陳 峰,楊利亞,馮海波,3,周建偉*,熊瑞民,朱 怡

(1.中國地質(zhì)大學(武漢)環(huán)境學院,湖北 武漢 430078;2.自然資源部礦山生態(tài)效應與系統(tǒng)修復重點實驗室,北京 100081;3.中國地質(zhì)大學(武漢)地理與信息工程學院,湖北 武漢 430078;4.中國地質(zhì)大學(武漢)地質(zhì)調(diào)查研究院,湖北 武漢 430074;5.中國地質(zhì)大學(武漢)藝術與傳媒學院,湖北 武漢 430074)

青海木里位于祁連山高寒多年凍土區(qū)與草甸草原區(qū),是青海省最大的煤礦區(qū),也是西北地區(qū)重要的煉焦煤資源產(chǎn)地,其地處黃河重要支流大通河的發(fā)源地,是祁連山區(qū)水源涵養(yǎng)地和生態(tài)安全屏障的重要組成部分,生態(tài)地位極為重要。近年來區(qū)內(nèi)大型露天煤礦開采加劇了草地生態(tài)系統(tǒng)退化。何芳等[1]基于高分辨率遙感影像監(jiān)測和野外調(diào)查,得出木里礦區(qū)地形地貌景觀和土地資源被壓占與破壞嚴重,高寒沼澤、草甸退化,凍土與含水層結構遭到嚴重破壞。高寒草原礦區(qū)生態(tài)安全問題一直備受關注。因此,開展高寒草原礦區(qū)植被生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性研究,能夠深入揭示露天采礦活動及其生態(tài)修復工程對高寒草原礦區(qū)植被生態(tài)系統(tǒng)的影響,其研究成果可為高寒草原礦區(qū)生態(tài)保護與修復提供科學依據(jù)。

近年來,學者們對于生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的研究大部分集中在評價方面[2],一些學者在對生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性概念理解的基礎上,通過選取生態(tài)系統(tǒng)活力、抵抗力、恢復力、變異性等方面的指標對生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性進行了評價[3-5],但由于生態(tài)系統(tǒng)的復雜性以及各要素衡量的困難性,目前尚沒有建立標準化的計算與量化方法[6-7]。也有一些學者從景觀格局動態(tài)的角度,通過選取外界干擾因子、景觀本身生態(tài)學特征因子以及景觀格局指數(shù)對生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性進行評價[8]。但是由于目前景觀生態(tài)學中固有的景觀格局指數(shù)更注重景觀幾何特征、狀態(tài)的描述,而缺乏動態(tài)機制與過程的研究[9-10],使得目前對于生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性研究仍以描述性評價為主[11-13]。然而,本文的共同作者馮海波提出了基于歸一化植被指數(shù)(NDVI)的時空數(shù)據(jù)序列分析方法,該方法基于植被生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性與漲落理論的分析,以表征植被自然屬性的NDVI數(shù)據(jù)為基礎,通過對植被生態(tài)系統(tǒng)如何由穩(wěn)定走向失穩(wěn)的判別,提出能夠表征植被生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的3個指數(shù),即NDVI的均值(μ)、均方差(σ)和相對漲落值(δ=σ/μ),并通過NDVI數(shù)據(jù)的網(wǎng)格化處理、網(wǎng)格內(nèi)植被穩(wěn)定性指數(shù)計算與時空維度分析,揭示植被生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性特征[14]。該方法已被應用于呼倫貝爾草原陳旗盆地露天礦區(qū)植被生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的研究中,由于植被穩(wěn)定性指數(shù)計算簡單,可對重點區(qū)域、異常漲落區(qū)域進行動態(tài)精細化分析及穩(wěn)定性識別,不涉及區(qū)位性的干擾,可廣泛應用于荒漠化、石漠化、高寒草原礦區(qū)、森林以及人造景觀等植被生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的研究。

因此,本文以祁連山南麓木里-聚乎更礦區(qū)為研究區(qū),以2002—2022年間9期遙感影像為數(shù)據(jù)基礎,采用基于歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index,NDVI)的時空數(shù)據(jù)序列分析方法,綜合運用GIS技術和數(shù)理統(tǒng)計方法,對礦業(yè)活動影響下的高寒草地植被生態(tài)系統(tǒng)開展時空維度動態(tài)規(guī)律的精細分析,揭示植被生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性特征及其在礦山生命周期不同階段的演化方向與穩(wěn)定性,這些研究成果可為祁連山高寒草原礦區(qū)的資源合理開發(fā)與生態(tài)建設決策提供理論支撐與科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

