馬 磊, 李 成, 司洪濤, 李滿意, 王 琛, 毛 錚, 王 科?

(1. 重慶地質礦產研究院, 401120,重慶;2.重慶大學,400044,重慶;3. 自然資源部重慶典型礦區(qū)生態(tài)修復野外科學觀測研究站(重慶地質礦產研究院),401120,重慶;4. 重慶市萬盛礦區(qū)生態(tài)環(huán)境保護修復野外科學觀測研究站(重慶地質礦產研究院),401120,重慶 )

礦山生態(tài)修復作為山水林田湖草沙一體化保護和系統(tǒng)治理中關鍵的一環(huán)。各地大力開展對礦山的修復,這使礦山生態(tài)突出問題得到有效緩解、生態(tài)修復成效明顯呈現(xiàn)、水土流失得到改善、生態(tài)涵養(yǎng)功能明顯提升[1]。礦山生態(tài)修復成效、生態(tài)狀況改善可以通過植被覆蓋度的動態(tài)變化進行表現(xiàn)。開展礦山公園植被恢復動態(tài)監(jiān)測及影響因素分析對科學開展礦山生態(tài)修復、研究流域水土流失影響規(guī)律具有重要指導意義[2-3]。

目前,植被恢復監(jiān)測主要依靠人工調查測量。由于工作強度、技術難度大,這種點式傳統(tǒng)的樣方調查法費時、費力,且難以從點到面的推廣,從而限制了工作規(guī)模[4]。因此,亟需一種成本低、效益高的監(jiān)測技術,能夠定期為礦區(qū)提供客觀準確的植被恢復動態(tài)監(jiān)測[5-6]。衛(wèi)星遙感具有覆蓋廣、周期短的特點,可以在植被恢復動態(tài)監(jiān)測中發(fā)揮最要作用[7]。近年來,植被凈初級生產力(net primary production, NPP)、植被歸一化指數(normalized difference vegetation index,NDVI)、葉面積指數(leaf area index,LAI)等植被參數的反演,已成為植被監(jiān)測的重要手段[8-9]。其中植被生長狀況的監(jiān)測常使用與植被覆蓋度(fractional vegetation cover,FVC)、地上生物量(aboveground biomass,AGB)、LAI等緊密相關的NDVI[10-11]。如王一等[12]利用偏相關分析法對重慶市2001—2018年MODIS13Q1和氣象數據進行分析,探究植被NDVI時空變化特性與氣象、降水等氣候因子之間的關系,定量評價人類活動、氣候因子對NDVI變化的影響;王逸男等[13]利用MODIS數據計算研究區(qū)植被覆蓋度,運用轉移矩陣等方法分析降水、坡度等因子對植被覆蓋度變化的影響;葉駿菲等[14]以廣西百色市為例,基于MODIS NDVI衛(wèi)星數據制作20a植被變化狀況數據集,探究降水、氣溫等氣候因子對植被變化情況的影響;牛全福等[15]結合影像數據、DEM數據等,在空間、時間尺度上探究研究區(qū)2000—2019年植被覆蓋變化特性;陳鍔等[16]利用混合像元分解法對白龍江流域MODIS、Landsat數據進行植被覆蓋度估算,分析其植被覆蓋度的變化情況。植被恢復受較多因素影響,土地覆蓋變化、氣候因子等對植被覆蓋度的變化有較大影響,分析研究區(qū)土地覆蓋變化、氣候因子對于植被恢復動態(tài)監(jiān)測意義重大[17-18]。

近幾年銅鑼山-銅鑼峽片區(qū)進行生態(tài)修復,但對其進行生態(tài)修復后植被覆蓋度恢復趨勢及空間分布特征的研究較少。因此探討該區(qū)域植被覆蓋度空間分布特征及對生態(tài)修復的響應,對保護區(qū)域內生物多樣性、指導生態(tài)修復工程下一步開展具有較大意義。筆者利用2016—2020年GF-2影像數據、銅鑼山礦山公園多期生態(tài)修復工程的設計、施工、管護等資料,采用象元二分模型提取該區(qū)域植被覆蓋度,利用一元線性回歸法分析植被覆蓋度恢復趨勢及空間分布特征,探究生態(tài)修復工程對不同區(qū)域植被恢復狀況的影響。利用遙感數據開展銅鑼山礦山公園植被恢復現(xiàn)狀監(jiān)測及影響因素分析,旨在客觀反映礦山生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀,為礦山生態(tài)修復成效評估提供參考和依據,為研究地表植被覆蓋度變化對流域水土流失情況的影響效果提供數據支撐。

