黄土区采煤塌陷扰动区植被-土壤系统耦合协调关系

Coupling Coordination Relationship of Vegetation-Soil System in the Coal Mining Subsidence Disturbance Area in Loess Region

摘要

为探明黄土区采煤塌陷对区域不同生态系统植被与土壤的影响，选择鄂尔多斯不连沟采煤扰动下乔木林（Df）、灌木林（Ds）、牧草地（Dg）和裂缝地（Dc）为研究对象，以周边自然草地（CK）为对照，采用现场调查与室内测定分析的方法，通过研究不同采煤塌陷扰动地植被群落特征与土壤特性，构建植被-土壤耦合协调度模型，旨在探明不同扰动地植被与土壤的发展协调关系。结果表明，采煤塌陷扰动下一二年生草本植物与禾本科、豆科和菊科植物占比均有所增加，Df、Dg和Dc的优势种均为长芒草和大针茅，Df的群落密度显著低于其他样地，而生物量反之，Dc的群落盖度显著降低；在0~20 cm土层，砂粒含量占比由大到小为Dc>CK>Ds>Df>Dg，随着土层加深，Dc的黏粒含量占比明显增加，采煤塌陷地的土壤EC值和养分含量较对照低，而土壤pH值较对照高；采煤塌陷扰动地植被-土壤系统耦合协调度大小为CK>Df>Ds>Dg>Dc，均处于中度失调，Ds样地属于植被滞后型，而Dg和Dc样地属于土壤滞后型。综上所述，采煤塌陷扰动易导致植被群落趋向逆向演替，降低土壤养分和电导率，增加土壤pH值，产生的裂缝可明显促进表层土壤沙化，植被与土壤均处于中度失调状态，可依据其滞后类型通过人工辅助措施促进其协调发展。

Abstract

To explore the effects of coal mining subsidence in loess region on the vegetation and soil under different regional ecosystems, in this study, forest(Df), shrub(Ds), grass(Dg), and collapse-fissure land(Dc) under coal mining disturbance in Buliangou in Ordos were selected as the research objects, surrounding natural grassland was taken as the control(CK), and field investigation and indoor measurement analysis methods were adopted. By studying the vegetation community characteristics and soil characteristics of different coal mining subsidence disturbance areas, a vegetation-soil coupling coordination degree model was established to explore the development coordination relationship between vegetation and soil in different disturbance areas.The results showed that under the disturbance of coal mining subsidence, the proportion of annual and biennial herbs and Gramineae, Leguminosae, and Compositae plants increased, and the dominant species of Df, Dg and Dc were Stipa bungeana and Stipa glabra. The community density of Df was significantly lower than that of other sample lands, while the The biomass showed an opposite trend, and the community coverage of Dc was significantly lowered. At the 0-20 cm soil layer, the sand content was from large to small as Dc>CK>Ds>Df>Dg. With the deepening of the soil layer, the clay content of Dc increased significantly. The soil EC value and nutrient content of coal mining subsidence land were lower than that of the control, while the soil pH value was higher. The coupling coordination degree of vegetation-soil system in the coal mining subsidence disturbance areas was CK>Df>Ds>Dg>Dc, all of which were in moderate imbalance. The Ds sample lands belonged to vegetation hysteretic type, while the Dg and Dc sample lands belonged to soil hysteretic type. In summary, the coal mining subsidence disturbance tended to lead to reverse succession of vegetation communities, reduce soil nutrients and electrical conductivity, increase soil pH value, and the resulting cracks could significantly promote the desertification of surface soil, and both vegetation and soil were in a moderate imbalance state. Artificial assistant measures could be adopted to promote their coordinated development according to their hysteretic types.

Graphical abstract

关键词

黄土区矿区 / 塌陷地 / 植被群落 / 土壤特性 / 耦合协调度模型

Key words

mining area in loess region / subsidence land / vegetation community / soil characteristics / coupling coordination degree model

