王雙明,杜華棟,王生全

(1.西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院,陜西 西安 710054；2.西安科技大學(xué) 煤炭綠色開采地質(zhì)保障技術(shù)研究所,陜西 西安 710054)

神木北部采煤塌陷區(qū)土壤與植被損害過程及機(jī)理分析

王雙明1,2,杜華棟1,2,王生全1

(1.西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院,陜西 西安 710054；2.西安科技大學(xué) 煤炭綠色開采地質(zhì)保障技術(shù)研究所,陜西 西安 710054)

通過對(duì)神木北部礦區(qū)塌陷1，2，5，10 a和未塌陷區(qū)植物群落調(diào)查和土壤因子的測試，采用因子分析法評(píng)價(jià)不同塌陷年限下土壤質(zhì)量和植被群落結(jié)構(gòu)優(yōu)劣，同時(shí)利用冗余和聚類分析研究植物與土壤之間的相互關(guān)系及其演變過程，并基于植被—土壤耦合模型判定不同塌陷年限土壤因子與植物群落耦合協(xié)調(diào)性。結(jié)果表明：① 采煤塌陷導(dǎo)致土壤質(zhì)量與植被群落結(jié)構(gòu)退化，隨塌陷時(shí)間的推移呈自然恢復(fù)趨勢，但10 a后植物群落結(jié)構(gòu)和土壤因子仍不能恢復(fù)至塌陷前水平；② 塌陷區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)、水分和微生物是決定土壤質(zhì)量和植物群落特征的關(guān)鍵因素，土壤硬度、速效養(yǎng)分和酶類是影響植物群落生產(chǎn)力和多樣性的主要因子，而全效養(yǎng)分影響力相對(duì)較??；③ 塌陷區(qū)植物群落和土壤質(zhì)量大體經(jīng)過退化、改善和初步恢復(fù)3個(gè)不同的演化階段；④ 植被與土壤的耦合協(xié)調(diào)性塌陷2 a后逐漸恢復(fù)，但至塌陷10 a仍未達(dá)到未塌陷地良好的耦合協(xié)調(diào)水平。神木北部礦區(qū)采煤對(duì)生態(tài)環(huán)境損害具有一定延續(xù)性，且生態(tài)系統(tǒng)自修復(fù)能力較弱，因此減少采動(dòng)損害、實(shí)行自然與人工修復(fù)相結(jié)合應(yīng)作為該區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)的指導(dǎo)原則。

神木北部礦區(qū)；采煤塌陷；土壤質(zhì)量；植被演替；耦合模型

目前我國一次性能源消費(fèi)構(gòu)成中煤炭占71.3%[1]，其中95%以上的煤炭采用井工開采方式。這種開采方式形成大范圍的采空區(qū)，導(dǎo)致周圍巖層發(fā)生復(fù)雜的移動(dòng)變形，使上覆巖層發(fā)生冒落、產(chǎn)生裂隙和彎曲下沉，地表形成塌陷并產(chǎn)生了大量的裂縫[2-3]。這種由采煤引發(fā)的地面塌陷不僅對(duì)土地資源造成威脅，而且?guī)硪幌盗猩鷳B(tài)環(huán)境問題，如地下水滲漏、水資源污染、植被退化、土壤侵蝕加劇、土壤質(zhì)量下降等[4-6]，因此研究采煤塌陷對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響成為礦區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)的熱點(diǎn)問題[7]。榆神府區(qū)是我國西部重要的能源重化工基地，處于水蝕和風(fēng)蝕交錯(cuò)地帶的生態(tài)脆弱區(qū)，煤炭資源開采和工業(yè)建設(shè)使得該區(qū)生態(tài)環(huán)境遭受損害，土地生產(chǎn)力、植被與土壤相互關(guān)系退化[8]。

國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)采煤塌陷對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響規(guī)律及程度開展了諸多研究，如采煤塌陷地裂縫發(fā)育規(guī)律、土壤質(zhì)量變化、地表植被群落變化、生態(tài)環(huán)境修復(fù)過程等。部分學(xué)者認(rèn)為采煤塌陷對(duì)生態(tài)環(huán)境具有明顯且可持續(xù)的影響[9-10]；也有學(xué)者則得出相反的結(jié)論[11-12]。一般認(rèn)為植被恢復(fù)是生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的最佳途徑[13]，而土壤質(zhì)量是決定植被演替及生態(tài)恢復(fù)的決定性因子[14]，因此研究采煤塌陷后土壤植被的演替過程是礦區(qū)生態(tài)環(huán)境修復(fù)的理論基礎(chǔ)。前人對(duì)采礦擾動(dòng)后植被群落、環(huán)境因子及其之間相互關(guān)系進(jìn)行了研究[12,15-16]，但大多基于靜態(tài)分析，得出的結(jié)論亦不盡相同[17-18]。且針對(duì)塌陷后隨時(shí)間推移土壤質(zhì)量和群落結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)演化規(guī)律研究相對(duì)較為薄弱。

本文選擇地質(zhì)條件基本相同、地形地貌相似的神木北部礦區(qū)，對(duì)塌陷1，2，5，10 a和未塌陷區(qū)植物群落、土壤因子進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)查和測試。在此基礎(chǔ)上，通過因子分析對(duì)土壤質(zhì)量和植被群落進(jìn)行評(píng)價(jià)；采用冗余分析和聚類分析，研究植被群落與土壤因子的演替規(guī)律；引入植被—土壤耦合模型，研究土壤植被的耦合協(xié)調(diào)程度。以期為該區(qū)域采煤塌陷地生態(tài)環(huán)境恢復(fù)提供科學(xué)的理論指導(dǎo)和實(shí)踐依據(jù)。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于榆神府北部核心區(qū)神木北部礦區(qū)(E 110.0°～110.4°，N 39.18°～39.48°)，包括大柳塔、活雞兔、哈拉溝、前石畔、上灣、祁連塔、瓷窯灣和石圪臺(tái)井田(圖1)。該區(qū)海拔1 100～1 300 m，年平均降水量415.0 mm，年平均蒸發(fā)量1 788.4 mm，年平均日照時(shí)間2 875.9 h，年平均氣溫8.6 ℃，年平均風(fēng)速3.2 m/s。大地構(gòu)造單元屬華北地臺(tái)鄂爾多斯地塊，土壤類型以風(fēng)沙土為主。植被群落為以沙柳(SalixPsammophila)、沙蒿(ArtemisiaDesterorum)、檸條(CaraganaKorshinskii) 等為建群種的沙生植被組合。

圖1 采樣位點(diǎn)分布

該區(qū)含煤地層為侏羅系中統(tǒng)的延安組，煤層呈平緩單斜構(gòu)造，煤層埋深為100～200 m。煤炭開采方式主要采用綜合機(jī)械化長臂式開采工藝，綜采工作面長200～400 m，工作面間留有20～30 m寬的護(hù)巷煤柱[19]。隨著煤炭的大量開采，煤層上覆巖層發(fā)生冒落、產(chǎn)生裂隙和彎曲等不同程度的采動(dòng)損害，地表出現(xiàn)大量裂縫，裂縫寬度在10～50 cm，垂直位移在0～80 cm。區(qū)內(nèi)土壤疏松，由于水力風(fēng)力侵蝕和沙土自然沉降，塌陷裂縫在短時(shí)間彌合掩蓋。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

