生態(tài)修復(fù)下金川礦區(qū)植被覆蓋度及景觀格局的變化

羅琳，葉戈楊，關(guān)釗，魏平，謝紅彬*

(福建師范大學(xué) a.地理科學(xué)學(xué)院，b.濕潤(rùn)亞熱帶山地生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，c.福建師范大學(xué) 后勤集團(tuán) 福州 350007)

礦區(qū)生態(tài)修復(fù)是生態(tài)文明建設(shè)時(shí)期重點(diǎn)關(guān)注的問題之一，植被恢復(fù)則是礦區(qū)生態(tài)修復(fù)過程的重要環(huán)節(jié)。植被恢復(fù)能夠有效改良土壤基質(zhì)、調(diào)節(jié)氣候、涵養(yǎng)水源，進(jìn)而促進(jìn)整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的修復(fù)，提高生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量與穩(wěn)定性[1]。植被覆蓋度能夠反映礦區(qū)植被面積占有情況或植被資源豐富程度，是礦區(qū)生態(tài)修復(fù)效果評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)之一[2]；而植被景觀格局變化，能夠反映礦區(qū)植被空間分布及其在環(huán)境異質(zhì)性和干擾狀況綜合控制下的動(dòng)態(tài)變化特征[3]。因此，從景觀格局視角探究礦區(qū)植被覆蓋度變化，一方面有助于評(píng)估植被生態(tài)修復(fù)效果，另一方面為后續(xù)生態(tài)修復(fù)工程規(guī)劃的調(diào)整與實(shí)施提供重要依據(jù)。

目前，礦區(qū)植被修復(fù)研究主要集中在植被生態(tài)修復(fù)技術(shù)[4-5]、植被覆蓋度變化[6-7]、植物群落演替及植被生態(tài)效應(yīng)等方面[8]。其中，在礦區(qū)植被覆蓋度研究方面，學(xué)者以露天礦[9]、煤矸石山[10]、尾礦庫及采煤塌陷區(qū)[11]等不同大小尺度礦區(qū)為研究對(duì)象，采用遙感、GIS、無人機(jī)等方法[12-13]，就礦區(qū)植被覆蓋度的提取、時(shí)空變化、空間異質(zhì)性、監(jiān)測(cè)及變化趨勢(shì)和驅(qū)動(dòng)機(jī)制等方面展開研究[14-16]，取得大量研究成果。在研究方法選取方面，遙感數(shù)據(jù)由于具有時(shí)效性高、覆蓋范圍廣等優(yōu)勢(shì)，能即時(shí)反映礦區(qū)植被信息[17]，近年來利用像元二分模型提取植被覆蓋信息逐漸被應(yīng)用于礦區(qū)植被相關(guān)研究。在植被景觀格局研究方面，已對(duì)高原、流域、山區(qū)[18]、沙地[19]及城市[20]的植被景觀格局變化及驅(qū)動(dòng)因素展開較多研究，而針對(duì)礦區(qū)植被景觀格局變化研究較少[3]。甘肅省金川礦區(qū)地處西北干旱區(qū)，生態(tài)環(huán)境脆弱，近年在礦區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)與治理方面開展了大量工作。現(xiàn)有關(guān)于金川礦區(qū)植被修復(fù)的研究中，涉及本土植被對(duì)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的適應(yīng)特征、先鋒植被篩選、礦區(qū)廢棄地修復(fù)的綠化樹種選取以及修復(fù)區(qū)植被碳儲(chǔ)量[21-22]等研究，但針對(duì)礦區(qū)生態(tài)修復(fù)過程中植被覆蓋度及其景觀格局變化的研究仍較少。因此，本研究以金川礦區(qū)為例，利用遙感影像獲取NDVI數(shù)據(jù)(歸一化植被指數(shù))，首先采用像元二分法提取植被覆蓋度信息并分析其空間變化，進(jìn)而計(jì)算植被景觀格局指數(shù)分析其變化，以期探究金川礦區(qū)植被恢復(fù)效果，并為后續(xù)生態(tài)修復(fù)與保護(hù)提供參考借鑒。

