淺埋深煤層煤礦開采對地表植被影響研究

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.西安財經學院 信息學院，陜西 西安 710010)

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淺埋深煤層煤礦開采對地表植被影響研究

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.西安財經學院 信息學院，陜西 西安 710010)

為研究淺埋深煤層煤礦開采對地表植被覆蓋度及其多樣性的影響，結合遙感影像資料與現場實地調研，對陜西省神東礦區采煤塌陷區不同塌陷年限區域和未受塌陷影響區域(對照區) 植被進行了抽樣調查與分析。結果表明：采煤塌陷對植被種類組成、物種分布等較對照區有較大變化，優勢種由多年生草本植物演變為一二年生草本植物；降雨量是影響植被未惡化的關鍵因素，地下水位下降限制著喬木的生長。從礦區整體生態系統現狀來看，整體覆蓋率趨勢有所改善，但若遇到干旱氣候，勢必引發生態環境的惡化，應采取一系列工程措施引導礦區生態環境向可持續方向發展。

淺埋深煤層；植被；覆蓋度；優勢種；系統穩定性

1　引言

我國西北地區貯存著豐富的優質煤炭資源，該地區多是典型的淺埋深、薄基巖、厚松散層的淺埋煤層，可采煤層多、煤層厚、煤質優良。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，對于此類煤層可以通過以下指標進行判定：埋深不超過150 m，基巖與載荷層厚度之比小于1，頂板體現單一主關鍵層結構特征，來壓具有明顯動載現象。20世紀80年代初，在浩瀚的毛烏素沙漠下發現了大量的淺埋深煤層煤炭資源，僅神府東勝煤田儲量達2000多億t，是我國現己探明較為典型的淺埋深煤層礦區之一。

現有研究針對該區域煤炭開采對地表植被影響產生了兩種不同的認識：第一，認為煤炭資源開發對生態環境造成了嚴重破壞[1]，水土流失加劇[2]，地下水地表水環境改變、地面變形、地裂縫和地表塌陷、邊坡滑坡塌陷等環境地質問題[3，4]，進而導致植被破壞量增加[5，6]；第二，礦產資源開發使得礦區的生態環境不斷改善[7]，土地沙漠化在逆轉[8]，各地的植被覆蓋率都得以提高，整個生態環境向良性方向發展?；谏鲜鲇^點的爭論，筆者的研究以神府東勝礦區煤炭資源開采對地表植被的影響為出發點，結合淺埋深煤層煤礦的特征及研究區自然概況的特殊性，綜合分析煤礦開采對植被的影響，主要調查采煤礦區植被類型、覆蓋度等特征，分析其影響因素，以期對淺埋深煤層煤炭資源開發對地表植被的影響做出科學準確的評價。

2　研究區概況

研究礦區處于陜北黃土高原與毛烏素沙漠南緣地區，西部及中部處在以波狀起伏、風蝕為主的毛烏素沙漠邊緣，東部為黃土丘陵，由風沙區及黃土丘陵區二大地貌組成，礦區地處我國西部內陸，屬典型的中溫帶半干旱大陸性氣候。2000～2010年神東礦區年產煤量、降水量、平均溫度詳見表1，總體來說，該區域地表植被稀少，水土流失和沙漠化十分嚴重，生態環境較為脆弱。

表1　2000～2010 年神東礦區年產煤量、降水量、平均溫度

3　研究方法

文獻調研法：研究數據主要來源于 CNKI 中國學術期刊網，檢索時間設定為 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、不切題的文獻，最終得到有效中文文獻樣本為 68 篇。

實地樣方調研法：項目區植被調查于2012、2014和2015年分3次進行。植被實地調查主要采用樣方法，首先根據遙感影像大致判別出項目區植被類型種類，在每一植被類型中選擇有代表性的地段設置樣方，詳細記錄樣方中的植物種類、株數、蓋度、高度、建群種等信息，并記錄生境特征。兩次調查共設置了5個樣方，其中2 m×2 m的塌陷樣方4個，在相同地貌條件下選擇 1 個未塌陷區作為對照。