1.2.1 樣地設(shè)置

在廣泛收集研究區(qū)內(nèi)主要礦井的煤炭開采類型、規(guī)模、開采深度、采煤方式的基礎(chǔ)上，確定采空區(qū)范圍和地表塌陷時(shí)間。按1，2，5，10 a 4種塌陷年限，每種年限選擇7塊土壤類型、海拔、地形等條件相近的塌陷地作為采樣地，同時(shí)每塊樣地選擇一塊鄰近、下墊面狀況一致且沒有受到塌陷影響的樣地作為對(duì)照。分別于2014年和2015年7—8月進(jìn)行土壤取樣與植被調(diào)查。

1.2.2 試驗(yàn)方法

每個(gè)樣地設(shè)立3個(gè)重復(fù)樣方，樣方大小草本2 m×2 m，灌木5 m×5 m，喬木10 m×10 m。調(diào)查每個(gè)樣方內(nèi)物種及其數(shù)量、冠幅、蓋度、高度和樣方植被總蓋度等，并剪取主要物種地上生物量，帶回實(shí)驗(yàn)室，105 ℃下烘干稱重。同時(shí)記錄群落的地形因子、地表塌陷狀況等?；谏鲜稣{(diào)查數(shù)據(jù)選取Shannon-Wiener指數(shù)、Simpson指數(shù)、Pielou指數(shù)與Margalef 指數(shù)作為植被多樣性的評(píng)價(jià)指標(biāo)，公式參見文獻(xiàn)[20]。

土壤采樣每塊樣地隨機(jī)選擇5個(gè)點(diǎn)取土壤理化性質(zhì)變化最強(qiáng)烈和植物根系吸收水分最活躍的0～60 cm土層土壤樣品。在樣地內(nèi)每個(gè)取樣點(diǎn)分別挖取一個(gè)面積約為1 m×1 m、深為1 m 的土壤剖面，依據(jù)不同的土壤深度用標(biāo)準(zhǔn)環(huán)刀(100 cm3) 分層取樣用于土壤容重的測定；用20 cm×10 cm鋁制飯盒分層取原狀土用于測定土壤機(jī)械組成；用水分鉆分別取不同土層土樣放入鋁盒用于分析土壤水分含量；在土壤剖面分3個(gè)點(diǎn)分層取適量土壤樣品，帶回室內(nèi)自然風(fēng)干，進(jìn)行土壤理化指標(biāo)的測定與分析；土壤酶和微生物指標(biāo)在土壤剖面分3個(gè)點(diǎn)分層取適量土壤樣品，用錫紙包好裝于紗布袋中放入液氮罐，回到室內(nèi)保存于-80 ℃冰箱中待測。用土壤硬度計(jì)在土壤剖面內(nèi)分層直接測定各土層土壤硬度。

土壤物理指標(biāo)[21]：土壤容重采用標(biāo)準(zhǔn)環(huán)刀法；土壤機(jī)械組成用簡易比重計(jì)法；土壤孔隙度采用土壤密度換算法。土壤化學(xué)指標(biāo)[21]：土壤有機(jī)質(zhì)用重鉻酸鉀法；土壤全氮用半微量開氏法；速效氮測定采用減解擴(kuò)散法；全磷測定采用NaOH熔融-鉬銻抗比色法；速磷測定采用NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法；全鉀測定采用HF酸消解-火焰光度計(jì)法；速鉀測定采用 NH4COOH 浸提-火焰光度計(jì)法；土壤含水量采用烘干法；土壤pH用pH計(jì)測定。土壤微生物數(shù)量采用稀釋平板涂抹法[22]，其中土壤細(xì)菌用牛肉膏—蛋白胨培養(yǎng)基測定；土壤真菌用馬鈴薯葡萄糖瓊脂培養(yǎng)基測定；土壤放線菌用高氏1號(hào)培養(yǎng)基測定。土壤酶類測定[23]：蔗糖酶用3,5—二硝基水楊酸比色法測定；脲酶用比色法測定；堿性磷酸酶用磷酸苯二鈉比色法測定；脫氫酶用氯化三苯基四氮唑比色法；過氧化氫酶用紫外分光光度法；多酚氧化酶用鄰苯三酚比色法。

1.3 數(shù)據(jù)處理及分析方法

植被群落特征和土壤因子調(diào)查研究結(jié)果數(shù)據(jù)采用SPSS 20.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，剔除異常值，結(jié)果用平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差(SD)表示；用單因素方差分析(one-way ANOVA)和最小顯著差異法(LSD)比較不同塌陷年限間的差異顯著性，差異顯著性水平設(shè)定為α=0.05。

1.3.1 因子分析法

在綜合分析不同地表塌陷年限下土壤理、化、生因子和植被群落結(jié)構(gòu)變化特征的基礎(chǔ)上，基于因子分析法[24]評(píng)價(jià)不同年限下土壤質(zhì)量和植被群落結(jié)構(gòu)優(yōu)劣。

1.3.2 聚類分析與冗余分析

對(duì)不同塌陷年下樣地進(jìn)行聚類分析，方法基于SPSS 20.0采用平方歐式距表示組間相似性，選用組間聯(lián)接法通過逐漸歸得到聚類結(jié)果，用以分析礦區(qū)不同塌陷年限下植物群落與土壤因子的演化階段。

基于CANOCO 4.5軟件采用線性冗余分析(RDA)方法，探索植物群落特征與土壤因子之間的關(guān)系。

1.3.3 耦合關(guān)聯(lián)模型評(píng)價(jià)

為探究塌陷損害后植被和土壤之間演化過程中的協(xié)調(diào)程度，構(gòu)建植被土壤耦合協(xié)調(diào)評(píng)價(jià)模型。模型在對(duì)調(diào)查和測試得出的植被與土壤指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后，基于主成分分析法分別確定植被與土壤各指標(biāo)的權(quán)重[25]。模型評(píng)價(jià)中首先構(gòu)建植被和土壤的綜合評(píng)價(jià)函數(shù)，評(píng)價(jià)不同塌陷年限植被生長與土壤質(zhì)量好壞；第2步構(gòu)建植被和土壤耦合度，評(píng)價(jià)土壤與植被系統(tǒng)組合狀態(tài)；最后加入系統(tǒng)總體發(fā)展水平的成分，判別土壤植被系統(tǒng)整體協(xié)調(diào)發(fā)展水平的高低。耦合關(guān)聯(lián)度模型構(gòu)建方法和分類評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)見文獻(xiàn)[26]。

