采煤塌陷裂縫對沙蒿吸水來源影響試驗研究

尚京萱，陳 實,2，劉騫文，郭旭鋒，郭俊廷，李 敏

(1.西北農林科技大學 水利與建筑工程學院，陜西 楊凌 712100；2.西北農林科技大學 旱區農業水土工程教育部重點實驗室，陜西 楊凌 712100；3.煤炭開采水資源保護與利用國家重點實驗室，北京 102209；4.北京低碳清潔能源研究院，北京 102209)

煤炭開采帶來的采煤塌陷是非常直觀的地質災害，對礦區的生態環境帶來了嚴重影響[1]，如土壤理化性質改變、土壤結構破壞[2]和植被生長受阻[3-6]。大面積的地面沉陷和地裂縫，對當地植被造成嚴重威脅，減弱了水土保持功能，導致礦區生態破壞進入惡性循環。采煤塌陷造成的裂縫，一方面破壞了土壤結構，增加了土壤水的滲透[2]，造成礦區地下水位下降，另一方面也破壞了植物根系的原有網絡[7]，對植物根系產生拉傷，影響植物水分吸收[8]，造成植被生長發育受阻，多樣性顯著降低[9]，進而影響礦區生態環境。

為此，多名專家學者在礦區植被的生長及生態修復、評價等方面進行了大量研究，苗春光等[10]研究了微生物對沙棘根系生長的影響；張雁等[11]研究了不同氣象要素和地下水埋深與植被生長的關系；李琪[12]研究了不同地下水埋深下典型植物的生長情況和吸水規律；李欣穎等[13]研究了不同的土壤因子對草本植物多樣性的影響程度；李斐等[14]研究了不同光合類型的禾草對于干旱條件的響應和適應機制。趙明等[15]引入冠級和齡級概念，研究了沙蒿根系生物量和分布特征；劉嘉偉[16]、王博[17]等對于承受外力破壞的植物根系進行了生長特性和自修復能力的研究；王成龍[18]構建評價體系，分析不同植物根系損傷后自修復的固土能力，對采煤塌陷區植被建設有重要的實踐意義。

在研究植物-土壤的水分運移過程中，使用氫氧同位素、示蹤劑[19]并建立模型[20]是極好的研究手段；特別是穩定同位素技術(δ18O 和δ2H)在研究植物根系吸水來源上起著至關重要的作用。由于水分運移過程中氫氧同位素不分餾的特性，通過比較從植物木質部和土壤水中提取的氫和氧同位素，可以確定植物吸水的具體來源[21-26]，從而研究不同條件下植物的水分利用機制[27]。

筆者選定中國四大沙地之一的毛烏素沙地為研究區。隨著該地區煤炭資源不斷開采，脆弱的生態環境使植被面臨死亡風險。在這些植被中，沙蒿占毛烏素沙地植被總量的30%[28]。筆者通過使用δ2H 同位素標記水進行模擬降水，研究陜西活雞兔井田未開采區、受采煤塌陷影響但無明顯裂縫區(無明顯裂縫區)以及裂縫區的土壤水補給機制，并分析了3 個試驗區內不同土層深度對沙蒿根系吸水的貢獻，以期對采煤塌陷地區的防護治理和礦區生態系統的人工修復提供借鑒。

1 研究區域與方法

1.1 研究區概況

研究區位于陜西省神木市大柳塔礦區的活雞兔井田22312 工作面中部，處于毛烏素沙地東南部。大柳塔礦區屬于半干旱干旱區的過渡地帶，是典型的大陸性氣候，平均氣溫6.0～8.5℃。該地區降水量較少，蒸發量極大。降水主要集中在7～9 月，年降水量為250～440 mm，自東南部向西北部遞減，年平均潛在蒸發量1 800～2 500 mm，無霜期約156 d。大柳塔礦區地表植被稀疏，荒漠化嚴重，大部分是沙丘土地，風沙活動十分強烈，最大風速在20 m/s 以上，土壤疏松，抗風蝕能力差，易遭受水蝕和風蝕。

