采煤沉陷对植被土壤容重和水分入渗规律的影响

为研究采煤沉陷对土壤水资源的影响,针对神东补连塔矿区3种主要植物(沙柳、沙蒿、杨树)群落类型,通过野外调查、实地试验和室内测试,研究了采前、采中、采后及稳定期土壤容重的变化规律及稳定期不同植被类型水分入渗特征.结果表明,随着开采的进行,不同土层之间土壤容重的差异减小,土壤容重分层现象减弱；不同植被覆盖条件下土壤容重在不同时期表现出一定的差异性,开采期间,3种不同植被类型表层土壤容重均减小；在采煤沉陷稳定期,沙柳、沙蒿0～100 cm土层平均土壤容重增大,而杨树则减小.开采后不同植被覆盖条件下稳定入渗率从大到小表现为杨树、沙蒿、沙柳,且与土壤容重有一定相关性.     

采煤沉陷对土壤团聚体及其有机碳的影响

为了更好地了解采煤沉陷坡地土壤结构及其有机碳库的变化特征,以典型的焦煤集团九里山矿采煤沉陷坡地为研究对象,分析了采煤沉陷坡地不同坡位土壤团聚体的组成及其有机碳的空间分布特征。结果表明：采煤沉陷坡地大团聚体含量自坡顶至坡底不断下降,微团聚体含量不断增加,土壤结构和稳定性自坡顶至坡下越来越差,在坡底则有所好转。采煤沉陷坡地不同坡位＜0.25 mm 土壤团聚体有机碳含量最高,各粒级土壤团聚体有机碳含量自坡顶至坡下不断减少,在坡底则有所增加。采煤沉陷坡地土壤有机碳含量自坡顶至坡下不断减少而在坡底显著增加。采煤沉陷减少了不同坡位＞5 mm土壤团聚体有机碳储量,增加了不同坡位＜0.25 mm土壤团聚体有机碳储量,但对0.25~2 mm、2~5 mm土壤团聚体有机碳储量的影响没有明显规律性。采煤沉陷坡地坡顶、坡上、坡中、坡下土壤有机碳储量显著低于正常农田,分别比未塌陷地土壤有机碳储量减少了8.19 t/hm2、8.21 t/hm2、9.11 t/hm2、11.34 t/hm2,煤炭开采引起的采煤沉陷对土壤有机碳库造成了不同程度的损失,并在一定程度上加剧了温室效应。     

采煤沉陷对土壤团聚体及其有机碳的影响

为了更好地了解采煤沉陷坡地土壤结构及其有机碳库的变化特征,以典型的焦煤集团九里山矿采煤沉陷坡地为研究对象,分析了采煤沉陷坡地不同坡位土壤团聚体的组成及其有机碳的空间分布特征。结果表明：采煤沉陷坡地大团聚体含量自坡顶至坡底不断下降,微团聚体含量不断增加,土壤结构和稳定性自坡顶至坡下越来越差,在坡底则有所好转。采煤沉陷坡地不同坡位＜0.25 mm 土壤团聚体有机碳含量最高,各粒级土壤团聚体有机碳含量自坡顶至坡下不断减少,在坡底则有所增加。采煤沉陷坡地土壤有机碳含量自坡顶至坡下不断减少而在坡底显著增加。采煤沉陷减少了不同坡位＞5 mm土壤团聚体有机碳储量,增加了不同坡位＜0.25 mm土壤团聚体有机碳储量,但对0.25~2 mm、2~5 mm土壤团聚体有机碳储量的影响没有明显规律性。采煤沉陷坡地坡顶、坡上、坡中、坡下土壤有机碳储量显著低于正常农田,分别比未塌陷地土壤有机碳储量减少了8.19 t/hm2、8.21 t/hm2、9.11 t/hm2、11.34 t/hm2,煤炭开采引起的采煤沉陷对土壤有机碳库造成了不同程度的损失,并在一定程度上加剧了温室效应。     

