赵欢欢，王 军，王 敏

(1.陕西维德科技股份有限公司，陕西 西安 710054；2.西安财经学院 信息学院，陕西 西安 710010)



浅埋深煤层煤矿开采对地表植被影响研究

赵欢欢1，王 军2，王 敏1

(1.陕西维德科技股份有限公司，陕西 西安 710054；2.西安财经学院 信息学院，陕西 西安 710010)

为研究浅埋深煤层煤矿开采对地表植被覆盖度及其多样性的影响，结合遥感影像资料与现场实地调研，对陕西省神东矿区采煤塌陷区不同塌陷年限区域和未受塌陷影响区域(对照区) 植被进行了抽样调查与分析。结果表明：采煤塌陷对植被种类组成、物种分布等较对照区有较大变化，优势种由多年生草本植物演变为一二年生草本植物；降雨量是影响植被未恶化的关键因素，地下水位下降限制着乔木的生长。从矿区整体生态系统现状来看，整体覆盖率趋势有所改善，但若遇到干旱气候，势必引发生态环境的恶化，应采取一系列工程措施引导矿区生态环境向可持续方向发展。

浅埋深煤层；植被；覆盖度；优势种；系统稳定性

1　引言

我国西北地区贮存着丰富的优质煤炭资源，该地区多是典型的浅埋深、薄基岩、厚松散层的浅埋煤层，可采煤层多、煤层厚、煤质优良。主要有神府东胜大煤田、陕北榆神煤田、宁夏的灵武煤田、新疆的吐哈煤田等，对于此类煤层可以通过以下指标进行判定：埋深不超过150 m，基岩与载荷层厚度之比小于1，顶板体现单一主关键层结构特征，来压具有明显动载现象。20世纪80年代初，在浩瀚的毛乌素沙漠下发现了大量的浅埋深煤层煤炭资源，仅神府东胜煤田储量达2000多亿t，是我国现己探明较为典型的浅埋深煤层矿区之一。

现有研究针对该区域煤炭开采对地表植被影响产生了两种不同的认识：第一，认为煤炭资源开发对生态环境造成了严重破坏[1]，水土流失加剧[2]，地下水地表水环境改变、地面变形、地裂缝和地表塌陷、边坡滑坡塌陷等环境地质问题[3，4]，进而导致植被破坏量增加[5，6]；第二，矿产资源开发使得矿区的生态环境不断改善[7]，土地沙漠化在逆转[8]，各地的植被覆盖率都得以提高，整个生态环境向良性方向发展。基于上述观点的争论，笔者的研究以神府东胜矿区煤炭资源开采对地表植被的影响为出发点，结合浅埋深煤层煤矿的特征及研究区自然概况的特殊性，综合分析煤矿开采对植被的影响，主要调查采煤矿区植被类型、覆盖度等特征，分析其影响因素，以期对浅埋深煤层煤炭资源开发对地表植被的影响做出科学准确的评价。

2　研究区概况

研究矿区处于陕北黄土高原与毛乌素沙漠南缘地区，西部及中部处在以波状起伏、风蚀为主的毛乌素沙漠边缘，东部为黄土丘陵，由风沙区及黄土丘陵区二大地貌组成，矿区地处我国西部内陆，属典型的中温带半干旱大陆性气候。2000～2010年神东矿区年产煤量、降水量、平均温度详见表1，总体来说，该区域地表植被稀少，水土流失和沙漠化十分严重，生态环境较为脆弱。

表1　2000～2010 年神东矿区年产煤量、降水量、平均温度

3　研究方法

文献调研法：研究数据主要来源于 CNKI 中国学术期刊网，检索时间设定为 2015年10月20日，以“神东”、“植被”、“覆盖度”、“演变”等为主要检索主题；筛选和剔除重复、不切题的文献，最终得到有效中文文献样本为 68 篇。

实地样方调研法：项目区植被调查于2012、2014和2015年分3次进行。植被实地调查主要采用样方法，首先根据遥感影像大致判别出项目区植被类型种类，在每一植被类型中选择有代表性的地段设置样方，详细记录样方中的植物种类、株数、盖度、高度、建群种等信息，并记录生境特征。两次调查共设置了5个样方，其中2 m×2 m的塌陷样方4个，在相同地貌条件下选择 1 个未塌陷区作为对照。

