冻融条件下黄土–风积沙采煤沉陷区土壤水热耦合动态与沉陷扰动效应研究

《Frontiers in Environmental Science》：Soil hydrothermal coupling dynamics in a Loess–Aeolian sandy mining subsidence area under freeze-thaw conditions

　　

冻融循环（freeze-thaw cycles, FTCs）期间土壤水热耦合在调控寒冷且受扰动区域的生态水文过程（ecohydrological processes）中起关键作用。然而，土地沉陷（land subsidence）对该耦合的影响仍认识不足。本研究在中国内蒙古选取两个受沉陷影响区域，其气候条件相似但土壤类型不同（黄土和风积沙土），以尽量减少气候变异并分离土壤性质效应。研究人员使用0–60 cm深度土壤温度和水的连续观测来表征冻融过程及其耦合行为。结果表明，土壤冻结从浅层向深层推进，土壤类型间冻结起始差异较小。黄土进入完全冻结略晚，但比风积沙土融化更早，且冻融循环次数更少。沉陷扰动使黄土完全冻结提前约6 d，融化延迟约2 d，风积沙土也表现出融化延迟。土壤温度主要受气温控制，0–40 cm层影响最强，并在冻融转换期间呈滞后响应。所有深度均观察到土壤温度与水之间显著非线性关系，且不同土壤类型间水分动态不同。总体上，沉陷扰动改变土壤结构，从而调控冻融过程中水分迁移与热量传递的耦合，在可比气候条件下土壤结构发挥主导作用。

研究背景与问题：全球气候变化和水资源短缺背景下，寒冷干旱区土壤蒸发与水分损失受季节冻融过程强烈调控。冻融循环（freeze-thaw cycles, FTCs）中土壤水发生液态—固态反复相变，改变孔隙结构、热物理性质和水分迁移，进而影响土壤水储存、入渗和蒸发。黄土–风积沙过渡带位于中国北方干旱半干旱生态带，降水有限、植被稀疏、土壤结构松散，生态稳定性差，且是中国重要产煤区。长期高强度地下采煤诱发土地沉陷（land subsidence），改变地表形态和土壤结构，影响土壤水分运移与热量传递。已有研究多关注自然冻土或人为扰动较少的土壤，对采煤沉陷改变土壤结构后冻融期水热耦合机制，尤其黄土–风积沙过渡区不同土壤类型下的响应认识不足。因此，研究人员选择内蒙古鄂尔多斯市伊金霍洛旗乌兰木伦镇李家塔（Lijiata）和布尔台（Bu’ertai）采煤区，分别代表风积沙区和黄土区采煤沉陷区，开展原位监测，拟分析沉陷与非沉陷区不同土壤类型冻融期土壤温度和水动态，比较黄土与风积沙土水热动态及其对冻融过程响应，阐明采煤沉陷与冻融循环联合作用下土壤水热耦合变化规律。研究结论表明，沉陷扰动改变土壤结构性质，从而调控冻融过程中水分迁移与热量传递的耦合，不同土壤类型响应不同，土壤结构在可比气候条件下起主导作用。其意义在于加深对黄土–风积沙过渡区采煤沉陷区冻融水热过程的理解，并为寒冷干旱矿区生态修复和可持续水资源管理提供科学依据。

技术方法概述：研究人员在内蒙古鄂尔多斯市伊金霍洛旗乌兰木伦镇李家塔（Lijiata）和布尔台（Bu’ertai）采煤区，选取黄土与风积沙两类沉陷区，并设置沉陷和非沉陷对照，形成风积沙沉陷、风积沙非沉陷、黄土沉陷、黄土非沉陷4个固定监测点。监测期为2024年12月—2025年4月，采用HOBO U23土壤温度与水分自动记录仪，在0–60 cm深度按每10 cm一层、每小时1次连续监测。依据日最低和日最高土壤温度划分初始冻结、稳定冻结、交替冻结–融化、融化4个阶段。数据经Microsoft Excel 2019质控，SPSS 26.0计算均值、标准差（standard deviation, SD）和变异系数（coefficient of variation, C_v），Origin 2021绘图；按C_v≤10%、10%v<30%、C_v≥30%划分弱、中、强变异。