在植被-土壤系统中，植被与土壤具有互馈效应，二者相互依存，相互制约^[1-2]，受到扰动后其二者是否协同演进对于生态系统的稳定发展至关重要^[2-3]。耦合是指2个或2个以上系统或运动形式通过各种相互作用而彼此影响的现象^[4]，耦合度是描述系统或要素相互彼此作用影响的程度，它刻画了研究时空点上系统之间或系统内各要素之间交互胁迫、交互依存关系的演进态势或趋向^[5]。协调度是度量系统之间或系统内部要素之间在发展过程中彼此和谐一致的程度，体现了系统由无序走向有序的趋势^[6]。土壤与植被之间存在着天然的耦合关系，耦合度能有效地反映生态恢复过程中植被、土壤系统间的互馈关系，评判二者间的耦合状态，耦合协调关系分析可定量评价植被与土壤的关系，有助于充分了解生态发展过程中植被-土壤系统协调发展的状况，更深刻地认知植物-土壤互馈对生态系统影响的贡献能力^[2-3]。

已有研究表明，在植物性状和自然植被组成方面，植物-土壤系统发挥着巨大而深远的作用^[7-8]；有关数学模型的研究也表明，植物-土壤间的相互作用可对植物群落组成产生巨大的影响^[9]。在生态恢复过程中明显可分为2个阶段，即植物群落的分布和植物的生长在前期对土壤的生物和非生物环境会产生显著影响；其次土壤环境的变化又引起了植物的特异性改变，并最终导致植物分布和结构的改变^[7]。植物-土壤反馈作用及其机理研究已成为当前国际社会普遍关注的热点问题之一。近年来，已有研究开始用耦合协调度来表征研究系统内多个子系统之间的耦合。耦合协调强调的是一种深层次的系统要素之间关系及过程的研究，一般用来从整体上判别多系统之间匹配发展态势^[10]。目前，已有不少学者从不同土地利用方式、不同管理措施、不同植被恢复模式、不同微地貌类型等角度研究生态林、经济林植被-土壤系统的耦合关系。白一茹等^[11]研究宁夏南部宁南山坡面在林地、灌木地、弃耕地、草地和农地等不同土地利用方式下植被-土壤系统的耦合协调状况；徐明等^[12]和李豪等^[10]均以黄土高原沟谷地为研究区，分别探究不同植被恢复模式、不同微地形地貌类型下植被-土壤耦合协调关系；彭晚霞等^[13]采用耦合协调度模型评价了7种不同退耕还林还草模式下的植被-土壤系统恢复效果；王皓月等^[14]分析了九峰山不同林分类型下的植被-土壤间相互作用；南国卫等^[15]探究黄土丘陵地区经济林在多树种混交及梯田改造等管理措施下对植被-土壤系统耦合协调度的改善效果。然而，这些研究主要集中于自然生态系统与农业生态系统，而对于人为干扰的矿区生态系统的研究较为缺乏。

黄土区作为我国重要煤炭基地之一，长期以来采煤扰动巨大，导致许多生态环境问题，其中地表塌陷是煤炭开采周边最为普遍的生态破坏形式之一，加之该区生态基底脆弱，影响塌陷地区的地形、水文、土壤等植被生长环境要素^[16-17]。众多学者针对黄土区采煤塌陷对植被与土壤的影响开展了不同的探究。周莹等^[18]研究了神府矿区采煤塌陷对不同地貌植被组成与多样性的影响，赵国平等^[19]研究了采煤塌陷对植被群落变化的影响，毕银丽等^[20]从微生物复垦角度切入探究了采煤塌陷区植被演变规律；而邹慧等^[21]对神东补连塔矿区土壤容重与水分特性随采煤塌陷的变化规律进行了探究，姚国征等^[22]应用典型判别分析与因子分析对补连塔矿区土壤质量进行了评价。然而，这些研究多侧重植被或土壤单一系统的影响，虽然王双明等^[23]将植被与土壤结合起来，系统分析了神木北部采煤塌陷区土壤与植被损害过程及机理，李欣颖等^[24]明晰了采煤沉陷区林下植物多样性与土壤因子的关系，但二者关系的探究仍较为薄弱。

本试验以鄂尔多斯不连沟采煤塌陷地不同植被类型为研究对象，研究其植被群落特征与土壤特性的响应及植被与土壤的耦合协调关系，旨在明确不同植被类型对采煤扰动的响应与耦合协调关系，进而为不同受损植被类型的植被与土壤的精准、有效管理提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

