邢恩德,何京麗,張鐵鋼,田秀民
(水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020)
煤炭是中國(guó)的主要能源,大型露天煤礦的開(kāi)發(fā)推動(dòng)了地區(qū)經(jīng)濟(jì)與社會(huì)的發(fā)展,但同時(shí)也引發(fā)了區(qū)域生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。探討煤礦開(kāi)采過(guò)程中對(duì)周邊草地的植被覆蓋度、地上生物量、土壤水分和地下水位的影響以及變化情況,對(duì)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)具有重要意義。草原區(qū)露天煤礦在開(kāi)發(fā)過(guò)程中的采、剝、運(yùn)、排、覆等環(huán)節(jié),會(huì)產(chǎn)生區(qū)域地表土壤侵蝕、植被破環(huán)、重金屬污染等生態(tài)擾動(dòng)與環(huán)境污染問(wèn)題[1]。中國(guó)是全球五大無(wú)煙煤(硬煤)開(kāi)采國(guó)家(中國(guó)、美國(guó)、印度、澳大利亞和南非)之一[2],并且中國(guó)的大型露天煤礦大多分布在生態(tài)環(huán)境脆弱的干旱、半干旱地區(qū),煤礦開(kāi)采對(duì)當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境造成了威脅[3-4]。大型露天煤礦的開(kāi)采通過(guò)大面積采挖和棄土,導(dǎo)致地表植被消失,水土流失加劇、滑坡、泥石流、河道阻塞、地表和地下水系紊亂、土地沙化、鹽漬化等的發(fā)生加劇[5-6]。并且,隨著礦產(chǎn)的不斷開(kāi)發(fā),礦區(qū)交通網(wǎng)絡(luò)逐漸形成,人類(lèi)活動(dòng)越來(lái)越頻繁,使礦區(qū)及周邊景觀組成與配置發(fā)生了極大的改變,導(dǎo)致生境斑塊逐漸破碎化,面積不斷減小,從而影響到生物個(gè)體、種群、群落、生態(tài)系統(tǒng)等各個(gè)組織水平的生態(tài)過(guò)程[7-9]。煤礦開(kāi)采對(duì)周邊生態(tài)環(huán)境影響主要體現(xiàn)在,①水體的污染以及水質(zhì)及水量的下降;②土壤污染以及土地資源的損害;③大氣污染;④植被受損;⑤噪聲污染;⑥誘發(fā)地質(zhì)環(huán)境災(zāi)害[10-11]。
諸多研究報(bào)道了煤礦開(kāi)采對(duì)植被覆蓋度、土壤環(huán)境因子、土壤水分、景觀格局及初級(jí)生產(chǎn)力、地下水質(zhì)量、重金屬污染等方面的影響,另外,從對(duì)植物個(gè)體的影響,到對(duì)種群、群落以及對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響的研究也取得了成果[12-15]。研究報(bào)道,露天煤礦開(kāi)采對(duì)研究區(qū)植被的破壞程度呈逐年增加趨勢(shì),研究區(qū)域約269 km2植被覆蓋度年均減少1.2%,且植被等級(jí)越低,植被受損速度越快[16]。煤炭開(kāi)采對(duì)礦區(qū)土壤水力學(xué)參數(shù)及其空間變異性以及水質(zhì)水量都會(huì)產(chǎn)生影響[17-20],煤礦開(kāi)采使礦區(qū)景觀破碎化增加,初級(jí)生產(chǎn)力變化呈現(xiàn)下降趨勢(shì)[21]。