神木北部矿区不同塌陷年限植被群落演替特征

杜华栋

摘 要：文章研究了神木北部矿区不同采煤塌陷年限下植物群落演变特征，探讨采煤塌陷过程中植物群落的响应及其机制。结果表明：（1）神木北部矿区植物生长型构型以一二年生和多年生草本为主，乔木、灌木植物较少。塌陷1～2a一年生草本和旱生和旱中生植物比例显著增加，小灌木和半灌木的比例降低；（2）采煤塌陷初期植物群落物种数、盖度、生物量、物种密度和生物多样性指数均显著下降，并在塌陷2年达到最低；（3）随着塌陷年限的增长，沉陷区上述植被群落指标均呈现上升的趋势，但在自然恢复条件下塌陷10a后仍未恢复至未塌陷地群落水平。综合表明采煤塌陷对植被群落的损害具有一定延续性。

关键词：榆神府矿区；采煤塌陷；植物群落；演变规律；生态恢复

中图分类号：Q148 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）26-0010-03

煤炭开采对环境所造成的影响是会长期存在的，特别是对土地资源的破坏及其引发的环境变化，会伴随着整个开采过程一直延续下去[1]，其中地表塌陷是煤炭开采最明显和严重的形式之一[2]。神木北部矿区是我国西部的能源重化工基地，煤层埋藏浅、开采厚度大、上覆基岩厚度较薄、地表为厚风积沙覆盖层，煤炭资源的开采和工业建设，使得该区生态环境遭受损害。

当前国内外对采煤沉陷的机理、类型和形态等地质相关研究较多[3]，但该区采煤沉陷后植被群落变化及其内在机理研究较为薄弱，如地表沉陷对植被群落的影响存在相反的结论[4，5]。为此，本研究通过神木北部矿区不同塌陷年限下植被群落组成、多样性和演替过程的研究，探讨采煤塌陷干扰对植物群落组成特征的影响，试图了解塌陷对矿区植被群落演替影响的规律，为矿区的生态治理建设提供植被保护的理论依据。

1 研究方法

1.1 研究区

样区选择在神木北部矿区，从气候上看属于半干旱气候向东南湿润、半湿润气候过渡区，地区的地带性植被属于暖温带典型草原植被。该区煤层呈平缓单斜构造，煤层埋深约100m[6]。随着煤炭的大量开采，矿区呈现地表大裂缝和台阶状断裂。

1.2 研究方法

本文主要研究大柳塔矿区覆沙地。首先通过收集资料和调查走访确定地表沉陷时间，确定采煤地表沉陷1年、2年、5年和10年工作面。每种沉陷年限选择7块下垫面状况（海拔、坡形等）比较相近的沉陷地作为研究样地，同时每块样地选择一块邻近下垫面状况一致且没有受到沉陷影响的坡地作为对照样地。每个样地设立3个样方重复，样方大小草本为2m×2m，灌木为5m×5m，乔木为10m×10m。调查包括种类、每个物种的数量、平均高以及盖度，同时统计主要建群种植被生长、死亡状况，并剪取主要物种地上生物量，带回实验室，105℃下烘干称重。调查数据用以分析地表沉陷对植物群落多样性、物种分布格局、初级生产力的影响。选择物种丰富度Margalef指数、均匀度Pielou指數、多样性Shannon-Wiener指数和Simpson指数来衡量群落结构[7]。计算不同侵蚀环境下不同生长型和水分生态型植物占群落物种总数比例，同时用Sorensen相似度指数测定不同塌陷年限下植物群落物种相似程度。

1.3 数据处理

数据以平均数±标准偏差（SD）表示。所有数据采用SPSS20.0软件进行统计检验，用单因素方差分析（one-way ANOVA）和最小显著差异法（LSD）比较组间的差异，差异显著性水平设定为α=0.05。

