逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)態(tài)、定量的機(jī)理探究[74]，豐富了土壤水動(dòng)力學(xué)模型，此后，一些學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)以適用于干旱區(qū)與煤礦區(qū)非飽和帶土壤水分的定量分析與預(yù)測(cè)研究(表2)。李玲等[81]結(jié)合Richards方程和van Genuchten-Mualem模型計(jì)算多種氣候區(qū)的土壤水力參數(shù)，結(jié)果表明進(jìn)氣值倒數(shù)和飽和導(dǎo)水率是影響干旱半干旱區(qū)土壤水長程相關(guān)性的主要參數(shù)。王強(qiáng)民等[82]結(jié)合Richards方程與Feddes模型模擬探究了生態(tài)脆弱礦區(qū)高強(qiáng)度植被恢復(fù)對(duì)地下水的影響機(jī)制。但由于煤礦區(qū)SPAC系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜且不穩(wěn)定，土壤水動(dòng)力學(xué)模型在應(yīng)用過程中模擬與預(yù)測(cè)精度有待提高。

表2 常用的土壤水動(dòng)力學(xué)模型

隨著理論與技術(shù)發(fā)展，計(jì)算機(jī)模型逐漸用于土壤水分及溶質(zhì)的運(yùn)動(dòng)機(jī)制研究與預(yù)測(cè)，這些模型既可以模擬土壤介質(zhì)中水、熱和溶質(zhì)的運(yùn)移情況，也可以分析植被根系吸水與溶質(zhì)吸附等過程(表3)[83-87]。如，Wang等[88]基于土柱試驗(yàn)與Hydrus-1D模型對(duì)半干旱區(qū)露天煤礦重構(gòu)土壤的水分分布特征與運(yùn)移情況進(jìn)行了模擬；楊澤元等[89]利用Hydrus-2D構(gòu)建了采煤裂縫對(duì)非飽和帶土壤水運(yùn)移影響的二維水熱耦合非穩(wěn)定流模型；李鑫[90]設(shè)計(jì)多種微地形布設(shè)方案并結(jié)合Hydrus-3D實(shí)現(xiàn)了三維動(dòng)態(tài)建模，探究了排土場(chǎng)不同微地形構(gòu)造下的水流入滲過程及其水文效應(yīng)影響機(jī)理。由此可見，煤礦區(qū)土壤水分運(yùn)移模擬研究逐漸由一維特征分析向三維機(jī)理研究與可視化發(fā)展。

表3 常用非飽和多孔介質(zhì)中水和溶質(zhì)運(yùn)移數(shù)值模型比較

綜上，數(shù)值模擬法能準(zhǔn)確且便捷地通過多種指標(biāo)參數(shù)描述土壤水分在不同時(shí)間與空間尺度下的動(dòng)態(tài)運(yùn)移過程，規(guī)避了干旱半干旱煤礦區(qū)環(huán)境脆弱與土體模型的條件制約。但由于礦區(qū)場(chǎng)地尺度的土壤性質(zhì)存在時(shí)空異質(zhì)性，對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬過程中邊界條件復(fù)雜，所需土壤水動(dòng)力學(xué)參數(shù)較多，求解較為困難。

3.2.3 非線性預(yù)測(cè)法 非飽和帶土壤是一個(gè)多相物質(zhì)共存的復(fù)雜系統(tǒng)，僅通過單一的線性回歸函數(shù)無法準(zhǔn)確地反映不同時(shí)空下土壤水分與各要素間的作用關(guān)系[91]。目前土壤水分非線性預(yù)測(cè)模型主要有支持向量機(jī)(support vector machine，SVM)和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(back propagation neural network)兩種建模方法。

