梁婉如，王 聰，彭 捷,張 賽，李 喆

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)環(huán)境學(xué)院，中國 武漢 430074；2.河南省自然資源監(jiān)測和國土整治院，中國 鄭州 450002)

黨的“十八大”以來，隨著生態(tài)環(huán)境修復(fù)工程的不斷實施，我國生態(tài)環(huán)境質(zhì)量顯著改善[1]。及時準確地對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進行評價，對于檢驗生態(tài)修復(fù)工程實施效果，科學(xué)調(diào)整下一步工作重點具有十分重要的指導(dǎo)意義[2]。生態(tài)修復(fù)是指輔助退化、受損或被破壞的生態(tài)系統(tǒng)進行的恢復(fù)過程[3]。生態(tài)修復(fù)監(jiān)測是在生態(tài)修復(fù)的基礎(chǔ)上，對植被長勢、植被群落結(jié)構(gòu)、土壤環(huán)境等多方面的恢復(fù)情況進行監(jiān)測。

隨著3S技術(shù)的進步，遙感技術(shù)成為生態(tài)修復(fù)監(jiān)測中常用的方法[4]。徐涵秋[5]選用主成分分析法對綠度、濕度、干度及熱度4個指標進行綜合計算得到的遙感生態(tài)指數(shù)，具有方便可靠、直觀可視等優(yōu)點，成為礦區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測的常用指標[6-8]。如黃錦等[9]采用該方法對大冶市生態(tài)環(huán)境進行監(jiān)測，認為礦區(qū)生態(tài)修復(fù)工程改善了該地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。胡思漢等[10]采用該方法對遼寧弓長嶺礦區(qū)生態(tài)環(huán)境進行研究，認為礦業(yè)開采活動顯著破壞了該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境。受限于遙感影像精度，遙感生態(tài)指數(shù)側(cè)重于從大尺度對研究區(qū)整體的生態(tài)修復(fù)水平進行評價，而在小尺度上(如某一樣地內(nèi)的植物種群)的恢復(fù)情況則難以體現(xiàn)，也無法反映生態(tài)系統(tǒng)的地下恢復(fù)情況，故該方法在生態(tài)修復(fù)監(jiān)測的應(yīng)用尚有可以創(chuàng)新的空間。植物樣方調(diào)查、樣坑調(diào)查等野外調(diào)查方法適用于對小尺度下具有代表性的樣地進行精確調(diào)查[11]，以反映該區(qū)域的物種多樣性、植物生長狀態(tài)、土壤肥分等情況。若遙感生態(tài)指數(shù)與野外工作數(shù)據(jù)結(jié)合使用，可以在大小尺度及地上地下兩個方面對生態(tài)修復(fù)水平進行全面考察。

本次研究選取焦作市九里山煤礦為研究區(qū)，以2020年夏季作為評價時間，探索遙感生態(tài)指數(shù)、植物物種多樣性指數(shù)與植物地下生境指數(shù)相結(jié)合的生態(tài)修復(fù)監(jiān)測方法，從而更為完整地展現(xiàn)生態(tài)修復(fù)監(jiān)測成果。

1 研究區(qū)概況

九里山煤礦位于河南省焦作市，面積為1 850.28 hm2，屬太行山山前平原的前緣地帶，地形平坦，海拔85～117 m[12]。礦區(qū)內(nèi)的土地利用類型以農(nóng)田和工礦建設(shè)用地為主。煤礦開采至今出現(xiàn)了一系列生態(tài)環(huán)境問題，如地面沉降造成土地荒廢、煤矸石壓占土地導(dǎo)致植被退化、生物多樣性減少等[13]。2010年以來，區(qū)內(nèi)開展了多期植被生態(tài)修復(fù)工程，未經(jīng)破壞的原生林地采用自然恢復(fù)法，輔之以保水保肥等措施；煤矸石堆積破壞的土地采用覆土后種植速生楊的方式進行修復(fù)。

