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煤炭开采对野生植物物种丰富度和物种组成的影响 * 孟东平 1 王应刚 1＊＊ 万江丽 1 刘斌 1 赵文婧 1 苏尚军 1 山西大学环境与资源学院，太原 030006 摘要煤炭开采引发的生态环境破坏早已引起关注， 对其破坏机理和修复方法进行研究 显得非常重要。本文探讨了煤炭开采对野生植物物种丰富度和物种组成成分的影响。从 分布在晋西北地区的 338 个煤矿中， 随机选择 16 个煤矿作为研究对象， 调查了煤炭采空区 和非采空区地面的野生植物物种， 用 Gleason 丰富度指数分析了煤矿采空区和非采空区的 野生植物物种丰富度差异， 同时用 Srensen 指数分析了煤炭采空区野生植物物种组成成分 和非采空区植物物种组成成分的相似性。结果表明 煤炭开采造成了野生植物物种数的减 少， 采空区的野生物种丰富度明显少于非采空区; 煤炭开采也造成了野生植物物种组成成 分的变化， 采空区和非采空区的野生植物物种组成成分出现明显差异。 关键词矿山生态系统;煤炭采空区;煤炭非采空区;植物物种丰富度 中图分类号Q948． 11文献标识码A文章编号1000－4890 2012 2－0299－05 Impacts of coal mining on wild plant species richness and species composition． MENG Dong- ping1，WANG Ying- gang1 ＊＊，WAN Jiang- li1，LIU Bin1，ZHAO Wen- jing1，SU Shang- jun1 School of Environment and Resources，Shanxi University，Taiyuan 030006，Shanxi，Chi- na ． Chinese Journal of Ecology， 2012， 31 2 299－303． AbstractThe damage of coal mining on ecological environment has long been concerned． It is of significance to study the destroying mechanisms of the damage and related remediation s to restore the damaged ecological environment in coal mining regions． This paper studied the im- pacts of coal mining on the wild plant species richness and species composition． A total of 16 out of 338 coal mines in northwest Shanxi Province were randomly selected to investigate the wild plant species in coal mine goaf area and coal mine non- goaf area，with the difference in the plant species richness and the similarity of the plant species composition between the goaf and non- goaf areas analyzed by Gleason richness index and Srensen similarity index，respectively． Coal min- ing decreased the wild plant species richness，and the wild plant species number was obviously lower in goaf area than in non- goaf area． Coal mining also induced the changes of wild plant spe- cies composition，resulting in an obvious difference in wild plant species composition between the goaf and non- goaf areas． Key wordsmine ecosystem;coal mine goaf area;coal mine non- goaf area;plant species rich- ness． * 国家自然科学基金项目 31070424 资助。 ＊＊通讯作者 E- mailwangyg sxu． edu． cn 收稿日期 2011- 07- 14接受日期 2011- 11- 23 由煤炭开采所引发的地质灾害、 农田受损、 水土 流失加剧、 河水流量减少甚至断流、 地下水位下降和 浅层地下水疏干等一系列生态问题， 早在 20 世纪中 期便引起了西方发达国家的高度重视， 一方面积极 开展 理 论 研 究 Hall， 1957; Cornwell ＆ Jackson， 1968 ， 另一方面也开始了对受损矿山生态系统进 行生态修复治理实践 Leisman， 1957; Carraway ＆ Doyle， 1991; Httl ＆ Gerwin 2005 。我国从20 世纪 80 年代开始， 对煤矿开采造成的生态破坏问题展开 了理论研究 何书金等， 1996; 王剑虹和麻密， 2000; 姜军和程建光， 2002; 范英宏等， 2003; 李永庚和蒋高 明， 2004 ， 并对煤炭开采区的受损生态环境进行了 恢复治理示范实践 沈德中， 1998; 陈振金和郑大 增， 2001 。但至今对破坏地层的修复和破坏浅层 地下水的修复等问题尚未完全解决， 煤炭采空区地 面植被退化机理和规律也未做到定量化研究。 生态学杂志 Chinese Journal of Ecology2012， 31 2 299－303 晋西北地区是全国能源大省山西省的主要产煤 地区之一， 2009 年该地区年产煤 1. 84109t。长期 开采煤炭， 引发了地面塌陷、 崩塌、 滑坡、 水土流失、 水资源破坏和植被破坏等一系列生态环境问题 王 慧等 2000; 李绍京等， 2001; 耿殿明和姜福兴，2002; 张彪等， 2004 。煤炭开采已经严重破坏了当地的 地表水和浅层地下水 张之钰， 1999;王晓宇， 2003; 刘 晔， 2008 ， 浅层地下水的疏干导致地下水位明显 下降 沈继方和陈植华， 1998; 李振拴， 2007;周洪华 等， 2008; 王应刚等， 2010; 邱开阳等， 2011 ， 引发河 流断流、 水库枯干和植被退化 耿殿明和姜福兴， 2002; 牛仁亮， 2003;曹金亮， 2009 。此外， 采煤造 成浅层地下水渗漏， 使地表土层干化， 进而影响植物 群落的物种组成和物种丰富度。由此可见， 在晋西 北地区， 由采煤引起的直接生态破坏和间接生态破 坏问题， 已经使当地本来就极为脆弱的生态环境进 一步恶化 王菱等， 1992; 苏志珠， 1998; 刘秀丽， 2008 ， 给当地居民的生活、 生产等各方面造成了严 重威胁。因此， 对该地区采煤对生态环境造成破坏 的机理、 生态退化规律以及进行生态修复技术开展 研究既重要又迫切。本文就煤炭开采对当地野生植 物物种丰富度的影响规律进行研究， 为煤炭开采过 程中对生物多样性进行保护提供依据。 1研究地区与研究方法 1. 1研究区概况 研究区域位于山西省西北部 11058E113 42E， 3822N4028N 。北与内蒙古自治区清水 河县、 准格尔旗接壤， 西以黄河为界、 与陕北地区毗 邻， 南关帝山、 湫水河为界， 东以源子河、 恢河为界。 区域面积为 21530 km2， 包括河曲县、 保德县、 偏关 县、 兴县、 岢岚县、 五寨县、 神池县、 宁武县、 静乐县和 岚县共 10 个县。属于典型的黄土高原地貌， 出露有 寒武系、 奥陶系、 石炭系、 二迭系、 第三系、 第四系等 地层; 属半干旱大陆性气候， 干燥、 少雨、 多风沙。多 年平 均 气 温 5. 4 ℃， 1 月 平 均 气 温 在 － 12 ～ －10. 6 ℃， 极端最低气温为－30. 5 ℃; 7 月平均气温 在20 ～21. 5 ℃， 极端最高气温可达 36. 1 ℃; 多年平 均降水量 410. 6 mm， 68 月降水量占全年降水量 的 60; 多年平均蒸发量 2229. 5 mm; 年平均无霜 期 115 d; 主导风向为 WNW 风， 年平均风速 3. 15 ms－1。 当地属于暖温带落叶阔叶林向温带草原的过度 地带， 植物种类比较贫乏， 植被覆盖率比较低。当地 的植物群落类型主要有 华北落叶松白桦群系、 山 杨白桦群系、 虎榛子沙棘黄刺玫群系、 百里香 本氏针茅群系、 铁杆蒿茭蒿群系、 沙棘－牛奶子群 系、 油松侧柏群系、 白羊草黄背草群系、 沙棘柠 条锦鸡儿群系等。 1. 2研究方法 1. 2. 1样方布设按照统计学原理， 在多个煤矿采 空区和非采空区地面上分别布设植物调查样方， 然 后以煤炭采空区和非采空区分别组成样本， 这样得 到的结果就符合统计学规律， 就能揭示出煤炭开采 造成生态破坏的普遍性规律即一般规律。具体做 法， 从晋西北地区分布的 338 个井工开采的煤矿中， 随机抽取了 16 个井工开采的煤矿作为调查研究对 象 图 1、 表 1 。按照植物群落类型、 地形、 地貌和 土壤等环境条件尽可能相一致的原则， 在各个煤矿 的采空区地面上天然植被中和距离采空区边界外侧 2000 m 处的非采空区地面上的天然植被中分别选 择 1 个标准样地。