曹飛飛,付 曉,李嘉珣,汪銘一,吳 鋼,*

1 中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心,城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室,北京 100085 2 中國科學院大學,北京 100049

生態(tài)環(huán)境損害基線是指污染環(huán)境、破壞生態(tài)行為發(fā)生前,評估區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境、生物要素及其所構(gòu)成的生態(tài)系統(tǒng)服務的本初狀態(tài)[11]。生態(tài)環(huán)境損害基線是判斷生態(tài)環(huán)境損害發(fā)生的依據(jù),也是確認生態(tài)環(huán)境損害時空尺度、損害程度、確認生態(tài)環(huán)境損害修復的重要標準,在生態(tài)環(huán)境損害鑒定評估工作中發(fā)揮著極其關(guān)鍵的作用,在開展生態(tài)環(huán)境損害鑒定評估與生態(tài)修復時,必須選擇與確定一個合理的基線[12- 13]?！渡鷳B(tài)環(huán)境損害鑒定評估技術(shù)總綱》中對歷史數(shù)據(jù)法界定的基線值為損害行為發(fā)生前,過去3年的平均值作為靜態(tài)基線值。但是,自然資源與生態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)時刻處于變化中,損害事件發(fā)生前已存在的人類活動加上生態(tài)系統(tǒng)自身演化的動態(tài)性與不確定性,導致基線的動態(tài)性。損害基線實質(zhì)是損害未發(fā)生前,生態(tài)系統(tǒng)的理論演化狀態(tài),靜態(tài)的歷史數(shù)據(jù)難以用于確定損害區(qū)域的基線[14- 16]。因此生態(tài)環(huán)境損害鑒定評估中,不能將損害行為的影響直接疊加在靜態(tài)基線年上,而應將基線值作為一個動態(tài)的數(shù)值,采用一定的方法預測損害行為發(fā)生后一段時間的基線值,以此基線為標準評價損害行為對生態(tài)環(huán)境的影響。

損害表征指標的篩選是損害基線判定的基礎(chǔ)。不同的損害行為,所作用的損害受體不同,損害的表征亦不同。生態(tài)系統(tǒng)損害基線包含了反映評估區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能狀態(tài)的綜合性指標集。針對草地生態(tài)系統(tǒng),該指標主要包括環(huán)境要素指標(水體、大氣、土壤理化指標),生物要素指標(植被的高度、蓋度、多度、頻度、牧草產(chǎn)量)及固碳釋氧、防風固沙、保育土壤、生物多樣性等生態(tài)系統(tǒng)功能表征指標[17]。但是,由于目前大部分地區(qū)沒有實現(xiàn)長期的生態(tài)環(huán)境定位監(jiān)測,表征損害前生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能狀態(tài)的歷史數(shù)據(jù)難以獲得。凈初級生產(chǎn)力(NPP)是指單位時間與單位面積上,綠色植被通過光合作用扣除自養(yǎng)呼吸消耗后所累積的有機物數(shù)量[18]。NPP是生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)與能量運轉(zhuǎn)的基礎(chǔ),直接反映了植被群落在自然環(huán)境條件下的生產(chǎn)能力,是表征植被動態(tài)和固碳能力的基礎(chǔ)和關(guān)鍵指標[19]。生態(tài)系統(tǒng)中其他要素的不利變化,最終均可在植被凈初級生產(chǎn)力上得以體現(xiàn),其受損程度能在一定程度上反映生態(tài)系統(tǒng)破壞的程度[20- 21],且NPP易于通過遙感數(shù)據(jù)獲得,從而實現(xiàn)時間上的連續(xù)性和空間上的全覆蓋[22]。本文以NPP作為草地生態(tài)系統(tǒng)損害的重要表征指標,以錫林浩特市巴彥寶力格礦區(qū)為例,將損害基線看作是一個動態(tài)的變量,運用未開發(fā)建設(shè)前(2000—2008年)的NPP的歷史數(shù)據(jù)所體現(xiàn)出來的特征和變化規(guī)律,通過灰色拓撲模型動態(tài)預測該礦區(qū)開發(fā)后2009—2011年NPP的數(shù)值,并將預測值作為動態(tài)基線值。該基線值能體現(xiàn)損害未發(fā)生前,生態(tài)系統(tǒng)原有的自然和人類活動下的理論演化狀態(tài)。通過該動態(tài)基線值和靜態(tài)基線值與開發(fā)建設(shè)后的實際值進行比較,探討兩種方法在NPP基線確定中的可行性和選擇性。

