神木北部采煤塌陷区土壤与植被损害过程及机理分析

王双明,杜华栋,王生全

(1.西安科技大学 地质与环境学院,陕西 西安 710054；2.西安科技大学 煤炭绿色开采地质保障技术研究所,陕西 西安 710054)

神木北部采煤塌陷区土壤与植被损害过程及机理分析

王双明1,2,杜华栋1,2,王生全1

(1.西安科技大学 地质与环境学院,陕西 西安 710054；2.西安科技大学 煤炭绿色开采地质保障技术研究所,陕西 西安 710054)

通过对神木北部矿区塌陷1，2，5，10 a和未塌陷区植物群落调查和土壤因子的测试，采用因子分析法评价不同塌陷年限下土壤质量和植被群落结构优劣，同时利用冗余和聚类分析研究植物与土壤之间的相互关系及其演变过程，并基于植被—土壤耦合模型判定不同塌陷年限土壤因子与植物群落耦合协调性。结果表明：① 采煤塌陷导致土壤质量与植被群落结构退化，随塌陷时间的推移呈自然恢复趋势，但10 a后植物群落结构和土壤因子仍不能恢复至塌陷前水平；② 塌陷区土壤有机质、水分和微生物是决定土壤质量和植物群落特征的关键因素，土壤硬度、速效养分和酶类是影响植物群落生产力和多样性的主要因子，而全效养分影响力相对较小；③ 塌陷区植物群落和土壤质量大体经过退化、改善和初步恢复3个不同的演化阶段；④ 植被与土壤的耦合协调性塌陷2 a后逐渐恢复，但至塌陷10 a仍未达到未塌陷地良好的耦合协调水平。神木北部矿区采煤对生态环境损害具有一定延续性，且生态系统自修复能力较弱，因此减少采动损害、实行自然与人工修复相结合应作为该区生态环境保护的指导原则。

神木北部矿区；采煤塌陷；土壤质量；植被演替；耦合模型

目前我国一次性能源消费构成中煤炭占71.3%[1]，其中95%以上的煤炭采用井工开采方式。这种开采方式形成大范围的采空区，导致周围岩层发生复杂的移动变形，使上覆岩层发生冒落、产生裂隙和弯曲下沉，地表形成塌陷并产生了大量的裂缝[2-3]。这种由采煤引发的地面塌陷不仅对土地资源造成威胁，而且带来一系列生态环境问题，如地下水渗漏、水资源污染、植被退化、土壤侵蚀加剧、土壤质量下降等[4-6]，因此研究采煤塌陷对生态环境产生影响成为矿区生态环境保护的热点问题[7]。榆神府区是我国西部重要的能源重化工基地，处于水蚀和风蚀交错地带的生态脆弱区，煤炭资源开采和工业建设使得该区生态环境遭受损害，土地生产力、植被与土壤相互关系退化[8]。

国内外学者针对采煤塌陷对生态环境的影响规律及程度开展了诸多研究，如采煤塌陷地裂缝发育规律、土壤质量变化、地表植被群落变化、生态环境修复过程等。部分学者认为采煤塌陷对生态环境具有明显且可持续的影响[9-10]；也有学者则得出相反的结论[11-12]。一般认为植被恢复是生态系统恢复的最佳途径[13]，而土壤质量是决定植被演替及生态恢复的决定性因子[14]，因此研究采煤塌陷后土壤植被的演替过程是矿区生态环境修复的理论基础。前人对采矿扰动后植被群落、环境因子及其之间相互关系进行了研究[12,15-16]，但大多基于静态分析，得出的结论亦不尽相同[17-18]。且针对塌陷后随时间推移土壤质量和群落结构的动态演化规律研究相对较为薄弱。

本文选择地质条件基本相同、地形地貌相似的神木北部矿区，对塌陷1，2，5，10 a和未塌陷区植物群落、土壤因子进行系统调查和测试。在此基础上，通过因子分析对土壤质量和植被群落进行评价；采用冗余分析和聚类分析，研究植被群落与土壤因子的演替规律；引入植被—土壤耦合模型，研究土壤植被的耦合协调程度。以期为该区域采煤塌陷地生态环境恢复提供科学的理论指导和实践依据。