2 土壤和植被損害過程及特征

2.1 土壤質(zhì)量和植被群落變化特征

由表1可以得出，采煤引起地表塌陷初期(1～2 a)土壤理、化、生因子總體上表現(xiàn)出一定的退化趨勢，土壤容重、硬度、含水量、有機(jī)質(zhì)、速效氮、速效磷、速效鉀、全鉀含量、酶類活性和菌類數(shù)量均有顯著減小(P<0.05)，土壤孔隙度和pH 值增加(P<0.05)，而全氮和全磷含量變化不明顯(P>0.05)；塌陷區(qū)自然恢復(fù)條件下5 a后土壤質(zhì)量呈現(xiàn)出改善的趨勢，其中土壤物理性質(zhì)、水分和全效養(yǎng)分在塌陷10 a后可基本恢復(fù)至塌陷前水平(P>0.05)；但土壤速效養(yǎng)分、pH、有機(jī)質(zhì)和土壤生物活性經(jīng)過10 a的土壤自修復(fù)仍未完全恢復(fù)。同時(shí)由表1不同塌陷年限植被群落特征看，地表塌陷使得植被退化，群落多樣性、蓋度和生產(chǎn)力顯著下降(P<0.05)，且除表示群落物種豐富度的Margalef指數(shù)外，其他衡量植物群落多樣性和生產(chǎn)力的指標(biāo)在自然恢復(fù)10 a后仍未恢復(fù)至塌陷前水平(P<0.05)。土壤因子和植物群落指標(biāo)演化特征表明，采煤塌陷對(duì)土壤質(zhì)量和植被結(jié)構(gòu)的損害具有一定的延續(xù)性。

表1 不同塌陷年限土壤植被特征及其指標(biāo)權(quán)重

Table 1 Topsoil properties,plant community characteristics in different years of coal mining subsidence and its weights

指標(biāo)USS1S2S5S10權(quán)重水分WM/%6.66±0.39a2.7±0.33c4.12±0.69b5.63±1.45a6.24±0.55a0.0906孔隙度SP/%32.16±2.48b41.82±2.45a36.77±5.08ab34.07±2.36b30.13±3.75c-0.0855容重BD/(g·cm-3)1.55±0.06b1.31±0.15c1.47±0.08bc1.57±0.06b1.63±0.13a0.0773硬度SH/(kg·cm-2)2.06±0.03a1.52±0.1c1.54±0.08c1.82±0.13b2.02±0.07a0.0900有機(jī)質(zhì)OC/(g·kg-1)1.32±0.21a1±0.31bc0.89±0.19c0.99±0.11bc1.18±0.18b0.0507全氮TN/(g·kg-1)0.12±0.02a0.13±0.03a0.12±0.04a0.14±0.02a0.13±0.02a-0.0221速效氮AN/(mg·kg-1)21.46±1.35a16.23±3.17b14.34±4.74c17.47±0.9b16.71±5.34b0.0588全磷TP/(g·kg-1)0.4±0.12a0.42±0.04a0.42±0.06a0.46±0.06a0.42±0.09a0.0202速效磷AP/(mg·kg-1)3.61±0.64a2.45±0.64c2.47±0.24c2.58±0.42b3.53±0.2a0.0617全鉀TK/(g·kg-1)18.5±1.21a13.06±3.76c16.65±3.82b16.62±2.83b18.75±1.58a0.0779土壤指標(biāo)速效鉀AK/(mg·kg-1)76.49±10.08a51.62±4.51d58.54±7.6c65.18±6.31b76.28±9.46a0.0775pH8.06±0.01d8.34±0.09a8.36±0.1a8.24±0.07b8.12±0.05c-0.0903脲酶SU/(mg·(g·h)-1)0.11±0.01b0.14±0.02b0.2±0.03a0.22±0.04a0.22±0.02a0.0073過氧化氫酶SC/(mg·(g·h)-1)1±0.15c0.35±0.04b0.35±0.04b0.42±0.04a0.34±0.03b0.0609蔗糖酶SI/(mg·(g·h)-1)34.35±5.88a20.46±2.67b16.46±2.31c18.63±3.03bc31.75±2.48a0.0686堿性磷酸酶AH/(mg·(g·h)-1)2.03±0.44b1.27±0.3d1.38±0.12d2.88±0.53a1.64±0.2c0.0530多酚氧化酶PO/(mg·(g·h)-1)0.69±0.28b0.32±0.03d0.45±0.07c0.65±0.1b0.84±0.25a0.0734脫氫酶SD/(mg·(g·h)-1)0.22±0.02a0.08±0.01d0.08±0.01d0.12±0.02c0.15±0.02b0.0828真菌數(shù)SF/(103個(gè)·g-1)7.6±0.68a2.68±0.44d2.92±0.47d3.84±0.81c6.05±0.64b0.0867放線菌數(shù)SA/(104個(gè)·g-1)18.77±7.04a5.07±1.29d12.01±1.49c16.11±1.87b19.26±1.95a0.0814細(xì)菌數(shù)SB/(105個(gè)·g-1)33.39±6.39a15.46±0.69d16.63±4.26d21.92±3.76c26.35±4.21b0.0790物種數(shù)S/(種·m-2)8.84±0.82a7.38±1.63b5.08±0.97c5.80±0.81c6.97±0.69b0.1465密度N/(棵·m-2)55.41±5.58a27.31±2.68b19.11±2.02c25.22±4.94b50.91±6.52b0.1423蓋度C/%57.35±6.53a44.29±9.9c37.75±7.2d51.24±15.6b50.91±8.37ab0.1363生物量M/(g·m-2)176.79±22.49a124.09±14.59c97.53±19.22d123.06±17.94c144.38±10.8b0.1657植被指標(biāo)Simpson指數(shù)0.65±0.08b0.64±0.11b0.42±0.06c0.59±0.09b0.73±0.1a0.1207Shannon-wiener指數(shù)1.48±0.53b1.08±0.44bc0.88±0.24c1.26±0.27b1.84±0.34a0.1177Margalef指數(shù)1.67±0.25c1.67±0.33c1.52±0.27c2.37±0.27a2.09±0.2b0.0411Pielou指數(shù)0.75±0.11a0.44±0.06c0.44±0.17c0.64±0.13b0.68±0.15ab0.1297

注：不同小寫字母表示不同地表塌陷年限差異顯著(0.05水平)；S1,S2,S5,S10和US分別代表塌陷1 a、塌陷2 a、塌陷5 a、塌陷10 a和未塌陷地。

運(yùn)用因子分析法對(duì)不同塌陷年限下的土壤質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果表明提取4個(gè)公因子對(duì)土壤樣本方差的貢獻(xiàn)率為94.9%(表2)，可以用這4個(gè)公因子代表原來的21個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，其中第1個(gè)公因子具有較高載荷的土壤指標(biāo)有土壤孔隙度、容重、水分、全鉀、速效鉀、pH和與土壤水分因子成正比的土壤菌類數(shù)量，其主要反映土壤透水、持水能力，因此可稱為土壤持水因子(F1)；第2公因子具有較高載荷的土壤指標(biāo)有土壤硬度、有機(jī)質(zhì)、速效氮、全磷、速效磷、蔗糖酶和脫氫酶，其基本反映土壤生化活性和供給養(yǎng)分能力的大小，因此可稱為土壤養(yǎng)分因子(F2)；第3公因子具有高載荷的指標(biāo)有全氮、脲酶和過氧化氫酶，其主要反映了土壤氮素供應(yīng)和轉(zhuǎn)化速度，因此可稱為氮素因子(F3)；第4公因子具有高載荷的指標(biāo)主要是堿性磷酸酶，其對(duì)土壤磷素的有效性具有重要作用，因此可稱為磷素因子(F4)。采用線性回歸計(jì)算各不同沉陷年限各土壤公因子的得分，同時(shí)將各因子特征值的貢獻(xiàn)率作為權(quán)重進(jìn)行加權(quán)求和，可得到不同沉陷年限土壤綜合評(píng)價(jià)得分(表3)，可以看出土壤持水因子(F1)在塌陷10年樣地得分較高，而土壤養(yǎng)分因子(F2)在未塌陷地表現(xiàn)出較高的得分；土壤氮素因子(F3)和磷素因子(F4)在塌陷5 a和未塌陷地表現(xiàn)出較高的得分。綜合評(píng)價(jià)不同沉陷年限下土壤質(zhì)量，受到塌陷干擾后土壤質(zhì)量下降，2 a后隨著塌陷年限的增加逐漸恢復(fù)，但恢復(fù)10 a后土壤質(zhì)量仍較塌陷地劣。

