内蒙古大兴安岭林区不同采煤方式对植物多样性的影响

尚洁　蓝登明　赵一阳等

摘要

以内蒙古大兴安岭林区内不同开采方式的煤矿为研究对象，采用样方调查法，通过对植物的种类组成、生活型、群落相似性及群落物种多样性等指标的分析，得出以下结论：①露采与井采群落内的第一优势种重要值由大到小为露采天然植被存留区>露采对照区>井采对照区>井采天然植被存留区；②露天开采对一、二年生草本的影响较大，井工开采对多年生草本的影响较大；③群落相似性：井工开采>露天开采；④露采煤矿共有植物 7科14属19 种，井采煤矿共有植物10科23属29 种，均以菊科、禾本科为主，物种数减少比例：露天开采>井工开采，物种多样性指数变化：露天开采>井工开采。

关键词 大兴安岭林区；煤矿；开矿方式；植物多样性

中图分类号 S181.3 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2015）15-209-05

Effects of Different Mining Methods on Plant Diversity in Inner Mongolia Forest Area of Greater Khingan Range

SHANG Jie， LAN Dengming*， ZHAO Yiyang et al

（College of Ecology and Environmental Science， Inner Mongolia Agricultural University， Hohhot， Inner Mongolia 010019）

Abstract Opencast coal mining and underground mining coal was taken as the research object in Inner Mongolia Daxinanling forest region， by sampling method， through the analysis of plant species composition， life form， community similarity and species diversity index， draw the following conclusions： ① Opencast mining and underground mining communities within the first dominant species important value from large to small： opencast mining of natural vegetation retention area>opencast mining of control area>underground mining of natural vegetation retention area>underground mining of control area； ② Influence of opencast mining on one or two annual herb is larger， influence of underground mining on perennial is larger； ③ The community similarity： underground mining >opencast mining； ④ Opencast mining has 7 families， 14 genera and 19 species of plants， underground mining has 10 families， 23 genera and 29 species of plants， are mainly Compositae， Gramineae， the species number reduction percentage opencast mining >underground mining，changes in species diversity index opencast mining >underground mining.

Key words Daxinanling forest region； Coal mine； Mining method； Plant diversity

煤炭作为我国重要的一次性能源，在我国能源结构中占有主导地位[1]。然而煤炭在开采过程中造成的损害是最普遍的、最长期的，同时也是最严重的[2]。目前，煤矿区生态环境问题已经成为矿区乃至区域可持续发展的重大制约因素[3]。

内蒙古大兴安岭林区是矿产资源开发比较晚的一个区域，2007年被国务院、国土资源部列为全国三大重点成矿带之一[4]。如果大规模地进行矿产资源开发，不仅会对土地资源造成威胁，而且带来一系列生态环境问题，如果对环境的破坏超过矿区环境容量的临界值，对生境的破坏是不可弥补的[5] 。

该研究在内蒙古大兴安岭林区选择有代表性的不同开采方式的煤矿，对煤矿开采区的天然植被存留区进行调查，从植物的种类组成、植物生活型、物种多样性及群落相似性方面，研究煤矿因开采方式不同对植物多样性的影响变化，为煤炭开采过程中矿区植物保护和植被恢复提供依据。

1 研究区概况

1.1 大兴安岭林区自然概况

研究区域位于内蒙古大兴安岭林区，其地理坐标为116°55′08″～125°24′10″ E，42°24′17″～53°20′00″ N。气候类型为温带与寒温带大陆性季风气候，且大兴安岭以东、以西有明显的气候差异。总的气候特点为冬季寒冷漫长，夏季温凉短促，春季干燥风大，秋季气温骤降，霜冻早，无霜期90～110 d。年平均气温-5.2 ℃，年平均降水量514 mm。大兴安岭原始森林茂密，主要树种有兴安落叶松（Larix gmelinii）、樟子松（Pinus sylvestnis var. mongolica）、红皮云杉（Picea koraiensis）、白樺（Betula platyphylla）、蒙古栎（Quercus mongolica）和山杨（Populus davidiana）等，为我国寒温带针叶林区域。在林区植物区系组成中，植物主要集中于17个科，最大的科为菊科，有56属190种；其次为禾本科，39属105种。在此研究区域内选取霍林河迎春矿区为露天开采对象，大杨树矿区为井工开采对象。

