呼倫貝爾草原采煤沉陷對(duì)土壤-植物系統(tǒng)的影響及評(píng)價(jià)

韓 煜， 肖能文， 趙 偉， 史娜娜， 王 琦， 高曉奇， 郭志強(qiáng)， 溫建忠， 全占軍*

1.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院， 國(guó)家環(huán)境保護(hù)區(qū)域生態(tài)過(guò)程與功能評(píng)估重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100012 2.北京城市快軌建設(shè)管理有限公司， 北京 100027 3.國(guó)家能源集團(tuán)國(guó)神公司敏東一礦， 內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021100

呼倫貝爾草原煤炭資源豐富，草原區(qū)含煤面積達(dá)2.7×104km2，占該區(qū)域總面積的31%[1]，分布有伊敏煤田、大雁煤田、白音華煤田、寶日希勒煤田、呼和諾爾煤田等，該地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，氣候干燥寒冷，水資源短缺，加之煤炭資源長(zhǎng)時(shí)期、高強(qiáng)度的開發(fā)，對(duì)原本脆弱的草原生態(tài)系統(tǒng)造成了嚴(yán)重的威脅，表現(xiàn)為土地資源損毀、地下水漏斗、草地生產(chǎn)力下降、土地退化和沙化等[2-4].

眾多學(xué)者針對(duì)采煤沉陷引起的土壤質(zhì)量變化開展了研究. 例如，雷少剛[5]對(duì)補(bǔ)連塔礦區(qū)土壤水分的研究表明，地表沉陷使采區(qū)土壤含水率低于非采區(qū)，對(duì)風(fēng)沙土的影響尤為突出；趙國(guó)平等[6]研究不同塌陷年限土壤粒徑組成的變化發(fā)現(xiàn)，塌陷兩年后土壤中物理性黏粒含量顯著減少. 采煤沉陷對(duì)土體的擾動(dòng)導(dǎo)致土壤容重增加，孔隙度下降，使土壤機(jī)械組成粗?；?，從而對(duì)土壤水分造成影響[7-8]. 同時(shí)，一些研究表明，采煤沉陷造成土壤養(yǎng)分出現(xiàn)不同程度的下降[9-11]，對(duì)于風(fēng)沙土而言，沉陷區(qū)土壤TN(全氮)、TP(全磷)含量顯著降低，而OM(有機(jī)質(zhì))和TK(全鉀)含量變化不明顯[12-13]；在土壤質(zhì)地為壤土的礦區(qū)，沉陷使OM含量降低且空間變異性增大，尤其對(duì)表層土壤的影響最明顯[14]. 采煤沉陷對(duì)植被影響的研究集中在植物群落數(shù)量特征和物種組成變化方面. 在神東礦區(qū)，地表沉陷初期植被蓋度和生物量有所下降，沉陷穩(wěn)定后又會(huì)上升，受沉陷的干擾，植物種數(shù)和物種組成也會(huì)發(fā)生一定變化[15-18]. 上述研究大多集中在采煤沉陷對(duì)土壤性質(zhì)或植被群落特征某一方面的影響，當(dāng)前關(guān)于草原區(qū)采煤沉陷后土壤質(zhì)量和植物群落關(guān)系的研究較少，土壤質(zhì)量如何影響植物群落的變化以及影響的關(guān)鍵因素都有待進(jìn)一步研究. 鑒于此，該文以呼倫貝爾草原區(qū)的敏東一礦為研究對(duì)象，分析采煤沉陷干擾對(duì)土壤性質(zhì)和植物群落特征的影響，采用冗余分析法和因子分析法，探索土壤性質(zhì)與群落結(jié)構(gòu)之間的相關(guān)性并對(duì)土壤-植物系統(tǒng)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，有助于更好地認(rèn)識(shí)土壤質(zhì)量和植物群落之間的關(guān)系，以期為草原礦區(qū)土地復(fù)墾和生態(tài)恢復(fù)提供參考.