表2 土壤旋轉(zhuǎn)因子載荷矩陣

Table 2 Rotated component matrix of soil index

指標(biāo)F1F2F3F4指標(biāo)F1F2F3F4水分WM0.8410.124-0.0230.487脲酶SU0.259-0.507-0.7850.156孔隙度SP-0.9700.1090.157-0.038過氧化氫酶SC0.4340.4360.7490.165容重BD0.947-0.070-0.1670.028蔗糖酶SI0.4460.8720.108-0.102硬度SH0.1000.7640.5530.221堿性磷酸酶AH0.385-0.0620.0520.895有機(jī)質(zhì)OC0.1120.7600.1390.535多酚氧化酶PO0.6670.395-0.2670.352全氮TN-0.211-0.1360.9540.038脫氫酶SD0.6100.6340.4220.158速效氮AN-0.649-0.645-0.2460.147真菌數(shù)SF0.7290.6180.2170.069全磷TP0.2940.8870.262-0.054放線菌數(shù)SA0.8790.1940.0090.404速效磷AP0.316-0.8630.1960.008細(xì)菌數(shù)SB0.7010.6410.2880.077全鉀TK0.8200.3920.2320.307特征根12.3604.3871.9361.249速效鉀AK-0.735-0.631-0.028-0.211方差貢獻(xiàn)率/%58.920.99.25.9pH0.7340.603-0.0270.252累計(jì)方差貢獻(xiàn)率/%58.979.889.094.9

表3 不同采煤沉陷年限下各土壤因子得分及土壤質(zhì)量綜合得分Table 3 Scores of soil principal components and general soil quality in different years of coal mining subsidence

沉陷年限F1得分名次F2得分名次F3得分名次F4得分名次綜合得分名次US0.41420.54110.96410.80220.5511S1-1.1485-0.1383-0.2734-0.8064-0.6085S2-0.0844-0.3185-0.9175-0.9095-0.3554S5-0.0063-0.21840.19220.96010.0483S100.82410.13220.0343-0.04630.3642

再運(yùn)用因子分析法對(duì)不同采煤塌陷下植被群落結(jié)構(gòu)優(yōu)劣進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果表明提取2個(gè)公因子對(duì)植物群落樣本方差的貢獻(xiàn)率為91.9%(表4)，可以用這2個(gè)公因子代表原來的8個(gè)群落評(píng)價(jià)指標(biāo)，其中第1個(gè)公因子具有較高載荷的有物種數(shù)、密度、蓋度、生物量和Simpson指數(shù)，其主要反映植物群落生產(chǎn)力大小，因此可稱為植被生產(chǎn)力因子(F1)；第2公因子具有較高載荷的參數(shù)是Shannon-wiener指數(shù)、Margalef指數(shù)和Pielou指數(shù)，其基本反映植物群落豐富度和均勻度的植被多樣性指標(biāo)，因此可稱為植被物種多樣性因子(F2)。同土壤公因子得分方法，計(jì)算不同年限植被公因子的得分和植被群落特征綜合評(píng)價(jià)得分(表5)。可以看出植被群落生產(chǎn)力在未塌陷地最高，而在地表塌陷后2 a最低；而物種多樣性因子地表塌陷初期雖有減小，沉陷2 a后增加迅速，塌陷5 a時(shí)具有較高得分；綜合不同沉陷年限下植物群落生產(chǎn)力和多樣性，受到塌陷干擾后植被群落退化，后隨著塌陷年限的增加逐漸恢復(fù)，但自然恢復(fù)10 a后群落結(jié)構(gòu)仍較未塌陷地劣。

2.2 植物群落與土壤因子關(guān)系及演化特征

采煤塌陷地植物群落特征、土壤因子和樣地的冗余分析結(jié)果顯示(圖2)，冗余分析RDA1和RDA2兩坐標(biāo)軸能夠解釋86.2%的植被特征—土壤因子關(guān)系信息，說明排序結(jié)果可較好地反映了植被群落參數(shù)與土壤因子之間的關(guān)系。土壤因子除土壤孔隙度、pH、脲酶和全氮以外，其他所測定土壤因子都與植被群落特征指標(biāo)呈正相關(guān)。成正相關(guān)指標(biāo)以土壤水分、有機(jī)質(zhì)為中心聚集在一起，表明這些土壤因子之間有很強(qiáng)的相關(guān)性。土壤硬度、含水量、有效養(yǎng)分和酶類對(duì)反映群落生產(chǎn)力和物種多樣性的影響非常明顯，是影響植被生長的關(guān)鍵性因子；而土壤全效養(yǎng)分和土壤物理性質(zhì)對(duì)植物群落特征的影響相對(duì)較小。

表4 植被旋轉(zhuǎn)因子載荷矩陣

Table 4 Rotated component matrix of vegetation index

指標(biāo)F1F2物種數(shù)S0.9190.155密度N0.9150.189蓋度C0.8830.439生物量M0.9140.382Simpson指數(shù)0.8700.407Shannon-wiener指數(shù)0.6570.699Margalef指數(shù)0.1010.973Pielou指數(shù)0.5070.776特征值6.2701.086方差貢獻(xiàn)率/%78.313.6累計(jì)方差貢獻(xiàn)率/%78.391.9

表5 不同采煤沉陷年限下各植被群落因子得分及群落質(zhì)量綜合得分

Table 5 Scores of plant community principal components and general community quality in different years of coal mining subsidence

沉陷年限F1得分名次F2得分名次綜合得分名次US1.6091-0.51430.7891S10.1722-0.9255-0.1984S2-1.0635-0.8234-0.8995S5-0.80241.2551-0.0683S100.08331.00720.3772

圖2 植物群落特征、土壤因子和樣地的RDA三序圖

圖3聚類分析表明5種不同的塌陷年限的35樣地劃分為4類：塌陷1～2 a、塌陷5 a、塌陷10 a和未塌陷地。

圖3 不同塌陷年限調(diào)查樣地聚類結(jié)果

再結(jié)合冗余分析中樣方隨土壤因子梯度變化分布規(guī)律(圖2)，塌陷后植物群落和土壤因子大體經(jīng)過3個(gè)演替階段(圖2中標(biāo)注)：第I階段為退化期(塌陷1～2 a)，樣地主要分布于三序圖的第2象限，此階段土壤因子和植物群落結(jié)構(gòu)都處于退化狀態(tài)；第II階段為改善期(塌陷5 a)，樣地主要分布于三序圖的第3象限，此階段土壤酶類和植物群落物種豐富度逐漸恢復(fù)；第III類為初步恢復(fù)期(塌陷10 a)，樣地主要分布于三序圖的第4象限下半部分，此階段土壤速效養(yǎng)分、水分和物理性質(zhì)等得到一定程度恢復(fù)，生物多樣性亦有所提高。但由圖2可以看出塌陷10 a與未塌陷樣地(圖2中第4象限上半部和第1象限下半部IV樣地)距離雖然接近，但土壤質(zhì)量與群落結(jié)構(gòu)仍未完全恢復(fù)至塌陷前水平，尤其表現(xiàn)在群落生產(chǎn)力方面。