首先在各个采空区地面上选定 1 个边长为 100 m100 m 的标准样地; 然后在距离各 个煤矿采空区边界外侧 2000 m 处的非采空区地段 分别选定 1 个边长为 100 m100 m 的标准样地， 要 求在非空区地段上所选标准样地的植物群落类型、 地形、 地貌、 海拔高度、 坡度、 坡向和土壤类型等环境 条件与采空区相一致; 最后， 再把 100 m100 m 的 标准样地， 划分成 25 个边长为 20 m20 m 的样方， 按照随机取样原则， 从各个标准样地的 25 个样方 中， 分别随机抽取 2 个样方。这样在 16 个煤矿的采 图 1晋西北地区煤矿样本分布示意图 Fig． 1Distribution of 16 coal mine samples in the north- west of Shanxi 003生态学杂志第 31 卷第 2 期 表 1晋西北地区 16 个煤矿的地理坐标 Table 1Geographical coordinates of 16 coal mine in the northwest of Shanxi 序号矿名 地理坐标 经度 E 纬度 N 1闫家沟矿381654. 46″1111009. 97″ 2沙坡窑矿393834. 28″1113819. 51″ 3磁窑沟矿391446. 73″1111812. 80″ 4麻地沟矿391208. 94″1111522. 31″ 5井沟矿390249. 06″1120755. 79″ 6孙家沟矿385447. 18″1111000. 24″ 7牧塔村矿385047. 18″1111000. 24″ 8华尖嘴矿382939. 17″1120415. 55″ 9斗沟矿390419. 26″1121453. 45″ 10阳坡矿381440. 50″1114358. 32″ 11正沟矿385433. 62″1121246. 33″ 12大汉沟矿383452. 32″1120821. 05″ 13散岔矿384152. 32″1120634. 22″ 14杜家村矿383451. 30″1120808. 79″ 15西马坊矿385556. 87″1124217. 90″ 16石坝矿384245. 88″1112826. 79″ 空区地面上的 16 个标准样地中可选出 32 个样方， 组成样本Ⅰ; 同时在 16 个煤矿的非采空区地面上的 16 个标准样地中也选出了 32 个样方， 组成样本Ⅱ。 1. 2. 2样方调查采空区植物调查， 在 2010 年 89 月， 对晋西北地区分布在各县的 16 个煤矿的 野生植物进行了调查; 非采空区植物调查， 在 2010 年 810 月， 对晋西北地区分布在各县的 16 个煤矿 的野生植物进行了调查。分别记录了各个样方中的 野生植物种名、 高度和盖度。 1. 2. 3数据处理在布设的样方内调查记录植物 物种名称， 同时调查记录盖度、 数量、 高度等。 选用不涉及各个物种之间的数量比例关系的 Gleason 丰富度指数 Gleason， 1926 探讨采煤对植 被物种组成丰富度的影响， 计算公式为 DS/lnA 式中 S 为物种数， A 为调查面积， D 为 Gleason 丰富 度指数。由于本研究所设置的样方面积是相同的， 所以未用 Gleason 指数公式分别进行计算， 而是直 接用各样方的物种数量来代替 Gleason 丰富度指数 值。 本研究用 SPSS 软件 马国庆， 2003 对调查数 据作单因素方差分析， 以确定煤炭采空区与非采空 区的物种丰富度是否存在差异及其差异达到的显著 性程度。 用 Srensen 指数公式来计算煤炭采空区植物群 落物种组成成分和非采空区植物群落物种组成成分 的相似性指数， 计算公式为 S2c/ ab 式中c 为 2 个对比群落中的共有物种数， a 和 b 分 别为该 2 个群落中各含有的物种数，S 为 Srensen 指数。 2结果与分析 2. 1煤炭开采对野生植物物种丰富度的影响 对煤炭采空区上方样方中植物的调查结果表 明， 在 32 个样方中， 共记录了酸栆 Zizinhus juju- ba 、 碱茅 Puccinellia distans 、 广布野豌豆 Vicia cracca 、 百里香 Thymus mongolicus 、 大针茅 Stipa grandis 、 白羊草 Bothriochloa ischaemum 和冷蒿 Artemisia frigida 等共 68 个植物种， 隶属于 41 属， 17 科。对煤炭非采空区样方中植物的调查结果表 明， 在 32 个样方中， 共记录了赖草 Leymus secali- nus 、 小画眉草 Eragrotis pilosa 、 大果榆 Ulmus macrocarpa 、 山杏 Armeniaca sibirica 、 阿尔泰狗娃 花 Heteropappus altaicus 、 苦马豆 Swainsonia salsu- la 和灰背老鹳草 Geranium vlassowianum 等共 76 个野生植物种， 隶属于 42 属， 19 科。各样地纪录到 的野生植物种数见表 2。 从对煤炭采空区和非采空区 2 类不同地段抽取 的样方中野生植物调查结果可以看出， 在煤炭采空 区的 32 个样方中记录到的野生植物物种总数比在 煤炭非采空区的 32 个样方中记录到的野生植物物 种总数减少了 8 个物种。