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于呼倫貝爾市鄂溫克旗的敏東一礦(119°52″E～119°59″E、48°42″N～48°48″N)，海拔705～730 m，為丘陵地貌類型. 該區(qū)屬于中溫帶半干旱大陸性氣候，多年平均降水量350 mm，主要集中在7—9月，年均蒸發(fā)量 1 247 mm，年均氣溫-2.4 ℃，無(wú)霜期110 d，年均風(fēng)速4.2 ms. 地帶性土壤為栗鈣土，土壤質(zhì)地為沙土，植被類型屬草甸草原區(qū)羊草群落，主要植物種包括羊草(Leymuschinensis)、貝加爾針茅(Stipabaicalensis)、糙隱子草(Cleistogenessquarrosa)、蒙古冰草(Agropyronmongolicum)、日陰菅(Carexpedifermis)、寸草苔(Carexduriuscula)、洽草(Koeleriacristata)、星毛委陵菜(Potentillaacaulis)等.

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置與試驗(yàn)方法

地表沉陷后出現(xiàn)的盆地具有明顯的分區(qū)特征[19]，從沉陷邊界至中心依次為坡頂(地表沉陷邊界附近)、坡中(沉陷邊緣區(qū))、坡底(沉陷中心區(qū)). 選擇下墊面狀況相似的2個(gè)盆地作為研究區(qū)，這2個(gè)盆地坡度為32°～34°，植被類型相似，植被蓋度為27%～30%. 其中，一個(gè)為自然形成的盆地，地下未采煤，設(shè)為對(duì)照區(qū)；另一個(gè)于2013年發(fā)生沉陷，將沉陷后的盆地設(shè)為沉陷區(qū). 2017年7月在沉陷區(qū)與對(duì)照區(qū)的坡頂、坡中、坡底各布置3個(gè)樣地(見(jiàn)圖1)，土壤取樣以20 cm為一層，分3層進(jìn)行取樣，采用梅花五點(diǎn)法取混合樣，每次重復(fù)采樣3次. 植物群落調(diào)查采用樣方法，在每個(gè)樣地各設(shè)3個(gè)1 m×1 m的樣方，調(diào)查植物種類、蓋度、數(shù)量、高度、頻度.

圖1 研究區(qū)樣地布置示意Fig.1 Distribution of sample plots in the study area

采用德國(guó)TRIME -TDR型土壤水分儀測(cè)定15 cm處的土壤體積含水量(簡(jiǎn)稱“土壤含水量”)，每個(gè)樣地平行測(cè)定5次. 土壤TK、TP、TN、AK(速效鉀)、AP(速效磷)、OM含量的測(cè)定方法分別為NaOH熔融-火焰光度法、NaOH熔融-鉬銻抗比色法、半微量凱氏法、NH4COOH浸提-火焰光度法、NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法與重鉻酸鉀氧化法.

2.2 數(shù)據(jù)分析與處理方法

植物群落物種重要值(E)計(jì)算公式：

E=(A+B+C)3×100%

(1)

Margalef豐富度指數(shù)(M)：

M=(S-1)lnN

(2)

Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H)：

(3)

Pielou均勻度指數(shù)(J)：

J=HlnS

(4)

Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)(D)：

(5)

式中，A為相對(duì)蓋度，B為相對(duì)密度，C為相對(duì)頻度，S為群落中的總種數(shù)，N為群落中個(gè)體總數(shù)，Pi為第i種個(gè)體數(shù)占群落中所有種個(gè)體數(shù)的比例.

采用Excel 2010軟件對(duì)土壤因子和植物群落特征數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分析，利用SPSS 19軟件的單因素方差分析(One way ANOVA)和多重比較(LSD法)分析不同樣地的差異顯著性(P<0.05)，利用因子分析法評(píng)價(jià)采煤沉陷對(duì)土壤-植物系統(tǒng)的影響；利用CANONO軟件的冗余分析(redundancy analysis，RDA)研究土壤因子與植物群落特征的關(guān)系.

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤性質(zhì)變化特征

3.1.1土壤含水量

從土壤含水量變化(見(jiàn)圖2)可以看出，沉陷區(qū)土壤含水量平均值為6.47%，對(duì)照區(qū)為6.69%，沉陷區(qū)比對(duì)照區(qū)下降了4.8%，采煤沉陷對(duì)土壤結(jié)構(gòu)造成破壞，引起土壤水分的減少，沉陷區(qū)與對(duì)照區(qū)土壤含水量差異顯著(P<0.05). 從不同坡位分析，沉陷區(qū)坡底、坡中和坡頂土壤含水量分別比對(duì)照區(qū)相同坡位減少了3.8%、8.4%和2.3%，沉陷區(qū)坡中土壤水分損失比坡頂和坡底嚴(yán)重，坡中土壤含水量與對(duì)照區(qū)同一坡位差異顯著(P<0.05)，沉陷區(qū)不同部位土壤含水量差異不明顯(P>0.05).