1.2 霍林河迎春矿区概况

霍林河迎春矿区位于内蒙古自治区通辽市霍林郭勒市（119°37′13.80″ E，45°36′9.84″ N），矿区面积0.306 km2，主要开采煤炭资源，以露天开采为主[6]。目前，迎春煤矿已闭坑，由于采坑内有出水点，坑内现积水，因此总出现滑坡，滑坡使周围道路有破坏的威胁。

1.3 大杨树矿区概况

大杨树煤矿位于呼伦贝尔市鄂伦春自治旗（124°32′36″～124°33′52″ E，49°38′40″～49°40′12″ N），矿区面积3 358 km2，主要开采煤炭资源，以井工开采为主。目前已有部分矿山闭坑，历史遗留问题较突出，地面沉降、伴有地裂缝塌陷地质灾害严重。

2 研究方法

2.1 调查方法

分别选择露天煤矿与井采煤矿开采区的天然植被存留区作为调查区，露天煤矿与井采煤矿的天然植被区作为对照区。在调查区及对照区内各设 3个样地，每个样地设3个样方，共36个样方，样方面积为乔木10 m×10 m，灌木5 m×5 m，草本1 m×1 m。样方调查指标为植物种类 、多度、高度、分盖度、盖度、频度、密度、总盖度等指标，同时观测每个样方的地理位置、高程、坡向、坡度等情况。调查时间为2013年8月。

2.2 数据处理

重要值[7]：IV=（相对高度+相对多度+相对频度）/3。

式中，相对高度=（某一植物种高度/群落中全部植物种高度之和）×100%；相对多度=（某一植物种个体数/群落中全部植物种的个体数之和）×100%；相对频度=（某一植物种频度/群落中全部植物种的频度之和）×100%；频度指某一物种在同一样地所有样方中出现的频率。

群落多样性：①丰富度指数：Margalef指数[8]， R=（S-1）/lnN；

②多样性指数：Simpson指数[9]， D=1-∑Pi2；

ShannonWiener指数[10]， H=-∑PilnPi；

③均匀度指数：Pielou指数[11]， E=-∑PilnPi/lnS。

群落相似性：Sorenson指数， C=2j/（a+b）。

上述各式中，S为样地植物种数；N为总体个数；Pi=ni/N；ni为第i个种的个数；C为相似系数； j为两样地共有的物种；a和b分别为露天开采的调查区与对照区或井工开采的调查区与对照区的物种数。数据采用SPSS软件对群落多样性进行单因素方差分析及相关性分析。

3 结果与分析

3.1 不同开采方式对植物种类组成的影响

对露天开采的调查区及对照区的样方内植被进行统计（表1），结果显示，调查区和对照区所有样方中共有 19 种植物，分属于7科14属。以菊科和禾本科为主，其中菊科 3属 5 种，均占总种数的26.3%；禾本科 6 属 8 种，占总种数的42.1%，表明菊科和禾本科在植物群落中处于优势地位。调查区共有8 种植物，分属于4科7属，对照区共有13 种植物，分属于7科10属，调查区与对照区相比物种数目减少了38.5%。

对井工开采的调查区及对照区的样方内植被进行统计（表2），结果显示，调查区和对照区所有样方中共有 29 种植物，分属于10科23属。菊科和禾本科所占物种总数的比例较大，为48.3%，其中菊科 6属10种，占总种数的34.5%；禾本科3属4种，占总种数的13.8%，表明菊科和禾本科植物在植物群落中处于优势地位。调查区共17有种植物，分属于8科15属，对照区共有25种植物，分属于9科21属，调查区与对照区相比物种数目减少了32.0%。3.2 不同开采方式对群落相似性的影响

群落相似性是指群落间或样地间植物种类组成的相似程度，是群落分析的一个重要基础。它作为一定量数据，超出区系植物对比范围，对植被分析有着更大意义[12]，常用群落相似性系数表示。