1 研究區(qū)概況

本研究范圍為重慶市渝北區(qū)石船鎮(zhèn)銅鑼山礦山開采及影響區(qū)(含銅鑼山礦山公園),擁有沿銅鑼山脈排列的礦坑40余口,地理坐標E 106°43′20″～106°48′14″、 N 29°43′10″～29°49′12″,共25.016 km2,地理位置如圖1所示。

圖1 銅鑼山礦山公園區(qū)域位置Fig.1 Study area in Tongluo mountain mine park

為保護生態(tài)環(huán)境,2012年關閉銅鑼山片區(qū)全部礦山,“十三五”期間山水林田湖草國家試點工程在銅鑼山-銅鑼峽片區(qū)部署了生態(tài)修復工程,主要實施廢棄礦山綜合治理示范生態(tài)修復工程,對區(qū)域內40余口廢棄礦坑及周邊區(qū)域進行治理修復,使銅鑼山南段生態(tài)突出問題得到有效緩解、生態(tài)修復成效明顯呈現(xiàn)、生態(tài)涵養(yǎng)功能明顯提升。鑒于此,筆者選取在銅鑼山石船鎮(zhèn)片區(qū)開展植被恢復動態(tài)監(jiān)測及影響因素分析研究,以銅鑼山礦山公園區(qū)域為研究重點。

2 數據處理與方法

2.1 衛(wèi)星影像與預處理

高分二號(GF-2)衛(wèi)星是我國自主研制的空間分辨率優(yōu)于1 m的光學遙感衛(wèi)星,搭載有2臺高分辨1 m全色、4 m多光譜相機,星下點空間分辨率全色為0.81 m、多光譜為3.24 m。相對于其他高分系列的衛(wèi)星,高分二號衛(wèi)星空間分辨率大幅提高,高精度的遙感影像更利于土地類型變化研究。高分二號相關參數如表1所示。

表1 高分二號相關技術參數Tab.1 Technical information in Gaofen 2

研究區(qū)2012年關閉區(qū)域內全部礦山,但礦山地質環(huán)境治理與土地復墾工作進展緩慢。2016年11月,中央環(huán)保督察組對重慶市土地復墾率低的問題進行通報,歷史遺留及關閉礦山損毀土地復墾工作逐步啟動。“十三五”期間山水林田湖草國家試點工程在該區(qū)域系統(tǒng)部署礦山生態(tài)修復工程,2020年基本完工。故筆者選擇2016—2020年作為研究周期。筆者選用了銅鑼山礦山公園2016、2017、2018、2019和2020年共5景高分二號衛(wèi)星影像。利用ENVI 5.1軟件對多光譜和全色影像分別進行預處理,包括正射校正、輻射定標、大氣校正、正射校正、融合、裁剪等,預處理完影像分辨率優(yōu)于 1 m。

土地利用數據來自經預處理后的高分二號影像解譯成果。2016年土地利用數據由2016年9月17日GF-2數據解譯得到,空間分辨率1 m,考慮數據的準確性及可行性,與第2次全國國土調查成果相比較,結果較吻合。2020年土地利用數據由2020年8月26日遙感影像解譯得到,空間分辨率為1 m,考慮數據的準確性及可行性,與第3次全國國土調查成果相比較,結果較吻合。

2.2 銅鑼山-銅鑼峽片區(qū)生態(tài)修復工程

2016年,渝北區(qū)在擬建礦山公園所在的石船鎮(zhèn)石壁村、關興村、天坪村實施“重慶玉峰山廢棄礦山綜合治理示范工程”。以恢復生態(tài)環(huán)境為目標,開展封育保護,結合后期礦山公園開發(fā)建設,有序推進銅鑼山約117 hm2連片集中廢棄礦山及廢棄地塊的治理修復。采取危巖清除、凹腔填補、裂縫封閉、防護避讓、截排水溝等方式對危巖體、高陡邊坡等進行治理;采用先進生態(tài)恢復工藝,部署土地復墾復綠、地貌景觀恢復等工程。示范工程擬分4期實施(2016—2020年),投資金額為3.73億元。通過工程措施、生物措施等手段,消除地質災害隱患;恢復土地使用功能,新增建設用地(含居民點用地)2.26 km2,新增及恢復林地8.29 km2,新增及恢復耕地2.28 km2;恢復生態(tài)環(huán)境。并結合當地政府后續(xù)旅游規(guī)劃意向進行工程治理,推動區(qū)域產業(yè)轉型,促進“兩型社會”建設。

