淺埋深煤層煤礦開(kāi)采對(duì)地表植被影響研究

趙歡歡，王 軍，王 敏

(1.陜西維德科技股份有限公司，陜西 西安 710054；2.西安財(cái)經(jīng)學(xué)院 信息學(xué)院，陜西 西安 710010)

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淺埋深煤層煤礦開(kāi)采對(duì)地表植被影響研究

趙歡歡1，王 軍2，王 敏1

(1.陜西維德科技股份有限公司，陜西 西安 710054；2.西安財(cái)經(jīng)學(xué)院 信息學(xué)院，陜西 西安 710010)

為研究淺埋深煤層煤礦開(kāi)采對(duì)地表植被覆蓋度及其多樣性的影響，結(jié)合遙感影像資料與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地調(diào)研，對(duì)陜西省神東礦區(qū)采煤塌陷區(qū)不同塌陷年限區(qū)域和未受塌陷影響區(qū)域(對(duì)照區(qū)) 植被進(jìn)行了抽樣調(diào)查與分析。結(jié)果表明：采煤塌陷對(duì)植被種類(lèi)組成、物種分布等較對(duì)照區(qū)有較大變化，優(yōu)勢(shì)種由多年生草本植物演變?yōu)橐欢晟荼局参?；降雨量是影響植被未惡化的關(guān)鍵因素，地下水位下降限制著喬木的生長(zhǎng)。從礦區(qū)整體生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)狀來(lái)看，整體覆蓋率趨勢(shì)有所改善，但若遇到干旱氣候，勢(shì)必引發(fā)生態(tài)環(huán)境的惡化，應(yīng)采取一系列工程措施引導(dǎo)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境向可持續(xù)方向發(fā)展。

淺埋深煤層；植被；覆蓋度；優(yōu)勢(shì)種；系統(tǒng)穩(wěn)定性

1　引言

我國(guó)西北地區(qū)貯存著豐富的優(yōu)質(zhì)煤炭資源，該地區(qū)多是典型的淺埋深、薄基巖、厚松散層的淺埋煤層，可采煤層多、煤層厚、煤質(zhì)優(yōu)良。主要有神府東勝大煤田、陜北榆神煤田、寧夏的靈武煤田、新疆的吐哈煤田等，對(duì)于此類(lèi)煤層可以通過(guò)以下指標(biāo)進(jìn)行判定：埋深不超過(guò)150 m，基巖與載荷層厚度之比小于1，頂板體現(xiàn)單一主關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)特征，來(lái)壓具有明顯動(dòng)載現(xiàn)象。20世紀(jì)80年代初，在浩瀚的毛烏素沙漠下發(fā)現(xiàn)了大量的淺埋深煤層煤炭資源，僅神府東勝煤田儲(chǔ)量達(dá)2000多億t，是我國(guó)現(xiàn)己探明較為典型的淺埋深煤層礦區(qū)之一。

現(xiàn)有研究針對(duì)該區(qū)域煤炭開(kāi)采對(duì)地表植被影響產(chǎn)生了兩種不同的認(rèn)識(shí)：第一，認(rèn)為煤炭資源開(kāi)發(fā)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重破壞[1]，水土流失加劇[2]，地下水地表水環(huán)境改變、地面變形、地裂縫和地表塌陷、邊坡滑坡塌陷等環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題[3，4]，進(jìn)而導(dǎo)致植被破壞量增加[5，6]；第二，礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)使得礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境不斷改善[7]，土地沙漠化在逆轉(zhuǎn)[8]，各地的植被覆蓋率都得以提高，整個(gè)生態(tài)環(huán)境向良性方向發(fā)展?；谏鲜鲇^點(diǎn)的爭(zhēng)論，筆者的研究以神府東勝礦區(qū)煤炭資源開(kāi)采對(duì)地表植被的影響為出發(fā)點(diǎn)，結(jié)合淺埋深煤層煤礦的特征及研究區(qū)自然概況的特殊性，綜合分析煤礦開(kāi)采對(duì)植被的影響，主要調(diào)查采煤礦區(qū)植被類(lèi)型、覆蓋度等特征，分析其影響因素，以期對(duì)淺埋深煤層煤炭資源開(kāi)發(fā)對(duì)地表植被的影響做出科學(xué)準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)。

