煤矿开采对矿坑周边植被覆盖度、生物量、土壤水分和地下水位的影响

邢恩德，何京丽，张铁钢，田秀民

(水利部牧区水利科学研究所，内蒙古 呼和浩特 010020)

煤炭是中国的主要能源，大型露天煤矿的开发推动了地区经济与社会的发展，但同时也引发了区域生态环境问题。探讨煤矿开采过程中对周边草地的植被覆盖度、地上生物量、土壤水分和地下水位的影响以及变化情况，对生态环境的保护具有重要意义。草原区露天煤矿在开发过程中的采、剥、运、排、覆等环节，会产生区域地表土壤侵蚀、植被破环、重金属污染等生态扰动与环境污染问题[1]。中国是全球五大无烟煤(硬煤)开采国家(中国、美国、印度、澳大利亚和南非)之一[2]，并且中国的大型露天煤矿大多分布在生态环境脆弱的干旱、半干旱地区，煤矿开采对当地的生态环境造成了威胁[3-4]。大型露天煤矿的开采通过大面积采挖和弃土，导致地表植被消失，水土流失加剧、滑坡、泥石流、河道阻塞、地表和地下水系紊乱、土地沙化、盐渍化等的发生加剧[5-6]。并且，随着矿产的不断开发，矿区交通网络逐渐形成，人类活动越来越频繁，使矿区及周边景观组成与配置发生了极大的改变，导致生境斑块逐渐破碎化，面积不断减小，从而影响到生物个体、种群、群落、生态系统等各个组织水平的生态过程[7-9]。煤矿开采对周边生态环境影响主要体现在，①水体的污染以及水质及水量的下降；②土壤污染以及土地资源的损害；③大气污染；④植被受损；⑤噪声污染；⑥诱发地质环境灾害[10-11]。

诸多研究报道了煤矿开采对植被覆盖度、土壤环境因子、土壤水分、景观格局及初级生产力、地下水质量、重金属污染等方面的影响，另外，从对植物个体的影响，到对种群、群落以及对生态系统的影响的研究也取得了成果[12-15]。研究报道，露天煤矿开采对研究区植被的破坏程度呈逐年增加趋势，研究区域约269 km2植被覆盖度年均减少1.2%，且植被等级越低，植被受损速度越快[16]。煤炭开采对矿区土壤水力学参数及其空间变异性以及水质水量都会产生影响[17-20]，煤矿开采使矿区景观破碎化增加，初级生产力变化呈现下降趋势[21]。草原煤电一体化项目区附近大部分土壤中汞含量已超出土壤汞背景值，且汞含量随距矿区距离的增大而降低，受土壤pH、距离、主导风向影响显著[22]。尽管这些研究阐明了煤矿开采对植物覆盖度减少、地下水质量、以及生态环境造成了影响，但是大部分研究都还没有具体分析煤矿开采对周边草地生态环境造成不利影响的范围。此次研究旨在明确草原露天煤矿开采过程中对周边草地植被覆盖度、生物量和土壤水分以及地下水位特性的影响范围及变化规律，以期为草原区煤矿生态修复以及政府制定矿区生态环境补偿项目提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

研究区位于内蒙古自治区锡林浩特市东北部的胜利东二号露天矿区，地理位置N 43°54′15″～44°12′52″，E 115°24′26″～116°26′30″，属中温带干旱、半干旱气候，地貌类型属内蒙古高原，矿区以及周边地形起伏，地势比较平坦，年平均降水量289 mm，占全年降水量的70%以上，集中分布在6～8月，多年平均蒸发量1 830.8 mm。春季多风，年平均风速为3.5 m/s，年均大风日数61.1 d，瞬时最大风速36.6 m/s。土壤为典型栗钙土和暗栗钙土，有机质含量20.0～36.8 g/kg，pH 8.0，土壤容重为1.36 g/cm3，土壤粒径以>0.05 mm的细沙为主。矿区原地表植被属典型草原植被，以克氏针茅(Stipakrylovii)、羊草(Aneurotepidimuchinense)为主要建群种，植被覆盖度35%～50%，天然草地平均草高20～40 cm，年产干草量平均为525 kg/hm2。煤矿的南排土场位于矿区的东北部，紧临矿区东部和北部边界，距离煤矿工业场地5.5 km，为平台、边坡相间分布的阶梯式地貌，相对高度100 m，每级台阶坡面长度约20 m，排土场占地总面积13.66 km2。

1.2 试验区布设

试验区样区以煤矿采坑及南排土场为中心，排土场紧临露天煤矿的采坑，采、排形成一体，沿东南西北4个方向分别向外布设，布设长度为6 km，样区间距为1 km，同一方向共设置6个小样区，每个样区面积为1 m2。重复3次，用E、S、W、N分别代表东、南、西、北4个方向的样区，如S1代表向南靠近煤矿的第一个样区(图1)。经现场调查，除北向的6个样区地形略有起伏外，其他方向的各样区均属于缓坡地形。