1 研究方法

1.1 研究区概况

研究区位于榆神府北部核心区神木北部矿区(E 110.0°～110.4°，N 39.18°～39.48°)，包括大柳塔、活鸡兔、哈拉沟、前石畔、上湾、祁连塔、瓷窑湾和石圪台井田(图1)。该区海拔1 100～1 300 m，年平均降水量415.0 mm，年平均蒸发量1 788.4 mm，年平均日照时间2 875.9 h，年平均气温8.6 ℃，年平均风速3.2 m/s。大地构造单元属华北地台鄂尔多斯地块，土壤类型以风沙土为主。植被群落为以沙柳(SalixPsammophila)、沙蒿(ArtemisiaDesterorum)、柠条(CaraganaKorshinskii) 等为建群种的沙生植被组合。

图1 采样位点分布

该区含煤地层为侏罗系中统的延安组，煤层呈平缓单斜构造，煤层埋深为100～200 m。煤炭开采方式主要采用综合机械化长臂式开采工艺，综采工作面长200～400 m，工作面间留有20～30 m宽的护巷煤柱[19]。随着煤炭的大量开采，煤层上覆岩层发生冒落、产生裂隙和弯曲等不同程度的采动损害，地表出现大量裂缝，裂缝宽度在10～50 cm，垂直位移在0～80 cm。区内土壤疏松，由于水力风力侵蚀和沙土自然沉降，塌陷裂缝在短时间弥合掩盖。

1.2 实验设计与方法

1.2.1 样地设置

在广泛收集研究区内主要矿井的煤炭开采类型、规模、开采深度、采煤方式的基础上，确定采空区范围和地表塌陷时间。按1，2，5，10 a 4种塌陷年限，每种年限选择7块土壤类型、海拔、地形等条件相近的塌陷地作为采样地，同时每块样地选择一块邻近、下垫面状况一致且没有受到塌陷影响的样地作为对照。分别于2014年和2015年7—8月进行土壤取样与植被调查。

1.2.2 试验方法

每个样地设立3个重复样方，样方大小草本2 m×2 m，灌木5 m×5 m，乔木10 m×10 m。调查每个样方内物种及其数量、冠幅、盖度、高度和样方植被总盖度等，并剪取主要物种地上生物量，带回实验室，105 ℃下烘干称重。同时记录群落的地形因子、地表塌陷状况等。基于上述调查数据选取Shannon-Wiener指数、Simpson指数、Pielou指数与Margalef 指数作为植被多样性的评价指标，公式参见文献[20]。

土壤采样每块样地随机选择5个点取土壤理化性质变化最强烈和植物根系吸收水分最活跃的0～60 cm土层土壤样品。在样地内每个取样点分别挖取一个面积约为1 m×1 m、深为1 m 的土壤剖面，依据不同的土壤深度用标准环刀(100 cm3) 分层取样用于土壤容重的测定；用20 cm×10 cm铝制饭盒分层取原状土用于测定土壤机械组成；用水分钻分别取不同土层土样放入铝盒用于分析土壤水分含量；在土壤剖面分3个点分层取适量土壤样品，带回室内自然风干，进行土壤理化指标的测定与分析；土壤酶和微生物指标在土壤剖面分3个点分层取适量土壤样品，用锡纸包好装于纱布袋中放入液氮罐，回到室内保存于-80 ℃冰箱中待测。用土壤硬度计在土壤剖面内分层直接测定各土层土壤硬度。

土壤物理指标[21]：土壤容重采用标准环刀法；土壤机械组成用简易比重计法；土壤孔隙度采用土壤密度换算法。土壤化学指标[21]：土壤有机质用重铬酸钾法；土壤全氮用半微量开氏法；速效氮测定采用减解扩散法；全磷测定采用NaOH熔融-钼锑抗比色法；速磷测定采用NaHCO3浸提-钼锑抗比色法；全钾测定采用HF酸消解-火焰光度计法；速钾测定采用 NH4COOH 浸提-火焰光度计法；土壤含水量采用烘干法；土壤pH用pH计测定。土壤微生物数量采用稀释平板涂抹法[22]，其中土壤细菌用牛肉膏—蛋白胨培养基测定；土壤真菌用马铃薯葡萄糖琼脂培养基测定；土壤放线菌用高氏1号培养基测定。土壤酶类测定[23]：蔗糖酶用3,5—二硝基水杨酸比色法测定；脲酶用比色法测定；碱性磷酸酶用磷酸苯二钠比色法测定；脱氢酶用氯化三苯基四氮唑比色法；过氧化氢酶用紫外分光光度法；多酚氧化酶用邻苯三酚比色法。

1.3 数据处理及分析方法

植被群落特征和土壤因子调查研究结果数据采用SPSS 20.0软件对数据进行统计检验，剔除异常值，结果用平均值±标准偏差(SD)表示；用单因素方差分析(one-way ANOVA)和最小显著差异法(LSD)比较不同塌陷年限间的差异显著性，差异显著性水平设定为α=0.05。