2　研究區(qū)概況

研究礦區(qū)處于陜北黃土高原與毛烏素沙漠南緣地區(qū)，西部及中部處在以波狀起伏、風(fēng)蝕為主的毛烏素沙漠邊緣，東部為黃土丘陵，由風(fēng)沙區(qū)及黃土丘陵區(qū)二大地貌組成，礦區(qū)地處我國(guó)西部?jī)?nèi)陸，屬典型的中溫帶半干旱大陸性氣候。2000～2010年神東礦區(qū)年產(chǎn)煤量、降水量、平均溫度詳見(jiàn)表1，總體來(lái)說(shuō)，該區(qū)域地表植被稀少，水土流失和沙漠化十分嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境較為脆弱。

表1　2000～2010 年神東礦區(qū)年產(chǎn)煤量、降水量、平均溫度

3　研究方法

文獻(xiàn)調(diào)研法：研究數(shù)據(jù)主要來(lái)源于 CNKI 中國(guó)學(xué)術(shù)期刊網(wǎng)，檢索時(shí)間設(shè)定為 2015年10月20日，以“神東”、“植被”、“覆蓋度”、“演變”等為主要檢索主題；篩選和剔除重復(fù)、不切題的文獻(xiàn)，最終得到有效中文文獻(xiàn)樣本為 68 篇。

實(shí)地樣方調(diào)研法：項(xiàng)目區(qū)植被調(diào)查于2012、2014和2015年分3次進(jìn)行。植被實(shí)地調(diào)查主要采用樣方法，首先根據(jù)遙感影像大致判別出項(xiàng)目區(qū)植被類(lèi)型種類(lèi)，在每一植被類(lèi)型中選擇有代表性的地段設(shè)置樣方，詳細(xì)記錄樣方中的植物種類(lèi)、株數(shù)、蓋度、高度、建群種等信息，并記錄生境特征。兩次調(diào)查共設(shè)置了5個(gè)樣方，其中2 m×2 m的塌陷樣方4個(gè)，在相同地貌條件下選擇 1 個(gè)未塌陷區(qū)作為對(duì)照。

4　研究?jī)?nèi)容

4.1開(kāi)采塌陷對(duì)地表植被的影響研究

研究樣地選取非塌陷樣方與塌陷樣方，定期調(diào)查兩類(lèi)樣方的植被覆蓋情況，結(jié)果顯示非塌陷樣方的植被量明顯大于塌陷區(qū)，且隨著時(shí)間的推移，開(kāi)礦時(shí)間越早的礦區(qū)植被恢復(fù)越好，植被覆蓋度越高，反之則植被覆蓋度低。此結(jié)果與其他研究者的成果比較一致。謝少少[9]以植被凈初級(jí)生產(chǎn)力(NPP值)為表征對(duì)象，使用處理軟件MRT ( Modis Reprojection Tool) 對(duì)神東礦區(qū)、10 km緩沖區(qū)、礦區(qū)對(duì)比區(qū)域等3個(gè)區(qū)域的NPP 值，得出對(duì)比區(qū)年 NPP>緩沖區(qū)年NPP>神東礦區(qū)年NPP，說(shuō)明礦區(qū)植被在一定程度上受到了煤礦開(kāi)采的負(fù)面影響。葉瑤[10]通過(guò)對(duì)神府東勝-補(bǔ)連塔礦采煤塌陷區(qū)植物群落物種組成，與對(duì)照區(qū)相比，塌陷區(qū)植物種類(lèi)顯著減少，降低了31. 03%～44. 83%，植株密度顯著下降；相關(guān)研究均指出塌陷區(qū)的土壤含水量、土壤容重都小于非塌陷區(qū)[11]，進(jìn)而影響開(kāi)采區(qū)植被的覆蓋度。

