神木北部礦區不同塌陷年限植被群落演替特征

杜華棟

摘 要：文章研究了神木北部礦區不同采煤塌陷年限下植物群落演變特征，探討采煤塌陷過程中植物群落的響應及其機制。結果表明：（1）神木北部礦區植物生長型構型以一二年生和多年生草本為主，喬木、灌木植物較少。塌陷1～2a一年生草本和旱生和旱中生植物比例顯著增加，小灌木和半灌木的比例降低；（2）采煤塌陷初期植物群落物種數、蓋度、生物量、物種密度和生物多樣性指數均顯著下降，并在塌陷2年達到最低；（3）隨著塌陷年限的增長，沉陷區上述植被群落指標均呈現上升的趨勢，但在自然恢復條件下塌陷10a后仍未恢復至未塌陷地群落水平。綜合表明采煤塌陷對植被群落的損害具有一定延續性。

關鍵詞：榆神府礦區；采煤塌陷；植物群落；演變規律；生態恢復

中圖分類號：Q148 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）26-0010-03

煤炭開采對環境所造成的影響是會長期存在的，特別是對土地資源的破壞及其引發的環境變化，會伴隨著整個開采過程一直延續下去[1]，其中地表塌陷是煤炭開采最明顯和嚴重的形式之一[2]。神木北部礦區是我國西部的能源重化工基地，煤層埋藏淺、開采厚度大、上覆基巖厚度較薄、地表為厚風積沙覆蓋層，煤炭資源的開采和工業建設，使得該區生態環境遭受損害。

當前國內外對采煤沉陷的機理、類型和形態等地質相關研究較多[3]，但該區采煤沉陷后植被群落變化及其內在機理研究較為薄弱，如地表沉陷對植被群落的影響存在相反的結論[4，5]。為此，本研究通過神木北部礦區不同塌陷年限下植被群落組成、多樣性和演替過程的研究，探討采煤塌陷干擾對植物群落組成特征的影響，試圖了解塌陷對礦區植被群落演替影響的規律，為礦區的生態治理建設提供植被保護的理論依據。

1 研究方法

1.1 研究區

樣區選擇在神木北部礦區，從氣候上看屬于半干旱氣候向東南濕潤、半濕潤氣候過渡區，地區的地帶性植被屬于暖溫帶典型草原植被。該區煤層呈平緩單斜構造，煤層埋深約100m[6]。隨著煤炭的大量開采，礦區呈現地表大裂縫和臺階狀斷裂。

1.2 研究方法

本文主要研究大柳塔礦區覆沙地。首先通過收集資料和調查走訪確定地表沉陷時間，確定采煤地表沉陷1年、2年、5年和10年工作面。每種沉陷年限選擇7塊下墊面狀況（海拔、坡形等）比較相近的沉陷地作為研究樣地，同時每塊樣地選擇一塊鄰近下墊面狀況一致且沒有受到沉陷影響的坡地作為對照樣地。每個樣地設立3個樣方重復，樣方大小草本為2m×2m，灌木為5m×5m，喬木為10m×10m。調查包括種類、每個物種的數量、平均高以及蓋度，同時統計主要建群種植被生長、死亡狀況，并剪取主要物種地上生物量，帶回實驗室，105℃下烘干稱重。調查數據用以分析地表沉陷對植物群落多樣性、物種分布格局、初級生產力的影響。選擇物種豐富度Margalef指數、均勻度Pielou指數、多樣性Shannon-Wiener指數和Simpson指數來衡量群落結構[7]。計算不同侵蝕環境下不同生長型和水分生態型植物占群落物種總數比例，同時用Sorensen相似度指數測定不同塌陷年限下植物群落物種相似程度。

1.3 數據處理

數據以平均數±標準偏差（SD）表示。所有數據采用SPSS20.0軟件進行統計檢驗，用單因素方差分析（one-way ANOVA）和最小顯著差異法（LSD）比較組間的差異，差異顯著性水平設定為α=0.05。