草原煤電一體化項(xiàng)目區(qū)附近大部分土壤中汞含量已超出土壤汞背景值,且汞含量隨距礦區(qū)距離的增大而降低,受土壤pH、距離、主導(dǎo)風(fēng)向影響顯著[22]。盡管這些研究闡明了煤礦開(kāi)采對(duì)植物覆蓋度減少、地下水質(zhì)量、以及生態(tài)環(huán)境造成了影響,但是大部分研究都還沒(méi)有具體分析煤礦開(kāi)采對(duì)周邊草地生態(tài)環(huán)境造成不利影響的范圍。此次研究旨在明確草原露天煤礦開(kāi)采過(guò)程中對(duì)周邊草地植被覆蓋度、生物量和土壤水分以及地下水位特性的影響范圍及變化規(guī)律,以期為草原區(qū)煤礦生態(tài)修復(fù)以及政府制定礦區(qū)生態(tài)環(huán)境補(bǔ)償項(xiàng)目提供科學(xué)依據(jù)。
研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林浩特市東北部的勝利東二號(hào)露天礦區(qū),地理位置N 43°54′15″~44°12′52″,E 115°24′26″~116°26′30″,屬中溫帶干旱、半干旱氣候,地貌類(lèi)型屬內(nèi)蒙古高原,礦區(qū)以及周邊地形起伏,地勢(shì)比較平坦,年平均降水量289 mm,占全年降水量的70%以上,集中分布在6~8月,多年平均蒸發(fā)量1 830.8 mm。春季多風(fēng),年平均風(fēng)速為3.5 m/s,年均大風(fēng)日數(shù)61.1 d,瞬時(shí)最大風(fēng)速36.6 m/s。土壤為典型栗鈣土和暗栗鈣土,有機(jī)質(zhì)含量20.0~36.8 g/kg,pH 8.0,土壤容重為1.36 g/cm3,土壤粒徑以>0.05 mm的細(xì)沙為主。礦區(qū)原地表植被屬典型草原植被,以克氏針茅(Stipakrylovii)、羊草(Aneurotepidimuchinense)為主要建群種,植被覆蓋度35%~50%,天然草地平均草高20~40 cm,年產(chǎn)干草量平均為525 kg/hm2。煤礦的南排土場(chǎng)位于礦區(qū)的東北部,緊臨礦區(qū)東部和北部邊界,距離煤礦工業(yè)場(chǎng)地5.5 km,為平臺(tái)、邊坡相間分布的階梯式地貌,相對(duì)高度100 m,每級(jí)臺(tái)階坡面長(zhǎng)度約20 m,排土場(chǎng)占地總面積13.66 km2。
試驗(yàn)區(qū)樣區(qū)以煤礦采坑及南排土場(chǎng)為中心,排土場(chǎng)緊臨露天煤礦的采坑,采、排形成一體,沿東南西北4個(gè)方向分別向外布設(shè),布設(shè)長(zhǎng)度為6 km,樣區(qū)間距為1 km,同一方向共設(shè)置6個(gè)小樣區(qū),每個(gè)樣區(qū)面積為1 m2。重復(fù)3次,用E、S、W、N分別代表東、南、西、北4個(gè)方向的樣區(qū),如S1代表向南靠近煤礦的第一個(gè)樣區(qū)(圖1)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,除北向的6個(gè)樣區(qū)地形略有起伏外,其他方向的各樣區(qū)均屬于緩坡地形。
通過(guò)野外實(shí)地調(diào)查,記錄每個(gè)樣區(qū)的植被覆蓋度、植被高度、土壤含水量等指標(biāo)。
圖1 采樣區(qū)平面布置圖(遙感影像2014年)Fig.1 Plane layout of the sampling area in the research area (Remote sensing image 2014)