本研究区地处内蒙古鄂尔多斯市西南不连沟煤矿（106°42'40''~111°27'20''E，37°35'24''~40°51'40''N）。该地划分为黄土丘陵和沟谷2个地貌单元；地形梁峁起伏，沟壑纵横，侵蚀活跃，水土流失严重，是黄河流域风蚀沙化和水土流失最严重的地区之一，生态环境十分脆弱。该区属于中温带大陆性气候，气候干燥，冬天寒冷，降水稀少，该区年平均温度为8.1 ℃，年均降水量389.8 mm，多集中在7—9月，年平均相对湿度54%，年蒸发量1 964.8 mm，多风沙天气。土壤主要由栗钙土、黄绵土、草甸土、风沙土、盐碱土等组成；栗钙土分布范围广，土壤质量较差且渗水；矿区耕地土壤以黄绵土为主，其表土层厚0.4~0.6 m。矿区地处暖温型典型草原带，地带性植被类型为暖温型典型草原植被，由耐旱多年草本组成，植被覆盖度稀疏；由于人类干扰严重，植被表现为从草原到荒漠草原的转变。典型的草原草本植物包括百里香、大针茅，而沙漠植被则主要由柠条和沙米组成。

1.2 样地选取

试验于2023年在矿区采煤塌陷区域分别选取乔木林（Df）、灌木林（Ds）、牧草地（Dg）和裂缝（Dc）4种塌陷地进行，同时选择邻近未受到采煤塌陷扰动的天然草地作为对照（CK），具体样地信息如表1所示。

1.3 植被群落调查

对于乔木林，分别设置3个10 m×10 m的样方，调查与统计林木种植数、林龄及造林保存率等，测量林木的平均树高、胸径、枝下高等。对于灌木林，在每个标准地按对角线法，在对角线与中间点设置3个5 m×5 m的样方，统计与测量灌木植物种与其密度、盖度与高度，采用比例取样法测定其生物量。对于所有样地草本层，分别设置3个1 m×1 m的样方，统计与测定样方内植物种及其密度、盖度、高度与地上生物量，其中草本层的地上部分生物量测定采用的是收获法。另外，再选取7个1 m×1 m的样方统计其植物种类，计算各植物种的频度，进而测算群落各物种的相对重要值，计算每类样地的多样性指数，选用Margalef丰富度指数、Simpson指数、Shannon-Wiener多样性指数、Pielou均匀度指数等表征植被物种多样性，各指数计算公式参考李豪等^[10]的研究。

1.4 土壤样品采集与测定

在1.3中3个10 m×10 m样地均匀设置3个样带，在每个样带设置6~10个点，采用多点混合法取样，采集土样时需先用工具将其植被枯枝落叶层去掉，按照0~20、20~40、40~60 cm分层进行取样，取样后带回实验室自然风干，过筛后用于测定土壤指标。

土壤机械组成采用激光粒度分析仪测定；碱解氮（AN）含量采用碱解扩散法测定；速效磷（AP）含量采用钼锑抗比色法测定；速效钾（AK）含量采用火焰光度法测定；有机质（SOM）含量采用重铬酸钾-外加热容量法测定；土壤pH值和电导率（EC）采用雷磁DZS-708L型台式多参数分析仪测定。

1.5 植被-土壤耦合模型构建

1.5.1 模型指标体系及权重

根据生态系统植被与土壤的互馈关系，参考前人相关研究^[10，13-14]，采用层次分析法考虑数据可获取性、时效性、合理性等，评判的目标和指标筛选原则，构建能够反映不连沟采煤塌陷扰动下植被-土壤系统耦合协调评判的指标体系，形成包括植被和土壤2个一级层次指标，17个二级层次指标在内的植被-土壤系统耦合评判的指标体系，其中，植被指标体系包含群落密度、盖度、高度、生物量和4个物种多样性指数，土壤指标体系包含土壤砂粒、粉砂粒、黏粒含量占比和pH值、电导率、土壤有机质、碱解氮、有效磷、速效钾等。为了消除指标单位不同导致的无可比性，对各指标数据采用隶属函数法进行无量纲的标准化处理，各个评价指标权重的确定选择应用较多的熵权法。

1.5.2 耦合度模型

参考前人的研究，分别建立植被与土壤系统综合评价函数。

V（x）={\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^m}{v}_i{x}_i（1）

S（y）={\displaystyle \sum _{j=\mathrm{1}}^n}{s}_j{y}_j（2）

式中，V（x）为植被综合评价函数；S（y）为土壤综合评价函数；v_i 、x_i 为植被综合评价函数第i个植被指标对应的待定权重和标准化数值；s_j 、y_j 为土壤综合评价函数第j个土壤指标对应的待定权重和标准化数值。此综合指数越高，表明植被系统或土壤系统生态恢复的发展水平越好，反之越差。

