基于Meta分析的神府榆采煤塌陷區(qū)植被變化研究

王亞萍, 劉文兆,2

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所, 陜西 楊凌712100; 2.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌712100)

基于Meta分析的神府榆采煤塌陷區(qū)植被變化研究

王亞萍1, 劉文兆1,2

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所, 陜西 楊凌712100; 2.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌712100)

采煤塌陷是發(fā)生在井采礦區(qū)的一種嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害。為了定量評(píng)估采煤塌陷對(duì)植被的影響，在收集有關(guān)神府榆采煤塌陷區(qū)植被研究文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，采用Meta方法對(duì)現(xiàn)有的20多份研究結(jié)果進(jìn)行了整合分析。結(jié)果表明：植被蓋度在塌陷發(fā)生初期有所下降，塌陷兩年后又呈上升的趨勢(shì)，并超過塌陷前水平。經(jīng)塌陷干擾后，礦區(qū)主要優(yōu)勢(shì)種有一些變化，一般而言,地表植物種數(shù)在塌陷發(fā)生1～2 a后有一定程度的增加，且塌陷區(qū)新增的植物種多是以沙米(Agriophyllumsquarrosum(Linn.)Moq.)、角蒿(IncarvilleasinensisLam.)等為主的短命或類短命荒漠植物。塌陷區(qū)植被變化特征展示了自然恢復(fù)在植被建設(shè)中的重要作用。神府榆礦區(qū)，以至黃土高原的生態(tài)建設(shè)需要采取自然修復(fù)為主與人工修復(fù)相輔的方式整體推進(jìn)。

Meta分析; 神府榆煤田; 采煤塌陷; 植被; 生態(tài)建設(shè); 黃土高原

神府榆礦區(qū)位于陜西省北部的榆林地區(qū)，以神木縣與府谷縣為主。作為我國大型煤炭生產(chǎn)基地之一，因其儲(chǔ)量大，地理位置優(yōu)越，煤質(zhì)優(yōu)良、開采容易而受到國家的重視[1-3]。但是由于近年來神府礦區(qū)超強(qiáng)度的開采，加之礦區(qū)位于黃土高原與毛烏素沙地的復(fù)合過渡地帶，造成了礦區(qū)植被覆蓋率減少，荒漠化加劇等一系列生態(tài)問題[4-6]，其中尤以采煤塌陷所造成的生態(tài)問題最為嚴(yán)重，也逐漸成為研究熱點(diǎn)[7-10]。植被作為最敏感的生態(tài)環(huán)境因子，它的變化直接或間接地影響到其他環(huán)境因子的變化，也成為分析干旱區(qū)自然環(huán)境變化的重要對(duì)象與手段[11]。對(duì)神府煤田采煤塌陷區(qū)的植被變化及其影響因素研究，可以為當(dāng)?shù)氐闹脖换謴?fù)建設(shè)提供重要的理論參考。

近年來，有關(guān)神府榆采煤塌陷區(qū)植被變化的研究結(jié)果有多方面的報(bào)道：有學(xué)者認(rèn)為不同程度的采煤塌陷對(duì)礦區(qū)植物群落結(jié)構(gòu)、植被蓋度等造成了一定的影響[12-17]；也有認(rèn)為這種影響，包括多樣性變化不顯著的報(bào)道[18-22]。目前關(guān)于神府煤礦開采對(duì)植被影響的研究大多數(shù)都局限于小范圍的研究，而缺少對(duì)同類研究的綜合分析；與此同時(shí)，由于單個(gè)的研究結(jié)果具有不確定性和偏差[23-24]及偏見[25]，有些研究結(jié)論會(huì)出現(xiàn)不一致或相互矛盾的現(xiàn)象[26-27]。