2 结果与讨论

2.1 神木北部矿区不同塌陷年限植被群落物种组成特征

神木北部矿区植被共调查植物69种，分属22科54属，其中菊科、豆科、禾本科植物约占到了植物总数的70%左右，植物生长型构型以一二年生和多年生草本为主，乔木、灌木植物较少，基本反映了研究区植物区系分布特征，这些科属中耐贫瘠、适应性强的物种构成了研究区的优势种和先锋植物[8]。由图1A可以看出，与未塌陷地相比塌陷1～2a一年生草本比例显著增加，而多年生草本比例显著减小（P<0.05），这是因为地表塌陷初期地表土壤松动，产生的裂缝损伤了原有优势植物根系，同时裂缝为以大量种子繁殖的一二年生植物提供了栖息地，再加之裂缝增加的降雨渗透为种子萌发提供了较好的条件。采煤塌陷初期1～2a小灌木和半灌木的比例降低了约60%；大灌木的比例在不同塌陷年限下差异不显著（P>0.05）。由图1B不同采煤塌陷年限植物生态型可以看出，采煤塌陷后中生和中旱生植物比例显著降低，而旱生多年生草本比例显著增加（P<0.05），这是因为土壤环境变得稳定且越来越接近沉陷前，多年生植物以其发达的根系和克隆器官等，在生长生殖中处于优势[9]，一年生和一二年生草本植物逐渐减少，取而代之的是旱生的多年生草本。

2.2 神木北部矿区不同塌陷年限下植物群落生物量与物种多样性特征

煤炭开采引起的地表塌陷使得土壤质量退化，同时微地形坡度增加使得土壤侵蚀强度加大，植物生存条件被破坏，由表1可以看出，采煤塌陷初期植物群落物种数、盖度、生物量、物种密度和生物多样性指数均显著下降（P<0.05），并在塌陷2年达到最低，这与以往研究者[4]的研究相似。但随着塌陷年限的增长，被破坏土体的逐渐稳定，植被群落表现出正向的演替，沉陷区上述植被群落指标均呈现上升的趋势，但在自然恢复条件下塌陷10a后仍未恢复至未塌陷地群落水平。塌陷1a植物群落丰富度和多样性指标并未显著下降（P>0.05），但塌陷2a其数值骤降达到最低，后随着沉陷年限的增加至塌陷5a后这两个指数显著提高（P<0.05），到沉陷10a其数值已接近沉陷区。这与周莹等[5]在本地区研究采煤沉陷2年之后植被已基本趋于稳定不同，表明虽然采煤塌陷使得植物群落物种丰富度增加，但这种一两年生伴生物种的增加并不能掩盖采煤塌陷对优势种的关键功能属性的干扰[10]，植被生产力下降，植物群落生态功能受损。endprint

2.3 神木北部礦区不同塌陷年限下植物群落演变过程分析

由表2可以看出，塌陷1年植物群落与未塌陷地相比仍有较高的相似性，达到0.7左右；而塌陷2a时植物群落相似性与其他塌陷年限和未塌陷地相似性较小，塌陷地随着塌陷年限的增加植物群落与未塌陷地相似性增加，但自然恢复10a植物群落仍未恢复至未塌陷水平。神木北部矿区地表沉陷对该区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，植被被破坏后的自然恢复是极其缓慢的，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。

3 结束语

（1）神木北部矿区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显著增加，小灌木和半灌木的比例降低，塌陷5a后多年生草本比例显著增加，大灌木比例在不同塌陷年限下差异不显著。

（2）采煤塌陷初期植物群落物种数、盖度、生物量、物种密度和生物多样性指数均显著下降，并在塌陷2年达到最低，但随着塌陷年限的增长，沉陷区上述植被群落指标均呈现上升的趋势，但在自然恢复条件下塌陷10a后仍未恢复至未塌陷地群落水平。

参考文献：

[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.

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[3]王静.徐庄矿区采煤塌陷区生态复垦综述[J].科技创新与应用，2017，10：115.

[4]雷少刚，卞正富.西部干旱区煤炭开采环境影响研究[J].生态学报，2014，34（11）：2837-2843.

[5]周莹，贺晓，徐军，等.半干旱区采煤沉陷对地表植被组成及多样性的影响[J].生态学报，2009，29（8）：4517-4525.

[6]徐友宁，吴贤，陈华清.大柳塔煤矿地面沉陷区的生态地质环境效应分析[J].中国矿业，2008，17（3）：38-40.

[7]张金屯.数量生态学[M].北京：科学出版社，2011.

[8]乔荣强.神木县常见植物图谱[M].陕西：陕西科学技术出版社，2013.

[9]Guittar J， Goldberg D， Klanderud K， et al. Can trait patterns along gradients predict plant community responses to climate change？[J]. Ecology， 2016， 97（10）：2791-2801.

[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