露天礦區(qū)植被協(xié)同演變多源數(shù)據(jù)時(shí)序分析
——以準(zhǔn)格爾礦區(qū)為例

畢銀麗，劉 濤

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2.西安科技大學(xué) 西部礦山生態(tài)環(huán)境修復(fù)研究院，陜西 西安 710054)

0 引 言

準(zhǔn)格爾露天礦位于黃河流域中游[1]，有“中國第一大露天煤礦”的稱號，是我國主要的煤炭基地，對國家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和穩(wěn)定具有十分重要的戰(zhàn)略意義[1-2]。長期以來，黃河中游地區(qū)土地荒漠化嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境脆弱，煤炭資源的大力開發(fā)與礦區(qū)生態(tài)安全的矛盾日益突出[3-4]。2019年9月，習(xí)近平總書記提出黃流與生態(tài)環(huán)境保護(hù)與高質(zhì)量發(fā)展，煤礦區(qū)積極踐行“綠水青山就是金山銀山”理念，全力打造“綠色礦山”，不斷加大礦區(qū)生態(tài)修復(fù)的投入力度。因此，結(jié)合多方數(shù)據(jù)對煤礦區(qū)建設(shè)以來的生態(tài)環(huán)境變化做出定量及定性的分析顯得十分必要，為科學(xué)評判煤炭開采及生態(tài)修復(fù)對區(qū)域生態(tài)環(huán)境的影響提供技術(shù)支撐。

露天煤礦在我國煤炭生產(chǎn)中的地位越來越重要，但多數(shù)露天煤礦地處干旱、半干早地區(qū)，生態(tài)環(huán)境相較脆弱，因此在露天煤礦開發(fā)的同時(shí)也出現(xiàn)了不可避免的一系列的生態(tài)環(huán)境問題。露天煤礦開采進(jìn)程中土地?fù)p毀與礦區(qū)土地復(fù)墾在同時(shí)進(jìn)行，而遙感技術(shù)可將歷史時(shí)期的植被狀況進(jìn)行追溯，能夠?qū)Φ匚镞M(jìn)行長時(shí)序持續(xù)監(jiān)測，是揭示區(qū)域生態(tài)環(huán)境與微氣候變化的重要手段之一[5-8]。植被覆蓋度是反映生態(tài)狀況的最直觀指標(biāo)，多年來被研究者作為主體對象進(jìn)行回顧及動態(tài)分析。吳立新等[9]利用SPOT-NDVI時(shí)間序列數(shù)據(jù)對神東礦區(qū)植被進(jìn)行動態(tài)分析，指出自建礦初期至評價(jià)期為止，礦區(qū)植被狀況變化存在先降低后升高的趨勢，表明在礦區(qū)建設(shè)生產(chǎn)期間輔以大規(guī)模的土地復(fù)墾與生態(tài)修復(fù)對整體環(huán)境質(zhì)量的改善具有較強(qiáng)的作用，在區(qū)域尺度上可以利用遙感時(shí)序植被數(shù)據(jù)對生態(tài)環(huán)境的變化做出定量分析；胡振琪等[10]根據(jù)1986—2006年四景同期TM影像數(shù)據(jù)利用像元二分法對陜西省神府礦區(qū)采煤沉陷地的植被覆蓋度進(jìn)行計(jì)算，定量分析了神府礦區(qū)在20 a間的植被覆蓋變化情況，結(jié)果表明神府礦區(qū)植被覆蓋度整體提高，在局部礦區(qū)則有所降低；張耀等[11]利用1987—2013年Landsat數(shù)據(jù)對平朔露天礦區(qū)內(nèi)部排土場植被改善和退化面積進(jìn)行提取，結(jié)果指出27 a來平朔露天煤礦生長季NDVI均值整體上呈增加趨勢，植被質(zhì)量以改善為主，且長期復(fù)墾的人工植被生長狀態(tài)優(yōu)于自然植被。露天煤礦區(qū)作為對環(huán)境損傷最為強(qiáng)烈的一個(gè)區(qū)域，由于土地?fù)p毀造成裸土地的出現(xiàn)，礦區(qū)內(nèi)部地表溫度與周邊環(huán)境有著極大的差異，而地表溫度的升高反映出該區(qū)域的土壤水分蒸發(fā)較高，因此礦區(qū)地表溫度的變化能夠間接體現(xiàn)出生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的波動[12]。鄭海峰等[13]通過測定黑岱溝露天礦對不同復(fù)墾模式下的地表溫度及土壤水分證實(shí)了不同復(fù)墾模式下地表溫度均低于裸地，且不同復(fù)墾模式間地表溫度與土壤水分也存在差異。

