段語(yǔ)鳳,張玉秀,余 創(chuàng)

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)化學(xué)與環(huán)境學(xué)院, 北京 100083

煤炭井工開采造成地表塌陷、地裂縫和地質(zhì)結(jié)構(gòu)變化等問(wèn)題[1-2],植被生長(zhǎng)環(huán)境破壞,繼而引發(fā)嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題,最終影響原始生態(tài)系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)功能[3]。植被作為生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,是反映人類活動(dòng)和氣候變化對(duì)環(huán)境影響的敏感指標(biāo)[4]。目前,針對(duì)植被變化的研究有實(shí)地調(diào)查與遙感技術(shù)分析兩種方法,由于遙感技術(shù)具有成本低、耗時(shí)短和覆蓋面積大等特點(diǎn)[5],越來(lái)越多的學(xué)者開始采用遙感技術(shù)對(duì)植被進(jìn)行分析,但缺少相應(yīng)實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)的驗(yàn)證。近年來(lái),一些學(xué)者利用遙感技術(shù)與實(shí)地調(diào)查相結(jié)合的方法研究了煤炭井工開采礦區(qū)的植被變化。錢者東等[6]以實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),借助地理信息系統(tǒng)技術(shù)研究了毛烏素沙地神木大保當(dāng)煤礦區(qū)的植被變化,結(jié)果表明煤炭開采3年后礦區(qū)景觀破碎度上升,植被生物量減少,礦區(qū)植被類型發(fā)生變化,以北沙柳和斜頸黃耆為優(yōu)勢(shì)種的灌木叢植被類型向以黑沙蒿為主的灌草叢類型轉(zhuǎn)化。徐友寧等[7]基于TM和SPOT5遙感影像與野外實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)研究表明陜西大柳塔煤礦塌陷區(qū)的植被覆蓋度(Fractional Vegetation Coverage,FVC)低于非塌陷區(qū)的FVC,說(shuō)明煤炭開采引發(fā)的土壤塌陷可導(dǎo)致植被覆蓋度降低;蔣明康等[8]以ERDAS軟件結(jié)合實(shí)地調(diào)查分析了陜西榆神礦區(qū)植被變化,結(jié)果表明煤炭開采1—4年間當(dāng)?shù)鼐坝^破碎度增加,灌叢面積減少,FVC降低,水生和喜水草本植物退化,這些研究為揭示毛烏素沙地和黃土高原區(qū)煤炭開采對(duì)植被變化的影響機(jī)制提供了基礎(chǔ)。

靈武市屬于西北干旱荒漠區(qū),其植被主要以荒漠草原植被為主,生態(tài)環(huán)境脆弱,寧東煤炭基地的井工開采區(qū)主要分布在靈武市東部,造成了大面積的采煤塌陷地。杜靈通等[9]分析了寧東煤炭基地礦業(yè)活動(dòng)區(qū)和非礦業(yè)活動(dòng)區(qū)的歸一化植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI),結(jié)果表明礦業(yè)活動(dòng)區(qū)的NDVI低于非礦業(yè)活動(dòng)區(qū)NDVI,證實(shí)煤炭開采可使植被覆蓋度降低。范小杉等[10]對(duì)寧東煤炭基地植被進(jìn)行生態(tài)安全評(píng)價(jià),表明采煤塌陷區(qū)的FVC由原來(lái)的中覆蓋度變?yōu)榈透采w度,說(shuō)明土體塌陷導(dǎo)致植被覆蓋度降低;吳淑瑩等[11]報(bào)道了寧東煤炭基地韋州礦區(qū)采煤沉陷地植被的綠度變化率(Greenness Rate of Change, GRC),表明礦區(qū)部分沉陷區(qū)的植被在不同沉陷時(shí)段呈現(xiàn)重度、中度或輕微退化趨勢(shì),進(jìn)一步說(shuō)明煤炭開采區(qū)的植被受到重度、中度或輕微損毀作用。目前,在西北干旱荒漠區(qū)煤炭開采對(duì)植被變化的研究主要集中在礦區(qū)水平,且研究的時(shí)間跨度小,而在區(qū)域水平上的研究報(bào)道還較少,而煤炭開采對(duì)西北干旱荒漠區(qū)植被動(dòng)態(tài)變化的長(zhǎng)期影響機(jī)制也尚不清楚。為了揭示煤炭開采對(duì)西北干旱荒漠區(qū)植被動(dòng)態(tài)變化的影響機(jī)制,本研究以靈武市為研究區(qū),采用遙感技術(shù)和野外實(shí)地調(diào)查相結(jié)合的方法,探索煤炭井工開采對(duì)靈武市2000—2019年的植被動(dòng)態(tài)變化的影響,揭示煤炭開采活動(dòng)對(duì)植被變化的長(zhǎng)期影響作用,為西北干旱荒漠區(qū)生態(tài)恢復(fù)提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)域與方法