究其原因， 一方面煤炭开 采造成了地面蹋陷、 裂缝和滑坡等地质灾害; 另一方 面采空区的形成也造成了浅层地下水疏干和表层土 干化， 改变了植物生存环境条件， 导致一些耐干旱能 力弱的植物种从采空区地面植物群落中消失。 煤炭采空区的野生植物物种数与非采空区的野 生植物物种数之间的 F14. 42， F＞ F1， 62， 0. 01， 表明煤 炭采空区与非采空区的野生植物物种丰富度之间的 差异性极显著。 2. 2采空区与非采空区的物种成分相似性 样方调查结果显示， 煤炭采空区和非采空区地 面分布植物群落物种组成成分相比较， 除了煤炭采 空区比非采空区减少了 8 个物种外， 还有 16 个物种 不属于共有物种， 包括沙打旺 Astragalus adsur- gens 、 狐尾藻棘豆 Oxytropis myriophylla 、 达乌里蕊 芭 Cymbaria dahurica 、 石生齿缘草 Eritrichiium rupestre 、 草瑞香 Diarthron linifolium 、 六道木 Abe- 103孟东平等 煤炭开采对野生植物物种丰富度和物种组成的影响 lia biflora 、 乌头叶蛇葡萄 Ampelopsis acnitifolia 、 乌 苏里鼠李 Rhamnus ussuriensis 、 芹叶铁线莲 Clem- atis aethusifolia 、 蒙古白头翁 Pulsatilla ambigua 、 短梗箭头唐松草 Thalictrum simplex 、 瓣蕊唐松草 Th. petaloideum 、 低矮华北乌头 Aconitum soon- garicum 、 叶蝇子草 Silene foliosa 、 刺疙瘩 Olgaea tangutica 和线叶蒿 Artemisia subulata 。 用 Srensen 指数公式计算煤炭采空区和非采空 区的植物物种组成成分相似性， Srensen 指数值为 0. 72。单从 Srensen 指数值看， 煤炭采空区和非采 空区的物种组成成分的相似性仍然比较高， 但如果 没有 煤 炭 开 采 生 产 活 动 的 影 响， 二 者 之 间 的 Srensen 指数值应接近于 1， 这种差异表明煤炭开采 形成的采空区使 Srensen 指数值明显减小。 表 2煤炭采空区和非采空区各样方的植物物种数 Table 2Number of plant species in each sampling plots of coal mine goaf area and coal mine non- goaf area 矿名 煤炭采空区 样方号物种数 煤炭非采空区 样方号物种数 闫家沟矿A19B117 A211B219 沙坡窑矿A317B318 A410B412 磁窑沟矿A514B523 A610B612 麻地沟矿A712B718 A813B814 井沟矿A912B913 A1011B1012 孙家沟矿A1116B1117 A1211B1213 牧塔村矿A1313B1317 A1411B1416 华尖嘴矿A1516B1516 A1612B1613 斗沟矿A1714B1717 A1810B1816 阳坡矿A199B1915 A2012B2012 正沟矿A2123B2114 A2211B2224 大汉沟矿A2316B2317 A2413B2420 散岔矿A2510B2513 A2612B2619 杜家村矿A2716B2711 A2818B2821 西马坊矿A2914B2915 A3016B3022 石坝矿A3112B3112 A329B3215 3结论 从物种的丰富度度看， 在煤炭采空区 样本Ⅰ 和非采空区 样本Ⅱ 生长的野生植物物种数即植 物物种丰富度的差异达到了极显著水平， 表明煤炭 开采造成了植物物种数明显减少， 即植物物种丰富 度明显降低的规律。 从煤炭采空区地面和非采空区地面分布植物群 落之间的 Srensen 指数值的明显减小可以看出， 煤 炭开采使采空区地面植物群落的物种组成成分也发 生了明显改变， 因为在煤炭开采过程中， 诱发的地面 塌陷和浅层地下水的疏干， 使一些耐旱能力弱的植 物种从采空区地面植物群落中消失， 与此同时， 也由 于生境条件的改变， 使一些耐干旱能力强的植物种 迁入到采空区地面分布的植物群落中。 总之， 煤炭开采不但显著降低了采空区地面植 物物种丰富度， 而且明显改变了采空区地面植物群 落的物种组成。因此， 在煤炭开采过程中， 必须积极 地对煤炭开采造成的地面蹋陷、 裂缝和滑坡等地质 灾害以及诱发的浅层地下水疏干和表层土干化等一 系列生态环境破坏问题进行治理， 同时对煤炭采空 区天然植被进行施肥、 补充土壤水分和补载补种等 集约抚育措施， 减轻煤炭开采对植物物种丰富度和 植物群落物种组成成分造成的损害程度， 使矿区受 损植被恢复到结构较复杂、 生物量较大、 物种丰富度 较高、 涵养水源和保持水土能力较强的状态。 参考文献 曹金亮． 2009． 山西省煤炭资源开发对生态环境损害评估． 