耦合度（C）是反映植被-土壤环境协同作用的度量指标，构建植被-土壤系统耦合度模型如下。

C=\sqrt[]{(V(x)\times S(y))/(V(x)+S{(y))}^{\mathrm{2}}}（3）

植被-土壤系统耦合度C值变化在0~1。当C值趋于1时，植被与土壤之间呈现良性耦合状态；当C值趋于0时，植被与土壤二者之间呈现无关状态。

1.5.3 耦合协调度模型

耦合度在有些情况下却很难反映出植被子系统与土壤子系统在系统中的整体效应，基于前人研究在C值的基础上加入表示总体发展水平的成分，构建了耦合协调度模型^[12]。

D=\sqrt[]{C\times T}（4）

T=αV（x）+βS（y）（5）

式中，D为植被-土壤系统耦合协调度；T为植被-土壤系统综合调和指数；α、β为待定权数，由于土壤与植被对边坡植被恢复的改善作用同等重要，故α=β=1/2，则式（5）可表示为式（6）。

T=\frac{V(x)+S(y)}{\mathrm{2}}（6）

植被-土壤系统耦合协调度D值范围也在0~1。D值越大，表明不同生态修复模式植被的恢复效果越好，植被系统与土壤系统的耦合关系越协调。

1.6 植被-土壤耦合关系划分

参考徐明等^[12]综合耦合协调度D值、植被系统综合评价函数V（x）和土壤系统综合评价函数S（y）的大小提出的植被-土壤系统耦合协调类型及划分标准，对研究样地植被-土壤系统的协调发展进行类型划分。

1.7 数据统计与分析

不同塌陷扰动地间植被与土壤特征的差异性均采用单因素方差分析（ANOVA）与Duncan方法进行分析，利用Sigmaplot 10.0和R软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 采煤塌陷扰动下不同植被类型的植被群落特征

2.1.1 物种组成

由表2可知，研究区共出现植物27种，分属于8科22属。其中，CK和Df样地物种数最多；Dg和Dc样地次之，分别有18、16种；而Ds样地最少，仅为8种。

由表3可知，研究区的植物生活型以多年生草本为主，占比为62.50%~73.68%，而灌木/半灌木占比最低；采煤塌陷扰动下一二年生草本植物占比有所增加，而对灌木/半灌木的变化影响不显著；禾本科、豆科和菊科植物在采煤扰动样地占比均有所增加。

2.1.2 群落优势种

由表2可知，Df、Dg和Dc的优势种均为长芒草、大针茅，其重要值均较大，Ds的优势种为冰草、猪毛蒿、茵陈蒿，三者的重要值占比达70%，CK样地重要值较高的植物种为猪毛蒿、早熟禾、达乌里胡枝子、百里香。

2.1.3 群落数量特征

由图1可知，受干扰的乔木林林下植被密度显著低于其他类型（P<0.05），其中较CK样地降低了30%，而Dc样地的群落密度最大，但Dc样地的群落盖度较CK、Df和Dg样地显著降低（P<0.05）；不同采煤塌陷扰动下植被群落高度由大到小依次为：Df>CK>Dg>Dc>Ds，其中Df样地的群落高度显著高于其他样地（P<0.05）；受干扰后乔木林地的生物量显著大于其他样地（P<0.05）。

2.1.4 物种多样性

由图2可知，不连沟塌陷区植被Margalef 丰富度指数、Simpson优势度指数、Shannon-Wiener 多样性指数和Pielou 均匀度指数的变化范围分别为1.72~2.75、0.58~0.90、1.12~2.45、0.77~0.96。Simpson优势度指数和Pielou均匀度指数从大到小的排列顺序为：Dg>Dc>Ds>CK>Df，不同采煤塌陷地之间存在差异，其中乔木林地的Simpson优势度指数和Pielou均匀度指数显著低于其他塌陷地（P<0.05）；Margalef丰富度指数在Ds、Dg和Dc样地中相似且较高，而Df样地的丰富度显著高于其他样地（P<0.05）。Shannon-Wiener多样性指数显示出相反的趋势，Df样地的指数值相对较低（P<0.05），而Ds、Dc和Dg样地的表现较高且无显著差异。