煤礦開(kāi)采地表沉陷對(duì)植被景觀的影響主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。①植被根部被拉扯拉斷，直接導(dǎo)致植被枯萎死亡[12]。②地下水位下降，進(jìn)而使得植物缺水，而影響生長(zhǎng)[13]地下水位的下降，會(huì)使地表水的水流量減小[14]。②沉陷裂縫增加了土壤水分蒸發(fā)，影響植物生長(zhǎng)，尤其是在干旱年份里，其影響尤其突出。④水土流失嚴(yán)重引發(fā)土壤沙化，進(jìn)一步影響植被生長(zhǎng)。淺埋深煤層開(kāi)采后引發(fā)地表塌陷，會(huì)使地表水沿著裂縫下滲，由此引發(fā)的后果是出現(xiàn)更多的土沙移動(dòng)，加劇水土壤沙化和水土流失，地表植被的生長(zhǎng)受到嚴(yán)重影響。

4.2采煤塌陷區(qū)植被覆蓋度變化特征

開(kāi)采沉陷破壞植被的生長(zhǎng)環(huán)境，大規(guī)模地對(duì)礦產(chǎn)資源的開(kāi)采，將對(duì)植被覆蓋度產(chǎn)生一定影響，就現(xiàn)有的研究來(lái)看，地表塌陷會(huì)對(duì)植被覆蓋產(chǎn)生短期的影響，盡管每年的開(kāi)采量在逐漸增加，但植被覆蓋度近10年內(nèi)總體呈現(xiàn)出改良趨勢(shì)。吳立新等[15]利用SPOT-VGTNDVI遙感數(shù)據(jù)，采用沙化土地分級(jí)變化檢測(cè)與一元線性回歸方法，對(duì)神東礦區(qū)1999～2008年植被覆蓋和土地沙化的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行了分析，揭示了10年來(lái)神東礦區(qū)的植被覆蓋和土地沙化變化趨勢(shì)；信忠保等[16]研究黃土高原1981～2006年植被覆蓋度的時(shí)空變化時(shí)，發(fā)現(xiàn)黃土高原地區(qū)植被覆蓋整體呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，并存在明顯的空間差異。謝少少[17]收集遙感數(shù)據(jù)利用生理生態(tài)過(guò)程模型(BLOME-BGC 模型) 估算2000～2010年的年植被凈初級(jí)生產(chǎn)力NPP，結(jié)果表明隨著神東礦區(qū)煤炭開(kāi)采量的總體增長(zhǎng)，礦區(qū)植被并未持續(xù)受到負(fù)面影響，反而在某些年份有所改善。

從總體趨勢(shì)來(lái)看，植被覆蓋率明顯提高，沙漠化程度有所減輕，研究區(qū)的植被覆蓋率都得以提高，整個(gè)生態(tài)環(huán)境向良性方向發(fā)展。

4.3采煤塌陷區(qū)植被群落多樣性特征

項(xiàng)目組對(duì)神府東勝-大柳塔礦采煤塌陷區(qū)植物群落物種組成進(jìn)行實(shí)地調(diào)查，塌陷樣地有 7科14屬16種，優(yōu)勢(shì)物種為沙蒿、狗尾草、沙米、沙打旺等；而對(duì)照區(qū)有11科27屬29 種，以豆科、禾本科、菊科、藜科植物為主，優(yōu)勢(shì)物種為假葦拂子茅、堿蓬、紫翅豬毛菜等等。從植物生活型來(lái)看，塌陷區(qū)以一二年生草本植物為主，其次為多年生草本、半灌木和灌木植物，而對(duì)照區(qū)則以多年生草本植物為主。表明采煤塌陷對(duì)多年生草本、灌木以及喬木的影響最大。項(xiàng)目組以神木縣大保當(dāng)煤礦為例，在查明自然植被種類(lèi)、類(lèi)型和分布的基礎(chǔ)上，煤礦開(kāi)采后礦區(qū)景觀破碎度上升，景觀異質(zhì)性降低，植被類(lèi)型發(fā)生變化，優(yōu)勢(shì)種以叉子圓柏、北沙柳、斜莖黃耆的灌木叢向以黑沙蒿的灌草叢轉(zhuǎn)化。這與其他學(xué)者的研究成果基本一致。石占飛等[18]研究神木礦區(qū)煤炭開(kāi)采后，在自行恢復(fù)過(guò)程中物種數(shù)量短時(shí)間內(nèi)較難達(dá)到很高的水平，植被群落以草本為主，野生灌木呈零星狀分布，天然喬木已基本消失，人工種植的側(cè)柏、小葉楊等樹(shù)種長(zhǎng)勢(shì)較差，白草、硬質(zhì)早熟禾、阿爾泰狗娃花等草本植物重要值較大，為礦區(qū)植被群落中的優(yōu)勢(shì)物種[19]。