研究结果：
3.1 采煤沉陷区不同土壤类型冻融时间特征。通过冻融阶段划分和原位土壤温度观测得出，黄土与风积沙土初冻和初始完全冻结日期差异不大，冻结均从12月上中旬由浅层向深层发生。黄土0–30 cm层于12月12日进入完全冻结，40–60 cm层至12月下旬完全冻结，深层响应滞后；风积沙0–60 cm剖面于12月12日统一进入完全冻结。风积沙初始融化显著晚于黄土，在0–60 cm层延迟约3–35 d；黄土各深度日冻融循环次数均低于风积沙土。

3.2 不同采煤沉陷区冻融循环中的土壤温度。通过土壤温度与气温连续监测及其对比得出，土壤冻结融化与气温密切相关，气温主要影响表层，土壤温度随深度增加，并在冻融过程中呈先降后升趋势。黄土沉陷与非沉陷区于12月27日和1月2日达到完全冻结，2月11日和2月12日进入冻融交替，2月25日完全融化；原文结果段称沉陷区比非沉陷区早2 d融化，但讨论和结论均报告黄土沉陷区完全融化更晚。融化阶段表现为双向融化，即表层向下融化、冻层向上融化。沉陷与非沉陷区均在12月12日前进入稳定冻结。冻结自上而下进行，表层冻结后形成冻融锋（freeze-thaw front），阻碍土壤水入渗，使浅层持水能力迅速下降并趋于饱和。风积沙非沉陷区各层土温随气温升高，2月27日超过0 °C，自上而下融化，3月14日完全融化；沉陷区2月27日开始融化，3月16日完全融化，滞后非沉陷区2 d。风积沙区比黄土区冻结更早，整体冻结持续时间更长。风积沙沉陷区完全冻结时表层土温高于非沉陷区，深层土温较低，层间温差较小；黄土沉陷区不同深度温差更明显。

3.3 不同采煤沉陷区冻融期土壤水的时空异质性。通过土壤水连续观测、差异分析和C_v计算得出，沉陷区与非沉陷区土壤水存在明显差异，非沉陷区变化较规律，沉陷区更不规则。黄土非沉陷区土壤水显著高于沉陷区，而风积沙沉陷区与周边差异不显著。土壤水与冻融过程密切关联：12月12日气温降至0 °C以下后各层开始冻结，土壤水不同程度下降，0–40 cm变化最明显，40–60 cm较稳定；气温升高后冻土融化，土壤水不同程度恢复，0–10 cm和40–60 cm恢复快于10–40 cm。黄土区除30–40 cm外，非沉陷区各层土壤水高于沉陷区，0–60 cm平均土壤水非沉陷区比沉陷区高0.03%–46.67%；随深度增加，非沉陷区呈“增–减–增”，沉陷区呈“增–减–增–减–增”。冻融期各层总体先降后升。黄土非沉陷区最大土壤水出现在12月13日，为10.41%，最小在1月21日，为5.11%；沉陷区最大在12月13日，为11.62%，最小在12月31日，为1.35%。风积沙区0–40 cm各层非沉陷区土壤水比沉陷区高4.20%–10.76%；从表层到深层，两个沉陷区土壤水呈“减–增”。冻融期各层总体先降后升。风积沙非沉陷区最大土壤水出现在3月25日，为10.89%，最小在1月2日，为0.15%；沉陷区最大在3月5日，为10.05%，最小在1月2日，为1.59%。变异性总体为弱至中等，由高到低为风积沙非沉陷区>风积沙沉陷区>黄土沉陷区>黄土非沉陷区。风积沙沉陷区总体变异性高于黄土沉陷区；黄土非沉陷区30–60 cm和黄土沉陷区50–60 cm变异性低，系数分别为0.09、0.07、0.08和0.18。基于C_v分层，黄土非沉陷区0–30 cm属中等变异，30–60 cm属弱变异；黄土沉陷区0–10 cm和30–40 cm属强变异；风积沙沉陷区和非沉陷区0–30 cm属强变异，30–60 cm属中等变异。

3.4 冻融期采煤沉陷区土壤水与温度的耦合关系。通过土壤水与土壤温度的多项式拟合得出，二者呈非线性关系，冻融过程中沉陷区内外均强相关。沉陷区土壤水随土温升高先增加，达到峰值后下降；风积沙沉陷点土壤水随温度稳定增加，但增加速率逐渐降低。风积沙沉陷区表层土壤水与土温相关系数一般较高，深层较低；非沉陷区不同层差异不显著。黄土非沉陷区0–10 cm土壤温度与水分相关极强（R²=0.93）；风积沙非沉陷区20–30 cm相关极强（R²=0.91）。