1.1 研究區(qū)域

靈武市位于寧夏回族自治區(qū),其地理坐標(biāo)為東經(jīng)105.59°—106.37°,北緯37.60°—38.01°,總面積4639 km2(圖1),屬大陸性季風(fēng)氣候,年均降水量212 mm,降水量少且集中,蒸發(fā)強(qiáng)烈,年平均氣溫8.8℃。土壤類型主要以風(fēng)沙土和灰鈣土為主,土壤質(zhì)地偏沙性,肥力低。植被類型主要是荒漠草原植被和沙生植被,對(duì)于構(gòu)筑我國(guó)西部生態(tài)安全屏障具有重要作用。白芨攤自然保護(hù)區(qū)位于靈武市境內(nèi),總面積約748.43 km2,主要保護(hù)以檸條(Caraganakorshinskii)和貓頭刺(OxytropisaciphyllaLedeb.)為主的灌木荒漠生態(tài)系統(tǒng),其對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境的改善具有重要作用[12]。寧東煤炭基地位于寧夏回族自治區(qū)中東部(圖1),靈武市位于寧東煤炭基地的北部,其境內(nèi)煤礦區(qū)的總面積為3484 km2,煤炭資源儲(chǔ)量可達(dá)273億t左右[13]。

圖1 靈武市和寧東煤炭基地的地理位置Fig.1 Schematic diagram of the geographical location of Lingwu city and Ningdong coal base in Ningxia Province, ChinaRJ、LX、YC、MH和ZQ表示煤礦區(qū),BJT表示白芨灘自然保護(hù)區(qū),紅色點(diǎn)代表采樣點(diǎn)

1.2 研究方法與數(shù)據(jù)

1.2.1植被實(shí)地調(diào)查方法

參考方精云等[14]的研究方法分別于2018年5月和2019年6月進(jìn)行植被實(shí)地調(diào)查。在靈武市RJ、LX、YC、MH和ZQ等煤礦區(qū)和白芨灘(BJT)自然保護(hù)區(qū)設(shè)置58個(gè)樣地,在每個(gè)樣地設(shè)置3個(gè)以上的平行樣方(15m×15m),共計(jì)212個(gè)樣方,記錄樣方的經(jīng)緯度、物種名稱、數(shù)量、高度和蓋度等,進(jìn)而計(jì)算Shannon-Wiener指數(shù),Pielou指數(shù)和Simpson指數(shù)等植物多樣性指數(shù)。為使植被指標(biāo)更具代表性,每個(gè)指標(biāo)取3個(gè)樣方的平均值。采樣點(diǎn)名稱包含樣地名稱、塌陷類型(均勻塌陷區(qū)(C)或非均勻塌陷區(qū)(H))和煤炭開采年限(1、2、3、….11a)等內(nèi)涵,如ZQ礦區(qū)樣點(diǎn)命名為ZQ-CK、ZQ-C1、ZQ-H2、…ZQ-H9等(其中字母ZQ為樣地、CK為對(duì)照區(qū),C為均勻塌陷區(qū)、H為非均勻塌陷區(qū),數(shù)字表示塌陷年限)。