木里-聚乎更礦區(qū)位于青海省東北部,海西州天峻縣境內(nèi),本文選取木里-聚乎更礦區(qū)及其周邊區(qū)域8 988.54 hm2范圍為研究區(qū),見圖1。該區(qū)域氣候寒冷,晝夜溫差大,6—8月份為雨季,11月份至來年5月份以降雪為主;年平均氣溫為-4.2 ℃,年平均降水量為477.1 mm左右,年平均蒸發(fā)量為1 049.9 mm,長冬無夏,凍土發(fā)育,為典型的高原亞寒帶草原半干旱氣候區(qū)[15]。該地區(qū)土壤主要為草甸沼澤土,廣泛發(fā)育凍土[16];礦區(qū)植被類型分為高寒沼澤類和高寒草甸類,以耐寒旱的多年生叢生禾草、披堿草、蒿草、苔草為優(yōu)勢種,但植物群落種類組成貧乏、群落結構簡單、植被稀疏,對人類活動的抗干擾能力較弱[17]。

圖1 祁連山南麓青海木里-聚乎更礦區(qū)地理分布圖Fig.1 Geographical distribution map of Qinghai Muli-Juhugeng mining area in the southern Qilian Mountains

祁連山地區(qū)氣候在暖干化向暖濕化演變的過程中[18],氣溫與降水是影響高寒草地植被生長的主要自然因素[19-21]。根據(jù)2002—2022年區(qū)域氣象數(shù)據(jù),研究區(qū)區(qū)域降水量與NDVI均值之間具有高度的正相關性,如圖2所示。

圖2 研究區(qū)區(qū)域降水量與NDVI之間的相關性Fig.2 Correlation between regional precipitation and NDVI in the study area

木里-聚乎更礦區(qū)自20世紀70年代開始就有小規(guī)模開采,到2003年先后有8家企業(yè)進入礦區(qū)從事煤炭資源勘查及開發(fā)工作。2015年青海省對祁連山木里-聚乎更礦區(qū)煤炭資源開發(fā)引起的環(huán)境影響開展了渣山回填、渣山刷坡、整形覆土、種草覆綠、格構護坡等生態(tài)環(huán)境綜合整治工作,但由于采坑部分地段坡體松散、草地退化,生態(tài)修復治理工程未能達到預期效果。2020年8月,青海省進一步對該礦區(qū)進行采坑回填、渣山覆綠、邊坡治理、植被恢復、圍欄封育等生態(tài)修復治理,選取的礦區(qū)覆綠植被種類增多[22],并通過對各類型礦區(qū)覆綠渣土進行改良[23]、土質(zhì)優(yōu)化、提升土壤肥分及坡體穩(wěn)定性,目前礦區(qū)生態(tài)修復治理效果良好。

2 數(shù)據(jù)來源與分析方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究選取USGS官網(wǎng)(usgs.gov)的Landsat遙感影像數(shù)據(jù),依據(jù)木里-聚乎更礦區(qū)開采與整治歷史及云量、雪量情況,選取煤礦開采至修復治理期間地表覆蓋清晰可見、云量小于10%的9期夏季Landsat遙感影像數(shù)據(jù),見表1。

表1 Landsat遙感影像數(shù)據(jù)來源

氣象數(shù)據(jù)來源于ERA5 monthly averaged data on single levels from 1979 to present數(shù)據(jù)集,空間分辨率為0.25°×0.25°,時間分辨率為逐月。

本研究使用ENVI 5.3軟件對下載獲取的各期次Landsat遙感影像數(shù)據(jù)進行輻射定標、大氣校正、裁剪鑲嵌等預處理后,進行歸一化植被指數(shù)(NDVI)計算與合成。

2.2 研究方法

本研究基于前人提出的草原植被生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性研究的新方法[9],以NDVI的均值(μ)、均方差(σ)、相對漲落值(δ)3個植被穩(wěn)定性指數(shù)為依據(jù),對研究區(qū)高寒草地植被生態(tài)系統(tǒng)異常漲落的區(qū)域進行識別,揭示其動態(tài)過程及穩(wěn)定性。