2.2 不同采煤塌陷扰动地的土壤特性

2.2.1 土壤机械组成

采煤塌陷扰动对土壤颗粒组成的影响如图3所示。

从图3可以看出，在0~20 cm土层剖面中，任何植被类型的砂粒含量占比均较大，其中Ds和Dg样地的砂粒含量占比可达70%~80%，Df样地的砂粒含量占比最小；除Dc样地外，其他样地的黏粒含量占比无显著变化，但Dc样地黏粒含量占比从0~20 cm到20~40 cm土层由0显著增加到55%。在40~60 cm土层剖面中，CK样地的黏粒含量占比比塌陷地高大约0~18%，其中，Df样地黏粒含量占比较低，为29%。

2.2.2 土壤化学特性

由图4可知，CK样地土壤pH值变化范围为8.46~8.61，而采煤塌陷地的平均pH值变化在8.84~9.00，变化幅度虽小，但也表现出较对照偏高，特别是在20~40、40~60 cm土层，CK样地明显低于其他样地，特别是显著低于Dc样地（P<0.05），Dc样地的pH值在40~60 cm土层可达9.01。CK样地的EC值为0.69~0.72 dS/m，而采煤塌陷扰动下的样地EC值在0.56~0.71 dS/m，地表塌陷导致表层土壤（0~20 cm）的EC值与CK相比明显下降，EC值从大到小为：Ds>Df>Dg>Dc。在不同土层中，CK样地的EC值最高，分别比Ds样地高79%、94%、92%。随着土层下移，Ds和Dg样地的EC值下降幅度均比Df样地大，而Dc样地随着土层的递增，EC值增加。

2.2.3 土壤养分

采煤塌陷扰动对土壤速效养分的影响如图5所示。

由图5可知，除Dc样地外，各样地的土壤养分整体表现为随着土层深度的增加而降低的趋势，且整体表现为采煤塌陷地的土壤养分含量较对照低的规律。对于土壤碱解氮（AN），在0~20 cm土层，Dc样地显著低于CK样地（P<0.05），而在20 cm以下土层，林灌草三类植被类型样地显著低于CK样地（P<0.05）；对于土壤速效磷（AP），Dc样地与CK样地在各土层均存在显著差异（P<0.05）；Dg和Ds样地随土层深度增加，速效磷含量呈现出先减少后增加；对于土壤速效钾（AK），除在20~40 cm土层采煤扰动样地显著低于对照外（P<0.05），在其他土层各样地间无显著差异；对于土壤有机质（SOM），在20~40 cm土层Dc样地显著低于对照（P<0.05），在40~60 cm土层Dc、Dg和Df样地显著低于对照（P<0.05）。可见，各样地的土壤养分在各土层的分布差异有所不同。

2.3 采煤塌陷扰动下不同植被类型的植被与土壤耦合协调关系

根据熵权法对不同采煤塌陷扰动下植被群落综合评价指数V（x）、土壤综合评价指数S（y）、植被-土壤耦合度C_sp、耦合协调模型综合协调指数T以及耦合协调度D的计算结果如表4所示，各样地在采煤扰动后土壤-植被系统发展状况各不相同，其中，植被-土壤系统耦合协调度D值从大到小排序为：CK>Df>Ds>Dg>Dc，对照区天然草地属于基本协调植被滞后型，采煤塌陷地均属于中度失调型。