采煤沉陷区深层土壤物理性质时空变化研究

为了研究深层土壤容重、孔隙度以及含水率时空变化,基于榆神府矿区纳林河二号矿采煤沉陷区实测数据,研究了0～10m深度的土壤含水率及土壤容重、孔隙度的时空变化规律。结果表明,随着采煤沉陷区形成时间的推移,土壤容重逐渐减小,孔隙度逐渐增加,土壤含水率有所恢复。在空间分布上,拉伸区土壤容重低于盆底区,土壤孔隙度高于盆底区,说明采煤沉陷对拉伸区地表结构的影响更为明显且持久|拉伸区土壤含水率变化小于盆底区,纵深方向上0～2m土壤含水率主要受采煤地裂缝影响,6～10m主要受地下水变化影响,中间为过渡地带,土壤含水率相对稳定。     

露天煤矿排土场不同复垦植被土壤大孔隙特征

排土场复垦植被土壤存在直径可达数厘米的大孔隙或管状通道和植物根系,是形成土壤大孔隙及土壤优先流的主要原因。根据水分穿透曲线法和Poiseulle方程,系统地研究排土场不同复垦植被类型下(刺槐林地、榆树林地、混交林地、灌木林地、农地和荒草地)土壤大孔隙的半径范围、个数及分布情况。结果表明:不同样地土壤水分穿透曲线存在差异,6个样地0~5 cm土层稳定出流速率在0.019 3~0.031 5 mm/s,表现为乔木大于灌木大于草本;土壤水分穿透曲线呈现先快速增大后稳定的趋势,不同时期(活跃期、波动期、稳定期)具有不同的变化特征,砾石和植被根系是造成土壤穿透曲线波动的主要原因;土壤稳定出流速率随土层深度的增加而减小,0~5 cm土层的稳定出流速率最大(0.019 3~0.031 5 mm/s),50~60 cm土层最小(0.002 8~0.0 035 mm/s);排土场不同复垦植被土壤大孔隙半径介于0.03~4.71 mm,土壤大孔隙率为0.03%~16.58%,决定稳定出流速率65%的变异和饱和导水率42%的变异。     

采煤塌陷对黄土丘陵区土壤物理特性的影响

为了给采煤塌陷区土地复垦治理提供理论依据,以神府-东胜煤田大柳塔煤矿为例,运用土壤学基本理论和方法,对塌陷黄土丘陵区土壤进行了研究,揭示了采煤塌陷对土壤物理性质影响的变化规律.统计学分析结果表明,降雨后土壤的入渗深度在40～50cm,不同坡位土壤含水量由大到小的顺序为坡底、坡中、坡顶;对土壤密度影响较大的因子是坡位及土壤深度,塌陷对土壤密度影响很小;与对照区相比较,塌陷使土壤总孔隙度明显变小,毛管孔隙度变大,非毛管孔隙度变小;塌陷区不同坡位处粉砂粘粒比值Kd值明显高于对照区,土壤物理性砂粒含量增加,有砂化趋势;塌陷对黄土丘陵区土壤含水量影响最大,其次是物理性砂粒含量,再次是土壤密度和孔隙度.     

采煤塌陷裂缝区重构土壤水分特性研究

为了更好地指导塌陷裂缝区土壤重构,研发了一种便于监测塌陷裂缝区重构土壤水分的装置,结合西部地区采煤塌陷裂缝治理的需要,采用不同物料,设计了4种不同类型的土壤重构结构,通过试验模拟,分析不同类型重构土壤的水分入渗及含水量状况。     

黄河泥沙充填复垦覆土材料垂直一维入渗特性研究

针对采煤沉陷地充填黄河泥沙后覆土量不足的问题,提出利用当地表土、心土和黄河泥沙组配作为新覆土材料,研究了其垂直一维入渗特性。结果表明,随着黄河泥沙占比提高,新覆土材料初始入渗率、稳定入渗率在0.461 5~4.166 7 cm/min、0.032 9~0.327 3 cm/min范围内变化,分别与黄河泥沙占比呈显著性正相关、极显著性正相关;累积入渗量和湿润锋下移深度同样呈增加趋势,同一入渗时间下,水分得以快速进入土壤,减少了地表径流;并利用Kostiakov模型对入渗过程进行模拟,结果表明Kostiakov模型能很好地描述新覆土材料入渗过程。表土、心土和黄河泥沙3组配比分别为1∶1∶0.86、1∶1∶1.33、1∶1∶2的新覆土材料质地为壤土,入渗优于或接近常年耕种农田,具有一定的保水性。根据尽量增加黄河泥沙层上覆盖材料厚度的原则,选取配比1∶1∶2的新覆土材料作为黄河泥沙充填复垦采煤沉陷地的覆土材料。     

