呼伦贝尔草原采煤沉陷对土壤-植物系统的影响及评价

2021-03-25肖能文史娜娜高晓奇郭志强温建忠全占军

环境科学研究 2021年3期

韩煜，肖能文，赵伟，史娜娜，王琦，高晓奇，郭志强，温建忠，全占军*

1.中国环境科学研究院，国家环境保护区域生态过程与功能评估重点实验室，北京 100012 2.北京城市快轨建设管理有限公司，北京 100027 3.国家能源集团国神公司敏东一矿，内蒙古呼伦贝尔 021100

呼伦贝尔草原煤炭资源丰富，草原区含煤面积达2.7×104km2，占该区域总面积的31%[1]，分布有伊敏煤田、大雁煤田、白音华煤田、宝日希勒煤田、呼和诺尔煤田等，该地区生态环境脆弱，气候干燥寒冷，水资源短缺，加之煤炭资源长时期、高强度的开发，对原本脆弱的草原生态系统造成了严重的威胁，表现为土地资源损毁、地下水漏斗、草地生产力下降、土地退化和沙化等[2-4].

众多学者针对采煤沉陷引起的土壤质量变化开展了研究. 例如，雷少刚[5]对补连塔矿区土壤水分的研究表明，地表沉陷使采区土壤含水率低于非采区，对风沙土的影响尤为突出；赵国平等[6]研究不同塌陷年限土壤粒径组成的变化发现，塌陷两年后土壤中物理性黏粒含量显著减少. 采煤沉陷对土体的扰动导致土壤容重增加，孔隙度下降，使土壤机械组成粗粒化，从而对土壤水分造成影响[7-8]. 同时，一些研究表明，采煤沉陷造成土壤养分出现不同程度的下降[9-11]，对于风沙土而言，沉陷区土壤TN(全氮)、TP(全磷)含量显著降低，而OM(有机质)和TK(全钾)含量变化不明显[12-13]；在土壤质地为壤土的矿区，沉陷使OM含量降低且空间变异性增大，尤其对表层土壤的影响最明显[14]. 采煤沉陷对植被影响的研究集中在植物群落数量特征和物种组成变化方面. 在神东矿区，地表沉陷初期植被盖度和生物量有所下降，沉陷稳定后又会上升，受沉陷的干扰，植物种数和物种组成也会发生一定变化[15-18]. 上述研究大多集中在采煤沉陷对土壤性质或植被群落特征某一方面的影响，当前关于草原区采煤沉陷后土壤质量和植物群落关系的研究较少，土壤质量如何影响植物群落的变化以及影响的关键因素都有待进一步研究. 鉴于此，该文以呼伦贝尔草原区的敏东一矿为研究对象，分析采煤沉陷干扰对土壤性质和植物群落特征的影响，采用冗余分析法和因子分析法，探索土壤性质与群落结构之间的相关性并对土壤-植物系统进行综合评价，有助于更好地认识土壤质量和植物群落之间的关系，以期为草原矿区土地复垦和生态恢复提供参考.

1 研究区概况

研究区位于呼伦贝尔市鄂温克旗的敏东一矿(119°52″E～119°59″E、48°42″N～48°48″N)，海拔705～730 m，为丘陵地貌类型. 该区属于中温带半干旱大陆性气候，多年平均降水量350 mm，主要集中在7—9月，年均蒸发量 1 247 mm，年均气温-2.4 ℃，无霜期110 d，年均风速4.2 ms. 地带性土壤为栗钙土，土壤质地为沙土，植被类型属草甸草原区羊草群落，主要植物种包括羊草(Leymuschinensis)、贝加尔针茅(Stipabaicalensis)、糙隐子草(Cleistogenessquarrosa)、蒙古冰草(Agropyronmongolicum)、日阴菅(Carexpedifermis)、寸草苔(Carexduriuscula)、洽草(Koeleriacristata)、星毛委陵菜(Potentillaacaulis)等.

2 研究方法

2.1 样地设置与试验方法

地表沉陷后出现的盆地具有明显的分区特征[19]，从沉陷边界至中心依次为坡顶(地表沉陷边界附近)、坡中(沉陷边缘区)、坡底(沉陷中心区). 选择下垫面状况相似的2个盆地作为研究区，这2个盆地坡度为32°～34°，植被类型相似，植被盖度为27%～30%. 其中，一个为自然形成的盆地，地下未采煤，设为对照区；另一个于2013年发生沉陷，将沉陷后的盆地设为沉陷区. 2017年7月在沉陷区与对照区的坡顶、坡中、坡底各布置3个样地(见图1)，土壤取样以20 cm为一层，分3层进行取样，采用梅花五点法取混合样，每次重复采样3次. 植物群落调查采用样方法，在每个样地各设3个1 m×1 m的样方，调查植物种类、盖度、数量、高度、频度.