2.3 植物與土壤耦合協(xié)調(diào)演化特征

植物與土壤耦合協(xié)調(diào)模型計(jì)算過程中，植被綜合指數(shù)f(x) 和土壤綜合指數(shù)g(y)綜合評(píng)價(jià)值越高，表明該塌陷年限下地表植被生長狀況或土壤質(zhì)量越好，由表7得植被綜合指數(shù)f(x)在塌陷1 a時(shí)即達(dá)到最低值，后隨著塌陷年限的增加植被生長狀況好轉(zhuǎn)，植被綜合指數(shù)增加；與植被綜合指數(shù)變化趨勢不同，土壤綜合指數(shù)g(y)在塌陷2 a時(shí)最低，后隨塌陷年限增加而增大，土壤質(zhì)量改善；但未塌陷地植被和土壤綜合指數(shù)均高于不同塌陷年限樣地，未塌陷地植被群落結(jié)構(gòu)和土壤質(zhì)量均優(yōu)于塌陷地，與2.1節(jié)因子分析法評(píng)價(jià)結(jié)果相同。植被土壤系統(tǒng)耦合度C值表示兩者之間組合同步性，從C值上看除塌陷1 a植被和土壤耦合度較小外，其他年限植被和土壤系統(tǒng)的耦合度均較高。在耦合度基礎(chǔ)上加入表示土壤植被系統(tǒng)總體發(fā)展水平成分，引入系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度，表征植被與土壤系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)程度，結(jié)果顯示隨著塌陷年限的增加土壤植被耦合協(xié)調(diào)度增加，表現(xiàn)為未塌陷地>塌陷10 a>塌陷5 a>塌陷2 a>塌陷1 a。未塌陷地表現(xiàn)為良好協(xié)調(diào)發(fā)展類土壤滯后型生態(tài)類型；塌陷首先損害了植被群落結(jié)構(gòu)，使得塌陷1 a表現(xiàn)為輕度失調(diào)衰退類植被損益型；其后塌陷2 a土壤系統(tǒng)損害顯出，表現(xiàn)為瀕臨失調(diào)衰退類植被土壤共損型；塌陷5 a和10 a分別表現(xiàn)為初級(jí)和中級(jí)植被土壤同步型協(xié)調(diào)型；塌陷地經(jīng)過10 a自然恢復(fù)植被土壤仍未達(dá)到未沉陷地良好協(xié)調(diào)發(fā)展類狀態(tài)。

表7 不同塌陷年限植被與土壤系統(tǒng)的耦合協(xié)調(diào)狀況評(píng)判結(jié)果

Table 7 Evaluation results of plant community and soil coordination in different years of mining subsidence

塌陷年限f(x)g(y)CDf(x)/g(y)耦合協(xié)調(diào)模型US0.82380.65260.97450.84760.7922良好協(xié)調(diào)發(fā)展類土壤滯后型S10.09250.38080.39570.30604.1161輕度失調(diào)衰退類植被損益型S20.20630.19750.99900.44910.9571瀕臨失調(diào)衰退類植被土壤共損型S50.46030.41390.99440.65930.8992初級(jí)協(xié)調(diào)發(fā)展類植被土壤同步型S100.67690.53420.97240.76730.7892中級(jí)協(xié)調(diào)發(fā)展類植被土壤同步型

注：f(x)為植被綜合評(píng)價(jià)函數(shù)；g(y)為土壤綜合評(píng)價(jià)函數(shù)；C為植被土壤系統(tǒng)耦合度；D為植被土壤系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度。

3 討 論

3.1 土壤質(zhì)量和植被群落損害機(jī)理

土壤第1公因子持水因子在采煤地表塌陷初期(1～2 a)受到嚴(yán)重?fù)p害，分析造成這種損害主要是由于塌陷初期地表開裂和沉降導(dǎo)致原有土壤結(jié)構(gòu)破壞，土壤硬度、容重下降而孔隙度增加，土壤水分蒸發(fā)量增加，使得與土壤持水能力大大降低。而土壤第2,3和4公因子養(yǎng)分因子、氮素因子和磷素因子都表現(xiàn)出在地表塌陷2 a時(shí)含量最低，究其原因主要有兩點(diǎn)：① 地表塌陷后土壤持水能力減弱使土壤微生物群落活性降低，加之分析表明土壤pH增加，從而使土壤養(yǎng)分的分解和轉(zhuǎn)化循環(huán)受阻，土壤肥力降低[27]；② 塌陷的初期的地表擾動(dòng)使塌陷區(qū)水蝕和風(fēng)蝕作用加強(qiáng)，土壤有機(jī)質(zhì)、速效氮、速效磷和速效鉀流失量增加。上述塌陷初期土壤質(zhì)量受損結(jié)果與前人研究結(jié)論基本一致[16,28]。塌陷2 a后土壤在各種外力和土體自身重力作用向下沉實(shí)使土體穩(wěn)定，風(fēng)蝕作用亦使細(xì)小的土壤縫隙填充，土壤變得緊實(shí)[29]，因此本次研究表明隨塌陷時(shí)間延長土壤硬度和容重增加、空隙度減小，與顧大釗[30]研究晉陜蒙接壤區(qū)煤炭基地塌陷后土壤物理性質(zhì)變化一致。本研究表明塌陷地土壤水分恢復(fù)10 a可達(dá)到甚至超過未塌陷水平，推測可能是土壤縫隙的彌合使土壤蒸發(fā)面積減小的同時(shí)，塌陷引起的土壤孔隙度相對(duì)增大可增強(qiáng)降水的入滲速率。土壤速效養(yǎng)分在塌陷2 a后逐漸恢復(fù)，首先歸因于土壤縫隙的彌合也使全效養(yǎng)分垂向溶淋量和水平流失量減小，加之土壤中的微生物和植被恢復(fù)使養(yǎng)分積累量增多[31]。但土壤養(yǎng)分因子損害后自然恢復(fù)條件下10 a仍未恢復(fù)至塌陷前水平，土壤物理性質(zhì)的修復(fù)較快[32]，但土壤養(yǎng)分恢復(fù)是一個(gè)相對(duì)漫長的過程。