风沙区采煤沉陷裂缝对不同坡位土壤养分的影响

为探究风积沙区采煤沉陷裂缝在不同坡位下土壤养分的变化特征,以鄂尔多斯李家塔煤矿采煤沉陷坡地为研究对象,分析了采煤沉陷坡地不同坡位裂缝带和非裂缝带土壤养分指标的纵向变化规律。结果表明:采煤沉陷坡地各土壤指标均从坡顶至坡底不断增加,坡顶土壤含水率维持在10.61%,裂缝带较非裂缝带土壤有机质减少了28.61%;坡中和坡底裂缝带的土壤含水率、土壤有机质较非裂缝带分别减少了7.32%、102.59%和21.76%、149.06%;各坡位裂缝带土壤速效养分较非裂缝带增加了0.03%～14.00%。研究表明:煤炭开采引起的采煤沉陷裂缝对土壤养分造成了不同程度的影响,随着坡度下降,沉陷裂缝对土壤养分的影响逐渐增大;沉陷裂缝加快了土壤水分的蒸散量和土壤有机质的分解速度,使土壤速效养分多富集于裂缝表层土壤,为采煤沉陷地土壤改良、实现矿区生态修复奠定了理论和实践基础。     

压实处理对矸石充填复垦土壤水分的影响

为解决煤矸石充填复垦耕地土壤水分容易流失的问题,通过在矸石层和表土层之间设置2种压实层厚度和3种压实梯度的土壤压实层进行模拟复垦试验,研究不同处理方式对复垦土壤水分和农作物产量的影响.土壤水分在矸石复垦土壤剖面中随深度增加先升高后降低,表现出与对照完全不同的剖面水分分布特征;表层0-300mm深土壤水分随压实层厚度和压实梯度的增加而增加;作物产量与表层土壤水分含量成显著正相关关系.结果表明,通过压实层处理措施可有效改善表层土壤水分,提高矸石复垦耕地质量.     

高潜水位矿区不同土地利用方式下复垦土壤颗粒与分形特征

以徐州市柳新镇高潜水位采煤塌陷区林地、稻麦轮作、棉豆轮作复垦地为研究对象,并与相同利用方式的未塌陷地（林地、稻麦轮作、棉豆轮作）进行对比,分析了不同土地利用方式下复垦土壤的团聚体稳定性、颗粒分布、分形维数以及土壤容重、紧实度、孔隙度的变化特征,探讨了不同土地利用方式对复垦土壤的影响。结果表明：①在0~20 cm土层深度,与相同利用方式的未塌陷地相比,塌陷区复垦土壤耕作层的土壤黏粒、粗黏粒含量明显降低;与未利用的塌陷地相比,塌陷区复垦土壤的黏粒、粗黏粒含量均有所升高,其中以稻麦轮作地表层土壤的黏粒、粗黏粒含量最高;②不同土地利用方式对复垦土壤的团聚体结构性状均具有不同程度的改善作用,即直径大于0.25 mm 的湿团聚体数量、湿团聚体平均质量直径增大,团聚体破坏率下降,稳定性增强,其中,稻麦轮作方式对复垦土壤团聚体结构的改善效果较好;③复垦土壤颗粒分布、分形维数、直径大于0.25 mm 的湿团聚体数量、湿团聚体平均质量直径、团聚体破坏率及土壤容重、紧实度、孔隙度之间存在密切联系,土壤分形维数对土壤团聚体结构及其稳定性具有良好的指示作用。上述分析结果对于进一步制定高潜水位采煤塌陷区复垦土壤质量恢复措施有一定的参考价值。     