对露天开采和井工开采的相似性进行计算，结果显示（表3），露天开采的调查区与对照区相比，只有两种植物相同，为平车前和黑沙蒿；而井工开采的调查区内52%的植物种包含在对照区中。从相似性指数值看，露天开采的相似性指数明显小于井工开采的相似性指数，表明露天开采的调查区与对照区的植物相似性明显小于井工开采，反映出井工开采比露天开采的群落更稳定，露天开采对植物群落的影响比井工开采对植被群落的影响大。

3.3 不同开采方式对植物生活型的影响

植物生活型是植物对综合生境条件长期适应而在外貌上表现出来的生长类型，其形成是不同植物对相同环境条件产生趋同适应的结果。对露天开采和井工开采的所有样方中植物的生活型进行统计（表4）。

露天开采方式下多年生草本所占比例较大，井工开采方式下一、二年生草本所占比例较大。露天开采的调查区与对照区相比，一、二年生草本减少50.0%，多年生草本减少28.6%。井工开采的调查区与对照区相比，一、二年生草本减少15.4%，多年生草本减少45.5%。露天开采对一、二年生草本的影响较大，井工开采对多年生草本的影响较大。

造成这种情况一方面是由于露天开采过程中，對植被及土壤的破坏较大，改变了原有的生长环境及景观，一、二年生植物相对不稳定，生长环境及景观发生变化后，极易受到影响；另一方面因为井工开采会造成不同程度的沉陷或塌陷，沉陷会对植物根系造成一定的机械拉伤，使得植物根系吸收营养和水分的功能受到影响[13]，多年生植物根系较一、二年生植物根系发达，扎入土壤较深，受影响程度较大。所以露采对一、二年生草本影响较大，井采对多年生草本影响较大。

3.4 不同开采方式对植物群落特征及组成的影响

重要值是表示群落中不同植物的相对重要性，以重要值为测度指标可以避免因植物个体大小、数量差异悬殊而导致过分地夸大一些个体小但个体数极多的植物种类在群落中的作用[7]，能够为辨别物种是建群种、优势种还是伴生种提供重要依据[5]。

表5为露天开采和井工开采的调查区及其对照区样方内主要植物的重要值。由表5可知，在露天开采方式下，调查区建群种为蒙古蒿，优势种为拂子茅；对照区建群种为羊草，优势种为糙叶黄芪、裂叶蒿、冰草。在井工开采方式下，调查区建群种为飞蓬，优势种为狗尾草、老芒麦、刺儿菜；对照区的建群种为胡枝子，优势种为小花鬼针草、龙牙草。井工开采调查区的建群种为二年生草本，群落稳定性差，原因是由于调查时正逢雨季，雨水较大，一、二年生草本生长旺盛，成为群落中主要植物种 。

群落内优势种重要值的大小是标志植物群落结构复杂与否的重要性指标[14]。井工开采的调查区和对照区的第一优势种重要值均明显小于露天开采，结合植物的生活型来看，露天开采的调查区与对照区的建群种和优势种为多年生草本，井工开采调查区的建群种和优势种为多年生草本和一、二年生草本，对照区的建群种和优势种为灌木和多年生草本，表明露天开采的群落复杂程度低于井工开采。

3.5 不同开采方式对群落物种多样性的影响

群落多样性就是指群落在组成、结构、功能和动态方面表现出的丰富多彩的差异。因此，群落多样性是群落生态学研究，乃至整个生态学研究中十分重要的内容[5]。该研究采用丰富度指数、物种多样性指数、均匀度指数和优势度指数进行分析。

物种丰富度指数是指在一定大小的样方中的物种数目，不考虑种间个体数量，即忽略富集种和稀疏种以及对群落多样性贡献的差异。其反映了物种丰富程度，是度量物种多样性高低的最基本的指标，是群落内物种的数量特征，也是最简单的多样性测度方法[15]。笔者用Mar指数表示。

作为群落水平的生态学特征之一，物种多样性是生境中物种丰富度及分布均匀性的一个综合指标，表征生物群落和生态系统结构的复杂性，可以较好地反映群落的结构[16] 。物种多样性指数是用来描述种的个体出现的紊乱和不确定性的指标，不确定性越高，多样性也就越高；它包括两个因素：一是种类数目，二是种类中个体分配上的均匀性；种类数目越多，多样性越大，种类之间个体分配的均匀性增加，也会使多样性提高[15]。笔者采用综合多样性指数，它是对种的丰富度和均匀度两种涵义的结合，又称种的不齐性。二者合在一起实际上是强调了个体数目，因而又称为优势度多样性。用Si指数、SW指数表示。

