趙龍生，李曉楠，趙茜陽，吉雨寧，陳夢圓，張 凱

(1.國家能源集團 煤炭中心，北京 100013；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083)

0 引 言

煤炭產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶動著區(qū)域經(jīng)濟的發(fā)展，但另一方面，由于礦區(qū)煤炭開采力度的不斷加大，給生態(tài)環(huán)境帶來了嚴(yán)峻的考驗，如土地荒漠化嚴(yán)重、土壤肥力下降、土地沉陷等均為近年來人們越來越關(guān)注的話題[1-3]。因此，對生態(tài)環(huán)境的變化進行監(jiān)測與評價是1項重大而有意義的研究。

地理信息系統(tǒng)和遙感技術(shù)課題的興起為礦區(qū)生態(tài)領(lǐng)域調(diào)查研究提供了新的技術(shù)手段和研究思路。國內(nèi)外關(guān)于遙感技術(shù)在礦產(chǎn)資源開發(fā)狀況及環(huán)境監(jiān)測的研究始于20世紀(jì)60年代，從最初的礦區(qū)水環(huán)境、土壤污染等研究逐步擴展到區(qū)域地表水、土壤狀況、植被覆蓋等要素的調(diào)查，并提出了一系列生態(tài)評價方法[4-6]。吳立新等人利用衛(wèi)星所得歸一化植被指數(shù)(NDVI)，采用沙化土地分級變化檢測與一元線性回歸方法,對神東礦區(qū)1999～2008年植被覆蓋和土地沙化的動態(tài)變化進行了分析[7]。徐嘉興等以沛縣礦區(qū)為例，從自然條件、景觀結(jié)構(gòu)、干擾程度和生態(tài)效益4個方面構(gòu)建評價指標(biāo)體系，綜合評價了礦區(qū)土地生態(tài)質(zhì)量，并對礦區(qū)土地生態(tài)質(zhì)量空間分異特征進行了定量分析[8]。張禾裕等人依據(jù)神府礦區(qū)的實際情況以及所收集到的資料,運用地理信息系統(tǒng)(GIS) 和統(tǒng)計分析軟件,對其生態(tài)環(huán)境狀況進行了綜合評價[9]。徐嘉興等人以徐州市賈汪礦區(qū)為研究案例，從景觀生態(tài)學(xué)角度構(gòu)建指標(biāo)體系和評價模型，運用遙感、GIS 技術(shù)，綜合評價了 2001 年和 2010 年徐州市賈汪煤礦區(qū)土地景觀生態(tài)質(zhì)量，并分析了其變化趨勢[10]。侯湖平等人以徐州城北礦區(qū)1987年、1998年、2008年的遙感影像為數(shù)據(jù)源,采用生態(tài)景觀學(xué)理論以及遙感(RS)和地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù),分析了采礦對礦區(qū)景觀生態(tài)影響的變化規(guī)律[11]。劉軒等人運用GIS、RS 和景觀評價分析方法,選取2000 年 Landsat ETM 和 2014 年 Landsat OLI8 遙感影像作為數(shù)據(jù)源,結(jié)合實地調(diào)查解譯分類,分析了陽泉市一礦煤矸石回填復(fù)墾區(qū)景觀變化狀況,并對景觀生態(tài)綜合穩(wěn)定性進行了評價[12]。國外研究學(xué)者Myneni，Tucker，Los等人也利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)對全球范圍內(nèi)植被覆蓋變化進行了研究，表明過去20年北半球高緯度地區(qū)陸地植被活動性顯著增強[13-16]。Jhanwar M.L.等運用數(shù)字地形圖和多時相遙感數(shù)據(jù)研究印度比焦利亞地區(qū)露天煤礦土地利用格局變化，分析采礦區(qū)面積變化和植被覆蓋變化以及煤礦開發(fā)對于當(dāng)?shù)丶膊鞑サ挠绊慬17]。在針對礦業(yè)活動后期的地表特征表達(dá)以及復(fù)墾效果評價方面，Schmid T.等對西班牙某地區(qū)煤礦開采活動進行研究，通過野外光譜輻射測量、實驗室分析和衛(wèi)星數(shù)據(jù)來監(jiān)測礦區(qū)中不同下墊面的地表覆蓋和土地利用變化，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)礦坑變?yōu)槿斯ず?、尾礦庫封閉、植被覆蓋恢復(fù)，且通過整合不同尺度的數(shù)據(jù)信息，大幅提高了汞礦區(qū)表征監(jiān)測[18]。Schroeter L基于 LandsatTM 數(shù)據(jù)對德國東部褐煤開采后塌陷形成的湖泊水質(zhì)數(shù)據(jù)進行監(jiān)測，揭示了露天褐煤開采對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的影響[19]。但現(xiàn)有研究學(xué)者大多從單一因子出發(fā)，僅對區(qū)域生態(tài)環(huán)境進行檢測分析，而對于礦區(qū)多因子的動態(tài)分析研究較少。

