采煤沉陷區典型植被分布與地形地貌及地下水關系研究

劉 剛

（1.煤炭開采水資源保護與利用全國重點實驗室，北京 100011；2.神華神東煤炭集團有限責任公司，內蒙古 鄂爾多斯 719315）

毛烏素沙地與黃土高原丘陵過度帶分布有豐富的煤炭資源，該區域氣候環境惡劣，生態環境脆弱，加之高強度煤炭開采導致地面塌陷，造成地表水系破壞和地下水位下降，使得西部脆弱的生態環境加劇惡化[1]。相關研究表明，采煤塌陷形成的采空區破壞了巖層的完整性，改變了含水層結構，增加了大氣降水的入滲通道和地下水的徑流通道，改變了地下水的補給、徑流和排泄條件[2]。周金余等[3]研究指出，采煤造成了地表水系受損、導水裂隙帶受損，使得地下水運移發生變化，對地表生態植被生存空間造成不可逆破壞；范立民等[4]的研究表明，淺埋深煤層區采煤會導致地下水遭受破壞，進而對依賴地下水資源的植被產生嚴重影響。相關研究發現植被的分布除了與地下水存在一定關系外，還與其植被本身的特性以及所處環境密不可分。張友焱等[5]研究發現土壤水分是制約沉陷區植物生長的關鍵因素，地形地貌因素對土壤水分影響大，進而影響到植被的選擇性分布；張進虎等[6]對毛烏素沙地地下水埋深與植物群落關系進行研究表明，地下水埋深在4.0 m 范圍內，對根系較淺的濕生植被分布影響最大；夏含峰等[7]研究發現喬灌植被會隨著地下水位的增加呈現由喜水植被過渡為耐旱植被，受地下水制約，植被出現演替變化趨勢等。諸多研究表明土壤水的變化對一些植被的生存環境產生了影響，甚至加劇了該類型植被演替趨勢，但極少研究采煤沉陷區裂縫發育及地表下沉造成的地下水、地表水遭受破壞情況下植被生長受影響狀況，以及植被分布受地形地貌變化的影響關系。因此，以大柳塔采煤沉陷區為研究對象，探索沉陷區地下水位受損條件下，植被分布與地形地貌、土壤水、地下水之間的影響關系，揭示采煤沉陷區地表生態植被分布特征以及受采動破壞的影響狀況，為神東礦區推進黃河流域生態保護與高質量發展提供先行依據，為牢筑黃河流域生態屏障、保障黃河流域高質量發展提供理論技術支撐。

1 研究區概況

神東礦區位于黃河中上游流域，地處陜西、內蒙古和山西三省區交界處，位于鄂爾多斯高原東南部及陜北黃土高原北部邊緣和毛烏素沙地東南邊緣；海拔高度介于1 020～1 380 m 之間，地形地貌多以黃土梁、沙丘、沖蝕溝谷為主[8]；氣候類型為溫帶干旱、半干旱大陸性季風氣候，春季多風，夏秋多雨，近五年平均降水量為449.23 mm，年蒸發量約1 320 mm，年均日照時數可達3 200 h；土壤多以風積沙土、栗鈣土、粉砂巖、粗骨粒土為主[9]，孔隙度為17%～59%，pH 值介于6.7～8.8。土壤有機質含量低，植被多以耐旱、耐寒、耐鹽堿地植物為主[10]。研究區所在位置為神東礦井田大柳塔52506工作面和52507工作面，經度：110°22′43.07″～110°21′21.73″，緯度：39°17′56.53″～39°18′19.85″（圖1）。

圖1 研究區調查設計Fig.1 Design of research area survey

2 材料與方法

2.1 樣方設計

以研究區工作面內山坡、溝谷地帶及沙丘作為研究對象，將坡體劃分為坡頂、坡中、坡底、溝谷以及沙丘地貌5 個樣方調查區，每個樣方調查區按照垂直樣線調查方式，等間距設計30 m×20 m 的生態調查樣方，每個區包含6 個小分區。統計樣方的地形地貌、坡度、土壤質地、典型植被優勢群落及優勢種分布等信息。采用手持TDR 測定調查樣方內土壤近地表30 cm 深度的土壤含水率；采用環刀法進行測定土壤孔隙度；采用水文鉆孔觀測沉陷區坡頂、坡面、坡底不同深度的地下水分布狀況。

