采煤沉陷区典型植被分布与地形地貌及地下水关系研究

刘 刚

（1.煤炭开采水资源保护与利用全国重点实验室，北京 100011；2.神华神东煤炭集团有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯 719315）

毛乌素沙地与黄土高原丘陵过度带分布有丰富的煤炭资源，该区域气候环境恶劣，生态环境脆弱，加之高强度煤炭开采导致地面塌陷，造成地表水系破坏和地下水位下降，使得西部脆弱的生态环境加剧恶化[1]。相关研究表明，采煤塌陷形成的采空区破坏了岩层的完整性，改变了含水层结构，增加了大气降水的入渗通道和地下水的径流通道，改变了地下水的补给、径流和排泄条件[2]。周金余等[3]研究指出，采煤造成了地表水系受损、导水裂隙带受损，使得地下水运移发生变化，对地表生态植被生存空间造成不可逆破坏；范立民等[4]的研究表明，浅埋深煤层区采煤会导致地下水遭受破坏，进而对依赖地下水资源的植被产生严重影响。相关研究发现植被的分布除了与地下水存在一定关系外，还与其植被本身的特性以及所处环境密不可分。张友焱等[5]研究发现土壤水分是制约沉陷区植物生长的关键因素，地形地貌因素对土壤水分影响大，进而影响到植被的选择性分布；张进虎等[6]对毛乌素沙地地下水埋深与植物群落关系进行研究表明，地下水埋深在4.0 m 范围内，对根系较浅的湿生植被分布影响最大；夏含峰等[7]研究发现乔灌植被会随着地下水位的增加呈现由喜水植被过渡为耐旱植被，受地下水制约，植被出现演替变化趋势等。诸多研究表明土壤水的变化对一些植被的生存环境产生了影响，甚至加剧了该类型植被演替趋势，但极少研究采煤沉陷区裂缝发育及地表下沉造成的地下水、地表水遭受破坏情况下植被生长受影响状况，以及植被分布受地形地貌变化的影响关系。因此，以大柳塔采煤沉陷区为研究对象，探索沉陷区地下水位受损条件下，植被分布与地形地貌、土壤水、地下水之间的影响关系，揭示采煤沉陷区地表生态植被分布特征以及受采动破坏的影响状况，为神东矿区推进黄河流域生态保护与高质量发展提供先行依据，为牢筑黄河流域生态屏障、保障黄河流域高质量发展提供理论技术支撑。

1 研究区概况

神东矿区位于黄河中上游流域，地处陕西、内蒙古和山西三省区交界处，位于鄂尔多斯高原东南部及陕北黄土高原北部边缘和毛乌素沙地东南边缘；海拔高度介于1 020～1 380 m 之间，地形地貌多以黄土梁、沙丘、冲蚀沟谷为主[8]；气候类型为温带干旱、半干旱大陆性季风气候，春季多风，夏秋多雨，近五年平均降水量为449.23 mm，年蒸发量约1 320 mm，年均日照时数可达3 200 h；土壤多以风积沙土、栗钙土、粉砂岩、粗骨粒土为主[9]，孔隙度为17%～59%，pH 值介于6.7～8.8。土壤有机质含量低，植被多以耐旱、耐寒、耐盐碱地植物为主[10]。研究区所在位置为神东矿井田大柳塔52506工作面和52507工作面，经度：110°22′43.07″～110°21′21.73″，纬度：39°17′56.53″～39°18′19.85″（图1）。

图1 研究区调查设计Fig.1 Design of research area survey

2 材料与方法

2.1 样方设计

以研究区工作面内山坡、沟谷地带及沙丘作为研究对象，将坡体划分为坡顶、坡中、坡底、沟谷以及沙丘地貌5 个样方调查区，每个样方调查区按照垂直样线调查方式，等间距设计30 m×20 m 的生态调查样方，每个区包含6 个小分区。统计样方的地形地貌、坡度、土壤质地、典型植被优势群落及优势种分布等信息。采用手持TDR 测定调查样方内土壤近地表30 cm 深度的土壤含水率；采用环刀法进行测定土壤孔隙度；采用水文钻孔观测沉陷区坡顶、坡面、坡底不同深度的地下水分布状况。