綜合分析國內(nèi)外相關(guān)研究，大多以井工礦采煤沉陷地與露天礦排土場的植被及土壤水分為研究對象，并未對礦區(qū)外圍的未擾動植被狀況、礦區(qū)人工修復(fù)植被對未擾動植被的影響進(jìn)行綜合分析，因此筆者以準(zhǔn)格爾礦區(qū)建礦及投產(chǎn)時(shí)間為研究序列，利用1988—2020年Landsat TM/OLI影像和MODIS地表溫度數(shù)據(jù)產(chǎn)品MOD11A2分析植被覆蓋度、NDVI年際變化、地表溫度時(shí)序變化及干旱指數(shù)的變化趨勢，結(jié)合氣象等數(shù)據(jù)對準(zhǔn)格爾礦區(qū)人工修復(fù)區(qū)及其外圍未擾動原始植被進(jìn)行時(shí)序變化動態(tài)分析，揭示其生態(tài)協(xié)同演變規(guī)律，以期為礦區(qū)生態(tài)修復(fù)提供理論支撐。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)準(zhǔn)格爾旗境內(nèi)的哈爾烏素露天煤礦和黑岱溝露天煤礦(110.82°E～111.43°E，39.42°N～40.04°N)(圖1)。該區(qū)域地處黃土高原丘陵溝壑區(qū)和庫布奇沙漠東部邊緣地帶之間，隸屬于黃河中游流域，土地荒漠化較為嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境較為脆弱，隨著準(zhǔn)能露天礦的產(chǎn)能不斷擴(kuò)大，產(chǎn)生了一系列的生態(tài)問題。礦區(qū)東側(cè)邊界距離黃河干流僅4.3 km，屬于典型溫帶大陸性氣候，四季分明，全旗年平均氣溫在6.2～8.7 ℃[14]；準(zhǔn)格爾旗年平均降水量為400 mm，主要集中在7—9月，年均日照時(shí)數(shù)約3 000 h。土壤類型以栗鈣土為主[15]，區(qū)域?qū)儆诘湫筒菰突哪菰倪^渡地帶，也是我國北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶的典型地區(qū)[16]，草原植被建群種為本氏針茅(Stipacapillata)、克氏針茅(Stipagrandis)、達(dá)烏里胡枝子(Lespedezadaurica)及百里香(Thymusmongolicus)[17]。

圖1 研究區(qū)位置

1.2 數(shù)據(jù)獲取與處理

氣象數(shù)據(jù)使用來自國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心的1988-01-01—2019-12-31中國地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集。由于準(zhǔn)格爾礦區(qū)未設(shè)立氣象監(jiān)測臺站，因此利用周邊內(nèi)蒙古東勝、伊金霍洛旗以及山西河曲縣的氣象臺站的氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行插值得到準(zhǔn)格爾礦區(qū)日降水量、日平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫、日平均相對濕度、日最小相對濕度數(shù)據(jù)。