2.2 數據計算

地表裂縫統計方式采用卷尺測量裂縫寬度；土壤含水率采用手持TDR-350 直接測定；植被蓋度指植物群落總體或各個體的地上部分的垂直投影面積與樣方面積之比的百分數。它反映植被的茂密程度和植物進行光合作用面積的大小。相對蓋度是指群落中某一物種的分蓋度所占調查樣方內所有群落分蓋度之和的百分比。土壤孔隙度=（1-土壤容重/土壤比重）×100，指的是單位體積內土壤孔隙所占的百分數。它的數量與大小影響土壤透水、透氣及蓄水能力。

3 數據分析

3.1 沉陷區典型植被分布特征

受地形地貌影響，植被條帶分布也存在顯著差異性[11]。沉陷區植被的分布與地形地貌存在緊密關系，沉陷區植被分布劃分為沙丘植被帶、山坡垂直走向植被分帶、溝谷植被分帶三大類。不同地形地貌植被分布特征和優勢群落的相對蓋度如圖2 和圖3所示。

圖2 不同地形地貌植被分布特征Fig.2 Distribution characteristics of vegetation in different landforms

圖3 不同地形地貌優勢群落的相對蓋度Fig.3 Relative coverage of dominant communities in different landforms

1）坡頂：旱生草甸植被（圖4）。坡頂沉陷區地貌以沖刷侵蝕、沙丘地貌為主。土壤質地以草甸土、細沙粒土為主。沉陷區土壤質地較密，地表分布有輕微裂縫，寬度為10～45 cm，未對地表造成明顯破壞現象。土壤孔隙率為8.5%～14.6%，近地表30 cm深度土壤含水率為8.40%～24.15%。坡頂以耐旱草甸植被芨芨草、賴草、胡枝子為主，夾雜少量長蕊石頭花、硬質早熟禾。如圖3 所示，優勢物種為芨芨草；優勢群落為芨芨草+賴草+胡枝子群落，相對蓋度為79%。灌木類植被則以少量檸條+黑沙蒿為主，相對蓋度為18%，此外，坡頂相對平坦的黃土區域零星散落分布有狗尾草、黃戴戴、鵝寸草苔且數量較少，相對蓋度占3%。總體上，坡頂區域以草甸植被為主，植物株高普遍低矮。

圖4 坡頂調查區Fig.4 Survey area at the top of the slope

2）坡中：旱生灌草植被（圖5）。坡中地貌以沖刷侵蝕地貌為主，坡中出現有明顯裂縫，裂縫寬度為4～12 cm，小范圍出現臺階式塌陷。土壤質地以草甸土、風沙土為主，土壤孔隙度為11.2%～16.4%，含水率為9.39%～22.23%。陽坡面典型的灌草植被有豬毛蒿、檸條、糙隱子草、長蕊石頭花夾雜少量黑沙蒿，優勢物種為豬毛蒿，優勢群落為豬毛蒿+糙隱子草+長蕊石頭花。陰坡面植被的分布與陽坡面存在顯著差異，同一種植被在陰坡面葉片相對寬大，地上部分長勢更為旺盛。陰坡面主要有草木樨狀黃芪、芨芨草、白蓮蒿、狹葉柴胡、檸條、細葉蔥、山韭一類，優勢種為草木樨狀黃芪。坡面優勢群落為豬毛蒿+芨芨草+長蕊石頭花+草木樨狀黃芪，相對蓋度為82%，群落高度20～175 cm 不等，低洼處還分布極少數小葉楊、旱柳，且對水源有一定需求。