優(yōu)勢(shì)種的調(diào)查結(jié)果顯示，優(yōu)勢(shì)植被類(lèi)型由多年生草本植物轉(zhuǎn)變?yōu)橐欢晟荼局参?，不同塌陷年限樣地?nèi)的優(yōu)勢(shì)種無(wú)明顯變化，但與對(duì)照區(qū)相比有明顯差異，并且采煤塌陷后地表植物物種種類(lèi)數(shù)量發(fā)生明顯變化。

5　結(jié)果與討論

5.1降雨量對(duì)植被生長(zhǎng)的影響

在干旱、半干旱區(qū)，尤其是受采煤塌陷的影響區(qū)域，降雨量是決定礦區(qū)植被生長(zhǎng)的關(guān)鍵因素，降雨對(duì)植被的生長(zhǎng)狀況和空間分布具有決定性作用。基于時(shí)間序列分析1990年、2000年和2010年某淺埋深煤層礦區(qū)3個(gè)年份平均植被覆蓋度與年均溫度與年均降雨量的關(guān)系，如圖1所示，平均植被覆蓋度與年均降雨量的相關(guān)性顯著，圖中兩者數(shù)值變化趨勢(shì)和走勢(shì)大體一致，證實(shí)了降雨量大小對(duì)植被覆蓋度起到?jīng)Q定性作用的觀點(diǎn)。吳立新[15]指出1998～2001年的歷史罕見(jiàn)干旱情況，加之逐年增加的煤炭采空面積，致使這一期間神東礦區(qū)植被覆蓋度下降明顯，但 2001年以后，如圖2所示，在 2001～2010年中，神東礦區(qū)年降水量逐漸增大，相對(duì)應(yīng)的土地覆蓋植被有了明顯的恢復(fù)，再次證實(shí)降雨量是礦區(qū)植被生長(zhǎng)情況沒(méi)有持續(xù)惡化的主要因素之一。

圖1　平均植被覆蓋度與年均降雨量的關(guān)系

5.2植物群落的多樣性

采煤塌陷區(qū)與對(duì)照區(qū)的植被物種組成、物種分布差別較大，與對(duì)照區(qū)相比，塌陷區(qū)植物種類(lèi)數(shù)量明顯減少，植株密度顯著下降；典型物種和優(yōu)勢(shì)種均發(fā)生明顯改變，地表植被以北沙柳、斜莖黃耆為優(yōu)勢(shì)種的灌木叢向以黑沙蒿為優(yōu)勢(shì)種的草本植被轉(zhuǎn)化。葉瑤等調(diào)研結(jié)果表明，物種分布與采煤塌陷有顯著相關(guān)性，進(jìn)一步說(shuō)明采煤塌陷對(duì)植物群落種類(lèi)組成有較大影響，會(huì)直接導(dǎo)致物種數(shù)和植株密度顯著降低，影響了植物群落的多樣性[10]。

圖2　2000～2010年均降雨量變化趨勢(shì)