1 研究區(qū)概況

巴彥寶力格礦區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟錫林浩特市巴彥寶力格蘇木境內(nèi),南距錫林浩特市38 km,地理坐標為115°55′00″—116°35′00″E,44°20′00″—44°42′54″N,礦區(qū)東北—西南走向長55.83 km,傾向?qū)?1.89 km,主要包括巴彥寶力格礦井、朝克烏拉礦井、大梁礦井,總面積為650.03 km2,具體位置如圖1。巴彥寶力格礦區(qū)屬于中溫帶半干旱大陸性氣候,草原夏季炎熱,冬季寒冷,寒暑溫差較大,晝夜溫度變化顯著。年平均氣溫約8℃,年平均降水量294.10 mm,多集中在6—8月份,年平均蒸發(fā)量為1788 mm,平均相對濕度57.6%。評價區(qū)域地帶性土壤為栗鈣土,礦區(qū)所在地區(qū)的草原類型主要為低地草甸草原和典型草原。巴彥寶力格礦區(qū)是我國優(yōu)質(zhì)褐煤的主要分布區(qū)域,地處錫林郭勒盟的中部,是連接“京津唐”、河北北部缺煤地區(qū)以及東北經(jīng)濟區(qū)域的中心地區(qū)。根據(jù)《內(nèi)蒙古錫林郭勒巴彥寶力格礦區(qū)總體規(guī)劃》,該礦區(qū)為國家核準煤炭規(guī)劃礦區(qū),2009年之前礦區(qū)內(nèi)一直未進行過開采活動,也無小煤窯破壞,為整裝礦區(qū)。巴彥寶力格礦井和朝克烏拉礦井計劃2009年開工建設(shè),建設(shè)期為2.0年,2011年分別達到8.00 Mt/a,總規(guī)模達到16.00 Mt/a。

圖1 巴彥寶力格礦區(qū)位置圖Fig.1 Location of the Bayanbaolige mining area

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及其預處理

本文所用的遙感數(shù)據(jù)為來自美國NASA EOS/LPDAAC的2000—2011年的MOD17A3數(shù)據(jù)(https://lpdaac.usgs.gov/data_access/data_pool),空間分辨率為1000 m。該數(shù)據(jù)參考BIOME-BGC模型與光能利用率模型模擬得到陸地生態(tài)系統(tǒng)年均NPP,已被廣泛用于區(qū)域植物生長狀況及生物量的監(jiān)測[23-24]。該數(shù)據(jù)采用Sinusoidal投影并已進行去云、輻射校正、大氣校正等處理,利用MODLAND提供的MRT(MODIS REPROJECTION TOOL)投影轉(zhuǎn)換工具,對數(shù)據(jù)進行拼接和投影轉(zhuǎn)換,投影為Albers投影,坐標系為WGS- 1984,并利用錫林浩特市巴彥寶力格礦區(qū)邊界進行了研究范圍的裁剪。