1.2.2植被遙感分析方法

(1)NDVI

遙感影像數(shù)據(jù)來(lái)自美國(guó)的Landsat 5 TM數(shù)據(jù)和Landsat 8 OLI _TIRS數(shù)據(jù)(表1),為保證遙感影像的清晰度和排除植被季節(jié)性變化的影響,主要選擇植物生長(zhǎng)季5—9月、且云量低于5%的遙感影像。遙感影像數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)預(yù)處理后,利用ENVI5.1軟件,得到NDVI值[16]。

表1 遙感影像數(shù)據(jù)資料Table 1 Remote sensing image data

(2)FVC

FVC定義為植物(包括葉、莖和枝)的垂直投影面積占統(tǒng)計(jì)區(qū)總面積的百分比,其中像元二分模型是計(jì)算FVC的常用方法[17]。由于NDVI是植被生長(zhǎng)的最佳指標(biāo),且與FVC有很好的相關(guān)性,因此根據(jù)像元二分模型,將純土壤NDVI值和純植被NDVI值進(jìn)行加權(quán)平均,FVC的計(jì)算公式如下：

(1)

式中NDVIsoil為純土壤像元植被指數(shù)值,理論上接近于0;NDVIveg代表純植被像元植被指數(shù)值,理論上接近1。由于影像存在噪聲,NDVIsoil和NDVIveg分別取NDVI頻率累計(jì)表上的5%和95%。在實(shí)地調(diào)查的基礎(chǔ)上,參考Tong等[18]關(guān)于內(nèi)蒙古的FVC分級(jí),將靈武市FVC定義為5個(gè)等級(jí)和水域(表2)。

表2 植被覆蓋度分類體系Table 2 Vegetation fractional coverage classification system

(3)GRC

3.選擇合適的教學(xué)團(tuán)隊(duì)。選擇一批“志同道合、有能力、有想法”的教師，選擇一批“青中老”的教師，選擇一批“初中高”職務(wù)的教師。

GRC定義為合成FVC在一段時(shí)間內(nèi)年際變化最小的冪函數(shù)線性回歸方程的斜率。采用最小二乘法模擬研究區(qū)平均FVC的時(shí)間趨勢(shì)[19]。

(2)

其中,GRC是趨勢(shì)線的斜率,n是模擬時(shí)間的長(zhǎng)度,i是年份,FVCi是i年的平均FVC值。GRC結(jié)果反映研究期間年平均FVC的趨勢(shì),當(dāng)GRC>0時(shí),FVC增大;反之,FVC減小;GRC=0時(shí),FVC不變。

(4)土地利用分類

在野外實(shí)地考察的基礎(chǔ)上,參照2017年頒布的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《土地利用現(xiàn)狀分類》(GB/T 21010—2017)[20],將研究區(qū)土地分為8個(gè)利用類型(表3)。遙感影像圖像經(jīng)過(guò)樣本訓(xùn)練和大氣校正后,使用支持向量機(jī)(Support Vector Machine, SVM)分類器進(jìn)行圖像分類,最后利用ArcGIS 10.3軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和出 圖[21]。

表3 土地利用分類體系Table 3 Land cover classification system

1.2.3氣象數(shù)據(jù)

根據(jù)中國(guó)國(guó)家氣象局提供的靈武市2000—2017年氣象數(shù)據(jù)計(jì)算年降水量(Annual Precipitation, P)、潛在蒸散量(Potential Evapotranspiration, PET)、有效水分(Effective Moisture, P:PET)、年平均相對(duì)濕度(Annual Average Relative Humidity, RH)、年平均溫度(Annual Average Temperature, T)、年平均風(fēng)速(Annual Average Wind Speed, S)和強(qiáng)風(fēng)頻率(Strong Wind Frequency, W%)[22]。用皮爾森相關(guān)分析方法分析NDVI與氣象因子之間的相關(guān)性。