而上述結(jié)果與植被覆蓋度的好轉(zhuǎn)并不矛盾，其根本原因在于草本植被的根系基本分布于土層 1 m 以?xún)?nèi)，其生長(zhǎng)主要靠大氣降水，隨著2001～2010年神東礦區(qū)年降雨量的趨勢(shì)，草本植被呈現(xiàn)出較好的長(zhǎng)勢(shì)。與此同時(shí)，楊樹(shù)等深根性喬木樹(shù)種根深可達(dá)10 m以上，主要利用地下潛水，地下水水位的高低決定了其生存與否。而在研究區(qū)內(nèi)煤礦開(kāi)采的擾動(dòng)以及違背客觀規(guī)律的礦井疏排水，采礦后發(fā)生冒落和塌陷，破壞了地下水的徑流平衡，改變了地表水徑流和匯水條件，使得地下水位大幅度下降，直接限制了喬木的生長(zhǎng)，進(jìn)而形成其植物群落中以一年生草本植物占優(yōu)勢(shì)的情況。

該地區(qū)喬木、多年生灌木對(duì)淺層地下水具有較強(qiáng)的依賴(lài)性，只有草本植被主要依靠大氣降雨量。煤礦開(kāi)采會(huì)引起地下水位下降，甚至疏干，繼而造成地表植被優(yōu)勢(shì)植被的轉(zhuǎn)變。

5.3研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性

研究區(qū)屬于地處陜北毛烏素沙漠前緣草灘地，地表植被稀少，水土流失和沙漠化十分嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境原本就較為脆弱。受煤炭開(kāi)采影響，優(yōu)勢(shì)植被轉(zhuǎn)變?yōu)橐欢晟牟荼局脖?，?duì)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)作用有限。與裸地相比，生長(zhǎng)1年的植被對(duì)土壤沙化有一定的減緩作用，但不同植被對(duì)土壤沙化的減緩效應(yīng)順序?yàn)閱棠?灌木>草本；草本植被根系欠發(fā)達(dá)，扎根較淺，對(duì)外界不良干擾因素的抵抗力弱，在不良環(huán)境因素的影響下，草本植物死亡率高。一旦氣候惡化，尤其是在干旱年份里，將直接影響礦區(qū)自然生態(tài)系統(tǒng)的良性發(fā)展，總體來(lái)說(shuō)，開(kāi)采導(dǎo)致礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性減弱。

6　結(jié)語(yǔ)

在過(guò)去的10年里，神東礦區(qū)煤炭開(kāi)采量的日益增加，但礦區(qū)植被覆蓋情況卻呈現(xiàn)出整體改善的趨勢(shì)，并非是采煤塌陷未對(duì)植被產(chǎn)生影響，而是由于近年來(lái)毛烏素沙地降水量上升，蒸發(fā)量下降，氣候變化趨向于好的方向發(fā)展；同時(shí)國(guó)家致力于毛烏素沙地生態(tài)環(huán)境建設(shè)，實(shí)施了退耕還林還草及封山禁牧等一系列工程。但不得不關(guān)注的是生態(tài)系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性下降了，表現(xiàn)在研究區(qū)植被群落以草本為主，野生灌木呈零星狀分布，天然喬木已基本消失，人工種植的側(cè)柏、小葉楊等樹(shù)種長(zhǎng)勢(shì)較差，植被多樣性減弱，對(duì)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)作用有限，煤炭的開(kāi)發(fā)、利用給自然生態(tài)環(huán)境帶來(lái)一定程度的損害。針對(duì)研究結(jié)果，建議從推行保水開(kāi)采及優(yōu)化配置人工林等方面進(jìn)行植被保護(hù)。

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2016-06-11

國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)與神華集團(tuán)有限公司聯(lián)合資助項(xiàng)目(編號(hào)：U1261111)

趙歡歡(1988—)，女，碩士，主要從事煤礦生態(tài)保護(hù)、土壤污染修復(fù)等相關(guān)的工作。

Q948.15+3

A

1674-9944(2016)16-0173-03