大柳塔礦區活雞兔井田22312 工作面位于井田西南側。工作面所在區域屬沙蓋黃土丘陵地貌，地表為流動沙及半固定沙所覆蓋。工作面中部及東南部地貌類型屬于波狀高平原臺地，地形平緩開闊，以風沙地貌為主；西北部為黃土丘陵溝壑區，形成梁峁、溝壑和黃土塬3 種地貌，工作面北部溝谷縱橫，地形破碎，植被稀疏，地面坡度大，坡面水蝕、溝蝕發育。區內土壤以風沙土為主，結構疏松，抗蝕性差，極易遭受風蝕。研究區工作面內有一拆遷村落，村落內至今留有一口灌溉用水井，井中靜止水位埋深約20 m。該區域典型植被主要以芒草群系為代表，主要是天然沙蒿。

工作面采用放頂煤工藝開采，按平均煤厚6 m 考慮，正常回采期間工作面采高設計3.5～3.9 m，放煤高度2.4 m，整體工作面采高6 m，礦方實測導水裂縫帶高度直接到達地表。試驗開始前對選定區域的采煤塌陷裂縫進行了測量[29]，結果顯示：研究區內采煤塌陷裂縫寬度為1～74 cm，平均寬度15 cm。

1.2 試驗設計

通過劃分樣區和噴灑同位素標記后的重水δ2H 模擬降水來進行田間試驗。采集試驗前后土壤樣本和植物樣本(沙蒿)，測定樣本中水的氫氧同位素含量，進行植物吸水來源的研究。此次試驗區設定在22312 工作面，根據沙蒿與裂縫的距離不同共劃分3 個試驗區，每個試驗區再根據沙蒿植株細分為2 個小試驗地，最終設置面積為2 m×2 m 的6 個試驗地(圖1)，具體劃分情況如下：沙蒿距離裂縫大于50 m，劃分為未開采區；沙蒿距離裂縫大于5 m，劃分為受采煤塌陷影響但無明顯裂縫區(簡稱無明顯裂縫區)；分布有寬度15 cm 左右的裂縫通過，且距離沙蒿0～20 cm，劃分為裂縫區。3 個試驗區各有2 株生長狀況良好且灌木大小相似的沙蒿。本區沙蒿根冠比約為0.46[30-31]，根系深度主要集中在0～30 cm。具體植被數據見表1。

圖1 試驗樣地位置Fig.1 Position of the test plots

表1 試驗樣地內沙蒿植被參數Table 1 Vegetation parameters of Artemisia Desertorum in the sample area cm

野外試驗采用模擬降水的方法。取購置的δ2H 濃度為99.6%的重水20 mL，與140 L 當地地下水充分混合，這相當于一次約為35 mm 的降水。混合后δ2H同位素的計算值應為800‰。

2020 年10 月27 日，使用噴壺將標記后的混合水均勻噴灑至6 個試驗地。模擬降水時間持續1 h，保證噴霧均勻，無徑流產生。選擇在秋天進行試驗，以避免偶然產生的降水對試驗結果產生影響；5 d 后即11 月1 日待沙蒿充分吸水后再進行采樣[23]。試驗期間采樣區平均氣溫15℃，且未發生自然降水(圖2)。

圖2 試驗區噴灑水樣Fig.2 Spraying water samples in the test area

在降水前后，分別使用土鉆法分別對6 個試驗地進行土壤樣品的采集，測量土壤的初始含水量、氫氧同位素含量以及土壤質地成分。采集試驗地6 株沙蒿相對完整的枝干分支，進行沙蒿木質部氫氧同位素含量的測量。

1.3 樣品采集和分析

在6 個試驗地分別鉆取2 個1 m 深的土壤剖面，分為6 層采集土壤樣本，具體的土壤剖面分層為0～10、10～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm。將一部分土壤樣品放入塑料瓶中，然后用Parafilm 薄膜密封瓶口，將其存儲在-18℃的冰箱中用于土壤水分提取和水同位素含量測定。另一部分放在鋁箱中測量土壤含水量。將剩余土壤樣品放入自密封袋中進行土壤質地成分測量。