2 結(jié)果與分析

2.1 區(qū)域FVC和GRC的變化分析

2000—2019年間,靈武市的植被覆蓋度FVC和綠度變化率GRC表現(xiàn)出較大的空間異質(zhì)性(圖2)。FVC在2000—2006年間整體呈下降趨勢(shì),尤其在中部和南部地區(qū)比較明顯;2006—2019年整體為上升趨勢(shì),中東部地區(qū)表現(xiàn)明顯;2000—2019年間GRC>0的等級(jí)面積達(dá)到90%以上,植被主要為輕微改善趨勢(shì)(表4),表明這19年間靈武市在區(qū)域水平上植被整體得到改善。礦區(qū)與白芨灘自然保護(hù)區(qū)FVC和GRC的變化趨勢(shì)與靈武市整體變化趨勢(shì)一致。說(shuō)明靈武市2000—2006年間植被呈退化趨勢(shì),而2006—2019年間植被呈改善趨勢(shì)。

圖2 2000—2019年靈武市植被覆蓋度和綠度變化率動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)圖Fig.2 The dynamic change trends of FVC and GRC in Lingwu city from 2000 to 2019紅色點(diǎn)代表采樣點(diǎn)

研究區(qū)GRC等級(jí)面積比數(shù)據(jù)分析表明(表4),2000—2006年,GRC面積變化較大的是中等退化和輕微退化等級(jí),分別占研究區(qū)面積的20.8%和44.24%;而在2006—2019年,GRC面積變化較大的是輕微改善等級(jí),占靈武市面積的84.3%。表明靈武市植被在2000—2006年間主要為退化趨勢(shì),退化面積占總面積的69.14%,2006—2019年間主要是改善趨勢(shì),改善面積占總面積的93.6%;2000—2019年間植被總退化面積占研究區(qū)面積的6.58%,植被總改善面積占靈武市面積的93.42%,因此,19年來(lái)靈武市植被整體呈現(xiàn)為改善趨勢(shì)。

表4 靈武市不同時(shí)間段不同綠度變化率等級(jí)的面積Table 4 Area of different GRC grades in each period of Lingwu City

2.2 氣象因子對(duì)區(qū)域NDVI的影響

植被生長(zhǎng)受水分、溫度和風(fēng)力的影響。NDVI主要用以研究陸地植被格局的變化和植被吸收光合活性輻射的能力[15],是植被變化中廣泛應(yīng)用的一種植被指數(shù)。為了揭示植被覆蓋度與氣象因子的關(guān)系(圖4),根據(jù)氣象因子在不同年份的變化趨勢(shì)將分為三個(gè)時(shí)間段分析NDVI的變化。在2000—2006年,NDVI主要呈下降趨勢(shì),與P、P:PET、RH、T、S和W%等氣候因子的變化趨勢(shì)一致,并且與S (r=0.99,P<0.01)、W% (r=0.98,P<0.01)、P:PET (r=0.78,P<0.01)和T (r=0.77,P<0.01)呈顯著正相關(guān),表明在這幾年中靈武市降雨量減少,溫度降低,氣象因子不利于植被生長(zhǎng),導(dǎo)致NDVI下降。在2006—2017年,S和W%均下降,P、P:PET和T上升,NDVI隨之升高,且NDVI與P (r=0.86,P<0.01)呈顯著正相關(guān),與S (r=-0.86,P<0.01)和W%(r=-0.81,P<0.01)呈顯著負(fù)相關(guān),表明P、S和W%是此時(shí)間段影響植被生長(zhǎng)的主要?dú)庀笠蜃?。P的增加可使土壤水分升高,而S和W%的降低則使風(fēng)蝕作用力降低,從而降低風(fēng)沙對(duì)植物根系土壤的侵蝕,有利于植物的生長(zhǎng)。2000—2017年間,NDVI只與P (r=0.68,P<0.01)呈顯著正相關(guān),表明P是影響西北干旱荒漠區(qū)植被生長(zhǎng)和植被覆蓋度長(zhǎng)期變化的主要?dú)庀笠蜃印?/p>

