風沙區采煤塌陷對沙質地貌及植被生境的影響

由 洋, 田 鵬, 楊雯錦, 胡 玥, 張夢琦, 申衛博,4, 趙國平

(1.陜西延長石油(集團)有限責任公司研究院, 西安 710075; 2.西北農林科技大學化學與藥學院, 陜西 楊凌 712100; 3.西北農林科技大學 資源環境學院, 陜西 楊凌 712100; 4.中國科學院 水利部水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室, 陜西 楊凌 712100; 5.陜西省林業科學院黃土高原水土保持與生態修復國家林業局重點實驗室, 西安 710082; 6.陜西省陜北礦區生態修復重點實驗室, 陜西 榆林 719000)

毛烏素沙地地處我國北方的晉陜寧蒙接壤區，是長城沿線典型的干旱半干旱農牧交錯帶和風水蝕復合侵蝕的過渡區，也是京津風沙源二期治理工程西線源最重要的生態控制區[1-3]，其生態區位非常重要。經過半個多世紀治理，重點治理區的林草覆蓋度增幅達30%以上，生物多樣性日益豐富，局部的生態環境逐步好轉，形成了固定與半固定沙丘為主的稀樹草原景觀，荒漠化擴展的局勢得到基本控制。但該區又地處中國的八大煤田之一的神府煤田腹地，是中國西部唯一的國家級能源重化工基地和特大型煤礦開采開發區，為中國一個典型的煤炭富集與干旱半干旱生態脆弱區相互疊加區域，資源的開發利用與生態環境保護的矛盾十分突出[4]。特別是伴隨著近年來煤炭開采、開發的進程加快(2018年煤炭產量超過4億t)，采煤塌陷引起“二次荒漠化”現象逐漸顯現[1-2]。截至2018年，形成的煤炭采空區和塌陷區面積達到3 000 km2以上，約占整個榆林沙區的13.64%。其中，產生明顯塌陷裂縫面積約為2 000 km2，活化固定、半固定沙丘1 000 km2以上，約占整個榆林沙區的4.60%。采煤塌陷形成的地表裂縫、塌陷錯落(陡崖、陡坎、陡坡沿一些近似垂直的破裂面發生整體下坐位移)，造成地表扭曲，土壤內部結構發生變化，大量的植被發生位移而枯萎死亡，引起沙丘“二次活化”，嚴重制約了經濟社會的進一步發展。多年來這里一直是我國北方荒漠化研究的重點地區[5-12]，解決了因荒漠化擴展而導致的系列生態問題，但就采煤塌陷區的生態恢復與治理而言，僅僅處于起步階段。為了探究風沙區采煤塌陷引起的“二次活化”與治理對策，采用統計學方法，對塌陷邊緣、塌陷中部及塌陷盆地引發的沙質地表變化、植被的位移及傾斜、干沙層變化及風蝕/風積情況進行詳細的研究，并對塌陷區的土地退化及植被生境變化進行診斷和整治對策探討，為礦區生態恢復、土地復墾工程提供理論依據和技術支撐。

1 研究區概況

研究區位于陜西省榆林市北部和內蒙古鄂爾多斯市東南部接壤地區，大地構造屬于華北地臺的鄂爾多斯臺向斜，主要地層有含煤層系侏羅系、白堊系泥巖、沉積砂巖以及第四紀風積沙層。地貌類型多為固定、半固定星月型沙丘，相對高度5～10 m，植被類型主要以人工栽植的沙柳、楊樹、楊柴、花棒及檸條為主，煤炭開采前植被蓋度為20%～30%。年平均溫度7.3℃，年均降水量368.2 mm，蒸發量1 319 mm，降水變率大，春季80%保證率的降水量僅12 mm，干燥度1.3以上；年均風速3.6 m/s，最大風速24 m/s，起沙風向以西北風和偏北風為主，尤其是在春季，不僅干旱少雨、地表干燥，而且大風最為頻繁，最高風速可高達20～25 m/s以上。