采集6 株沙蒿相對完整的枝干分支，并選取土壤與大氣交界處的枝條，立即清除枝條表層的土壤雜質，放入20 mL 的采樣瓶中，用Parafilm 薄膜密封瓶口。同樣將其存儲在-18℃的冰箱中用于測量植物木質部的氫氧同位素含量。

具體的氫氧同位素含量測定分為2 個過程，第一步是土壤和植物樣本中水的提取，采用基于低溫真空蒸餾法的Li-2000 提取系統進行。提水效率控制在100%±2%。第二步是測量提取水分的氫氧同位素含量，對于土壤和植物樣本分別采用不同的儀器。土壤樣品采用液態水同位素分析儀(LGR，LWA-45EP，USA)測定穩定同位素。為保證試驗數據的準確性，降水前后取得的未標記土壤水和標記后的土壤水按照不同的標準進行測定。δ2H 和δ18O 的同位素測量精度分別為1.0%和0.2%。考慮到植物樣本提取水樣存在有機物的污染，對植物樣品采用Isoprime 100 同位素比值質譜儀(IRMS，Isoprime Ltd，USA)測定穩定同位素，δ2H 和δ18O 的測量精度分別為2.0%和0.3%。LGR和IRMS 對純水的測定結果無顯著差異。

1.4 數據處理

由于研究區地下水埋深遠大于沙蒿最大根系深度，包氣帶水被認為是沙蒿吸水的唯一來源。為確定不同土層對根系吸水的相對貢獻，使用R 腳本的MixSIAR 貝葉斯混合模型[32-33]來估計每個土層貢獻的后驗分布。在土壤剖面一致的情況下，自然穩定同位素不能分析植物根系吸水來源，而經過氫氧同位素標記的土壤水可以擴大土壤剖面中穩定同位素的差異，在植物根系產生明顯的同位素信號，之后通過貝葉斯混合模型更好地劃分根系吸水的比例。基于貝葉斯統計原理的混合模型充分考慮了植物根系水分和土壤水同位素值的潛在不確定性以及土壤水過參數化導致的不確定性，其中MixSIAR 模型不僅融合了MixSIR[34]和SIAR[35]模型的優勢，又增加了土壤水的多元同位素原始數據源輸入形式、分類變量等模塊，顯著提升了植物水分來源及其貢獻比例定量計算的準確性。土壤水分和同位素的變化受上界降水和蒸發的影響，且影響強度一般隨土層深度的增加而減小。在此背景下，根據土壤含水量和標記的同位素值(δ2H)變化，將根區土壤劃分為0～10、10～20、20～40 和40～60 cm 共4 個層次。

基于降水是黃土區地下水補給的唯一來源，學者們形成了以優先流和活塞流為主的2 種補給觀點。優先流指在一定邊界條件下土壤中的水分和溶質繞過土壤基質區或土壤大部分區域，優先通過導水能力較強的滲透路徑快速運移到土壤深層或地下水層的現象，表現為非均勻運動形式，也稱為優勢流或非平衡流。反之，活塞流補給往往是降水進入地表后經歷蒸騰、蒸發作用后緩慢呈層狀入滲，主要補給淺層土壤。不同的土壤水補給方式往往對植物根系的吸水來源產生影響。優先流的貢獻率可以使用以下公式計算：

式中：P為優先流量占總投入水量的比例，%；θl、θP分別為灑后、灑前的土壤含水量，%；L為土壤深度，m；I為單位面積總投入水量，m；z為土壤深度，m。

使用SPSS 22.0 統計軟件對數據進行統計分析，顯著性水平為0.05。使用OriginPro 2021 軟件進行相關圖表的繪制。

2 結果分析

2.1 土壤水分補給比例

對試驗區土壤樣本的粒徑成分進行測定，結果顯示試驗區的土壤成分主要為沙粒，且在6 個土層剖面上隨深度的變化相對均勻(圖3)。土壤顆粒類型以沙粒為主，質量分數為92%，黏土和粉土顆粒分別為3.2%和4.9%。此類土壤含沙量高，顆粒粗大，存在大量粒間孔隙，因此，土壤透氣性良好。

