榆林石圪臺礦山典型采煤活動對土壤和植被的影響

郝新忠，石長春，高振梁，高榮，張瑞麗，張繼平，馬雅莉，喬一娜

（1. 陜西省林業科學院，陜西 西安 710000；2. 陜西榆林毛烏素沙地生態系統國家定位觀測研究站，陜西 榆林 719000）

煤炭作為我國重要的一次性能源，在我國能源結構中一直占有主導地位[1]。陜西省榆林市榆陽、神木、府谷礦區作為我國儲量超千億噸的巨型煤田之一，其探明儲量占全國的12%[2]。近年來，榆陽、神木、府谷礦區原煤總產量幾乎以每年10×106t 以上的速度遞增。然而，數十年的大規模開發使得當地礦區生態已經成為亟待解決的環境問題，成為礦區可持續發展與黃土高原生態文明示范區建設的重大制約因素[3]。目前，我國煤礦主要以井工開采為主，會形成大范圍采空區，地表塌陷并產生大量裂縫[4]，進而帶來一系列生態環境問題，如土地退化、地下水位下降、嚴重干擾植被的發育與演替過程等[5-7]。

國內外學者針對采煤區對生態環境的影響開展了諸多研究，如采煤塌陷裂縫、土壤理化性質的變化、植被群落的變化等。臧蔭桐等[8]認為，地下采煤活動會引起大量裂隙，增加土壤水分的蒸發強度，嚴重制約采煤區植被的正常生長。原一哲[9]對地下采煤引起的土體性質變化進行了研究，為礦區煤炭開采引起的地表損害及分析提供了理論指導。張錦瑞等[10]認為，采煤塌陷導致土壤有機質及養分含量降低，影響有機物的分解、淋溶和沉積。朱麗等[11]對排渣場和塌陷區進行了研究，總結出草地、林地的復墾適宜性程度。Li[12]認為植被自然恢復對于采煤區生境改良效果最好，而土壤質量是植被演替及生態恢復的決定因子[13]，因此，研究采煤區不同生境下土壤理化性質及植被特征是礦區生態環境修復的理論基礎。前人對采煤區土壤、植被的變化進行了一系列研究，但大多數局限于單種地貌，得出的結果也不盡相同，以不同采煤擾動生境為研究對象的探索較少。

本研究針對榆林石圪臺采煤塌陷區，探究礦區典型采煤擾動生境土壤理化性質及植被生物學指標的變化，以期為采煤區生態環境恢復提供一定的理論支撐。

1 研究區概況

研究區石圪臺礦山位于陜西省神木市石圪臺村，地理坐標為36°16′ ～ 39°17′ N，109°12′ ～ 110°13′ E，北臨毛烏素沙地，南接黃土高原，是風沙地貌向黃土丘陵地貌的過渡帶。研究區域的氣候屬暖溫帶和溫帶半干旱大陸性季風氣候，海拔為1 100 ～ 1 200 m，風沙頻繁，冷熱多變，年平均氣溫為8.4 ℃，年均蒸發量為1 892.4 mm，年平均降水量為415.7 mm，年平均風速為3.5 m·s-1。礦山南北長約為8.4 km，東西寬約為8.5 km，總面積為65.25 km2，礦井采用連續采煤機掘進，長臂后退式綜合機械化開采方式。其中，井田范圍內塌陷區面積為250.75 hm2，地表裂縫面積為6.69 hm2，煤礦排矸場邊坡面積約6 hm2，由于煤礦井下采煤機采煤后支架前移，支架后方的巖層冒落，開采幾十米后，就會在支架后方形成較大采空區。采空區上方各巖層在重力作用下，相繼發生離層、向下彎曲、裂縫擴展等，甚至斷裂后冒落到采空區。隨著開采范圍的不斷擴大，若不及時采取充填等措施，地面上就會形成塌陷區，受此影響，塌陷區周圍還會出現很多的裂縫，形成裂縫區，同時，在煤層中夾雜著“黑石頭”，這種“黑石頭”含煤量極少，不能利用，將其運出煤田堆積在空曠地帶形成矸石場。礦區大地構造單元屬華北地臺鄂爾多斯地塊，土壤類型以沙土為主。礦山植被屬溫帶南部草原亞帶黃土高原中東部草原亞區。由于煤炭的大量開采與畜牧業的強度利用，自然植被幾乎損毀無遺，植被稀疏低矮，植物種類比較貧乏，土地趨于沙化，只有在黃土丘陵區坡度較大的坡頂或侵蝕溝壑內殘存著少量的自然植被痕跡，同時受非地帶性生態環境的影響，植物種類單一，其地帶性植被為典型草原。群落結構簡單，主要建群植物有小葉錦雞兒Caragana microphylla、中間錦雞兒C.intermedia、百里香Thymusmongolicus、艾Artemisiaargyi、針茅Stipacapillata等。其中，喬木樹種主要有油松Pinustabuliformis、楊樹Populussp.、柳樹Salixsp. 、榆樹Ulmuspumila 等；灌木主要有檸條錦雞兒Caraganakorshinskii、沙棘Hippophaerhamnoides、烏柳Salixcheilophila等；人工牧草主要有草木樨Melilotusofficinalis、紫苜蓿Medicagosativa和斜莖黃耆Astragalusadsurgens為建群種的沙生植被組合。

