張合兵，郝成元，張小虎

（1．河南理工大學(xué) 礦山空間信息技術(shù)國(guó)家測(cè)繪局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 焦作454000；2．河南理工大學(xué) 測(cè)繪與國(guó)土信息工程學(xué)院，河南 焦作454000）

自20世紀(jì)90年代起，環(huán)境變化研究已經(jīng)成為最引人注目和關(guān)切的環(huán)境科學(xué)問題之一［1］。陸地生態(tài)系統(tǒng)中的氣候、土壤、植被、水等自然因子或資源之間相互作用和相互影響，進(jìn)而影響著人類生產(chǎn)活動(dòng)甚至生活［2］，土地覆被變化是其最直接、最重要的載體之一［3］；同時(shí)，作為陸地生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)循環(huán)與能量流動(dòng)的重要環(huán)節(jié)，凈初級(jí)生產(chǎn)力（net primary productivity，簡(jiǎn)稱NPP）可以為陸地植被生長(zhǎng)或人類生產(chǎn)活動(dòng)提供精確且連續(xù)的測(cè)量媒介，也是全球環(huán)境變化研究的基礎(chǔ)性內(nèi)容之一［4］。所以，生態(tài)與環(huán)境研究學(xué)者就土地覆被變化、凈初級(jí)生產(chǎn)力變化及其關(guān)系進(jìn)行了研究［5－7］，但在礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)演變研究中并不多見［8］。

煤炭生產(chǎn)是煤礦區(qū)復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)區(qū)別于一般生態(tài)系統(tǒng)的主要過程或影響因素之一，其可能直接擾動(dòng)原自然生態(tài)系統(tǒng)，也可能通過排放各種有害污染物造成環(huán)境系統(tǒng)受損，兩者是礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的主要外在脅迫因素［9］。礦區(qū)煤炭開發(fā)過程的階段性和動(dòng)態(tài)性及其發(fā)展趨勢(shì)的特異性，不僅是認(rèn)識(shí)礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)能流、物流、信息流的前提，更是深刻辨識(shí)礦區(qū)生態(tài)與環(huán)境問題及其產(chǎn)生機(jī)制，從整體把握礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)與重建的基礎(chǔ)［10－11］。因此，本研究嘗試從礦區(qū)凈初級(jí)生產(chǎn)力和土地覆被的時(shí)空變化及成因入手，探索煤炭開采活動(dòng)對(duì)礦區(qū)生態(tài)與環(huán)境的擾動(dòng)方式及階段性。

1 數(shù)據(jù)來源，研究方法及研究區(qū)概況

1．1 數(shù)據(jù)來源

遙感數(shù)據(jù)是一種非常重要的地學(xué)信息源，廣泛應(yīng)用于植被生態(tài)、氣候變遷及資源環(huán)境監(jiān)測(cè)等研究［12－13］。本研 究 數(shù) 據(jù) 來 源 于 美 國(guó) MODIS／TERRA遙感衛(wèi)星，其產(chǎn)品已在土地覆被變化、農(nóng)作物產(chǎn)量預(yù)估、生物量估算、環(huán)境監(jiān)測(cè)和全球環(huán)境變化等研究中得到驗(yàn)證和應(yīng)用［14－17］。唐 俊梅等［14］用 MODIS數(shù)據(jù)對(duì)松嫩平原的土地覆被進(jìn)行了研究，朱鋒等［15］對(duì)東北地區(qū)的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)凈初級(jí)生產(chǎn)力時(shí)空特征及其影響因素進(jìn)行了詳盡探討，郭曉寅等［16］分析了我國(guó)青藏高原腹地的江河源區(qū)NPP的空間特征，國(guó)志興等［17］對(duì)東北地區(qū)的NPP時(shí)空格局及其影響因素進(jìn)行了分析和探討。該數(shù)據(jù)由美國(guó)對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)（EOS）的LPDAAC網(wǎng)站免費(fèi)提供，圖像空間分辨率為500m，時(shí)間序列為2001—2006年。

NPP數(shù)據(jù)MODIS—MYD17A3為4級(jí)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)產(chǎn)品，土地覆被數(shù)據(jù) MODIS—MCD12Q1則為3級(jí)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)產(chǎn)品，包含5種分類合成數(shù)據(jù)，即IGBP，UMD，LAI／FPAR，NPP和 PFT，本研究選用 LAI／FPAR數(shù)據(jù)，其類型共分8種：闊葉林、針葉林、農(nóng)用地、灌叢、稀樹草地、水域、城鎮(zhèn)建設(shè)用地和裸地，與實(shí)地考察的植被類型基本吻合。兩種數(shù)據(jù)均為標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，勿需另做前期處理，可直接使用。