3 结论与讨论

采煤塌陷扰动对不连沟矿区不同植被类型的植物生长、物种多样性及群落发展产生一定的影响。本研究发现，相对于对照，采煤塌陷扰动下一二年生草本植物占比有所增加，与其作为先锋物种具有较强的适生性密切相关，周莹等^[18]对神府-东胜矿区的研究也发现，大部分采煤塌陷区较未塌陷一二年生的植物种有所增加，与本研究结果一致；而对灌木/半灌木的变化影响不显著，说明采煤塌陷扰动易导致植被群落趋向逆向演替，赵国平等^[19]研究表明，采煤塌陷导致群落结构不稳定，可能退化进而加快神府-东胜矿区风沙地的风蚀进程。同时，禾本科、豆科和菊科植物在采煤扰动样地占比均有所增加，表明这三大科植物具有较强的抗逆性和适生性，与周莹等^[18]对神府-东胜矿区的研究结果一致，在植被恢复中占有重要地位。受干扰后的Df样地植物种数与天然草地相近，是由于一二年生草本植物狗尾草、猪毛菜等植物种侵入或快速增长，且还有多年生草本冰草、长芒草等具有较强的抗逆性和适生性，可以继续生长；受干扰的其他样地物种数均明显减少，且一二年生草本植物占比增加。可见，采煤塌陷扰动导致先锋物种增加，群落趋于逆向演替。另外，采煤扰动下群落优势种相对一致，Df、Dg和Dc的优势种均为长芒草、大针茅，其重要值均较大，主要由于这些样地受到采煤扰动，这2种植物具有较强的抗逆性，草原类群的优势种仍可占据优势，与榆家梁矿采区植物优势种变化较为相似^[18]；Ds的优势种为冰草、猪毛蒿、茵陈蒿，三者的重要值占比较大，一方面冰草因其较强的抗逆性占据优势，另一方面猪毛蒿、茵陈蒿作为先锋物种在此样地较多；对照区重要值较高的植物种为猪毛蒿、早熟禾、达乌里胡枝子、百里香，其中猪毛蒿因其幼苗较多，导致其重要值较高，但长势并不好，不在群落中占优势地位。可见，不同程度采煤扰动地的优势种没有显著改变，但与CK样地对比有所不同，乔木林下植被响应扰动较大，表现为一定的敏感性。采煤塌陷对不同植被群落数量特征产生的影响各异。受干扰的乔木林林下植被密度显著低于其他类型，而裂缝的群落密度最大，经过现场调查发现，主要与裂缝样地出现较多的猪毛蒿有关；但裂缝的群落盖度显著降低，说明采煤塌陷产生的裂缝严重限制植被覆盖；Df的群落高度显著高于其他样地，主要由于乔木林样地里冰草、大针茅等植物种占优势地位，其高度整体偏高；受干扰后乔木林地的生物量显著大于其他样地，表明群落生产力对干扰的响应度较小，一方面由于干扰导致狗尾草等先锋物种占据一定的优势，另一方面抗逆性与适应性较强的多年生草本仍在群落中占据优势，总体生物量相对其他植被类型较高。可见，采煤塌陷扰动后乔木林下植被群落的响应较弱，而裂缝则显著降低植被覆盖。此外，本研究发现，不同采煤塌陷地之间的物种多样性虽存在差异，但未达显著水平，这与神府-东胜矿区的6个煤矿塌陷地的研究结论一致^[18]；乔木林地的Margalef丰富度指数最大，而其Shannon-Wiener多样性指数在各样地内最小，主要与乔木林地优势种的重要值较大有关。

土壤机械组成指的是土壤中各种直径的矿物质颗粒的占比，直接反映了土壤的密度和整体结构质量。本研究发现，在表层土壤中，任何植被类型的砂粒含量均较大，其中Ds和Dg的砂粒含量占比很高，与这2个样地受到一定的放牧有关，表明采煤塌陷扰动对研究区土壤的影响在一定程度上不及放牧干扰；Df样地的砂粒含量占比最小，表明乔木林更有利于土壤抵抗采煤干扰而防止土壤沙化；大部分样地的黏粒含量占比无显著变化，但Dc样地黏粒含量占比从0~20 cm到20~40 cm土层增加显著，说明由于裂缝的产生使得土壤表层黏粒受重力、水力等外营力作用下易迁移到下层土层中，使表层黏粒含量占比大大减少。可见，裂缝可明显促进表层土壤沙化，黏粒土壤向下层迁移。另外，土壤pH可通过改变微生物活性改变土壤化学构成、植被生长、土壤营养物质流动等^[25]，土壤电导率（EC）可不同程度地反映了盐度、水分和土壤有机质含量等状况，可表征土壤生产潜力^[26]。本研究发现，采煤塌陷地的平均pH值变化幅度虽小，但也表现出较对照偏高，Dc样地的pH在深层土层达到最大，主要由于地表裂缝的产生使土壤表层盐基离子发生了淋失。可见，采煤塌陷可导致土壤pH值有所增大，王双明等^[23]对神木北部矿区的研究结果也证实了这一结论。各个土层不同样地间的EC值无显著性差异，但表现出不同的规律。本研究发现，采煤扰动区较对照区土壤电导率变化幅度大，主要由于采煤塌陷导致土壤结构、地表植被及土壤水分和盐分含量的改变。地表塌陷导致表层土壤的电导率较对照明显下降，主要由于塌陷导致土壤结构疏松，使塌陷干扰地土壤表层盐分发生淋失现象，且塌陷程度越大，淋失现象越严重，表层的EC值越低。在不同土层中，CK样地由于植被丰富，含水率高，故电导率最高。随着土层下移，Ds和Dg样地的EC值下降幅度均比Df样地大，可能与草灌根系较乔木根系对深层土壤结构的抗损作用弱有关，进而土壤的EC值下降更快。然而，Dc样地随着土层的递增，EC值增加，说明随着地表裂缝的产生，表层大量的盐离子随着裂缝向下迁移，导致下层土壤EC值增加。此外，除裂缝样地外，各样地的土壤养分整体表现为随着土层深度的增加而降低的趋势，且整体表现为采煤塌陷地的土壤养分含量较对照低的规律。有研究发现，矿区有机质、N、P等含量只有正常植被地表的20%~30%^[27]，神木北部矿区采煤塌陷后1~10 a间土壤有机质、速效氮、速效磷和速效钾均低于未扰动区^[23]，这些均证实了本研究的结果。可见，采煤塌陷干扰降低了土壤速效养分与有机质含量，且整体随着土层加深而降低，但裂缝的产生导致表层速效养分与有机质运移至下层土壤。不同植被类型的土壤养分在各土层的分布差异有所不同。随土层深度增加，Dg和Ds样地的土壤速效磷含量呈现出先减少后增加，可能由于土壤中Ca²⁺在碱性环境下有很强的固磷作用，降低了磷的有效性，但由于塌陷程度较低，裂缝逐渐发生闭合，因此，深层土壤未受到较大的影响。