植被覆蓋度(Fractional Vegetation Cover，F(xiàn)VC)作為反映地表植被群落生長態(tài)勢的重要指標(biāo)，可以直接指示植被的茂密程度以及植物進(jìn)行光合作用面積的大小，因此，選擇植被覆蓋度這一指標(biāo)作為描述區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[18-19]。植被覆蓋度需要通過NDVI計(jì)算得到，故從美國地質(zhì)勘探局網(wǎng)站下載Landsat5 TM和Landsat8 OLI/TIRS影像，成像時(shí)間選擇1988—2019年每年生物量高峰期即6—9月中質(zhì)量最佳的影像，條帶號為126/32，其中1988—2011年的數(shù)據(jù)屬于TM傳感器，2013—2019年的數(shù)據(jù)屬于OLI/TIRS傳感器。其中，2012年由于傳感器故障造成數(shù)據(jù)缺失；2018年由于設(shè)定時(shí)間范圍內(nèi)衛(wèi)星過境時(shí)云量較大，影像質(zhì)量較差且無替代產(chǎn)品造成數(shù)據(jù)缺失。

地表溫度(Land Surface Temperature，LST)是土地退化、鹽化、沙化和侵蝕以及氣候變化的一個(gè)重要指示器，可被用于大面積的植被干旱監(jiān)測和評估由于缺水所造成的植被所受脅迫程度[20-21]。而溫度植被干旱指數(shù)(Temperature Vegetation Dryness Index，TVDI)與土壤濕度顯著相關(guān)，可以用來反演地表的土壤濕度[22-23]。地表溫度數(shù)據(jù)使用MOD11A2 LST_8day_1 km，該產(chǎn)品來自美國國家宇航局的網(wǎng)站。由于MODIS衛(wèi)星于1999年12月正式向地面發(fā)送觀測數(shù)據(jù)，因此，地表溫度數(shù)據(jù)時(shí)間設(shè)定為2000-01-01—2019-12-31，條帶號為h26/v4和h26/v5(h,v為MODIS數(shù)據(jù)的條帶號標(biāo)識)。該數(shù)據(jù)是經(jīng)過8 d合成產(chǎn)品，下載該時(shí)段內(nèi)每個(gè)年份的所有影像，對下載影像進(jìn)行最大化合成后代表研究區(qū)每年的地表溫度。并將LST數(shù)據(jù)重采樣設(shè)置為30 m空間分辨率，用于后續(xù)與Landsat-NDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行干旱指數(shù)的計(jì)算。

1.3 數(shù)據(jù)處理

1.3.1 礦區(qū)邊界提取

以Landsat遙感數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用eCognition Developer 9.0軟件中Multiresolution Segmentation工具對遙感影像進(jìn)行多尺度分割，將柵格數(shù)據(jù)分割為矢量數(shù)據(jù)。利用分割后的矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行目視解譯，獲得多個(gè)時(shí)間點(diǎn)的礦區(qū)邊界,并以其為基礎(chǔ)，進(jìn)行緩沖分析，礦區(qū)邊界向外輻射距離分別為500、1 000、3 000和5 000 m。

1.3.2 氣象數(shù)據(jù)

利用Excel軟件對氣象臺站數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，生成東勝、伊金霍洛旗、河曲縣3個(gè)臺站的多年氣象數(shù)據(jù)表，在ArcGIS軟件中運(yùn)用Kriging插值法進(jìn)行空間插值，之后使用Zonal工具，以準(zhǔn)格爾礦區(qū)為范圍進(jìn)行區(qū)域統(tǒng)計(jì)。

1.3.3 數(shù)據(jù)處理方法

1)植被覆蓋度。使用ENVI5.3對Landsat影像進(jìn)行預(yù)處理，包括輻射定標(biāo)、大氣校正及正射校正，之后進(jìn)行NDVI計(jì)算(式(1))以及像元統(tǒng)計(jì)，利用像元灰度值的分布情況設(shè)定公式，計(jì)算每年的植被覆蓋度，具體見式(2)。

NDVI=(RI-R)/(RI+R)

(1)

其中：RI為紅外波段的像素值；R為紅光波段的像素值。將NDVI處于[-1，-0.1]的值賦值為-0.1，再通過公式DN=(NDVI+0.1)/0.004轉(zhuǎn)換到0～250用較大的值表示DN。為了便于計(jì)算和參考，本研究對NDVI和DN同時(shí)進(jìn)行比較。研究以不同年際間的NDVI和DN柵格數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用band math工具進(jìn)行一元線性回歸，分析33 a來準(zhǔn)格爾礦區(qū)年度植被的變化趨勢。