4　研究內容

4.1開采塌陷對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，定期調查兩類樣方的植被覆蓋情況，結果顯示非塌陷樣方的植被量明顯大于塌陷區，且隨著時間的推移，開礦時間越早的礦區植被恢復越好，植被覆蓋度越高，反之則植被覆蓋度低。此結果與其他研究者的成果比較一致。謝少少[9]以植被凈初級生產力(NPP值)為表征對象，使用處理軟件MRT ( Modis Reprojection Tool) 對神東礦區、10 km緩沖區、礦區對比區域等3個區域的NPP 值，得出對比區年 NPP>緩沖區年NPP>神東礦區年NPP，說明礦區植被在一定程度上受到了煤礦開采的負面影響。葉瑤[10]通過對神府東勝-補連塔礦采煤塌陷區植物群落物種組成，與對照區相比，塌陷區植物種類顯著減少，降低了31. 03%～44. 83%，植株密度顯著下降；相關研究均指出塌陷區的土壤含水量、土壤容重都小于非塌陷區[11]，進而影響開采區植被的覆蓋度。

煤礦開采地表沉陷對植被景觀的影響主要表現在以下幾個方面。①植被根部被拉扯拉斷，直接導致植被枯萎死亡[12]。②地下水位下降，進而使得植物缺水，而影響生長[13]地下水位的下降，會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，影響植物生長，尤其是在干旱年份里，其影響尤其突出。④水土流失嚴重引發土壤沙化，進一步影響植被生長。淺埋深煤層開采后引發地表塌陷，會使地表水沿著裂縫下滲，由此引發的后果是出現更多的土沙移動，加劇水土壤沙化和水土流失，地表植被的生長受到嚴重影響。

4.2采煤塌陷區植被覆蓋度變化特征

開采沉陷破壞植被的生長環境，大規模地對礦產資源的開采，將對植被覆蓋度產生一定影響，就現有的研究來看，地表塌陷會對植被覆蓋產生短期的影響，盡管每年的開采量在逐漸增加，但植被覆蓋度近10年內總體呈現出改良趨勢。吳立新等[15]利用SPOT-VGTNDVI遙感數據，采用沙化土地分級變化檢測與一元線性回歸方法，對神東礦區1999～2008年植被覆蓋和土地沙化的動態變化進行了分析，揭示了10年來神東礦區的植被覆蓋和土地沙化變化趨勢；信忠保等[16]研究黃土高原1981～2006年植被覆蓋度的時空變化時，發現黃土高原地區植被覆蓋整體呈現增加趨勢，并存在明顯的空間差異。謝少少[17]收集遙感數據利用生理生態過程模型(BLOME-BGC 模型) 估算2000～2010年的年植被凈初級生產力NPP，結果表明隨著神東礦區煤炭開采量的總體增長，礦區植被并未持續受到負面影響，反而在某些年份有所改善。

從總體趨勢來看，植被覆蓋率明顯提高，沙漠化程度有所減輕，研究區的植被覆蓋率都得以提高，整個生態環境向良性方向發展。

4.3采煤塌陷區植被群落多樣性特征

項目組對神府東勝-大柳塔礦采煤塌陷區植物群落物種組成進行實地調查，塌陷樣地有 7科14屬16種，優勢物種為沙蒿、狗尾草、沙米、沙打旺等；而對照區有11科27屬29 種，以豆科、禾本科、菊科、藜科植物為主，優勢物種為假葦拂子茅、堿蓬、紫翅豬毛菜等等。從植物生活型來看，塌陷區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，而對照區則以多年生草本植物為主。表明采煤塌陷對多年生草本、灌木以及喬木的影響最大。項目組以神木縣大保當煤礦為例，在查明自然植被種類、類型和分布的基礎上，煤礦開采后礦區景觀破碎度上升，景觀異質性降低，植被類型發生變化，優勢種以叉子圓柏、北沙柳、斜莖黃耆的灌木叢向以黑沙蒿的灌草叢轉化。這與其他學者的研究成果基本一致。石占飛等[18]研究神木礦區煤炭開采后，在自行恢復過程中物種數量短時間內較難達到很高的水平，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，人工種植的側柏、小葉楊等樹種長勢較差，白草、硬質早熟禾、阿爾泰狗娃花等草本植物重要值較大，為礦區植被群落中的優勢物種[19]。