煤炭开采对农田土壤碳储量的影响研究

以徐州九里矿区为研究区,选取典型煤炭开采沉陷盆地,通过设计沉陷盆地土壤有机碳库采样方案、实验室土壤有机碳含量测定、构建沉陷盆地土壤有机碳库储量模型以及煤炭开采沉陷前后沉陷盆地内农田土壤有机碳库储量变化的分析,研究了煤炭开采对农田土壤碳储量的影响。研究发现：在煤炭开采沉陷未扰动状况下,沉陷盆地各坡面区土壤有机碳密度均与对照区土壤的有机碳密度相同,煤炭开采沉陷后沉陷盆地各沉陷坡面区土壤有机碳密度随沉陷深度呈现先减小后增大的变化趋势：煤炭开采沉陷前沉陷盆地所在区域内土壤碳库有机碳储量是560.4 t,开采沉陷扰动后沉陷盆地内土壤碳库有机碳储量为530.9 t,比沉陷扰动前减少了5.3%,由此可知,煤炭开采对农田土壤碳储量影响为失碳（碳源）效应。     

开采沉陷对耕地土壤物理特性影响的空间变化规律

为了给煤矿沉陷耕地的复垦治理提供理论依据, 以兖州矿区为例, 对沉陷耕地不同下沉位置、不同土层的土壤进行了监测和分析, 揭示了开采沉陷对耕地土壤物理特性影响的空间变化规律． 结果表明, 开采沉陷显著影响耕地表层土壤的物理特性; 沉陷耕地上中坡土壤有砂质化的趋势, 而下坡和坡底则积聚了上中坡侵蚀下移的细颗粒土壤物质; 在土壤物理特性中, 受其影响最大的是土壤含水量, 其次是物理性砂粒含量, 再次是土壤容重和孔隙度．     

基于高分二号卫星影像高潜水位煤矿区沉陷地土壤含水量监测

高潜水位地区煤炭开采破坏导致地表沉陷出现积水和斜坡,沉陷内土壤含水量会分布不均匀,影响农作物的生长,从而严重影响矿区居民的生产和生活。因此大范围快速、精确监测高潜水位地区煤矿开采区的土壤含水量具有重要现实意义。卫星遥感技术可以快速、准确、高效监测矿区土壤含水量。通过遥感手段对高潜水位采煤塌陷地土壤含水量进行监测,探求出一个比较方便、快速、合理监测高潜水位采煤塌陷地土壤含水量分布状况方法,为矿区环境影响评价、农作物估产、破坏等级评价、耕地损害补偿与土地复垦方案的编制提供参考依据。借鉴土壤含水量遥感监测经验,通过野外实地采集土壤样本并测量土壤光谱数据,在室内测量土壤含水量,分析实测地面光谱数据与土壤含水量的变化关系,结合实测的土壤含水量与光谱特征数据,对土壤含水量与实测水体光谱进行相关性分析,得到土壤含水量光谱数据敏感波段范围。结合高分二号卫星影像谱段数据特点,将实测光谱波长按照波段范围划分为与高分二号卫星影像谱段对应的4个波段,即450~520,520~590,630~690,770~890 nm,再取各个波段范围反射率的平均值与土壤含水量光谱反射率进行相关性分析,寻求高分二号卫星影像监测土壤含水量最敏感的波段数据,在确定遥感探测敏感波段的基础上,建立了土壤含水量与光谱反射率的遥感反演模型,即:S曲线模型、逆函数模型,基于预处理的高分二号卫星影像进行沉陷区地土壤含水量遥感反演,从而得到高潜水位采煤塌陷地土壤含水量的空间分布情况。研究结果表明不同土壤含水量的光谱特征基本相似,实测地面光谱数据与土壤含水量的变化关系为土壤光谱反射率随着波长的增长而增大,呈正相关关系;土壤含水量与高分二号卫星影像数据B3波段的反射率具有显著的负相关关系,可将B3波段作为监测土壤含水量最敏感的波段;通过对S曲线模型、逆函数模型进行分析与检验,S曲线模型比逆函数模型更接近实测值;基于高分二号遥感影像,利用S曲线模型进行遥感反演,可以迅速得到高潜水位采煤塌陷地土壤含水量空间等级分布图。     

