禹州市1992－2015年礦區(qū)植被覆蓋度動(dòng)態(tài)變化研究

甄 娜，李宇航，陳 濤*

（1.河南省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院，河南 鄭州 450016；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢） 地球物理與空間信息學(xué)院，湖北 武漢 430074）

我國(guó)是礦產(chǎn)資源大國(guó)，在某種程度上，礦山開(kāi)采的強(qiáng)度與礦區(qū)周邊自然環(huán)境破壞程度成正比關(guān)系[1]。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，必然需要大量開(kāi)采礦產(chǎn)資源，然而在礦山開(kāi)采、加工、運(yùn)輸和利用的過(guò)程中，給生態(tài)環(huán)境帶來(lái)了嚴(yán)重破壞，導(dǎo)致礦區(qū)生態(tài)環(huán)境日益惡化，其中露天采場(chǎng)與工業(yè)廣場(chǎng)對(duì)環(huán)境破壞最為明顯。據(jù)統(tǒng)計(jì)，20世紀(jì)以來(lái)我國(guó)每年破壞土地面積以8%～9%的速度遞增，到2020年，年均破壞土地面積約為6 600 hm2，破壞速度迅猛，勢(shì)必會(huì)影響我國(guó)礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)的可持續(xù)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護(hù)[2]。因此，對(duì)礦山環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，合理開(kāi)采礦產(chǎn)資源，維持并改善礦區(qū)生態(tài)環(huán)境是一項(xiàng)必要的戰(zhàn)略任務(wù)。

植被是地表生態(tài)系統(tǒng)中最重要的組成部分。植被覆蓋度是指植被的葉、莖、枝等地上部分在地面的垂直投影面積占單位面積的百分比[3]，可有效衡量地表植被狀況。植被覆蓋度的高低將直接體現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)是否健康[4]，因此常被作為評(píng)價(jià)區(qū)域生態(tài)環(huán)境的重要指標(biāo)?，F(xiàn)階段已研究出多種植被覆蓋度的遙感估算方法，如楊勝天[5]等通過(guò)植被指數(shù)法提取了南水北調(diào)西線工程區(qū)的植被覆蓋度，并對(duì)調(diào)水工程區(qū)的自然生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀進(jìn)行了評(píng)價(jià)；池宏康[6]采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头ㄌ崛×松车赜洼锶郝涞闹脖桓采w度，并建立了其與土壤調(diào)節(jié)植被指數(shù)之間的關(guān)系模型；李苗苗[7]等建立了利用歸一化植被指數(shù)（NDVI）定量估算植被覆蓋度的模型，并結(jié)合密云水庫(kù)上游的實(shí)際情況，對(duì)研究區(qū)植被覆蓋度進(jìn)行了估算；孫安昌[8]等利用混合像元分解方法提取了1991－2013年武漢市的植被、水體、裸地3種地物類型的植被覆蓋度，并分析了武漢市地表覆蓋變化情況。

植被覆蓋度在礦山生態(tài)環(huán)境研究中也有廣泛應(yīng)用，如張世文[9]等利用長(zhǎng)時(shí)間序列遙感影像獲取了植被覆蓋度，并分析了草原露天煤礦區(qū)的植被波動(dòng)程度和變化趨勢(shì)，以揭示礦山開(kāi)采活動(dòng)對(duì)植被覆蓋度的影響；李恒凱[10]等利用森林郁閉制圖模型、像元二分法模型和線性光譜混合模型分析了稀土礦產(chǎn)資源開(kāi)采活動(dòng)下的礦區(qū)植被覆蓋變化情況；謝寶妮[11]等利用多年的凈第一性生產(chǎn)力數(shù)據(jù)分析了礦區(qū)植被時(shí)空變化特征提取和影響因子的相關(guān)性。在礦山開(kāi)采的過(guò)程中，隨著開(kāi)采強(qiáng)度的不斷上升，地表植被覆蓋狀況也將受到劇烈影響，因此研究礦區(qū)植被覆蓋變化情況，可有效了解礦區(qū)及其周邊地區(qū)植被的破壞程度，對(duì)加強(qiáng)礦山管理監(jiān)督和恢復(fù)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境具有重要意義[12]。

本人結(jié)合前人研究成果和河南省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院2018年河南省礦山地質(zhì)遙感動(dòng)態(tài)解譯數(shù)據(jù)，以河南省禹州市為研究區(qū)，以礦區(qū)圖斑為對(duì)象，研究了各類礦山開(kāi)采對(duì)植被的破壞程度；并分析了1992－2015年植被覆蓋變化情況，以期在方法技術(shù)上積累經(jīng)驗(yàn)，為禹州市礦山環(huán)境的恢復(fù)治理提供遙感依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