1 研究區(qū)域概況

金川礦區(qū)位于甘肅省金昌市中心城區(qū)(102°08′20″E～102°19′02″E、38°27′N～38°35′N)，研究區(qū)按照《金昌市城鄉(xiāng)總體規(guī)劃(2009—2020年)》劃定的中心城區(qū)范圍確定，總面積約150 km2。金昌屬大陸性溫帶干旱氣候，光照充足，氣候干燥，全年多西北風(fēng)，晝夜及四季溫差較大，霜期長(zhǎng)，春季多大風(fēng)。水資源主要為祁連山區(qū)的大氣降水和高山冰雪融水，主要河流有東大河、西大河和金川河，均屬石羊河水系，為常年性內(nèi)陸河。市區(qū)年均氣溫9.2℃，年均蒸發(fā)量2 094.2 mm，是年均降水量139.8 mm的15倍。金昌市是典型的“先礦后城”的資源型城市，緣礦興企、因企設(shè)市，因盛產(chǎn)鎳礦被譽(yù)為“祖國的鎳都”。近年來，金昌市部分礦產(chǎn)資源開發(fā)殆盡，在生態(tài)文明建設(shè)及資源城市轉(zhuǎn)型要求下，政府深入實(shí)施“生態(tài)優(yōu)先”的發(fā)展戰(zhàn)略，主要采取人工造林、森林撫育等人工輔助修復(fù)措施，推進(jìn)大規(guī)模國土綠化、防沙治沙和生態(tài)保護(hù)修復(fù)工程，持續(xù)實(shí)施環(huán)城防護(hù)林建設(shè)、高速樞紐區(qū)綠化工程、沙棗胡楊觀賞林建設(shè)等重點(diǎn)生態(tài)工程。全市建成區(qū)綠化覆蓋率達(dá)37.62%，2014年獲得國家園林城市稱號(hào)?！笆濉币詠恚鸫▍^(qū)林業(yè)和草原局踐行“綠水青山就是金山銀山”新發(fā)展理念，緊緊圍繞全市“南護(hù)水源、中建綠洲、北治風(fēng)沙”的生態(tài)建設(shè)方針，累計(jì)完成人工造林980 hm2，封灘育林442 hm2，幼林撫育175 hm2，森林覆蓋率較2018年增加了0.1個(gè)百分點(diǎn)，截至目前，全區(qū)森林覆蓋率達(dá)17.86%，草原植被蓋度平均達(dá)21.3%。就金川礦區(qū)而言，早在20世紀(jì)90年代就開始對(duì)北部第一尾礦庫進(jìn)行復(fù)墾綠化。2008年為解決城市污水處理廠中水儲(chǔ)存、調(diào)蓄問題，利用礦區(qū)中部廢棄礦渣及垃圾堆放地建成了236 hm2的金水湖景區(qū)，成為中國西北地區(qū)最大的人工中水蓄水景觀帶，并于2019年評(píng)為國家濕地公園。西南部鎳礦礦坑于2009年開始進(jìn)行生態(tài)修復(fù)，2014年利用龍首山露天開采礦坑建成面積約3.1 km2的金川國家礦山公園，整個(gè)山體綠化修復(fù)區(qū)面積達(dá)到2 km2(圖1)。

圖 1 研究區(qū)地理概況示意

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

基于地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)選取2005、2010、2015與2020年夏季6—9月云量小于5%的Landsat5/7/8遙感影像(行列號(hào)為132/33)(來源地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)http://www.gscloud.cn)，分辨率為30 m。利用ENVI軟件對(duì)遙感影像進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正等預(yù)處理后計(jì)算得到每月NDVI值(分辨率30 m)。

2.2 研究方法

2.2.1植被覆蓋度提取與分級(jí)

基于像元二分法利用NDVI數(shù)據(jù)估算植被覆蓋度，該方法可操作性強(qiáng)，取值范圍為0～1，數(shù)值越接近1，表明植被覆蓋度越高[23]。將每月NDVI值采取最大值合成法(Maximum Value Composite，MVC)得到年度NDVI值。計(jì)算公式如下：

(1)

式(1)中：IR為近紅外波段的像素值，R為紅光波段的像素值。

植被覆蓋度計(jì)算公式如下：

FVC=(NDVI-NDVIsoil)/(NDVIveg-NDVIsoil)

(2)

式(2)中：NDVIsoil為完全裸土或無植被覆蓋像元的NDVI值，NDVIveg則代表完全為植被覆蓋的像元的NDVI值，NDVIsoil和NDVIveg分別選取像元累計(jì)5%和95%的NDVI值。將植被覆蓋度分為5個(gè)等級(jí)，即低覆蓋度(FVC≤ 0.2)、較低覆蓋度(0.2