渝北區(qū)前鋒石材加工廠礦山地質環(huán)境治理修復與土地復墾項目(一期工程)、渝北區(qū)銅鑼山礦山地質環(huán)境治理恢復與土地復墾項目(二期工程)、渝北區(qū)銅鑼山區(qū)采石場礦山地質環(huán)境治理項目(三期工程)、渝北區(qū)銅鑼山廢棄礦山地質環(huán)境治理(三期工程)主要位于渝北區(qū)石船鎮(zhèn)石壁村、關興村、天坪村,土地復墾工程布設主要在復墾為耕地、林地區(qū)域,場地先拆除平整,然后覆土,再配套石坎擋土墻、田間道路、集水池、集水池、排水溝、沉沙凼、農涵等。

2.3 研究方法

2.3.1 FVC計算 植被覆蓋度的計算利用像元二分模型原理,假定只有植被和土壤構成像元信息,那么植被覆蓋部分所貢獻的信息Sv與土壤部分所貢獻的信息Ss組成傳感器觀測到的像元信息S。植被覆蓋度

(1)

李苗苗等[19]將NDVI代入此模型,得到:

(2)

式中:INDVI為年際最大化NDVI值;INDVI,s為完全為土壤或無植被覆蓋區(qū)域的NDVI值;INDVI,v為完全被植被所覆蓋的NDVI值,即純植被像元的NDVI值。本研究以INDVI,s=0.106,INDVI,v=0.796來估算銅鑼山礦山公園植被覆蓋度。

2.3.2 植被恢復動態(tài)變化分析 采用一元線性回歸模擬植被的綠度變化率來計算研究區(qū)每個柵格植被覆蓋度的變化情況K,計算式為

(3)

式中:y為第j年的植被覆蓋度;j為1～5的年序號;n為總年數。其中,K為正,則說明植被覆蓋度是增加的,反之減少;K的絕對值越大,則植被覆蓋度變化越大,反之越小。

2.3.3 土地覆蓋變化分析 土地覆蓋變化分析主要是建立土地利用轉移矩陣,其數學表達形式為

(4)

式中:S為面積;n為土地利用的類型數量;i、j分別為2016年與2020年的土地利用類型。筆者利用土地利用轉移矩陣,對銅鑼山礦山公園區(qū)2016和2020年的土地利用數據進行轉移分析。

3 結果與分析

3.1 植被覆蓋度空間分布

經計算,銅鑼山礦山公園區(qū)域2016—2020年的植被覆蓋度均值為66.4%,2016、2017、2018、2019和2020年重慶市銅鑼山(石船鎮(zhèn)片區(qū))礦山開采及影響區(qū)域的植被覆蓋度的分布如圖2所示,可以看出銅鑼山區(qū)域直接采掘區(qū)與其周邊區(qū)域植被覆蓋度存在較大差異,采掘區(qū)處于低植被覆蓋區(qū)域,即2016—2020年銅鑼山礦山公園植被覆蓋度呈增加走勢,空間上由研究區(qū)西北、東南向中間呈現(xiàn)遞減的趨勢。

圖2 2016—2020年銅鑼山礦山公園植被覆蓋度圖Fig.2 FVC (fractional vegetation cover) map of Tongluo mountain mine park from 2016 to 2020

從2016—2020年銅鑼山礦山公園區(qū)域植被覆蓋年際變化表明,2016—2020年研究區(qū)植被覆蓋度年均值范圍為62%～71%,礦山開采區(qū)植被覆蓋度年均值范圍為39%～48%,礦山開采直接導致植被覆蓋度的下降。2018年,礦山開采區(qū)進行礦山生態(tài)修復,該區(qū)域植被覆蓋度得到有效提升,植被覆蓋度以0.025/a的速度由2016年的39%增加至48%(圖3)。這表明礦山生態(tài)修復是礦山開采區(qū)植被覆蓋度增加的主要因素,植被覆蓋度的有效恢復表明研究區(qū)生態(tài)環(huán)境明顯改善。

