干旱半干旱煤礦區土壤水分研究進展①

李禹凝，王金滿,2*，張雅馥，朱秋萍，王敬朋

干旱半干旱煤礦區土壤水分研究進展①

李禹凝1，王金滿1,2*，張雅馥1，朱秋萍1，王敬朋1

(1 中國地質大學(北京)土地科學技術學院，北京 100083；2 自然資源部土地整治重點實驗室，北京 100035)

本文重點評述了干旱半干旱煤礦區土壤水分與生態環境效應研究進展，系統總結了土壤水分運移機理與動態模擬方法。采煤塌陷會破壞土壤含水層構造并導致地下水位下降，間接改變土壤含水率空間分布特征；露天采礦與復墾過程中機械壓實導致土壤孔隙數量減少，連通性減弱，土壤水分入滲受阻；土壤重構與植被重建技術能夠有效改善土壤結構，緩解土壤水分流失。在未來研究中，首先應進一步豐富勢能理論體系，完善數值模擬技術并引入動態指標；其次應結合干旱半干旱煤礦區環境的特殊性，加強土壤水分運移規律及其機理研究；最后應基于土壤–植被–水分間耦合關系優化調控措施，促進干旱半干旱煤礦區復墾與生態修復。

土地生態；土壤水；非飽和帶；土壤水分運移；煤礦區

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被水分與氣體占據，是巖土顆粒、水分、氣體三相物質共同存在的一個復雜系統，非飽和帶土壤水運移也被認為是水文循環中最重要且最復雜的環節[2]。土壤水是連接大氣水、地表水、地下水與植被間的關鍵紐帶[3]，是水分與溶質吸收、維持和運輸的重要載體，促進了地球地表系統水文循環與能量交換[4-5]。當前，在自然變化和人類活動共同作用下，對土壤的利用與擾動不斷加劇，不同時空尺度中土壤水分運移與循環的變化也更加劇烈，因此開展土壤水分運移研究十分必要。

中國是當前世界上最大的煤炭生產國和消費國之一[6]，煤炭占中國一次能源消費比重一半以上，且未來一段時間內中國仍將保持以煤炭為主的能源結構[7]。在中國，煤礦多分布在黃土高原與內蒙古高原等干旱半干旱地區，區域內生境脆弱，水土流失等問題嚴重。土壤水是干旱半干旱區植被生長的主導因素[8-9]，然而由于采礦活動劇烈，礦區及周邊土壤逐漸退化，植被受損日益嚴重[10-13]。其中，井工礦開采會導致采空區地面塌陷、裂縫等問題，采礦區隔水層斷裂，地下水位下降，進而影響土壤水分的分布特征；露天礦開采與排土場復墾過程中土地壓占問題嚴重，重型機械的運輸與碾壓增強了土壤壓實程度，破壞了土壤孔隙結構，改變了土壤水分運移路徑。由此可見，礦區活動打破了區域水循環平衡，加劇了土壤與植被退化[13-14]，礦區生態環境問題亟待解決。

因此，開展煤礦區土壤水分變化與驅動機制研究對礦區植被修復與水資源調控具有重要意義。當前土壤水分研究方向主要集中在農業活動下土壤水鹽運移方面，對采礦活動與復墾措施下水分運移規律與機理研究的關注較少，起步較晚。對此，本文系統整理并評述了不同活動下煤礦區土壤結構與水分變異特征、土壤水分運移形式與能量轉化關系、土壤水分觀測與模擬方法，并指出了未來有待進行的科學研究工作，以期促進有關領域科學研究的深入開展。