2.3 區(qū)域土地利用類型變化分析

靈武市2000—2019年土地利用動(dòng)態(tài)如圖4所示,在2000—2006年間面積增加的土地利用類型主要為裸地和工礦用地,分別增加了800 km2和150 km2,面積減少的主要為草地和灌叢,依次減少了162 km2和82 km2,可能是由于煤炭開采侵占灌叢和草地面積,促使灌叢向草地或裸地轉(zhuǎn)換,草地向裸地轉(zhuǎn)換,植被呈退化趨勢(shì)。2006—2019年間面積增加的土地利用類型主要為灌叢和林地,分別增加了400 km2和60 km2,面積減少的土地主要為耕地和草地,依次減少了135 km2和502 km2,推測(cè)此階段的P和S等氣象因子有利于植被生長(zhǎng);此外,2010年后煤炭產(chǎn)量趨于穩(wěn)定(圖4),工礦用地面積增量較小,加之2010年后禁牧封育和退耕還林[23]等生態(tài)環(huán)保政策的實(shí)施,使部分耕地向林地轉(zhuǎn)換,草地向灌叢轉(zhuǎn)換,這可能是研究區(qū)域植被呈改善趨勢(shì)的原因之一。表明煤炭開采在一定程度上導(dǎo)致土地利用類型發(fā)生變化,但環(huán)保政策在植被恢復(fù)過(guò)程中發(fā)揮了重要作用。

圖4 不同年份研究區(qū)土地利用類型面積和原煤產(chǎn)量Fig.4 Area of land use types and raw coal production in the region

2.4 煤炭井工開采年限對(duì)礦區(qū)植物群落結(jié)構(gòu)的影響

本研究以空間代替時(shí)間的方法[24]分析了不同采煤年限對(duì)煤礦區(qū)(ZC、YC和LX)沉陷地優(yōu)勢(shì)種(表5)、物種數(shù)、植被蓋度和植物群落多樣性變化(圖5)的影響。實(shí)地植物群落調(diào)查數(shù)據(jù)分析(表5)表明,靈武市植被主要以沙蒿、檸條和芨芨草等荒漠植物為主。煤炭開采后,3個(gè)煤礦區(qū)植物優(yōu)勢(shì)種均發(fā)生明顯改變,如煤炭開采1—2a間,在沙蒿、檸條等原優(yōu)勢(shì)種保持不變,但貓頭刺和華北白前(Cynanchumhancockianum)等原優(yōu)勢(shì)種演變?yōu)橐陨趁?Agriophyllumsquarrosum(Linn.) Moq.)和角茴香(Hypecoumerectum)等為主的短命或類短命荒漠植物;煤炭開采3a后,貓頭刺和華北白前等原優(yōu)勢(shì)種又恢復(fù)出現(xiàn),優(yōu)勢(shì)種組成與對(duì)照區(qū)基本一致。植物物種數(shù)分析(圖5)表明煤炭開采1—2a間植物物種數(shù)有一定程度增加,3—4a間植物物種數(shù)呈下降趨勢(shì),5—9a間植物物種數(shù)又逐漸上升,10a后則與對(duì)照區(qū)趨于一致。表明煤炭開采初期對(duì)植物群落物種組成和結(jié)構(gòu)影響較大,直接導(dǎo)致植物物種數(shù)升高,優(yōu)勢(shì)種的組成發(fā)生變化。

表5 ZQ礦區(qū)采樣點(diǎn)植物優(yōu)勢(shì)種Table 5 Dominant species of plants in sampling sites of ZQ coal mining area