1.3.1 因子分析法

在综合分析不同地表塌陷年限下土壤理、化、生因子和植被群落结构变化特征的基础上，基于因子分析法[24]评价不同年限下土壤质量和植被群落结构优劣。

1.3.2 聚类分析与冗余分析

对不同塌陷年下样地进行聚类分析，方法基于SPSS 20.0采用平方欧式距表示组间相似性，选用组间联接法通过逐渐归得到聚类结果，用以分析矿区不同塌陷年限下植物群落与土壤因子的演化阶段。

基于CANOCO 4.5软件采用线性冗余分析(RDA)方法，探索植物群落特征与土壤因子之间的关系。

1.3.3 耦合关联模型评价

为探究塌陷损害后植被和土壤之间演化过程中的协调程度，构建植被土壤耦合协调评价模型。模型在对调查和测试得出的植被与土壤指标进行标准化处理后，基于主成分分析法分别确定植被与土壤各指标的权重[25]。模型评价中首先构建植被和土壤的综合评价函数，评价不同塌陷年限植被生长与土壤质量好坏；第2步构建植被和土壤耦合度，评价土壤与植被系统组合状态；最后加入系统总体发展水平的成分，判别土壤植被系统整体协调发展水平的高低。耦合关联度模型构建方法和分类评判标准见文献[26]。

2 土壤和植被损害过程及特征

2.1 土壤质量和植被群落变化特征

由表1可以得出，采煤引起地表塌陷初期(1～2 a)土壤理、化、生因子总体上表现出一定的退化趋势，土壤容重、硬度、含水量、有机质、速效氮、速效磷、速效钾、全钾含量、酶类活性和菌类数量均有显著减小(P<0.05)，土壤孔隙度和pH 值增加(P<0.05)，而全氮和全磷含量变化不明显(P>0.05)；塌陷区自然恢复条件下5 a后土壤质量呈现出改善的趋势，其中土壤物理性质、水分和全效养分在塌陷10 a后可基本恢复至塌陷前水平(P>0.05)；但土壤速效养分、pH、有机质和土壤生物活性经过10 a的土壤自修复仍未完全恢复。同时由表1不同塌陷年限植被群落特征看，地表塌陷使得植被退化，群落多样性、盖度和生产力显著下降(P<0.05)，且除表示群落物种丰富度的Margalef指数外，其他衡量植物群落多样性和生产力的指标在自然恢复10 a后仍未恢复至塌陷前水平(P<0.05)。土壤因子和植物群落指标演化特征表明，采煤塌陷对土壤质量和植被结构的损害具有一定的延续性。

表1 不同塌陷年限土壤植被特征及其指标权重

Table 1 Topsoil properties,plant community characteristics in different years of coal mining subsidence and its weights

