采动变形分区对耕层土壤容重及持水性能的影响

1. 引言

地下开采引起的地表沉陷使上方耕地产生沉降与变形，耕层结构随之改变，进而影响土壤水分入渗、储存与蒸发。土壤容重反映土粒排列与孔隙状况，是评价矿区耕地物理质量的基础指标^{[1, 2, 3]}。因此，识别沉陷稳定后限制耕层水分运移的变形区，是采动区耕地保护需要解决的基础问题。

采动地表变形具有分区特征。按概率积分法预计的地表移动变形场，以水平变形的正负为判据:水平变形为正的区域为拉伸变形区，为负的区域为压缩变形区，二者之间为水平变形接近0的相对稳定区^[4]。实测结果表明，同一工作面地表可同时出现拉伸、压缩、台阶和塌陷等不同性质的变形分区^[5]。已有研究表明，采动沉陷对土壤容重、含水率和入渗能力的影响具有区域差异，且受土壤质地、沉陷阶段及恢复年限共同控制^[6]。邹慧等^[7]采用环刀入渗试验发现，沉陷区土壤容重增大后水分入渗能力下降；毕银丽等^[8]针对陕北沉陷区，对比分析了土壤水分入渗与蒸发特征；YANG 等^[9]以中国西部矿区为例，评价了煤炭开采沉陷对土壤物理质量的影响。近期研究将土壤优先流^[10]、浅层物理性质响应^[11]等过程纳入矿区水土效应评价，并关注西部矿区采动水文生态效应与修复途径^[12]；陈龙乾等^[13]通过沉陷耕地实测，给出了土壤物理特性随采动变形的空间变化规律。上述工作表明，采动变形对耕层物理性质的作用存在区域差异，沉陷区与未沉陷区之间的差别已得到较多验证。

然而，上述研究多以沉陷区与未沉陷区的整体对比为出发点，未按水平变形的性质区分同一工作面内部的压缩区与拉伸区。压缩与拉伸对土体的力学作用相反:压缩使土粒趋于致密、孔隙缩减，拉伸使土体张拉松弛并易形成裂缝，二者对耕层容重和水分运移的作用方向可能相反，在整体对比中会相互抵消。此外，沉陷稳定并不意味着变形结束，采动覆岩的残余移动变形与耕层结构的滞后响应仍会持续一定时间^[4]。采煤沉陷造成的耕地损毁直接关系耕地保护与粮食安全^{[14, 15]}，若不能在沉陷稳定后识别限制水分运移的具体变形区，深松、灌溉和培肥措施只能按统一强度实施，治理成本随之增加。

鉴于此，以沉陷稳定后的五沟煤矿 1026 工作面为对象，在对照区、压缩区和拉伸区各布设 4个样点，测定 0～20 cm 耕层的容重、含水率和孔隙率，并开展环刀入渗与自然蒸发试验，比较不同变形区土壤物理性质与水分运移的差异，分析土壤物理性质与采动变形的关系，为沉陷耕地分区管理提供依据。

2. 研究区域试验方法

2.1. 研究区概况

研究区位于安徽省淮北市濉溪县五沟煤矿。1026工作面走向长 1088 m、倾向长 177 m，面积约 19.7万 m²，平均采深 391 m，平均采厚 5.4 m，地表以耕地和沟渠为主，主要土壤类型为砂姜黑土。

本区已建立地表移动观测站。依据地表移动观测结果，2022 年 8 月野外采样时地表移动已基本稳定。变形区按水平变形的性质划分:水平变形为负的区域为压缩变形区，为正的区域为拉伸变形区，水平移动变形值为零的区域为中性区。以概率积分法预计的下沉 10 mm等值线为实验区 S（含压缩区与拉伸区）边界（图 1），在边界外未受采动影响处选择土壤类型、植被覆盖类型和地形起伏相近的地块，划定 20 m×20 m方形区作为对照区；实验区内压缩区与拉伸区各设 20 m×20 m样区，各样点的下沉、倾斜与水平变形由地表移动观测结果获得（见表 1）。

图 1 工作面与不同变形区采样位置

Fig. 1 Working face and sampling locations in different deformation zones

2.2. 样点布设与指标测定

在对照区、压缩区和拉伸区分别布设 4 个样点，样品分别编号为对照区 S1—S4、拉伸区 L1—L4、压缩区 Y1—Y4。每个样点采用 500 cm3、环高 10 cm的环刀，在 0～10 cm 和 10～20 cm 各采集 1 个原状土样，共获得 24 个样品。样品于 105 ℃烘干 12 h 至恒重，重复称量 3 次，计算土壤容重和质量含水率（图 2）；孔隙率依据环刀体积与含水变化计算。土壤颗粒组成采用激光粒度分析仪测定。各区样品均为壤质黏土，砂粒、粉粒和黏粒质量分数分别为29.0 %～48.5 %、22.0 %～40.5 %和 26.0 %～34.0 %，表明样区间质地类型一致，可降低质地差异对分区比较的干扰。