不连沟不同植被类型样地在采煤扰动后土壤-植被系统发展状况各不相同。采煤塌陷扰动下植被-土壤耦合协调度均低于天然草地，且采煤塌陷产生的裂缝区，植被-土壤耦合协调度最差。同时，研究区所有样地的耦合协调度值均≤0.4，而宁南黄土区不同土地利用方式与黄土区沟谷不同植被恢复模式的研究发现其值均高于本研究区^[11-12]。而且王双明等^[23]研究发现，采煤塌陷1~2 a内植被-土壤系统均出现失调或濒临失调关系，均证实采煤塌陷对研究区植被-土壤耦合发展具有一定的限制性。另外，对照区天然草地属于基本协调植被滞后型，目前处于该区自然植被正常演替前中期，植被可通过自行演替优化与土壤相协调。采煤塌陷地均属于中度失调型，表明塌陷干扰对其植被-土壤系统具有一定的负面影响；其中，Ds样地属于植被滞后型，与其样地存在一定的放牧干扰有关；而Dg和Dc样地属于土壤滞后型，土壤结构松散、水肥不易保存，土壤状况相对较差，V（x）/S（y）>1.2，故表现为中度失调土壤滞后型，可考虑土壤整治、添加肥料等措施改善植被与土壤的不协调性^[28]，进而促进采煤塌陷地的植被发展与生态稳定。

黄土区生态环境脆弱，采煤塌陷对区域生态系统造成不同程度的影响。本研究在分析准格尔旗不连沟不同采煤塌陷地植被群落与土壤特性变化的基础上，通过构建植被-土壤耦合协调度模型，结果表明，采煤塌陷扰动下一二年生草本植物占比有所增加，易导致植被群落趋向逆向演替；禾本科、豆科和菊科植物在采煤扰动样地占比均有所增加，长芒草、大针茅多为优势种，在采煤扰动区具有一定的优势性；采煤扰动下乔木林地植被密度显著低于其他样地，但生物量反之；而裂缝地的群落密度最大，但盖度最低；乔木林地的优势度指数、多样性指数和均匀度指数均最小，而丰富度指数最大。

采煤扰动产生的裂缝可明显促进表层土壤沙化，黏粒土壤向下层迁移；采煤塌陷扰动可不同程度地增大土壤pH值而降低土壤电导率值；除裂缝样地外，各样地的土壤养分整体表现为随着土层深度的增加而降低的趋势，且整体表现为采煤塌陷样地的土壤养分含量较对照低的趋势。

植被-土壤系统耦合协调度D值从大到小排序为CK>Df>Ds>Dg>Dc，采煤塌陷扰动地均处于中度失调，Ds样地属于植被滞后型，而Dg和Dc样地属于土壤滞后型，需人工辅助促进其协调发展，维持生态系统的平衡。

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基金资助

内蒙古自治区科技计划项目(2022YFHH0071)