煤礦開(kāi)采對(duì)礦坑周邊植被覆蓋度、生物量、土壤水分和地下水位的影響

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)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

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。

1.2 試驗(yàn)區(qū)布設(shè)

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。

1.3 試驗(yàn)方案及指標(biāo)測(cè)定方法

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。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)分析和繪圖采用Excel 2010和Origin 8.5。

2 結(jié)果與分析

2.1 煤礦開(kāi)采對(duì)周邊草地植被覆蓋度和生物量的影響

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

2.2 煤礦開(kāi)采對(duì)草地土壤水分的影響

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

2.3 煤礦開(kāi)采對(duì)淺層地下水的影響

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

3 討論

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]。

4 結(jié)論

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)。