2 生態(tài)修復(fù)監(jiān)測指標和方法

選取遙感生態(tài)指數(shù)、植物物種多樣性指數(shù)和植物地下生境指數(shù)3個指標，分別反映研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量、植物群落及植物地下生境的情況，疊加結(jié)果即為研究區(qū)生態(tài)修復(fù)監(jiān)測成果。

2.1 遙感生態(tài)指數(shù)

遙感生態(tài)指數(shù)(RSEI)主要由綠度、濕度、干度和熱度4個指標組成。

(1)綠度選用目前被廣泛應(yīng)用的歸一化植被指數(shù)[14]代表，其公式為：

INDV=(rnir-rred)/(rnir+rred)。

式中，rnir為遙感影像近紅外波段的反射率，rred為紅光波段的反射率。

(2)濕度是指水分含量，一般通過纓帽變換而得[15]，其公式為：

WOLI=0.151 1rblue+0197 3rgreen+0.328 3rred+0.340 7rnir-0.711 7rswir1-0.455 9rswir2。

式中，WOLI代表OLI遙感影像的濕度分量，ri(i=blue，green，…，swir2)分別為藍、綠、紅、近紅外、短波紅外1和短波紅外2波段的光譜反射率。

(3)干度(INDBS)一般由裸土指數(shù)(IS)和建筑指數(shù)(IB)[16]取平均值而得，其公式為：

IS=[(rswir1+rred)-(rblue+rnir)]/[(rswir1+rred)+(rblue+rnir)],

INDBS=(IS+IB)/2。

(4)熱度指地表溫度，采用大氣校正法進行陸地地表溫度反演得到[5,17,18]，其公式為：

TLS=T/[1+(λT/ρ)lnε]-273，

T=K2/ln(K1/Lλ+1)，

Lλ=gain×DN+bias。

式中，TLS為地表溫度，℃；T為傳感器處溫度，℃；λ為熱紅外波段的中心波長或有效波長,μm；ρ=1.438×10-2m·K；ε為地表比輻射率；K1=774.89 MW·m-3·sr-1，K2=1 321.08K1；Lλ為熱紅外波段的像元在傳感器處的光譜輻射值；gain為對應(yīng)波段的增益值；DN為像元灰度值；bias為對應(yīng)波段的偏置值。

由于綠度、濕度、干度和熱度4個指標的量綱不統(tǒng)一，對其進行歸一化計算，其公式為：

IN=(I-Imin)/(Imax-Imin)。

式中，IN為歸一化后的結(jié)果，I為指標值，Imax和Imin分別為指標的最大值和最小值。

對歸一化后的4個指標進行主成分分析，得到第一主成分PC1，進一步得到遙感生態(tài)指數(shù)初始值。歸一化后的結(jié)果即為遙感生態(tài)指數(shù)IRSE，取值范圍為[0，1]，若值越大，則說明生態(tài)修復(fù)效果越好。其公式為：

IRSE0=1-PC1，

IRSE=(IRSE0-IRSE0,min)/(IRSE0,maxIRSE0,min)。

式中，IRSE0為遙感生態(tài)指數(shù)初始值，IRSE0,max和IRSE0,min分別為IRSE0的最大值和最小值。

2.2 植物物種多樣性指數(shù)

植物物種多樣性指數(shù)采用目前廣泛使用的Shannon-wiener指數(shù)[19]進行計算并進行歸一化處理，其公式為：

式中，H0為Shannon-wiener指數(shù)計算得到的初始值，Pi為樣方中該物種個體數(shù)占所有物種個體數(shù)的比例，Ni指樣方中第i種物種的個體數(shù)，N為樣方所有物種的個體數(shù)之和，H為歸一化后的結(jié)果，H0max和H0min為初始值中的最大值和最小值。

2.3 植物地下生境指數(shù)