4　研究内容

4.1开采塌陷对地表植被的影响研究

研究样地选取非塌陷样方与塌陷样方，定期调查两类样方的植被覆盖情况，结果显示非塌陷样方的植被量明显大于塌陷区，且随着时间的推移，开矿时间越早的矿区植被恢复越好，植被覆盖度越高，反之则植被覆盖度低。此结果与其他研究者的成果比较一致。谢少少[9]以植被净初级生产力(NPP值)为表征对象，使用处理软件MRT ( Modis Reprojection Tool) 对神东矿区、10 km缓冲区、矿区对比区域等3个区域的NPP 值，得出对比区年 NPP>缓冲区年NPP>神东矿区年NPP，说明矿区植被在一定程度上受到了煤矿开采的负面影响。叶瑶[10]通过对神府东胜-补连塔矿采煤塌陷区植物群落物种组成，与对照区相比，塌陷区植物种类显著减少，降低了31. 03%～44. 83%，植株密度显著下降；相关研究均指出塌陷区的土壤含水量、土壤容重都小于非塌陷区[11]，进而影响开采区植被的覆盖度。

煤矿开采地表沉陷对植被景观的影响主要表现在以下几个方面。①植被根部被拉扯拉断，直接导致植被枯萎死亡[12]。②地下水位下降，进而使得植物缺水，而影响生长[13]地下水位的下降，会使地表水的水流量减小[14]。②沉陷裂缝增加了土壤水分蒸发，影响植物生长，尤其是在干旱年份里，其影响尤其突出。④水土流失严重引发土壤沙化，进一步影响植被生长。浅埋深煤层开采后引发地表塌陷，会使地表水沿着裂缝下渗，由此引发的后果是出现更多的土沙移动，加剧水土壤沙化和水土流失，地表植被的生长受到严重影响。

4.2采煤塌陷区植被覆盖度变化特征

开采沉陷破坏植被的生长环境，大规模地对矿产资源的开采，将对植被覆盖度产生一定影响，就现有的研究来看，地表塌陷会对植被覆盖产生短期的影响，尽管每年的开采量在逐渐增加，但植被覆盖度近10年内总体呈现出改良趋势。吴立新等[15]利用SPOT-VGTNDVI遥感数据，采用沙化土地分级变化检测与一元线性回归方法，对神东矿区1999～2008年植被覆盖和土地沙化的动态变化进行了分析，揭示了10年来神东矿区的植被覆盖和土地沙化变化趋势；信忠保等[16]研究黄土高原1981～2006年植被覆盖度的时空变化时，发现黄土高原地区植被覆盖整体呈现增加趋势，并存在明显的空间差异。谢少少[17]收集遥感数据利用生理生态过程模型(BLOME-BGC 模型) 估算2000～2010年的年植被净初级生产力NPP，结果表明随着神东矿区煤炭开采量的总体增长，矿区植被并未持续受到负面影响，反而在某些年份有所改善。

从总体趋势来看，植被覆盖率明显提高，沙漠化程度有所减轻，研究区的植被覆盖率都得以提高，整个生态环境向良性方向发展。

4.3采煤塌陷区植被群落多样性特征

项目组对神府东胜-大柳塔矿采煤塌陷区植物群落物种组成进行实地调查，塌陷样地有 7科14属16种，优势物种为沙蒿、狗尾草、沙米、沙打旺等；而对照区有11科27属29 种，以豆科、禾本科、菊科、藜科植物为主，优势物种为假苇拂子茅、碱蓬、紫翅猪毛菜等等。从植物生活型来看，塌陷区以一二年生草本植物为主，其次为多年生草本、半灌木和灌木植物，而对照区则以多年生草本植物为主。表明采煤塌陷对多年生草本、灌木以及乔木的影响最大。项目组以神木县大保当煤矿为例，在查明自然植被种类、类型和分布的基础上，煤矿开采后矿区景观破碎度上升，景观异质性降低，植被类型发生变化，优势种以叉子圆柏、北沙柳、斜茎黄耆的灌木丛向以黑沙蒿的灌草丛转化。这与其他学者的研究成果基本一致。石占飞等[18]研究神木矿区煤炭开采后，在自行恢复过程中物种数量短时间内较难达到很高的水平，植被群落以草本为主，野生灌木呈零星状分布，天然乔木已基本消失，人工种植的侧柏、小叶杨等树种长势较差，白草、硬质早熟禾、阿尔泰狗娃花等草本植物重要值较大，为矿区植被群落中的优势物种[19]。

优势种的调查结果显示，优势植被类型由多年生草本植物转变为一二年生草本植物，不同塌陷年限样地内的优势种无明显变化，但与对照区相比有明显差异，并且采煤塌陷后地表植物物种种类数量发生明显变化。