FVC=(NDVI-NDVImin)/(NDVImax-NDVImin)

(2)

其中：NDVImax和NDVImin分別為區(qū)域內(nèi)的最大和最小NDVI；由于不可避免存在噪聲，NDVImax和NDVImin一般取一定置信度范圍內(nèi)的最大值與最小值，置信度的取值主要根據(jù)圖像實(shí)際情況來定。

在得到準(zhǔn)格爾礦區(qū)范圍的植被覆蓋度圖像之后，利用ArcGIS中Zonal工具對植被覆蓋度進(jìn)行不同區(qū)域統(tǒng)計(jì)(包括未擾動植被區(qū)、人工植被區(qū))。

2)地表溫度。利用MRT軟件對MOD11A2數(shù)據(jù)進(jìn)行批處理，包括波段提取、投影轉(zhuǎn)換與重采樣，提取MOD11A2數(shù)據(jù)中的第一波段LST作為目標(biāo)文件，將投影轉(zhuǎn)換為Albers投影，將圖像重采樣成250 m分辨率。利用ENVI5.3軟件中的layer stacking工具進(jìn)行波段合成，將每年內(nèi)的各景圖像合成為一個(gè)多波段文件，再使用Maximum Value Composites工具進(jìn)行最大化合成，獲得每年的地表溫度空間圖像。由于MOD11A2數(shù)據(jù)單位為開爾文溫度，所以需要將單位為攝氏溫度，對所有圖像進(jìn)行批量的計(jì)算，見式(3)：

K=0.02K0-273.15

(3)

其中：K為計(jì)算后單位為攝氏溫度的地表溫度;K0為最大化合成后的像元原始值，然后運(yùn)用ArcGIS中Zonal工具進(jìn)行區(qū)域統(tǒng)計(jì)。

3)干旱指數(shù)。使用上述處理過后的NDVI圖像與重采樣為30 m分辨率的地表溫度LST圖像計(jì)算干旱指數(shù)TVDI，見式(4)。

TVDI=(Ts-Ts，min)/(Ts，max-Ts，min)

(4)

其中：Ts，min為最小地表溫度,對應(yīng)的是濕邊；Ts為任意像元的地表溫度；Ts，max=a+bNDVI為某一NDVI對應(yīng)的最高溫度，即干邊；a、b為干邊擬合方程的系數(shù)[24]。利用ENVI5.3軟件中進(jìn)行像元統(tǒng)計(jì)，擬合得到干濕邊方程，最終生成TVDI結(jié)果，運(yùn)用ArcGIS平臺下的Zonal工具進(jìn)行區(qū)域統(tǒng)計(jì)，并以TVDI值作為不同土壤濕度分級指標(biāo)，將土壤濕度劃分為5級，分別是：極濕潤(0

2 結(jié)果與分析

2.1 區(qū)域氣象變化

準(zhǔn)格爾礦區(qū)氣象狀況時(shí)序變化如圖2所示，由圖2知，自1988年以來，準(zhǔn)格爾礦區(qū)的年降水量和年平均溫度均存在多次波動，就年均降水量而言，該區(qū)域歷年年均降水量維持379～420 mm，而在對氣象臺站獲取的年均降水量統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，多數(shù)時(shí)間內(nèi)，該區(qū)域的降水量處在較低水平，在近年來，在全球氣候變暖的背景下，準(zhǔn)格爾旗年平均氣溫連續(xù)7 a高于歷年平均氣溫(年平均氣溫7.8 ℃)。33 a間平均相對濕度呈明顯逐漸降低趨勢(圖2c)。另外，在對極端天氣情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)時(shí)(圖2d)，發(fā)現(xiàn)自1988年以來，年內(nèi)氣溫高于35 ℃的天數(shù)在進(jìn)入2005年之后明顯增多，但是在2011年之后明顯開始減少。