1.3.1 植被覆蓋度及地上生物量 植被生長(zhǎng)狀況采用野外調(diào)查進(jìn)行監(jiān)測(cè),2017年5月~9月中旬,監(jiān)測(cè)各樣區(qū)植被覆蓋度、植被群落組成、指標(biāo)植物,每月測(cè)定1次并設(shè)置3個(gè)重復(fù),植被覆蓋度計(jì)算年平均值。每個(gè)樣區(qū)地上生物量9月中旬刈割測(cè)定1次,計(jì)鮮重。
1.3.2 土壤含水量 2017年8月中旬,在測(cè)定植被生長(zhǎng)狀況的每個(gè)樣區(qū)取不同土壤深度土樣測(cè)定土壤含水量,土壤深度分別為0~10,10~20,20~30,30~40 cm,每層取混合土樣,用鋁盒采集土樣并密封,防止水分散失。土壤含水量測(cè)定采用烘干稱(chēng)重法,將土樣置于105℃烘箱中烘干8 h取出稱(chēng)重,計(jì)算重量含水量。
1.3.3 地下水位 以煤礦采坑為中心,距離采坑不等同的位置共設(shè)4個(gè)監(jiān)測(cè)井,分別為距采坑為1.0,2.5,3.7,9.5 km,編號(hào)依次為W1,W2,W3,W4。地下水位每月月初觀測(cè),重復(fù)讀數(shù)3次,計(jì)平均數(shù)。采用電接觸懸錘式水尺進(jìn)行測(cè)量,經(jīng)大地測(cè)量校準(zhǔn)在同一地面高程。
數(shù)據(jù)分析和繪圖采用Excel 2010和Origin 8.5。
2.1.1 煤礦礦坑周邊草地植被覆蓋度變化特征 植被是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主要組份、是生態(tài)系統(tǒng)變化的指示器。植被覆蓋度作為植被生長(zhǎng)狀況的直觀量化指標(biāo),在水文、氣象、生態(tài)等方面的區(qū)域或全球性問(wèn)題研究中起越來(lái)越重要的作用[23]。隨著離煤礦采坑方向的增加,東、南、西、北4個(gè)方向各樣區(qū)的植被覆蓋度呈遞增現(xiàn)象。其中距離煤礦最近的S1樣地(距離采坑及排土場(chǎng)外邊界0.3 km)植被覆蓋度在所有樣地中最小,其覆蓋度僅為35%,S1樣地受排土場(chǎng)遮擋,上午很少見(jiàn)陽(yáng)光,影響了植被的生長(zhǎng)。而S6植被覆蓋度最高為56%。煤礦采坑的4個(gè)方向中,每個(gè)方向向外第5個(gè)樣區(qū)后的植被覆蓋度基本穩(wěn)定在50%,說(shuō)明對(duì)于植被覆蓋度,煤礦采坑的影響范圍為4 km,這比姚峰等[16]在干旱區(qū)露天煤礦采坑對(duì)植被的影響范圍為3.2 km的研究結(jié)果較大。綜上可知,以采坑及排土場(chǎng)為中心,遠(yuǎn)離煤礦方向,植被覆蓋度逐漸增加,煤礦開(kāi)采對(duì)于距離煤礦采坑4 km以外的植被覆蓋度變化影響較小(圖2)。
圖2 距礦區(qū)礦坑不同距離的樣地植被的覆蓋度Fig.2 Characteristics of vegetation coverage in differentdistances from coal mines
2.1.2 煤礦礦坑周邊植被地上生物量的變化特征 以礦坑為中心,遠(yuǎn)離礦坑方向樣區(qū)內(nèi)的植被地上生物量逐漸增加,說(shuō)明煤礦開(kāi)采對(duì)礦坑周邊草地的生物產(chǎn)量有一定的影響,影響范圍內(nèi)的生物量比對(duì)照區(qū)減少13%~36%。這是因?yàn)槊旱V開(kāi)采過(guò)程中的產(chǎn)生的降塵降低了牧草的光合作用,沙塵顆粒降落在葉片上會(huì)阻塞葉片表面的氣孔,同時(shí)也對(duì)葉片的機(jī)械組織造成了不同程度的損傷,會(huì)導(dǎo)致牧草生物量發(fā)生不同程度的變化[24]。試驗(yàn)只對(duì)煤礦周邊植被地上生物量變化進(jìn)行了測(cè)定,觀測(cè)到牧草上有降塵,沒(méi)有進(jìn)行定量分析,也沒(méi)有進(jìn)行植物生理試驗(yàn)研究,所以,生物量的降低具體是什么原因造成的還需要進(jìn)一步研究。
