內蒙古大興安嶺林區不同采煤方式對植物多樣性的影響

尚潔　藍登明　趙一陽等

摘要

以內蒙古大興安嶺林區內不同開采方式的煤礦為研究對象，采用樣方調查法，通過對植物的種類組成、生活型、群落相似性及群落物種多樣性等指標的分析，得出以下結論：①露采與井采群落內的第一優勢種重要值由大到小為露采天然植被存留區>露采對照區>井采對照區>井采天然植被存留區；②露天開采對一、二年生草本的影響較大，井工開采對多年生草本的影響較大；③群落相似性：井工開采>露天開采；④露采煤礦共有植物 7科14屬19 種，井采煤礦共有植物10科23屬29 種，均以菊科、禾本科為主，物種數減少比例：露天開采>井工開采，物種多樣性指數變化：露天開采>井工開采。

關鍵詞 大興安嶺林區；煤礦；開礦方式；植物多樣性

中圖分類號 S181.3 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2015）15-209-05

Effects of Different Mining Methods on Plant Diversity in Inner Mongolia Forest Area of Greater Khingan Range

SHANG Jie， LAN Dengming*， ZHAO Yiyang et al

（College of Ecology and Environmental Science， Inner Mongolia Agricultural University， Hohhot， Inner Mongolia 010019）

Abstract Opencast coal mining and underground mining coal was taken as the research object in Inner Mongolia Daxinanling forest region， by sampling method， through the analysis of plant species composition， life form， community similarity and species diversity index， draw the following conclusions： ① Opencast mining and underground mining communities within the first dominant species important value from large to small： opencast mining of natural vegetation retention area>opencast mining of control area>underground mining of natural vegetation retention area>underground mining of control area； ② Influence of opencast mining on one or two annual herb is larger， influence of underground mining on perennial is larger； ③ The community similarity： underground mining >opencast mining； ④ Opencast mining has 7 families， 14 genera and 19 species of plants， underground mining has 10 families， 23 genera and 29 species of plants， are mainly Compositae， Gramineae， the species number reduction percentage opencast mining >underground mining，changes in species diversity index opencast mining >underground mining.

Key words Daxinanling forest region； Coal mine； Mining method； Plant diversity

煤炭作為我國重要的一次性能源，在我國能源結構中占有主導地位[1]。然而煤炭在開采過程中造成的損害是最普遍的、最長期的，同時也是最嚴重的[2]。目前，煤礦區生態環境問題已經成為礦區乃至區域可持續發展的重大制約因素[3]。

內蒙古大興安嶺林區是礦產資源開發比較晚的一個區域，2007年被國務院、國土資源部列為全國三大重點成礦帶之一[4]。如果大規模地進行礦產資源開發，不僅會對土地資源造成威脅，而且帶來一系列生態環境問題，如果對環境的破壞超過礦區環境容量的臨界值，對生境的破壞是不可彌補的[5] 。

該研究在內蒙古大興安嶺林區選擇有代表性的不同開采方式的煤礦，對煤礦開采區的天然植被存留區進行調查，從植物的種類組成、植物生活型、物種多樣性及群落相似性方面，研究煤礦因開采方式不同對植物多樣性的影響變化，為煤炭開采過程中礦區植物保護和植被恢復提供依據。

1 研究區概況

1.1 大興安嶺林區自然概況

研究區域位于內蒙古大興安嶺林區，其地理坐標為116°55′08″～125°24′10″ E，42°24′17″～53°20′00″ N。氣候類型為溫帶與寒溫帶大陸性季風氣候，且大興安嶺以東、以西有明顯的氣候差異。總的氣候特點為冬季寒冷漫長，夏季溫涼短促，春季干燥風大，秋季氣溫驟降，霜凍早，無霜期90～110 d。年平均氣溫-5.2 ℃，年平均降水量514 mm。大興安嶺原始森林茂密，主要樹種有興安落葉松（Larix gmelinii）、樟子松（Pinus sylvestnis var. mongolica）、紅皮云杉（Picea koraiensis）、白樺（Betula platyphylla）、蒙古櫟（Quercus mongolica）和山楊（Populus davidiana）等，為我國寒溫帶針葉林區域。在林區植物區系組成中，植物主要集中于17個科，最大的科為菊科，有56屬190種；其次為禾本科，39屬105種。在此研究區域內選取霍林河迎春礦區為露天開采對象，大楊樹礦區為井工開采對象。