圖2 準(zhǔn)格爾礦區(qū)氣象狀況時(shí)序變化

2.2 植被空間變化

2.2.1 人工植被空間動態(tài)

準(zhǔn)格爾礦區(qū)的遙感圖像及植被覆蓋度如圖3和圖4所示。1988年準(zhǔn)格爾礦區(qū)遙感圖顯示礦區(qū)未開始建設(shè)，周邊植被狀況整體較差；礦區(qū)建設(shè)初期即1990年，開始出現(xiàn)大面積的裸土地，植被整體狀況仍處于較低水平；而到1994年礦區(qū)投產(chǎn)初期，礦區(qū)開展了排土場復(fù)墾，排土場首次出現(xiàn)人工植被；1998年左右，礦區(qū)排土場復(fù)墾力度不斷加大，礦區(qū)周邊的未擾動植被狀況也得到明顯改善；進(jìn)入21世紀(jì)后，2003年礦區(qū)向西南方向推進(jìn)，產(chǎn)能不斷擴(kuò)大，礦區(qū)東北部排土場人工植被的面積明顯增加，礦區(qū)外圍未擾動植被蓋度不斷增加；2007年礦區(qū)范圍持續(xù)向西南方推進(jìn)，東北部人工植被面積不斷增長，礦區(qū)裸土地大面積增加，而在這一時(shí)期，礦區(qū)外圍未擾動植被的狀況得到明顯提升，包括周邊溝壑內(nèi)的植被也保持良好的生長態(tài)勢；2013年礦區(qū)西南部排土場開始復(fù)墾，部分裸土地上出現(xiàn)植被覆蓋，礦區(qū)外圍未擾動植被覆蓋度大幅提升；截至2019年，礦區(qū)內(nèi)部復(fù)墾面積快速上升，礦區(qū)外圍未擾動植被保持著較好的生長狀況。

圖4 準(zhǔn)格爾礦區(qū)植被覆蓋度空間分布

圖3礦區(qū)內(nèi)部排土場復(fù)墾區(qū)的人工植被在1994年首次出現(xiàn)，面積僅為15.49 hm2，而1998年該面積已達(dá)到156.81 hm2，進(jìn)入21世紀(jì)后，2003年的植被蓋度也出現(xiàn)了顯著上升，人工植被面積達(dá)到240.69 hm2，而2007年該面積超過2003年的2倍，達(dá)到333.68 hm2，在復(fù)墾技術(shù)和生態(tài)修復(fù)工程的大力開展與實(shí)施下，2013年礦區(qū)東北部的復(fù)墾區(qū)植被蓋度接近飽和，東北部和西南部兩個(gè)區(qū)域的人工植被面積達(dá)到715.14 hm2，2016年人工植被面積達(dá)到957.20 hm2，2019年達(dá)到1 694.86 hm2。

2.2.2 植被覆蓋度時(shí)序動態(tài)

近來，任何從事工業(yè)通信的人都會面對時(shí)間敏感型網(wǎng)絡(luò)(TSN)的話題。TSN必將到來，只是時(shí)間和方式的問題。然而，即使到今天，人們對它在工業(yè)通信領(lǐng)域的優(yōu)勢并不是很清楚。

對準(zhǔn)格爾礦區(qū)的植被覆蓋度的空間分布數(shù)據(jù)進(jìn)行像元統(tǒng)計(jì)，得到1988—2020年的植被覆蓋度時(shí)序變化如圖5所示，從圖5可知，該區(qū)域在33 a內(nèi)未擾動植被的狀況具有明顯的改善，從最初未建設(shè)準(zhǔn)能礦區(qū)的1988年左右開始，未擾動植被的覆蓋度水平較差，僅有37.32%，而隨著區(qū)域氣候的改善，尤其是在年降水量緩慢上升過程中，該區(qū)域植被覆蓋度也得到提升，2020年已經(jīng)達(dá)到63.38%，直接反映出準(zhǔn)格爾礦區(qū)的生態(tài)狀況得到明顯提升。