支持向量機(jī)法適宜于解決高度非線性問題，因其具有算法簡單、計(jì)算量小、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于多個(gè)研究領(lǐng)域中[92-93]。李彬楠和樊貴盛[94]基于SVM法構(gòu)建了土壤水分特征曲線Van-Genuchten模型的參數(shù)α、預(yù)測(cè)模型，預(yù)測(cè)精度較高。姜雪等[95]利用SVM法對(duì)羊草溝煤礦區(qū)土壤重金屬含量進(jìn)行了預(yù)測(cè)，其結(jié)果與野外調(diào)查情況和模糊綜合評(píng)判法結(jié)果均高度相似。可見，SVM模型能滿足區(qū)域與場(chǎng)地尺度研究的需求與精度，可將其進(jìn)一步應(yīng)用于煤礦區(qū)土壤理化性質(zhì)與水分特征分析與預(yù)測(cè)研究中。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型具有較強(qiáng)的自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)和處理非線性問題能力，應(yīng)用較為廣泛[96]。李彬楠和樊貴盛[97]通過構(gòu)建土壤理化性質(zhì)與Van-Genuchten模型參數(shù)非線性預(yù)測(cè)模型，發(fā)現(xiàn)灰色BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)精度高，但存在過度擬合的情況。王廣軍等[98]利用決策樹與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法，從遙感影像中提取了霍林河露天煤礦區(qū)草地荒漠化特征信息。SVM與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法均能實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤水分的有效預(yù)測(cè)，且輸入因素主要為氣象要素與土壤基本理化性質(zhì)，數(shù)據(jù)獲取簡便，預(yù)測(cè)精度較高。但SVM模型形式相對(duì)簡單，適宜于解決小樣本問題；BP模型精度更高，但模型形式復(fù)雜，易陷入過度擬合，適宜于獲取高精度土壤水分特征曲線。

當(dāng)前國內(nèi)研究數(shù)據(jù)樣本主要集中在農(nóng)灌區(qū)，而煤礦區(qū)土壤水系統(tǒng)作為一個(gè)高度復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，影響因素多樣且影響機(jī)理復(fù)雜，因此未來應(yīng)擴(kuò)大樣本的地理空間范圍與土地利用類型，在干旱半干旱煤礦區(qū)土壤水分研究中引入非線性預(yù)測(cè)模型進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，實(shí)現(xiàn)礦區(qū)損毀與重構(gòu)土壤水分的長時(shí)序、高精度預(yù)測(cè)。

4 結(jié)論與展望

非飽和帶土壤水是干旱半干旱礦區(qū)生產(chǎn)與復(fù)墾時(shí)需要考慮的關(guān)鍵因素。國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)農(nóng)田土壤水分研究相對(duì)成熟，但針對(duì)采煤生態(tài)脆弱區(qū)土壤水分運(yùn)移研究起步較晚，仍存在以下3個(gè)方面有待進(jìn)一步深入研究。

4.1 創(chuàng)新煤礦區(qū)土壤水分無損模擬預(yù)測(cè)

目前煤礦區(qū)土壤水分研究主要基于土壤含水率這一靜態(tài)指標(biāo)展開分析，而干旱半干旱地區(qū)本底環(huán)境脆弱，采煤擾動(dòng)使得礦區(qū)土壤結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重，水分運(yùn)移變化劇烈。因此，今后在礦區(qū)原位調(diào)查中應(yīng)當(dāng)創(chuàng)新發(fā)展無損探測(cè)技術(shù)，豐富動(dòng)態(tài)指標(biāo)參數(shù)，加強(qiáng)對(duì)土壤水分運(yùn)移的動(dòng)態(tài)分析。結(jié)合多種準(zhǔn)確指標(biāo)參數(shù)能有效提高土壤水分模型的模擬精度，定量分析煤礦區(qū)土壤水分運(yùn)移規(guī)律，并有效預(yù)測(cè)不同情境下土壤水分動(dòng)態(tài)變化情況，有利于在礦區(qū)生態(tài)修復(fù)實(shí)踐指導(dǎo)過程中實(shí)現(xiàn)可視化發(fā)展。