筆者以遙感技術(shù)為主要手段，以區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)、植被覆蓋及土壤侵蝕度為主要研究對象，調(diào)查神華呼倫貝爾礦區(qū)生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀，評價 2002年至2017年呼倫貝爾地區(qū)生態(tài)環(huán)境的動態(tài)變化，分析呼倫貝爾草原生態(tài)環(huán)境的變化趨勢，為保護礦區(qū)生態(tài)環(huán)境、實現(xiàn)礦區(qū)土地資源可持續(xù)利用與煤炭資源綠色開發(fā)提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)域概況

區(qū)域生態(tài)環(huán)境動態(tài)調(diào)查涉及海拉爾、陳巴爾虎旗、鄂溫克旗和牙克石市 4 市旗，面積約為9 298.52 km2，礦區(qū)調(diào)查面積179.47 km2，其工作區(qū)遙感影像圖如圖1所示 。工作區(qū)大部屬中溫帶半濕潤半干旱大陸性季風(fēng)氣候，土壤類型主要有黑鈣土、灰黑土、栗鈣土和潛育土，植被類型主要有草原、草甸、針葉林和栽培植被。神華呼倫貝爾礦區(qū)包括神華寶日希勒能源有限公司、神華大雁礦業(yè)集團有限公司所屬 6 座煤礦，劃分為寶日希勒、大雁、扎尼河和敏東等4個礦區(qū)。區(qū)內(nèi)煤類型屬褐煤和長焰煤，煤巖成份以暗煤為主，次為絲炭，有時有亮煤及少量鏡煤呈細(xì)條帶或透鏡狀夾于其中。

圖1 工作區(qū)遙感影像圖Fig.1 Area remote sensing image graph

2 數(shù)據(jù)與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

針對呼倫貝爾礦區(qū)煤礦分布特點和此次研究工作的目標(biāo)任務(wù)，項目以多時間序列衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)為依據(jù)，在地理信息系統(tǒng)技術(shù)支持下，采用人機交互解譯與計算機自動信息提取相結(jié)合方式、室內(nèi)綜合研究與實地調(diào)查驗證相結(jié)合的工作模式，進行呼倫貝爾礦區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測與評價工作。以 2002、2006 年美國 ETM、TM 和 2012、2017 年中國 HJ1A/1B 衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)為依據(jù)，參照HJ/T 192—2006 《生態(tài)環(huán)境狀況評價技術(shù)規(guī)范(試行)》，統(tǒng)計分析區(qū)域土地利用類型、植被覆蓋度、土壤侵蝕強度等因子，得出區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況及變化趨勢。

2.1.1植被覆蓋度遙感測算方法

植被覆蓋度是指植物群落總體或個體的地上部份垂直投影面積與樣方面積的百分比。植被覆蓋度的測量可分為地面測量和遙感測算2種方法，前者常用于田間尺度，后者常用于區(qū)域尺度[20,21]。筆者以 30 m 分辨率的美國 ETM 、TM 和中國 HJ1A/1B 衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)為依據(jù)，采用歸一化植被指數(shù)(NDVI)模型，依托 ENVI 遙感圖像處理軟件和 Arc GIS 軟件平臺進行區(qū)域植被覆蓋度遙感定量反演。歸一化植被指數(shù)計算公式為：

(1)

式中，DNNIR為近紅外段的計數(shù)值(灰度值)，DNN為紅外段的計數(shù)值。

參照HJ/192-2006 《生態(tài)環(huán)境狀況評價技術(shù)規(guī)范(試行)》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，將區(qū)域植被覆蓋度依百分比劃分為3級，即植被覆蓋度>50%為高覆蓋度、植被覆蓋度 20%～50%為中覆蓋度、植被覆蓋度≤20%為低覆蓋度，按上述3級植被覆蓋度進行密度分割，編制區(qū)域植被覆蓋圖。