图1 研究区样地布置示意Fig.1 Distribution of sample plots in the study area

采用德国TRIME -TDR型土壤水分仪测定15 cm处的土壤体积含水量(简称“土壤含水量”)，每个样地平行测定5次. 土壤TK、TP、TN、AK(速效钾)、AP(速效磷)、OM含量的测定方法分别为NaOH熔融-火焰光度法、NaOH熔融-钼锑抗比色法、半微量凯氏法、NH4COOH浸提-火焰光度法、NaHCO3浸提-钼锑抗比色法与重铬酸钾氧化法.

2.2 数据分析与处理方法

植物群落物种重要值(E)计算公式：

E=(A+B+C)3×100%

(1)

Margalef丰富度指数(M)：

M=(S-1)lnN

(2)

Shannon-Wiener多样性指数(H)：

(3)

Pielou均匀度指数(J)：

J=HlnS

(4)

Simpson优势度指数(D)：

(5)

式中，A为相对盖度，B为相对密度，C为相对频度，S为群落中的总种数，N为群落中个体总数，Pi为第i种个体数占群落中所有种个体数的比例.

采用Excel 2010软件对土壤因子和植物群落特征数据进行初步分析，利用SPSS 19软件的单因素方差分析(One way ANOVA)和多重比较(LSD法)分析不同样地的差异显著性(P<0.05)，利用因子分析法评价采煤沉陷对土壤-植物系统的影响；利用CANONO软件的冗余分析(redundancy analysis，RDA)研究土壤因子与植物群落特征的关系.

3 结果与分析

3.1 土壤性质变化特征

3.1.1土壤含水量

从土壤含水量变化(见图2)可以看出，沉陷区土壤含水量平均值为6.47%，对照区为6.69%，沉陷区比对照区下降了4.8%，采煤沉陷对土壤结构造成破坏，引起土壤水分的减少，沉陷区与对照区土壤含水量差异显著(P<0.05). 从不同坡位分析，沉陷区坡底、坡中和坡顶土壤含水量分别比对照区相同坡位减少了3.8%、8.4%和2.3%，沉陷区坡中土壤水分损失比坡顶和坡底严重，坡中土壤含水量与对照区同一坡位差异显著(P<0.05)，沉陷区不同部位土壤含水量差异不明显(P>0.05).

图2 沉陷区与对照区不同坡位土壤含水量Fig.2 Soil moisture at different slope positions in the subsided area and control area

3.1.2土壤养分

土壤养分的垂直分布规律：随着土壤深度的增加，养分呈减少趋势，沉陷区和对照区土壤养分在垂向分布上变化一致. 由土壤养分含量(见表1)可知，沉陷区表层(0～20 cm)土壤养分含量最高，0～20 cm土壤中TN含量比20～40 cm、40～60 cm土壤分别高出了66.7%和87.5%. 方差分析表明，沉陷区表层TP、TN含量与其他层位差异显著(P<0.05)，其余养分含量在不同层位差异不显著(P>0.05). 与对照区相比，沉陷区TK、TP、TN、OM和AK含量均有不同程度的降低，AP含量有所增加. 以TP含量为例，沉陷区0～20、20～40、40～60 cm土壤的TP含量比对照区分别降低了23.8%、19.8%和6.6%，AP含量平均值较对照区增加了4.2%，通过方差检验可知，沉陷区TP、TN、OM和AK含量与对照区差异显著(P<0.05).

从不同坡位来看(见图3)，各土壤养分含量在沉陷区与对照区随坡位的变化不一致. 与对照区相比，沉陷区TK、TP和TN含量在坡中的降幅最大，降幅为4.13%～29.65%，而OM、AK和AP含量在坡底的降幅最大，分别降低了54.1%、64.1%和13.1%. 方差分析表明，沉陷区TN含量在坡中与对照区差异显著，OM和AK含量在坡底与对照区差异明显(P<0.05).