圖3 2016—2020年銅鑼山礦山修復區(qū)植被覆蓋度年均值Fig.3 Annual mean of FVC on Tongluo mountain mine restoration area from 2016 to 2020

為探究礦山直接采掘區(qū)生態(tài)修復成效,對該區(qū)域2016和2020年植被覆蓋度年度變化情況進行統(tǒng)計,結合礦山開采修復區(qū)植被覆蓋度年平均結果,將礦山直接采掘區(qū)植被覆蓋度分為4級:<10%時為超低植被覆蓋度,≥10%～20%為低植被覆蓋度,≥20%～40%為中植被覆蓋度,≥40%為高植被覆蓋度。2016年、2020年各級別植被覆蓋度統(tǒng)計結果見表2,結果表明2016年礦山開采修復區(qū)植被覆蓋度以超低和低為主,且超低和低植被覆蓋度占區(qū)域面積的82.65%;2020年植被覆蓋度以中和高植被覆蓋度為主,高植被覆蓋度占區(qū)域面積的26.78%,中和高植被覆蓋度占區(qū)域面積的65.21%。礦山直接采掘區(qū)經生態(tài)修復后植被覆蓋度顯著提高,植被呈恢復狀態(tài)。

表2 2016年和2020年銅鑼山礦山修復區(qū)FVC分級面積Tab.2 Statistics of FVC graded area changes on Tongluo mountain mine restoration area in 2016 and 2020

3.2 植被覆蓋度變化

根據2016—2020年植被覆蓋度計算結果,利用相關公式計算研究區(qū)內各個像元2016—2020年植被覆蓋度的變化情況(K值)。近5年銅鑼山地區(qū)植被覆蓋度變化趨勢如圖4所示。從中可看出,植被覆蓋度明顯提升的區(qū)域分布在關心村、天坪村等地,說明生態(tài)修復工程改善該區(qū)域的植被生長狀況;植被覆蓋度明顯下降的區(qū)域分布在石壁村等地,結合實地調查,該區(qū)域人類活動頻繁,顯示植被存在退化的趨勢。

圖4 2016—2021銅鑼山礦山公園FVC變化趨勢Fig.4 Change trend of FVC on Tongluo mountain mine park from 2016 to 2020

銅鑼山礦山公園植被覆蓋度變化情況統(tǒng)計如表3所示,結果表明近5 a來研究區(qū)約1.871 km2區(qū)域植被覆蓋度嚴重退化,比例為7.48%,18.559 km2區(qū)域植被覆蓋度明顯改善,比例為74.19%。銅鑼山礦山公園植被退化的面積比例為12.18%,基本不變的面積比例為9.04%,改善的面積比例為78.77%。植被退化地區(qū)面積小于植被改善地區(qū)面積,表明銅鑼山礦山公園植被呈恢復狀態(tài),整體生態(tài)環(huán)境得到提升。

表3 2016—2021銅鑼山礦山公園FVC變化趨勢面積Tab.3 Area of FVC changing trend on Tongluo mountain mine park from 2016 to 2020

3.3 土地利用變化

土地利用變化可以記錄植被恢復工程對土地覆蓋類型改變的過程,2016、2020年銅鑼山礦山公園土地覆蓋分類如圖5所示,2016—2020年銅鑼山礦山公園土地覆蓋面積變化見表4。結合圖5和表4及生態(tài)修復工程相關資料,土地覆蓋類型變化方向由人類活動所引導主要表現(xiàn)出以下特點。

表4 2016—2020年銅鑼山礦山公園土地覆蓋面積變化Tab.4 Area change of land cover types on Tongluo mountain mine park from 2016 to 2020

圖5 2016、2020年銅鑼山礦山公園土地覆蓋分類圖Fig.5 Land cover map of Tongluo mountain mine park in 2016 and 2020

2016—2020 年期間,由于露天開采遺留下的裸地面積變化最大,因此裸地是其他土地類型新增的主要來源,主要向林地轉移,還有部分轉化成耕地和坑塘水面;而住宅用地主要來源于林地、裸地轉化;坑塘水面一部分轉化為耕地,一部分被恢復為林地;而交通用地面積幾乎保持穩(wěn)定。根據本研究結果和實地調查,礦山生態(tài)修復工程是銅鑼山礦山公園土地利用類型變化最為主要的因素。