1 煤礦區采煤活動對土壤水分的影響

1.1 采煤塌陷對土壤水分的影響

采煤活動中大規模機械開采會破壞上層含水層構造，礦層頂部平衡條件被破壞而失去支撐，造成地表發生裂縫與沉陷[15]，引發包氣帶宏觀結構發生顯著變化。根據塌陷區穩定程度可將包氣帶宏觀結構變化劃分為3個階段：采煤塌陷前階段，包氣帶層序相對清晰，土壤顆粒排列有序、均一；采煤塌陷非穩定階段，大量裂隙貫穿地表，巖土孔隙性發生變化；塌陷穩定階段，土壤層序與容重逐漸趨于塌陷前狀態，但包氣帶內仍存在隱伏裂隙，包氣帶厚度持續增加[16]。此外，由于外界擾動，裂縫塌陷區土壤內部微觀構造也發生改變，土壤中細黏粒含量減少，中粗粉粒增加，土壤粒徑均一性變差[17-20]。部分學者對我國西北干旱半干旱地區采煤沉陷區土壤的理化性質進行觀測與時間序列分析，普遍發現煤礦風沙區土壤逐漸粗化[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]。可見，采煤塌陷引起的包氣帶結構變異研究是探究采煤塌陷對非飽和帶土壤水運移影響機理的關鍵。

采煤沉陷的發生是一個相對緩慢持續的過程，隨著地表裂縫發育與塌陷年限延長，土壤水空間分布特征發生顯著變化，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]，土壤含水量低值區位于塌陷坑部位[24]。在此基礎上，郭巧玲等[25]對裂縫區與對照組垂向土壤含水量進行統計分析，發現裂縫越寬，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由裂縫區向非裂縫區遞增趨勢，各深度土壤含水量低值區均位于裂縫區的裂縫發育帶，高值區位于非裂縫區的植被覆蓋區[26-27]。在采煤塌陷區土壤水分運移規律研究中發現，土壤水分蒸發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量，降低了表層土壤持水能力[17]。

目前，研究人員已經針對采煤塌陷對土壤水分的影響進行了多項研究，但當前研究指標種類較為單一，主要為土壤含水率、入滲率與蒸發量，并且研究分析多為對上述指標的靜態描述，缺少對其他水分運移形式的動態探究與機理揭示。

1.2 土壤壓實對土壤水分的影響

土壤內固、液、氣三相共存，土粒或團聚體間的孔隙結構會直接影響水分運移路徑與方式[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，礦區內重型機械運輸與排土場壓占等活動會大大增強土壤壓實程度，大、中孔隙的孔隙直徑、數量與孔隙度均減少，土壤內水分流通與氣體擴散嚴重受阻[30]。從空間角度看，不同土層間的孔隙特性也表現出較大的差異，隨著深度的增加，土壤孔隙的數量、孔隙度、孔隙直徑和圓度均減小[31]，總孔隙度也呈降低趨勢[32]。此外，礦區土壤壓實還會破壞包氣帶內孔隙的連通性。王金滿等[33]通過CT掃描技術證明，黃土區露天煤礦排土場土壤孔隙之間的連通性會隨著壓實程度增加而降低；對土壤水分特征曲線的預測發現，土壤含水量也隨著壓實程度增加而迅速降低。

采礦活動中大型機械碾壓嚴重破壞了土壤理化性質，改變了水氣運移方式，打破了原區域水文平衡。一方面，表層土壤壓實增加了土壤容重，阻礙了降水入滲與植被根系生長。在半干旱礦區，降雨量較小時，雨水難以入滲到深層土壤(20 cm以下)[34]。呂春娟等[35]通過試驗測算發現在壓實作用下，土壤水分入滲特征隨容重的增大呈冪函數趨勢減小，進一步驗證了上述結論。另一方面，排土場土壤壓實還會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]通過調查安太堡露天煤礦排土場，發現其平臺表層土壤嚴重壓實，滲透系數僅為0.3 ～ 0.4 mm/min，極易形成暴雨徑流，而邊坡易發生滑坡與水土流失。由于平臺壓實強度高而邊坡堆積松散，黃土高原地區露天煤礦排土場的平臺徑流量大于邊坡，水土流失量小于邊坡，而在草灌喬混合植被組合修復下，土壤孔隙率與入滲率均得到提高，可有效緩解區域水土流失[37]。