表1 沉陷区和对照区不同深度土壤养分含量统计特征值

注：不同字母代表不同样地差异显著(P<0.05).图3 沉陷区和对照区不同坡位土壤养分含量Fig.3 Soil nutrient contents at different slope positions in the subsided area and control area

3.2 植物群落变化特征

3.2.1植物群落组成

植物群落组成分析结果(见表2)表明，沉陷区和对照区物种数量存在差异，沉陷区物种总数比对照区减少了28.6%～37.0%. 对照区植被类型为羊草+贝加尔针茅群落，羊草、贝加尔针茅作为优势种，其重要值在群落中最大，分别为19.33%和17.00%，主要伴生种有日阴菅、洽草、星毛委陵菜、祁州漏芦、麻花头、蒙古冰草、寸草苔、牻牛儿苗等. 沉陷区物种的重要值与对照区差异显著，优势种羊草、贝加尔针茅的重要值分别降至2.58%～10.2%和6.23%～9.31%；伴生种日阴菅的重要值增加，由10.48%～12.52%增至17.55%～41.3%，成为群落中的优势种；麻花头、细叶婆婆纳、牻牛儿苗等物种在沉陷区消失；双齿葱、寸草苔、冷蒿、洽草、星毛委陵菜、菊叶委陵菜等旱生伴生种的植物种类和数量增加.

3.2.2植物群落多样性

由图4可知，沉陷区Margalef丰富度指数、Shannon-Wiener多样性指数、Simpson优势度指数和Pielou均匀度指数分别为2.68～3.51、1.95～2.11、0.8～0.81和0.77～0.82，对照区分别为3.19～4.74、2.1～2.64、0.83～0.9、0.83～0.91. 与对照区相比，沉陷区群落多样性指数均有不同程度的降低，Margalef丰富度指数、Shannon-Wiener多样性指数和Simpson优势度指数在沉陷区与对照区差异显著(P<0.05)，Pielou均匀度指数差异不显著(P>0.05). 受采煤沉陷的影响，群落的物种丰富度、多样性和优势种的优势程度明显下降，物种分布的变化不明显.

从各坡位来看，沉陷区Margalef丰富度指数和Shannon-Wiener多样性指数均在坡底最高、坡中最低，Simpson优势度指数和Pielou均匀度指数均在坡中最大、坡顶最小，除Margalef丰富度指数、Shannon-Wiener多样性指数在坡中显著下降外(P<0.05)，其余指数在沉陷区不同坡位间的差异均不明显(P>0.05).

表2 沉陷区和对照区物种组成和重要值

注：不同字母代表不同样地差异显著(P<0.05).图4 沉陷区和对照区群落多样性指数Fig.4 Diversity index of plant community in the subsided area and control area

3.3 土壤性质与群落特征的关系

为了探索土壤性质与群落特征之间的关系，基于CANOCO软件的线性冗余分析(RDA)方法，对土壤因子和植物多样性指数进行排序研究(见表3、表4、图5). 从表3可以看出，土壤性质与植物多样性排序模型达到显著水平(P<0.05)，说明土壤性质可以很好地解释植物多样性的差异. 第一排序轴土壤性质对植物多样性的解释率为98.2%，几乎包含了所有的土壤与植物因子关系信息，因此对第一排序轴进行深入分析. 结合各因子与第一排序轴的相关系数(见表4)及图5可知，土壤TP、TN、OM、AK、AP含量均与Margalef丰富度指数、Shannon-Wiener多样性指数、Simpson优势度指数和Pielou均匀度指数呈正相关，其中TP、TN、OM和AK含量与多样性指数的相关系数均大于0.5(P<0.05)，TK含量、土壤含水量与上述多样性指数均呈负相关. 可见，土壤TN、AK、TP和OM含量对群落物种多样性的影响较大.

表3 土壤性质与群落多样性指数RDA分析结果

表4 土壤性质与多样性指数的相关系数

注： M—Margalef丰富度指数；H—Shannon-Wiener多样性指数；J—Pielou均匀度指数；D—Simpson优势度指数；TK—全钾含量；TN—全氮含量；TP—全磷含量；AK—速效钾含量；AP—速效磷含量；SWC—土壤含水量.图5 土壤性质与群落多样性指数RDA排序结果Fig.5 RDA biplot of soil properties and species diversity indices

RDA排序结果可以反映土壤因子与植物群落间存在的相关关系，但它是多种土壤因子作用于群落多样性的综合结果. 因此，利用RDA分析中的前向选择来筛选土壤因子中对植物群落特征变量影响最强的某一个或几个因子. 应用前向选择分析时，每一个土壤因子作为环境解释变量被逐一引入模型分析，并通过蒙特卡罗检验评价其对植物变量解释的显著性(见表5).