圖2 沉陷區(qū)與對(duì)照區(qū)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土壤養(yǎng)分

土壤養(yǎng)分的垂直分布規(guī)律：隨著土壤深度的增加，養(yǎng)分呈減少趨勢(shì)，沉陷區(qū)和對(duì)照區(qū)土壤養(yǎng)分在垂向分布上變化一致. 由土壤養(yǎng)分含量(見(jiàn)表1)可知，沉陷區(qū)表層(0～20 cm)土壤養(yǎng)分含量最高，0～20 cm土壤中TN含量比20～40 cm、40～60 cm土壤分別高出了66.7%和87.5%. 方差分析表明，沉陷區(qū)表層TP、TN含量與其他層位差異顯著(P<0.05)，其余養(yǎng)分含量在不同層位差異不顯著(P>0.05). 與對(duì)照區(qū)相比，沉陷區(qū)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含量為例，沉陷區(qū)0～20、20～40、40～60 cm土壤的TP含量比對(duì)照區(qū)分別降低了23.8%、19.8%和6.6%，AP含量平均值較對(duì)照區(qū)增加了4.2%，通過(guò)方差檢驗(yàn)可知，沉陷區(qū)TP、TN、OM和AK含量與對(duì)照區(qū)差異顯著(P<0.05).

從不同坡位來(lái)看(見(jiàn)圖3)，各土壤養(yǎng)分含量在沉陷區(qū)與對(duì)照區(qū)隨坡位的變化不一致. 與對(duì)照區(qū)相比，沉陷區(qū)TK、TP和TN含量在坡中的降幅最大，降幅為4.13%～29.65%，而OM、AK和AP含量在坡底的降幅最大，分別降低了54.1%、64.1%和13.1%. 方差分析表明，沉陷區(qū)TN含量在坡中與對(duì)照區(qū)差異顯著，OM和AK含量在坡底與對(duì)照區(qū)差異明顯(P<0.05).

表1 沉陷區(qū)和對(duì)照區(qū)不同深度土壤養(yǎng)分含量統(tǒng)計(jì)特征值

注： 不同字母代表不同樣地差異顯著(P<0.05).圖3 沉陷區(qū)和對(duì)照區(qū)不同坡位土壤養(yǎng)分含量Fig.3 Soil nutrient contents at different slope positions in the subsided area and control area

3.2 植物群落變化特征

3.2.1植物群落組成

植物群落組成分析結(jié)果(見(jiàn)表2)表明，沉陷區(qū)和對(duì)照區(qū)物種數(shù)量存在差異，沉陷區(qū)物種總數(shù)比對(duì)照區(qū)減少了28.6%～37.0%. 對(duì)照區(qū)植被類型為羊草+貝加爾針茅群落，羊草、貝加爾針茅作為優(yōu)勢(shì)種，其重要值在群落中最大，分別為19.33%和17.00%，主要伴生種有日陰菅、洽草、星毛委陵菜、祁州漏蘆、麻花頭、蒙古冰草、寸草苔、牻牛兒苗等. 沉陷區(qū)物種的重要值與對(duì)照區(qū)差異顯著，優(yōu)勢(shì)種羊草、貝加爾針茅的重要值分別降至2.58%～10.2%和6.23%～9.31%；伴生種日陰菅的重要值增加，由10.48%～12.52%增至17.55%～41.3%，成為群落中的優(yōu)勢(shì)種；麻花頭、細(xì)葉婆婆納、牻牛兒苗等物種在沉陷區(qū)消失；雙齒蔥、寸草苔、冷蒿、洽草、星毛委陵菜、菊葉委陵菜等旱生伴生種的植物種類和數(shù)量增加.

3.2.2植物群落多樣性

由圖4可知，沉陷區(qū)Margalef豐富度指數(shù)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)和Pielou均勻度指數(shù)分別為2.68～3.51、1.95～2.11、0.8～0.81和0.77～0.82，對(duì)照區(qū)分別為3.19～4.74、2.1～2.64、0.83～0.9、0.83～0.91. 與對(duì)照區(qū)相比，沉陷區(qū)群落多樣性指數(shù)均有不同程度的降低，Margalef豐富度指數(shù)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)和Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)在沉陷區(qū)與對(duì)照區(qū)差異顯著(P<0.05)，Pielou均勻度指數(shù)差異不顯著(P>0.05). 受采煤沉陷的影響，群落的物種豐富度、多樣性和優(yōu)勢(shì)種的優(yōu)勢(shì)程度明顯下降，物種分布的變化不明顯.