目前，本區域經過多年的煤炭開采，地表沉陷明顯(圖1)，最大沉陷達200 cm以上，塌陷裂縫交錯廣布，最大裂縫寬度達120 cm，最小1 cm，塌陷錯落高度為5～150 cm。植被的最大位移達100 cm以上，導致大量人工植被死亡，沙質土壤容重減小，為1.5～1.6 g/cm3。地表破損率為40%～60%，風蝕風積面積達50%以上，植被蓋度下降到20%以下，風沙活動頻繁，近一半沙丘活化，沙區“二次”荒漠化的現象日益顯現。

圖1 研究區塌陷區

2 研究方法

2.1 塌陷裂縫調查

2017年3月—2018年11月，選擇采煤塌陷1～2 a的塌陷區，在塌陷邊緣、塌陷中部及塌陷盆地等典型地段(圖2)，隨機選取5個10 m×10 m的樣方，調查塌陷裂縫寬度(W)、裂縫錯落高度(H)、裂縫密度(Pss)及地表破損率(Iss)等。其中，裂縫密度用單位面積的裂縫條數表示，單位為條/m；地表破損率用地表破損面積占單位面積的百分比表示。

圖2 塌陷區樣點選擇示意圖

2.2 植被位移及傾斜情況調查

在三大樣地中，調查塌陷區代表性喬木楊樹及灌木沙柳的地表位移長度(L)、傾斜程度(k)及1 a后主干根部風蝕/風積厚度(G)。風蝕用“-”表示，風積用“+”表示，傾斜程度用斜率(k)表示。

2.3 塌陷區干沙層變化調查

在相同樣地內，隨機選擇3個測點，用剖面法測量干沙層厚度(D)，重復3次。

2.4 風蝕/風積率調查

在同一樣地中，重復3次，調查塌陷后風蝕/風蝕率變化，即單位面積內整個風蝕/風積面積占總面積百分比，用Wss表示。

3 結果與分析

3.1 采煤塌陷對微地貌影響

采煤塌陷后形成的塌陷邊緣、塌陷中部及塌陷盆地，裂縫縱橫交錯，沙質地表變得支離破碎，形成了大小不一、層次錯落的裂縫(圖3)。據分析，塌陷裂縫寬度及錯落與塌陷位置具有很大的差異性，從4條隨機抽樣的塌陷裂縫統計數據表明：塌陷邊緣裂縫寬度變化為(2.6±0.3)～(4.1±0.2)cm，平均寬度為(3.9±0.25)cm；塌陷中部為(5.2±0.2)～(7.3±0.1)cm，平均為(6.6±0.15)cm；而塌陷盆地則變化為(9.3±0.1)～(12.5±0.2)cm，平均為(10.9±0.15)cm，裂縫的平均寬度增加了2.75倍(圖3A)。總體表現出塌陷邊緣寬度最小，塌陷中部次之，塌陷盆地最大，而錯落高度的變化則反之，從塌陷盆地到塌陷邊緣，其裂縫平均錯落增大了6.23倍(圖3B)。采煤塌陷形成的塌陷裂縫變化使原本得到固定、半固定沙丘可能引發“二次”風蝕或風積情況，甚至進一步干擾植被的生長環境。

圖3 塌陷裂縫變化

同理，采煤塌陷位置不同，其形成的裂縫密度和地表破損率也有所不同(表1)，從塌陷邊緣到塌陷盆地裂縫密度依次增大，分別為0.29，0.37，0.58條/m，而單位面積地表破損率則不斷地減小，為0.60，0.50，0.40。這是由于采煤塌陷時重力勢能轉化為動能，塌陷邊緣更容易造成局部的滑坡或崩塌，結合分析結果可知，塌陷邊緣裂縫寬度雖小，但錯落高度相對較大，土壤內部結構發生嚴重變化，因而使地表遭到的破壞最為強烈，這種現象往往會導致植被發生位移、剪切，甚至拉傷根系，對植被的生長損壞最為嚴重；而塌陷中部和塌陷盆地則反之，造成裂縫寬度逐漸增大，裂縫密度增多，但錯落高度和地表破損程度反而進一步減小，對植被造成的影響也相應減小。