(1) 采樣點(diǎn)名稱中前兩個(gè)字母表示礦區(qū)名稱,CK為對(duì)照區(qū),C為均勻塌陷區(qū),H為非均勻塌陷區(qū),后面的數(shù)字為開采年限

相關(guān)性分析表明研究區(qū)實(shí)地調(diào)查的植被蓋度與遙感估測(cè)的FVC在2018年和2019年的相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到0.84和0.90,說(shuō)明用遙感數(shù)據(jù)估測(cè)FVC具有較高可信度,可以反映研究區(qū)19年來(lái)植被的動(dòng)態(tài)變化。不同采煤年限對(duì)煤礦區(qū)植被蓋度變化的影響分析表明(圖5)：煤礦區(qū)(ZC、YC和LX)的植被蓋度均在煤炭開采1—4a間呈下降趨勢(shì),5—9a間逐漸回升,10a后小幅度上升并逐漸趨于穩(wěn)定;表明煤炭開采初期對(duì)植被造成一定程度的破壞,其原因是煤炭開采影響了土壤環(huán)境,改變了土壤理化性質(zhì),產(chǎn)生地裂縫等引起植被根系斷裂,導(dǎo)致植物死亡,植被蓋度降低[25];ZQ礦區(qū)均勻塌陷區(qū)的植被蓋度高于非均勻塌陷區(qū)植被蓋度,表明煤炭開采對(duì)非均勻塌陷區(qū)植被破壞程度大于均勻塌陷區(qū)。煤礦區(qū)Shannon-Wiener指數(shù)、Simpson指數(shù)和Pielou指數(shù)等物種多樣性指數(shù)均隨煤炭開采年限的增加呈現(xiàn)先下降后上升的變化趨勢(shì),與植被蓋度的變化趨勢(shì)一致。這些結(jié)果說(shuō)明煤炭開采在1—4a間植被退化,植被蓋度和植物群落多樣性降低,隨煤炭開采年限的延長(zhǎng)植被蓋度和植物群落多樣性呈自然恢復(fù)趨勢(shì),10a后的植被逐漸開始恢復(fù)到對(duì)照區(qū)水平。

圖5 植物物種數(shù)、植被蓋度和物種多樣性指數(shù)在不同采煤年限的變化 Fig.5 Number of plant species, vegetation coverage and species diversity index in different years after coal mining

2.5 煤炭井工開采年限對(duì)礦區(qū)NDVI的影響

根據(jù)2019年礦區(qū)采樣點(diǎn)NDVI值分析煤炭開采年限對(duì)礦區(qū)NDVI的影響,結(jié)果表明(圖6)YC和LX礦區(qū)NDVI隨開采年限的變化趨勢(shì)相似,煤炭開采1—4a NDVI逐漸減小,開采5—9a NDVI隨開采年限增加而增大,開采10a后NDVI小幅度提高,并逐漸趨于穩(wěn)定。說(shuō)明煤炭開采1—4a間植被遭到破壞,NDVI降低;5—9a間植被得到改善,NDVI升高;10a后NDVI基本恢復(fù)到對(duì)照區(qū)水平。這與上述實(shí)地調(diào)查的植被蓋度結(jié)果一致,進(jìn)一步證實(shí)了研究區(qū)遙感影像解析的準(zhǔn)確性。同時(shí),ZQ礦區(qū)采煤均勻塌陷區(qū)NDVI隨煤炭開采年限的變化趨勢(shì)線位于非均勻塌陷區(qū)上方(圖6),表明均勻塌陷區(qū)的NDVI高于非均勻塌陷區(qū),說(shuō)明煤炭開采對(duì)均勻塌陷區(qū)植被破壞程度小于非均勻塌陷區(qū)。

圖6 不同礦區(qū)沉陷區(qū)和不同沉陷地類型NDVI在不同采煤年限的變化Fig.6 Changes of NDVI at different coal mining area and various subsidence area after coal mining