圖3 不同樣地的生物量Fig.3 Changes of plant biomass in different sample plots
土壤含水量測(cè)定前2 d降水量為25.6 mm。煤礦采坑?xùn)|側(cè)不同距離樣地的土壤含水量變化在水平方向上,隨著遠(yuǎn)離煤礦采坑,各樣地在不同深度的土壤含水量差異不顯著(P>0.05)。但在各樣地的垂直剖面上,土壤含水量的變化存在顯著差異(P<0.05)。土壤含水量呈現(xiàn)出隨土壤深度增加逐漸降低的變化趨勢(shì),E1樣地的土壤含水量依次為10.1%,9.5%,7.8%,6.3%(圖4)。
圖4 距煤礦礦坑不同距離的樣地土壤含水量Fig.4 Changes of soil water content in different distances from coal mines
地貌與水文地質(zhì)條件是一個(gè)地區(qū)地下水位動(dòng)態(tài)變化的背景影響因素,氣象、水文是影響地下水位動(dòng)態(tài)變化的主要自然因素,而人工開(kāi)采則是改變地下水天然動(dòng)態(tài)規(guī)律的外在因素[25]。露天煤礦開(kāi)采需要定期抽排地下水,導(dǎo)致地下水位不同程度下降。由于水位觀測(cè)井建設(shè)晚于煤礦建設(shè)開(kāi)采8年,W1和W2兩個(gè)監(jiān)測(cè)井距離露天煤礦采坑比較近,分別為1.0,2.5 km,在觀測(cè)期(2017年)已觀測(cè)不到淺層地下水位,地下水埋深31~43 m,而距離煤礦采坑比較遠(yuǎn)的W3和W4兩個(gè)監(jiān)測(cè)井地水位埋深在6~12 m,從各監(jiān)測(cè)井1到12月地下水位埋深變化情況表明,距離煤礦采坑最近的監(jiān)測(cè)井(距離采坑1.0 km),全年地下水位一直呈下降趨勢(shì),而W1,W2和W3 3個(gè)監(jiān)測(cè)井1~6月一直呈現(xiàn)下降趨勢(shì),6~9月地水位有升有降呈現(xiàn)波動(dòng)狀態(tài),這與該地區(qū)降水量有直接關(guān)系。距離采坑相對(duì)較遠(yuǎn)的W3和W4兩個(gè)監(jiān)測(cè)井9~12月地下水位埋深有回升的趨勢(shì),可以看出地下水位與降水量表現(xiàn)出良好的相關(guān)性,但在時(shí)間上存在滯后性,相比年初地下水位還是有所下降(表1)。
表1 距采坑不同距離的地下水位
張世文等[12]研究發(fā)現(xiàn)礦區(qū)植被覆蓋度空間分布格局是由自然因素與人為因素共同決定,不同的水資源(地下水埋深,離地表水系的遠(yuǎn)近)分布格局、人類(lèi)活動(dòng)的頻繁程度與該區(qū)域植被覆蓋度存在較強(qiáng)的空間相關(guān)性。采用遙感技術(shù)對(duì)草原露天煤礦研究發(fā)現(xiàn),露天采礦區(qū)、排土場(chǎng)以及周邊區(qū)域1.5 km影響區(qū)域的植被覆蓋度呈顯著下降趨勢(shì),且隨著時(shí)間推移,趨于一致。研究發(fā)現(xiàn),礦區(qū)排土場(chǎng)及礦坑周邊4 km范圍內(nèi)植被覆蓋度發(fā)生變化,影響范圍不同可能與排土場(chǎng)大小、礦坑排水量、當(dāng)?shù)卮箫L(fēng)天氣和排土場(chǎng)植被恢復(fù)情況等多種因素有關(guān)。由于煤礦在開(kāi)采過(guò)程中不可避免產(chǎn)生粉塵,粉塵的污染主要表現(xiàn)在煤粉塵在運(yùn)輸、遇風(fēng)等情況下,隨風(fēng)飄揚(yáng),降落在植物葉片、枝干等上面,堵塞氣孔、皮孔,影響氣體交換,抑制植物水分蒸騰,提高葉片溫度,破壞正常的光合作用,甚至傷害組織,進(jìn)而影響植物的正常生理活動(dòng)和生長(zhǎng)發(fā)育[13]。