2 結果與討論

2.1 神木北部礦區不同塌陷年限植被群落物種組成特征

神木北部礦區植被共調查植物69種，分屬22科54屬，其中菊科、豆科、禾本科植物約占到了植物總數的70%左右，植物生長型構型以一二年生和多年生草本為主，喬木、灌木植物較少，基本反映了研究區植物區系分布特征，這些科屬中耐貧瘠、適應性強的物種構成了研究區的優勢種和先鋒植物[8]。由圖1A可以看出，與未塌陷地相比塌陷1～2a一年生草本比例顯著增加，而多年生草本比例顯著減小（P<0.05），這是因為地表塌陷初期地表土壤松動，產生的裂縫損傷了原有優勢植物根系，同時裂縫為以大量種子繁殖的一二年生植物提供了棲息地，再加之裂縫增加的降雨滲透為種子萌發提供了較好的條件。采煤塌陷初期1～2a小灌木和半灌木的比例降低了約60%；大灌木的比例在不同塌陷年限下差異不顯著（P>0.05）。由圖1B不同采煤塌陷年限植物生態型可以看出，采煤塌陷后中生和中旱生植物比例顯著降低，而旱生多年生草本比例顯著增加（P<0.05），這是因為土壤環境變得穩定且越來越接近沉陷前，多年生植物以其發達的根系和克隆器官等，在生長生殖中處于優勢[9]，一年生和一二年生草本植物逐漸減少，取而代之的是旱生的多年生草本。

2.2 神木北部礦區不同塌陷年限下植物群落生物量與物種多樣性特征

煤炭開采引起的地表塌陷使得土壤質量退化，同時微地形坡度增加使得土壤侵蝕強度加大，植物生存條件被破壞，由表1可以看出，采煤塌陷初期植物群落物種數、蓋度、生物量、物種密度和生物多樣性指數均顯著下降（P<0.05），并在塌陷2年達到最低，這與以往研究者[4]的研究相似。但隨著塌陷年限的增長，被破壞土體的逐漸穩定，植被群落表現出正向的演替，沉陷區上述植被群落指標均呈現上升的趨勢，但在自然恢復條件下塌陷10a后仍未恢復至未塌陷地群落水平。塌陷1a植物群落豐富度和多樣性指標并未顯著下降（P>0.05），但塌陷2a其數值驟降達到最低，后隨著沉陷年限的增加至塌陷5a后這兩個指數顯著提高（P<0.05），到沉陷10a其數值已接近沉陷區。這與周瑩等[5]在本地區研究采煤沉陷2年之后植被已基本趨于穩定不同，表明雖然采煤塌陷使得植物群落物種豐富度增加，但這種一兩年生伴生物種的增加并不能掩蓋采煤塌陷對優勢種的關鍵功能屬性的干擾[10]，植被生產力下降，植物群落生態功能受損。endprint

2.3 神木北部礦區不同塌陷年限下植物群落演變過程分析

由表2可以看出，塌陷1年植物群落與未塌陷地相比仍有較高的相似性，達到0.7左右；而塌陷2a時植物群落相似性與其他塌陷年限和未塌陷地相似性較小，塌陷地隨著塌陷年限的增加植物群落與未塌陷地相似性增加，但自然恢復10a植物群落仍未恢復至未塌陷水平。神木北部礦區地表沉陷對該區植物群落結構的損害具有延續性，且生態系統自修復能力較弱，植被被破壞后的自然恢復是極其緩慢的，因此在生態恢復過程中應在以自然恢復為主的前提下，輔以適當的人工修復措施，促進礦區生態系統快速、健康地恢復。

3 結束語

（1）神木北部礦區植物植物群落在塌陷初期1～2a一年生草本和旱生和旱中生植物比例顯著增加，小灌木和半灌木的比例降低，塌陷5a后多年生草本比例顯著增加，大灌木比例在不同塌陷年限下差異不顯著。

（2）采煤塌陷初期植物群落物種數、蓋度、生物量、物種密度和生物多樣性指數均顯著下降，并在塌陷2年達到最低，但隨著塌陷年限的增長，沉陷區上述植被群落指標均呈現上升的趨勢，但在自然恢復條件下塌陷10a后仍未恢復至未塌陷地群落水平。

參考文獻：

[1]Chadwick MJ， Highton N， Lindman N. Environmental Impacts of Coal Mining & Utilization： A Complete Revision of Environmental Implications of Expanded Coal Utilization[M].Elsevier， 2013.

[2]Woo KS， Eberhardt E， Elmo D，Stead D. Empirical investigation and characterization of surface subsidence related to block cave mining[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences， 2013， 61（1）： 31-42.

[3]王靜.徐莊礦區采煤塌陷區生態復墾綜述[J].科技創新與應用，2017，10：115.

[4]雷少剛，卞正富.西部干旱區煤炭開采環境影響研究[J].生態學報，2014，34（11）：2837-2843.

[5]周瑩，賀曉，徐軍，等.半干旱區采煤沉陷對地表植被組成及多樣性的影響[J].生態學報，2009，29（8）：4517-4525.

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[7]張金屯.數量生態學[M].北京：科學出版社，2011.

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[10]Catford J A，Daehler C C，Murphy H T，et al. The intermediate disturbance hypothesis and plant invasions： Implications for species richness and management[J].Perspectives in Plant Ecology，Evolution and Systematics，2012， 14（3）：231-241.endprint