2.2 数据计算

地表裂缝统计方式采用卷尺测量裂缝宽度；土壤含水率采用手持TDR-350 直接测定；植被盖度指植物群落总体或各个体的地上部分的垂直投影面积与样方面积之比的百分数。它反映植被的茂密程度和植物进行光合作用面积的大小。相对盖度是指群落中某一物种的分盖度所占调查样方内所有群落分盖度之和的百分比。土壤孔隙度=（1-土壤容重/土壤比重）×100，指的是单位体积内土壤孔隙所占的百分数。它的数量与大小影响土壤透水、透气及蓄水能力。

3 数据分析

3.1 沉陷区典型植被分布特征

受地形地貌影响，植被条带分布也存在显著差异性[11]。沉陷区植被的分布与地形地貌存在紧密关系，沉陷区植被分布划分为沙丘植被带、山坡垂直走向植被分带、沟谷植被分带三大类。不同地形地貌植被分布特征和优势群落的相对盖度如图2 和图3所示。

图2 不同地形地貌植被分布特征Fig.2 Distribution characteristics of vegetation in different landforms

图3 不同地形地貌优势群落的相对盖度Fig.3 Relative coverage of dominant communities in different landforms

1）坡顶：旱生草甸植被（图4）。坡顶沉陷区地貌以冲刷侵蚀、沙丘地貌为主。土壤质地以草甸土、细沙粒土为主。沉陷区土壤质地较密，地表分布有轻微裂缝，宽度为10～45 cm，未对地表造成明显破坏现象。土壤孔隙率为8.5%～14.6%，近地表30 cm深度土壤含水率为8.40%～24.15%。坡顶以耐旱草甸植被芨芨草、赖草、胡枝子为主，夹杂少量长蕊石头花、硬质早熟禾。如图3 所示，优势物种为芨芨草；优势群落为芨芨草+赖草+胡枝子群落，相对盖度为79%。灌木类植被则以少量柠条+黑沙蒿为主，相对盖度为18%，此外，坡顶相对平坦的黄土区域零星散落分布有狗尾草、黄戴戴、鹅寸草苔且数量较少，相对盖度占3%。总体上，坡顶区域以草甸植被为主，植物株高普遍低矮。

图4 坡顶调查区Fig.4 Survey area at the top of the slope

2）坡中：旱生灌草植被（图5）。坡中地貌以冲刷侵蚀地貌为主，坡中出现有明显裂缝，裂缝宽度为4～12 cm，小范围出现台阶式塌陷。土壤质地以草甸土、风沙土为主，土壤孔隙度为11.2%～16.4%，含水率为9.39%～22.23%。阳坡面典型的灌草植被有猪毛蒿、柠条、糙隐子草、长蕊石头花夹杂少量黑沙蒿，优势物种为猪毛蒿，优势群落为猪毛蒿+糙隐子草+长蕊石头花。阴坡面植被的分布与阳坡面存在显著差异，同一种植被在阴坡面叶片相对宽大，地上部分长势更为旺盛。阴坡面主要有草木樨状黄芪、芨芨草、白莲蒿、狭叶柴胡、柠条、细叶葱、山韭一类，优势种为草木樨状黄芪。坡面优势群落为猪毛蒿+芨芨草+长蕊石头花+草木樨状黄芪，相对盖度为82%，群落高度20～175 cm 不等，低洼处还分布极少数小叶杨、旱柳，且对水源有一定需求。

图5 坡中调查区Fig.5 Survey area in the middle of the slope

3）坡底：半旱生乔草植被（图6）。坡底土壤主要为黄绵土、泥沙沉积土，土壤含丰富矿物质，土体呈浅灰色。沟谷地带分布有大型塌陷和滑坡，裂缝宽度为10～40 cm，靠近沟谷带以河床沉积物为主，颜色呈灰黑色，有机质含量较高。土壤含水率为19.39%～32.23%，孔隙率为9.36%～15.23%。坡底、坡底靠近河边一带，主要分布为乔木类，旱柳、小叶杨及少量榆树，乔木高度为8～20 m；灌木主要是小叶锦鸡儿、白莲蒿，株高1.2～2.4 m；草本主要为碱草、白草、狗娃花以及委陵菜、苦苣。坡底优势物种为碱草，优势群落为旱柳+小叶杨+碱草，相对盖度为81%。