圖3 土壤剖面的粒徑分布Fig.3 Particle size distribution of soil profiles

3 個試驗區降水前后土壤含水量如圖4 所示。從圖4a 可以看出，3 個試驗區初始土壤含水量差異很小，平均初始含水量分別為3.3%、3.4%和3.3%，且土層剖面的初始土壤含水量隨土層深度波動不大，在土層頂部為2.5%，20～60 cm 處增加到4%，80 cm 以下下降到2.5%。圖4b 可知，在進行模擬降水試驗后，3 個試驗區80 cm 以上土層的土壤含水量都有明顯增加。其中，裂縫區的土壤含水量在各個土層都是最低的，通過式(1)計算可知，裂縫區存在優先流，優先流比例為18.2%。但在100 cm 深的土壤處，裂縫區的土壤含水量明顯是最高的。對于未開采區和無明顯裂縫區，未開采區表層土壤(0～20 cm)的土壤含水量最高，無明顯裂縫區在其他土層(40～80 cm)的含水量是3 個試驗區最高的，這2 個試驗區的土壤水分貯存量分別增加了18.5 mm 和19.8 mm，且只有活塞流存在。

圖4 模擬降水前后的土壤含水量Fig.4 Soil water content before and after simulated precipitation

2.2 土壤水貢獻比例

基于同位素標記的土壤水在注入示蹤劑后，其穩定同位素(δ2H)具有明顯的信號，并有能力更好地區分根系吸收的水[24-26]。試驗測量得出，無明顯裂縫區植物木質部的標記水δ2H 同位素含量最高(261‰±115‰)，其次是未開采區(203‰±96‰)，裂縫區(79‰±33‰)(圖5)。在植被吸水來源的研究中，植物根系分布的深度與水分獲取的土壤深度呈正相關關系，在10—11 月份，植物自身的生命力減弱，逐步進入休眠狀態，根系獲取淺層土壤水消耗的能量更低，更容易在淺層土壤中獲取到足夠的水分[25]。同時圖5 中不同樣區沙蒿木質部水與土壤水的氫同位素含量分別相交于30、42 和25 cm 土壤深度，根系總是向著水分充足和最容易吸水的區域生長[31]。由于沙蒿的最大根系深度在60 cm 的土壤層之上，在滿足植物生長所需的水分條件下，可以推斷60 cm 土壤深度以上的土壤水是植物生長的主要來源。

圖5 3 種試驗樣地不同深度的土壤水和沙蒿木質部水同位素含量Fig.5 Isotope content in soil water at different depth and xylem water of Artemisia Desertorum in 3 test areas

通過MixSIAR 模型可以定量測量植物根系在不同深度土層的吸水比例，具體結果如圖6 所示。可以看出，3 個試驗區的植物吸水來源具有很大的差異。在未開采區，沙蒿吸收的59.7%水分來自10～20 cm的土層。在無明顯裂縫區，沙蒿主要從40～60 cm 土層(46.6%)和0～10 cm 土層(39.4%)吸水。在裂縫區，沙蒿吸收的85.9%水分都來自40～60 cm 土層，說明植株的水分來源幾乎全部在深層土壤。

圖6 3 種試驗樣地不同土層對沙蒿吸水的貢獻比例Fig.6 Contribution proportions of different soil layers to source of water uptaken by Artemisia Desertorum in three test areas

3 討論

3.1 土壤水分補給機制

研究表明，不同試驗區土壤剖面的粒徑分布沒有顯著差異，土質的細微差異對降水入滲的影響可以忽略不計，可以專注分析采煤活動帶來的地裂縫對土壤水分補給的影響。

通過對降水前后3 個試驗區土壤含水量的測量分析，無明顯裂縫區的土壤含水量在大部分土層都高于未開采區和裂縫區，且裂縫區的土壤含水量在0～80 cm深度一直最小。但在100 cm 深度的土壤，可以看到裂縫區的土壤含水量是高于其他2 個試驗區的。