從各坡位來(lái)看，沉陷區(qū)Margalef豐富度指數(shù)和Shannon-Wiener多樣性指數(shù)均在坡底最高、坡中最低，Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)和Pielou均勻度指數(shù)均在坡中最大、坡頂最小，除Margalef豐富度指數(shù)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)在坡中顯著下降外(P<0.05)，其余指數(shù)在沉陷區(qū)不同坡位間的差異均不明顯(P>0.05).

表2 沉陷區(qū)和對(duì)照區(qū)物種組成和重要值

注： 不同字母代表不同樣地差異顯著(P<0.05).圖4 沉陷區(qū)和對(duì)照區(qū)群落多樣性指數(shù)Fig.4 Diversity index of plant community in the subsided area and control area

3.3 土壤性質(zhì)與群落特征的關(guān)系

為了探索土壤性質(zhì)與群落特征之間的關(guān)系，基于CANOCO軟件的線性冗余分析(RDA)方法，對(duì)土壤因子和植物多樣性指數(shù)進(jìn)行排序研究(見(jiàn)表3、表4、圖5). 從表3可以看出，土壤性質(zhì)與植物多樣性排序模型達(dá)到顯著水平(P<0.05)，說(shuō)明土壤性質(zhì)可以很好地解釋植物多樣性的差異. 第一排序軸土壤性質(zhì)對(duì)植物多樣性的解釋率為98.2%，幾乎包含了所有的土壤與植物因子關(guān)系信息，因此對(duì)第一排序軸進(jìn)行深入分析. 結(jié)合各因子與第一排序軸的相關(guān)系數(shù)(見(jiàn)表4)及圖5可知，土壤TP、TN、OM、AK、AP含量均與Margalef豐富度指數(shù)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)和Pielou均勻度指數(shù)呈正相關(guān)，其中TP、TN、OM和AK含量與多樣性指數(shù)的相關(guān)系數(shù)均大于0.5(P<0.05)，TK含量、土壤含水量與上述多樣性指數(shù)均呈負(fù)相關(guān). 可見(jiàn)，土壤TN、AK、TP和OM含量對(duì)群落物種多樣性的影響較大.

表3 土壤性質(zhì)與群落多樣性指數(shù)RDA分析結(jié)果

表4 土壤性質(zhì)與多樣性指數(shù)的相關(guān)系數(shù)

注： M—Margalef豐富度指數(shù)；H—Shannon-Wiener多樣性指數(shù)；J—Pielou均勻度指數(shù)；D—Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)；TK—全鉀含量；TN—全氮含量；TP—全磷含量；AK—速效鉀含量；AP—速效磷含量；SWC—土壤含水量.圖5 土壤性質(zhì)與群落多樣性指數(shù)RDA排序結(jié)果Fig.5 RDA biplot of soil properties and species diversity indices

RDA排序結(jié)果可以反映土壤因子與植物群落間存在的相關(guān)關(guān)系，但它是多種土壤因子作用于群落多樣性的綜合結(jié)果. 因此，利用RDA分析中的前向選擇來(lái)篩選土壤因子中對(duì)植物群落特征變量影響最強(qiáng)的某一個(gè)或幾個(gè)因子. 應(yīng)用前向選擇分析時(shí)，每一個(gè)土壤因子作為環(huán)境解釋變量被逐一引入模型分析，并通過(guò)蒙特卡羅檢驗(yàn)評(píng)價(jià)其對(duì)植物變量解釋的顯著性(見(jiàn)表5).

表5 環(huán)境因子作為解釋變量的前向選擇和蒙特卡羅檢驗(yàn)

前向選擇分析結(jié)果表明，群落多樣性變化的主要影響因子是土壤TN含量，其單獨(dú)解釋量占土壤性質(zhì)總解釋量的75.8%(P=0.002，F(xiàn)=15.97).

3.4 土壤-植物系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)

采用因子分析法對(duì)土壤含水量、TN、TK、TP和OM含量以及Margalef豐富度指數(shù)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)等共計(jì)11個(gè)指標(biāo)進(jìn)行分析.