基于NDVI的時空數(shù)據(jù)序列分析方法的流程(圖3)如下:①NDVI時間序列數(shù)據(jù)整理,見表1;②NDVI數(shù)據(jù)網(wǎng)格化,基于研究區(qū)露天煤礦各景觀類型土地的面積變化與幾何形狀,篩選確定300 m×300 m的網(wǎng)格為相對較好的基本單元;③網(wǎng)格內(nèi)植被穩(wěn)定性指數(shù)的計算,包括能夠反映網(wǎng)格內(nèi)植被天然屬性時空序列集中趨勢與平均狀態(tài)的NDVI均值(μ)、能夠反映植被波動程度和差異性的NDVI均方差(σ)和反映植被群落時空演替方向和穩(wěn)定性的NDVI相對漲落值(δ=σ/μ),具體計算公式參見文獻[14];④通過3個植被穩(wěn)定性指數(shù)的時空分布特征分析、局部異常漲落區(qū)域識別,檢測植被生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性變化特征。

圖3 NDVI的時空數(shù)據(jù)序列分析方法的流程示意圖Fig.3 Process of spatiotemporal data sequence analysis method based on NDVI

3 研究結果與分析

3.1 天然草地植被生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性特征

在研究區(qū)選取10處受人類活動影響較小的天然草地作為背景區(qū),對其植被穩(wěn)定性指數(shù)的演替規(guī)律進行了研究,其結果見圖4。

圖4 研究區(qū)背景區(qū)天然草地NDVI均值(μ)、均方差(σ)和相對漲落值(δ)的時間序列動態(tài)圖Fig.4 Time series of NDVI mean value(μ),mean square deviation(σ) and relative fluctuation(δ) of natural grassland in the background area of the study area

由圖4可看出:對于原生背景區(qū),中、高覆蓋草地(μ≥0.5)區(qū)域(柵格2、3、4、5)植被NDVI的均方差(σ)和相對漲落值(δ)較低覆蓋草地(0.5>μ≥0.2)區(qū)域(柵格1、6、7、8、9、10)植被NDVI的均方差(σ)和相對漲落值(δ)低,表明其植被生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性更強。天然草地植被的NDVI均值(μ)為0.08～0.82,NDVI均方差(σ)為0.01～0.18,NDVI相對漲落值(δ)為0.02～0.45,NDVI相對漲落背景閾值為0.45。在時間尺度上,枯水年(2006年)天然草地植被分布更不均勻,相對漲落值更高,說明天然草地植被生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部的振蕩劇烈,系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低。

3.2 礦區(qū)各地段植被生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性特征

研究區(qū)礦山NDVI均值、均方差、相對漲落時間序列動態(tài)圖見圖5,其中礦區(qū)渣山、礦區(qū)礦坑斜坡、礦區(qū)坑底平臺3個植被穩(wěn)定性指數(shù)的時間序列動態(tài)圖,見圖6至圖8。

圖5 研究區(qū)礦區(qū)NDVI均值(μ)、均方差(σ)和相對漲落值(δ)時間序列動態(tài)圖Fig.5 Time series of NDVI mean value (μ),mean square deviation(σ) and relative fluctuation(δ) in the mine area of the study area

圖6 研究區(qū)礦區(qū)渣山NDVI均值(μ)、均方差(σ)和相對漲落值(δ)時間序列動態(tài)圖Fig.6 Time series of NDVI mean value(μ),mean square deviation(σ) and relative fluctuation(δ)of slag mountain area of the study area

3.2.1 礦區(qū)渣山

由圖5和圖6可以看出:

1) 2002年開采前,礦區(qū)渣山相對漲落值(δ)小于0.30,說明植被生態(tài)系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。自2003年開采后礦區(qū)不斷擴大,植被生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性受到干擾,礦山開采對植被生態(tài)系統(tǒng)的影響具有一定的滯后性。至2012年,低、中、高覆蓋草地均變?yōu)槁愕?區(qū)域植被波動明顯,植被NDVI相對漲落值比背景區(qū)閾值高0.94,表明植被生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性大幅降低,濕地與草地功能退化,植被生態(tài)系統(tǒng)被完全破壞。