禹州市地處河南省中部（圖1），隸屬于許昌市管轄，位于 113°03′～113°39′E、33°59′～34°24′N之間，為伏牛山脈與豫東平原過(guò)渡帶；總面積為1 461 km2，平均海拔為225.77 m；東接長(zhǎng)葛縣，西鄰登封市、汝州市，南連郟縣、襄城縣，北靠新鄭市、新密市。禹州市屬溫帶季風(fēng)性氣候，熱量資源豐富、雨量充沛、光照充足、無(wú)霜期長(zhǎng)，年平均降水量約為650 mm。禹州市擁有豐富的礦產(chǎn)資源，經(jīng)初步探測(cè)，包括煤炭、鋁礬土、石灰?guī)r、稀土等30多種，種類繁多；有礦產(chǎn)地33處，其中煤炭總儲(chǔ)量最高，約為90億t，居河南省第二位，是全國(guó)15個(gè)商業(yè)煤炭基地之一[13]。

圖1 研究區(qū)示意圖

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文選用的遙感影像數(shù)據(jù)是從地理空間數(shù)據(jù)云（http://www.gscloud.cn/）下載的Landsat衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，包括TM和OLI_TIRS傳感器數(shù)據(jù)。受數(shù)據(jù)質(zhì)量和季節(jié)影響，本文篩選了7幅遙感影像，如表1所示。

表1 遙感影像數(shù)據(jù)列表

禹州市礦區(qū)數(shù)據(jù)來(lái)源于河南省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院，包括堆積、壓占和挖損3種土地占用類型的圖斑。由圖2可知，圖斑主要集中在禹州市北部和西部多山地區(qū)，挖損類居多，堆積類較少。

圖2 禹州市圖斑分布

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

本次研究區(qū)裁剪采用的是從河南省自然資源廳獲取的禹州市行政邊界矢量，再進(jìn)行輻射定標(biāo)和大氣校正等預(yù)處理工作，預(yù)處理基于ENVI5.3平臺(tái)完成。輻射定標(biāo)參數(shù)適應(yīng)Flaash大氣校正設(shè)定，大氣校正參數(shù)模型選用適應(yīng)影像傳感器。研究區(qū)平均海拔則通過(guò)地理空間數(shù)據(jù)云下載的30 m分辨率DEM數(shù)據(jù)裁剪并計(jì)算獲取。大氣模型根據(jù)參考影像獲取時(shí)間和研究區(qū)位置選擇Sub-Arctic Summer模型。

2.2 植被覆蓋度信息提取

本文采用像元二分模型進(jìn)行植被估算。該模型將混合像元表現(xiàn)出來(lái)的混合光譜信息分解為植被覆蓋光譜信息和非植被覆蓋光譜信息，因其結(jié)果準(zhǔn)確且普適性強(qiáng)而得到了廣泛應(yīng)用。其計(jì)算公式為：

式中，VFC為植被覆蓋度；NDVIs為裸土或無(wú)植被覆蓋區(qū)的NDVI值；NDVIv為全植被覆蓋像元的NDVI值，即純凈植被像元NDVI值。

式中，NIR為近紅外波段，R為紅波段，分別對(duì)應(yīng)Landsat5 TM影像的3、4波段和Landsat8 OLI影像的4、5波段。

理想狀態(tài)下，純凈裸土或非植被像元NDVIs的值應(yīng)趨近于0，純凈植被像元的NDVIv值趨近于1；但受溫度、濕度、傳感器和大氣等影響，NDVI值是不確定的，將隨時(shí)間和空間的變化而變化，變化范圍一般在-0.1～-0.2之間[14]，因此NDVIs與NDVIv的選取并不能參考理想狀態(tài)下的數(shù)值。本文借鑒李苗苗[7]等估算NDVIv和NDVIs的方法，根據(jù)像元NDVI值的統(tǒng)計(jì)情況，以累積像元5%和95%作為上下限取閾值分別代表NDVIs和NDVIv。研究技術(shù)流程如圖3所示。

圖3 研究技術(shù)流程圖

3 研究結(jié)果與分析

3.1 禹州市礦區(qū)植被覆蓋度整體變化趨勢(shì)

禹州市7個(gè)不同時(shí)期的植被覆蓋度如圖4所示，可以看出，2001年、2004年和2015年植被覆蓋度整體情況較好，1994年、2008年、2010年植被覆蓋度整體較差；禹州市西、北部邊緣地帶植被覆蓋情況普遍較好，中、東、部以及南部地區(qū)隨時(shí)間變化差異較大，且有一定的波動(dòng)。禹州市西、北部以山區(qū)為主，海拔較高，礦產(chǎn)資源多集中于此，植被覆蓋類型以林地為主，覆蓋度相對(duì)較好，但由于一系列的礦山開(kāi)采活動(dòng)，植被受到了明顯破壞；中、東、南部多為平原地區(qū)，海拔較低，植被覆蓋類型以耕地為主，植被覆蓋變化不穩(wěn)定。