1.3 试验方案及指标测定方法

通过野外实地调查，记录每个样区的植被覆盖度、植被高度、土壤含水量等指标。

图1 采样区平面布置图(遥感影像2014年)Fig.1 Plane layout of the sampling area in the research area (Remote sensing image 2014)

1.3.1 植被覆盖度及地上生物量 植被生长状况采用野外调查进行监测，2017年5月～9月中旬，监测各样区植被覆盖度、植被群落组成、指标植物，每月测定1次并设置3个重复，植被覆盖度计算年平均值。每个样区地上生物量9月中旬刈割测定1次，计鲜重。

1.3.2 土壤含水量 2017年8月中旬，在测定植被生长状况的每个样区取不同土壤深度土样测定土壤含水量，土壤深度分别为0～10，10～20，20～30，30～40 cm，每层取混合土样，用铝盒采集土样并密封，防止水分散失。土壤含水量测定采用烘干称重法，将土样置于105℃烘箱中烘干8 h取出称重，计算重量含水量。

1.3.3 地下水位 以煤矿采坑为中心，距离采坑不等同的位置共设4个监测井，分别为距采坑为1.0，2.5，3.7，9.5 km，编号依次为W1，W2，W3，W4。地下水位每月月初观测，重复读数3次，计平均数。采用电接触悬锤式水尺进行测量，经大地测量校准在同一地面高程。

1.4 数据处理

数据分析和绘图采用Excel 2010和Origin 8.5。

2 结果与分析

2.1 煤矿开采对周边草地植被覆盖度和生物量的影响

2.1.1 煤矿矿坑周边草地植被覆盖度变化特征 植被是陆地生态系统的主要组份、是生态系统变化的指示器。植被覆盖度作为植被生长状况的直观量化指标，在水文、气象、生态等方面的区域或全球性问题研究中起越来越重要的作用[23]。随着离煤矿采坑方向的增加，东、南、西、北4个方向各样区的植被覆盖度呈递增现象。其中距离煤矿最近的S1样地(距离采坑及排土场外边界0.3 km)植被覆盖度在所有样地中最小，其覆盖度仅为35%，S1样地受排土场遮挡，上午很少见阳光，影响了植被的生长。而S6植被覆盖度最高为56%。煤矿采坑的4个方向中，每个方向向外第5个样区后的植被覆盖度基本稳定在50%，说明对于植被覆盖度，煤矿采坑的影响范围为4 km，这比姚峰等[16]在干旱区露天煤矿采坑对植被的影响范围为3.2 km的研究结果较大。综上可知，以采坑及排土场为中心，远离煤矿方向，植被覆盖度逐渐增加，煤矿开采对于距离煤矿采坑4 km以外的植被覆盖度变化影响较小(图2)。

图2 距矿区矿坑不同距离的样地植被的覆盖度Fig.2 Characteristics of vegetation coverage in differentdistances from coal mines

2.1.2 煤矿矿坑周边植被地上生物量的变化特征 以矿坑为中心，远离矿坑方向样区内的植被地上生物量逐渐增加，说明煤矿开采对矿坑周边草地的生物产量有一定的影响，影响范围内的生物量比对照区减少13%～36%。这是因为煤矿开采过程中的产生的降尘降低了牧草的光合作用，沙尘颗粒降落在叶片上会阻塞叶片表面的气孔，同时也对叶片的机械组织造成了不同程度的损伤，会导致牧草生物量发生不同程度的变化[24]。试验只对煤矿周边植被地上生物量变化进行了测定，观测到牧草上有降尘，没有进行定量分析，也没有进行植物生理试验研究，所以，生物量的降低具体是什么原因造成的还需要进一步研究。

图3 不同样地的生物量Fig.3 Changes of plant biomass in different sample plots

2.2 煤矿开采对草地土壤水分的影响

土壤含水量测定前2 d降水量为25.6 mm。煤矿采坑东侧不同距离样地的土壤含水量变化在水平方向上，随着远离煤矿采坑，各样地在不同深度的土壤含水量差异不显著(P>0.05)。但在各样地的垂直剖面上，土壤含水量的变化存在显著差异(P<0.05)。土壤含水量呈现出随土壤深度增加逐渐降低的变化趋势，E1样地的土壤含水量依次为10.1%，9.5%，7.8%，6.3%(图4)。

图4 距煤矿矿坑不同距离的样地土壤含水量Fig.4 Changes of soil water content in different distances from coal mines

