采煤沉陷對神東礦區(qū)植被的影響機(jī)理研究

郭洋楠 胡春元 賀 曉 王 義 周成軍

（1.神華神東煤炭集團(tuán)技術(shù)研究院，陜西省神木縣，719315；2.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)生態(tài)環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特市，010019；3.神華神東煤炭集團(tuán)環(huán)保管理處，內(nèi)蒙古自治區(qū)伊金霍洛旗烏蘭木倫鎮(zhèn)，017400）

1 研究內(nèi)容與研究方法

針對煤沉陷對植被的影響機(jī)理進(jìn)行研究，研究方法采用植物生態(tài)學(xué)野外調(diào)查常用的樣方法。通過現(xiàn)場調(diào)查獲取沉陷1～2年區(qū)、5年區(qū)和7年區(qū)的植被類型數(shù)據(jù)，將原始數(shù)據(jù)匯總后采用方差分析法與非沉陷區(qū)的植被進(jìn)行對比，以確定采煤沉陷對植被的影響。抽樣煤礦均選擇地形地貌相似的區(qū)域，在未沉陷區(qū)、2005年沉陷區(qū)和2004年沉陷區(qū)分坡頂、坡中、坡底設(shè)10～15 個(gè)樣方。樣方面積為1 m×1m，分別調(diào)查每樣方內(nèi)的植物種類、每種植物的株樹、植株高度、密度、頻度和蓋度等，之后計(jì)算每一調(diào)查區(qū)的物種豐富度、植被總蓋度、分蓋度和主要建群種的自然高度等。對于一些大型的多年生木本植物 （如楊樹、沙柳、油松、樟子松、果樹等），設(shè)21個(gè)10m×10m 的大樣方進(jìn)行苗木調(diào)查，記錄枯死或長勢情況，采用DPS處理數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 采煤沉陷區(qū)植被調(diào)查結(jié)果

六大煤礦沉陷區(qū)植被調(diào)查匯總結(jié)果見表1。

表1 神華神東煤炭集團(tuán)六大煤礦沉陷區(qū)植被調(diào)查匯總結(jié)果

位置 沉陷時(shí)間／年植物種數(shù)／種蓋度／% 建群種 主要伴生種 樣方數(shù)量／個(gè)2004 52 38.4 紫花苜蓿、油蒿 蟲實(shí)、草木樨狀黃芪、胡枝子、豬毛蒿10大柳塔礦 2005 50 35.6 百里香、豬毛菜 針茅、豬毛蒿、糙隱子草、胡枝子 10未沉陷 41 36.8 賴草、紫花苜蓿 糙隱子草、草木樨狀黃芪、胡枝子、針茅 10 2004 30 43.7 針茅、糙隱子草 草木樨狀黃芪、胡枝子、豬毛蒿10榆家梁礦 2005 37 40 針茅、糙隱子草、苦荬菜 草木樨狀黃芪、胡枝子、細(xì)葉遠(yuǎn)志 10未沉陷 37 33 針茅、豬毛蒿、賴草 羊草、草木樨狀黃芪、胡枝子、鐵桿蒿10

2.2 采煤沉陷對植被影響的分析

采用方差分析法計(jì)算了沉陷區(qū)與非沉陷區(qū)優(yōu)勢植物之間的差異水平。以各調(diào)查區(qū)內(nèi)重要值最大，樣方中出現(xiàn)頻度最高的2～3種植物為代表，對其高度和蓋度進(jìn)行方差分析。結(jié)果顯示，六大礦區(qū)出現(xiàn)頻率最高的只有針茅、草木犀狀黃芪等7 種植物。在置信度0.05 水平上，7 種植物的生長量、植被蓋度在沉陷區(qū)與未沉陷區(qū)之間無顯著差異。神東公司沉陷區(qū)優(yōu)勢植物高度方差分析見表2，神東公司采煤沉陷區(qū)植被蓋度方差分析見表3。