2 材料與方法

2.1 樣地設置

在研究區中選擇矸石場、裂縫區和塌陷區3 種不同采煤擾動生境，每種地貌選擇3 塊土壤條件相近的地塊作為采樣地，同時選擇一塊鄰近、下墊面狀況一致的未采煤區樣地作為對照。于2022 年7—8 月進行土壤取樣與植被調查。

2.2 試驗方法

2.2.1 植被調查和取樣方法 每個樣地包含3 個重復樣方，樣方大小草本層樣方為3 m×3 m，灌木層樣方為6 m×6 m，喬木層樣方為10 m×10 m。其中，草本層和灌木層調查每個樣方內的物種及其數量和蓋度等，喬木層調查每個樣方內的物種及其數量、冠幅和密度等并剪取主要物種地上生物量，帶回實驗室，105 ℃下烘干稱量。土壤樣品利用土鉆按照“S”形法選擇3 個點取土。

2.2.2 理化指標測定 （1）土壤物理性質測定：土壤容重測定采用環刀法；土壤含水率測定采用烘干法；土壤硬度測定用土壤硬度計。（2）土壤化學性質測定：土壤有機質含量測定用重鉻酸鉀法；土壤全氮含量測定用半微量開氏法；速效氮含量測定采用堿解擴散法；全磷含量測定采用NaOH 熔融-鉬銻抗比色法；速效磷含量測定采用NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法；全鉀含量測定采用HF 酸消解-火焰光度計法；速效鉀含量測定采用NH4COOH浸提-火焰光度計法；土壤酸堿度用pH 計測定。（3）土壤酶活性測定：蔗糖酶活性測定用3，5-二硝基水楊酸比色法；脲酶活性測定用比色法；堿性磷酸酶活性測定用磷酸苯二鈉比色法；過氧化氫酶活性測定利用紫外分光光度法。

2.3 數據處理及分析方法

數據采用SPSS 23 軟件進行統計分析，結果用平均值±標準偏差（SD）表示，差異顯著性水平為P＜0.05。

3 結果與分析

3.1 典型采煤擾動生境土壤物理性質

由表1 可以得出，不同采煤擾動生境的土壤物理性質均有一定的退化趨勢，與對照相比，矸石場、裂縫區以及塌陷區的土壤含水率、硬度均有所下降，電導率和容重上升。其中，對照的土壤含水率顯著高于矸石場和裂縫區（P＜0.05），相較對照，矸石場和裂縫區的土壤含水率分別降低了14.10%和6.04%。但由于塌陷區和裂縫區地質較為疏松，其土壤孔隙度均高于對照。綜上所述，采煤擾動不同生境土壤的物理性質、土壤含水率以及硬度低于未采煤區；電導率和容重高于未采煤區；土壤孔隙度（除矸石場外）高于未采煤區。

表1 典型采煤擾動生境土壤物理性質Tab. 1 Physical properties of soil in typical coal mining habitat

3.2 典型采煤擾動生境土壤養分含量變化

由表2 可以得出，典型采煤擾動生境土壤養分含量均低于對照，其中有機質、速效氮、速效磷及全鉀含量與對照中的含量達到顯著性差異水平（P＜0.05），相較于塌陷區，對照土壤有機質、速效氮、速效磷及全鉀含量分別提升60.00%、35.37%、10.15%及6.19%。與對照相比，裂縫區和塌陷區土壤pH 顯著升高（P＜0.05），分別比對照提高了7.89%、7.16%，矸石場的土壤pH 略有升高，比對照高0.49%。對照土壤全氮、全磷、速效鉀含量也均高于矸石場、裂縫區以及塌陷區土壤，但均未達到顯著差異水平。綜上所述，采煤后所形成的矸石場、裂縫區以及塌陷區土壤養分含量均低于對照。

3.3 典型采煤擾動生境土壤生物學性質

由圖1 可得出，不同采煤擾動生境的土壤酶活性均有一定變化，其中部分指標達到顯著性差異水平（P＜0.05）。與對照相比，矸石場、裂縫區以及塌陷區的土壤脲酶活性均有所提升，分別增加28.57%、21.43%和21.48%。對照土壤的堿性磷酸酶、蔗糖酶以及過氧化氫酶活性相較于矸石場、裂縫區以及塌陷區均有一定的提升，其中土壤過氧化氫酶活性的提升達到統計學顯著性差異水平。相較于對照，矸石場、裂縫區以及塌陷區過氧化氫酶分別降低了59.77%、43.68%及51.72%。綜上所述，與對照相比，矸石場、裂縫區以及塌陷區土壤的堿性磷酸酶、蔗糖酶以及過氧化氫酶活性均有一定的下降，脲酶活性則有所提升。

圖1 典型采煤擾動生境土壤生物學性質Fig. 1 Soil biological properties of typical coal mining habitat