2.1.2土壤侵蝕強度遙感測算方法

以坡度、非耕地植被覆蓋度和耕地3個因子作為評價指標(biāo)，依托 Arc GIS軟件的空間數(shù)據(jù)處理和分析功能，進行區(qū)域土壤侵蝕強度的定量評價。參照《全國土壤侵蝕遙感調(diào)查技術(shù)規(guī)程》和SL 190-2007《土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)》中面蝕分級指標(biāo)，將區(qū)域土壤侵蝕強度劃分為6級，即微度侵蝕、輕度侵蝕、中度侵蝕、強度侵蝕、極強度侵蝕和劇烈侵蝕。

利用 Arc GIS 空間分析模塊將 DEM 數(shù)據(jù)提取成坡度的分布圖，再以 3°、8°、15°和 25°為界，對所得坡度圖進行重分類，從而提取坡度因子。利用 Arc GIS 中的 Arc Toolbox→Analysis Tool→Overlay→Update 操作(圖層更新操作)，即通過疊置植被覆蓋度分布圖層與坡耕地圖層，使坡耕地圖層替換被覆蓋的原植被覆蓋度圖層的圖形要素，得到區(qū)域植被覆蓋度與坡耕地疊合圖。使用 Arc GIS 的 Spatial Analysis 模塊，將區(qū)域植被覆蓋度與坡耕地疊合圖與 DEM 生成的坡度圖(6 個等級)進行空間疊加，得到不同植被覆蓋度、坡耕地與坡度的各種組合(共 36 種)，再將相同侵蝕強度級別的組合進行合并，最終得到區(qū)域土壤侵蝕強度分級圖。

以下從土地利用結(jié)構(gòu)變化、植被覆蓋度變化、土壤侵蝕強度變化對結(jié)果進行分析探討。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用結(jié)構(gòu)變化

2002～2017 年期間區(qū)內(nèi)土地利用類型結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大變化，主要表現(xiàn)在耕地先增后減再增，草地先減后增再減、林地和城鎮(zhèn)工礦用地持續(xù)增加，調(diào)查結(jié)果如圖2 所示。

圖2 呼倫貝爾地區(qū)土地利用總體變化Fig.2 Overall change in land use in Hulunbeier area

由圖2可看出，2002～2017 年期間區(qū)內(nèi)耕地呈先增后減的態(tài)勢，面積凈減161.44 km2，其中，2002～2006 年期間新增耕地面積 224.86 km2；2007～2012 年期間，耕地面積累計減少 367.56 km2；2013～2017 年期間，耕地面積增加 304.13 km2。2002～2017 年期間區(qū)內(nèi)林地總體呈上升趨勢，面積增加 786.55 km2，2002～2006 年期間林地面積增加 4.23 km2；2007～2012 年期間林地面積增加 1.78 km2；2013～2017 年期間林地面積增加 780.54 km2。2002～2017 年期間區(qū)內(nèi)草地呈現(xiàn)先減后增再減的態(tài)勢，面積實際凈減1 093.62 km2，其中，2002～2006 年期間草地面積減少 252.65 km2；2007～2012 年期間草地面積增加 275.11 km2；2013～2017 年期間草地面積減少 1 116.08 km2。2002～2017 年期間區(qū)內(nèi)城鎮(zhèn)村及工礦用地總體呈上升趨勢，面積增加 105.35 km2，其中，2002～2006 年期間面積增加 18.50 km2；2007～2012 年期間面積增加 75.73 km2；2013～2017 年期間面積增加 11.12 km2。

3.2 植被覆蓋度變化

2002～2017年期間，區(qū)內(nèi)植被覆蓋總體變化趨勢一是植被覆蓋區(qū)持續(xù)減少；二是2002～2012年期間高覆蓋度植被持續(xù)減少，中、低覆蓋度植被逐步增加；而2013～2017年期間高覆蓋度植被迅速增加，中、低覆蓋度植被減少。

區(qū)內(nèi)植被覆蓋度各期間具體變化如圖3所示。

圖3 呼倫貝爾區(qū)域2002～2017年植被覆蓋度變化Fig.3 Changes in vegetation coverage in Hulunbeier in 2002～2017