表2 神東公司沉陷區(qū)優(yōu)勢植物高度方差分析 （α≤0.05 時(shí)，差異顯著）

表3 神東公司采煤沉陷區(qū)植被蓋度方差分析

2.3 采煤沉陷與地表植被生長關(guān)系的分析

對神東公司6個(gè)煤礦2004年和2005年沉陷區(qū)與未沉陷區(qū)樣方中出現(xiàn)的物種數(shù)和植被蓋度進(jìn)行比較并進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果見表4和表5。12個(gè)沉陷區(qū)中只有活雞兔礦2005年沉陷區(qū)和榆家梁礦2004年沉陷區(qū)植被種數(shù)比未沉陷區(qū)減少，其余10個(gè)沉陷區(qū)中有8個(gè)沉陷區(qū)植物種數(shù)增加，2個(gè)與未沉陷區(qū)持平，從蓋度上看，只有上灣礦2004年沉陷區(qū)、大柳塔礦2005年沉陷區(qū)蓋度低于未沉陷區(qū)，其余10個(gè)沉陷區(qū)的植被蓋度均高于未沉陷區(qū)，說明調(diào)查區(qū)植物種數(shù)和植被蓋度的變化在六個(gè)礦中有相同的趨勢，即沉陷區(qū)較未沉陷區(qū)植物種數(shù)多且植被蓋度大，2004年沉陷區(qū)較2005年沉陷區(qū)物種數(shù)多而植被蓋度大。

表4 沉陷區(qū)與未沉陷區(qū)植物種數(shù)比較 ／種

表5 沉陷區(qū)與未沉陷區(qū)植被蓋度比較 ／%

從植物種數(shù)和植被蓋度與沉陷年限的相關(guān)分析，植物種數(shù)與沉陷年限之間的相關(guān)系數(shù)在0.85以上，植被蓋度與沉陷年限的相關(guān)系數(shù)在0.9 以上，沉陷區(qū)與未沉陷區(qū)植物種數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)也在0.85以上，表明沉陷在一定程度上影響了地表的植被。但是，采煤沉陷沒有造成植物種類的減少和蓋度的降低，反而使植物種數(shù)有所增加，雖然變化的情況不顯著，但終究否定了采煤沉陷對植物造成嚴(yán)重影響的結(jié)論。產(chǎn)生這種情況的原因可能與采煤沉陷造成的地面擾動(dòng)有關(guān)?，F(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，沉陷區(qū)中出現(xiàn)的未沉陷區(qū)中沒有出現(xiàn)的植物都是一年生植物，而且多出現(xiàn)在裂縫兩側(cè)。采煤引發(fā)的地表沉陷可使土壤松動(dòng)，并產(chǎn)生一些大小不等的裂縫，裂縫的產(chǎn)生增加了大氣降水下滲的深度，改善了裂縫兩側(cè)的水分條件，從而為一年生植物的萌發(fā)提供了條件，這就是沉陷區(qū)植物種類得以增加的主要原因。

2.4 采煤沉陷對喬木樹種的影響

該地區(qū)喬木樹種多為人工種植，且密度較低。采用每100m2為一個(gè)樣方，樣方中所有喬木存活狀況全部調(diào)查的方法，共調(diào)查21個(gè)樣方，發(fā)現(xiàn)采煤沉陷對喬木樹種的影響主要是花稍，真正死亡的植株不足3%。其中，陡坡地上的樹木死亡率高一些，最多可以達(dá)到7%，緩坡地上的死亡率很低。以補(bǔ)連塔沉陷區(qū)楊樹和柳樹調(diào)查為例，楊樹的死亡率達(dá)到10.05%，柳樹死亡率為8.1%，根據(jù)現(xiàn)場觀察，造成喬木樹種死亡的原因是由于樹木根系受損。補(bǔ)連塔沉陷區(qū)楊樹樣方位于一個(gè)巨大沙丘的迎風(fēng)坡上，南北向行狀種植，行距7 m，株距2 m，采煤后地面出現(xiàn)階梯狀沉陷，臺階高度約為50～70cm，樹木根系被拉斷，其中有一段臺階位于楊樹下方約1 m 處，楊樹拉斷的根系在臺坎上清晰可見，而該行楊樹出現(xiàn)連續(xù)13株同時(shí)死亡的現(xiàn)象，死亡時(shí)間是在沉陷后的10天之內(nèi)，其他樣方中死亡的喬木也多數(shù)是在階梯狀陷落之處，事實(shí)證明造成神東公司采煤沉陷區(qū)喬木死亡的原因是根系的機(jī)械損傷。