在自然條件下,地下水資源處于補(bǔ)給、徑流、儲(chǔ)水、排泄等的循環(huán)過(guò)程中。煤炭資源開(kāi)采前,一個(gè)地下水循環(huán)系統(tǒng)單元中,地質(zhì)環(huán)境條件不變時(shí),徑流和儲(chǔ)水條件也不發(fā)生變化,整個(gè)水資源以補(bǔ)給量控制排泄量的過(guò)程進(jìn)行循環(huán)。而煤礦開(kāi)采過(guò)程中,由于礦井排水疏干及采空區(qū)垮落沉陷,改變了周?chē)畮r層水資源的補(bǔ)給、徑流、排泄方式,導(dǎo)致礦區(qū)地下水循環(huán)系統(tǒng)發(fā)生了變化[26]。通過(guò)研究神府榆礦區(qū)采煤排水對(duì)地下水資源量的影響發(fā)現(xiàn),受煤礦建設(shè)和開(kāi)采的影響,潛水含水層地下水位隨著采掘空間的不斷增大而下降,最終導(dǎo)致地下水資源量的減少[18-19]。研究表明,地下水埋深大于6 m定義為荒漠化地下水埋深。當(dāng)?shù)叵滤裆钕陆党^(guò)荒漠化地下水埋深時(shí),植物生命活動(dòng)受到明顯的限制[27]。有研究報(bào)道,在干旱區(qū)地表植被的組成、分布及長(zhǎng)勢(shì)與地下水有著密切的關(guān)系,植被分布及演替規(guī)律,明顯受地下水,特別是潛水的埋深和水質(zhì)的控制,表現(xiàn)出與地下水密切的相關(guān)性[28]。在荒漠區(qū),荒漠植被傾向于利用地下水而不是其他水分來(lái)源[29]。從以往的研究成果分析,本研究中的監(jiān)測(cè)井地下水位變化對(duì)地表植被沒(méi)有明顯影響,地下水位連續(xù)逐年下降說(shuō)明煤礦開(kāi)采導(dǎo)致地下水資源量減少。雖然煤礦開(kāi)采產(chǎn)生了諸多不利影響,但是通過(guò)煤礦生態(tài)修復(fù)項(xiàng)目,能改善局部區(qū)域生產(chǎn)環(huán)境,改良土壤理化性質(zhì),生態(tài)治理區(qū)域植被覆蓋度明顯提高,增加了植物群落多樣性,防治水土流失效果顯著[30]。
通過(guò)對(duì)煤礦周邊區(qū)域的生態(tài)環(huán)境進(jìn)行觀測(cè)分析,確定以煤礦采坑和排土場(chǎng)為中心,向外延伸周邊4 km范圍內(nèi)植被覆蓋度變化的表現(xiàn)為,隨著遠(yuǎn)離煤礦開(kāi)采坑植被覆蓋度逐漸增高,在超出煤礦影響范圍后,植被覆蓋度變化不大。同時(shí)受影響的煤礦周邊草地的地上生物量比對(duì)照區(qū)減少13%~36%。
距離煤礦采坑及排土場(chǎng)不同距離的4個(gè)監(jiān)測(cè)井的地下水位變化表明:受煤礦開(kāi)采疏干水的影響,4個(gè)監(jiān)測(cè)井的地下水位埋深全年整體呈下降趨勢(shì),距離采坑較近的兩個(gè)監(jiān)測(cè)井地下水位埋深相對(duì)較深,最大埋深達(dá)42.76 m,距離相對(duì)較遠(yuǎn)的兩個(gè)監(jiān)測(cè)井地下水位埋深較淺,相比當(dāng)年年初4個(gè)監(jiān)測(cè)井地下水位都有下降趨勢(shì)。