蒸发和入渗试验均采用 10～20 cm 环刀样。野外取样后先用滤纸封住环刀底部并称重，再将环刀放回土中，使上表面与地面齐平；每隔 3 h 称量 1 次，直至质量不再变化，据此计算蒸发速率。蒸发测定结束后去除滤纸，再进行室内指标测定。入渗试验使用 105 ℃烘干 12 h 后的环刀样，将样品放入较大容器中，加水至与土样表面平齐并浸润 5 h；取出后在土样环刀上方叠放 1个空环刀，用胶布密封连接处，并置于漏斗上，漏斗下接 500 mL 量筒。向上部空环刀加水至与环刀表面平齐，漏斗开始滴水时计时，前 10 min 每 1 min 记录 1 次，之后每 5 min 记录 1 次，直至渗水量稳定。

土壤容重和含水率采用环刀烘干法测定。现场称量环刀和新鲜土样质量后，于 105 ℃烘干 12 h 至质量不再变化，再次称量；每次称重平行测量3次。孔隙率依据环刀、湿土和烘干土质量计算，土壤颗粒组成采用 Rise-2006 型激光粒度分析仪测定。容重、含水率和孔隙率的测定参照 NY/T 1121 系列标准及GB/T 50123—2019，容重测定方法的选取参考文献^[16]。

(a) 环刀取样

(b) 入渗试验

(c) 蒸发称量

样点坐标采用 RTK 接收机定位，并与地表移动变形监测成果对应。原状样现场称量和密封后运回实验室；完成容重、入渗与蒸发测定后，将同一样点土样研磨、去除根系和砾石，采用四分法缩分至约 1 kg，再进行激光粒度分析（图 3）。上述流程使每个样点的土壤物理性质、水分运移指标和地表变形信息能够一一对应。

(a) RTK定位

(b) 原状样称量

(c) 四分法取样

(d) 粒度分析

图 3 样点定位、称量及粒度分析前处理

Fig. 3 Positioning, weighing and preparation for particle-size analysis

2.3. 数据处理

采用单因素方差分析比较各变形区指标，事后比较使用 LSD法，显著性水平取 0.05；采用Pearson 相关系数分析容重、含水率、孔隙率与入渗和蒸发指标之间的关系。

表 1 变形区布设与地表变形特征

Table 1 Layout of deformation zones and surface deformation characteristics

变形区	样点数/个	沉陷值/mm	倾斜/(mm·m-1)	水平变形/(mm·m-1)
对照区	4	10 mm等值线外	—	—
压缩区	4	2226~2774	16.6~19.8	-14.4~-4.5
拉伸区	4	444~593	10.1~10.4	+9.4~+11.1

3. 结果与分析

3.1. 不同变形区土壤物理性质

不同变形区耕层物理性质见表 2。压缩区平均容重为 $1.50\mathrm{g}/\mathrm{c}{\mathrm{m}}^3$ ，较对照区的 1.18 g/cm³增加 27 %，差异显著；拉伸区容重为 1.19 g/cm³，与对照区基本一致。分层结果显示，各区 10～20 cm 土层容重均高于 0～10 cm，其中压缩区 10～20 cm 容重达到 1.56 $\mathrm{g}/\mathrm{c}{\mathrm{m}}^3$ ，说明压缩效应在亚表层表现更为突出。

压缩区和拉伸区含水率分别为 20.90 %和 20.66 %，均略高于对照区，但差异不显著。压缩区孔隙率较对照区降低约 10 %，拉伸区基本不变。综合容重、含水率和孔隙率的变化及显著性检验结果，压缩区土壤基本物理性质对开采沉陷的响应程度大于拉伸区。

表 2 不同变形区耕层土壤物理性质

Table 2 Physical properties of cultivated soil in different deformation zones

变形区	容重/(g·cm-3)	与对照区比较的P值	含水率/%	与对照区比较的P值	孔隙率/%	与对照区比较的P值
对照区	1.18±0.01	—	18.66±1.00	—	17.16±1.00	—
压缩区	1.50±0.01	0.001	20.90±1.00	0.417	15.40±1.00	0.382
拉伸区	1.19±0.01	0.782	20.66±1.00	0.366	17.10±1.00	0.962

(a) 容重

(b) 含水率

(c) 孔隙率

从分层变化看，对照区、压缩区和拉伸区 10～20 cm土层容重较0～10 cm分别增加15 %、9 %和4 %，含水率分别增加 28 %、14 %和 14 %，孔隙率分别降低 11 %、20 %和 11 %（图 4）。0～10 cm 土层更接近地表，受到自然因素和开采沉陷扰动的程度较大。压缩区 10～20 cm 土层容重达到 $1.56{\mathrm{g}/\mathrm{c}\mathrm{m}}^3$ ，已接近相关规范中土壤紧实度较高的 1.60 g/cm³判别值。