表1 10 m×10 m樣方塌陷裂縫密度及地表破損情況

3.2 采煤塌陷對植被的影響

由以上分析可知，當采煤發生塌陷時，地表會形成塌陷裂縫和錯落，導致區域喬灌木發生不同的位移、傾斜。表2—3樣方調查中，為隨機選擇塌陷區兩個主要建群種楊樹和沙柳在不同的塌陷位置發生的位移長度、傾斜程度及1 a后主干根部出露地表的風蝕/風積厚度統計變化。

表2 10 m×10 m樣方楊樹位移長度及影響

表3 10 m×10 m樣方沙柳位移長度及影響

由表2—3可以看出，不同塌陷位置的楊樹和沙柳位移長度和斜率均有所不同，塌陷邊緣楊樹最大位移長度甚至達到110 cm以上，沙柳為85 cm左右，塌陷中部為53.34，42.11 cm，而塌陷盆地最大位移僅為12.66，7.36 cm。同理，楊樹的傾斜率以塌陷邊緣為最大，達到1.73～5.67，塌陷中部3.73～11.43，而塌陷盆地基本未發生傾斜(表2)。據分析，植被的位移長度與塌陷裂縫錯落高度呈線性正相關關系，錯落高度越大，植被的位移長度也越大，其傾斜的程度也越高。

地表塌陷后沙質地表變得更加疏松，且伴隨著喬灌木的位移和傾斜，在風的作用，引發一定程度的風蝕/風積現象，從而導致根系外露或者堆積，對植被的生長造成一定的影響(表2—3)。由于喬灌木樹種的防沙的特性不同，楊樹更容易在主干根部發生風蝕現象，最大風蝕發生在塌陷邊緣，達到-30.52 cm左右，而塌陷盆地最小，約為-5.36 cm(表2)。據現場調查，在塌陷邊緣位置，大多數楊樹主根周圍2 m范圍內，根系裸露非常嚴重，對楊樹的生長影響很大，而塌陷中部和塌陷盆地影響相對較小，只有部分根系外露，對植被的生長影響相對較小；沙柳由于根部多枝叢生，容易阻攔風沙，在3個不同的塌陷位置均出現風積現象，以塌陷盆地最大，塌陷中部次之，塌陷邊緣最小，最大風積厚度分別為+25.41，+12.32，+10.21 cm(表3)，對沙柳的生長反而起到一定的促進作用。

3.3 采煤塌陷對干沙層及風蝕/風積的影響

采煤塌陷后，地表變得支離破碎，引起沙質地表干沙層厚度發生變化，對塌陷區不同位置18個樣點隨機抽樣干沙層等值線變化見圖4。非塌陷時，沙質地表基本為一個封閉的整體，干沙層的厚度變化與土壤蒸發有直接的關系，通常的影響因素有土壤結構、土壤表面特征及地形因子[1-2]。據分析，3個隨機的抽樣點18個剖面的干沙層變化穩定在6—10 cm(圖4B)，遵循丘頂干沙層較厚，丘間干沙層相對較薄的規律，這符合毛烏素沙地一般沙丘干沙層變化規律[1-2]。

圖4 不同塌陷位置的干沙層變化

采煤塌陷后，塌陷導致沙質土壤變得更加疏松，結構發生變化，表面形成塌陷裂縫和錯落，促使塌陷區不同位置干沙層厚度普遍增加，且在圖中等值線表現出非常紊亂，高低不一，已不符合沙區干沙層變化規律。3個隨機的抽樣點18個剖面的平均厚度達11.10 cm，比非塌陷增大了37.50%。這種變化尤其表現在塌陷邊緣最為明顯，其干沙層厚度甚至達到在14 cm以上(圖4B)，比對照增大了4～6 cm；而塌陷中部和塌陷盆地的干沙層厚度相對較小，變化在11 cm左右，比非塌陷增加了1～4 cm。