2.2 研究方法

1982年,我國學者鄧聚龍?zhí)岢龅幕疑到y(tǒng)理論,是一種研究少數(shù)據(jù),貧信息不確定性問題的新方法。該理論自創(chuàng)立以來,尤其是灰色預測理論,在環(huán)境質(zhì)量和生態(tài)安全領(lǐng)域得到廣泛的應用[25-26]。GM(1, 1) 模型作為灰色預測理論的一種預測手段,是將隨機的原始時間序列進行累積疊加,得到規(guī)律性較強的以指數(shù)形式為基礎(chǔ)的新的時間序列,然后將新的時間序列轉(zhuǎn)化為微分方程,建立發(fā)展變化模型并進行預測[27]。GM(1, 1) 模型要求原始時間序列光滑平穩(wěn),是一特定的指數(shù)曲線,該模型對波動幅度較大的時間序列的預測精度較低,不能反映不規(guī)則的波形[28-29]。而凈初級生產(chǎn)力(NPP)受諸多因素影響,數(shù)據(jù)波動性大,波動規(guī)律性又較差,采用基本的GM(1, 1) 預測方法很難對其進行準確預測?；疑負漕A測是對一段時間內(nèi)系統(tǒng)行為特征數(shù)據(jù)波形的預測。它從給定的一系列閾值出發(fā),一個模型對應一個閾值,建立多個GM(1, 1) 群,利用多個GM(1, 1) 模型對未來的時刻進行預測,從而得到未來發(fā)展的總體趨勢預測圖[30-31]?；疑負漕A測能彌補單一GM(1, 1) 模型的不足,對擺動幅度較大且頻繁的序列的預測有很大的優(yōu)勢。灰色拓撲預測模型群建立的步驟如下:

(1)等高線的選取與等高時刻序列計算

首先,本實驗進行了單因素分析,即不同電流大小、乳化劑用量、引發(fā)劑用量對聚甲基丙烯酸甲酯的分子量和分子量分布的影響,然后得到最小分子量分布指數(shù)的聚甲基丙烯酸甲酯的制備條件如下:引發(fā)劑3 g,乳化劑4 g,電流0.2 A,反應時間8 h,反應溫度30°C,分布指數(shù)1.946 86.

對于原始序列X=(x(1),x(2), …,x(n)),設(shè)maxX為序列的最大數(shù)據(jù),minX為序列的最小數(shù)據(jù)。對于?ξ∈[minX,maxX],稱X=ξ為ξ-等高線。稱方程組：

(1)

(2)對等高時刻序列Q(0)建立GM(1, 1) 模型

對不同的等高點ξj的等高時刻序列,建立一系列的 GM(1, 1) 模型分別進行預測。灰色系統(tǒng) GM(1, 1) 預測是對隨機的原始時間序列以一次累加轉(zhuǎn)化為具有指數(shù)變化規(guī)律的新的時間序列來確定積分常數(shù),將時間序列轉(zhuǎn)化為微分方程,其數(shù)學表達式為[33]：

(2)

(3)對模型群進行精度檢驗,判別模型等級

(4)利用GM(1, 1) 模型得到等高時刻序列ξj的預測值

對符合精度檢驗的ξj等高時刻序列進行GM(1, 1) 預測,將所有等高時刻序列中的元素從小到大重新排序。按照精度高的模型預測值作為預測結(jié)果的原則,本文主要依據(jù)后驗差比值C較小的模型預測值作為預測最終結(jié)果。模型的預測結(jié)果大多會存在矛盾點的問題,即預測的時間點大多不是整點,且每個整點附近可能存在多個非整點的時間預測值,每一個非整點預測值又對應不同的閾值,本文采用張瓊楠等[29]的優(yōu)化處理方法。最后將篩選確定后的預測時刻相應的閾值點繪在平面上并連結(jié)成曲線,即得目標拓撲預測曲線。

3 結(jié)果

3.1 NPP年際時空變化

2000—2008年巴彥寶力格礦區(qū)植被凈初級生產(chǎn)力(NPP)年均統(tǒng)計值見圖2。2000—2008年間,單位面積NPP年均值呈波動變化狀態(tài),總體呈上升趨勢。變化范圍為94.72—151.33 g C m-2a-1,平均值為125.15 g C m-2a-1。其中,年均最高值出現(xiàn)在2008年,年均值為151.33 g C m-2a-1。另外,2003、2005年的年均NPP較高,年均值均超過140 g C m-2a-1。年最低值出現(xiàn)在2000年,年均值為94.72 g C m-2a-1。