1.2 霍林河迎春礦區概況

霍林河迎春礦區位于內蒙古自治區通遼市霍林郭勒市（119°37′13.80″ E，45°36′9.84″ N），礦區面積0.306 km2，主要開采煤炭資源，以露天開采為主[6]。目前，迎春煤礦已閉坑，由于采坑內有出水點，坑內現積水，因此總出現滑坡，滑坡使周圍道路有破壞的威脅。

1.3 大楊樹礦區概況

大楊樹煤礦位于呼倫貝爾市鄂倫春自治旗（124°32′36″～124°33′52″ E，49°38′40″～49°40′12″ N），礦區面積3 358 km2，主要開采煤炭資源，以井工開采為主。目前已有部分礦山閉坑，歷史遺留問題較突出，地面沉降、伴有地裂縫塌陷地質災害嚴重。

2 研究方法

2.1 調查方法

分別選擇露天煤礦與井采煤礦開采區的天然植被存留區作為調查區，露天煤礦與井采煤礦的天然植被區作為對照區。在調查區及對照區內各設 3個樣地，每個樣地設3個樣方，共36個樣方，樣方面積為喬木10 m×10 m，灌木5 m×5 m，草本1 m×1 m。樣方調查指標為植物種類 、多度、高度、分蓋度、蓋度、頻度、密度、總蓋度等指標，同時觀測每個樣方的地理位置、高程、坡向、坡度等情況。調查時間為2013年8月。

2.2 數據處理

重要值[7]：IV=（相對高度+相對多度+相對頻度）/3。

式中，相對高度=（某一植物種高度/群落中全部植物種高度之和）×100%；相對多度=（某一植物種個體數/群落中全部植物種的個體數之和）×100%；相對頻度=（某一植物種頻度/群落中全部植物種的頻度之和）×100%；頻度指某一物種在同一樣地所有樣方中出現的頻率。

群落多樣性：①豐富度指數：Margalef指數[8]， R=（S-1）/lnN；

②多樣性指數：Simpson指數[9]， D=1-∑Pi2；

ShannonWiener指數[10]， H=-∑PilnPi；

③均勻度指數：Pielou指數[11]， E=-∑PilnPi/lnS。

群落相似性：Sorenson指數， C=2j/（a+b）。

上述各式中，S為樣地植物種數；N為總體個數；Pi=ni/N；ni為第i個種的個數；C為相似系數； j為兩樣地共有的物種；a和b分別為露天開采的調查區與對照區或井工開采的調查區與對照區的物種數。數據采用SPSS軟件對群落多樣性進行單因素方差分析及相關性分析。

3 結果與分析

3.1 不同開采方式對植物種類組成的影響

對露天開采的調查區及對照區的樣方內植被進行統計（表1），結果顯示，調查區和對照區所有樣方中共有 19 種植物，分屬于7科14屬。以菊科和禾本科為主，其中菊科 3屬 5 種，均占總種數的26.3%；禾本科 6 屬 8 種，占總種數的42.1%，表明菊科和禾本科在植物群落中處于優勢地位。調查區共有8 種植物，分屬于4科7屬，對照區共有13 種植物，分屬于7科10屬，調查區與對照區相比物種數目減少了38.5%。

對井工開采的調查區及對照區的樣方內植被進行統計（表2），結果顯示，調查區和對照區所有樣方中共有 29 種植物，分屬于10科23屬。菊科和禾本科所占物種總數的比例較大，為48.3%，其中菊科 6屬10種，占總種數的34.5%；禾本科3屬4種，占總種數的13.8%，表明菊科和禾本科植物在植物群落中處于優勢地位。調查區共17有種植物，分屬于8科15屬，對照區共有25種植物，分屬于9科21屬，調查區與對照區相比物種數目減少了32.0%。3.2 不同開采方式對群落相似性的影響

群落相似性是指群落間或樣地間植物種類組成的相似程度，是群落分析的一個重要基礎。它作為一定量數據，超出區系植物對比范圍，對植被分析有著更大意義[12]，常用群落相似性系數表示。