植物地下生境由我國學(xué)者徐恒力[20]首先提出，認為植物的生長狀況與其地下生境有著不可分割的關(guān)系。地下生境提供了植物生長所需的土壤、部分母質(zhì)等固持基質(zhì)及包含其中的水分、鹽分、有機質(zhì)等營養(yǎng)源。植物與地下生境的有機聯(lián)系是地球上各種生態(tài)關(guān)系的基礎(chǔ)。引入植物地下生境指數(shù)，分析地下生境條件，對科學(xué)指導(dǎo)生態(tài)修復(fù)工作具有重要意義。

植物地下生境指數(shù)(landscape environment index，ILE)通過分析土壤樣品檢測數(shù)據(jù)而來。由于土壤樣品測試指標眾多，且各個指標之間存在一定的相關(guān)性，計算地下生境指數(shù)時會出現(xiàn)信息重疊。采用主成分分析法對各指標進行相關(guān)性分析，篩選出具有顯著相關(guān)性的土壤評價因子后，再對各指標進行降維，得出綜合反映土壤質(zhì)量的指標特征值和特征向量，根據(jù)特征值λ≥1選取關(guān)鍵主成分，對各因子數(shù)值標準化后，計算各主成分得分，代入綜合得分公式求出各點的地下生境指數(shù)。

各指標標準化公式為：

各主成分得分值公式為：

式中，yi為第i個樣本的各主成分得分；bij為第i個樣本中第j個指標的主成分得分系數(shù)。

地境指數(shù)公式為：

式中，ILi為第i個樣本的地境指數(shù)；aik為第i個樣本的第k個主成分的特征值貢獻率。

2.4 監(jiān)測數(shù)據(jù)來源和方法

圖1 九里山礦區(qū)野外工作點位圖

(1)遙感數(shù)據(jù)。為了準確反映研究區(qū)內(nèi)植物生長情況，選用的遙感數(shù)據(jù)為2020年8月份的Landsat-8 OLI影像，云量低于1%，影像清晰。對遙感影像進行輻射定標及大氣校正等預(yù)處理，采用目前廣泛使用的MNDWI掩膜提取方法[22]去除水體的影響，最終得到能夠滿足遙感生態(tài)指數(shù)解譯工作的遙感影像。

(2)植物物種及地下生境情況。采用樣方調(diào)查法和樣坑調(diào)查法，選擇可反映植物群落結(jié)構(gòu)和地下生境條件等具有代表性的地段進行調(diào)查，重點調(diào)查研究區(qū)內(nèi)植物物種、植物生長情況、植物優(yōu)勢種等因素，對樣地內(nèi)的喬、灌木逐一進行記錄劃分；從樣坑工作面采集土樣，測試指標為對地下生境條件有明顯影響的土壤含水率、速效鉀、水解性氮、有效磷、有機質(zhì)、全鹽量和過氧化氫酶含量7個指標。本研究最終完成了11組樣方、6組樣坑及55份土樣調(diào)查，調(diào)查點覆蓋了研究區(qū)內(nèi)全部原生及人工林。調(diào)查點位情況如表1及圖1所示。

表1 九里山礦區(qū)野外工作點位統(tǒng)計表

3 監(jiān)測結(jié)果和分析

3.1 單指標數(shù)據(jù)結(jié)果

3.1.1 遙感生態(tài)指數(shù) 采用ENVI5.3和ARCGIS軟件進行遙感解譯工作，獲得遙感解譯九里山礦區(qū)遙感生態(tài)指數(shù)分布結(jié)果?；谀壳俺Ｓ玫姆旨墭藴蔥5]分為5類，即優(yōu)[0.8，1]、良[0.6，0.8)、中[0.4，0.6)、較差[0.2，0.4)和差[0，0.2)。圖2為九里山礦區(qū)遙感生態(tài)指數(shù)分布圖，表2為九里山礦區(qū)遙感生態(tài)指數(shù)面積及占比情況。從空間分布情況來看，5種類型均有分布。其中優(yōu)和良類型零星分布于研究區(qū)內(nèi)的林地區(qū)域，呈點狀或條帶狀分布，二者占比為3.99%。中等類型集中分布于農(nóng)田區(qū)域，呈面狀分布，占比為77.90%。較差類型集中分布于建設(shè)用地，呈小斑塊狀(城鎮(zhèn)、村落等居民建筑用地)或條帶狀分布(公路、鐵路等交通運輸用地)，差類型則集中分布于九里山礦場等工礦用地區(qū)域，二者占比為18.11%，這些區(qū)域植被較少，生態(tài)環(huán)境較差。