利用zonal工具對植被覆蓋度的圖像進(jìn)行像元提取可以得到固定區(qū)域的像元灰度值年際變化，對提取值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)即獲得準(zhǔn)格爾礦區(qū)人工植被與未擾動植被的覆蓋度時(shí)序變化(圖5)。由圖5可知，人工植被1988—1990年植被覆蓋度出現(xiàn)驟降，而1990年之后又開始出現(xiàn)明顯上升，造成這一現(xiàn)象的原因主要是礦區(qū)建設(shè)初期露天開采地表剝離造成未擾動植被的破壞，而在逐漸投產(chǎn)后，開始進(jìn)行排土場復(fù)墾，人工植被覆蓋度逐漸上升，隨著產(chǎn)能的不斷擴(kuò)大及礦區(qū)人工生態(tài)修復(fù)工程強(qiáng)度增加，人工植被蓋度在2012年左右已經(jīng)達(dá)到飽和。對兩條曲線對比分析發(fā)現(xiàn)，人工植被和未擾動植被的覆蓋度在33 a中均呈上升趨勢。表明隨著人工植被覆蓋度增加可以帶動周邊未擾動的未擾動植被協(xié)同生長發(fā)育。

2.3 人工植被對周邊未擾動植被的影響

2.3.1 礦區(qū)周邊植被時(shí)序動態(tài)

根據(jù)礦區(qū)擴(kuò)張方向及擴(kuò)張速度，以目視解譯得到的礦區(qū)邊界向外緩沖5 km為邊界(圖6)，對NDVI圖像和DN圖像進(jìn)行掩膜提取，并利用一元線性回歸斜率得到準(zhǔn)格爾礦區(qū)33 a內(nèi)各像元NDVI變化趨勢，該斜率可表示區(qū)域內(nèi)植被狀況在時(shí)間尺度上的變化及程度，根據(jù)斜率分布，將植被退化程度分為5個(gè)等級(表1)?？芍?988—2020年準(zhǔn)格爾礦區(qū)植被嚴(yán)重退化與中度退化區(qū)域的面積均未達(dá)到1%，而植被中度改善區(qū)面積占比達(dá)到74.74%。從空間分布上看，嚴(yán)重退化和中度退化的區(qū)域主要分布在礦區(qū)采坑的位置，由于露天開采對于土地?fù)p毀較為徹底，人工修復(fù)面積小于損毀面積，因此33 a來礦區(qū)植被總體呈下降趨勢；由圖6可知，33 a來礦區(qū)外圍未擾動植被生長不斷得到改善，該區(qū)域植被變化趨勢大多屬于中度改善；生態(tài)明顯改善區(qū)域主要分布在礦區(qū)排土場，該區(qū)域主要是高密度種植的人工植被。

圖6 NDVI變化趨勢分布

2.3.2 地表溫度

在對準(zhǔn)格爾礦區(qū)2000—2020年地表溫度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后，得到該區(qū)域21 a間地表溫度的時(shí)序變化圖(圖7)。由圖7可知，自2000年以來地表溫度的波動較大，2013年該區(qū)域的地表溫度達(dá)到了極低值，這與當(dāng)年的降水較高(646.9 mm)和年平均氣溫較低(8.07 ℃)有關(guān)。圖7表明準(zhǔn)格爾礦區(qū)地表溫度整體存在著下降趨勢，說明在人工修復(fù)的高密度種植后，植被覆蓋度增長，植被的郁閉度也明顯增加，避免了太陽對地表直接輻射，地表溫度降低，土壤水分蒸發(fā)減少，而在人工植被區(qū)的地表溫度降低之后，對區(qū)域整體的地表溫度也有降低作用，從而對區(qū)域生態(tài)環(huán)境的改善起到正效應(yīng)。