3 討論

3.1 煤炭井工開采對(duì)區(qū)域植被動(dòng)態(tài)變化影響

2000—2006年,靈武市NDVI和FVC降低,GRC等級(jí)以中等退化和輕微退化為主,其原因可能是P、RH、P:PET和T的降低,導(dǎo)致土壤水分減少,且T的降低也不利于植被的生長(zhǎng),表明降雨量和溫度是影響西北干旱荒漠區(qū)植被生長(zhǎng)的主要因素。李麗麗等[26]報(bào)道土壤水分和地表溫度是驅(qū)動(dòng)西北干旱荒漠區(qū)石羊河流域FVC生長(zhǎng)變化的主要因素,與本研究的結(jié)論一致。此外,靈武市的NDVI隨著S和W%下降而下降,而毛烏素沙地S和W%的下降卻有利于植被的生長(zhǎng)[22],與其結(jié)果不同的原因可能是在這個(gè)時(shí)期較低的P:PET和T等氣象因子發(fā)揮了主要的作用,馬雄德[27]等人證實(shí)榆神府礦NDVI與P具有較高的相關(guān)性。2003年寧東煤炭基地建成開始運(yùn)行[28],原煤產(chǎn)量的逐年增加,工礦用地侵占草地和灌叢面積,加上生態(tài)環(huán)保政策落實(shí)不到位,加劇了礦區(qū)植被的退化,這也是植被生長(zhǎng)狀況沒有得到改善的重要原因。2006年之后,P和P:PET提高,T有微弱的上升,S和W%的持續(xù)下降,NDVI和FVC升高,NDVI與P呈顯著正相關(guān),而與S和W%呈顯著負(fù)相關(guān),GRC等級(jí)顯示植被以輕微改善和中等改善為主,表明在這個(gè)時(shí)期氣象因子有利于植被的生長(zhǎng)。S和W%的持續(xù)下降,表明風(fēng)沙對(duì)植物根系土壤的侵蝕降低,有利于植被生長(zhǎng),這與Xu[22]等人在毛烏素沙地的研究結(jié)果相似,較小的風(fēng)可降低地表侵蝕和沙粒運(yùn)移,而受限的風(fēng)沙活動(dòng)則有助于植被的生長(zhǎng),穩(wěn)定土壤結(jié)皮的發(fā)育。P和P:PET的升高,可使土壤水分增加,植物根系可吸收足夠的水分,促進(jìn)植物生長(zhǎng),這與Tong[18]等人提出P是干旱荒漠區(qū)植被生長(zhǎng)的主要限制因子的觀點(diǎn)相一致。2000—2017年, NDVI與P呈顯著正相關(guān),說(shuō)明P是影響西北干旱荒漠區(qū)植被動(dòng)態(tài)變化中最重要的氣象因子;T的波動(dòng)式上升使地表溫度升高,可以增強(qiáng)植物的光合作用,Chen[29]等人也提出T是中國(guó)北方綠化的主要驅(qū)動(dòng)因素之一;2010年以來(lái),隨著退耕還林等相關(guān)生態(tài)環(huán)保政策和綠化工程的實(shí)施[23,30],耕地和裸地面積減少,林地和灌叢面積增大,這是研究區(qū)域植被改善的另一個(gè)重要原因。所以,氣象因子是影響西北干旱荒漠區(qū)植被生長(zhǎng)的主要因子,煤炭開采加劇了礦區(qū)植被的退化,而生態(tài)環(huán)保政策的實(shí)施可促進(jìn)區(qū)域植被生長(zhǎng)的改善。