图6 坡底调查区Fig.6 Survey area in the bottom of the slope

4）沟谷：水生植被（图7）。靠近沟谷河床边分布有芦苇以及菖蒲生于富含腐殖质的淤泥中，以及多年生湿生植物，尖被灯芯草、节节草、车前、酸膜叶蓼、欧亚旋复花群落是一个广幅湿生植物，优势群落为芦苇+大石灯芯草+旋复花+菖蒲，相对盖度大，可达83%。

图7 沟谷调查区Fig.7 Survey area in the river valley

5）沙丘：沙生植被（图8）。沉陷区风积沙丘地带，土壤类别为风积沙土，质地粗糙，粉砂粒及黏粒的含量较低，沙粒占土壤矿质重量的80%～90%，地表无明显塌陷、裂缝。近地表30 cm 深度土壤含水率可达4.4%～13.6%，孔隙率为16.5%～21.6%。受沙丘地形地貌影响，沙丘主要分布根系发达的沙柳、黑沙蒿灌木类植被，混生有柠条、牛心朴子灌草类。优势物种为黑沙蒿，优势群落为沙柳+黑沙蒿+柠条，相对盖度为80%，受近地表土壤含水率影响，草本植被分布极少，灌木类居多且叶片稀疏，植被整体郁闭度低，植株低矮，少部分黑沙蒿出现干枯状。

图8 沙丘调查区Fig.8 Survey area in the sand dune

3.2 沉陷区典型植被分布与地下水关系

不同地形地貌内的植被分布与地下水之间也存在一定关系（表1）[12]。沙丘地带地下水位埋深为12～25 m，受采煤塌陷影响，水位下降流失。沙丘地带沙柳、黑沙蒿植株虽根系发达，却也无法利用地下水，生长主要依靠大气降水维持生存，该地带沙柳、黑沙蒿分布稀疏，部分枝干出现干枯，老化现象。沉陷区坡顶地下水埋深为28～45 m，该地带主要分布着匍匐地表，植被根系发达，植株较小的草甸植被群落，根系发育深度一般不超过0.5 m，显然该类草甸草本类植被并未依赖地下水生存。坡中垂直分布地带，植被以灌草群落为主，区别在于阴坡面半灌木、灌木类生长在冲刷沟壑边缘带，受塌陷裂缝影响，坡中地下水水位呈下降趋势，深度在17～30 m，且含水层局部有储水，该地段的草本植被长势良好，而灌木类有植株矮小的沙柳、柠条，体型较大的单株沙柳、柠条均已明显死亡，相关研究也表明采煤导致地下水位下降进而引发植被生长缺水致死[13]。坡底、沟谷一带地下水位埋深最深约15 m，最浅只有2 m，分布有大面积的高大旱柳、小叶杨、榆树以及喜湿、喜阴的菖蒲、芦苇、旋复花、节节草等植被，此类型植被群落因水而生，水干时植被群落也相应消失。

表1 研究区植被分布和地下水关系Table 1 Relationship between vegetation distribution and groundwater in the study area