表5 环境因子作为解释变量的前向选择和蒙特卡罗检验

前向选择分析结果表明，群落多样性变化的主要影响因子是土壤TN含量，其单独解释量占土壤性质总解释量的75.8%(P=0.002，F=15.97).

3.4 土壤-植物系统综合评价

采用因子分析法对土壤含水量、TN、TK、TP和OM含量以及Margalef丰富度指数、Shannon-Wiener多样性指数、Simpson优势度指数等共计11个指标进行分析.

由分析结果(见表6)可知，提取的3个主成分的方差贡献率分别为57.7%、18.4%和9.4%，这3个因子的累积方差贡献率达到85.5%，可以反映11个指标的绝大部分信息. 其中，因子1中TP、TN、OM、AK含量以及Margalef丰富度指数、Shannon-Wiener多样性指数、Simpson优势度指数和Pielou均匀度指数的载荷均较大(绝对值均大于0.7)，主要反映土壤养分储量和群落多样性特征，土壤养分状况越好，植物对养分的利用效率越高，群落的物种丰富度和多样性越大，植物个体分布也较均匀，因此可以概括为土壤养分供给和利用因子；因子2中TK、AP含量的载荷均大于0.9，因TK性质较稳定，其含量在研究区变化不大，故称为土壤AP因子；因子3中具有较高载荷的是土壤含水量，反映土壤水分条件的优劣，即为土壤水分因子.

表6 因子旋转后土壤、植物指标因子载荷矩阵

由旋转后因子模型得到沉陷区和对照区各样地因子得分雷达图(见图6)，结果表明，沉陷区在因子1中的得分均较低，而对照区得分均较高，沉陷区土壤养分供给和利用受到干扰较大，养分匮缺严重，导致植物对养分的吸收利用受阻. 反映AP的因子2在沉陷区得分较高，由于沉陷区AP平均含量高于对照区，说明沉陷区AP有偏大、活化的趋势. 因子3在沉陷区和对照区的得分相差不大，对照区相对较高，沉陷区土壤结构遭到破坏，土壤持水能力下降，使水分发生损失. 通过沉陷区和对照区土壤-植物系统的综合评价(见表7)得出，沉陷区各样地土壤-植物系统的综合得分均低于对照区，整个系统处于不稳定状态，土壤-植物系统退化趋势明显，而且沉陷区不同部位的退化程度表现为坡中>坡顶>坡底.

注：图中C1、C2、C3、D1、D2、D3依次代表沉陷区和对照区的坡底、坡中、坡顶样地; 数值代表因子得分.图6 沉陷区和对照区各样地因子得分雷达图Fig.6 Factor scores and radar diagram of each factor of sample plots in the subsided area and control area

表7 沉陷区与对照区土壤-植物系统综合得分

4 讨论

4.1 采煤沉陷对土壤水分的影响

井工矿开采会破坏煤层覆岩的力学平衡，导致覆岩发生垮落、裂隙和弯曲下沉[20]，使采空区上方地表发生沉陷. 该研究显示，沉陷区土壤含水量比非采区有所减少，尤其在坡中(沉陷边缘区)最明显，这与已有研究结果[21-23]基本一致. 土壤含水量受到土壤水分补给和土壤持水性能的影响[24-25]. 沉陷使地表产生裂缝，土体结构遭到破坏，土壤结构变得疏松，孔隙度增大，导致土壤持水能力下降[26-28]，而且裂缝的出现增加了水分的垂向渗漏和侧向蒸发，减少了大气降水的有效补给，从而造成土壤含水量的下降. 由于坡中产生的裂缝数量多且宽度大，土壤水分的下渗量和蒸发量也随之增大，致使坡中土壤水分减少最多.

4.2 采煤沉陷对土壤养分的影响

土壤养分是反映土壤质量的重要指标. 该研究初步表明，沉陷区TP、TN、OM和AK含量较非采区均有显著下降，这与张发旺等[29-30]的结果相似，但与其不同的是，AP含量有增加趋势，因为沉陷导致土壤中的粉粒和黏粒减少，使土壤沙化严重[31-32]，沙土对磷素的固定和缓冲能力差，除非活性磷外，其他形态磷可全部或部分释放到土壤中使AP含量增加[33-35]，这与姚国征等[13]的结论基本吻合. 土壤结构的改变与土壤养分运移密切相关，沉陷形成地表裂缝，使土壤中的营养元素沿裂缝渗漏至采空区，从而引起土壤养分的缺失[20]. 同时，该研究发现，TN在沉陷区坡中流失严重，OM和AK含量在坡底减少量最多，这是因为不同土壤养分的流失途径存在差别. 坡中氮素沿裂缝淋溶至土壤深层发生损失，而坡底位于沉陷中心区，地势低洼，水热条件相对较好，调查时也发现该部位植物种类多、盖度高，可能是由于植物对土壤养分吸收利用程度高而造成可利用养分相对于其他坡位较低.