圖5 坡中調查區Fig.5 Survey area in the middle of the slope

3）坡底：半旱生喬草植被（圖6）。坡底土壤主要為黃綿土、泥沙沉積土，土壤含豐富礦物質，土體呈淺灰色。溝谷地帶分布有大型塌陷和滑坡，裂縫寬度為10～40 cm，靠近溝谷帶以河床沉積物為主，顏色呈灰黑色，有機質含量較高。土壤含水率為19.39%～32.23%，孔隙率為9.36%～15.23%。坡底、坡底靠近河邊一帶，主要分布為喬木類，旱柳、小葉楊及少量榆樹，喬木高度為8～20 m；灌木主要是小葉錦雞兒、白蓮蒿，株高1.2～2.4 m；草本主要為堿草、白草、狗娃花以及委陵菜、苦苣。坡底優勢物種為堿草，優勢群落為旱柳+小葉楊+堿草，相對蓋度為81%。

圖6 坡底調查區Fig.6 Survey area in the bottom of the slope

4）溝谷：水生植被（圖7）。靠近溝谷河床邊分布有蘆葦以及菖蒲生于富含腐殖質的淤泥中，以及多年生濕生植物，尖被燈芯草、節節草、車前、酸膜葉蓼、歐亞旋復花群落是一個廣幅濕生植物，優勢群落為蘆葦+大石燈芯草+旋復花+菖蒲，相對蓋度大，可達83%。

圖7 溝谷調查區Fig.7 Survey area in the river valley

5）沙丘：沙生植被（圖8）。沉陷區風積沙丘地帶，土壤類別為風積沙土，質地粗糙，粉砂粒及黏粒的含量較低，沙粒占土壤礦質重量的80%～90%，地表無明顯塌陷、裂縫。近地表30 cm 深度土壤含水率可達4.4%～13.6%，孔隙率為16.5%～21.6%。受沙丘地形地貌影響，沙丘主要分布根系發達的沙柳、黑沙蒿灌木類植被，混生有檸條、牛心樸子灌草類。優勢物種為黑沙蒿，優勢群落為沙柳+黑沙蒿+檸條，相對蓋度為80%，受近地表土壤含水率影響，草本植被分布極少，灌木類居多且葉片稀疏，植被整體郁閉度低，植株低矮，少部分黑沙蒿出現干枯狀。

圖8 沙丘調查區Fig.8 Survey area in the sand dune

3.2 沉陷區典型植被分布與地下水關系

不同地形地貌內的植被分布與地下水之間也存在一定關系（表1）[12]。沙丘地帶地下水位埋深為12～25 m，受采煤塌陷影響，水位下降流失。沙丘地帶沙柳、黑沙蒿植株雖根系發達，卻也無法利用地下水，生長主要依靠大氣降水維持生存，該地帶沙柳、黑沙蒿分布稀疏，部分枝干出現干枯，老化現象。沉陷區坡頂地下水埋深為28～45 m，該地帶主要分布著匍匐地表，植被根系發達，植株較小的草甸植被群落，根系發育深度一般不超過0.5 m，顯然該類草甸草本類植被并未依賴地下水生存。坡中垂直分布地帶，植被以灌草群落為主，區別在于陰坡面半灌木、灌木類生長在沖刷溝壑邊緣帶，受塌陷裂縫影響，坡中地下水水位呈下降趨勢，深度在17～30 m，且含水層局部有儲水，該地段的草本植被長勢良好，而灌木類有植株矮小的沙柳、檸條，體型較大的單株沙柳、檸條均已明顯死亡，相關研究也表明采煤導致地下水位下降進而引發植被生長缺水致死[13]。坡底、溝谷一帶地下水位埋深最深約15 m，最淺只有2 m，分布有大面積的高大旱柳、小葉楊、榆樹以及喜濕、喜陰的菖蒲、蘆葦、旋復花、節節草等植被，此類型植被群落因水而生，水干時植被群落也相應消失。

表1 研究區植被分布和地下水關系Table 1 Relationship between vegetation distribution and groundwater in the study area