塌陷初期植物群落的豐富度及群落物種分布均勻性降低，優(yōu)勢種突出并向單一方向演變，這主要由于塌陷造成土壤質(zhì)量的損害影響了對(duì)植物養(yǎng)分和水分的供給[33]，同時(shí)塌陷裂隙對(duì)根系產(chǎn)生物理性傷害[34]。由于土壤質(zhì)量對(duì)植被恢復(fù)具有重要的影響[35]，伴隨著土壤質(zhì)量的損害，植物生長發(fā)育受到影響，植物群落物種密度、生物量和蓋度減小，植物群落生產(chǎn)力因子在地表塌陷2 a降至最低。而植物群落多樣性因子在地表塌陷5 a時(shí)增加迅速，此結(jié)果正好以生態(tài)學(xué)中的中度干擾假說可以解釋[36]，即地表塌陷可使原有的優(yōu)勢物種生長發(fā)育受到一定損傷，這種適當(dāng)?shù)母蓴_既抑制了優(yōu)勢植物種群的競爭勢，又為其他物種的入侵和種群擴(kuò)大創(chuàng)造了機(jī)會(huì)，從而導(dǎo)致其物種組成增多和多樣性偏大，群落多樣性增加的結(jié)論與周瑩[12]研究結(jié)果吻合。雖然塌陷區(qū)植物群落物種數(shù)和豐富度有一定程度的增加，但綜合分析不同沉陷年限下植物群落生產(chǎn)力和多樣性，植物群落結(jié)構(gòu)經(jīng)10 a自然演替仍不能恢復(fù)至塌陷前水平，植被破壞后恢復(fù)過程緩慢。因此研究區(qū)植被恢復(fù)可在自然恢復(fù)為主的前提下，實(shí)施適當(dāng)?shù)娜斯じ深A(yù)調(diào)控以促進(jìn)植物群落的拓殖與演替。

3.2 土壤質(zhì)量與植物群落損害過程

研究表明采煤塌陷后植物群落和土壤因子大體經(jīng)過3個(gè)不同的演化階段：退化期(塌陷后1～2 a)→改善期(塌陷后5 a)→初步恢復(fù)期(塌陷后10 a)。其中塌陷1～2 a土壤與植物系統(tǒng)處于非穩(wěn)定階段，此階段土壤物理結(jié)構(gòu)破壞、水分養(yǎng)分流失、生物活性降低，地表植物群落生產(chǎn)力和多樣性退化。塌陷5 a塌陷裂縫在風(fēng)蝕水蝕和地表重力的作用下基本消失，土壤物理性質(zhì)逐漸穩(wěn)定、養(yǎng)分逐漸恢復(fù)[16]，植物群落也得到一定程度的恢復(fù)，土壤與植被系統(tǒng)處于改善期。至采煤塌陷后10 a，地表植被群落結(jié)構(gòu)改善，土壤質(zhì)量得到一定程度的恢復(fù)，植被和土壤指標(biāo)有向未塌陷樣地生態(tài)系統(tǒng)接近的趨勢。但研究區(qū)經(jīng)過10 a自然恢復(fù)植物群落生產(chǎn)力和土壤速效養(yǎng)分仍未完全恢復(fù)至塌陷前水平，結(jié)合本研究表明神木北部礦區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)是土壤養(yǎng)分循環(huán)轉(zhuǎn)化的核心，土壤氮素、土壤酶類和菌類在群落構(gòu)建中的作用具有較大作用，表明塌陷對(duì)研究區(qū)土壤與植被生態(tài)系統(tǒng)的損害具有延續(xù)性。

3.3 植物與土壤的耦合協(xié)調(diào)性損害特征

植物生長是土壤質(zhì)量下降最敏感的反映[37]，塌陷引起土壤質(zhì)量顯著下降前最先引起了植被群落結(jié)構(gòu)的損害，因此塌陷1 a植被土壤耦合模式表現(xiàn)為輕度失調(diào)衰退類植被損益型，植被土壤系統(tǒng)組合狀態(tài)差，耦合度最低。由于塌陷擾動(dòng)，塌陷第2 a土壤結(jié)構(gòu)和理化生因子進(jìn)一步損害，在植物群落結(jié)構(gòu)尚未恢復(fù)條件下塌陷2 a表現(xiàn)出植被土壤共損型。而隨著塌陷年限增加土壤質(zhì)量與植被群落的自然修復(fù)，塌陷5 a為初級(jí)協(xié)調(diào)發(fā)展類植被土壤同步型。塌陷10 a植被—土壤耦合協(xié)調(diào)度達(dá)到了中級(jí)協(xié)調(diào)發(fā)展類植被土壤同步型，雖然植物群落與土壤因子還沒有達(dá)到完全匹配與協(xié)調(diào)的程度，但跨越了不協(xié)調(diào)階段向良好協(xié)調(diào)類型演化。由耦合協(xié)調(diào)模型還可以看出，神木北部礦區(qū)未塌陷地植被與土壤耦合模型為良好協(xié)調(diào)發(fā)展類土壤滯后型，說明土壤質(zhì)量是限制該區(qū)生態(tài)環(huán)境恢復(fù)的重要因子之一。因此在研究區(qū)在強(qiáng)調(diào)生態(tài)系統(tǒng)本身自調(diào)控能力的同時(shí)，適當(dāng)?shù)娜斯ふ未胧┛杉铀偻寥牢锢怼⒒瘜W(xué)和生物條件改善，以增加地區(qū)植物與土壤間的耦合協(xié)調(diào)性，促進(jìn)塌陷區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)速度[7]。

4 結(jié) 論

神木北部礦區(qū)采煤塌陷擾動(dòng)使得塌陷區(qū)土壤質(zhì)量與植被結(jié)構(gòu)退化，2 a后隨塌陷時(shí)間的推移逐漸恢復(fù)，但經(jīng)10 a自然演替植物群落結(jié)構(gòu)和土壤質(zhì)量仍不能恢復(fù)至塌陷前水平；土壤有機(jī)質(zhì)、水分是土壤養(yǎng)分循環(huán)轉(zhuǎn)化的核心，是決定植物群落特征的關(guān)鍵性因素；采煤塌陷區(qū)植物群落和土壤因子大體經(jīng)過3個(gè)不同的演替階段：退化期(塌陷后1～2 a)→改善期(塌陷后5 a)→初步恢復(fù)期(塌陷后10 a)；塌陷地植被與土壤的耦合協(xié)調(diào)程度在塌陷1 a表現(xiàn)為輕度失調(diào)衰退類植被損益型，塌陷2 a為瀕臨失調(diào)衰退類植被土壤共損型，塌陷5 a為初級(jí)協(xié)調(diào)發(fā)展類植被土壤同步型，至塌陷10 a仍表現(xiàn)為中級(jí)協(xié)調(diào)發(fā)展類植被土壤同步型，但尚未達(dá)到未塌陷地良好協(xié)調(diào)發(fā)展的生態(tài)類型。結(jié)果表明神木北部礦區(qū)地表塌陷對(duì)該區(qū)土壤質(zhì)量和植物群落結(jié)構(gòu)的損害具有延續(xù)性，且生態(tài)系統(tǒng)自修復(fù)能力較弱，因此在生態(tài)恢復(fù)過程中應(yīng)在以自然恢復(fù)為主的前提下，輔以適當(dāng)?shù)娜斯ば迯?fù)措施，促進(jìn)礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)快速、健康地恢復(fù)。

[1] 國家統(tǒng)計(jì)局.中國能源統(tǒng)計(jì)年鑒[M].北京:中國統(tǒng)計(jì)出版社,2000-2014.

[2] Zhou D W,Wu K,Cheng G L,et al.Mechanism of mining subsidence in coal mining area with thick alluvium soil in China[J].Arabian Journal of Geosciences,2015,8(4):1855-1867.