Meta分析是針對(duì)同一主題下的多個(gè)獨(dú)立試驗(yàn)的研究結(jié)果進(jìn)行定量綜合分析的方法[28-29]。自從引入到生態(tài)學(xué)領(lǐng)域以來，Meta分析已迅速被應(yīng)用于解決各種生態(tài)學(xué)問題[30-31]。為了深入探究神府榆采煤塌陷對(duì)植被造成的影響，本文采用Meta方法對(duì)已有的若干獨(dú)立研究結(jié)果進(jìn)行整合分析，分析地下開采對(duì)地表植被變化的影響，了解植被的演替方向，有助于更好地認(rèn)識(shí)神府榆煤田開采帶來的植物群落結(jié)構(gòu)及覆蓋度的變化趨勢(shì)，以期為進(jìn)一步做好采煤塌陷區(qū)的植被建設(shè)與生態(tài)恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 文獻(xiàn)來源與篩選

從CNKI與Google學(xué)術(shù)中搜集了近20 a(1995—2015年)來發(fā)表的有關(guān)神府榆礦區(qū)開采對(duì)植被影響的中英文文獻(xiàn)。根據(jù)研究目的，建立了文獻(xiàn)篩選標(biāo)準(zhǔn)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行文獻(xiàn)的搜集和數(shù)據(jù)分析。

文獻(xiàn)檢索的標(biāo)準(zhǔn)：(1) 文獻(xiàn)均是包含神府礦區(qū)開采對(duì)植被特征影響的正式發(fā)表的研究論文(包含碩博論文和會(huì)議報(bào)告等)；(2) 文獻(xiàn)的數(shù)據(jù)資料里必須有試驗(yàn)組和對(duì)照組；(3) 文獻(xiàn)的數(shù)據(jù)資料應(yīng)是具體的數(shù)值，若是以圖表形式表征的數(shù)據(jù)，則進(jìn)行數(shù)字化；(4) 具有重復(fù)報(bào)道的數(shù)據(jù)只選其中一種。根據(jù)選取的標(biāo)準(zhǔn)，本項(xiàng)研究最終篩選出16篇文獻(xiàn)中23個(gè)獨(dú)立研究的數(shù)據(jù)，供神府榆煤礦開采對(duì)植被影響效應(yīng)的Meta分析和系統(tǒng)研究，具體資料如表1所示。

1.2 Meta分析

Meta分析是用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)具有相同研究目的、多個(gè)獨(dú)立研究結(jié)果進(jìn)行系統(tǒng)定量的合并與綜合。它是用效應(yīng)值來反映多個(gè)獨(dú)立研究的綜合效應(yīng)， 為了便于統(tǒng)計(jì)并且使文中不同獨(dú)立試驗(yàn)中的數(shù)據(jù)具有可比性，本研究采用Johnson 等人提出的效應(yīng)值[36]，當(dāng)?shù)贸龅男?yīng)值為正值時(shí)，說明采煤塌陷對(duì)礦區(qū)的植被產(chǎn)生了正效應(yīng)，即增加了區(qū)域的植物種數(shù)或植被蓋度；反之，則產(chǎn)生了負(fù)效應(yīng)。根據(jù)研究間異質(zhì)性的差異，Meta分析使用的統(tǒng)計(jì)模型主要分為固定效應(yīng)模型和隨機(jī)效應(yīng)模型，常用的分析方法有倒方差法、Mantel-haenszel法、Peto法、Dersimonian-Laird法[29]，由于分配權(quán)重方法的不同使得各研究的權(quán)重存在較大差異[37]。本文依據(jù)Meta分析的思想，考慮檢索文獻(xiàn)的特點(diǎn)，對(duì)現(xiàn)有的20多個(gè)研究結(jié)果進(jìn)行了定量與定性結(jié)合的綜合分析。

注：補(bǔ)連塔礦區(qū)位于陜蒙交界處，為了增加研究的樣本量，將補(bǔ)連塔礦區(qū)的數(shù)據(jù)納入分析。

據(jù)調(diào)查[38]，截至2004年，大柳塔煤礦形成的塌陷面積達(dá)16 km2，均為裂陷式塌陷；補(bǔ)連塔礦在距井口2.5～3.0 km范圍內(nèi)發(fā)生了大面積的地表塌陷，其范圍約300 m，形成的裂縫寬度一般為0.25～0.45 m，與原地面比較，最大沉陷深度達(dá)到6.5 m[14]。到了2012年，活雞兔礦區(qū)形成采空塌陷面積達(dá)8.16 km2，這在規(guī)模上屬于大中型塌陷[39]。通過國家煤田地質(zhì)總局航測遙感數(shù)據(jù)資料可知[39]，截至2002年，榆家梁煤礦開采造成的地表塌陷面積達(dá)到8.16 km2，在2005年，塌陷造成了3.1級(jí)的地震。由此可見，神府榆煤田的采煤塌陷十分嚴(yán)重。