3.3 沉陷区裂缝对地下水及典型植被的影响

不同地形地貌分布的原生植被与土壤水、地下水之间存在紧密关系[14]，随着煤炭的开采，地下水疏排措施使得地下水位急剧下降，导致一部分依赖地下水生存的植被受影响[15]。煤炭开采导致上覆岩层发生断裂、破坏、位移、变形，风化基岩含水层、第四系松散层结构发生破坏，在导水裂隙的发育作用下，水向采空区渗漏，地下水位进一步降低[16]。如图9 所示，采空区上覆未断裂区域以及上覆松散层虽然受塌陷、裂缝发育影响，导致含水层水系遭受破坏，水系下降，但还存在局部储水，对于地表的一些生态植被形成持续滋养，此类型生态植被受影响状况很难在短期内观测出影响变化。裂缝发育对于地表生态植被的破坏形式主要发生在裂缝边缘地带[17]。沉陷区塌陷及地表可观测到的裂缝相对少，但在裂缝边缘带明显观测到植被的根系有明显的拉伸、撕裂和阻断现象，植被长势遭受严重影响[18]。受采煤扰动影响，依赖地下水的一小部分乔灌木类植被，一旦在地下水遭受破坏损失殆尽情况下，该类型植被很难在短时间内适应缺水胁迫，导致植被叶片在短期内出现脱落，枝条出现干枯状，仅留少部分叶片维持生命。特别是在沟谷地带区域，零星发现一小部分原本长势特别旺盛的乔木类、灌木类植被在短时间内就出现叶片大面积脱落，甚至出现死亡症状，而山顶、坡面出现的体型矮小，呈小老头树症状的乔灌木类植被不存在此类现象。

图9 裂缝对地下水位及植被影响Fig.9 Impact of cracks on groundwater level and vegetation

3.4 沉陷区典型植被与地下水相关性分析

Pearson 相关性分析结果表明，生长在不同地形地貌的植被与土壤水、地下水之间存在紧密的关系。表2 数据显示，研究区绝大部分植被的丰度与土壤含水率呈正相关，其中，沙柳、黑沙蒿、柠条、牛心朴子、赖草、猪毛蒿、长蕊石头花、草木樨状黄芪、旋复花的丰度与土壤含水率呈显著相关性（p＜0.05）；芨芨草、碱草、大石灯芯草与土壤含水率呈极显著相关性（p＜0.01）。当地下水埋深不超过5 m 时，沙柳、黑沙蒿、柠条、小叶杨、旱柳、芦苇、大石灯芯草、旋复花、菖蒲的丰度与地下水呈显著相关（p＜0.05）；当地下水埋深介于10～15 m 时，沙柳、柠条、小叶杨、旱柳的丰度与地下水呈显著相关性（p＜0.05）；当地下水埋深介于15～30 m 时，只有旱柳、小叶杨与地下水存在显著相关性（p＜0.05）；当地下水位埋深在30 m 以下时，乔木、灌木、草本植被的丰度与地下水呈弱相关和呈极弱相关。总体来看，越靠近地表的土壤水、地下水，与生态植被丰度之间的相关性就越强，多数地表生态植被丰度主要受控于近地表土壤水和地下水。

表2 沉陷区典型植被丰度与土壤水、地下水相关性分析Table 2 Correlation analysis of typical vegetation abundance,soil water and groundwater in subsidence area

4 讨论

调查样方内的植被有规律地分布在沙丘、山坡、沟谷一带。从数据分析可知，沙丘一带植被的根系异常发达，且耐旱性极强，甚至叶片出现退化，以此应对强蒸发。山顶至山底、沟谷一带，植被由草本植被向灌草再向乔草过渡。山顶草甸类植被植株低矮，匍匐于地面，植物的叶片细小在夏季起到良好的抗蒸发作用，此外，低矮草甸植被在抗风、抗旱、抗寒方面的作用突出。山坡面以旱生灌草植被类为主，且植被丰富度最高，种类最多，分析其原因主要是山坡面存在不同的局部小生态环境，背阴、向阳、冲刷沟壑，地形地貌结构多样，垂直分带明显，导致植被出现的种类及多样性大大增加。坡底的环境气候特点明显与山顶、山坡面不同，该区域气候环境相对湿润，特别是夏季在坡底、沟谷一带山风不流通，在强蒸发作用下，形成水肥气热蒸笼效应，促使一部分半旱生、喜湿植被短期内迅速生长，对于一部分长势繁茂的乔木、灌木类植被，无疑提供了满足其生长发育的水源。