表2 九里山礦區(qū)遙感生態(tài)指數(shù)分布情況表

圖2 九里山礦區(qū)遙感生態(tài)指數(shù)分布圖

3.1.2 植物物種多樣性指數(shù)結(jié)果 對11個樣方調(diào)查記錄的植物進行計算，獲得各點的Shannon-wiener指數(shù)，如表3所示。通過ARCGIS插值分析將其轉(zhuǎn)化為平面結(jié)果，分為優(yōu)[0.8，1]、良[0.6，0.8)、中[0.4，0.6)、較差[0.2，0.4)和差[0，0.2)共5類。圖3為九里山礦區(qū)植物物種多樣性指數(shù)分布圖，表4為九里山礦區(qū)植物物種多樣性指數(shù)面積及占比情況。從空間分布情況來看，5種類型均有分布。其中優(yōu)和良類型集中分布于研究區(qū)西北部和西部區(qū)域，二者占比分別為3.56%和15.43%，這兩個區(qū)域集中分布有大量原生植被，植物群落結(jié)構(gòu)完整，植物物種多樣。中等類型分布于良和較差類型的過渡區(qū)域，占比為50.49%，為占比最高的類型。差和較差類型集中在研究區(qū)南部，二者占比為17.40%和13.12%，該區(qū)域為人工修復(fù)林地，植物類型以速生楊為主，植物物種較為單一，植物群落結(jié)構(gòu)簡單，故物種多樣性指數(shù)較低。

圖3 九里山礦區(qū)植物物種多樣性指數(shù)分布圖

表3 九里山礦區(qū)植物物種多樣性統(tǒng)計表

表4 九里山礦區(qū)植物物種多樣性指數(shù)分布情況表

3.1.3 植物地下生境指數(shù)結(jié)果 采用SPSS 23.0軟件對土壤樣品各指標含量進行相關(guān)性分析，其結(jié)果如表5所示，可以看出，7個指標間存在不同程度的顯著相關(guān)性。經(jīng)KMO和Bartlett球形度檢驗，KMO值為0.802>0.5，原有變量適合進行因子分析；Bartlett球形度檢驗的近似卡方值為146.627，自由度為21，相伴概率P<0.01，屬于極顯著水平，說明各指標間存在相關(guān)性。因此，采用主成分分析法評價該地區(qū)地下生境狀況是可行的。根據(jù)特征值λ≥1的原則，提取2個主成分(見表6)。2個主成分的方差貢獻率分別為53.822%和17.613%，累積方差貢獻率為71.435%，能反映所選指標的基本信息。根據(jù)載荷因子和主成分得分系數(shù)之間的關(guān)系(見表7)，可以看出各指標在主成分上的權(quán)重不同：在第一主成分中，有效磷、有機質(zhì)、水解性氮和過氧化氫酶有較大的正值；在第二主成分中，含水率有較大的正值。

表5 土壤樣品各指標相關(guān)性分析表

表6 土壤樣品特征值、貢獻率及累積貢獻率統(tǒng)計表

表7 土壤樣品因子載荷和主成分得分系數(shù)統(tǒng)計表

對7個因子原始數(shù)據(jù)進行標準化(分別用ZX1，ZX2，…，ZX7表示)，根據(jù)主成分得分系數(shù)矩陣(表7)，可得出各個主成分的綜合得分線性表達式：