[3] 胡振琪,王新靜,賀安民.風(fēng)積沙區(qū)采煤沉陷地裂縫分布特征與發(fā)生發(fā)育規(guī)律[J].煤炭學(xué)報(bào),2014,39(1):11-18. Hu Zhenqi,Wang Xinjing,He Anmin.Distribution characteristic and development rules of ground fissures due to coal mining in windy and sandy region[J].Journal of China Coal Society,2014,39(1):11-18.

[4] Cheng W,Bian Z F,Dong J H,et al.Soil properties in reclaimed farmland by filling subsidence basin due to underground coal mining with mineral wastes in China[J].Transactions of Nonferrous Metals Society of China,2014,24(8):2627-2635.

[5] Gilland K E,McCarthy B C.Microtopography influences early successional plant communities on experimental coal surface mine land reclamation[J].Restoration Ecology,2014,22(2):232-239.

[6] Wright I A,McCarthy B,Belmer N,et al.Subsidence from an underground coal mine and mine wastewater discharge causing water pollution and degradation of aquatic ecosystems[J].Water,Air & Soil Pollution,2015,226(10):1-14.

[7] 胡振琪,龍精華,王新靜.論煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的自修復(fù)、自然修復(fù)和人工修復(fù)[J].煤炭學(xué)報(bào),2014,39(8):1751-1757. Hu Zhenqi,Long Jinghua,Wang Xinjing.Selfhealing,natural restoration and artificial restoration of ecological environmental for coal mining[J].Journal of China Coal Society,2014,39(8):1751-1757.

[8] 楊選民,丁長印.神府東勝礦區(qū)生態(tài)環(huán)境問題及對(duì)策[J].煤礦環(huán)境保護(hù),2000,14(1):69-72. Yang Xuanmin,Ding Changyin.Ecological environmental problems and countermeasures in Shenfu-Dongsheng mining area[J].Coal Mining Environmental Protection,2000,14(1):69-72.

[9] 臧蔭桐,汪季,丁國棟,等.采煤沉陷后風(fēng)沙土理化性質(zhì)變化及其評(píng)價(jià)研究[J].土壤學(xué)報(bào),2010,47(2):262-269. Zang Yintong,Wang Ji,Ding Guodong,et al.Variation of physico-chemical properties of aeolian sandy soil at coal mining subsidence and its evaluation[J].Acta Pedologica Sinica,2010,47(2):262-269.

[10] 張發(fā)旺,侯新偉,韓占濤.煤炭開發(fā)引起水土環(huán)境演化及其調(diào)控技術(shù)[J].地球?qū)W報(bào),2000,22(4):345-350. Zhang Fawang,Hou Xinwei,Han Zhantao.Water-soil environmental evolution induced by coal mining and its regulating and controlling techniques[J].Acta Geoscientia Sinica,2000,22(4):345-350.

[11] 雷少剛.荒漠礦區(qū)關(guān)鍵環(huán)境要素的監(jiān)測與采動(dòng)影響規(guī)律研究[J].煤炭學(xué)報(bào),2010,35(9):1587-1588. Lei Shaogang.Monitoring and analyzing the mining impacts on key environmental elements in desert area[J].Journal of China Coal Society,2010,35(9):1587-1588.

[12] 周瑩,賀曉,徐軍,等.半干旱區(qū)采煤沉陷對(duì)地表植被組成及多樣性的影響[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2009,29(8):4517-4525. Zhou Ying,He Xiao,Xu Jun,et al.Effects of coal mining subsidence on vegetation composition and plant diversity in semi-arid region[J].Acta Ecologica Sinica,2009,29(8):4517-4525.

[13] Li M.Ecological restoration of mineland with particular reference to the metalliferous mine wasteland in China:A review of research and practice[J].Science of the Total Environment,2006,357(1):38-53.

[14] Putten W H,Bardgett R D,Bever J D,et al.Plant-soil feedbacks:the past,the present and future challenges[J].Journal of Ecology,2013,101(2):265-276.

[15] 王健,高永,魏江生,等.采煤塌陷對(duì)風(fēng)沙區(qū)土壤理化性質(zhì)影響的研究[J].水土保持學(xué)報(bào),2006,20(5):52-55. Wang Jian,Gao Yong,Wei Jiangsheng,et al.Influence of mining subsidence on physical and chemical properties of soil in windy desert area[J].Journal of Soil and Water Conservation,2006,20(5):52-55.

[16] 王琦,全占軍,韓煜,等.風(fēng)沙區(qū)采煤塌陷不同恢復(fù)年限土壤理化性質(zhì)變化[J].水土保持學(xué)報(bào),2014,28(2):118-122. Wang Qi,Quan Zhanjun,Han Yu,et al.change of soil physical and chemical properties under different coal mining subsidence years in windy desert area[J].Journal of Soil and Water Conservation,2014,28(2):118-122.

[17] 侯慶春,汪有科,楊光.神府─東勝煤田開發(fā)區(qū)建設(shè)對(duì)植被影響的調(diào)查[J].水土保持研究,1994,1(4):127-137. Hou Qingchun,Wang Youke,Yang Guang.Influence of coal mining on the vegetation in the Shenfu-Dongsheng coal field[J].Research of Soil and Water Conservation,1994,1(4):127-137.

[18] 呂晶潔,胡春元,賀曉.采煤塌陷對(duì)固定沙丘土壤水分動(dòng)態(tài)的影響研究[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境,2005,19(7):152-156. Lü Jingjie,Hu Chunyuan,He Xiao.Studied on the influences of coal mining collapse on the soil water dynamics of fixed dune[J].Journal of Arid Land Resources and Environment,2005,19(7):152-156.

[19] 徐友寧,吳賢,陳華清.大柳塔煤礦地面塌陷區(qū)的生態(tài)地質(zhì)環(huán)境效應(yīng)分析[J].中國礦業(yè),2008,17(3):38-40. Xu Youning,Wu Xian,Chen Huaqing.Effect analysis on ecological geo-environment in the bound of Daliuta coal mining subsidence area[J].China Mining Magazine,2008,17(3):38-40.

[20] 張金屯.數(shù)量生態(tài)學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社,2011. Zhang Jintun.Quantitative plant ecology[M].Beijing:Science Press,2011.

[21] 尚浩博.資源環(huán)境常規(guī)分析方法[M].楊凌:西北農(nóng)林科技大學(xué)出版社,2010.

[22] 吳金水,林啟美,黃巧云,等.土壤微生物生物量測定方法及其應(yīng)用[M].北京:氣象出版社,2006.

[23] 關(guān)松蔭.土壤酶及其研究法[M].北京:農(nóng)業(yè)出版社,1986.

[24] 陳琳,趙陟峰,趙廷宇,等.基于因子與聚類分析的不同林分土壤理化性質(zhì)評(píng)價(jià)[J].水土保持研究,2011,18(5):191-196. Chen Lin,Zhao Xifeng,Zhao Tingyu,et al.Evaluation of soil physical and chemical properties quality under different forest based on factor and cluster analysis[J].Research of Soil and Water Conservation,2011,18(5):191-196.