指标USS1S2S5S10权重水分WM/%6.66±0.39a2.7±0.33c4.12±0.69b5.63±1.45a6.24±0.55a0.0906孔隙度SP/%32.16±2.48b41.82±2.45a36.77±5.08ab34.07±2.36b30.13±3.75c-0.0855容重BD/(g·cm-3)1.55±0.06b1.31±0.15c1.47±0.08bc1.57±0.06b1.63±0.13a0.0773硬度SH/(kg·cm-2)2.06±0.03a1.52±0.1c1.54±0.08c1.82±0.13b2.02±0.07a0.0900有机质OC/(g·kg-1)1.32±0.21a1±0.31bc0.89±0.19c0.99±0.11bc1.18±0.18b0.0507全氮TN/(g·kg-1)0.12±0.02a0.13±0.03a0.12±0.04a0.14±0.02a0.13±0.02a-0.0221速效氮AN/(mg·kg-1)21.46±1.35a16.23±3.17b14.34±4.74c17.47±0.9b16.71±5.34b0.0588全磷TP/(g·kg-1)0.4±0.12a0.42±0.04a0.42±0.06a0.46±0.06a0.42±0.09a0.0202速效磷AP/(mg·kg-1)3.61±0.64a2.45±0.64c2.47±0.24c2.58±0.42b3.53±0.2a0.0617全钾TK/(g·kg-1)18.5±1.21a13.06±3.76c16.65±3.82b16.62±2.83b18.75±1.58a0.0779土壤指标速效钾AK/(mg·kg-1)76.49±10.08a51.62±4.51d58.54±7.6c65.18±6.31b76.28±9.46a0.0775pH8.06±0.01d8.34±0.09a8.36±0.1a8.24±0.07b8.12±0.05c-0.0903脲酶SU/(mg·(g·h)-1)0.11±0.01b0.14±0.02b0.2±0.03a0.22±0.04a0.22±0.02a0.0073过氧化氢酶SC/(mg·(g·h)-1)1±0.15c0.35±0.04b0.35±0.04b0.42±0.04a0.34±0.03b0.0609蔗糖酶SI/(mg·(g·h)-1)34.35±5.88a20.46±2.67b16.46±2.31c18.63±3.03bc31.75±2.48a0.0686碱性磷酸酶AH/(mg·(g·h)-1)2.03±0.44b1.27±0.3d1.38±0.12d2.88±0.53a1.64±0.2c0.0530多酚氧化酶PO/(mg·(g·h)-1)0.69±0.28b0.32±0.03d0.45±0.07c0.65±0.1b0.84±0.25a0.0734脱氢酶SD/(mg·(g·h)-1)0.22±0.02a0.08±0.01d0.08±0.01d0.12±0.02c0.15±0.02b0.0828真菌数SF/(103个·g-1)7.6±0.68a2.68±0.44d2.92±0.47d3.84±0.81c6.05±0.64b0.0867放线菌数SA/(104个·g-1)18.77±7.04a5.07±1.29d12.01±1.49c16.11±1.87b19.26±1.95a0.0814细菌数SB/(105个·g-1)33.39±6.39a15.46±0.69d16.63±4.26d21.92±3.76c26.35±4.21b0.0790物种数S/(种·m-2)8.84±0.82a7.38±1.63b5.08±0.97c5.80±0.81c6.97±0.69b0.1465密度N/(棵·m-2)55.41±5.58a27.31±2.68b19.11±2.02c25.22±4.94b50.91±6.52b0.1423盖度C/%57.35±6.53a44.29±9.9c37.75±7.2d51.24±15.6b50.91±8.37ab0.1363生物量M/(g·m-2)176.79±22.49a124.09±14.59c97.53±19.22d123.06±17.94c144.38±10.8b0.1657植被指标Simpson指数0.65±0.08b0.64±0.11b0.42±0.06c0.59±0.09b0.73±0.1a0.1207Shannon-wiener指数1.48±0.53b1.08±0.44bc0.88±0.24c1.26±0.27b1.84±0.34a0.1177Margalef指数1.67±0.25c1.67±0.33c1.52±0.27c2.37±0.27a2.09±0.2b0.0411Pielou指数0.75±0.11a0.44±0.06c0.44±0.17c0.64±0.13b0.68±0.15ab0.1297

注：不同小写字母表示不同地表塌陷年限差异显著(0.05水平)；S1,S2,S5,S10和US分别代表塌陷1 a、塌陷2 a、塌陷5 a、塌陷10 a和未塌陷地。

运用因子分析法对不同塌陷年限下的土壤质量进行评价，结果表明提取4个公因子对土壤样本方差的贡献率为94.9%(表2)，可以用这4个公因子代表原来的21个评价指标，其中第1个公因子具有较高载荷的土壤指标有土壤孔隙度、容重、水分、全钾、速效钾、pH和与土壤水分因子成正比的土壤菌类数量，其主要反映土壤透水、持水能力，因此可称为土壤持水因子(F1)；第2公因子具有较高载荷的土壤指标有土壤硬度、有机质、速效氮、全磷、速效磷、蔗糖酶和脱氢酶，其基本反映土壤生化活性和供给养分能力的大小，因此可称为土壤养分因子(F2)；第3公因子具有高载荷的指标有全氮、脲酶和过氧化氢酶，其主要反映了土壤氮素供应和转化速度，因此可称为氮素因子(F3)；第4公因子具有高载荷的指标主要是碱性磷酸酶，其对土壤磷素的有效性具有重要作用，因此可称为磷素因子(F4)。采用线性回归计算各不同沉陷年限各土壤公因子的得分，同时将各因子特征值的贡献率作为权重进行加权求和，可得到不同沉陷年限土壤综合评价得分(表3)，可以看出土壤持水因子(F1)在塌陷10年样地得分较高，而土壤养分因子(F2)在未塌陷地表现出较高的得分；土壤氮素因子(F3)和磷素因子(F4)在塌陷5 a和未塌陷地表现出较高的得分。综合评价不同沉陷年限下土壤质量，受到塌陷干扰后土壤质量下降，2 a后随着塌陷年限的增加逐渐恢复，但恢复10 a后土壤质量仍较塌陷地劣。