優勢種的調查結果顯示，優勢植被類型由多年生草本植物轉變為一二年生草本植物，不同塌陷年限樣地內的優勢種無明顯變化，但與對照區相比有明顯差異，并且采煤塌陷后地表植物物種種類數量發生明顯變化。

5　結果與討論

5.1降雨量對植被生長的影響

在干旱、半干旱區，尤其是受采煤塌陷的影響區域，降雨量是決定礦區植被生長的關鍵因素，降雨對植被的生長狀況和空間分布具有決定性作用?；跁r間序列分析1990年、2000年和2010年某淺埋深煤層礦區3個年份平均植被覆蓋度與年均溫度與年均降雨量的關系，如圖1所示，平均植被覆蓋度與年均降雨量的相關性顯著，圖中兩者數值變化趨勢和走勢大體一致，證實了降雨量大小對植被覆蓋度起到決定性作用的觀點。吳立新[15]指出1998～2001年的歷史罕見干旱情況，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，神東礦區年降水量逐漸增大，相對應的土地覆蓋植被有了明顯的恢復，再次證實降雨量是礦區植被生長情況沒有持續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系

5.2植物群落的多樣性

采煤塌陷區與對照區的植被物種組成、物種分布差別較大，與對照區相比，塌陷區植物種類數量明顯減少，植株密度顯著下降；典型物種和優勢種均發生明顯改變，地表植被以北沙柳、斜莖黃耆為優勢種的灌木叢向以黑沙蒿為優勢種的草本植被轉化。葉瑤等調研結果表明，物種分布與采煤塌陷有顯著相關性，進一步說明采煤塌陷對植物群落種類組成有較大影響，會直接導致物種數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

而上述結果與植被覆蓋度的好轉并不矛盾，其根本原因在于草本植被的根系基本分布于土層 1 m 以內，其生長主要靠大氣降水，隨著2001～2010年神東礦區年降雨量的趨勢，草本植被呈現出較好的長勢。與此同時，楊樹等深根性喬木樹種根深可達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。而在研究區內煤礦開采的擾動以及違背客觀規律的礦井疏排水，采礦后發生冒落和塌陷，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，進而形成其植物群落中以一年生草本植物占優勢的情況。

該地區喬木、多年生灌木對淺層地下水具有較強的依賴性，只有草本植被主要依靠大氣降雨量。煤礦開采會引起地下水位下降，甚至疏干，繼而造成地表植被優勢植被的轉變。

5.3研究區生態系統穩定性

研究區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重，生態環境原本就較為脆弱。受煤炭開采影響，優勢植被轉變為一二年生的草本植被，對礦區生態環境保護作用有限。與裸地相比，生長1年的植被對土壤沙化有一定的減緩作用，但不同植被對土壤沙化的減緩效應順序為喬木>灌木>草本；草本植被根系欠發達，扎根較淺，對外界不良干擾因素的抵抗力弱，在不良環境因素的影響下，草本植物死亡率高。一旦氣候惡化，尤其是在干旱年份里，將直接影響礦區自然生態系統的良性發展，總體來說，開采導致礦區生態系統穩定性減弱。

6　結語

在過去的10年里，神東礦區煤炭開采量的日益增加，但礦區植被覆蓋情況卻呈現出整體改善的趨勢，并非是采煤塌陷未對植被產生影響，而是由于近年來毛烏素沙地降水量上升，蒸發量下降，氣候變化趨向于好的方向發展；同時國家致力于毛烏素沙地生態環境建設，實施了退耕還林還草及封山禁牧等一系列工程。但不得不關注的是生態系統整體的穩定性下降了，表現在研究區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，人工種植的側柏、小葉楊等樹種長勢較差，植被多樣性減弱，對礦區生態環境保護作用有限，煤炭的開發、利用給自然生態環境帶來一定程度的損害。針對研究結果，建議從推行保水開采及優化配置人工林等方面進行植被保護。

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2016-06-11

國家自然科學基金委員會與神華集團有限公司聯合資助項目(編號：U1261111)

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

Q948.15+3

A

1674-9944(2016)16-0173-03