2000—2008年NPP年平均值空間分布見圖3,空間分布差異明顯,變化范圍為0—250.29 g C m-2a-1。2000—2008年巴彥寶力格礦區(qū)NPP年平均值為123.75 g C m-2a-1,大部分區(qū)域NPP年均值范圍為120—140 g C m-2a-1,面積占比57.28%,研究區(qū)中北部的巴彥寶力格礦井區(qū)域及水庫周邊區(qū)域NPP值較低,分布范圍在0—100 g C m-2a-1,東北頂部與西南底部NPP值較高,大于160 g C m-2a-1。

圖2 2000—2008年巴彥寶力格礦區(qū)NPP年際變化 Fig.2 Inter-annual variations of NPP in Bayanbaolige mining area from 2000 to 2008

圖3 2000—2008年巴彥寶力格礦區(qū)年均NPP空間分布 Fig.3 Spatial pattern of mean annual NPP in Bayanbaolige mining area from 2000 to 2008

3.2 灰色拓撲模型預測結(jié)果

因為數(shù)據(jù)的有限性,結(jié)合GM(1, 1) 模型有效預測的精度,時間越遠的數(shù)據(jù)預測精度越低,預測偏差越大,因此本文以巴彥寶力格礦區(qū)未開發(fā)建設(shè)前2000—2008年的NPP歷史數(shù)據(jù),根據(jù)上述灰色拓撲預測理論,僅對2009—2011年的年均NPP進行預測,將預測值作為動態(tài)基線值。根據(jù)2000—2008年NPP數(shù)據(jù),選取7條等間隔的等高線,ξj為(94.72, 104.15, 113.59, 123.03, 132.46, 141.90, 151.33),按照時間先后順序確定的7個等高線的等高時刻序列如下表示：

表2 GM(1, 1) 預測模型及精度檢驗結(jié)果

對各閾值的矛盾點,首先采取離預測點最近且精度最高的模型對應的閾值,若精度相同,則采用線性插值作為該預測點的閾值。表3顯示了巴彥寶力格礦區(qū)2000—2008年NPP的實際值、預測值、絕對誤差、相對誤差情況。模型的相對誤差最大為12.34%,平均相對誤差為2.88%。

表3 2000—2008年灰色拓撲模型預測結(jié)果及誤差

2000—2011年NPP實際值,拓撲預測擬合值,及以2006—2008年實際NPP的3年均值作為靜態(tài)基線值的比較見圖4?；疑負鋽M合曲線與實際變化趨勢相一致。用該模型進行巴彥寶力格礦區(qū)2009—2011年的年均動態(tài)NPP基線值預測,結(jié)果分別為123.03 g C m-2a-1、151.33 g C m-2a-1、130.02 g C m-2a-1。以礦區(qū)開發(fā)建設(shè)前3年的年均值作為靜態(tài)基線值,基線值為130.73 g C m-2a-1。

圖4 巴彥寶力格礦區(qū)年均NPP實際值、拓撲預測值和靜態(tài)基線值Fig.4 Actual values, topological predictions, and static baseline of annual average NPP in Bayanbaolige mining area