[25] 彭晚霞,宋同清,曾馥平,等.喀斯特峰叢洼地退耕還林還草工程的植被土壤耦合協(xié)調(diào)度模型[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2011,27(9):305-310. Peng Wanxia,Song Tongqing,Zeng Fuping,et al.Models of vegetation and soil coupling coordinative degree in grain for green project in depressions between Karst hills[J].Transactions of the CSAE,2011,27(9):305-310.

[26] 劉宏.綜合評(píng)價(jià)中指標(biāo)權(quán)重確定方法的研究[J].河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1996,25(4):75-80. Liu Hong.A study on the determination of the weigth of index in synthesive assessment[J].Journal of Hebei University of Technology,1996,25(4):75-80.

[27] Balesdent J,Chenu C,Balabane M.Relationship of soil organic matter dynamics to physical protection and tillage[J].Soil and Tillage Research,2000,53(3):215-230.

[28] 魏婷婷,胡振琪,曹遠(yuǎn)博,等.風(fēng)沙區(qū)煤炭開采對(duì)土壤物理性質(zhì)和結(jié)皮的影響[J].水土保持通報(bào),2015,35(2):106-109. Wei Tingting,Hu Zhenqi,Cao Yuanbo,et al.Effect of coal mining on soil physical properties and soil crust in windy desert area[J].Bulletin of Soil and Water Conservation,2015,35(2):106-109.

[29] 劉哲榮,燕玲,賀曉,等.采煤沉陷干擾下土壤理化性質(zhì)的演變——以大柳塔礦采區(qū)為例[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境,2014,28(11):122-138. Liu Zherong,Yan Ling,He Xiao,et al.Effects of mining subsidence on physical and chemical properties of soil in the subsided land of the Daliuta mining area[J].Journal of Arid Land Resources and Environment,2014,28(11):122-138.

[30] 顧大釗.晉陜蒙接壤區(qū)大型煤炭基地地下水保護(hù)利用與生態(tài)修復(fù)[M].北京:科學(xué)出版社,2015.

[31] 常慶瑞,安韶山,劉京,等.黃土高原恢復(fù)植被防止土地退化效益研究[J].土壤侵蝕與水土保持學(xué)報(bào),1999,5(4):6-9. Chang Qingrui,An Shaoshan,Liu Jing,et al.Study on benefits of recovering vegetation to prevent land deterioration on Loess Plateau[J].Journal of Soil Erosion and Soil and Water Conservation,1999,5(4):6-9.

[32] 蘇敏.采煤塌陷區(qū)土壤養(yǎng)分循環(huán)及對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響研究[D].邯鄲:河北工程大學(xué),2010. Su Min.Test study on sail nutrient cycling of coal mining subsidence area and its impact on the ecological envirnnment[D].Handan:Hebei University of Engineering,2010.

[33] 王琦,全占軍,韓煜,等.采煤塌陷區(qū)不同地貌類型植物群落多樣性變化及其與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系[J].西北植物學(xué)報(bào),2014,34(8):1642-1651. Wang Qi,Quan Zhanjun,Han Yu,et al.Variation of vegetation diversity and its soil relationship with soil physical and chemical properties in lands of different geomorphic types in coal mining subsidence area[J].Acta Botanica Boreali-Occidentalia Sinica,2014,34(8):1642-1651.

[34] 龍健,廖洪凱,李娟,等.基于冗余分析的典型喀斯特山區(qū)土壤-石漠化關(guān)系研究[J].環(huán)境科學(xué),2012,33(6):2131-2138. Long Jian,Liao Hongkai,Li Juan,et al.Relationships between soil and rocky desertification in typical Karst mountain area based on redundancy analysis[J].Environmental Science,2012,33(6):2131-2138.

[35] de Luca T H,Gundale M J,MacKenzie M D,et al.Biochar effects on soil nutrient transformations[A].Lehmann J,Joseph S(Eds.),Biochar for Environmental Management:Science and Technology[C].Earthscan,London,2015:421-454.

[36] Catford J A,Daehler C C,Murphy H T,et al.The intermediate disturbance hypothesis and plant invasions:Implications for species richness and management[J].Perspectives in Plant Ecology,Evolution and Systematics,2012,14(3):231-241.

[37] Zhang H,Chu L M.Plant community structure,soil properties and microbial characteristics in revegetated quarries[J].Ecological Engineering,2011,37(8):1104-1111.

Analysis of damage process and mechanism for plant community and soil properties at northern Shenmu subsidence mining area

WANG Shuang-ming1,2,DU Hua-dong1,2,WANG Sheng-quan1

(1.CollegeofGeology&Environment,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054,China;2.InstituteofGreenCoalMiningGeologicalSecurityTechnology,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054,China)

The quality of soil and plant community structure were analyzed using factor analysis based on the investigation of plant community characteristics and the examination of soil properties in different years of coal mining subsidence (1,2,5,10 a,and un-subsidence area) at northern Shenmu mining area.Meanwhile,redundancy analysis and cluster analysis were used to study the relationship and succession process between plants and soil.The vegetation-soil coupling model was used to determine the coordination of soil properties and plant community in five periods of coal mining subsidence.The results show that:① Disturbance of the subsidence was an important reason for the degradation of the soil quality and the vegetation structure in the subsided area.There was a natural restoration trend of plant-soil ecosystem with the passage of subsidence time.Unfortunately,the plant community structure and soil properties could hardly be restored to the pre-collapse level after even 10 years of natural succession.② Soil organic matter,water,and microbes were the core of soil nutrient cycling process and the key factors to determine plant community characteristics.And soil hardness,available nutrients and enzymes were the major influence factors of plant community productivity and diversity.However,the total nutrient was proved to be not so important factors for plant community.③ Plant communities and soil properties at subsidence area under natural restoration could be divided into three stages,namely the degradation,improvement,and initial recovery stage.④ There was a trend of recovery for the coordination of vegetation and soil after two years of subsidence.However,it could hardly be well-coordinated ecotype in even 10 years of coal mining subsidence.The results indicated that coal mining had continuity damage to the ecological environment,and the self-healing of ecosystem was weak at northern Shenmu mining area.Therefore reducing the mining damage and achieving the combination of natural and artificial restoration should be the guiding principle of the ecological environment protection in this area.

Northern Shenmu mining area;coal mining subsidence;soil properties;vegetation succession;coupling model

10.13225/j.cnki.jccs.2016.5041

2016-07-02

2016-12-20責(zé)任編輯:許書閣

陜西省教育廳科學(xué)研究基金資助項(xiàng)目(14JK1481)；西安科技大學(xué)博士啟動(dòng)金資助項(xiàng)目(2014QDJ019)；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41402308)

王雙明(1955—)，男，陜西岐山人，教授級(jí)高級(jí)工程師，博士生導(dǎo)師。Tel:029-85583264,E-mail:sxmtwsm@163.com

TD88;S157.4

A

0253-9993(2017)01-0017-10

王雙明,杜華棟,王生全.神木北部采煤塌陷區(qū)土壤與植被損害過程及機(jī)理分析[J].煤炭學(xué)報(bào),2017,42(1):17-26.

Wang Shuangming,Du Huadong,Wang Shengquan.Analysis of damage process and mechanism for plant community and soil properties at northern Shenmu subsidence mining area[J].Journal of China Coal Society,2017,42(1):17-26.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2016.5041