由分析結(jié)果(見(jiàn)表6)可知，提取的3個(gè)主成分的方差貢獻(xiàn)率分別為57.7%、18.4%和9.4%，這3個(gè)因子的累積方差貢獻(xiàn)率達(dá)到85.5%，可以反映11個(gè)指標(biāo)的絕大部分信息. 其中，因子1中TP、TN、OM、AK含量以及Margalef豐富度指數(shù)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)和Pielou均勻度指數(shù)的載荷均較大(絕對(duì)值均大于0.7)，主要反映土壤養(yǎng)分儲(chǔ)量和群落多樣性特征，土壤養(yǎng)分狀況越好，植物對(duì)養(yǎng)分的利用效率越高，群落的物種豐富度和多樣性越大，植物個(gè)體分布也較均勻，因此可以概括為土壤養(yǎng)分供給和利用因子；因子2中TK、AP含量的載荷均大于0.9，因TK性質(zhì)較穩(wěn)定，其含量在研究區(qū)變化不大，故稱為土壤AP因子；因子3中具有較高載荷的是土壤含水量，反映土壤水分條件的優(yōu)劣，即為土壤水分因子.

表6 因子旋轉(zhuǎn)后土壤、植物指標(biāo)因子載荷矩陣

由旋轉(zhuǎn)后因子模型得到沉陷區(qū)和對(duì)照區(qū)各樣地因子得分雷達(dá)圖(見(jiàn)圖6)，結(jié)果表明，沉陷區(qū)在因子1中的得分均較低，而對(duì)照區(qū)得分均較高，沉陷區(qū)土壤養(yǎng)分供給和利用受到干擾較大，養(yǎng)分匱缺嚴(yán)重，導(dǎo)致植物對(duì)養(yǎng)分的吸收利用受阻. 反映AP的因子2在沉陷區(qū)得分較高，由于沉陷區(qū)AP平均含量高于對(duì)照區(qū)，說(shuō)明沉陷區(qū)AP有偏大、活化的趨勢(shì). 因子3在沉陷區(qū)和對(duì)照區(qū)的得分相差不大，對(duì)照區(qū)相對(duì)較高，沉陷區(qū)土壤結(jié)構(gòu)遭到破壞，土壤持水能力下降，使水分發(fā)生損失. 通過(guò)沉陷區(qū)和對(duì)照區(qū)土壤-植物系統(tǒng)的綜合評(píng)價(jià)(見(jiàn)表7)得出，沉陷區(qū)各樣地土壤-植物系統(tǒng)的綜合得分均低于對(duì)照區(qū)，整個(gè)系統(tǒng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，土壤-植物系統(tǒng)退化趨勢(shì)明顯，而且沉陷區(qū)不同部位的退化程度表現(xiàn)為坡中>坡頂>坡底.

注： 圖中C1、C2、C3、D1、D2、D3依次代表沉陷區(qū)和對(duì)照區(qū)的坡底、坡中、坡頂樣地; 數(shù)值代表因子得分.圖6 沉陷區(qū)和對(duì)照區(qū)各樣地因子得分雷達(dá)圖Fig.6 Factor scores and radar diagram of each factor of sample plots in the subsided area and control area

表7 沉陷區(qū)與對(duì)照區(qū)土壤-植物系統(tǒng)綜合得分

4 討論

4.1 采煤沉陷對(duì)土壤水分的影響

井工礦開采會(huì)破壞煤層覆巖的力學(xué)平衡，導(dǎo)致覆巖發(fā)生垮落、裂隙和彎曲下沉[20]，使采空區(qū)上方地表發(fā)生沉陷. 該研究顯示，沉陷區(qū)土壤含水量比非采區(qū)有所減少，尤其在坡中(沉陷邊緣區(qū))最明顯，這與已有研究結(jié)果[21-23]基本一致. 土壤含水量受到土壤水分補(bǔ)給和土壤持水性能的影響[24-25]. 沉陷使地表產(chǎn)生裂縫，土體結(jié)構(gòu)遭到破壞，土壤結(jié)構(gòu)變得疏松，孔隙度增大，導(dǎo)致土壤持水能力下降[26-28]，而且裂縫的出現(xiàn)增加了水分的垂向滲漏和側(cè)向蒸發(fā)，減少了大氣降水的有效補(bǔ)給，從而造成土壤含水量的下降. 由于坡中產(chǎn)生的裂縫數(shù)量多且寬度大，土壤水分的下滲量和蒸發(fā)量也隨之增大，致使坡中土壤水分減少最多.