另外，神東礦區(qū)的植物主要依靠大氣降水和土壤水存活，潛水位下降也沒有造成區(qū)域性植被的死亡。

2.5 采煤沉陷對植物群落組成的長期影響

對大柳塔礦1996 年、1998 年和2000 年沉陷區(qū)以及未沉陷區(qū)的覆沙地植被進(jìn)行了調(diào)查，以了解沉陷10年后，植被的演替情況。

大 柳 塔 礦1996 年、1998 年 和2000 年 工 作 面上方及相鄰的未沉陷區(qū)地表為風(fēng)沙地貌，植被類型為典型的沙地植被，以沙生灌木油蒿為主要建群種，伴生有沙米、蟲實(shí)、地膚等1～2年生的草本植物以及楊樹、檸條錦雞兒和沙棘等少量人工植被，沙丘基本為固定和半固定類型。

對上述3個(gè)沉陷區(qū)及未沉陷區(qū)隨機(jī)各10個(gè)樣方的調(diào)查結(jié)果顯示，在樣方內(nèi)共出現(xiàn)41 種植物。該區(qū)域的植被總蓋度為54.7%。大柳塔風(fēng)沙區(qū)沉陷多年區(qū)的植被狀況及特征見表7。

從表7 中可以看出，無論是哪個(gè)年份的沉陷區(qū)，主要建群種均為油蒿。多年生植物有胡枝子、沙竹、牛心樸子、糙隱子草、砂珍棘豆等，1～2年生植物有蟲實(shí)、沙米、狗尾草、角蒿、三芒草、絲葉苦荬菜和地梢瓜等。植被蓋度在50%以上，植物群落較穩(wěn)定。從植物種類上看，沉陷區(qū)植物種數(shù)都比未沉陷區(qū)多，特別是1996年的沉陷區(qū)，植物種數(shù)比未沉陷區(qū)多了6種，其增加值較大。

在采煤沉陷將近10年的過程中，地表植被蓋度及其物種組成、群落優(yōu)勢種均無明顯變化，表明沉陷對該地區(qū)以油蒿為建群種的灌木草本植被無明顯影響，同時(shí)也表明，該地區(qū)的覆沙地貌上，油蒿群落是一個(gè)主要的、占明顯優(yōu)勢的植被類型，群落比較穩(wěn)定，抗干擾能力較強(qiáng)。

表7 大柳塔風(fēng)沙區(qū)沉陷多年區(qū)的植被狀況及特征

大柳塔礦2002 年、2003 年、2004 年和2005年工作面上方及相鄰的未沉陷區(qū)地表為硬梁溝壑地貌。地帶性植被為典型草原。原生植被有針茅群落、百里香—隱子草群落，還有一些撂荒地植被。

對上述4個(gè)沉陷區(qū)及未沉陷區(qū)隨機(jī)各10個(gè)樣方的調(diào)查結(jié)果顯示：在樣方內(nèi)共出現(xiàn)58 種植物，該區(qū)域的植被總蓋度為41.8%。該群落的組成及數(shù)量特征見表8。

表8 大柳塔硬梁地植被蓋度及植物種數(shù)比較

該區(qū)域植被物種組成成分較多，比較典型的群落有針茅群落、百里香、隱子草群落、多年生灌木蒙古蕕群落、人工種植的紫花苜蓿群落，以及以豬毛菜或豬毛蒿為主的撂荒地植被。但無論是在不同年份的沉陷區(qū)，還是在未沉陷區(qū)，在調(diào)查的各樣地中，針茅、隱子草、百里香、胡枝子、遠(yuǎn)志、草木樨狀黃芪等原生植被的主要組成成分均以較高的頻率出現(xiàn)；內(nèi)蒙古二級保護(hù)植物蒙古蕕出現(xiàn)的頻率也較高，表明沉陷對原生植物群落的主要建群種的生長沒有顯著影響。