3.3 基線判定結(jié)果

運用灰色拓撲理論預測巴彥寶力格礦區(qū)2009—2011年的動態(tài)NPP年均基線值。以礦區(qū)開發(fā)建設(shè)前三年的年均值作為靜態(tài)基線值,兩者相比結(jié)果發(fā)現(xiàn),2009—2011年動態(tài)基線與實際NPP變化趨勢保持一致,均是先增加再降低,能反映礦區(qū)植被NPP的動態(tài)變化(表4)。2009—2011年NPP實際值與動態(tài)基線相比,由于2009、2010年為巴彥寶力格礦區(qū)建設(shè)的基建期,導致2009、2010年NPP單位面積年均損失為17.69 g C m-2a-1、4.83 g C m-2a-1,年損失總量為11.49 Gg C、3.14 Gg C(1Gg C=109g C),2011年NPP單位面積年均增加值為5.20 g C m-2a-1,年增加總量為3.38 Gg C。與靜態(tài)基線相比,由于巴彥寶力格礦區(qū)基建建設(shè),導致2009年NPP單位面積年均損失為25.39 g C m-2a-1,年損失總量為16.50 Gg C, 2010、2011年單位面積年均增加分別為15.77 g C m-2a-1,4.49 g C m-2a-1,年增加總量分別為10.25 Gg C、2.92 Gg C。

表4 2009—2011年巴彥寶力格礦區(qū)不同NPP基線值及與實際值比較結(jié)果

差值1：實際值與動態(tài)基線值的差異；差值2：實際值與靜態(tài)基線值的差異

圖5 2000—2011年錫林浩特市年降水、牲畜總量變化 Fig.5 Inter-annual variations of annual total precipitation and total livestock in Xilinhot from 2000 to 2011

4 討論

4.1 NPP時空格局變化

氣候變化與人類活動是引起NPP變化的主要因素。很多研究表明在干旱半干旱氣候帶降水因素是NPP變化的主要因素[34-35]。在時間序列上,巴彥寶力格礦區(qū)NPP年均值波動較大,總體呈上升趨勢。巴彥寶力格礦區(qū)位于錫林浩特市,根據(jù)錫林浩特氣象局資料,錫林浩特市年總降水量也呈波動中上升趨勢,圖5所示。另一方面,2000年后國家實施了京津風沙源治理、退耕還林還草、退牧還草、圍封轉(zhuǎn)移等一系列生態(tài)恢復工程,2000—2011年整個錫林浩特的牲畜總量總體呈下降趨勢,年均減少28616頭(圖5)。2008年錫林浩特降水量豐富,年均降水量高達228.6 mm,并且放牧壓力有所緩解,雙重因素使得2008年NPP年均值較高。2000年降水量為191.92 mm,相對干旱,由于礦區(qū)統(tǒng)計數(shù)據(jù)相對缺乏,根據(jù)錫林郭勒盟統(tǒng)計年鑒,2000年錫林浩特市6月末家畜量(大牲畜、羊、生豬)為153.71萬頭(只),氣候干旱與持續(xù)過度放牧導致2000年NPP值較低。在空間分布上,2009年之前礦區(qū)所在區(qū)域主要為天然草地,居民較少,無工業(yè)活動,礦區(qū)主要是典型草原,所以礦區(qū)大部分區(qū)域NPP值均高于120 g C m-2a-1,僅僅在巴彥寶力格礦井及水庫周邊區(qū)域,由于靠近水庫,放牧強度大,在巴彥寶力格礦井區(qū)域雖無開采,但一直在進行礦區(qū)開發(fā)的地質(zhì)勘查與前期工作,人類活動比較密集,導致NPP值較低。