F1=0.191ZX1+0.228ZX2+0.248ZX3+0.245ZX4-0.096ZX5+0.210ZX6+0.049ZX7，

F2=-0.183ZX1-0.224ZX2+0.053ZX3-0.099ZX4+0.097ZX5+0.325ZX6+0.775ZX7。

根據(jù)IL0=λ1F1+λ2F2+…+λ7F7(λ為主成分方差貢獻率)計算地下生境指數(shù)并歸一化，其公式為：

IL0=0.538F1+0.176F2,

ILE=(IL0-IL0,min)/(IL0,max-IL0,min)。

式中，ILE為歸一化后的地下生境指數(shù)值；IL0為地下生境指數(shù)初始值；IL0,min和IL0,max分別為地下生境指數(shù)初始值的最小值和最大值。計算得到九里山礦區(qū)植物地下生境指數(shù)統(tǒng)計結(jié)果如表8所示。采用與植物物種多樣性指數(shù)相同的方法進行可視化。

表8 九里山礦區(qū)各點位地境指數(shù)統(tǒng)計表

圖4 九里山礦區(qū)地境指數(shù)分布圖

圖4為九里山礦區(qū)地下生境指數(shù)分布圖，表9為九里山礦區(qū)地下生境指數(shù)各類型的面積及占比情況。從空間分布情況來看，5種類型均有分布。其中優(yōu)和良類型呈面狀分布于研究區(qū)西北和西側(cè)，占比分別為0.68%和31.98%。差和較差類型廣泛分布于研究區(qū)中部和南部，呈大范圍面狀分布，占比分別為1.03%和25.42%。中等類型分布于良和較差類型的過渡區(qū)域，占比為40.89%。

表9 九里山礦區(qū)地境指數(shù)分布情況表

3.2 生態(tài)修復(fù)監(jiān)測成果分析

使用ARCGIS軟件的加權(quán)總和工具將遙感生態(tài)指數(shù)、植物物種多樣性指數(shù)及植物地下生境指數(shù)疊加求和，其結(jié)果即為九里山礦區(qū)生態(tài)修復(fù)監(jiān)測成果圖，如圖5所示。從空間分布情況來看，研究區(qū)中5種生態(tài)修復(fù)監(jiān)測結(jié)果均有分布。其中生態(tài)修復(fù)監(jiān)測結(jié)果為優(yōu)和良類型主要集中在研究區(qū)西北邊和西部區(qū)域，二者占比分別為2.59%和15.78%。中等類型主要分布于從良至較差的過渡部分，占比為46.91%，為5種類型中占比最高的部分。較差和差類型主要分布于研究區(qū)南部及九里山礦場區(qū)域，二者占比為31.86%和2.86%，見表10。