不同地形地貌内的植被分布与地下水之间也存在一定关系[19]。沉陷区山顶草甸植被以及山坡面典型的灌草植被的生长主要依赖大气降水，该沉陷区域内地下水破坏殆尽，地下水埋深较深，灌草类植被长势不受影响说明几乎不受地下水影响。数据显示在山顶、坡面分布极少的乔木类植被虽呈现小老头树症状，但未出现叶片大面积突然脱落状况，而生长在沟谷一带原本长势茂盛的乔木、灌木类植被在采煤扰动导致的地下水遭受破坏的条件下，植被的叶片在短时间内萎蔫、叶片大面积脱落，变得稀疏，部分灌木出现干枯脱落。说明在沟谷、坡底一带乔灌木类植被原本对地下水源有极高的依赖性，因而长势繁茂，在地下水突然遭受破坏条件下，一时间难以适应土壤水、地下水缺失的剧变，进而无法维持地表原本繁茂的枝叶蒸腾作用，而出现叶片脱落，甚至短期内死亡现象。而山顶、坡面的呈现小老头状的乔灌木类在长时间缺水条件下，根系发育异常发达，地上部分仅保留维持生命的极少部分叶片，以此减少蒸发维持生命。对沉陷区不同的植被与地下水进行相关性分析进一步证明研究区内少部分乔灌类植被确实对地下水存在依赖关系，当地下水埋深在5 m 范围内，沙柳、黑沙蒿、柠条、小叶杨、旱柳、芦苇、大石灯芯草、旋复花、菖蒲均与地下水存在显著相关性；当地下水埋深介于10～15 m 时，沙柳、柠条、小叶杨、旱柳与地下水呈显著相关；当地下水埋深超过15 m 时，只有根系发达的小叶杨和旱柳与地下水呈显著相关。当地下水位埋深超过30 m 以下时，乔、灌、草类植被的丰度与地下水的关系呈弱相关和极弱相关，说明地下水埋深越深对植物的影响能力也就越小。

沉陷区塌陷、裂缝发育使得地表生态植被遭受一定程度的破坏，但破坏的程度非致命性的[20]。塌陷、裂缝发育对于地表部分植被的根系造成阻断影响，对于大部分不依赖地下水生存的植被造成的影响极小[21]。对比采煤前后植被的长势以及种类几乎没明显变化，仅仅发现裂缝边缘带植被根系在明显的裂缝发育拉扯、阻断情况下出现死亡，而未看到明显裂缝发育区域范围内植被长势良好，短期内几乎看不到明显影响。但从长远角度分析，短期内无法辨别出地下水位下降对地表生态的影响，但沉陷区裂缝的发育，以及覆岩移动变形，地表下沉等运动，使得含水层水系产生更多导水裂隙，使得地下水流失殆尽，短期内无法恢复，在这样的条件下可能会使得近地表松散层含水层无法对土壤水形成补给作用，长期状态下，可能导致沉陷区近地表植被出现演替现场，由耐旱型草甸植被向沙生植被演替。

5 结论

1）研究区植被随着地形地貌呈现一定分布规律，从山顶到山底、沟谷，植被分带依次由草甸植被、灌草植被、乔草植被、水生植被带过渡，且植被总体上由低到高的变化趋势。沙丘地带则以沙生植被为主。

2）沉陷区一少部分长势旺盛的旱柳、小叶杨、沙柳、柠条乔灌木类植被在地下水位下降后，短期内缺水导致出现叶片脱落、枯萎状态，沙丘、山顶、沟谷草甸植被、乔木类植被受影响较小。

3）沉陷区塌陷、裂缝使得到水裂缝带受损，地下含水层水系结构破坏，地下水位下降显著，但对于地表的生态植被的影响在短期内未呈现出显著影响趋势。

4）对沉陷区典型植被与地下水之间进行进一步的相关性分析表明沉陷区不同地带草本类植被未受地下水影响，乔灌木植被如沙柳、黑沙蒿、柠条、旱柳、小叶杨之类的极少部分曾依赖地下水生存的植被，在地下水受损后表现出显著性影响。