3.2. 不同变形区土壤入渗与蒸发

压缩区 3 项入渗指标均低于对照区（表 3、图 5）。其初始入渗率、稳定入渗率和平均入渗率分别为2.43、0.40 和 0.83 mm/min，较对照区降低 32 %、43 %和 38 %；平均蒸发速率为 2.02 g/h，降低 37 %，上述差异均达到显著水平。这一变化与土壤容重增大、孔隙率减小有关。

拉伸区初始、稳定和平均入渗率较对照区分别增加 2 %、6 %和 4 %，平均蒸发速率增加 6 %，但差异均不显著。该结果表明，拉伸区土壤入渗和蒸发速率变化幅度较小，其持水性能与对照区接近。

各样点入渗曲线在试验初期下降较快，随后逐渐趋稳；蒸发速率也随时间延长持续降低（图 5）。压缩区 4个样品的整条入渗与蒸发曲线整体位于对照区和拉伸区下方，表明分区差异并非由单一样点造成。对照区和拉伸区样品之间虽有波动，但曲线范围大体重叠，与组间平均值检验结果一致。

表 3 不同变形区土壤水分运移指标

Table 3 Soil-water transport indices in different deformation zones

变形区	初始入渗率/(mm/min)	稳定入渗率/(mm/min)	平均入渗率/(mm/min)	平均蒸发速率/(g/h)
对照区	3.58	0.70	1.34	3.22
压缩区	2.43(P=0.003)	0.40(P=0.003)	0.83(P=0.002)	2.02(P=0.003)
拉伸区	3.65(P=0.674)	0.76(P=0.382)	1.39(P=0.510)	3.40(P=0.494)

(a) 对照区土壤样本入渗速率曲线

(b) 对照区土壤样本蒸发速率曲线

(c) 压缩区土壤样本入渗速率曲线

(d) 压缩区土壤样本蒸发速率曲线

(e) 拉伸区土壤样本入渗速率曲线

(f) 拉伸区土壤样本蒸发速率曲线

3.3. 土壤物理性质与水分运移的关系

土壤物理性质与水分运移指标的相关系数见表 4。相关分析表明，土壤容重与初始入渗率、稳定入渗率、平均入渗率和平均蒸发速率的相关系数分别为−0.932、−0.846、−0.936 和−0.953（n=12），均达到显著水平。含水率与各水分运移指标的相关程度较低；孔隙率仅与平均蒸发速率呈显著正相关。由此可见，在本试验范围内，容重是解释各变形区入渗与蒸发差异的主要物理指标。压缩区水平变形与容重的相关系数为 0.824，高于沉陷值和倾斜值与容重的相关系数，提示水平压缩对耕层紧实化具有较直接的作用。

表 4 土壤物理性质与水分运移指标的相关系数

Table 4 Correlation coefficients between soil properties and water-transport indices

水分运移指标	容重	含水率	孔隙率
初始入渗率	-0.932	-0.144	0.406
稳定入渗率	-0.846	-0.042	0.370
平均入渗率	-0.936	-0.167	0.401
平均蒸发速率	-0.953	-0.217	0.490

4. 讨论

4.1. 压缩变形影响水分运移的机制

采动压缩使土粒排列趋于紧密，降低结构性大孔隙的数量和连通性，因而同时减缓入渗和蒸发。该结果与矿区土壤容重增加后入渗能力下降的研究结论一致^{[7, 8, 9]}。需要指出的是，蒸发速率降低并不等同于土壤质量提高。较高容重虽然能够延缓无效蒸发，但也可能削弱降雨或灌溉水进入根区的速度，并限制通气和根系伸展。因此，持水性能评价应同时考虑减少散失与保障补给两个方面。

4.2. 分区管护建议

对压缩区可优先实施深松、秸秆还田或有机肥改良，破除 10～20 cm 紧实层，并结合小水量、分次灌溉降低地表径流风险；拉伸区在沉陷稳定后可按常规耕作管理，但仍需巡查残余裂缝。治理效果宜以容重、入渗率和作物根系分布的联合变化进行评价。

5. 结论

（1）沉陷稳定后，压缩区 0～20 cm 土壤容重达到 1.50 g/cm3，较对照区增加 27%，差异显著；拉伸区容重与对照区无显著差异。

（2）压缩区初始、稳定和平均入渗率分别较对照区降低32%、43%和38%，平均蒸发速率降低37%，差异均显著。表明沉陷稳定后水平压缩变形仍可改变耕层水分运移过程；拉伸区各水分运移指标与对照区接近。

（3）土壤容重与 3 项入渗指标及平均蒸发速率均呈显著负相关，是解释各变形区差异的主要物理指标；含水率与孔隙率的作用有限。

本研究仅调查 1 个稳定工作面，每类变形区设置4 个样点，且未连续记录不同季节的土壤水分，现场容重差异还可能受机械碾压、耕作历史和微地形影响。后续应增加不同采深、采厚和恢复年限的工作面，设置耕作措施对照，并开展降雨—入渗—蒸发连续监测，以检验分区规律的适用范围。

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