4.2 加強(qiáng)煤礦區(qū)土壤水分運(yùn)移驅(qū)動(dòng)分析

目前非飽和帶土壤水分運(yùn)移理論研究相對(duì)集中在農(nóng)田與森林生態(tài)系統(tǒng)中，而煤礦區(qū)土壤水分運(yùn)移研究內(nèi)容主要為土壤–大氣界面間的水分入滲、蒸發(fā)與徑流特征分析，對(duì)于土壤水的動(dòng)態(tài)規(guī)律與驅(qū)動(dòng)機(jī)理探索較少。此外，地下水是影響干旱半干旱區(qū)植被生長的關(guān)鍵因素之一，而礦區(qū)地下水位受開采影響普遍逐年下降。因此，應(yīng)加強(qiáng)土壤水與地下水、植被間作用與轉(zhuǎn)化關(guān)系的研究，進(jìn)一步探究包氣帶中水分運(yùn)移的驅(qū)動(dòng)因素及各驅(qū)動(dòng)力間的耦合關(guān)系，不斷豐富完善礦區(qū)GSPAC系統(tǒng)水分運(yùn)移理論體系，以利于促進(jìn)礦區(qū)植被復(fù)墾工作的科學(xué)開展。

4.3 完善煤礦區(qū)土壤水分調(diào)控機(jī)理研究

采煤活動(dòng)帶來的壓實(shí)、塌陷等問題會(huì)加劇干旱半干旱地區(qū)水土流失，威脅植被生長。土壤水分運(yùn)移規(guī)律與驅(qū)動(dòng)機(jī)制的理論研究旨在指導(dǎo)礦區(qū)復(fù)墾與生態(tài)修復(fù)實(shí)踐。因此，針對(duì)干旱半干旱煤礦區(qū)，在明確采礦與復(fù)墾前后土壤水分運(yùn)移規(guī)律及驅(qū)動(dòng)機(jī)制的基礎(chǔ)上，應(yīng)探索不同條件下礦區(qū)復(fù)墾新措施的改良效果，確定最優(yōu)重構(gòu)土壤剖面與復(fù)墾植被配置，實(shí)現(xiàn)因地制宜、因礦施策，建立長期穩(wěn)定的土壤–植被–水分監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為后續(xù)礦區(qū)水資源調(diào)控與生態(tài)修復(fù)提供理論研究數(shù)據(jù)與實(shí)踐指導(dǎo)依據(jù)。

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Soil Water in Arid and Semi-arid Mining Areas: A Review

LI Yuning1, WANG Jinman1,2*, ZHANG Yafu1, ZHU Qiuping1, WANG Jingpeng1

(1 School of Land Science and Technology, China University of Geosciences, Beijing 100083, China; 2 Key Laboratory of Land Consolidation and Rehabilitation, Ministry of Natural Resources, Beijing 100035, China)

In this paper, the research progresses on soil moisture and ecological environment effects in the arid and semi-arid coal mining areas are reviewed, and soil moisture transport mechanism and dynamic simulation methods are systematically summarized. The results show that coal mining collapse destroys soil aquifer structure and deepens the groundwater level, indirectly changing the spatial distribution of soil water content; mechanical compaction during surface mining and reclamation reduces the number and connectivity of soil pores, which prevents soil water infiltration; and soil reconstruction and revegetation techniques can effectively improve soil structure and alleviate soil water loss. It is suggested that future research should be strengthened on the following aspects: Firstly, the potential energy theory system should be further enhanced, and dynamic indicators should be added to numerical simulation methodologies; Secondly, given the special characteristics of the arid and semi-arid coal mining environment, soil moisture migration law and its underlying mechanism should be reinforced; Thirdly, the control measures should be optimized based on the coupling relationship between soil-vegetation-moisture to promote reclamation and ecological restoration in arid and semi-arid coal mining areas.

Land ecology; Soil water; Vadose zone; Soil moisture migration; Mining area

S152

A

10.13758/j.cnki.tr.2023.03.005

李禹凝, 王金滿, 張雅馥, 等. 干旱半干旱煤礦區(qū)土壤水分研究進(jìn)展. 土壤, 2023, 55(3): 494–502.

內(nèi)蒙古典型礦區(qū)生態(tài)修復(fù)技術(shù)集成與示范項(xiàng)目(2020ZD0020)資助。

(wangjinman@cugb.edu.cn)

李禹凝(1999—)，女，黑龍江哈爾濱人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)橥恋卣闻c生態(tài)修復(fù)。E-mail: lynncugb@163.com