根據(jù)搜集的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)資料，可以看出神府榆煤田的采煤塌陷在大柳塔礦區(qū)、活雞兔礦區(qū)與榆家梁礦區(qū)以及補(bǔ)連塔礦區(qū)都有發(fā)生，調(diào)查時(shí)間均在塌陷后10 a內(nèi)，通過對(duì)同一塌陷區(qū)的物種組成及植被蓋度變化分析，以此來探究塌陷年限、塌陷與未塌陷之間，植物種數(shù)和植被蓋度隨著塌陷年限的變化特點(diǎn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 采煤塌陷對(duì)植物種類的影響

通過文獻(xiàn)的搜集，一共查到9篇關(guān)于采煤塌陷對(duì)植物種數(shù)影響的文獻(xiàn)，具體見表2，通過效應(yīng)值的計(jì)算，可以得出采煤塌陷對(duì)2004年塌陷區(qū)產(chǎn)生的效應(yīng)值為0.24，對(duì)2005年塌陷區(qū)產(chǎn)生的效應(yīng)值為0.07，效應(yīng)值的變化說明采煤塌陷對(duì)植物種數(shù)產(chǎn)生了促進(jìn)效應(yīng)。由表2的數(shù)據(jù)可知：在短期內(nèi)(塌陷1 a)，大柳塔及補(bǔ)連塔采煤塌陷區(qū)的植物種數(shù)均高于非塌陷區(qū)水平，但是活雞兔礦區(qū)在經(jīng)歷了采煤塌陷干擾后，植物種數(shù)出現(xiàn)了不同的結(jié)果：有的調(diào)查數(shù)據(jù)顯示植物種數(shù)增加，有的則減少；榆家梁礦區(qū)的調(diào)查數(shù)據(jù)則可以看出，2005年塌陷區(qū)的植物種數(shù)幾乎不變，但是2004年塌陷區(qū)的植物種數(shù)卻明顯低于非塌陷區(qū)，說明塌陷在一定程度上破壞了植物的群落組成；隨著塌陷年限的增加，補(bǔ)連塔、活雞兔采煤塌陷區(qū)的植物種數(shù)逐漸增加并高于非塌陷區(qū)；榆家梁采煤塌陷區(qū)的植物種數(shù)卻減少并低于非塌陷區(qū)水平，大柳塔采煤塌陷區(qū)的植物種數(shù)雖然出現(xiàn)減少，但仍高于塌陷前水平。

另外，補(bǔ)連塔風(fēng)沙區(qū)屬于風(fēng)沙脆弱區(qū)，植被稀少，經(jīng)過采煤塌陷干擾后，植物種數(shù)出現(xiàn)了先增加后減少最終高于塌陷前水平的現(xiàn)象，這是因?yàn)椴擅撼料菔沟迷械膬?yōu)勢(shì)植物受到損傷，但是新增了一些短命或類短命的荒漠植物，這在趙國平、葉瑤的研究結(jié)果中有反映[14-16]，總之，補(bǔ)連塔采煤塌陷區(qū)在塌陷作用下，植物的生長受到了一定的干擾，且這種干擾有利于新增植物的生長，這可以用中度干擾假說[40-42]來解釋，適當(dāng)?shù)母蓴_既可以抑制優(yōu)勢(shì)植物種群的競爭勢(shì)力，又為其他物種的侵入和定居創(chuàng)造了機(jī)會(huì)，從而導(dǎo)致物種組成增多和多樣性增大。總的來說，植物種類的豐富程度與塌陷有一定的相關(guān)性。

