榆神府矿区采煤塌陷地植被群落恢复演替特征

张亦扬，强于鲜，李萌津，冯泽煦，康 密

(西安科技大学 地质与环境学院，陕西 西安 710054)

1 引言

煤炭在我国能源生产结构中占比高达70%[1]，而当前中国煤炭主要以井工开采的方式，这导致了一系列的地质、生态、环境等问题[2,3]，其中地表塌陷是煤炭开采地周边最为常见的生态损害形式之一。塌陷引起的地表拉伸和压缩变形对植物根系直接产生破断损伤，同时塌陷造成土壤物理结构破坏、养分流失和生物活性降低，间接影响植被正常发育受到影响[4,5]。但开采对植物群落影响并非全都为负面效应，裂缝有利于植物根系细胞的呼吸作用、抑制了植物种群的竞争势，亦可使植物多样性提高[6]。

目前国内外的学者在采煤扰动对土地资源及植被损害后的生态修复技术方面的研究较多[7,8]，但不同矿区由于气候、土壤类型等因素并不完全相同，对环境的影响的研究，尤其是生态脆弱、开采强度大的榆神府矿区，采煤塌陷后植被群落的动态演替规律及其驱动因子比较薄弱。因此，本文主要调查研究榆神府矿区植被类型、群落多样性等特征，探讨塌陷后恢复植被群落结构变化特征和演替规律，辨识出矿区的植被恢复过程中优势物种的变化，以期为矿区的生态环境恢复提供理论参考。

2 研究区概况与实验方法

2.1 研究区概况

研究区位于在榆神府矿区，地处陕北黄土丘陵沟壑区向内蒙古草原过渡地带，区内煤层埋藏浅、开采厚度大、上覆基岩厚度较薄、地表为风积沙覆盖层[9]。研究区气候为干旱大陆性季风气候，土壤以黄绵土和风沙土为主，土壤结构疏松，抗蚀性差，水土流失和沙漠化严重，地表植被稀少，主要植被为人工植被[10]，生态环境十分脆弱。

2.2 实验方法

通过野外调查确定不同年代地表沉陷时间及位置，选取采煤地表沉陷1年、2年、5年和10年工作面。每种沉陷年限选择5块下垫面状况较相近的沉陷地作为研究样地，同时选取未塌陷区作为对照样地。每个样地设立3个样方，利用GPS导航定位，在小的样方内以“S”形取样法随机选定5个样点，记录样方群落特征，植物群落所处位置、生境等信息。同时剪取主要物种地上生物量，带回分类鉴定。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。选择多样性Shannon-Wiener指数来衡量群落多样性[11]。

3 结果与讨论

3.1 榆神府矿区不同塌陷年限植被群落物种组成特征

由图1可知，研究区植物生长型的优势物种是多年生草本植物，占比为30.9%～43.1%，而小灌木占比最低，其极大值为8.6%出现在未塌陷区；与未沉陷区相比，开采塌陷初期大灌木、小灌木、多年生植物占比逐年减少，至塌陷2年后达到最低点，随着时间的推移种群数量开始回升，塌陷10年，植被恢复到较之前稳定的状态。而一两年生草本、一年生植物从塌陷开始物种占比持续增加，至塌陷第2年达到最大，但到塌陷第5年又下降，塌陷10年后物种占比均高于未塌陷区。

研究区植物生长型构型以一二年生草本为主，因为此类植物生活史较短，使得其对该区风蚀水蚀土壤侵蚀具有较大的耐受力[12]。灌木根系主要分布于0～1 m土层范围内[13]，为地表塌陷裂缝深度范围，地表塌陷后其根系受损，植物比例降低，后随着塌陷年限的增加裂缝弥合，植物逐渐恢复。

图1 不同塌陷年限群落生长型构成特征

由表1可知，研究区主要的广布种为黑沙蒿、赖草和达乌里胡枝子等多年生草本。未沉陷区重要值较高主要是多年生草本植物及乔木侧柏。而采煤引起地表塌陷后1～2年，一两年生植物比例增加，如猪毛菜、猪毛蒿和狗尾草，但随着采煤塌陷年限的增加，多年生草本灌木均表现出较高的重要值。

3.2 榆神府矿区不同塌陷年限下植物群落指标特征

由图2可知，与未塌陷地相比，植物群落盖度、生物量和物种多样性指数均在采煤塌陷初期产生显著降低，其中，塌陷第2年植物群落盖度、生物量和物种多样性指数分别下降了45.7%、45.8%和35.1%，达到最低值。这是因为研究区处于生态脆弱区，气候和降水因素使得该地区植被新老更替速度放缓[3]，采煤塌陷导致初期植物群落覆盖度和多样性降低，群落功能及稳定性下降。塌陷5年后，塌陷区植被群落指标开始逐步恢复，至恢复10年虽较塌陷初期得到了恢复，但仍然未完全恢复到原始水平。这说明采煤塌陷对当地生态环境尤其是植被系统造成了持续性的影响，恢复10年后仍未达到未塌陷区水平。

表1 不同塌陷年限下重要值排名前10的物种

图2 不同塌陷年限下植物群落多样性指数

3.3 榆神府矿区不同塌陷年限下植物群落演替过程

由图3的主成分分析可知，研究区采煤塌陷后植被群落经了3个不同的变化阶段：①群落结构衰退期，为塌陷后1年，图中Ⅰ位置，此阶段塌陷区生态因子虽受到塌陷干扰但并未完全恶化，植物群落仅处于生物量减少和盖度降低等退化状态；②群落结构恶化期，为塌陷后2年，图中Ⅱ位置，植被和生态因子处于共损状态，植物群落生产力降低、多样性均减小；③群落结构恢复上升期，为塌陷后5～10年，图中Ⅲ位置，此阶段随着塌陷

图3不同采煤塌陷年限植被指标-塌陷年限主成分分析双序图

土壤生态系统的稳定，植物群落物种逐渐恢复，植被指标有向未沉陷样地生态系统接近的趋势，但植物群落指标仍未达到未塌陷前水平(图3中Ⅳ位置)。

4 结语

榆神府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。研究区植被恢复过程中，广幅种和小灌木是人工植被恢复的优选的乡土物种，如黑沙蒿、赖草和紫花苜蓿始终是该区域的优势建群物种，该类植物对立地条件要求低，群落较稳定，对采煤塌陷地生态环境有较强的适应能力。