3.2 煤炭井工開采對(duì)礦區(qū)植被動(dòng)態(tài)變化影響

煤炭井工開采后,植物物種數(shù)在煤炭開采1—2a間有一定程度增加,這可用中度干擾假說(shuō)來(lái)解釋,即煤炭開采產(chǎn)生的地裂縫,使得埋在地下的種子有機(jī)會(huì)受到光照而萌發(fā)[31],物種數(shù)進(jìn)而得以增加;然而,在此期間,NDVI、植被蓋度和物種多樣性指數(shù)依然呈降低趨勢(shì),表明礦區(qū)植被受到煤炭開采擾動(dòng)后,物種數(shù)雖然有小幅度上升,但植被整體呈退化趨勢(shì),這與姚虹等[32]的研究結(jié)果相一致,說(shuō)明僅以植物物種數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)植物群落的穩(wěn)定性或多樣性是不全面的,需用NDVI、植被蓋度和物種多樣性指數(shù)等指標(biāo)綜合分析植物群落的穩(wěn)定性。煤炭開采3—4a間,增加的短命荒漠植物物種逐漸消失,原有優(yōu)勢(shì)種逐漸恢復(fù)出現(xiàn),這可能是由于短命荒漠植物不適應(yīng)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境逐漸死亡,但新增物種在一定程度上改善了土壤環(huán)境,促使部分原有優(yōu)勢(shì)種植物逐漸恢復(fù)生長(zhǎng);另外,在此期間NDVI、植被蓋度和物種多樣性指數(shù)等指標(biāo)呈持續(xù)降低趨勢(shì),即煤炭開采1—4a間植被整體處于退化期,其原因可能是地表沉陷和地裂縫導(dǎo)致植物根系的直接拉傷斷裂,地下水位下降和水土流失進(jìn)一步導(dǎo)致土壤含水量的降低,土壤物理結(jié)構(gòu)的破壞和水分養(yǎng)分的流失進(jìn)而影響植物的生長(zhǎng)[33-34]。植物物種數(shù)、NDVI、植被蓋度和物種多樣性指數(shù)在煤炭開采5—9a間呈上升趨勢(shì),植被處于改善期,主要是由于在風(fēng)蝕水蝕和地表重力沉降的作用下地裂縫被填充,土壤理化性質(zhì)逐漸穩(wěn)定,養(yǎng)分逐漸恢復(fù),植被生長(zhǎng)得到一定程度恢復(fù)[34-35]。煤炭開采10a后植被覆蓋度呈略微上升趨勢(shì),并逐漸趨于穩(wěn)定,植物群落結(jié)構(gòu)也得到改善,植被處于初步恢復(fù)期。王瓊等[36]在廢棄采石場(chǎng)植被自然恢復(fù)過(guò)程中物種多樣性的變化研究中也得到類似的結(jié)果。西北干旱荒漠區(qū)生態(tài)脆弱,植被在自然恢復(fù)過(guò)程中植物群落的組成會(huì)發(fā)生較大變化,群落物種多樣性指數(shù)隨著植被的恢復(fù)表現(xiàn)出由低到高的變化趨勢(shì);但由于破壞后植被的自然恢復(fù)過(guò)程緩慢,因此,在煤炭開采區(qū)適當(dāng)加以人工干預(yù),可以促進(jìn)礦區(qū)植物群落的自然演替進(jìn)程。

4 結(jié)論

本研究以Landsat 5 TM、Landsat 8 OLT_TIRS數(shù)據(jù)和實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),探究了煤炭井工開采對(duì)西北干旱荒漠區(qū)植被變化的影響,結(jié)論如下：

(1)靈武市植被主要以沙蒿、檸條和芨芨草等荒漠植物為主,近19年來(lái)靈武市區(qū)域植被的動(dòng)態(tài)變化呈現(xiàn)改善趨勢(shì),植被覆蓋度主要受區(qū)域降雨量和風(fēng)速等氣象因子的影響。

(2)煤炭開采導(dǎo)致礦區(qū)NDVI、植被蓋度和植物多樣性降低,生態(tài)環(huán)保政策的實(shí)施對(duì)礦區(qū)植被恢復(fù)和土地利用類型改變具有重要的促進(jìn)作用。

(3)煤炭井工開采后植被演替過(guò)程經(jīng)歷3個(gè)階段：退化期(1—4a)—改善期(5—10a)—初步恢復(fù)期(10a后)。