對露天開采和井工開采的相似性進行計算，結果顯示（表3），露天開采的調查區與對照區相比，只有兩種植物相同，為平車前和黑沙蒿；而井工開采的調查區內52%的植物種包含在對照區中。從相似性指數值看，露天開采的相似性指數明顯小于井工開采的相似性指數，表明露天開采的調查區與對照區的植物相似性明顯小于井工開采，反映出井工開采比露天開采的群落更穩定，露天開采對植物群落的影響比井工開采對植被群落的影響大。

3.3 不同開采方式對植物生活型的影響

植物生活型是植物對綜合生境條件長期適應而在外貌上表現出來的生長類型，其形成是不同植物對相同環境條件產生趨同適應的結果。對露天開采和井工開采的所有樣方中植物的生活型進行統計（表4）。

露天開采方式下多年生草本所占比例較大，井工開采方式下一、二年生草本所占比例較大。露天開采的調查區與對照區相比，一、二年生草本減少50.0%，多年生草本減少28.6%。井工開采的調查區與對照區相比，一、二年生草本減少15.4%，多年生草本減少45.5%。露天開采對一、二年生草本的影響較大，井工開采對多年生草本的影響較大。

造成這種情況一方面是由于露天開采過程中，對植被及土壤的破壞較大，改變了原有的生長環境及景觀，一、二年生植物相對不穩定，生長環境及景觀發生變化后，極易受到影響；另一方面因為井工開采會造成不同程度的沉陷或塌陷，沉陷會對植物根系造成一定的機械拉傷，使得植物根系吸收營養和水分的功能受到影響[13]，多年生植物根系較一、二年生植物根系發達，扎入土壤較深，受影響程度較大。所以露采對一、二年生草本影響較大，井采對多年生草本影響較大。

3.4 不同開采方式對植物群落特征及組成的影響

重要值是表示群落中不同植物的相對重要性，以重要值為測度指標可以避免因植物個體大小、數量差異懸殊而導致過分地夸大一些個體小但個體數極多的植物種類在群落中的作用[7]，能夠為辨別物種是建群種、優勢種還是伴生種提供重要依據[5]。

表5為露天開采和井工開采的調查區及其對照區樣方內主要植物的重要值。由表5可知，在露天開采方式下，調查區建群種為蒙古蒿，優勢種為拂子茅；對照區建群種為羊草，優勢種為糙葉黃芪、裂葉蒿、冰草。在井工開采方式下，調查區建群種為飛蓬，優勢種為狗尾草、老芒麥、刺兒菜；對照區的建群種為胡枝子，優勢種為小花鬼針草、龍牙草。井工開采調查區的建群種為二年生草本，群落穩定性差，原因是由于調查時正逢雨季，雨水較大，一、二年生草本生長旺盛，成為群落中主要植物種 。

群落內優勢種重要值的大小是標志植物群落結構復雜與否的重要性指標[14]。井工開采的調查區和對照區的第一優勢種重要值均明顯小于露天開采，結合植物的生活型來看，露天開采的調查區與對照區的建群種和優勢種為多年生草本，井工開采調查區的建群種和優勢種為多年生草本和一、二年生草本，對照區的建群種和優勢種為灌木和多年生草本，表明露天開采的群落復雜程度低于井工開采。

3.5 不同開采方式對群落物種多樣性的影響

群落多樣性就是指群落在組成、結構、功能和動態方面表現出的豐富多彩的差異。因此，群落多樣性是群落生態學研究，乃至整個生態學研究中十分重要的內容[5]。該研究采用豐富度指數、物種多樣性指數、均勻度指數和優勢度指數進行分析。

物種豐富度指數是指在一定大小的樣方中的物種數目，不考慮種間個體數量，即忽略富集種和稀疏種以及對群落多樣性貢獻的差異。其反映了物種豐富程度，是度量物種多樣性高低的最基本的指標，是群落內物種的數量特征，也是最簡單的多樣性測度方法[15]。筆者用Mar指數表示。

作為群落水平的生態學特征之一，物種多樣性是生境中物種豐富度及分布均勻性的一個綜合指標，表征生物群落和生態系統結構的復雜性，可以較好地反映群落的結構[16] 。物種多樣性指數是用來描述種的個體出現的紊亂和不確定性的指標，不確定性越高，多樣性也就越高；它包括兩個因素：一是種類數目，二是種類中個體分配上的均勻性；種類數目越多，多樣性越大，種類之間個體分配的均勻性增加，也會使多樣性提高[15]。筆者采用綜合多樣性指數，它是對種的豐富度和均勻度兩種涵義的結合，又稱種的不齊性。二者合在一起實際上是強調了個體數目，因而又稱為優勢度多樣性。用Si指數、SW指數表示。