表2 土壤旋转因子载荷矩阵

Table 2 Rotated component matrix of soil index

指标F1F2F3F4指标F1F2F3F4水分WM0.8410.124-0.0230.487脲酶SU0.259-0.507-0.7850.156孔隙度SP-0.9700.1090.157-0.038过氧化氢酶SC0.4340.4360.7490.165容重BD0.947-0.070-0.1670.028蔗糖酶SI0.4460.8720.108-0.102硬度SH0.1000.7640.5530.221碱性磷酸酶AH0.385-0.0620.0520.895有机质OC0.1120.7600.1390.535多酚氧化酶PO0.6670.395-0.2670.352全氮TN-0.211-0.1360.9540.038脱氢酶SD0.6100.6340.4220.158速效氮AN-0.649-0.645-0.2460.147真菌数SF0.7290.6180.2170.069全磷TP0.2940.8870.262-0.054放线菌数SA0.8790.1940.0090.404速效磷AP0.316-0.8630.1960.008细菌数SB0.7010.6410.2880.077全钾TK0.8200.3920.2320.307特征根12.3604.3871.9361.249速效钾AK-0.735-0.631-0.028-0.211方差贡献率/%58.920.99.25.9pH0.7340.603-0.0270.252累计方差贡献率/%58.979.889.094.9

表3 不同采煤沉陷年限下各土壤因子得分及土壤质量综合得分Table 3 Scores of soil principal components and general soil quality in different years of coal mining subsidence

沉陷年限F1得分名次F2得分名次F3得分名次F4得分名次综合得分名次US0.41420.54110.96410.80220.5511S1-1.1485-0.1383-0.2734-0.8064-0.6085S2-0.0844-0.3185-0.9175-0.9095-0.3554S5-0.0063-0.21840.19220.96010.0483S100.82410.13220.0343-0.04630.3642

再运用因子分析法对不同采煤塌陷下植被群落结构优劣进行评价，结果表明提取2个公因子对植物群落样本方差的贡献率为91.9%(表4)，可以用这2个公因子代表原来的8个群落评价指标，其中第1个公因子具有较高载荷的有物种数、密度、盖度、生物量和Simpson指数，其主要反映植物群落生产力大小，因此可称为植被生产力因子(F1)；第2公因子具有较高载荷的参数是Shannon-wiener指数、Margalef指数和Pielou指数，其基本反映植物群落丰富度和均匀度的植被多样性指标，因此可称为植被物种多样性因子(F2)。同土壤公因子得分方法，计算不同年限植被公因子的得分和植被群落特征综合评价得分(表5)。可以看出植被群落生产力在未塌陷地最高，而在地表塌陷后2 a最低；而物种多样性因子地表塌陷初期虽有减小，沉陷2 a后增加迅速，塌陷5 a时具有较高得分；综合不同沉陷年限下植物群落生产力和多样性，受到塌陷干扰后植被群落退化，后随着塌陷年限的增加逐渐恢复，但自然恢复10 a后群落结构仍较未塌陷地劣。

2.2 植物群落与土壤因子关系及演化特征

采煤塌陷地植物群落特征、土壤因子和样地的冗余分析结果显示(图2)，冗余分析RDA1和RDA2两坐标轴能够解释86.2%的植被特征—土壤因子关系信息，说明排序结果可较好地反映了植被群落参数与土壤因子之间的关系。土壤因子除土壤孔隙度、pH、脲酶和全氮以外，其他所测定土壤因子都与植被群落特征指标呈正相关。成正相关指标以土壤水分、有机质为中心聚集在一起，表明这些土壤因子之间有很强的相关性。土壤硬度、含水量、有效养分和酶类对反映群落生产力和物种多样性的影响非常明显，是影响植被生长的关键性因子；而土壤全效养分和土壤物理性质对植物群落特征的影响相对较小。

表4 植被旋转因子载荷矩阵

Table 4 Rotated component matrix of vegetation index

指标F1F2物种数S0.9190.155密度N0.9150.189盖度C0.8830.439生物量M0.9140.382Simpson指数0.8700.407Shannon-wiener指数0.6570.699Margalef指数0.1010.973Pielou指数0.5070.776特征值6.2701.086方差贡献率/%78.313.6累计方差贡献率/%78.391.9

表5 不同采煤沉陷年限下各植被群落因子得分及群落质量综合得分

Table 5 Scores of plant community principal components and general community quality in different years of coal mining subsidence

沉陷年限F1得分名次F2得分名次综合得分名次US1.6091-0.51430.7891S10.1722-0.9255-0.1984S2-1.0635-0.8234-0.8995S5-0.80241.2551-0.0683S100.08331.00720.3772