表 1 2005—2020年金川礦區(qū)植被覆蓋度平均值及各等級(jí)植被比例/%

2.2.2 景觀格局分析

本研究從景觀水平和斑塊類型水平兩方面分析礦區(qū)景觀格局。選擇斑塊數(shù)(NP)、斑塊密度(PD)、最大斑塊面積指數(shù)(LPI)、景觀形狀指數(shù)(LSI)、蔓延度指數(shù)(CONTAG)、香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)、香農(nóng)均勻度指數(shù)(SHEI)和集聚度指數(shù)(AI)，反映景觀斑塊的破碎化、多樣性和空間連通狀況等；選擇斑塊數(shù)量(NP)、斑塊所占景觀面積比例(PLAND)、景觀形狀指數(shù)(LSI)及集聚度指數(shù)(AI)，刻畫斑塊類型的時(shí)空演變特征[24-25]。利用 Fragstats 4.2軟件對(duì)金川礦區(qū)不同等級(jí)植被的景觀格局進(jìn)行分析。

3 結(jié)果分析

3.1 植被覆蓋度時(shí)空特征

利用ENVI軟件計(jì)算得到金川礦區(qū)2005、2010、2015、2020年植被覆蓋度，并在Arcgis軟件中通過柵格計(jì)算與統(tǒng)計(jì)，得到每期平均植被覆蓋度與各等級(jí)柵格比例，觀察分析植被覆蓋度等級(jí)時(shí)空演變特征(表1、圖2)。

圖 2 2005—2020年研究區(qū)植被覆蓋等級(jí)

總體來看，2005—2020年金川礦區(qū)植被覆蓋度較低，但隨著時(shí)間有明顯提升，其平均植被覆蓋度從2005年的24.15%提升到2020年的30.99%。金川礦區(qū)地處西北干旱區(qū)，自然環(huán)境條件基礎(chǔ)較差，降水量少且蒸發(fā)量大，研究區(qū)內(nèi)裸地和沙地面積較大，因此植被覆蓋度較低。從空間上看，金川礦區(qū)植被覆蓋度分布大致呈現(xiàn)為“西高東低”的空間格局，這是由于研究區(qū)西部為城市建成區(qū)，近年來金川區(qū)大力推進(jìn)國土空間綠化，倡導(dǎo)全民義務(wù)植樹，因此礦區(qū)西部植被覆蓋度較高，且以中、較高覆蓋度為主。2005—2020年研究區(qū)植被覆蓋區(qū)域逐漸擴(kuò)大，特別是北部、中部及西南部的植被明顯增多，具體為自2001年開始建設(shè)的市區(qū)北部總長(zhǎng)26 km的防護(hù)林帶，以及金川礦山公園、金水湖濕地公園等礦區(qū)生態(tài)修復(fù)工程，使植被不斷增加。此外，建成區(qū)植被覆蓋度也有所提升，依托金川公園、龍泉景觀帶、北部防護(hù)林和龍首湖景區(qū)等景觀綠化項(xiàng)目，增加城市綠化用地，拓展城市綠化空間，形成了以庭院綠化為點(diǎn)、道路綠化為線、公園綠化為面的“點(diǎn)、線、面”相結(jié)合的城市綠化格局。

從時(shí)間變化看，2005—2020年金川礦區(qū)始終以低覆蓋度為主，但其占總面積比例不斷下降，達(dá)到13.41%，而高、較高、中度及較低覆蓋度占比均有不同程度的增加，分別為2.47%、0.59%、2.45%及7.90%，說明生態(tài)環(huán)境有較大改善。具體來看，2005—2010年，高覆蓋度與較低覆蓋度則分別提升了1.50%、1.01%，而較高覆蓋度與低覆蓋度比例分別下降了1.74%、0.94%，中覆蓋度變化較小。2010—2015年，低覆蓋度占比持續(xù)下降，為4.68%，較低、中度及較高覆蓋度有所提升，分別提升了13.34%、7.26%及5.37%；2015—2020年間，低覆蓋度所占比例相比上一時(shí)段明顯降低，為6.99%，而較低、高等級(jí)覆蓋度比例分別增加了5.06%、1.12%，其他等級(jí)變化幅度較小。低等級(jí)覆蓋度比例不斷降低，且高、較高、較低等級(jí)覆蓋度占比逐漸增大，都表明金川礦區(qū)為完善城市功能、優(yōu)化人居環(huán)境所實(shí)施的景觀綠化、生態(tài)修復(fù)工程都取得了良好的效果，使得礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性有所增強(qiáng)。