圖5 九里山礦區(qū)生態(tài)修復(fù)監(jiān)測成果圖

表10 九里山礦區(qū)生態(tài)修復(fù)監(jiān)測情況表

根據(jù)監(jiān)測成果，不同區(qū)域影響生態(tài)修復(fù)效果的關(guān)鍵指標不同，現(xiàn)結(jié)合各區(qū)域開發(fā)特征和修復(fù)工程進行分析。圖5(a)是生態(tài)修復(fù)監(jiān)測結(jié)果為優(yōu)和良類型的區(qū)域，集中分布在研究區(qū)西北部及西部，其遙感生態(tài)指數(shù)、植物物種多樣性和地下生境指數(shù)均較高。該區(qū)域為自然恢復(fù)的原生林地區(qū)域，原生植物群落完整、植被覆蓋度高、地下生境條件好，生態(tài)修復(fù)質(zhì)量明顯優(yōu)于其他區(qū)域。圖5(b)是中等類型的區(qū)域，以農(nóng)田為主。人類農(nóng)業(yè)活動對生態(tài)環(huán)境有強烈影響，研究區(qū)農(nóng)作物以玉米為主，此時生長旺盛，普遍處于較高的植被覆蓋度狀態(tài)，因此其分布區(qū)域與農(nóng)田區(qū)域重合。圖5(c)是較差類型的區(qū)域，集中分布于研究區(qū)南側(cè)，生態(tài)修復(fù)工程為平整土地后栽種速生楊，因此植物物種單一，群落結(jié)構(gòu)簡單。差類型的區(qū)域如圖5(d,e,f)，形成原因有所差異：(1)由于煤礦開采造成地面塌陷，土地荒蕪，且雨季時形成積水，造成肥分流失嚴重，因此地下生境指數(shù)偏低，如圖5(d)；(2)如圖5(e)，九里山煤礦仍在開采，煤矸石堆積場的土地利用類型為建設(shè)用地，煤矸石剩余熱量造成熱度偏高，植被覆蓋低；(3)如圖5(f)，土地利用類型為城鎮(zhèn)及道路等建設(shè)用地，植被覆蓋度低。

生態(tài)修復(fù)監(jiān)測成果是3個指數(shù)共同作用的結(jié)果，在今后的生態(tài)修復(fù)工作中，應(yīng)明確對其結(jié)果起決定性的影響指標，有針對性地進行修復(fù)，以達到最佳的修復(fù)效果?；谝陨纤悸罚槍ι鷳B(tài)修復(fù)監(jiān)測結(jié)果為優(yōu)和良類型的地區(qū)，應(yīng)加強對現(xiàn)有植被的養(yǎng)護，保持其水肥條件；針對較差類型的區(qū)域，著重解決植物物種少、植物群落結(jié)構(gòu)單一的問題，可引入適合于本地栽種的其他植株以增加植物物種多樣性，豐富植物群落結(jié)構(gòu)；針對差類型的區(qū)域，可以覆土平整地面塌陷區(qū)域，重新復(fù)墾或者還林等；而九里山礦場和城鎮(zhèn)區(qū)域由于生產(chǎn)生活需要，短時間內(nèi)難以徹底改善，暫不推薦修復(fù)。

4 結(jié)論

(1)本次研究著眼于研究區(qū)地上和地下生態(tài)修復(fù)效果兩個方面，選取遙感生態(tài)指數(shù)、植物物種多樣性指數(shù)和植物地下生境指數(shù)3個指標，對研究區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量、植物物種數(shù)量及植物地下生境情況進行監(jiān)測，并對總體生態(tài)修復(fù)水平進行分析。

(2)對研究區(qū)的總體生態(tài)修復(fù)監(jiān)測結(jié)果進行分析，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)內(nèi)生態(tài)修復(fù)水平可分為優(yōu)、良、中、較差和差5種類型。其中優(yōu)和良類型主要集中在研究區(qū)原生植被條件完整的區(qū)域，且各個指標均處于較好水平；中等類型主要分布于農(nóng)田區(qū)域，人類農(nóng)業(yè)活動是主要影響因素；較差類型分布于人工林區(qū)域，其物種和群落結(jié)構(gòu)較為單一；差類型主要分布于建設(shè)用地區(qū)域，地面塌陷造成地下生境質(zhì)量較差也是原因之一。

(3)結(jié)合監(jiān)測結(jié)果，建議在今后的生態(tài)修復(fù)工程中，有針對性地開展修復(fù)工作。在生態(tài)修復(fù)監(jiān)測結(jié)果為優(yōu)和良類型的區(qū)域，應(yīng)加強對現(xiàn)有植被的養(yǎng)護，保持其水肥條件；對較差類型的區(qū)域，應(yīng)注重對其植物物種和群落結(jié)構(gòu)的修復(fù)；對地下生境引起的差類型區(qū)域可開展覆土后栽種植物的修復(fù)，礦場及城鎮(zhèn)用地則暫時不推薦修復(fù)。