榆神府礦區(qū)采煤塌陷地植被群落恢復演替特征

張亦揚，強于鮮，李萌津，馮澤煦，康 密

(西安科技大學 地質(zhì)與環(huán)境學院，陜西 西安 710054)

1 引言

煤炭在我國能源生產(chǎn)結構中占比高達70%[1]，而當前中國煤炭主要以井工開采的方式，這導致了一系列的地質(zhì)、生態(tài)、環(huán)境等問題[2,3]，其中地表塌陷是煤炭開采地周邊最為常見的生態(tài)損害形式之一。塌陷引起的地表拉伸和壓縮變形對植物根系直接產(chǎn)生破斷損傷，同時塌陷造成土壤物理結構破壞、養(yǎng)分流失和生物活性降低，間接影響植被正常發(fā)育受到影響[4,5]。但開采對植物群落影響并非全都為負面效應，裂縫有利于植物根系細胞的呼吸作用、抑制了植物種群的競爭勢，亦可使植物多樣性提高[6]。

目前國內(nèi)外的學者在采煤擾動對土地資源及植被損害后的生態(tài)修復技術方面的研究較多[7,8]，但不同礦區(qū)由于氣候、土壤類型等因素并不完全相同，對環(huán)境的影響的研究，尤其是生態(tài)脆弱、開采強度大的榆神府礦區(qū)，采煤塌陷后植被群落的動態(tài)演替規(guī)律及其驅動因子比較薄弱。因此，本文主要調(diào)查研究榆神府礦區(qū)植被類型、群落多樣性等特征，探討塌陷后恢復植被群落結構變化特征和演替規(guī)律，辨識出礦區(qū)的植被恢復過程中優(yōu)勢物種的變化，以期為礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境恢復提供理論參考。

2 研究區(qū)概況與實驗方法

2.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于在榆神府礦區(qū)，地處陜北黃土丘陵溝壑區(qū)向內(nèi)蒙古草原過渡地帶，區(qū)內(nèi)煤層埋藏淺、開采厚度大、上覆基巖厚度較薄、地表為風積沙覆蓋層[9]。研究區(qū)氣候為干旱大陸性季風氣候，土壤以黃綿土和風沙土為主，土壤結構疏松，抗蝕性差，水土流失和沙漠化嚴重，地表植被稀少，主要植被為人工植被[10]，生態(tài)環(huán)境十分脆弱。

2.2 實驗方法

通過野外調(diào)查確定不同年代地表沉陷時間及位置，選取采煤地表沉陷1年、2年、5年和10年工作面。每種沉陷年限選擇5塊下墊面狀況較相近的沉陷地作為研究樣地，同時選取未塌陷區(qū)作為對照樣地。每個樣地設立3個樣方，利用GPS導航定位，在小的樣方內(nèi)以“S”形取樣法隨機選定5個樣點，記錄樣方群落特征，植物群落所處位置、生境等信息。同時剪取主要物種地上生物量，帶回分類鑒定。調(diào)查數(shù)據(jù)用以分析地表沉陷對植物群落多樣性、物種分布格局、初級生產(chǎn)力的影響。選擇多樣性Shannon-Wiener指數(shù)來衡量群落多樣性[11]。

3 結果與討論

3.1 榆神府礦區(qū)不同塌陷年限植被群落物種組成特征

由圖1可知，研究區(qū)植物生長型的優(yōu)勢物種是多年生草本植物，占比為30.9%～43.1%，而小灌木占比最低，其極大值為8.6%出現(xiàn)在未塌陷區(qū)；與未沉陷區(qū)相比，開采塌陷初期大灌木、小灌木、多年生植物占比逐年減少，至塌陷2年后達到最低點，隨著時間的推移種群數(shù)量開始回升，塌陷10年，植被恢復到較之前穩(wěn)定的狀態(tài)。而一兩年生草本、一年生植物從塌陷開始物種占比持續(xù)增加，至塌陷第2年達到最大，但到塌陷第5年又下降，塌陷10年后物種占比均高于未塌陷區(qū)。