3.2 植被覆蓋度動(dòng)態(tài)變化

通過計(jì)算柵格差值得到2005—2020年植被覆蓋度時(shí)空變化(圖3)。2005—2010年，金川礦區(qū)植被覆蓋度變化相對(duì)穩(wěn)定，西部為明顯退化與輕度退化區(qū)域，而中部及北部植被覆蓋情況有明顯好轉(zhuǎn)，建成區(qū)內(nèi)存在零散退化區(qū)域。2010—2015年，礦區(qū)植被覆蓋變化較上一時(shí)段更為明顯，變化最為顯著的是西南部礦山公園植被覆蓋度明顯改善，而西北部區(qū)域植被覆蓋度降低。2015—2020年，研究區(qū)整體植被覆蓋變化以相對(duì)穩(wěn)定與輕度退化為主，退化區(qū)域主要集中在城市建成區(qū)內(nèi)，西北部小范圍區(qū)域植被覆蓋情況有所好轉(zhuǎn)。整體上看，2005—2020年金川礦區(qū)植被覆蓋度變化較大，西北部表現(xiàn)為明顯退化與輕度退化，而北部、西南部與中部則表現(xiàn)出輕度改善及明顯改善，主要原因在于按照“生活區(qū)北移，工業(yè)區(qū)東擴(kuò)”的規(guī)劃，城市建設(shè)用地向西北擴(kuò)張，導(dǎo)致西北部植被覆蓋度降低。總之，金川礦區(qū)植被覆蓋情況有顯著提升，表明近年來自然景觀與人文景觀、城區(qū)與郊區(qū)有機(jī)結(jié)合的城鄉(xiāng)一體化綠地系統(tǒng)建設(shè)效果顯著。

表 2 2005—2020年金川礦區(qū)植被覆蓋度景觀指數(shù)

3.3 景觀格局演變

3.3.1 總體景觀格局變化

從景觀水平分析(表2)，2005—2020年金川礦區(qū)整體斑塊數(shù)量(NP)與斑塊密度(PD)呈現(xiàn)出隨時(shí)間先增加后降低的變化趨勢(shì)；同時(shí)最大斑塊指數(shù)(LPI)不斷降低，說明植被覆蓋等級(jí)變化明顯，景觀破碎度不斷增加。景觀形狀指數(shù)(LSI)逐漸增大，特別是2010—2015年明顯增加，表明礦區(qū)植被景觀復(fù)雜度日益增強(qiáng)。而景觀蔓延度指數(shù)(CONTAG)與聚集度指數(shù)(AI)不斷降低，說明礦區(qū)不同等級(jí)植被覆蓋度之間的連通性逐漸降低，且集聚度也有所下降。研究期內(nèi)多樣性指數(shù)(SHDI)與均勻度指數(shù)(SHEI)逐步提升，說明礦區(qū)不同等級(jí)的植被覆蓋多樣性與均勻度得到提升，這是由于低覆蓋植被面積減少，而高、較高覆蓋植被面積增加，使得不同等級(jí)間面積差異減小。

3.3.2 不同等級(jí)植被景觀格局變化

從景觀類型水平分析(圖4)，金川礦區(qū)較低、中等及較高等級(jí)植被覆蓋度的斑塊數(shù)量(NP)與景觀形狀指數(shù)(LSI)較大，表明相應(yīng)等級(jí)的景觀破碎化程度較高且景觀形狀不規(guī)則，在建成區(qū)零散分布未集中成片；而低覆蓋度與高覆蓋度分布則比較集中，2020年高覆蓋度主要分布在北部防護(hù)林、中部濕地公園及西南部礦山公園和建成區(qū)內(nèi)公園等區(qū)域。2005—2020年各等級(jí)植被覆蓋度NP與LSI均有不同程度提高，但2015—2020年低覆蓋度、較低覆蓋度、中覆蓋度及高覆蓋度的NP有所下降，說明除較高覆蓋度外其余等級(jí)覆蓋度的景觀破碎化速度減緩。低覆蓋度占景觀面積比例(PLAND)最高，其次為較低覆蓋度與高覆蓋度。研究期內(nèi)低覆蓋度PLAND不斷降低，而較低、中度與高覆蓋度PLAND逐步提升。同時(shí)，低覆蓋與高覆蓋的集聚度指數(shù)(AI)最高，隨時(shí)間而波動(dòng)變化；中覆蓋與較低覆蓋AI隨時(shí)間先下降后提升。這說明金川礦區(qū)近年來防護(hù)林建設(shè)、景觀綠化等工程使得植被逐漸增多，生態(tài)環(huán)境逐漸好轉(zhuǎn)。