綜上，在礦區開采與復墾過程中，受機械壓實作用影響，土壤容重增大，土體孔隙結構受損，影響了土壤水分滲透及溶質運輸。當前研究主要探討了礦區土壤壓實對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，水分蒸發是制約當地植被生長的關鍵。因此，針對干旱半干旱煤礦區，應當加強土壤壓實對土面蒸發的影響規律研究，深入探討礦區壓實對土壤水分運移的動態作用機理。

2 煤礦區土地復墾對土壤水分的影響

2.1 土壤重構

土壤重構是礦區復墾與生態修復的關鍵基礎與核心，主要通過工程措施或添加改良劑等方法，對礦區損毀土壤的理化性質進行修復與重構，實現土壤生產力的恢復與提高[38]。由于礦區復墾方向主要為農業用地，且土壤、水、植被三者間關系十分緊密，因此土壤重構下非飽和帶土壤水分變化得到廣泛關注[39]。對于高潛水位采煤塌陷區，單一粉煤灰充填會導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備保水性與透氣性[42]。而在黃土半干旱地區，通過“堆狀地面”土壤重構方法將表層覆土按一定排列方式疏松堆積，發生降水時，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[36]。在晉陜蒙礦區，沙黃土和砒砂巖以7∶3比例混摻能有效減少土壤蒸發量，在含水量較高的時期抑制效果更加顯著[43]。可見，重構土壤能有效改善土壤孔隙結構，恢復土壤肥力，為植被恢復提供良好的承載與水源基礎。許多學者也針對不同礦區土壤特征提出了相應的重構土壤剖面設計。研究表明，西部風沙區土壤重構時植被根系層襯墊10 ～ 30 cm的黃土，可以提升土壤含水率，有利于礦區植被恢復[44]。孫潔[45]基于野外調查與數值模擬發現，東蒙草原區露天礦排土場“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給。由此看出，重構土壤對植被根系層的土壤持水能力有顯著提升與恢復效果，但對深層土壤以及地下水影響機理尚不明晰。

目前礦區土壤重構與水分變化研究主要集中在復墾措施對土壤含水率的影響上，與采煤塌陷區土壤水分研究類似，其研究指標相對靜態且單一。因此，未來應基于動態變量，如土壤導水率、土壤水勢等，定量探究不同土壤剖面重構技術下土壤水分動態運移規律與時空變異特征，從表層土壤向深層地下水、從礦區場地尺度向區域流域尺度共同推進生態效應研究。

2.2 植被重建

采礦活動會導致地下水位下降，土壤含水率顯著變化，且包氣帶結構嚴重變形，促使植被根系受損，礦區植被生長受阻[44]。郭巧玲等[25]對神府–東勝采煤塌陷區土壤含水量進行水平方向研究，發現各土層土壤含水量低值區均位于裂縫發育帶，高值區位于非裂縫區的植被覆蓋區，說明采煤裂縫破壞土體結構，影響土壤水空間分布，進而導致植被退化。隨著研究的深入開展，部分學者基于植被重建角度提出了復墾研究與建議，以促進礦區水土保持與生態平衡。溫明霞等[46]從不同土地利用類型角度研究發現，馬家塔露天煤礦復墾區不同土層土壤水分入滲率與飽和導水率表現為：草地>林地>灌木地>荒地，且均與土壤容重呈負相關。不同復墾區植被組合對土壤水分的保持與運移作用效果亦不同。張燕樂等[47]調查晉陜蒙接壤區煤礦排土場發現，苜蓿(L.)和沙棘(Linn.)草灌混合模式更有利于緩解該地區土壤水分流失，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煤礦排土場，刺槐(L.)與油松(Carr.)復墾組合下土壤水穩性團聚體的穩定性最好，復墾改良效果最佳[48]。雖然上述排土場均位于我國干旱半干旱地區，氣候與生態背景具有一定的相似性，但基于地理環境的異質性，針對不同礦區不同土壤損毀問題應展開理論與實踐研究，并提出相應的植被修復方案。

目前礦區植被修復下水分研究主要為短期內植被覆蓋度與含水量的宏觀變化，缺少對礦區植被與土壤水間微觀作用機理分析，以及長期的原位動態監測。因此，未來應繼續加強二者間耦合研究，并構建長期科學的監測反饋機制，以指導排土場土地合理利用和生態植被建設。