讨论部分总结：季节冻结和融化是季节冻土两个主要物理过程。冻结时土壤水以气、液、固三相存在，固相水与土壤颗粒、矿物和有机质形成基本骨架，液相和气相充填空隙。无论沉陷内外，冻融过程中表层土温变化更活跃，深层相对稳定。研究区属季节冻土，冻结自上而下单向进行，融化表现为表层向下和最大冻结层向上的双向融化；原因包括大气温度和地下热传递，以及最大冻结深度以下较高土壤水对上层冻土温度的支撑。采煤沉陷改变包气带（vadose zone）土壤结构，破坏原有结构层，使土壤更松散并发育垂向裂隙，增加入渗路径和蒸发面积，使水热活动更频繁，表层水传输速度增加；冻结后冰的热导率高于液态水，增强水热交换。黄土沉陷区较非沉陷区更早进入冻结期，冻结期各层最低温更低，完全融化更晚，冻融周期更长。风积沙非沉陷区完全冻结期各层最低土温低于沉陷区，完全融化开始早于沉陷区，二者差异较小。两个沉陷区结果不同可能与土壤质地有关：黄土含更多粉粒和黏粒，风积沙含水量低、孔隙度高，因此风积沙区冻结期早于黄土区；土壤质地通过持水、热容、孔隙连通和热信号传播影响冻融动态。采煤沉陷改变微环境，促进土壤水时空变化。除20–30 cm外，沉陷区土壤水随深度增加持续下降，且低于非沉陷区，因为沉陷区存在大量不同宽度裂隙，增加土壤与空气接触面积，加速水分损失；裂隙还增强垂向水流，减少表层水补给，相对增加深层水补给。温度梯度是水分迁移关键驱动力，完全冻结土中水从暖区向冷区迁移。研究区为季节冻土，冻结期深层土温通常高于表层，导致40–60 cm土壤水损失。风积沙沉陷区表层水高于非沉陷区，且沉陷内外以及黄土沉陷区土壤水C_v较高。风积沙孔隙度高、初始含水量低，稳定入渗率高于壤土，冻融期含水量波动更大；黄土沉陷区受风蚀影响小，该现象不明显。总体上，采矿沉陷增强垂向水力连通并促进优先流（preferential flow），增加特定地下层土壤水时间变异性。未冻水（unfrozen water）随土温升高和冰融化而增加，部分土壤水因蒸发和升华减少，实验支持这一结论。除风积沙沉陷区外，其他三类表层土壤水与土温相关系数较高、深层较低。风积沙沉陷区土温与水分不随深度变化，可能与风沙侵蚀影响表层水—含水量相互作用，以及沉陷裂隙增加深层暴露和扰动有关。冻胀可显著改变土壤水热特性；春季融化时冻结水下移可抬高地下水位，冻结区可从浅层地下水获得更多水。因此，沉陷裂隙对土壤水动态具双重控制：干旱条件下增强蒸发，湿润或融化期促进优先入渗。原文结果3.2与讨论、结论对黄土沉陷区融化早晚的表述存在不一致，建议作者核验。

研究结论翻译：黄土和风积沙土的初始冻结和完全冻结日期差异很小，均发生在12月中下旬，冻结从浅层向深层推进。黄土进入完全冻结阶段略晚于风积沙土，但融化更早，整体冻融循环次数更少。在沉陷区，黄土达到完全冻结的时间比非沉陷区约早6 d，融化约晚2 d；风积沙土融化延迟约2 d。土壤冻融过程主要受气温控制，0–40 cm表层影响最强，并随深度增加而减弱。土壤温度在冻融转换期间呈降—升特征，并对气温表现出滞后响应。冻融过程显著影响土壤保水，冻结期入渗受抑制，融化期入渗增强。不同土壤类型响应不同：风积沙沉陷区深层水分动态更活跃，表层相对稳定；黄土各层活动性更高。冻融期土壤温度与含水量显著相关，不同深度均呈一致非线性关系。总体上，沉陷扰动改变土壤结构性质，从而调控冻融过程中水分迁移与热量传递的耦合，不同土壤类型响应不同。