圖 4 2005—2020年研究區(qū)各等級(jí)植被覆蓋度景觀指數(shù)變化

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

研究結(jié)果表明，2005—2020年金川礦區(qū)植被覆蓋度有了顯著提升，這一點(diǎn)在前人研究中已得到證實(shí)[27]，金川區(qū)所處的石羊河流域植被覆蓋度顯著改善，生態(tài)環(huán)境逐漸好轉(zhuǎn)[26]。植被覆蓋度的提升在一定程度上得益于礦區(qū)廢棄地土地再利用、植被恢復(fù)等[27]，眾多研究表明生態(tài)修復(fù)措施能有效提高植被覆蓋度，改善礦區(qū)生態(tài)環(huán)境[17]。金川礦區(qū)今后應(yīng)從生態(tài)修復(fù)長(zhǎng)期效益出發(fā)，以當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境為基礎(chǔ)，增加植物群落豐富性與層次性，引導(dǎo)植物群落的自然演替與恢復(fù)，提高植被生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性與可持續(xù)性，進(jìn)而提升礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)水平，實(shí)現(xiàn)礦區(qū)自然生態(tài)系統(tǒng)與人工生態(tài)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)與可持續(xù)。

為更清晰展現(xiàn)生態(tài)修復(fù)過程中植被恢復(fù)情況，長(zhǎng)時(shí)間序列的礦區(qū)植被覆蓋度變化及趨勢(shì)預(yù)測(cè)是下一步研究的重點(diǎn)。同時(shí)，由礦區(qū)植被恢復(fù)帶來的土壤基質(zhì)改良、空氣質(zhì)量提升等生態(tài)效益也應(yīng)得到關(guān)注。此外，礦區(qū)作為復(fù)雜的社會(huì)-生態(tài)-經(jīng)濟(jì)綜合體，植被覆蓋度變化受到自然及人為等因素影響，其時(shí)空演變的驅(qū)動(dòng)因素分析是后續(xù)研究的方向。

4.2 結(jié)論

本研究以甘肅省金川礦區(qū)為例，基于2005—2020年NDVI數(shù)據(jù)，利用像元二分法提取植被覆蓋度并計(jì)算其景觀格局，分析礦區(qū)生態(tài)修復(fù)過程中植被覆蓋度的變化，進(jìn)而探究植被修復(fù)效果。得出以下結(jié)論：2005—2020年金川礦區(qū)植被覆蓋度整體水平較低，但平均植被覆蓋度從2005年的24.15%提升到2020年的30.99%。在空間上呈“西高東低”的分布格局，隨著大規(guī)模推進(jìn)國土綠化與生態(tài)修復(fù)，植被覆蓋區(qū)域逐漸擴(kuò)大，特別是北部防護(hù)林、中部濕地公園及西南部礦山公園的植被情況明顯改善；但由于城市建設(shè)用地向西北擴(kuò)展，也導(dǎo)致西北部分區(qū)域植被覆蓋度降低。從礦區(qū)整體景觀格局看，植被景觀破碎度隨時(shí)間先增加后降低，且呈現(xiàn)出連通度與聚集性降低的特征；但景觀多樣性與均勻度不斷增加。從不同等級(jí)植被覆蓋景觀格局變化看，2005—2020年礦區(qū)低覆蓋植被占景觀面積比例最大且集聚性高，但景觀破碎化最低。而較低、中度及較高覆蓋植被景觀破碎化較高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，且集聚度低。高覆蓋植被占比較大且集聚性不斷增強(qiáng)，景觀破碎化較低，逐漸呈集中連片分布特征，說明金川礦區(qū)植被修復(fù)取得較好的成效。