3 煤礦區土壤水分運移機理及研究方法

3.1 煤礦區土壤水分運移機理研究

1966年Philip提出了土壤–植被–大氣連續體(soil- plant-atmosphere continuum，SPAC)概念[49]，該理論概念描述了一個動態統一、相互反饋的連續系統，隨著SPAC的提出，國際上土壤水分運移研究也逐漸從形態學觀點向能態觀點發展。20世紀80年代初，SPAC理論被引入中國，許多學者基于此開展了地下水與土壤水間水分運移研究[50]。1999年，楊建鋒等[51]進行了華北地區大氣降雨–地表水–土壤水–地下水相互轉化關系研究，并提出地下水–土壤–植物–大氣連續體(ground water-soil-plant-atmosphere continuum，GSPAC)的概念。GSPAC系統中水分運移直接或間接地影響了大氣降水、地下水補給、植被根系吸水等生態水文過程，能量隨水分運移過程發生傳遞與轉換，其中土壤水分運移方式主要包括入滲、蒸發和再分配。

土壤入滲是土壤與大氣界面水分運移的形式之一，同時也是地面水轉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。土壤入滲一般發生在降水與灌溉后，垂向與水平方向上土壤入滲的主要驅動力分別為重力勢和土壤基質勢[53-54]。在干旱半干旱煤礦區，不同形式與程度的人類活動導致土壤水分運移規律的差異性，采煤塌陷區土壤水分空間變異性強，主要由于塌陷區域土壤粗化嚴重，持水性能差，加速水分入滲[24]；在排土場復墾過程中，由于機械壓實作用，平臺土壤容重增大，大孔隙度降低，水分入滲率減小，加速地表徑流的形成。土面蒸發是土壤與大氣界面水分的另一種運移形式。采煤塌陷產生的裂縫與斷面間接地增加了土壤蒸發面，顯著增加了水分蒸發量，減小了表層土壤持水能力[17，21]；當包氣帶厚度大于極限蒸發深度時，入滲補給量和包氣帶厚度無關，僅會延長水分進入潛水面時間[55]。雖然部分學者對煤礦區土壤入滲與蒸發特征進行了一定機理解釋，但缺少從能量本質出發對水分運移機理的定量化分析。水分再分配發生在土壤與植被根系交界處，一般受土壤含水量、土壤質地以及植被導水性等因素影響。植物水勢與土壤水勢間差值是該運移過程的主要驅動力，根系可從深層較濕潤土壤中吸取水分后通過側根運輸到表層較干燥的土壤中；反之，當發生降水等情況后，根系從表層濕潤土壤中吸收水分向下運輸到深層較干燥土壤中，從而改善表層土壤水分狀況[56-58]。可見，土壤水分同時以多種方式發生運移，且涉及不同空間方向，受到多種因素與驅動力共同影響，很難通過觀測試驗直接探究，應加強構建土壤水分運移模型，以利于對不同采礦活動下土壤水分運移展開模擬研究。

目前土壤水分運移機理研究相對集中在農田與森林生態系統中，而煤礦區土壤水分運移特征的機理研究相對匱乏，且主要為定性描述，缺少從定量角度揭示礦區土壤水分運移的能量驅動機制。基于以上研究，本文提出礦區土壤水分運移示意圖(圖1)，以期進一步完善礦區地下水與地表間相互作用關系，推動礦區土壤水分運移與能量循環的動態研究。同時，當前煤礦區土壤水分運動研究主要集中在大氣–土壤–植被間，在未來的研究中，應結合煤礦區地下水位下降的實際背景，聚焦于礦區土壤水與地下水之間的相互作用研究，不斷豐富完善礦區GSPAC系統中水分運移理論體系。