均勻度指數是指一個群落或生境中全部種的個體數目的分配情況，它反映了種屬組成的均勻程度，它是反映群落中不同物種的多度（生物量、蓋度或其他指標）分布的均勻程度的指標。生態優勢度與群落均勻度指數是兩個相反的概念，生態優勢度指數越大，說明群落內物種數量分布越不均勻，優勢種的地位越突出。筆者用均勻度指數P表示。

從表6可知，露天開采方式下，調查區與對照區相比，無論是豐富度指數、均勻度指數還是多樣性指數，均低于對照區。其中豐富度指數下降程度最大，下降了57.55%；其次是多樣性指數，下降了51.30%；優勢度指數下降45.87%，下降幅度最小的是均勻度指數，下降10.99%。利用SPSS對露天開采的調查區與對照區進行單因素方差分析，結果顯示，調查區與對照區之間優勢度指數、多樣性指數、均勻度指數和豐富度指數均有顯著差異，其中優勢度有極顯著差異，說明露天開采的礦區群落物種多樣性受煤炭資源開發的影響顯著。井工開采方式下，調查區與對照區相比，調查區豐富度指數降低了41.56%，優勢度指數降低了10.80%，多樣性指數和均勻度指數則大幅度增加，分別增加了92.93%和101.50%。利用SPSS對井工開采的調查區與對照區進行單因素方差分析，結果顯示，調查區與對照區之間多樣性指數和均勻度指數有顯著差異，其中多樣性指數有極顯著差異；調查區與對照區的優勢度指數和豐富度指數之間差異不顯著，說明井工開采的礦區群落物種多樣性受煤炭資源開發的影響比露天開采的影響小。

對群落多樣性指數進行相關性分析，結果見表7。由表7可知，豐富度指數與優勢度指數呈正相關關系，且相關性最高，相關系數達0.824 576，與均勻度指數呈負相關關系，相關性較高，相關系數為-0.679 790。說明群落物種數目越多，則植物種分布越不均勻，物種的優勢度越高。均勻度指數與多樣性指數呈正相關關系，相關性較高，相關系數為0.750 655。優勢度指數與均勻度指數相關性較低，和豐富度指數、多樣性指數相關性較高，說明群落的優勢度與物種種類數目、物種個體數目情況關系明顯，與物種的分布情況關系不大。

4 結論與建議

（1）露采煤礦和井采煤礦開采區的天然植被存留區建群種發生明顯變化；露采與井采群落內的第一優勢種重要值由大到小為露采天然植被存留區>露采對照區>井采對照區>井采天然植被存留區， 反映井工開采的群落復雜程度大于露天開采。

（2）露天開采對一、二年生草本的影響較大，井工開采對多年生草本的影響較大。

（3）露天開采植物相似性明顯小于井工開采，反映出井工開采比露天開采的群落更穩定，露天開采對植物群落的影響程度較大。

（4）露采煤礦共有植物 7科14屬19 種，井采煤礦共有植物10科23屬29 種，均以菊科、禾本科為主。開采區天然植被存留區和對照區相比，物種數減少比例：露天開采>井工開采；露天開采各物種多樣性指數顯著下降，各指數下降幅度為豐富度指數>多樣性指數>優勢度指數>均勻度指數，4個指數差異性均顯著且優勢度有極顯著差異；井工開采各物種多樣性指數中豐富度指數、優勢度指數有所下降，多樣性指數和均勻度指數則顯著增加，僅多樣性指數和均勻度指數差異顯著且多樣性指數有極顯著差異。反映露天開采對物種數目、物種多樣性的影響大于井工開采。

在煤炭開采的過程中，因其開采方式不同，對植被的影響也略有不同，總體表現為露天開采對植被的影響大于井工開采。在煤炭開采過程中，露天開采需要剝離整個土壤表層，并產生大量的煤矸石，致使植被生存的環境徹底被破壞；井工開采雖然對土壤表層的破壞范圍小，但是因其是從地面掘進到地層中進行采煤，會誘發地面塌陷等一系列問題，同樣對植被會造成不小的破壞及傷害[17]。