3.4 典型采煤擾動生境植被特征

由圖2 可以得出，與對照相比，矸石場、裂縫區以及塌陷區的植被均受到一定程度的破壞，其物種數、密度（喬木）、蓋度（草本和灌木）及生物量均低于對照的，并達到顯著性差異水平（P＜0.05）。矸石場、裂縫區及塌陷區的植被情況逐漸變差，其中以塌陷區最差。與對照相比，塌陷區的物種數、密度（喬木）、蓋度（草本和灌木）和生物量分別降低了45.59%、25.69%、35.66%和55.79%。說明采煤后產生的矸石場、裂縫區以及塌陷區對植被影響較大，其中塌陷區最為顯著。

圖2 典型采煤擾動生境植被特征Fig. 2 Vegetation characteristics of typical coal mining habitat

3.5 建立綜合評價體系

由上述分析可得，未采煤區、矸石場、裂縫區以及塌陷區對土壤物理、化學及植被生理指標均有影響，本研究利用主成分分析和加權計算，建立綜合評價體系，通過得分情況說明采煤區不同地貌對當地生態環境的影響程度。

3.5.1 改良效果評價指標相關性分析 運用因子分析法對不同采煤擾動生境土壤質量進行評價，結果見表3。

由表3 表明，提取3 個主成分，各樣本方差的累計貢獻率為99.9%，因此可以用這3 個主成分代表21 個指標。由表3 可知，物種數、密度、蓋度及生物量在F1上數值較高，代表植被生長狀況；含水率、速效磷在F2上數值較高，代表了土壤的理化性質；全氮、蔗糖酶和堿性磷酸酶在F3上數值較高，代表土壤的化學性質以及酶活性。

表3 旋轉因子載荷矩陣Tab. 3 Rotation factor load matrix

3.5.2 綜合評價 綜合計算不同地貌主成分的得分，同時將各因子特征值的貢獻率作為權重進行加權求和，可得到不同采煤擾動生境下的土壤-植被綜合評價得分情況，見表4。從表4 結果可知，按綜合得分排名，第一名為未采煤區，第二名為矸石場，第三名為裂縫區，第四名為塌陷區。這充分說明，采煤對生態環境破壞程度越大綜合得分越低，通過綜合評價得分高低這一指標，為地方政府治理采煤區生態環境提供決策依據。

表4 典型采煤擾動生境主成分及綜合得分排名Tab. 4 Ranking of principal components and comprehensive evaluation of typical coal mining habitats

4 討論

榆林煤炭開采始于20 世紀80 年代，經過多年開發，對當地生態環境造成了極大破壞，導致地下水污染、土壤退化以及植被受損等一系列問題，嚴重制約了當地工農業生產和可持續發展[16]。研究區的3 種采煤擾動生境和未采煤區表層土壤相比均發生了不同程度的退化現象，同時含水率下降、孔隙度升高，這與其他研究采煤區土壤物理性質變化情況一致[17]。在本研究中，塌陷區的土壤退化最為嚴重，這是由于研究礦區土壤以沙土為主，地表塌陷后土壤團聚體受到破壞，因此導致塌陷區土壤孔隙度增加、硬度下降[18]。與未采煤區相比，采煤塌陷區土壤中的酶脲活性有所增強，堿性磷酸酶、蔗糖酶以及過氧化氫酶活性均降低，這與前人的研究結果基本一致[19-20]。由于采煤后土壤的理化性質及酶活性均受到一定程度的損害，無法提供植被所需養分，導致植被物種數、蓋度及密度下降，植被群落豐富度下降后，又會促使土壤理化性質的進一步退化[21]。因此，在礦區生態恢復中，可以適當通過人工整治加速植被物種的恢復，反哺改良土壤理化性質，以增加地區植被與土壤間的耦合協調性 ，促進采煤區生態系統的修復質量。

5 結論

（1）典型采煤擾動不同生境土壤的含水率、硬度均低于未采煤區，其中未采煤區的土壤含水率顯著高于矸石場和裂縫區（P＜0.05），電導率和容重高于未采煤區，土壤孔隙度（除矸石場外）高于未采煤區。

（2）采煤后形成的矸石場、裂縫區及塌陷區，土壤的pH值高于未采煤區，土壤的有機質和養分含量均低于未采煤區。

（3）采煤后形成的矸石場、裂縫區以及塌陷區土壤酶活性與未采煤區相比均有一定下降，同時這些區域對土壤及植被造成不同程度的損害，其中塌陷區受損最為嚴重。

（4）采煤后的矸石場、裂縫區及塌陷區的植被物種數、密度（喬木）、蓋度（草本和灌木）及生物量均顯著低于未采煤區，其中塌陷區的物種數、密度（喬木）、蓋度（草本和灌木）及生物量降幅最大。

（5）由主成分分析得知，采煤后的矸石場、裂縫區及塌陷區的主成分綜合得分均低于未采煤區，且塌陷區的綜合得分最低。

（6）榆林采煤塌陷區土壤疏松，更利于植物生長，所以在多數情況下塌陷區的植物多樣性要強于未塌陷區的。