黑岱沟矿区排土场土壤水的氢氧稳定性同位素特征及入渗规律

针对露天煤矿排土场人工堆垫地貌条件下土壤水分运移机制研究方面存在的不足,以影响排土场稳定和土壤修复关键的制约性因素水分为中心,利用稳定性同位素示踪技术,分析了排土场土壤水分的稳定性同位素特征,揭示了2 种不同植被类型（油松、紫穗槐）土壤水的入渗规律。结果表明,黑岱沟矿区降水δD（氘）、δ18Ο（重氧）与降水量成明显的负相关关系,降水氢氧同位素具有极好的相关性;不同月份大气降水的δD值表现出明显的降水量和季节效应,旱季（3-6月）氢同位素组成明显富集,δD值较高; 7-9月降水频繁,δD值贫化。排土场表层（0~10 cm）土壤蒸发强烈,土壤水分氢、氧同位素组成明显富集,同位素均值都大于降水;20 cm土层以下,土壤水氢、氧同位素均值显著小于降水,原因一方面为矿区潜在蒸散大,大气蒸发力强,降雨量小、同位素值高的雨水难以入渗到深层土壤;另一方面是入渗深层的地下水和低同位素值的雨水混合作用效应。人工油松林和紫穗槐土壤水的氢、氧同位素值都主要分布在当地大气降水线左上方,偏向正值区,说明矿区土壤水同位素值更易受大气蒸发的影响,造成土壤水同位素值富集。排土场各层土壤质地不一致,且砾石含量高,存在大孔隙,矿区土壤中活塞流和优先流并存于降水入渗过程中,从而有利于对深层土壤水分或地下水的补给。     

探地雷达在西部煤矿砂壤地层含水率时空变化中的应用

为研究西部地区采煤活动对地表砂壤地层含水率变化的影响,对内蒙古西部大柳塔煤矿52305工作面上方在地下采煤的不同阶段（采前、采中和采后稳定沉降）使用探地雷达开展了3次探测,利用滑动平均（ARMA）功率谱分析方法反演出3次探测时地表0~10 m的砂壤地层体积含水率值并进行分析研究。发现采煤影响下砂壤地层含水率整体呈“先减小,后增大”的趋势。在垂向上,含水率由小到大呈3个条带分布,采煤过程会引起砂壤地层产生沉降,垂向上各条带厚度发生改变从而影响含水率的变化。在砂壤含水率的平面分布中,根据采煤沉陷盆地的划分,研究区在采中时期整体含水率值较采前相对下降,沉降稳定后位于研究区边界位置的“拉伸区”和“压缩区”恢复到接近采前水平;位于研究区中心位置面积最大、结构最稳定的“盘底区”含水率值在采后恢复到比采前高的水平,在该变形区内0~10 m砂壤地层含水率“自修复”效果最佳。     

开采沉陷对关键土壤物理性质影响的相似模拟实验研究

开展了针对沉陷移动变形对土壤物理性质影响的三维相似材料模拟实验研究,主要包括实验装置设计、相似常数分析、相似材料配制与铺设等关键内容,并分析了沉陷变形对土壤水分、土壤密度这两个关键土壤物理参数的作用规律。结果表明：为克服现场土壤取样客观存在的空间异质性问题,利用相似材料模拟实验研究开采沉陷对地表土壤关键物理性质的影响规律是可行性的;开采沉陷降低了整个沉陷区的土壤含水量,并增加了其空间离散程度;拉伸区土壤水含量受沉陷变形影响最为明显;土壤含水量降低程度与地表移动变形值具有较好的自然对数模型关系;开采沉陷同时也增加了沉陷区土壤密度的离散程度,在压缩区增大土壤密度,在拉伸区降低土壤密度,且土壤密度降低程度与水平变形值呈较好的负相关关系。     

基于遥感影像的荒漠化矿区土壤含水率的影响因素分析

利用野外监测和TM遥感影像数据,建立了基于热惯量的计算土壤含水率的遥感信息模型.野外监测样点平均值表明采空区与非采空区上方土壤含水率差异大,遥感反演的面域平均值则显示两者差异较小.分析了影响土壤含水率的主要因素,结果表明：土壤含水率随高程的增大而降低;采矿导致土壤渗透系数发生变化,采空区上方垂直入渗能力增强,改变了潜水补给条件和土壤表面蒸发能力,进而影响土壤含水率;考虑毛细水上升高度和植物根系所及的深度,当采前地下水埋深较小而植物根的垂直深度较大时,采矿引起的水位下降必将影响植物利用潜水;当采前地下水位埋深较大而地表植被为浅根植物时,则不会影响,而采矿引起的地表裂缝则增加了地表土壤蒸发,地表拉伸变形容易拉断植物根系,进而影响植物的生长.