各區(qū)相比，植被組成特征及組成植被的植物種數(shù)變化不大，植被蓋度平均為30%～50%。在調(diào)查區(qū)中，2002年沉陷區(qū)橫跨礫石質(zhì)的硬梁地、溝底的農(nóng)田，及北部的覆沙地，可供選作樣地的區(qū)域主要在礫石質(zhì)硬梁地，因此植物種類較少，植被覆蓋度也較小，2005 年沉陷區(qū)縱貫一條公路，因此植被覆蓋度也受到影響。

綜合上述分析，可以看出，在采煤沉陷將近6年的過程中，地表植被蓋度、物種多樣性、群落均勻度均無明顯變化。該區(qū)域各群落類型的優(yōu)勢種也無明顯變化，表明沉陷對該地區(qū)以針茅、百里香及糙隱子草為主的草原植被無明顯影響。

3 結(jié)論

（1）對神東公司烏蘭木倫、補(bǔ)連塔、上灣、大柳塔、活雞圖、榆家梁6 個(gè)煤礦2004 年沉陷區(qū)、2005年沉陷區(qū)植被調(diào)查并與未沉陷區(qū)對比結(jié)果顯示，采煤沉陷對地表植被蓋度沒有顯著影響，對各類型群落中主要建群種的生長也無顯著影響。表明采煤引起的地表沉陷對于該地區(qū)主要以草本及小灌木為主要組成成分的植被沒有顯著影響。

（2）從2004年沉陷區(qū)、2005年沉陷區(qū)及未沉陷區(qū)三個(gè)沉陷區(qū)樣方內(nèi)出現(xiàn)的植物種數(shù)及各區(qū)的植被蓋度來看，6個(gè)煤礦表現(xiàn)出相同的趨勢，即植物種數(shù)及植被蓋度與沉陷及沉陷年限有關(guān)，多數(shù)情況下沉陷區(qū)植物種類較多，而且2004年沉陷區(qū)較2005年沉陷區(qū)的多，表明在沉陷的近兩年內(nèi)，植物種類的豐富程度及植被蓋度與沉陷有一定的相關(guān)性。

（3）采煤沉陷對大型的闊葉喬木，特別是楊樹有一定影響。一是沉陷造成的根系損傷，通常引起植株的枯稍；二是局部潛水水位較淺的地區(qū)，樹木對潛水的依賴程度高，沉陷引起的潛水滲漏造成植物枯死。這兩種損傷是一過性的，對再植的樹木不會(huì)產(chǎn)生明顯影響。

（4）對大柳塔礦沉陷10年 內(nèi)的覆沙地沉陷區(qū)以及沉陷5年的硬梁地沉陷區(qū)進(jìn)行的植被調(diào)查顯示，采煤沉陷對覆沙區(qū)的油蒿群落構(gòu)成、物種多樣性以及植被覆蓋度均無影響。對硬梁地植被的各群落構(gòu)成、物種多樣性以及植被蓋度也無明顯影響。采煤沉陷2年之后，植被已基本趨于穩(wěn)定。

［1］ 王力，衛(wèi)三平，王全九.榆神府煤田開采對地下水和植被的影響 ［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2008 （12）

［2］ 呂晶潔，胡春元，賀曉.采煤塌陷對固定沙丘土壤水份動(dòng)態(tài)的影響研究 ［J］ .干旱區(qū)資源與環(huán)境，2005 （7）

［3］ 魏江生，賀曉，胡春元等.干旱半干旱地區(qū)采煤塌陷對沙質(zhì)土壤水分特性的影響 ［J］.干旱區(qū)資源與環(huán)境 （5）

［4］ 葉貴鈞，張萊，李文平等.陜北榆神府礦區(qū)煤炭資源開發(fā)主要水工問題及防治對策 ［J］.工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2000 （4）

［5］ 聶振龍，張光輝，李金河.采礦塌陷作用對地表生態(tài)環(huán)境的影響 ［J］.勘查科學(xué)技術(shù)，1998 （4）

［6］ 候慶春，汪有科，楊光.神府—東勝煤田開發(fā)區(qū)建設(shè)對植被的影響調(diào)查 ［J］.水土保持研究，1994（4）