3.3 沉陷區裂縫對地下水及典型植被的影響

不同地形地貌分布的原生植被與土壤水、地下水之間存在緊密關系[14]，隨著煤炭的開采，地下水疏排措施使得地下水位急劇下降，導致一部分依賴地下水生存的植被受影響[15]。煤炭開采導致上覆巖層發生斷裂、破壞、位移、變形，風化基巖含水層、第四系松散層結構發生破壞，在導水裂隙的發育作用下，水向采空區滲漏，地下水位進一步降低[16]。如圖9 所示，采空區上覆未斷裂區域以及上覆松散層雖然受塌陷、裂縫發育影響，導致含水層水系遭受破壞，水系下降，但還存在局部儲水，對于地表的一些生態植被形成持續滋養，此類型生態植被受影響狀況很難在短期內觀測出影響變化。裂縫發育對于地表生態植被的破壞形式主要發生在裂縫邊緣地帶[17]。沉陷區塌陷及地表可觀測到的裂縫相對少，但在裂縫邊緣帶明顯觀測到植被的根系有明顯的拉伸、撕裂和阻斷現象，植被長勢遭受嚴重影響[18]。受采煤擾動影響，依賴地下水的一小部分喬灌木類植被，一旦在地下水遭受破壞損失殆盡情況下，該類型植被很難在短時間內適應缺水脅迫，導致植被葉片在短期內出現脫落，枝條出現干枯狀，僅留少部分葉片維持生命。特別是在溝谷地帶區域，零星發現一小部分原本長勢特別旺盛的喬木類、灌木類植被在短時間內就出現葉片大面積脫落，甚至出現死亡癥狀，而山頂、坡面出現的體型矮小，呈小老頭樹癥狀的喬灌木類植被不存在此類現象。

圖9 裂縫對地下水位及植被影響Fig.9 Impact of cracks on groundwater level and vegetation

3.4 沉陷區典型植被與地下水相關性分析

Pearson 相關性分析結果表明，生長在不同地形地貌的植被與土壤水、地下水之間存在緊密的關系。表2 數據顯示，研究區絕大部分植被的豐度與土壤含水率呈正相關，其中，沙柳、黑沙蒿、檸條、牛心樸子、賴草、豬毛蒿、長蕊石頭花、草木樨狀黃芪、旋復花的豐度與土壤含水率呈顯著相關性（p＜0.05）；芨芨草、堿草、大石燈芯草與土壤含水率呈極顯著相關性（p＜0.01）。當地下水埋深不超過5 m 時，沙柳、黑沙蒿、檸條、小葉楊、旱柳、蘆葦、大石燈芯草、旋復花、菖蒲的豐度與地下水呈顯著相關（p＜0.05）；當地下水埋深介于10～15 m 時，沙柳、檸條、小葉楊、旱柳的豐度與地下水呈顯著相關性（p＜0.05）；當地下水埋深介于15～30 m 時，只有旱柳、小葉楊與地下水存在顯著相關性（p＜0.05）；當地下水位埋深在30 m 以下時，喬木、灌木、草本植被的豐度與地下水呈弱相關和呈極弱相關。總體來看，越靠近地表的土壤水、地下水，與生態植被豐度之間的相關性就越強，多數地表生態植被豐度主要受控于近地表土壤水和地下水。

表2 沉陷區典型植被豐度與土壤水、地下水相關性分析Table 2 Correlation analysis of typical vegetation abundance,soil water and groundwater in subsidence area

4 討論

調查樣方內的植被有規律地分布在沙丘、山坡、溝谷一帶。從數據分析可知，沙丘一帶植被的根系異常發達，且耐旱性極強，甚至葉片出現退化，以此應對強蒸發。山頂至山底、溝谷一帶，植被由草本植被向灌草再向喬草過渡。山頂草甸類植被植株低矮，匍匐于地面，植物的葉片細小在夏季起到良好的抗蒸發作用，此外，低矮草甸植被在抗風、抗旱、抗寒方面的作用突出。山坡面以旱生灌草植被類為主，且植被豐富度最高，種類最多，分析其原因主要是山坡面存在不同的局部小生態環境，背陰、向陽、沖刷溝壑，地形地貌結構多樣，垂直分帶明顯，導致植被出現的種類及多樣性大大增加。坡底的環境氣候特點明顯與山頂、山坡面不同，該區域氣候環境相對濕潤，特別是夏季在坡底、溝谷一帶山風不流通，在強蒸發作用下，形成水肥氣熱蒸籠效應，促使一部分半旱生、喜濕植被短期內迅速生長，對于一部分長勢繁茂的喬木、灌木類植被，無疑提供了滿足其生長發育的水源。