4.3 采煤沉陷对植物群落的影响

沉陷区土壤水分和养分条件的改变会打破土壤与植被之间的动态平衡，从而对植物群落产生影响[36]. 根据此次调查可知，沉陷后植物种类有所减少，群落组成发生改变，原生植被羊草、贝加尔针茅优势地位下降，旱生植物种类和数量增多，植物群落发生逆向演替. 由于沉陷区土壤水分减少，加剧了水分胁迫，使环境趋于干旱化，而埋在土壤中适合旱生条件的植物种子(如双齿葱、菊叶委陵菜等)因生存环境适宜而萌发长成植株. 该研究中，沉陷区植物群落的Margalef丰富度指数、Shannon-Wiener多样性指数和Simpson优势度指数均明显低于对照区，这与乌仁其其格等[1,36]的研究结果一致，而Pielou均匀度指数变化不显著. 受采煤沉陷的影响，群落的物种多样性有所下降，而物种均匀度变化不明显. 这是因为，沉陷区TN、TP、OM等营养元素含量的降低使群落中部分植物的生长受到限制，如羊草在氮素亏缺的条件下光合速率会降低[37]，使原有优势种在群落中失去生长优势，从而为次优势种、伴生种和其他适宜物种(如日阴菅、寸草苔、双齿葱等)提供了机会，使其在种间竞争中占据优势. 这些植物的生长不仅会抑制群落中其他植物的生长，甚至会导致其他物种的消失[38]，从而造成物种多样性降低. 同时，这也验证了生态学的中度干扰假说[39]，若干扰过度，先锋种不能发展到演替中期，使物种多样性较低. 虽然沉陷区植物群落的Pielou均匀度指数无显著变化，但是仍有小幅降低. 在沉陷的影响下，群落中原有优势种的优势地位下降，优势种发生改变，因此其分布的均匀度下降. 但草原植物的生态位相似，适应性强的物种会因为种间竞争而不会因优势种的改变使其生态位宽度增加而大幅扩散[40]，所以与对照区相比，物种Pielou均匀度未出现明显降低.

4.4 采煤沉陷对土壤-植物系统的影响

土壤环境是植物群落生长的基础，土壤质量对植物多样性的影响需要深入研究. 这可能是因为土壤理化性质和养分因子之间的关系本就复杂[41]，其作用于物种多样性的耦合效应更为复杂，而且不同植物功能群对土壤质量的响应也不同. 该研究表明，土壤因子与植物多样性的排序模型达到显著水平，其对植物多样性的解释率为98.2%. 总体来看，土壤养分与植物群落多样性指数呈正相关，这与李向磊等[42-43]的研究结果吻合. 其中TN、AK、TP和OM含量与群落物种多样性的相关性显著，且相关系数均大于0.5. 进一步研究发现，影响群落多样性变化的关键因子是TN含量. 土壤氮素是植物生产力的决定性因素，也是影响草原植物群落组成的主要土壤环境因子[44]. 沉陷区TN含量的减少会使依赖于氮素的植物生长受限[37]，在物种竞争中处于劣势甚至被淘汰，导致群落多样性降低. 而植物多样性的降低又会影响土壤微生物群落和土壤酶活性[17,36]，进而影响土壤营养元素代谢，导致土壤肥力质量进一步降低. 可见，在采煤沉陷的干扰下，土壤与植被是相互作用、相互影响的.

土壤-植物系统的综合评价结果显示，与对照区相比，采煤沉陷后土壤-植物系统发生退化，且坡中位置退化最明显，这与坡中土壤水分和养分的缺失及其对植物群落的作用有关. 因此，在我国东部草原区开展生态恢复时要注重土壤质量的恢复，尤其是地表裂缝密集的部位，通过合理的措施改良土壤结构，增加土壤蓄水、保肥能力，进而实现植被系统的快速恢复，促进矿区生态系统朝着健康、稳定状态发展.