研究區(qū)植物生長型構型以一二年生草本為主，因為此類植物生活史較短，使得其對該區(qū)風蝕水蝕土壤侵蝕具有較大的耐受力[12]。灌木根系主要分布于0～1 m土層范圍內(nèi)[13]，為地表塌陷裂縫深度范圍，地表塌陷后其根系受損，植物比例降低，后隨著塌陷年限的增加裂縫彌合，植物逐漸恢復。

圖1 不同塌陷年限群落生長型構成特征

由表1可知，研究區(qū)主要的廣布種為黑沙蒿、賴草和達烏里胡枝子等多年生草本。未沉陷區(qū)重要值較高主要是多年生草本植物及喬木側柏。而采煤引起地表塌陷后1～2年，一兩年生植物比例增加，如豬毛菜、豬毛蒿和狗尾草，但隨著采煤塌陷年限的增加，多年生草本灌木均表現(xiàn)出較高的重要值。

3.2 榆神府礦區(qū)不同塌陷年限下植物群落指標特征

由圖2可知，與未塌陷地相比，植物群落蓋度、生物量和物種多樣性指數(shù)均在采煤塌陷初期產(chǎn)生顯著降低，其中，塌陷第2年植物群落蓋度、生物量和物種多樣性指數(shù)分別下降了45.7%、45.8%和35.1%，達到最低值。這是因為研究區(qū)處于生態(tài)脆弱區(qū)，氣候和降水因素使得該地區(qū)植被新老更替速度放緩[3]，采煤塌陷導致初期植物群落覆蓋度和多樣性降低，群落功能及穩(wěn)定性下降。塌陷5年后，塌陷區(qū)植被群落指標開始逐步恢復，至恢復10年雖較塌陷初期得到了恢復，但仍然未完全恢復到原始水平。這說明采煤塌陷對當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境尤其是植被系統(tǒng)造成了持續(xù)性的影響，恢復10年后仍未達到未塌陷區(qū)水平。

表1 不同塌陷年限下重要值排名前10的物種

圖2 不同塌陷年限下植物群落多樣性指數(shù)

3.3 榆神府礦區(qū)不同塌陷年限下植物群落演替過程

由圖3的主成分分析可知，研究區(qū)采煤塌陷后植被群落經(jīng)了3個不同的變化階段：①群落結構衰退期，為塌陷后1年，圖中Ⅰ位置，此階段塌陷區(qū)生態(tài)因子雖受到塌陷干擾但并未完全惡化，植物群落僅處于生物量減少和蓋度降低等退化狀態(tài)；②群落結構惡化期，為塌陷后2年，圖中Ⅱ位置，植被和生態(tài)因子處于共損狀態(tài)，植物群落生產(chǎn)力降低、多樣性均減小；③群落結構恢復上升期，為塌陷后5～10年，圖中Ⅲ位置，此階段隨著塌陷

圖3不同采煤塌陷年限植被指標-塌陷年限主成分分析雙序圖

土壤生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定，植物群落物種逐漸恢復，植被指標有向未沉陷樣地生態(tài)系統(tǒng)接近的趨勢，但植物群落指標仍未達到未塌陷前水平(圖3中Ⅳ位置)。

4 結語

榆神府礦區(qū)植物生長型構型以一二年生和多年生草本為主，喬木、灌木植物較少。研究區(qū)植被恢復過程中，廣幅種和小灌木是人工植被恢復的優(yōu)選的鄉(xiāng)土物種，如黑沙蒿、賴草和紫花苜蓿始終是該區(qū)域的優(yōu)勢建群物種，該類植物對立地條件要求低，群落較穩(wěn)定，對采煤塌陷地生態(tài)環(huán)境有較強的適應能力。