導(dǎo)致植被覆蓋度波動(dòng)較大的原因主要為獲取影像受季節(jié)影響嚴(yán)重。禹州市以平原為主，耕地面積約為910 km2，占禹州市總面積的60%以上；而耕地受季節(jié)影響嚴(yán)重，不同時(shí)段農(nóng)作物長(zhǎng)勢(shì)變化較大，因此導(dǎo)致了植被覆蓋度的波動(dòng)。為減小季節(jié)影響，本文以礦區(qū)為主，結(jié)合2018年礦區(qū)圖斑矢量在ArcGIS10.3平臺(tái)上計(jì)算了圖斑內(nèi)植被覆蓋度的變化情況，如圖5所示，可以看出，1992－2015年禹州市礦區(qū)植被覆蓋度均值整體呈下降趨勢(shì)，1992年植被覆蓋度均值最高，為41.84%，2010年植被覆蓋度均值最低，為17.03%；1992－1994年植被覆蓋度下滑顯著，共降低了11.85%；1994－2004年有短暫上升；2008－2015年河南省經(jīng)濟(jì)形勢(shì)較好，禹州市北部礦區(qū)主要以開(kāi)采建筑石料的露天采場(chǎng)為主，受房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)、城區(qū)建設(shè)等影響較大，因此經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)導(dǎo)致了礦區(qū)的快速擴(kuò)張，進(jìn)而造成了植被覆蓋度的快速下降。

圖4 1992－2015年禹州市植被覆蓋度圖

圖5 1991－2015年禹州市礦區(qū)植被覆蓋度平均值

3.2 礦區(qū)植被覆蓋面積變化

為了研究礦區(qū)植被的生長(zhǎng)情況，本文將植被覆蓋度劃分為不同等級(jí)，從而計(jì)算不同等級(jí)植被覆蓋面積。植被覆蓋度的分級(jí)方法有很多，本文采用等間距分隔法[13]將植被覆蓋度分為5個(gè)等級(jí)，即0～20%、20%～40%、40%～60%、60%～80%、80%～100%，如表2所示。1992－2014年不同等級(jí)植被覆蓋度面積轉(zhuǎn)移折線圖如圖6所示，可以更清晰地觀察植被覆蓋面積的變化。

表2 各年份不同等級(jí)植被覆蓋面積/hm2

圖6 1992－2014年不同等級(jí)植被覆蓋度面積轉(zhuǎn)移折線圖

礦山開(kāi)采活動(dòng)的土地利用破壞主要表現(xiàn)為土地的挖損、壓占和堆積。首先剝離耕地、林地等原本的地表植被，再?gòu)氖碌V山的開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)等活動(dòng)，隨著時(shí)間的推移，礦山開(kāi)采活動(dòng)在影像上表現(xiàn)為無(wú)植被覆蓋面積不斷擴(kuò)張。耕地植被覆蓋度變化幅度較大，受季節(jié)影響也較大，通常表現(xiàn)為低植被覆蓋或無(wú)植被覆蓋，對(duì)研究結(jié)果有一定的影響，若影像獲取時(shí)間為農(nóng)作物生長(zhǎng)茂盛時(shí)期，則表現(xiàn)為高植被覆蓋；草地、林地的變化主要體現(xiàn)為中高植被覆蓋變化，相對(duì)較穩(wěn)定。礦區(qū)主要集中在禹州市北部，以林地和草地為主，有部分耕地，因此可通過(guò)無(wú)植被覆蓋面積的變化分析禹州市礦區(qū)的擴(kuò)張情況。

由表2和圖6可知，1992－2003年無(wú)植被覆蓋區(qū)面積不斷增大，增勢(shì)明顯，說(shuō)明禹州市礦區(qū)面積在不斷擴(kuò)大；中高植被覆蓋區(qū)面積變化整體平穩(wěn)，有微弱下降；低植被覆蓋區(qū)面積顯著減小，表明禹州市的礦區(qū)開(kāi)發(fā)程度不斷加深，以侵占耕地植被為主，侵占了少部分林地、草地。