图2 植物群落特征、土壤因子和样地的RDA三序图

图3聚类分析表明5种不同的塌陷年限的35样地划分为4类：塌陷1～2 a、塌陷5 a、塌陷10 a和未塌陷地。

图3 不同塌陷年限调查样地聚类结果

再结合冗余分析中样方随土壤因子梯度变化分布规律(图2)，塌陷后植物群落和土壤因子大体经过3个演替阶段(图2中标注)：第I阶段为退化期(塌陷1～2 a)，样地主要分布于三序图的第2象限，此阶段土壤因子和植物群落结构都处于退化状态；第II阶段为改善期(塌陷5 a)，样地主要分布于三序图的第3象限，此阶段土壤酶类和植物群落物种丰富度逐渐恢复；第III类为初步恢复期(塌陷10 a)，样地主要分布于三序图的第4象限下半部分，此阶段土壤速效养分、水分和物理性质等得到一定程度恢复，生物多样性亦有所提高。但由图2可以看出塌陷10 a与未塌陷样地(图2中第4象限上半部和第1象限下半部IV样地)距离虽然接近，但土壤质量与群落结构仍未完全恢复至塌陷前水平，尤其表现在群落生产力方面。

2.3 植物与土壤耦合协调演化特征

植物与土壤耦合协调模型计算过程中，植被综合指数f(x) 和土壤综合指数g(y)综合评价值越高，表明该塌陷年限下地表植被生长状况或土壤质量越好，由表7得植被综合指数f(x)在塌陷1 a时即达到最低值，后随着塌陷年限的增加植被生长状况好转，植被综合指数增加；与植被综合指数变化趋势不同，土壤综合指数g(y)在塌陷2 a时最低，后随塌陷年限增加而增大，土壤质量改善；但未塌陷地植被和土壤综合指数均高于不同塌陷年限样地，未塌陷地植被群落结构和土壤质量均优于塌陷地，与2.1节因子分析法评价结果相同。植被土壤系统耦合度C值表示两者之间组合同步性，从C值上看除塌陷1 a植被和土壤耦合度较小外，其他年限植被和土壤系统的耦合度均较高。在耦合度基础上加入表示土壤植被系统总体发展水平成分，引入系统耦合协调度，表征植被与土壤系统耦合协调程度，结果显示随着塌陷年限的增加土壤植被耦合协调度增加，表现为未塌陷地>塌陷10 a>塌陷5 a>塌陷2 a>塌陷1 a。未塌陷地表现为良好协调发展类土壤滞后型生态类型；塌陷首先损害了植被群落结构，使得塌陷1 a表现为轻度失调衰退类植被损益型；其后塌陷2 a土壤系统损害显出，表现为濒临失调衰退类植被土壤共损型；塌陷5 a和10 a分别表现为初级和中级植被土壤同步型协调型；塌陷地经过10 a自然恢复植被土壤仍未达到未沉陷地良好协调发展类状态。

表7 不同塌陷年限植被与土壤系统的耦合协调状况评判结果

Table 7 Evaluation results of plant community and soil coordination in different years of mining subsidence

塌陷年限f(x)g(y)CDf(x)/g(y)耦合协调模型US0.82380.65260.97450.84760.7922良好协调发展类土壤滞后型S10.09250.38080.39570.30604.1161轻度失调衰退类植被损益型S20.20630.19750.99900.44910.9571濒临失调衰退类植被土壤共损型S50.46030.41390.99440.65930.8992初级协调发展类植被土壤同步型S100.67690.53420.97240.76730.7892中级协调发展类植被土壤同步型