不同地形地貌內的植被分布與地下水之間也存在一定關系[19]。沉陷區山頂草甸植被以及山坡面典型的灌草植被的生長主要依賴大氣降水，該沉陷區域內地下水破壞殆盡，地下水埋深較深，灌草類植被長勢不受影響說明幾乎不受地下水影響。數據顯示在山頂、坡面分布極少的喬木類植被雖呈現小老頭樹癥狀，但未出現葉片大面積突然脫落狀況，而生長在溝谷一帶原本長勢茂盛的喬木、灌木類植被在采煤擾動導致的地下水遭受破壞的條件下，植被的葉片在短時間內萎蔫、葉片大面積脫落，變得稀疏，部分灌木出現干枯脫落。說明在溝谷、坡底一帶喬灌木類植被原本對地下水源有極高的依賴性，因而長勢繁茂，在地下水突然遭受破壞條件下，一時間難以適應土壤水、地下水缺失的劇變，進而無法維持地表原本繁茂的枝葉蒸騰作用，而出現葉片脫落，甚至短期內死亡現象。而山頂、坡面的呈現小老頭狀的喬灌木類在長時間缺水條件下，根系發育異常發達，地上部分僅保留維持生命的極少部分葉片，以此減少蒸發維持生命。對沉陷區不同的植被與地下水進行相關性分析進一步證明研究區內少部分喬灌類植被確實對地下水存在依賴關系，當地下水埋深在5 m 范圍內，沙柳、黑沙蒿、檸條、小葉楊、旱柳、蘆葦、大石燈芯草、旋復花、菖蒲均與地下水存在顯著相關性；當地下水埋深介于10～15 m 時，沙柳、檸條、小葉楊、旱柳與地下水呈顯著相關；當地下水埋深超過15 m 時，只有根系發達的小葉楊和旱柳與地下水呈顯著相關。當地下水位埋深超過30 m 以下時，喬、灌、草類植被的豐度與地下水的關系呈弱相關和極弱相關，說明地下水埋深越深對植物的影響能力也就越小。

沉陷區塌陷、裂縫發育使得地表生態植被遭受一定程度的破壞，但破壞的程度非致命性的[20]。塌陷、裂縫發育對于地表部分植被的根系造成阻斷影響，對于大部分不依賴地下水生存的植被造成的影響極小[21]。對比采煤前后植被的長勢以及種類幾乎沒明顯變化，僅僅發現裂縫邊緣帶植被根系在明顯的裂縫發育拉扯、阻斷情況下出現死亡，而未看到明顯裂縫發育區域范圍內植被長勢良好，短期內幾乎看不到明顯影響。但從長遠角度分析，短期內無法辨別出地下水位下降對地表生態的影響，但沉陷區裂縫的發育，以及覆巖移動變形，地表下沉等運動，使得含水層水系產生更多導水裂隙，使得地下水流失殆盡，短期內無法恢復，在這樣的條件下可能會使得近地表松散層含水層無法對土壤水形成補給作用，長期狀態下，可能導致沉陷區近地表植被出現演替現場，由耐旱型草甸植被向沙生植被演替。

5 結論

1）研究區植被隨著地形地貌呈現一定分布規律，從山頂到山底、溝谷，植被分帶依次由草甸植被、灌草植被、喬草植被、水生植被帶過渡，且植被總體上由低到高的變化趨勢。沙丘地帶則以沙生植被為主。

2）沉陷區一少部分長勢旺盛的旱柳、小葉楊、沙柳、檸條喬灌木類植被在地下水位下降后，短期內缺水導致出現葉片脫落、枯萎狀態，沙丘、山頂、溝谷草甸植被、喬木類植被受影響較小。

3）沉陷區塌陷、裂縫使得到水裂縫帶受損，地下含水層水系結構破壞，地下水位下降顯著，但對于地表的生態植被的影響在短期內未呈現出顯著影響趨勢。

4）對沉陷區典型植被與地下水之間進行進一步的相關性分析表明沉陷區不同地帶草本類植被未受地下水影響，喬灌木植被如沙柳、黑沙蒿、檸條、旱柳、小葉楊之類的極少部分曾依賴地下水生存的植被，在地下水受損后表現出顯著性影響。