其中，2002～2012年期間高覆蓋度植被面積減少1 830.88 km2，占比下降19.69%；中覆蓋度植被面積增加1 052.80 km2，占比上升11.32%；低覆蓋度植被面積增加663.85 km2，占比上升7.14%。2013～2017年期間高覆蓋度植被面積增加1 709.96 km2，占比上升18.39%；中覆蓋度植被面積減少673.57 km2，占比下降7.24%；低覆蓋度植被面積減少917.27 km2，占比下降9.86%。

2002～2006年期間，區(qū)內(nèi)植被覆蓋度總體呈逐級退化的趨勢。其中約1 354.67 km2高覆蓋度植被退化為中覆蓋度植被，約21.99 km2低覆蓋度植被退化為非植被覆蓋區(qū)；2007～2012年期間，區(qū)內(nèi)植被覆蓋度在總體上仍呈逐級退化的趨勢，但高覆蓋度植被退化速度大幅度減緩，其中約410.08 km2高覆蓋度植被退化為中覆蓋度植被，約431.51 km2中覆蓋度植被退化為低覆蓋度植被，約100.40 km2低覆蓋度植被退化為非植被覆蓋區(qū)；2013～2017年期間，區(qū)內(nèi)高覆蓋度植被覆蓋區(qū)大幅度增加，增加1 487.88 km2，中覆蓋度植被覆蓋區(qū)減少1 154.30 km2，低覆蓋度植被覆蓋區(qū)減少367.52 km2。

3.3 土壤侵蝕強度變化

2002～2017年期間區(qū)內(nèi)土壤侵蝕總體變化趨勢是中度侵蝕先增后減，輕度侵蝕先減后增、微度侵蝕先減后增再減，總體呈減少的趨勢，其他侵蝕等級整體變化不大。其中，中度侵蝕面積增加40.28 km2，輕度侵蝕面積增加154.38 km2，微度侵蝕面積減少322.82 km2。

區(qū)內(nèi)2002～2017年各期間土壤侵蝕強度變化如圖4所示。

圖4 呼倫貝爾區(qū)域2002～2017年土壤侵蝕強度變化Fig.4 Changes in soil erosion intensity in Hulunbeier area from 2002 to 2017

由圖4 可知，2002～2006年期間，區(qū)內(nèi)土壤侵蝕強度總體呈增強的趨勢，主要是中度侵蝕大面積增加，微度侵蝕大面積減少。其中，中度侵蝕面積增加484.27 km2，微度侵蝕減少463.20 km2。2007～2012年期間，區(qū)內(nèi)土壤侵蝕強度增強的趨勢放緩，主要是微度、輕度侵蝕小幅減少，中度侵蝕面積小幅增加，其中輕度侵蝕面積減少388.35 km2；微度侵蝕面積增加247.48 km2；中度侵蝕面積增加131.31 km2。2007～2012年期間，區(qū)內(nèi)土壤侵蝕強度總體呈減弱的趨勢，主要是中度侵蝕面積大幅減少，輕度侵蝕大面積增加。其中，中度侵蝕面積減少575.30 km2，輕度侵蝕面積增加578.30 km2，微度侵蝕面積減少107.10 km2。

4 結(jié) 論

16年來，呼倫貝爾區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況持續(xù)為一般。其中2002～2006年生態(tài)環(huán)境狀況變差，2007～2012年有所改善，2013～2017年變好。

(1)2002～2006年時段:區(qū)內(nèi)土地利用類型結(jié)構(gòu)變化較大，主要是耕地顯著增加，草地明顯減少，城鎮(zhèn)村及工礦用地明顯增加；植被覆蓋度總體呈逐級退化的趨勢，土壤侵蝕強度總體呈增強趨勢。

(2)2007～2012年時段:區(qū)內(nèi)土地利用類型結(jié)構(gòu)變化較大，主要是耕地逐步減少，草地逐步增加，城鎮(zhèn)村及工礦用地則持續(xù)增加；植被覆蓋度總體仍呈逐級退化的趨勢，但高覆蓋度植被退化速度大幅減緩；土壤侵蝕強度增強的趨勢放緩，主要是中度侵蝕小幅增加。

(3)2013～2017年時段:區(qū)內(nèi)土地利用類型結(jié)構(gòu)變化不大；植被覆蓋度明顯提高；土壤侵蝕強度明顯減弱。