注：f(x)为植被综合评价函数；g(y)为土壤综合评价函数；C为植被土壤系统耦合度；D为植被土壤系统耦合协调度。

3 讨 论

3.1 土壤质量和植被群落损害机理

土壤第1公因子持水因子在采煤地表塌陷初期(1～2 a)受到严重损害，分析造成这种损害主要是由于塌陷初期地表开裂和沉降导致原有土壤结构破坏，土壤硬度、容重下降而孔隙度增加，土壤水分蒸发量增加，使得与土壤持水能力大大降低。而土壤第2,3和4公因子养分因子、氮素因子和磷素因子都表现出在地表塌陷2 a时含量最低，究其原因主要有两点：① 地表塌陷后土壤持水能力减弱使土壤微生物群落活性降低，加之分析表明土壤pH增加，从而使土壤养分的分解和转化循环受阻，土壤肥力降低[27]；② 塌陷的初期的地表扰动使塌陷区水蚀和风蚀作用加强，土壤有机质、速效氮、速效磷和速效钾流失量增加。上述塌陷初期土壤质量受损结果与前人研究结论基本一致[16,28]。塌陷2 a后土壤在各种外力和土体自身重力作用向下沉实使土体稳定，风蚀作用亦使细小的土壤缝隙填充，土壤变得紧实[29]，因此本次研究表明随塌陷时间延长土壤硬度和容重增加、空隙度减小，与顾大钊[30]研究晋陕蒙接壤区煤炭基地塌陷后土壤物理性质变化一致。本研究表明塌陷地土壤水分恢复10 a可达到甚至超过未塌陷水平，推测可能是土壤缝隙的弥合使土壤蒸发面积减小的同时，塌陷引起的土壤孔隙度相对增大可增强降水的入渗速率。土壤速效养分在塌陷2 a后逐渐恢复，首先归因于土壤缝隙的弥合也使全效养分垂向溶淋量和水平流失量减小，加之土壤中的微生物和植被恢复使养分积累量增多[31]。但土壤养分因子损害后自然恢复条件下10 a仍未恢复至塌陷前水平，土壤物理性质的修复较快[32]，但土壤养分恢复是一个相对漫长的过程。

塌陷初期植物群落的丰富度及群落物种分布均匀性降低，优势种突出并向单一方向演变，这主要由于塌陷造成土壤质量的损害影响了对植物养分和水分的供给[33]，同时塌陷裂隙对根系产生物理性伤害[34]。由于土壤质量对植被恢复具有重要的影响[35]，伴随着土壤质量的损害，植物生长发育受到影响，植物群落物种密度、生物量和盖度减小，植物群落生产力因子在地表塌陷2 a降至最低。而植物群落多样性因子在地表塌陷5 a时增加迅速，此结果正好以生态学中的中度干扰假说可以解释[36]，即地表塌陷可使原有的优势物种生长发育受到一定损伤，这种适当的干扰既抑制了优势植物种群的竞争势，又为其他物种的入侵和种群扩大创造了机会，从而导致其物种组成增多和多样性偏大，群落多样性增加的结论与周莹[12]研究结果吻合。虽然塌陷区植物群落物种数和丰富度有一定程度的增加，但综合分析不同沉陷年限下植物群落生产力和多样性，植物群落结构经10 a自然演替仍不能恢复至塌陷前水平，植被破坏后恢复过程缓慢。因此研究区植被恢复可在自然恢复为主的前提下，实施适当的人工干预调控以促进植物群落的拓殖与演替。

3.2 土壤质量与植物群落损害过程

研究表明采煤塌陷后植物群落和土壤因子大体经过3个不同的演化阶段：退化期(塌陷后1～2 a)→改善期(塌陷后5 a)→初步恢复期(塌陷后10 a)。其中塌陷1～2 a土壤与植物系统处于非稳定阶段，此阶段土壤物理结构破坏、水分养分流失、生物活性降低，地表植物群落生产力和多样性退化。塌陷5 a塌陷裂缝在风蚀水蚀和地表重力的作用下基本消失，土壤物理性质逐渐稳定、养分逐渐恢复[16]，植物群落也得到一定程度的恢复，土壤与植被系统处于改善期。至采煤塌陷后10 a，地表植被群落结构改善，土壤质量得到一定程度的恢复，植被和土壤指标有向未塌陷样地生态系统接近的趋势。但研究区经过10 a自然恢复植物群落生产力和土壤速效养分仍未完全恢复至塌陷前水平，结合本研究表明神木北部矿区土壤有机质是土壤养分循环转化的核心，土壤氮素、土壤酶类和菌类在群落构建中的作用具有较大作用，表明塌陷对研究区土壤与植被生态系统的损害具有延续性。

3.3 植物与土壤的耦合协调性损害特征

植物生长是土壤质量下降最敏感的反映[37]，塌陷引起土壤质量显著下降前最先引起了植被群落结构的损害，因此塌陷1 a植被土壤耦合模式表现为轻度失调衰退类植被损益型，植被土壤系统组合状态差，耦合度最低。由于塌陷扰动，塌陷第2 a土壤结构和理化生因子进一步损害，在植物群落结构尚未恢复条件下塌陷2 a表现出植被土壤共损型。而随着塌陷年限增加土壤质量与植被群落的自然修复，塌陷5 a为初级协调发展类植被土壤同步型。塌陷10 a植被—土壤耦合协调度达到了中级协调发展类植被土壤同步型，虽然植物群落与土壤因子还没有达到完全匹配与协调的程度，但跨越了不协调阶段向良好协调类型演化。由耦合协调模型还可以看出，神木北部矿区未塌陷地植被与土壤耦合模型为良好协调发展类土壤滞后型，说明土壤质量是限制该区生态环境恢复的重要因子之一。因此在研究区在强调生态系统本身自调控能力的同时，适当的人工整治措施可加速土壤物理、化学和生物条件改善，以增加地区植物与土壤间的耦合协调性，促进塌陷区生态系统的修复速度[7]。