2.2 采煤塌陷對(duì)植被蓋度的影響

據(jù)調(diào)查，一共有7篇關(guān)于采煤塌陷對(duì)植被蓋度影響的數(shù)據(jù)資料，見表3。通過效應(yīng)值的計(jì)算，可以得出采煤塌陷對(duì)2004年塌陷區(qū)產(chǎn)生的效應(yīng)值為0.18，對(duì)2005年塌陷區(qū)產(chǎn)生的效應(yīng)值為0.06，效應(yīng)值的變化說明采煤塌陷對(duì)植被蓋度產(chǎn)生了正面影響。但是由表中數(shù)據(jù)可以得出，在短期內(nèi)(塌陷1 a)，大柳塔采煤塌陷區(qū)的植被蓋度卻低于非塌陷區(qū)，活雞兔及補(bǔ)連塔礦區(qū)的植被蓋度卻高于非塌陷區(qū)水平；隨著塌陷年限增加，活雞兔、大柳塔、補(bǔ)連塔礦區(qū)植被蓋度均呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢(shì)，但郭洋楠的一組數(shù)據(jù)顯示塌陷區(qū)植被蓋度始終低于非塌陷區(qū)，這說明采煤塌陷還是破壞了礦區(qū)的植被，而通過對(duì)榆家梁礦區(qū)的植被蓋度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，采煤塌陷對(duì)礦區(qū)的植被蓋度產(chǎn)生了不同程度的影響，隨著塌陷年限的增加，塌陷區(qū)的植被蓋度持續(xù)增加并高于非塌陷區(qū)水平。通過文獻(xiàn)資料的匯總，發(fā)現(xiàn)大柳塔煤礦調(diào)查區(qū)內(nèi)生態(tài)環(huán)境惡劣，植被類型比較單調(diào)，植被覆蓋率較低，僅以一些沙生和小型灌木植被為主，喬木林稀少，因此受到采煤塌陷的干擾作用比較明顯。總之，神府榆采煤塌陷區(qū)的植被蓋度在塌陷發(fā)生初期有所下降，塌陷兩年后又呈上升的趨勢(shì)，并超過塌陷前水平。

表2 采煤塌陷區(qū)植物種數(shù)變化統(tǒng)計(jì)表

注：“—”表示文獻(xiàn)中沒有調(diào)查數(shù)據(jù)。

由以上分析可知：經(jīng)沉陷干擾后，采煤塌陷區(qū)的植物種數(shù)及植被蓋度受到了不同程度的影響。通過榆家梁礦區(qū)的調(diào)查數(shù)據(jù)得知塌陷區(qū)的植物種數(shù)始終低于非塌陷區(qū)的植物種數(shù)，表明塌陷對(duì)礦區(qū)植被造成了負(fù)面影響。大柳塔礦區(qū)的五個(gè)植被調(diào)查結(jié)果表明：在短期內(nèi)(塌陷1～3 a)，塌陷形成的各種地貌會(huì)增加群落的物種組成，在塌陷前，植物群落的優(yōu)勢(shì)種主要是糙隱子草(CleistogenessquarrosaTrin. Keng)、豬毛蒿(ArtemisiascopariaWaldst.et Kit.)和紫花苜蓿(MedicagosativaL.)等，塌陷兩年后，群落中增加了新的耐旱植物種，如蒙古蕕(Caryopterismongholica)和百里香(ThymusmongolicusRonn)等。以榆家梁礦區(qū)塌陷兩年的調(diào)查結(jié)果為例[32]，塌陷區(qū)的群落組成均是以糙隱子草為主的退化草地演替類群及短花針茅(StipabrevifloraGriseb.)為主的草原類群，但在非塌陷區(qū)，糙隱子草的重要值僅有1.02，且塌陷一年后，重要值不足1的絲葉山苦荬(Ixerischinensis)在塌陷第二年有了較大的增長。