干沙層的這種變化，將會直接導致塌陷區不同位置的風蝕/風積面積發生變化(表4)。采煤塌陷后形成的塌陷邊緣、塌陷中部及塌陷盆地，在風的作用下都有不同程度的風蝕/風積現象出現，但是綜合來看以塌陷邊緣最為明顯，主要以風蝕現象為主，平均風蝕率高達83.34%，塌陷中部次之，為52.06%，而塌陷盆地則由風蝕轉為風積現象，風積率高達51.84%(表4)。這說明采煤塌陷產生的塌陷裂縫和錯落，改變了局部的地形地貌，間接增加了與空氣的接觸面積，土壤蒸發量增大，導致沙質土壤進一步的旱化，風蝕/風積面積逐漸擴張，進而影響植被的生長。

表4 塌陷區不同位置的風蝕/風積率變化

3.4 “二次”荒漠化診斷與整治對策

由以上分析可知，采煤塌陷后會引起一系列的連鎖反應，首先是在內營力塌陷重力影響下地表產生裂縫和錯落，造成不同塌陷位置的裂縫縱橫和地表破損，引發喬灌木位移和傾斜。在外營力風的作用下，植物體周圍發生風蝕或風積，促使植被根系外露，逐漸喪失防風固沙的能力，進一步地塌陷，風蝕/風積面積擴大，直接影響植物的生長，從而導致固定半固定沙丘重新活化，最終形成塌陷區“二次”荒漠化(圖5)。

圖5 塌陷“二次”荒漠化診斷及整治對策

因此，采煤塌陷后應該及時地進行分區生態修復，避免引起整個塌陷區的“二次”荒漠化，建議在塌陷邊緣經過裂縫土地整治和工程(沙障)措施后，進行植被的恢復與重建；塌陷中部做適當改造(平茬形成活沙障)后，進行人工促進生態修復；而對塌陷盆地則進行適當的改造后，封育自我生態修復。

4 討論與結論

(1) 裂縫寬度和密度呈現塌陷邊緣裂縫<塌陷中部<塌陷盆地的規律，而錯落高度和單位面積地表破損率從塌陷邊緣到塌陷盆地逐漸減小。總之，塌陷邊緣的裂縫寬度和密度雖小，但錯落高度和單位地表破損率較高，導致其裸露地表的面積較大，生態風險相對突出。此外，塌陷區干沙層厚度平均達11.10 cm，其中塌陷邊緣干沙層較厚，達到在14 cm以上。采煤塌陷后形成不同程度的風蝕/風積現象出現，但以塌陷邊緣最為明顯，平均風蝕率高達83.34%，塌陷中部次之。此外，塌陷盆地則由風蝕轉為風積現象，風積率高達51.84%。

(2) 整體來說，楊樹和沙柳最大位移長度從塌陷邊緣到塌陷盆地逐漸減小，且楊樹最大位移長度大于沙柳。植被的位移長度與塌陷裂縫錯落高度呈線性正相關關系，錯落高度越大，植被的位移長度也越大，其傾斜的程度也越高。此外，楊樹主干根部最大風蝕發生在塌陷邊緣，達到-30.52 cm左右，而塌陷盆地最小，約為-5.36 cm。沙柳在3個不同的塌陷位置均出風積現象，以塌陷盆地最大，塌陷中部次之，塌陷邊緣最小，最大風積厚度分別為+25.41 cm，+12.32 cm，+10.21 cm，對沙柳的生長反而起到一定的促進作用。

(3) 總之，塌陷邊緣對沙質地表和植被生境影響最為強烈，為生態修復的重點區域，而塌陷中部次之，而塌陷盆地為最小。建議：采煤塌陷后應該及時地進行分區生態修復，對癥下藥，在塌陷邊緣經過土地整治和工程(沙障)措施后，進行植被的恢復與重建；塌陷中部做適宜改造后，進行人工促進生態修復；而對塌陷盆地則進行適當的改造后，封育自我生態修復即可。