5　结果与讨论

5.1降雨量对植被生长的影响

在干旱、半干旱区，尤其是受采煤塌陷的影响区域，降雨量是决定矿区植被生长的关键因素，降雨对植被的生长状况和空间分布具有决定性作用。基于时间序列分析1990年、2000年和2010年某浅埋深煤层矿区3个年份平均植被覆盖度与年均温度与年均降雨量的关系，如图1所示，平均植被覆盖度与年均降雨量的相关性显著，图中两者数值变化趋势和走势大体一致，证实了降雨量大小对植被覆盖度起到决定性作用的观点。吴立新[15]指出1998～2001年的历史罕见干旱情况，加之逐年增加的煤炭采空面积，致使这一期间神东矿区植被覆盖度下降明显，但 2001年以后，如图2所示，在 2001～2010年中，神东矿区年降水量逐渐增大，相对应的土地覆盖植被有了明显的恢复，再次证实降雨量是矿区植被生长情况没有持续恶化的主要因素之一。

图1　平均植被覆盖度与年均降雨量的关系

5.2植物群落的多样性

采煤塌陷区与对照区的植被物种组成、物种分布差别较大，与对照区相比，塌陷区植物种类数量明显减少，植株密度显著下降；典型物种和优势种均发生明显改变，地表植被以北沙柳、斜茎黄耆为优势种的灌木丛向以黑沙蒿为优势种的草本植被转化。叶瑶等调研结果表明，物种分布与采煤塌陷有显著相关性，进一步说明采煤塌陷对植物群落种类组成有较大影响，会直接导致物种数和植株密度显著降低，影响了植物群落的多样性[10]。

图2　2000～2010年均降雨量变化趋势

而上述结果与植被覆盖度的好转并不矛盾，其根本原因在于草本植被的根系基本分布于土层 1 m 以内，其生长主要靠大气降水，随着2001～2010年神东矿区年降雨量的趋势，草本植被呈现出较好的长势。与此同时，杨树等深根性乔木树种根深可达10 m以上，主要利用地下潜水，地下水水位的高低决定了其生存与否。而在研究区内煤矿开采的扰动以及违背客观规律的矿井疏排水，采矿后发生冒落和塌陷，破坏了地下水的径流平衡，改变了地表水径流和汇水条件，使得地下水位大幅度下降，直接限制了乔木的生长，进而形成其植物群落中以一年生草本植物占优势的情况。

该地区乔木、多年生灌木对浅层地下水具有较强的依赖性，只有草本植被主要依靠大气降雨量。煤矿开采会引起地下水位下降，甚至疏干，继而造成地表植被优势植被的转变。

5.3研究区生态系统稳定性

研究区属于地处陕北毛乌素沙漠前缘草滩地，地表植被稀少，水土流失和沙漠化十分严重，生态环境原本就较为脆弱。受煤炭开采影响，优势植被转变为一二年生的草本植被，对矿区生态环境保护作用有限。与裸地相比，生长1年的植被对土壤沙化有一定的减缓作用，但不同植被对土壤沙化的减缓效应顺序为乔木>灌木>草本；草本植被根系欠发达，扎根较浅，对外界不良干扰因素的抵抗力弱，在不良环境因素的影响下，草本植物死亡率高。一旦气候恶化，尤其是在干旱年份里，将直接影响矿区自然生态系统的良性发展，总体来说，开采导致矿区生态系统稳定性减弱。

6　结语

在过去的10年里，神东矿区煤炭开采量的日益增加，但矿区植被覆盖情况却呈现出整体改善的趋势，并非是采煤塌陷未对植被产生影响，而是由于近年来毛乌素沙地降水量上升，蒸发量下降，气候变化趋向于好的方向发展；同时国家致力于毛乌素沙地生态环境建设，实施了退耕还林还草及封山禁牧等一系列工程。但不得不关注的是生态系统整体的稳定性下降了，表现在研究区植被群落以草本为主，野生灌木呈零星状分布，天然乔木已基本消失，人工种植的侧柏、小叶杨等树种长势较差，植被多样性减弱，对矿区生态环境保护作用有限，煤炭的开发、利用给自然生态环境带来一定程度的损害。针对研究结果，建议从推行保水开采及优化配置人工林等方面进行植被保护。

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2016-06-11

国家自然科学基金委员会与神华集团有限公司联合资助项目(编号：U1261111)

赵欢欢(1988—)，女，硕士，主要从事煤矿生态保护、土壤污染修复等相关的工作。

Q948.15+3

A

1674-9944(2016)16-0173-03