表3 采煤塌陷區(qū)植被蓋度變化統(tǒng)計(jì)表

注：“—”表示文獻(xiàn)中沒有調(diào)查數(shù)據(jù)。

雖然補(bǔ)連塔礦區(qū)和活雞兔礦區(qū)的調(diào)查數(shù)據(jù)表明植物的生長受到了一定的干擾，且這種干擾有利于新增植物的生長，但是通過進(jìn)一步的文獻(xiàn)查閱后有了新的發(fā)現(xiàn)：隨著調(diào)查年限的增加，補(bǔ)連塔煤礦的非塌陷區(qū)植物群落組成始終以楊樹(Populus)、達(dá)烏里胡枝子(Lespedezadavurica)、油蒿(Artemisiaordosica)、沙柳(Salixcheilophila)等為主要建群種，并沒有發(fā)生顯著變化，而塌陷區(qū)植物種類隨著塌陷年限的增加發(fā)生了很大的變化，塌陷之前以楊柴(HedysarummongolicumTurcz.)、油蒿、楊樹、達(dá)烏里胡枝子、沙柳(Salixcheilophila)等為主要建群種，當(dāng)?shù)乇硭輧赡旰螅_(dá)烏里胡枝子已不再是建群種，而以沙米(AgriophyllumsquarrosumLinn. Moq.)、角蒿(IncarvilleasinensisLam.)、牛心樸子(CynanchumkomaroviiAl.)等為主的短命或類短命荒漠植被大量著生[14]。

3 討論與結(jié)論

地下煤礦的過度開采直接導(dǎo)致地表沉陷，土壤松動(dòng)，出現(xiàn)了一些斜坡和大小不等的裂縫，使裂縫處原有的優(yōu)勢(shì)植物受到損傷，而埋在地下的種子有機(jī)會(huì)受到光照，萌發(fā)而長成植株，進(jìn)而改變了塌陷區(qū)的植被狀況和群落組成，使得不同塌陷年限里的植物多樣性和植被蓋度發(fā)生了不同程度的變化。無論是植物種數(shù)還是植被蓋度，總體上表現(xiàn)出沉陷干擾后大于沉陷前的，且沉陷一年區(qū)較沉陷兩年區(qū)的植物種數(shù)多且植被蓋度大，但各個(gè)礦區(qū)指數(shù)存在一定差異，表明各礦區(qū)有不同的抗干擾能力。但就目前的研究結(jié)果來看，由于調(diào)查時(shí)間較短，不能客觀反映塌陷對(duì)植被變化規(guī)律，因此還需要做進(jìn)一步的觀察與研究。因此，相關(guān)研究者需要在綜合現(xiàn)有研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，針對(duì)目前各個(gè)獨(dú)立研究存在的不足，通過長期的野外調(diào)查來完善煤炭開采對(duì)植被變化影響的數(shù)據(jù)資料，并考慮更多的因子如氣候、土壤、地形變化等進(jìn)行綜合分析，從而得出更完善和精確的結(jié)論。

通過Meta分析對(duì)神府榆采煤塌陷區(qū)的植被變化進(jìn)行了綜合分析，結(jié)果表明：經(jīng)采煤塌陷干擾后，群落的植物種數(shù)及植被蓋度發(fā)生了不同程度的改變。其中，榆家梁礦區(qū)受到了較大干擾，塌陷一年后，塌陷區(qū)的植被蓋度較非塌陷區(qū)有所降低，隨著塌陷年限的增加，植物種數(shù)發(fā)生了減少，但植被蓋度卻出現(xiàn)增加并高于非塌陷區(qū)水平，而大柳塔礦區(qū)、活雞兔礦區(qū)和補(bǔ)連塔礦區(qū)的數(shù)據(jù)則表明植物的生長受到了一定的干擾，且這種干擾有利于新增植物的生長，這可以用中度干擾假說來解釋，采煤塌陷會(huì)導(dǎo)致土壤坡面出現(xiàn)裂縫，使得埋在地下的種子有機(jī)會(huì)受到光照而萌發(fā)。