2) 2015—2017年第一次治理后,礦區(qū)渣山Ⅰ.1南部原生低覆蓋區(qū)(柵格93、94、109)的覆綠效果最為顯著,植被分布波動小;而接近礦坑的渣山Ⅰ.1、渣山Ⅰ.2內(nèi)(柵格56、70、71、95、110、111)覆綠效果并未達到預期;2019年區(qū)域植被NDVI相對漲落值較高,在0.28～1.10之間,說明初期采取的治理措施在高寒礦區(qū)適應性較差。

3) 2020—2022年第二次整治后,礦區(qū)渣山Ⅰ.1內(nèi)植被NDVI均值恢復程度大于第一次治理,現(xiàn)觀測覆綠區(qū)(柵格93、94、95)恢復到高NDVI均值低漲落狀態(tài),經(jīng)土地整治但未覆綠處理的渣山南坡(柵格109、110)處于緩慢恢復狀態(tài),植被生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性不佳,NDVI相對漲落值達0.80,而礦區(qū)渣山Ⅰ.2內(nèi)各柵格區(qū)域相對漲落值分布均較低,接近背景區(qū)的天然狀態(tài)。礦區(qū)渣山Ⅲ.3堆積時間較短,植被覆蓋持續(xù)提高,2022年植被NDVI相對漲落值恢復至小于0.40的穩(wěn)定狀態(tài)。

4) 3處渣山由原生低、中、高覆蓋草地均演變?yōu)槁愕睾笱葑優(yōu)槿斯げ莸?標志植被生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的NDVI相對漲落值表現(xiàn)出先升高后降低的趨勢。

3.2.2 礦區(qū)礦坑斜坡

由圖5和圖7可以看出:

圖7 研究區(qū)礦區(qū)礦坑斜坡NDVI均值(μ)、均方差(σ)和相對漲落值(δ)時間序列動態(tài)圖Fig.7 Time series of NDVI mean value(μ),mean square deviation(σ) and relative fluctuation(δ)of pit slope area of the study area

1) 在2003年斜坡未形成前,網(wǎng)格內(nèi)植被NDVI相對漲落值小于0.62,處于自然演替狀態(tài);在2012年開采末期,陰坡斜坡Ⅱ.1(柵格51、67、68、83、84)由草地破壞演變?yōu)槁愕?區(qū)域植被NDVI相對漲落值達1.39,比背景區(qū)閾值高0.94,說明植被生態(tài)系統(tǒng)被完全破壞,見圖7。

2) 兩處礦坑邊坡在停采后維持現(xiàn)狀,陽坡斜坡Ⅱ.2的植被NDVI相對漲落值與背景區(qū)閾值的差值為0.97,2015年治理后植被生態(tài)系統(tǒng)未能穩(wěn)定,表明單純地用覆土+人工建植方式對高寒礦區(qū)斜坡植被生態(tài)系統(tǒng)恢復效果較差。

3) 經(jīng)后續(xù)2020年邊坡整治、覆土改良、人工建植后植被覆蓋度與穩(wěn)定性發(fā)生了明顯變化,目前NDVI相對漲落值回降到接近背景區(qū)天然草地的水平,區(qū)域植被NDVI相對漲落值分布范圍為0.18～0.49,且陽坡斜坡Ⅱ.2的生態(tài)恢復效果相對陰坡斜坡Ⅱ.1更好。這表明覆土可以有效促進植物的生長,提高植被生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,是高寒草原煤礦區(qū)比較理想的生態(tài)修復治理措施。

3.2.3 礦區(qū)坑底平臺

由圖5和圖8可以看出:

圖8 研究區(qū)礦區(qū)坑底平臺NDVI均值(μ)、均方差(σ)和相對漲落值(δ)時間序列動態(tài)圖Fig.8 Time series of NDVI mean value(μ),mean square deviation(σ) and relative fluctuation(δ) of pit bottom platform of the study area

1) 礦區(qū)5號井坑底平臺在2002—2003年開采面積較小,處于自然漲落狀態(tài),網(wǎng)格內(nèi)植被NDVI相對漲落值小于0.6。在2012年開采末期,礦區(qū)礦坑中西部(柵格53)早已停采,植被相對于2006年幾乎無波動,植被NDVI相對漲落值為0.2,植被生長處于中覆蓋草地穩(wěn)定發(fā)展狀態(tài),礦坑在此期間向東部擴展,礦坑東部植被NDVI均值降至0.2,NDVI均方差小幅波動,但NDVI相對漲落值急劇增大,區(qū)域(柵格69、85、102、103、118)植被處于向裸地發(fā)展的不穩(wěn)定過渡階段。