從表4可知,從面積統(tǒng)計上看,2016年和2020年研究區(qū)總面積均為25.016 km2。從各個類型面積看,2016年其大小依次是林地>耕地>裸地>交通用地>住宅用地>坑塘水面,2020年其大小依次是林地>耕地>住宅用地>交通用地>裸地>坑塘水面,2016—2020 年期間,林地增加0.321 km2,而裸地減少0.424 km2,耕地、坑塘水面有少量減少,而交通用地和住宅用地總體均有所增加。

表5為研究區(qū)具體的不同類型土地覆蓋轉換關系。從表中可知,2016—2020年期間,由于露天開采遺留下的裸地面積變化最大,因此裸地是其他土地類型新增的主要來源,主要向林地轉移,還有部分轉化成耕地和坑塘水面;而住宅用地主要來源于林地、裸地轉化;坑塘水面一部分轉化為耕地,一部分被恢復為林地;而交通用地面積幾乎保持穩(wěn)定。

表5 2016—2020年銅鑼山礦山公園土地覆蓋轉移關系Tab.5 Area transfer relationship of land cover types on Tongluo mountain mine park from 2016 to 2020 km2

4 討論

重慶市渝北區(qū)石船鎮(zhèn)銅鑼山礦山開采及影響區(qū)(含銅鑼山礦山公園)植被覆蓋度在生態(tài)修復前后有明顯變化。在時間尺度上,2016—2020年間銅鑼山直接采掘修復區(qū)植被覆蓋度呈現(xiàn)增加趨勢,增加傾向為0.025/a,銅鑼山作為重慶主城四山之一,是重要的城市生態(tài)屏障,隨著生態(tài)文明理念的普及,國家和地方意識到生態(tài)環(huán)境狀況決定著該地的經濟發(fā)展和民生狀況,采取一系列的生態(tài)保護措施,包括礦山土地復墾、國土綜合整治、生物多樣性保護等。這些工程的實施一定程度上促進區(qū)域植被覆蓋度的增加。2017、2018和2019年研究區(qū)大力開展礦山生態(tài)保護修復工程,區(qū)域林地得到恢復、植被生長區(qū)域穩(wěn)定,這可能是造成植被覆蓋度在2018和2019年提升較快的原因,2018年山水林田湖草國家試點工程在該區(qū)域系統(tǒng)部署生態(tài)修復工程也更推動銅鑼山礦山開采及影響區(qū)(含銅鑼山礦山公園)植被的恢復。

植被覆蓋與氣候變化有一定關聯(lián),但人口增長、土地利用類型變化、城市化進程以及政策等人為因素是影響植被覆蓋變化的主要因素[20]。生態(tài)修復工程的實施,改變區(qū)域植被覆蓋低的現(xiàn)象,促進區(qū)域植被覆蓋的增長,對植被覆蓋增加產生積極影響[21]。本研究中植被恢復、邊坡復綠、隔離帶種植、林地恢復、封山育林等生態(tài)修復工程對植被覆蓋度的增加起到正向的作用,區(qū)域植被處于恢復狀態(tài);生態(tài)修復中蓄水池、排水溝、集水池等配套工程的修建對植被覆蓋的增加是抑制作用,這是因為生態(tài)修復中部分配套工程會造成小區(qū)域的植被退化。

5 結論

1)利用空間分辨率2 m的衛(wèi)星數據,利用NDVI估算植被覆蓋度,對植被恢復動態(tài)監(jiān)測效果理想。

2)2016—2020年銅鑼山礦山公園植被覆蓋度顯著增加,以0.025/a的速度由2016年的39%增加至2020年的48%。

3)銅鑼山礦山公園植被恢復表現(xiàn)出明顯改善趨勢,植被退化的面積為3.047 km2,基本不變的面積為2.261 km2,改善的面積為19.708 km2。

4)植被恢復工程對植被退化、改善均存在影響,人類活動對銅鑼山礦山公園植被覆蓋度產生正向影響,礦山開采修復區(qū)尤為突出,礦山生態(tài)修復對植被恢復和水土流失改善有明顯的促進作用。