4.2 采煤沉陷對(duì)土壤養(yǎng)分的影響

土壤養(yǎng)分是反映土壤質(zhì)量的重要指標(biāo). 該研究初步表明，沉陷區(qū)TP、TN、OM和AK含量較非采區(qū)均有顯著下降，這與張發(fā)旺等[29-30]的結(jié)果相似，但與其不同的是，AP含量有增加趨勢(shì)，因?yàn)槌料輰?dǎo)致土壤中的粉粒和黏粒減少，使土壤沙化嚴(yán)重[31-32]，沙土對(duì)磷素的固定和緩沖能力差，除非活性磷外，其他形態(tài)磷可全部或部分釋放到土壤中使AP含量增加[33-35]，這與姚國(guó)征等[13]的結(jié)論基本吻合. 土壤結(jié)構(gòu)的改變與土壤養(yǎng)分運(yùn)移密切相關(guān)，沉陷形成地表裂縫，使土壤中的營(yíng)養(yǎng)元素沿裂縫滲漏至采空區(qū)，從而引起土壤養(yǎng)分的缺失[20]. 同時(shí)，該研究發(fā)現(xiàn)，TN在沉陷區(qū)坡中流失嚴(yán)重，OM和AK含量在坡底減少量最多，這是因?yàn)椴煌寥鲤B(yǎng)分的流失途徑存在差別. 坡中氮素沿裂縫淋溶至土壤深層發(fā)生損失，而坡底位于沉陷中心區(qū)，地勢(shì)低洼，水熱條件相對(duì)較好，調(diào)查時(shí)也發(fā)現(xiàn)該部位植物種類多、蓋度高，可能是由于植物對(duì)土壤養(yǎng)分吸收利用程度高而造成可利用養(yǎng)分相對(duì)于其他坡位較低.

4.3 采煤沉陷對(duì)植物群落的影響

沉陷區(qū)土壤水分和養(yǎng)分條件的改變會(huì)打破土壤與植被之間的動(dòng)態(tài)平衡，從而對(duì)植物群落產(chǎn)生影響[36]. 根據(jù)此次調(diào)查可知，沉陷后植物種類有所減少，群落組成發(fā)生改變，原生植被羊草、貝加爾針茅優(yōu)勢(shì)地位下降，旱生植物種類和數(shù)量增多，植物群落發(fā)生逆向演替. 由于沉陷區(qū)土壤水分減少，加劇了水分脅迫，使環(huán)境趨于干旱化，而埋在土壤中適合旱生條件的植物種子(如雙齒蔥、菊葉委陵菜等)因生存環(huán)境適宜而萌發(fā)長(zhǎng)成植株. 該研究中，沉陷區(qū)植物群落的Margalef豐富度指數(shù)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)和Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)均明顯低于對(duì)照區(qū)，這與烏仁其其格等[1,36]的研究結(jié)果一致，而Pielou均勻度指數(shù)變化不顯著. 受采煤沉陷的影響，群落的物種多樣性有所下降，而物種均勻度變化不明顯. 這是因?yàn)?，沉陷區(qū)TN、TP、OM等營(yíng)養(yǎng)元素含量的降低使群落中部分植物的生長(zhǎng)受到限制，如羊草在氮素虧缺的條件下光合速率會(huì)降低[37]，使原有優(yōu)勢(shì)種在群落中失去生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)，從而為次優(yōu)勢(shì)種、伴生種和其他適宜物種(如日陰菅、寸草苔、雙齒蔥等)提供了機(jī)會(huì)，使其在種間競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)優(yōu)勢(shì). 這些植物的生長(zhǎng)不僅會(huì)抑制群落中其他植物的生長(zhǎng)，甚至?xí)?dǎo)致其他物種的消失[38]，從而造成物種多樣性降低. 同時(shí)，這也驗(yàn)證了生態(tài)學(xué)的中度干擾假說(shuō)[39]，若干擾過(guò)度，先鋒種不能發(fā)展到演替中期，使物種多樣性較低. 雖然沉陷區(qū)植物群落的Pielou均勻度指數(shù)無(wú)顯著變化，但是仍有小幅降低. 在沉陷的影響下，群落中原有優(yōu)勢(shì)種的優(yōu)勢(shì)地位下降，優(yōu)勢(shì)種發(fā)生改變，因此其分布的均勻度下降. 但草原植物的生態(tài)位相似，適應(yīng)性強(qiáng)的物種會(huì)因?yàn)榉N間競(jìng)爭(zhēng)而不會(huì)因優(yōu)勢(shì)種的改變使其生態(tài)位寬度增加而大幅擴(kuò)散[40]，所以與對(duì)照區(qū)相比，物種Pielou均勻度未出現(xiàn)明顯降低.