為了具象化展示礦區(qū)植被的破壞程度，本文截取禹州市北部礦權(quán)密集處作為局部示意圖，選取1992年、2004年、2015年典型時(shí)間節(jié)點(diǎn)具象化表現(xiàn)植被面積的不斷縮減，結(jié)果如圖7所示，可以看出，1992年礦區(qū)內(nèi)無(wú)植被覆蓋區(qū)面積較小，低植被覆蓋區(qū)面積較大，影像表現(xiàn)為裸露的山脊和部分耕地，未出現(xiàn)明顯的開(kāi)采痕跡；2004年影像已有明顯的礦山開(kāi)采痕跡，無(wú)植被覆蓋區(qū)面積明顯擴(kuò)張；2015年礦山開(kāi)采面積進(jìn)一步擴(kuò)張，無(wú)植被覆蓋區(qū)面積呈明顯增長(zhǎng)趨勢(shì)。

圖7 1992－2015年礦區(qū)植被覆蓋度對(duì)比

3.3 不同礦種間植被覆蓋面積變化對(duì)比

礦山是開(kāi)發(fā)礦產(chǎn)資源而形成的比較獨(dú)特的體系。礦區(qū)地物是礦山在礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)過(guò)程中形成的特定的土地占用類型。對(duì)于礦山地物的分類，在我國(guó)因地域的差別而有所不同，目前尚未形成統(tǒng)一的分類標(biāo)準(zhǔn)。本文參照河南省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院發(fā)布的礦山地物分類標(biāo)準(zhǔn)將礦區(qū)圖斑分為3種土地占用類型，如表3所示。

表3 禹州市礦區(qū)圖斑統(tǒng)計(jì)表

不同的土地占用類型對(duì)植被破壞的程度有所不同，因此本文分別針對(duì)3種土地占用類型統(tǒng)計(jì)植被覆蓋面積占比變化情況，并對(duì)比其破壞程度，從而了解其在礦山環(huán)境治理工作中的優(yōu)先級(jí)。由圖7可知，在礦區(qū)范圍內(nèi)，植被覆蓋度為0～20%的區(qū)域與礦山開(kāi)采區(qū)域保持高度一致，因此本文以20%為研究閾值，將礦區(qū)劃分為有植被覆蓋區(qū)域與無(wú)植被覆蓋區(qū)域，并計(jì)算面積制作折線圖，如圖8所示，可以看出，3種土地占用類型均呈有植被覆蓋區(qū)面積下降、無(wú)植被覆蓋區(qū)面積上升的趨勢(shì)；挖損、壓占類植被變化曲線相對(duì)接近，且均比堆積類植被破壞程度高。堆積類包括廢石渣堆、排土場(chǎng)、矸石山和尾礦庫(kù)4種礦山類別，為礦山生產(chǎn)過(guò)程中附帶的廢棄物，不直接用于生產(chǎn)，因此其地表人為活動(dòng)較少，植被更容易自然恢復(fù)，且礦山堆積產(chǎn)物更容易治理，對(duì)環(huán)境破壞程度相對(duì)較?。欢鴫赫碱愔械墓I(yè)廣場(chǎng)、冶煉廠以及挖損類中的露天采場(chǎng)是直接參與礦區(qū)開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)的場(chǎng)所，且其生產(chǎn)過(guò)程會(huì)對(duì)地表造成直接破壞，因此破壞程度較嚴(yán)重，若未經(jīng)過(guò)人為環(huán)境治理，自然恢復(fù)需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，因此加強(qiáng)對(duì)露天采場(chǎng)和工業(yè)廣場(chǎng)的監(jiān)督、管理、治理是十分必要的。

圖8 3種土地占用類型植被覆蓋面積變化

4 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)礦區(qū)植被覆蓋度進(jìn)行對(duì)比分析，能較好地反映研究區(qū)植被現(xiàn)狀與動(dòng)態(tài)，揭示礦山開(kāi)發(fā)過(guò)程對(duì)礦區(qū)植被的影響。本文綜合分析了禹州市1992－2015年礦區(qū)植被覆蓋度的時(shí)空變化和等級(jí)結(jié)構(gòu)變化，結(jié)果表明：①禹州市礦區(qū)植被覆蓋度均值較低，隨著禹州市的快速發(fā)展，礦區(qū)植被覆蓋度均值日益降低；②禹州市礦區(qū)面積不斷擴(kuò)張，破壞了原有的地表植被覆蓋，導(dǎo)致禹州市植被面積減小；③相較于堆積類礦山土地占用類型，挖損和壓占類土地占用類型對(duì)植被的破壞更嚴(yán)重，在開(kāi)展礦山環(huán)境治理工作中應(yīng)優(yōu)先處理。

礦山開(kāi)采刺激經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的同時(shí)，不可避免地會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生巨大破壞。近年來(lái)，國(guó)家日益重視對(duì)生活環(huán)境的保護(hù)，出臺(tái)了一系列加強(qiáng)礦山管理監(jiān)督的政策，取得了較好的成果。今后將更加努力，找到經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)之間完美的平衡點(diǎn)。