3.2 煤礦區土壤水分運移研究方法

3.2.1 試驗觀測法 為探究煤礦區土壤水分運移規律，需結合相關儀器對水分變化情況進行觀察與測算，按照試驗實施位置與觀測對象，可分為原位試驗和室內物理試驗(表1)。原位試驗一般在礦區及其周邊自然環境下布設儀器，直接對土壤、植被及氣候等進行觀測。但該方法試驗成本高、精度有限，且試驗過程會對已經損毀的土壤帶來二次擾動，因此室內物理試驗方法逐漸得到發展。通過在實驗室中構建土體物理模型，可以較好地模擬并觀測自然或人為干擾下土壤水分運動情況。畢銀麗等[59]通過在土體底部設置留空區實現地裂縫發生過程的模擬，進而探究了裂縫區域內土壤的水鹽運移規律。相較于原位觀測，土柱實驗的操作可控性強，能充分模擬并反映人為擾動下土壤水分動態變化，且便于多次試驗進行統計分析，但該方法無法反映實際礦區宏觀結構下的真實過程。因此，兩種試驗方法互為補充，能夠更直觀準確地探究土壤水分運移規律。

(①入滲；②蒸發；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 土壤水分運移原位與室內觀測的主要方法

3.2.2 數值模擬法 1931年Richards提出適用于研究非飽和土壤水分運動的Richards方程，使得土壤水分研究從靜止、定性角度逐漸轉變為動態、定量的機理探究[74]，豐富了土壤水動力學模型，此后，一些學者對其進行了改進以適用于干旱區與煤礦區非飽和帶土壤水分的定量分析與預測研究(表2)。李玲等[81]結合Richards方程和van Genuchten-Mualem模型計算多種氣候區的土壤水力參數，結果表明進氣值倒數和飽和導水率是影響干旱半干旱區土壤水長程相關性的主要參數。王強民等[82]結合Richards方程與Feddes模型模擬探究了生態脆弱礦區高強度植被恢復對地下水的影響機制。但由于煤礦區SPAC系統相對復雜且不穩定，土壤水動力學模型在應用過程中模擬與預測精度有待提高。

表2 常用的土壤水動力學模型

隨著理論與技術發展，計算機模型逐漸用于土壤水分及溶質的運動機制研究與預測，這些模型既可以模擬土壤介質中水、熱和溶質的運移情況，也可以分析植被根系吸水與溶質吸附等過程(表3)[83-87]。如，Wang等[88]基于土柱試驗與Hydrus-1D模型對半干旱區露天煤礦重構土壤的水分分布特征與運移情況進行了模擬；楊澤元等[89]利用Hydrus-2D構建了采煤裂縫對非飽和帶土壤水運移影響的二維水熱耦合非穩定流模型；李鑫[90]設計多種微地形布設方案并結合Hydrus-3D實現了三維動態建模，探究了排土場不同微地形構造下的水流入滲過程及其水文效應影響機理。由此可見，煤礦區土壤水分運移模擬研究逐漸由一維特征分析向三維機理研究與可視化發展。

表3 常用非飽和多孔介質中水和溶質運移數值模型比較

綜上，數值模擬法能準確且便捷地通過多種指標參數描述土壤水分在不同時間與空間尺度下的動態運移過程，規避了干旱半干旱煤礦區環境脆弱與土體模型的條件制約。但由于礦區場地尺度的土壤性質存在時空異質性，對其進行數值模擬過程中邊界條件復雜，所需土壤水動力學參數較多，求解較為困難。

3.2.3 非線性預測法 非飽和帶土壤是一個多相物質共存的復雜系統，僅通過單一的線性回歸函數無法準確地反映不同時空下土壤水分與各要素間的作用關系[91]。目前土壤水分非線性預測模型主要有支持向量機(support vector machine，SVM)和BP神經網絡(back propagation neural network)兩種建模方法。