4.4 采煤沉陷對(duì)土壤-植物系統(tǒng)的影響

土壤環(huán)境是植物群落生長(zhǎng)的基礎(chǔ)，土壤質(zhì)量對(duì)植物多樣性的影響需要深入研究. 這可能是因?yàn)橥寥览砘再|(zhì)和養(yǎng)分因子之間的關(guān)系本就復(fù)雜[41]，其作用于物種多樣性的耦合效應(yīng)更為復(fù)雜，而且不同植物功能群對(duì)土壤質(zhì)量的響應(yīng)也不同. 該研究表明，土壤因子與植物多樣性的排序模型達(dá)到顯著水平，其對(duì)植物多樣性的解釋率為98.2%. 總體來(lái)看，土壤養(yǎng)分與植物群落多樣性指數(shù)呈正相關(guān)，這與李向磊等[42-43]的研究結(jié)果吻合. 其中TN、AK、TP和OM含量與群落物種多樣性的相關(guān)性顯著，且相關(guān)系數(shù)均大于0.5. 進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，影響群落多樣性變化的關(guān)鍵因子是TN含量. 土壤氮素是植物生產(chǎn)力的決定性因素，也是影響草原植物群落組成的主要土壤環(huán)境因子[44]. 沉陷區(qū)TN含量的減少會(huì)使依賴于氮素的植物生長(zhǎng)受限[37]，在物種競(jìng)爭(zhēng)中處于劣勢(shì)甚至被淘汰，導(dǎo)致群落多樣性降低. 而植物多樣性的降低又會(huì)影響土壤微生物群落和土壤酶活性[17,36]，進(jìn)而影響土壤營(yíng)養(yǎng)元素代謝，導(dǎo)致土壤肥力質(zhì)量進(jìn)一步降低. 可見(jiàn)，在采煤沉陷的干擾下，土壤與植被是相互作用、相互影響的.

土壤-植物系統(tǒng)的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，與對(duì)照區(qū)相比，采煤沉陷后土壤-植物系統(tǒng)發(fā)生退化，且坡中位置退化最明顯，這與坡中土壤水分和養(yǎng)分的缺失及其對(duì)植物群落的作用有關(guān). 因此，在我國(guó)東部草原區(qū)開展生態(tài)恢復(fù)時(shí)要注重土壤質(zhì)量的恢復(fù)，尤其是地表裂縫密集的部位，通過(guò)合理的措施改良土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤蓄水、保肥能力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)植被系統(tǒng)的快速恢復(fù)，促進(jìn)礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)朝著健康、穩(wěn)定狀態(tài)發(fā)展.

5 結(jié)論

a) 呼倫貝爾草原采煤沉陷后，沉陷區(qū)土壤含水量比對(duì)照區(qū)下降了4.8%，坡中土壤水分損失最多. 土壤TK、TP、TN、OM和AK含量均有不同程度的降低，土壤養(yǎng)分在坡中和坡底流失嚴(yán)重.

b) 沉陷區(qū)植物種類數(shù)量比對(duì)照區(qū)減少了28.6%～37.0%，原生植被羊草、貝加爾針茅的重要值下降，雙齒蔥、寸草苔等旱生植物種類和數(shù)量增加，植物群落發(fā)生逆向演替，物種多樣性有所下降.

c) 研究結(jié)果顯示，土壤因子對(duì)植物多樣性的解釋率為98.2%，土壤TP、TN、OM和AK含量與多樣性指數(shù)均呈正相關(guān)，且相關(guān)系數(shù)均大于0.5，土壤TN含量是影響群落多樣性的關(guān)鍵因子.

d) 土壤-植物系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)得出，沉陷區(qū)土壤養(yǎng)分受影響較大，從而影響群落的結(jié)構(gòu)特征. 沉陷區(qū)土壤-植物系統(tǒng)較對(duì)照區(qū)退化趨勢(shì)明顯，沉陷盆地坡中部位(沉陷邊緣區(qū))退化最嚴(yán)重.