1．2 研究方法

無論凈初級(jí)生產(chǎn)力還是植被覆蓋，其時(shí)空變化分析均主要借助地理信息系統(tǒng)軟件ArcGIS 9．3的統(tǒng)計(jì)與分析模塊進(jìn)行。先實(shí)施疊加分析，后進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，最后通過空間耦合達(dá)到數(shù)據(jù)對(duì)接的效果。其中，凈初級(jí)生產(chǎn)力的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)單位為kg／（m2·a），植被覆蓋類型的面積統(tǒng)計(jì)單位為km2。

1．3 研究區(qū)概況

潞安礦區(qū)位于山西省東南部，太行山中段西側(cè)，地理坐標(biāo)為 112°32′53″—113°16′35″E，35°50′9″—36°33′49″N，南北平均長(zhǎng)約 65km，東西平均寬約60km，總面積4 015km2。地形地貌方面，潞安礦區(qū)主要有平原、河谷、丘陵和山地，其中前兩者主要分布于中東部，海拔多在900～930m，面積約占礦區(qū)總面積的80%；海拔在1 100m以上，相對(duì)高差大于200m的山地面積僅占礦區(qū)總面積的5%以下，主要分布于礦區(qū)西南部和最東南部；海拔在950～1 100m，相對(duì)高差在100～200m的丘陵區(qū)面積約占總面積的15%左右，主要分布于礦區(qū)西部和東南部。氣候類型上，潞安礦區(qū)地處內(nèi)陸，氣候?qū)儆谂瘻貛О霛駶?rùn)區(qū)，多年平均降水量為540～660mm，空間分布態(tài)勢(shì)為南部大于北部，尤以東南和西南為最高，多年平均活動(dòng)積溫為2 815～3 764℃。植被類型方面，潞安礦區(qū)原生植被多屬落葉闊葉林，由于現(xiàn)在大部分土地被開墾為農(nóng)田，現(xiàn)在植被類型主要有闊葉林、針葉林、灌叢或蔭生矮林、一年兩熟或兩年三熟旱作農(nóng)地。

2 結(jié)果與分析

2．1 NPP變化時(shí)空格局

分析2001—2006年NPP空間分布格局，可以得出兩個(gè)特點(diǎn)。其一，大格局上，以西部大，東部次之，中部最小為基本態(tài)勢(shì)，無論6a間的哪一年均如此，具體為礦區(qū)中部區(qū)和東部區(qū)數(shù)值較小，多在0．2kg／（m2·a）以下，西部、北部、南部 NPP均高于0．2kg／（m2·a）。其二，無論哪一年的 NPP均與DEM空間相關(guān)明顯，即海拔越高，NPP數(shù)值越大，如研究區(qū)西南部和東南地形多為低山、丘陵，NPP數(shù)值多在0．25kg／（m2·a）以上，中東部地形多屬平原和河谷地，NPP數(shù)值多在0．2kg／（m2·a）以下。

分析2001—2006年NPP年際變化可得出，凈初級(jí)生產(chǎn)力下降是研究區(qū)年際變化的基本態(tài)勢(shì)，2001—2003年時(shí)段與2004—2006年時(shí)段形成了鮮明對(duì)比。2001—2003年的NPP多在0．2kg／（m2·a）以上，西南部和東南部大范圍地區(qū)NPP數(shù)值甚至高于0．3kg／（m2·a）；而相對(duì)應(yīng)的2004—2006年，整個(gè)研究區(qū)NPP均較小，基本都低于0．2kg／（m2·a），僅有極個(gè)別區(qū)域高于0．25kg／（m2·a），如某些城區(qū)綠化帶和濕地附近。

2．2 土地覆被變化時(shí)空格局

研究區(qū)土地覆被2001—2006年變化見附圖6，利用ArcGIS 9．3統(tǒng)計(jì)與分析模塊列出8種土地覆被類型面積（如表1所示）。

表1 2001－2006年潞安礦區(qū)土地覆被面積統(tǒng)計(jì) km2

分析2001—2006年礦區(qū)土地覆被空間分布及其變化，主要特點(diǎn)有二。（1）農(nóng)用地主要分布于研究區(qū)中部，6a內(nèi)年均面積約占總面積的82．4%；稀樹草地主要分布于西南部和東南局部的山地丘陵區(qū)，年均面積約占總面積的6．9%；城鎮(zhèn)用地主要分布于潞安集團(tuán)駐地、長(zhǎng)治市區(qū)及其之間，約占總面積的4．5%；灌叢主要分布于礦區(qū)西南部、東北部和東南部的山地丘陵區(qū)，約占總面積的3．9%；針葉林僅分布于研究區(qū)西南山地，僅占總面積的1．5%；而裸地、地表水域和闊葉林所占面積均小于1%。（2）在主要土地覆被類型之間的轉(zhuǎn)化中，有兩類轉(zhuǎn)換較為顯著：灌叢轉(zhuǎn)換為稀樹草地，進(jìn)而被開墾為農(nóng)用地，變化空間主要分布于礦區(qū)西南和東南山地；地表水域面積縮減區(qū)域主要分布在漳澤水庫、許村“七一”水庫、屯絳“八一”水庫等地，進(jìn)而引起裸地面積增多。