一般來說，神府榆采煤塌陷區(qū)的植被蓋度在塌陷發(fā)生初期有所下降，塌陷兩年后又呈上升的趨勢(shì)，并超過塌陷前水平。經(jīng)塌陷干擾后，礦區(qū)主要優(yōu)勢(shì)種發(fā)生較大變化，植物種數(shù)在塌陷發(fā)生1～2 a后有一定程度的增加，且塌陷區(qū)新增的植物種多是以沙米、角蒿等為主的短命或類短命荒漠植物，但是對(duì)于塌陷時(shí)間更長的塌陷地是否也符合這個(gè)規(guī)律有待于做進(jìn)一步的研究。

采煤塌陷對(duì)植被的影響是通過改變地形、土壤等條件而發(fā)生作用的。因此，需要通過長期的野外監(jiān)測與調(diào)查來豐富煤礦開采對(duì)植被變化影響的數(shù)據(jù)資料進(jìn)行綜合分析，從而得出更完善的結(jié)論；另一方面，現(xiàn)有的塌陷區(qū)植被變化特征分析結(jié)果也展示了自然恢復(fù)在植被建設(shè)中的重要作用。神府榆礦區(qū)，以及作為生態(tài)環(huán)境建設(shè)重點(diǎn)實(shí)施區(qū)域的黃土高原地區(qū)的生態(tài)建設(shè)都應(yīng)把保護(hù)自然植被恢復(fù)放在重要位置，在以自然修復(fù)為主的前提下，采取人工修復(fù)相輔的方法整體推進(jìn)，以達(dá)到改善生態(tài)環(huán)境的目的。

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Meta-AnalysisoftheCharacteristicsofVegetationChangeinSubsidenceAreaofShenfuyuCoalMining

WANG Yaping1, LIU Wenzhao1,2

(1.InstituteofSoilandWaterConservation,NorthwestA&FUniversity,Yangling，Shaanxi712100,China;2.InstituteofSoilandWaterConservation,ChineseAcademyofSciences,Yangling，Shaanxi712100,China)

Subsidence is one of the serious geological disasters in well mining areas. More than 20 published papers were synthesized using meta-analysis method to assess quantitatively the influences of coal mining subsidence on vegetation changes in the Shenfuyu coal mining area. The results showed that the vegetation coverage in the coal mining subsidence area declined in the early stage of collapse, but it increased and gradually exceeded the original level within two years after subsidence. The dominant species had some changes after mining subsidence, generally speaking, the number of species increased within 1～2 years after subsidence. The new plant species mostly belonged to ephemeral or ephemeroid plants after collapse interference, such asAgriophyllumsquarrosum(Linn.) Moq. andIncarvilleasinensisLam. Characteristics of vegetation change in the subsidence area also showed the important role of natural restoration in vegetation construction. The ecological construction measure that natural recovery is majorly adopted with artificial restoration complement should be carried out in the Shenfuyu mining area, even on the whole Loess Plateau.

Meta-analysis; Shenfuyu coal mining; coal mining subsidence; vegetation; ecological construction; Loess Plateau

2016-04-14

：2016-05-20

陜西省水土保持局重大水利科技項(xiàng)目“神府榆地區(qū)煤炭開采對(duì)地表植被影響研究” (2013-2016)

王亞萍(1991—),女,河南盧氏人,在讀碩士,研究方向?yàn)辄S土高原生態(tài)修復(fù)及水文響應(yīng)。E-mail:wangyaping0410@163.com

劉文兆(1960—),男,陜西乾縣人,研究員,博士生導(dǎo)師,主要從事水文生態(tài)與流域管理研究。E-mail:wzliu@ms.iswc.ac.cn

X171.4

：A

：1005-3409(2017)02-0278-05

調(diào)查礦區(qū)地理位置文獻(xiàn)來源1大柳塔礦區(qū)39°16'40″—39°27'00″N110°05'00″—110°20'00″E[11],[12],[15],[17],[21],[34]2活雞兔礦區(qū)38°50'—39°50'N109°30'—110°30'E[15],[17],[21],[33],[35]3榆家梁礦區(qū)38°59'07″—39°05'31″N110°31'26″—110°38'32″E[13],[15],[17],[18]4補(bǔ)連塔礦區(qū)39°18'31″—39°22'00″N110°04'16″—110°10'18″E[14],[16],[17],[20],[32],[33],[34]