支持向量機法適宜于解決高度非線性問題，因其具有算法簡單、計算量小、易于實現等優勢，被廣泛應用于多個研究領域中[92-93]。李彬楠和樊貴盛[94]基于SVM法構建了土壤水分特征曲線Van-Genuchten模型的參數α、預測模型，預測精度較高。姜雪等[95]利用SVM法對羊草溝煤礦區土壤重金屬含量進行了預測，其結果與野外調查情況和模糊綜合評判法結果均高度相似。可見，SVM模型能滿足區域與場地尺度研究的需求與精度，可將其進一步應用于煤礦區土壤理化性質與水分特征分析與預測研究中。BP神經網絡模型具有較強的自學習、自適應和處理非線性問題能力，應用較為廣泛[96]。李彬楠和樊貴盛[97]通過構建土壤理化性質與Van-Genuchten模型參數非線性預測模型，發現灰色BP神經網絡模型預測精度高，但存在過度擬合的情況。王廣軍等[98]利用決策樹與BP神經網絡法，從遙感影像中提取了霍林河露天煤礦區草地荒漠化特征信息。SVM與BP神經網絡法均能實現對土壤水分的有效預測，且輸入因素主要為氣象要素與土壤基本理化性質，數據獲取簡便，預測精度較高。但SVM模型形式相對簡單，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。

當前國內研究數據樣本主要集中在農灌區，而煤礦區土壤水系統作為一個高度復雜的非線性系統，影響因素多樣且影響機理復雜，因此未來應擴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土壤水分研究中引入非線性預測模型進行數學建模，實現礦區損毀與重構土壤水分的長時序、高精度預測。

4 結論與展望

非飽和帶土壤水是干旱半干旱礦區生產與復墾時需要考慮的關鍵因素。國內外學者針對農田土壤水分研究相對成熟，但針對采煤生態脆弱區土壤水分運移研究起步較晚，仍存在以下3個方面有待進一步深入研究。

4.1 創新煤礦區土壤水分無損模擬預測

目前煤礦區土壤水分研究主要基于土壤含水率這一靜態指標展開分析，而干旱半干旱地區本底環境脆弱，采煤擾動使得礦區土壤結構破壞嚴重，水分運移變化劇烈。因此，今后在礦區原位調查中應當創新發展無損探測技術，豐富動態指標參數，加強對土壤水分運移的動態分析。結合多種準確指標參數能有效提高土壤水分模型的模擬精度，定量分析煤礦區土壤水分運移規律，并有效預測不同情境下土壤水分動態變化情況，有利于在礦區生態修復實踐指導過程中實現可視化發展。

4.2 加強煤礦區土壤水分運移驅動分析

目前非飽和帶土壤水分運移理論研究相對集中在農田與森林生態系統中，而煤礦區土壤水分運移研究內容主要為土壤–大氣界面間的水分入滲、蒸發與徑流特征分析，對于土壤水的動態規律與驅動機理探索較少。此外，地下水是影響干旱半干旱區植被生長的關鍵因素之一，而礦區地下水位受開采影響普遍逐年下降。因此，應加強土壤水與地下水、植被間作用與轉化關系的研究，進一步探究包氣帶中水分運移的驅動因素及各驅動力間的耦合關系，不斷豐富完善礦區GSPAC系統水分運移理論體系，以利于促進礦區植被復墾工作的科學開展。

4.3 完善煤礦區土壤水分調控機理研究

采煤活動帶來的壓實、塌陷等問題會加劇干旱半干旱地區水土流失，威脅植被生長。土壤水分運移規律與驅動機制的理論研究旨在指導礦區復墾與生態修復實踐。因此，針對干旱半干旱煤礦區，在明確采礦與復墾前后土壤水分運移規律及驅動機制的基礎上，應探索不同條件下礦區復墾新措施的改良效果，確定最優重構土壤剖面與復墾植被配置，實現因地制宜、因礦施策，建立長期穩定的土壤–植被–水分監測系統，為后續礦區水資源調控與生態修復提供理論研究數據與實踐指導依據。

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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. 干旱半干旱煤礦區土壤水分研究進展. 土壤, 2023, 55(3): 494–502.

內蒙古典型礦區生態修復技術集成與示范項目(2020ZD0020)資助。

(wangjinman@cugb.edu.cn)

李禹凝(1999—)，女，黑龍江哈爾濱人，碩士研究生，主要研究方向為土地整治與生態修復。E-mail: lynncugb@163.com