圖7 準(zhǔn)格爾礦區(qū)地表溫度時(shí)序變化

由圖8準(zhǔn)格爾礦區(qū)干旱指數(shù)時(shí)序變化可得，該準(zhǔn)格爾礦區(qū)的干旱指數(shù)從最初2001年的0.77降至2019年的0.57，干旱級別從干旱降低為正常。結(jié)果表明，在上述地表溫度降低的前提下，土壤水分蒸發(fā)減少，從而使該區(qū)域的干旱得到極大程度的改善，原因可能是礦區(qū)人工修復(fù)的大面積、高密度種植，緩解了區(qū)域的干旱，表明礦區(qū)人工修復(fù)對當(dāng)?shù)氐膮^(qū)域生態(tài)環(huán)境具有明顯促進(jìn)作用，促進(jìn)了原始生態(tài)協(xié)同改善。

圖8 準(zhǔn)格爾礦區(qū)干旱指數(shù)時(shí)序變化

本研究區(qū)域排土場人工植被的高密度種植在改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境中起到了重要的作用，由于準(zhǔn)能礦區(qū)排土場面積較大，高密度的人工植被面積增長速率較快，增加了植被郁閉度，降低了地表溫度，減少了土壤水分蒸發(fā)，構(gòu)建出與周邊區(qū)域相異的小氣候，綜合表現(xiàn)出該區(qū)域干旱指數(shù)降低，級別由干旱降低為正常，一系列的生態(tài)因子變化綜合表現(xiàn)出準(zhǔn)格爾礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量提升。

3 討 論

準(zhǔn)格爾礦區(qū)為黃河中游流域的典型區(qū)域，1988年建礦投產(chǎn)后保持高強(qiáng)度煤炭開采，土地?fù)p毀較為嚴(yán)重，后期礦區(qū)內(nèi)部大力開展人工生態(tài)修復(fù)與土地復(fù)墾工程。本研究表明該區(qū)域的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量并未因露天煤炭開采而降低，反而通過一系列的生態(tài)指標(biāo)的計(jì)算反映出其向好的發(fā)展趨勢。礦區(qū)內(nèi)部的人工植被與礦區(qū)外圍的未擾動植被覆蓋度均得到提高，除露天礦采坑區(qū)域表現(xiàn)為嚴(yán)重退化外，礦區(qū)排土場及礦區(qū)外5 km緩沖區(qū)范圍內(nèi)的植被狀況得到中度改善。根據(jù)對多年降水與氣溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)域降水在近年來雖高于歷年平均降水，但是在整個(gè)研究時(shí)間內(nèi)，多數(shù)時(shí)間處于較低水平，同時(shí)在近7 a年均氣溫高于歷年年均氣溫的情況下，水熱條件不利于植被生長，但是根據(jù)植被覆蓋度的數(shù)值及空間表征該區(qū)域的植被狀況并未受到區(qū)域氣候的明顯影響，反而在一定程度上呈現(xiàn)逐漸向好的趨勢。露天開采剝離表土造成裸地使地表溫度較高，后期礦區(qū)內(nèi)部人工修復(fù)使大面積、高密度的種植明顯降低了地表溫度，減少了土壤水分蒸發(fā)，進(jìn)而形成了區(qū)域小氣候，干旱指數(shù)在該區(qū)域的變化也同樣說明上述指標(biāo)對區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的改善起著至關(guān)重要的作用。葉寶瑩等[25]以人機(jī)交互方式對遙感影像進(jìn)行解譯得到安太堡煤礦30 a的土地利用變化數(shù)據(jù)，分析表明在長的時(shí)間序列上礦區(qū)土地利用類型由簡單到復(fù)雜，開采導(dǎo)致的土地?fù)p毀面積隨著大面積的復(fù)墾工作而逐漸減少，礦區(qū)整體植被狀況呈現(xiàn)變好趨勢，與本研究結(jié)果相似，表明礦區(qū)人工生態(tài)修復(fù)，可促使區(qū)域整體生態(tài)環(huán)境協(xié)同改善。就人工修復(fù)植被與原始植被對氣候波動的響應(yīng)的差異而言，由于人工修復(fù)植被多屬于灌木及喬木層片，未經(jīng)歷草本層面的植被生長階段，但在實(shí)地調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，人工修復(fù)植被區(qū)的草本層片植物長勢較好，且多樣性較高，在礦區(qū)內(nèi)部種植成功并養(yǎng)護(hù)2～3 a后，人工修復(fù)植被已達(dá)到穩(wěn)定并達(dá)到演替后期，因此人工修復(fù)植被對其后波動的相應(yīng)較低；而礦區(qū)外圍原始植被異質(zhì)化較強(qiáng)，有部分草地以及演替初期的植被群系，且容易受到人類活動的干擾，在與人工修復(fù)植被處于同一氣候條件時(shí)，原始植被更容易產(chǎn)生對氣候波動的響應(yīng)。