均匀度指数是指一个群落或生境中全部种的个体数目的分配情况，它反映了种属组成的均匀程度，它是反映群落中不同物种的多度（生物量、盖度或其他指标）分布的均匀程度的指标。生态优势度与群落均匀度指数是两个相反的概念，生态优势度指数越大，说明群落内物种数量分布越不均匀，优势种的地位越突出。笔者用均匀度指数P表示。

从表6可知，露天开采方式下，调查区与对照区相比，无论是丰富度指数、均匀度指数还是多样性指数，均低于对照区。其中丰富度指数下降程度最大，下降了57.55%；其次是多样性指数，下降了51.30%；优势度指数下降45.87%，下降幅度最小的是均匀度指数，下降10.99%。利用SPSS对露天开采的调查区与对照区进行单因素方差分析，结果显示，调查区与对照区之间优势度指数、多样性指数、均匀度指数和丰富度指数均有显著差异，其中优势度有极显著差异，说明露天开采的矿区群落物种多样性受煤炭资源开发的影响显著。井工开采方式下，调查区与对照区相比，调查区丰富度指数降低了41.56%，优势度指数降低了10.80%，多样性指数和均匀度指数则大幅度增加，分别增加了92.93%和101.50%。利用SPSS对井工开采的调查区与对照区进行单因素方差分析，结果显示，调查区与对照区之间多样性指数和均匀度指数有显著差异，其中多样性指数有极显著差异；调查区与对照区的优势度指数和丰富度指数之间差异不显著，说明井工开采的矿区群落物种多样性受煤炭资源开发的影响比露天开采的影响小。

对群落多样性指数进行相关性分析，结果见表7。由表7可知，丰富度指数与优势度指数呈正相关关系，且相关性最高，相关系数达0.824 576，与均匀度指数呈负相关关系，相关性较高，相关系数为-0.679 790。说明群落物种数目越多，则植物种分布越不均匀，物种的优势度越高。均匀度指数与多样性指数呈正相关关系，相关性较高，相关系数为0.750 655。优势度指数与均匀度指数相关性较低，和丰富度指数、多样性指数相关性较高，说明群落的优势度与物种种类数目、物种个体数目情况关系明显，与物种的分布情况关系不大。

4 结论与建议

（1）露采煤矿和井采煤矿开采区的天然植被存留区建群种发生明显变化；露采与井采群落内的第一优势种重要值由大到小为露采天然植被存留区>露采对照区>井采对照区>井采天然植被存留区， 反映井工开采的群落复杂程度大于露天开采。

（2）露天开采对一、二年生草本的影响较大，井工开采对多年生草本的影响较大。

（3）露天開采植物相似性明显小于井工开采，反映出井工开采比露天开采的群落更稳定，露天开采对植物群落的影响程度较大。

（4）露采煤矿共有植物 7科14属19 种，井采煤矿共有植物10科23属29 种，均以菊科、禾本科为主。开采区天然植被存留区和对照区相比，物种数减少比例：露天开采>井工开采；露天开采各物种多样性指数显著下降，各指数下降幅度为丰富度指数>多样性指数>优势度指数>均匀度指数，4个指数差异性均显著且优势度有极显著差异；井工开采各物种多样性指数中丰富度指数、优势度指数有所下降，多样性指数和均匀度指数则显著增加，仅多样性指数和均匀度指数差异显著且多样性指数有极显著差异。反映露天开采对物种数目、物种多样性的影响大于井工开采。

在煤炭开采的过程中，因其开采方式不同，对植被的影响也略有不同，总体表现为露天开采对植被的影响大于井工开采。在煤炭开采过程中，露天开采需要剥离整个土壤表层，并产生大量的煤矸石，致使植被生存的环境彻底被破坏；井工开采虽然对土壤表层的破坏范围小，但是因其是从地面掘进到地层中进行采煤，会诱发地面塌陷等一系列问题，同样对植被会造成不小的破坏及伤害[17]。