4.2 基線判定結(jié)果比較

損害行為發(fā)生前3年即2006—2008年的年均NPP平均值作為靜態(tài)基線值,2009—2011年的靜態(tài)基線值為130.73 g C m-2a-1。根據(jù)開發(fā)建設(shè)前2000—2008年的NPP變化趨勢,利用灰色拓撲理論預測出的2009—2011年的動態(tài)基線值分別為123.03 g C m-2a-1、151.33 g C m-2a-1、130.02 g C m-2a-1。2009—2011年動態(tài)基線值均值為134.79 g C m-2a-1,比靜態(tài)基線均值高4.06 g C m-2a-1,主要是因為2009—2011年相較于2006—2008年,摒除礦區(qū)開發(fā)建設(shè)因素,錫林浩特降水量持續(xù)增加,降水較為豐沛,而牲畜總量持續(xù)減少,放牧壓力持續(xù)降低,使得2009—2011年NPP年均值要高于2006—2008年年均值?？梢?動態(tài)基線能夠反映礦區(qū)未開發(fā)建設(shè)前氣候變化和人類活動導致的NPP的動態(tài)變化,且與2009—2011年NPP實際變化曲線相一致。與動態(tài)基線值相比,2009、2010、2011年NPP變化量分別為-17.69 g C m-2a-1、-4.83 g C m-2a-1、5.20 g C m-2a-1。與動態(tài)基線相比較,2009、2010年礦區(qū)NPP一直處于損失狀態(tài),且損失有減小趨勢。由于2009年的基建建設(shè),規(guī)劃建設(shè)的煤礦工業(yè)場地、鐵路專用線、運煤道路、灰場、礦區(qū)輔助附屬企業(yè)等永久占地及施工過程中平整土地、開挖地表、材料堆放等臨時占地,都需要占用大量的天然草地,導致NPP損失量較大,高達-17.69 g C m-2a-1,隨著工程的進行,生態(tài)修復開始實施,損失量就會相應減少,2010年損失量減少至-4.83 g C m-2a-1,且2011年后植被狀態(tài)完全恢復,且NPP略有增長。可知,灰色拓撲模型預測動態(tài)基線不僅能反映損害前原有的人類活動和氣候變化導致的NPP的變化趨勢,而且比靜態(tài)基線值更為可靠與反映現(xiàn)實情況。

5 結(jié)論

本文探討了生態(tài)環(huán)境損害鑒定評估中動態(tài)基線的概念,動態(tài)基線即損害未發(fā)生前,原有的生產(chǎn)生活活動及生態(tài)系統(tǒng)自身演化所形成的理論演化狀態(tài)。并探討了動態(tài)基線的預測方法——灰色拓撲預測模型,以凈初級生產(chǎn)力(NPP)為草地生態(tài)系統(tǒng)損害表征指標,對巴彥寶力格礦區(qū)進行2009—2011年NPP動態(tài)基線預測。結(jié)果表明：

從時間序列看,2000—2008年巴彥寶力格礦區(qū)NPP年均值呈波動中緩慢增加趨勢,變化范圍為94.72—151.33 g C m-2a-1,平均值為125.15 g C m-2a-1。從空間分布看,礦區(qū)NPP空間分布差異明顯,大部分區(qū)域NPP年均值范圍為120—140 g C m-2a-1,面積占比57.28%,研究區(qū)中北部的巴彥寶力格礦井區(qū)域及水庫周邊區(qū)域NPP值較低。

灰色拓撲模型預測巴彥寶力格礦區(qū)2009—2011年的動態(tài)基線NPP,分別為123.03 g C m-2a-1、151.33 g C m-2a-1、130.02 g C m-2a-1。以損害行為發(fā)生前3年的年均值作為靜態(tài)基線值,基線值130.73 g C m-2a-1?；疑負漕A測對于波動性大,規(guī)律性差的數(shù)據(jù),預測誤差范圍小,預測精度高。該模型預測平均相對誤差為2.88%,且擬合曲線與實際變化曲線相一致,將灰色拓撲預測值作為動態(tài)基線值,比靜態(tài)基線值更能反映現(xiàn)實情況。目前,草地生態(tài)系統(tǒng)損害基線的表征指標和判定方法仍處在探索階段,本研究根據(jù)數(shù)據(jù)的可獲取性和損害表征性選取NPP指標,對損害基線進行動態(tài)預測,是一個方法性的探索,NPP指標對草地生態(tài)系統(tǒng)損害全面表征存在一定的局限性,未來的研究會探討更為全面和有效的草地生態(tài)系統(tǒng)損害表征指標和判定方法。