以自然為本的解決方案(Nature-based Solutions，NbS)[26]的全球標(biāo)準(zhǔn)來看，該標(biāo)準(zhǔn)定位于總領(lǐng)所有基于生態(tài)系統(tǒng)的方法。針對礦區(qū)生態(tài)修復(fù)的原則與需求，來恢復(fù)礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的完整性和功能性，以生態(tài)工程促進(jìn)資源循環(huán)利用。如采用高密度的灌木或喬木植物種植使受損土地或露天礦排土場等得到利用。在人工修復(fù)后可形成區(qū)域小氣候，從而起到降低地表溫度、減少土壤水分蒸發(fā)量與增強(qiáng)水源涵養(yǎng)的作用，該作用對礦區(qū)外圍的未擾動植被的生長狀況改善具有協(xié)同促進(jìn)作用。在長時(shí)間序列下，人工植被逐漸演替發(fā)育為與礦區(qū)外圍的未擾動植被一致或相近的植被類型，并加速了未擾動植被向更高群落等級的演替，從而達(dá)到人工修復(fù)與未擾動植被的協(xié)同演變。

研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量不斷提升的原因主要是準(zhǔn)格爾能源公司長期以來堅(jiān)持綠色發(fā)展理念，截止2019年底，準(zhǔn)格爾能源公司累計(jì)投入復(fù)墾綠化資金15億元，復(fù)墾綠化面積達(dá)3 000多公頃，加之對排土場復(fù)墾工藝的不斷提升，配合開展微生物復(fù)墾等工程，使排土場土壤得到改良，植被恢復(fù)速率加快[27-29]。隨著遙感數(shù)據(jù)的海量增多，遙感技術(shù)的不斷發(fā)展與更新，礦區(qū)植被演變規(guī)律及主要生態(tài)因子的研究將會變得更加精準(zhǔn)[30-31]，采用實(shí)測與遙感技術(shù)相結(jié)合的方式，以礦區(qū)排土場為研究對象，對植被生長狀況進(jìn)行精密監(jiān)測，利用遙感數(shù)據(jù)對實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行反演實(shí)現(xiàn)指標(biāo)時(shí)空變化，將會更好地揭示生態(tài)演變的時(shí)序規(guī)律，為礦區(qū)生態(tài)修復(fù)提供一種新的手段和方法。

4 結(jié) 論

1)準(zhǔn)格爾礦區(qū)自1988年以來年降水量與年平均溫度呈現(xiàn)上升趨勢，且在研究時(shí)間范圍內(nèi)，年降水量在多數(shù)時(shí)間處于較低水平，而年均氣溫連續(xù)多年高于歷年平均氣溫；年平均相對濕度在時(shí)間序列上表現(xiàn)出明顯降低的趨勢，年內(nèi)高溫(高于35 ℃)天數(shù)存在波動式增多趨勢，人工植被蓋度達(dá)到飽和后氣溫開始明顯降低。

2)礦區(qū)外圍未擾動植被受礦區(qū)人工植被恢復(fù)及生態(tài)治理的影響，覆蓋度不斷提高，由建設(shè)初期的37.32%增長到2020年的63.35%，區(qū)域小氣候加速了礦區(qū)周邊未擾動植被向高級群落的演替。

3)準(zhǔn)格爾礦區(qū)5 km范圍內(nèi)74.74%的面積植被得到中度改善，近20 a地表溫度逐漸下降，水源涵養(yǎng)能力得到提高，干旱級別從干旱降低為正常。