4 结 论

神木北部矿区采煤塌陷扰动使得塌陷区土壤质量与植被结构退化，2 a后随塌陷时间的推移逐渐恢复，但经10 a自然演替植物群落结构和土壤质量仍不能恢复至塌陷前水平；土壤有机质、水分是土壤养分循环转化的核心，是决定植物群落特征的关键性因素；采煤塌陷区植物群落和土壤因子大体经过3个不同的演替阶段：退化期(塌陷后1～2 a)→改善期(塌陷后5 a)→初步恢复期(塌陷后10 a)；塌陷地植被与土壤的耦合协调程度在塌陷1 a表现为轻度失调衰退类植被损益型，塌陷2 a为濒临失调衰退类植被土壤共损型，塌陷5 a为初级协调发展类植被土壤同步型，至塌陷10 a仍表现为中级协调发展类植被土壤同步型，但尚未达到未塌陷地良好协调发展的生态类型。结果表明神木北部矿区地表塌陷对该区土壤质量和植物群落结构的损害具有延续性，且生态系统自修复能力较弱，因此在生态恢复过程中应在以自然恢复为主的前提下，辅以适当的人工修复措施，促进矿区生态系统快速、健康地恢复。

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Analysis of damage process and mechanism for plant community and soil properties at northern Shenmu subsidence mining area

WANG Shuang-ming1,2,DU Hua-dong1,2,WANG Sheng-quan1

(1.CollegeofGeology&Environment,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054,China;2.InstituteofGreenCoalMiningGeologicalSecurityTechnology,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054,China)

The quality of soil and plant community structure were analyzed using factor analysis based on the investigation of plant community characteristics and the examination of soil properties in different years of coal mining subsidence (1,2,5,10 a,and un-subsidence area) at northern Shenmu mining area.Meanwhile,redundancy analysis and cluster analysis were used to study the relationship and succession process between plants and soil.The vegetation-soil coupling model was used to determine the coordination of soil properties and plant community in five periods of coal mining subsidence.The results show that:① Disturbance of the subsidence was an important reason for the degradation of the soil quality and the vegetation structure in the subsided area.There was a natural restoration trend of plant-soil ecosystem with the passage of subsidence time.Unfortunately,the plant community structure and soil properties could hardly be restored to the pre-collapse level after even 10 years of natural succession.② Soil organic matter,water,and microbes were the core of soil nutrient cycling process and the key factors to determine plant community characteristics.And soil hardness,available nutrients and enzymes were the major influence factors of plant community productivity and diversity.However,the total nutrient was proved to be not so important factors for plant community.③ Plant communities and soil properties at subsidence area under natural restoration could be divided into three stages,namely the degradation,improvement,and initial recovery stage.④ There was a trend of recovery for the coordination of vegetation and soil after two years of subsidence.However,it could hardly be well-coordinated ecotype in even 10 years of coal mining subsidence.The results indicated that coal mining had continuity damage to the ecological environment,and the self-healing of ecosystem was weak at northern Shenmu mining area.Therefore reducing the mining damage and achieving the combination of natural and artificial restoration should be the guiding principle of the ecological environment protection in this area.

Northern Shenmu mining area;coal mining subsidence;soil properties;vegetation succession;coupling model

10.13225/j.cnki.jccs.2016.5041

2016-07-02

2016-12-20责任编辑:许书阁

陕西省教育厅科学研究基金资助项目(14JK1481)；西安科技大学博士启动金资助项目(2014QDJ019)；国家自然科学基金资助项目(41402308)

王双明(1955—)，男，陕西岐山人，教授级高级工程师，博士生导师。Tel:029-85583264,E-mail:sxmtwsm@163.com

TD88;S157.4

A

0253-9993(2017)01-0017-10

王双明,杜华栋,王生全.神木北部采煤塌陷区土壤与植被损害过程及机理分析[J].煤炭学报,2017,42(1):17-26.

Wang Shuangming,Du Huadong,Wang Shengquan.Analysis of damage process and mechanism for plant community and soil properties at northern Shenmu subsidence mining area[J].Journal of China Coal Society,2017,42(1):17-26.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2016.5041