地质通报， 28 5 685－390． 陈振金，郑大增． 2001． 煤矸石山无土植被恢复技术． 福建 环境， 18 1 11－14． 范英宏，陆兆华，程建龙，等． 2003． 中国煤矿区主要生态 环境问题及生态重建技术． 生态学报， 23 10 2144－ 2152． 耿殿明，姜福兴． 2002． 我国煤炭矿区生态环境问题分析． 中国煤炭， 28 7 21－24． 何书金，郭焕成，韦朝阳． 1996． 中国煤矿区的土地复垦． 地理学报， 9 3 23－32． 姜军，程建光． 2002． 煤矿区资源开发与生态保护指标体 系的建立． 煤矿环境保护， 16 2 16－18． 李绍京，李绍迁，艾亚明． 2001． 山西煤炭工业的环境问题 及对策． 山西能源与节能， 2 37－38． 李永庚，蒋高明． 2004． 矿山废弃地生态重建研究进展． 生 态学报， 24 1 95－100． 李振拴． 2007． 山西省煤炭开采对上覆裂隙水破坏及其利用 的研究． 中国煤田地质， 19 5 35－37． 203生态学杂志第 31 卷第 2 期 刘晔． 2008． 山西采煤对水资源破坏影响的评价分析． 山 西煤炭， 28 2 1－3． 刘秀丽． 2008． 晋西北地区资源开发中的环境问题及其防治 策略． 太原师范学院学报 自然科学版 ，7 2 148－ 151． 马国庆． 2003． 管理统计． 北京科学出版社． 牛仁亮． 2003． 山西省煤炭开采对水资源的破坏影响及评 价． 北京北京科学技术出版社． 邱开阳，谢应忠，许冬梅． 2011． 毛乌素沙地南缘沙漠化临 界区域土壤水分和植被空间格局． 生态学报，31 10 2697－2707． 沈德中． 1998． 污染土壤的植物修复． 生态学杂志，17 2 59－64． 沈继方，陈植华． 1998． 矿床水文地质学． 武汉中国地质 大学出版社． 苏志珠． 1998． 人类活动对晋西北地区生态环境影响的初步 研究． 干旱区资源与环境， 12 4 127－131． 王慧，贾晓红，赵鲁英，等． 2000． 山西煤炭资源开采诱 发地面塌陷灾害的防治． 山西地震， 3 10－12． 王菱，王勤学，张如一． 1992． 人类活动对黄土高原生态 环境及现代气候变化的影响． 自然资源学报，7 10 273－281． 王剑虹，麻密． 2000． 植物修复的生物学机制． 植物学通 报， 17 6 504－510． 王晓宇． 2003． 山西煤炭开采对水资源的影响分析及对策研 究． 科技情报开发与经济， 13 12 107－109． 王应刚，江琴，辛慧慧． 2010． 煤炭开采对区域地下水资 源的影响研究． 黑龙江水专学报， 37 1 63－68． 张彪，李岱青，高吉喜，等． 2004． 我国煤炭资源开采与 转运的生态环境问题及对策． 环境科学研究，17 6 35－38． 张之钰． 1999． 采煤和山西水环境． 西北水资源与水工程， 10 1 35－37． 周洪华，陈亚宁，李卫红． 2008． 绿洲- 荒漠带植物物种多样 性特征对水资源的响应． 自然科学进展，18 7 789－ 794． Carraway JW，Doyle JR． 1991． Innovative remedial action at a wood- treating superfund site．Tappi Journal，74113 － 118． Cornwell SM，Jackson ML． 1968． The availability of nitrogen to plant in acid coal- mine spoil． Nature， 217 768－769． Gleason HA． 1926．The individualistic concept of the plant association． Bulletin of the Torrey Botanical Club，537－ 26． Hall IG． 1957． The ecology of disused pit heaps in England． Journal of Ecology， 45 689－720． Httl RF，Gerwin W． 2005． Landscape and ecosystem develop- ment after disturbance by mining． Ecological Engineering， 24 1－3． Leisman A． 1957． A vegetation and soil chronosequence on the Masabi Iron Range Spoil Banks，Minnesota．Ecological Monographs， 27 221－245． 作者简介孟东平， 男， 1971 年生， 讲师， 博士研究生。主要 从事环境生态和环境评估方面的研究工作， 发表论文 10 余 篇。E- mailmengdp126． com 责任编辑王伟 303孟东平等 煤炭开采对野生植物物种丰富度和物种组成的影响