因此，可以認為土壤水分的變化是由土壤結構的差異引起，活塞流和優先流可能在水文系統中共存[36-38]。研究區降水主要以活塞流的方式補給土壤水，裂縫存在時，濕潤鋒沿裂縫快速向下運移，優先流現象明顯，在同一土壤深度下，土壤含水量與距離裂縫的遠近大約呈正相關關系[38]。未開采區距采煤作業面的距離遠遠大于其他2 個試驗區，樣區地面無裂縫，植被生長密集。無明顯裂縫區位于采煤工作面邊緣，與裂縫距離大于5 m，雖沒有明顯的裂縫，但采礦造成土壤孔隙增大，土壤變得松散，且地表已經出現細小的裂紋，與開采前未受干擾的情況相比，水更容易滲入。在裂縫區，受蒸發作用影響，表層含水量較低，采煤塌陷形成的裂隙會造成非均勻流，這將加劇優先流的產生，一些水通過裂縫流入更深層的土壤，導致樣本整個剖面的含水量低于其他2 個試驗區。

3.2 植物吸水來源

使用直接圖解法(圖5)得到的植物吸水來源取自土壤剖面的土壤水同位素含量和沙蒿木質部水同位素含量(δ2H)的交叉點，因為測量后δ2H 具有更大的含量范圍，信號更加明顯，且2 條線的交點只有一個，因此，選用δ2H 作為植物吸水的分析對象。這種方法的結果不能得出不同深度根系吸水比例的差異，但可以顯示出交叉點都位于同位素含量起伏變化很大的區域，說明土壤水補給大的區域可能是植物的主要吸水來源。

使用MixSIAR 貝葉斯模型進行分析后，發現3 個試驗區的植物吸水來源具有很大的差異。這種差異存在的原因是植物根系發生了變化[16]。采煤不僅會產生大范圍的裂縫，破壞土壤結構，還會破壞植物根系。在未開采區，沙蒿根系表現為上層根系生物量大于下層[30]，植物主要吸收上層土壤水；在受煤炭開采影響的地區，表面根系網絡有可能會從上層土壤中吸收水分，而較深的根系則會提取儲存在深層區域的水，這些水是通過前期降水的優先流得到補給。具體體現在沙蒿在無明顯裂縫區和裂縫區會吸收更多的深層土壤水，因為煤炭開采導致土層中更大的孔隙度，并且根系在深層土壤中可能更加密集，以確保根系可以吸收深層土壤水。同時，在裂縫區只有14.1%的根系吸水來源于40 cm以上的土層，這是因為地面的裂縫長期暴露在空氣中，阻礙了表面根系的生長。

4 結論

a.基于穩定同位素技術和MixSIAR 貝葉斯混合模型的定量計算，發現研究區內采煤塌陷裂縫對沙蒿吸水來源有顯著影響：裂縫區沙蒿吸收的水分有85.9%都來自深層土壤；在受采煤塌陷影響但無明顯裂縫區，沙蒿主要從深層和淺層土壤中吸水；而未開采區主要吸收淺層土壤水分。隨著裂縫的出現，沙蒿只能不斷從更深的土壤中獲取水分以供生長。

b.采煤塌陷裂縫的產生影響了土壤水補給方式，通過對土壤含水量的測量和分析，發現研究區降水主要以活塞流補給土壤，當裂縫存在時，降水迅速通過縫隙進入深層土壤，優先流的比例增加。

c.通過分析土壤含水量和植物吸水來源的變化，發現沙蒿的根系分布受到采煤塌陷裂縫的影響，裂縫區的沙蒿根系不僅會損傷斷裂，同時表面根系也難以生長，植物吸水來源也隨之變化。

d.通過定量分析的方法研究植物根系吸水機制和土壤水補給機制，對于研究礦區煤炭開采活動對植被生長和生態恢復的影響有重要的參考意義。