2.3 煤矿开采对浅层地下水的影响

地貌与水文地质条件是一个地区地下水位动态变化的背景影响因素，气象、水文是影响地下水位动态变化的主要自然因素，而人工开采则是改变地下水天然动态规律的外在因素[25]。露天煤矿开采需要定期抽排地下水，导致地下水位不同程度下降。由于水位观测井建设晚于煤矿建设开采8年，W1和W2两个监测井距离露天煤矿采坑比较近，分别为1.0，2.5 km，在观测期(2017年)已观测不到浅层地下水位，地下水埋深31～43 m，而距离煤矿采坑比较远的W3和W4两个监测井地水位埋深在6～12 m，从各监测井1到12月地下水位埋深变化情况表明，距离煤矿采坑最近的监测井(距离采坑1.0 km)，全年地下水位一直呈下降趋势，而W1，W2和W3 3个监测井1～6月一直呈现下降趋势，6～9月地水位有升有降呈现波动状态，这与该地区降水量有直接关系。距离采坑相对较远的W3和W4两个监测井9～12月地下水位埋深有回升的趋势，可以看出地下水位与降水量表现出良好的相关性，但在时间上存在滞后性，相比年初地下水位还是有所下降(表1)。

表1 距采坑不同距离的地下水位

3 讨论

张世文等[12]研究发现矿区植被覆盖度空间分布格局是由自然因素与人为因素共同决定，不同的水资源(地下水埋深，离地表水系的远近)分布格局、人类活动的频繁程度与该区域植被覆盖度存在较强的空间相关性。采用遥感技术对草原露天煤矿研究发现，露天采矿区、排土场以及周边区域1.5 km影响区域的植被覆盖度呈显著下降趋势，且随着时间推移，趋于一致。研究发现，矿区排土场及矿坑周边4 km范围内植被覆盖度发生变化，影响范围不同可能与排土场大小、矿坑排水量、当地大风天气和排土场植被恢复情况等多种因素有关。由于煤矿在开采过程中不可避免产生粉尘，粉尘的污染主要表现在煤粉尘在运输、遇风等情况下，随风飘扬，降落在植物叶片、枝干等上面，堵塞气孔、皮孔，影响气体交换，抑制植物水分蒸腾，提高叶片温度，破坏正常的光合作用，甚至伤害组织，进而影响植物的正常生理活动和生长发育[13]。

在自然条件下，地下水资源处于补给、径流、储水、排泄等的循环过程中。煤炭资源开采前，一个地下水循环系统单元中，地质环境条件不变时，径流和储水条件也不发生变化，整个水资源以补给量控制排泄量的过程进行循环。而煤矿开采过程中，由于矿井排水疏干及采空区垮落沉陷，改变了周围含水岩层水资源的补给、径流、排泄方式，导致矿区地下水循环系统发生了变化[26]。通过研究神府榆矿区采煤排水对地下水资源量的影响发现，受煤矿建设和开采的影响，潜水含水层地下水位随着采掘空间的不断增大而下降，最终导致地下水资源量的减少[18-19]。研究表明，地下水埋深大于6 m定义为荒漠化地下水埋深。当地下水埋深下降超过荒漠化地下水埋深时，植物生命活动受到明显的限制[27]。有研究报道，在干旱区地表植被的组成、分布及长势与地下水有着密切的关系，植被分布及演替规律，明显受地下水，特别是潜水的埋深和水质的控制，表现出与地下水密切的相关性[28]。在荒漠区，荒漠植被倾向于利用地下水而不是其他水分来源[29]。从以往的研究成果分析，本研究中的监测井地下水位变化对地表植被没有明显影响，地下水位连续逐年下降说明煤矿开采导致地下水资源量减少。虽然煤矿开采产生了诸多不利影响，但是通过煤矿生态修复项目，能改善局部区域生产环境，改良土壤理化性质，生态治理区域植被覆盖度明显提高，增加了植物群落多样性，防治水土流失效果显著[30]。

4 结论

通过对煤矿周边区域的生态环境进行观测分析，确定以煤矿采坑和排土场为中心，向外延伸周边4 km范围内植被覆盖度变化的表现为，随着远离煤矿开采坑植被覆盖度逐渐增高，在超出煤矿影响范围后，植被覆盖度变化不大。同时受影响的煤矿周边草地的地上生物量比对照区减少13%～36%。

距离煤矿采坑及排土场不同距离的4个监测井的地下水位变化表明：受煤矿开采疏干水的影响，4个监测井的地下水位埋深全年整体呈下降趋势，距离采坑较近的两个监测井地下水位埋深相对较深，最大埋深达42.76 m，距离相对较远的两个监测井地下水位埋深较浅，相比当年年初4个监测井地下水位都有下降趋势。