研究時(shí)段內(nèi)，2001—2003年與2004—2006年形成了鮮明對(duì)比。2001—2003年的灌叢面積平均為296．7km2，2004—2006 年 的 平 均 面 積 僅 為68．4km2，呈大幅減少趨勢(shì)，主要轉(zhuǎn)變?yōu)橄洳莸兀幌洳莸貏t呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)，由2001—2003年的年均139．6km2增加為2004—2006年的年均354．0km2，甚至2006年面積大于500km2；但部分稀樹草地轉(zhuǎn)化成為農(nóng)用地，這也是農(nóng)民開墾荒地的表現(xiàn)之一；地表水域和裸地面積也呈現(xiàn)較大幅度的變化，分別由2001—2003年的年均38．3km2和18．7km2變?yōu)?004—2006年的年均28．6km2和35．3km2，其幅度也分別達(dá)到縮減25．4%和增加88．7%。

2．3 成因分析

無論土地覆被轉(zhuǎn)換還是NPP變化，基本都可以以2003年為界分為2個(gè)時(shí)段，而且對(duì)比顯著。究其原因，可以用研究時(shí)段內(nèi)的煤炭?jī)r(jià)格上漲大背景和原煤開采量遞增進(jìn)行一定程度的解釋和說明，表2列出2000—2007年潞安礦業(yè)集團(tuán)原煤年開采量及其單價(jià)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

2000—2003年，潞安礦業(yè)集團(tuán)受計(jì)劃經(jīng)濟(jì)控制，煤炭?jī)r(jià)格較低，平均為137．3元／t，年均原煤產(chǎn)量?jī)H為1 418．3t。但從2003年實(shí)行市場(chǎng)定價(jià)以來，2004—2007年時(shí)段的原煤價(jià)格上漲迅猛，相對(duì)于上一年價(jià)格的增幅分別達(dá)43．42%，47．71%，3．73%和23．35%，4a內(nèi)的平均價(jià)格為321．5元／t，相對(duì)于2000—2003年上漲了134．2%。原煤產(chǎn)量的年增幅也分別達(dá)16．94%，22．05%，26．30%和17．66%，4a內(nèi)的年均原煤產(chǎn)量2 857．5t，相對(duì)于2000—2003年時(shí)段的4a均值增加了101．48%。顯然，無論煤炭?jī)r(jià)格還是煤炭開采量均可以對(duì)2001—2006年的植被覆蓋和凈初級(jí)生產(chǎn)力的時(shí)空異質(zhì)性構(gòu)成較深層次的影響，主要表現(xiàn)為受煤炭?jī)r(jià)格上漲的刺激煤炭開采活動(dòng)加劇，進(jìn)而造成植被覆蓋發(fā)生較明顯變化，即灌叢大面積轉(zhuǎn)化為稀樹草地，進(jìn)而被開墾為農(nóng)用地，共同引起了凈初級(jí)生產(chǎn)力大幅度減少。也就是說，煤炭開采、農(nóng)用地開墾等為主的人類活動(dòng)引起了土地覆被類型發(fā)生改變，同時(shí)也導(dǎo)致了凈初級(jí)生產(chǎn)力的急劇降低。

另外，在土地覆被變化時(shí)空格局一節(jié)中提到的地表水域和裸地之間轉(zhuǎn)化的主要原因，也與全球氣候變化背景下的降水減少和氣溫升高導(dǎo)致蒸發(fā)量增大有關(guān)［18］，這也可以引起區(qū)域NPP降低。

表2 2000－2007年潞安礦業(yè)集團(tuán)原煤價(jià)格和年產(chǎn)量

3 結(jié) 論

（1）2001—2006年，無論凈初級(jí)生產(chǎn)力變化還是土地覆被變化，均可分為2001—2003年和2004—2006年2個(gè)時(shí)段，且對(duì)比顯著。

（2）凈初級(jí)生產(chǎn)力變化方面，2001—2003年時(shí)段數(shù)值較大，多在0．2kg／（m2·a）以上，而2004—2006年時(shí)段內(nèi)數(shù)值較小，絕大部分地區(qū)低于0．2kg／（m2·a）。

（3）土地覆被變化方面，灌叢向稀樹草地、部分稀樹草地向農(nóng)用地轉(zhuǎn)變?yōu)橹?，主要分布于研究區(qū)西南和東南山地；地表水域和裸地面積之間的轉(zhuǎn)換較為顯著，其幅度也分別縮減25．4%和增加88．7%，主要分布于北部漳澤、許村“七一”、屯絳“八一”等大型水庫周邊，形式為水域轉(zhuǎn)化為裸地。

（4）煤炭開采，農(nóng)用地開墾等人類經(jīng)濟(jì)活動(dòng)和以氣溫變暖、降水量減少為特征的自然因素是造成土地覆被變化的主要原因，進(jìn)而直接導(dǎo)致了潞安礦區(qū)凈初級(jí)生產(chǎn)力的降低。

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