2) 2015年采坑回填覆綠,植被覆蓋度大幅增加,NDVI相對漲落值漲至1.41,比天然草地NDVI相對漲落值閾值高0.96,在停止維護后植被NDVI均值下降至比采礦末期更低的范圍,表明此時的植被生態(tài)系統(tǒng)并未持續(xù)穩(wěn)定;在2019年、2020年,草地(柵格68、85、102、119)完全失穩(wěn),區(qū)域處于趨向裸地發(fā)展的近裸地狀態(tài);直至2021年、2022年覆綠,植被NDVI均值回升,區(qū)域NDVI均方差達到0.30后下降,NDVI相對漲落值的范圍為0.31～0.80,小幅波動后下降,向良好態(tài)勢發(fā)展,植被生態(tài)系統(tǒng)處于向自然草地演進的近自然草地階段,植被NDVI均方差與相對漲落值接近天然草地。

以上結果表明:高寒草原開采后礦區(qū)坑底平臺區(qū)域植被生態(tài)系統(tǒng)幾乎徹底失穩(wěn),在2015年退化到近裸地狀態(tài);高寒草原礦區(qū)2015—2017年邊采邊治的策略持續(xù)加大了對區(qū)域草地及凍土的破壞;在徹底停止開采后2017—2019年,坑底平臺依然不能有效恢復植被;經(jīng)2020—2022年的“覆土+施肥+人工建植”生態(tài)恢復治理,區(qū)域植被NDVI相對漲落值現(xiàn)已降至近天然草地背景區(qū)的NDVI相對漲落值范圍(0.20～0.59),表明該措施是恢復高寒草原礦區(qū)植被生態(tài)系統(tǒng)的有效途徑。

4 討 論

對比研究區(qū)礦山兩次生態(tài)修復治理效果發(fā)現(xiàn),土壤改良在高寒草地礦區(qū)不同地形條件下均能顯著提高植被生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性,促進植被生態(tài)系統(tǒng)正向演替發(fā)展,地形是影響礦區(qū)植被生態(tài)環(huán)境恢復的主要因子,高寒礦山受損植被生態(tài)系統(tǒng)的治理可通過優(yōu)化礦區(qū)渣山與陰坡斜坡的生態(tài)修復治理措施來進一步提升其生態(tài)環(huán)境恢復效率。

由于生態(tài)環(huán)境修復時間較短,礦區(qū)植被生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)階段表現(xiàn)出趨于穩(wěn)定化的態(tài)勢,還需要后期多年的監(jiān)測才可以完整定論。

5 結 論

1) 在宏觀尺度上,地形與氣候條件決定著植被空間分布格局,降水與植被NDVI密切相關。采礦與生態(tài)修復等人類活動尚未影響到區(qū)域植被生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,背景區(qū)天然草地的NDVI均值(μ)范圍為0.08～0.82,NDVI均方差(σ)小于0.18,NDVI相對漲落(δ)閾值為0.45。

2) 與背景區(qū)相比,礦山開采后礦區(qū)植被NDVI相對漲落值明顯增加,植被生態(tài)系統(tǒng)失穩(wěn),礦區(qū)植被NDVI相對漲落值與背景區(qū)閾值的差值可達0.97。

3) 2015—2017年第一次生態(tài)修復治理后,礦區(qū)植被NDVI相對漲落值未能有效降低,2019年該值范圍為0.28～1.10,覆土+人工建植方式的生態(tài)修復治理效果不明顯。

4) 2020—2022年第二次生態(tài)修復治理后,經(jīng)礦區(qū)渣土改良、土地增穩(wěn)、養(yǎng)分提升,植被生態(tài)系統(tǒng)覆蓋度與穩(wěn)定性明顯改善,治理區(qū)植被NDVI相對漲落值降低至天然草地背景區(qū)相似水平(0.07～0.59),植被生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性排序為礦區(qū)坑底平臺>礦區(qū)礦坑斜坡>礦區(qū)渣山。