祁連山南麓露天礦區高寒草地植被生態系統穩定性研究
——以青海木里-聚乎更礦區為例

陳 峰,楊利亞,馮海波,3,周建偉*,熊瑞民,朱 怡

(1.中國地質大學(武漢)環境學院,湖北 武漢 430078;2.自然資源部礦山生態效應與系統修復重點實驗室,北京 100081;3.中國地質大學(武漢)地理與信息工程學院,湖北 武漢 430078;4.中國地質大學(武漢)地質調查研究院,湖北 武漢 430074;5.中國地質大學(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與草甸草原區,是青海省最大的煤礦區,也是西北地區重要的煉焦煤資源產地,其地處黃河重要支流大通河的發源地,是祁連山區水源涵養地和生態安全屏障的重要組成部分,生態地位極為重要。近年來區內大型露天煤礦開采加劇了草地生態系統退化。何芳等[1]基于高分辨率遙感影像監測和野外調查,得出木里礦區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。高寒草原礦區生態安全問題一直備受關注。因此,開展高寒草原礦區植被生態系統穩定性研究,能夠深入揭示露天采礦活動及其生態修復工程對高寒草原礦區植被生態系統的影響,其研究成果可為高寒草原礦區生態保護與修復提供科學依據。

近年來,學者們對于生態系統穩定性的研究大部分集中在評價方面[2],一些學者在對生態系統穩定性概念理解的基礎上,通過選取生態系統活力、抵抗力、恢復力、變異性等方面的指標對生態系統穩定性進行了評價[3-5],但由于生態系統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的角度,通過選取外界干擾因子、景觀本身生態學特征因子以及景觀格局指數對生態系統穩定性進行評價[8]。但是由于目前景觀生態學中固有的景觀格局指數更注重景觀幾何特征、狀態的描述,而缺乏動態機制與過程的研究[9-10],使得目前對于生態系統穩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(NDVI)的時空數據序列分析方法,該方法基于植被生態系統穩定性與漲落理論的分析,以表征植被自然屬性的NDVI數據為基礎,通過對植被生態系統如何由穩定走向失穩的判別,提出能夠表征植被生態系統穩定性的3個指數,即NDVI的均值(μ)、均方差(σ)和相對漲落值(δ=σ/μ),并通過NDVI數據的網格化處理、網格內植被穩定性指數計算與時空維度分析,揭示植被生態系統的穩定性特征[14]。該方法已被應用于呼倫貝爾草原陳旗盆地露天礦區植被生態系統穩定性的研究中,由于植被穩定性指數計算簡單,可對重點區域、異常漲落區域進行動態精細化分析及穩定性識別,不涉及區位性的干擾,可廣泛應用于荒漠化、石漠化、高寒草原礦區、森林以及人造景觀等植被生態系統穩定性的研究。

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

1 研究區概況

木里-聚乎更礦區位于青海省東北部,海西州天峻縣境內,本文選取木里-聚乎更礦區及其周邊區域8 988.54 hm2范圍為研究區,見圖1。該區域氣候寒冷,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,年平均蒸發量為1 049.9 mm,長冬無夏,凍土發育,為典型的高原亞寒帶草原半干旱氣候區[15]。該地區土壤主要為草甸沼澤土,廣泛發育凍土[16];礦區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2002—2022年區域氣象數據,研究區區域降水量與NDVI均值之間具有高度的正相關性,如圖2所示。

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

木里-聚乎更礦區自20世紀70年代開始就有小規模開采,到2003年先后有8家企業進入礦區從事煤炭資源勘查及開發工作。2015年青海省對祁連山木里-聚乎更礦區煤炭資源開發引起的環境影響開展了渣山回填、渣山刷坡、整形覆土、種草覆綠、格構護坡等生態環境綜合整治工作,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、圍欄封育等生態修復治理,選取的礦區覆綠植被種類增多[22],并通過對各類型礦區覆綠渣土進行改良[23]、土質優化、提升土壤肥分及坡體穩定性,目前礦區生態修復治理效果良好。

2 數據來源與分析方法

2.1 數據來源

本研究選取USGS官網(usgs.gov)的Landsat遙感影像數據,依據木里-聚乎更礦區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遙感影像數據,見表1。

表1 Landsat遙感影像數據來源

氣象數據來源于ERA5 monthly averaged data on single levels from 1979 to present數據集,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遙感影像數據進行輻射定標、大氣校正、裁剪鑲嵌等預處理后,進行歸一化植被指數(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系統穩定性研究的新方法[9],以NDVI的均值(μ)、均方差(σ)、相對漲落值(δ)3個植被穩定性指數為依據,對研究區高寒草地植被生態系統異常漲落的區域進行識別,揭示其動態過程及穩定性。

基于NDVI的時空數據序列分析方法的流程(圖3)如下:①NDVI時間序列數據整理,見表1;②NDVI數據網格化,基于研究區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的網格為相對較好的基本單元;③網格內植被穩定性指數的計算,包括能夠反映網格內植被天然屬性時空序列集中趨勢與平均狀態的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個植被穩定性指數的時空分布特征分析、局部異常漲落區域識別,檢測植被生態系統穩定性變化特征。

圖3 NDVI的時空數據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 天然草地植被生態系統穩定性特征

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

圖4 研究區背景區天然草地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,中、高覆蓋草地(μ≥0.5)區域(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,表明其植被生態系統穩定性更強。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系統內部的振蕩劇烈,系統的穩定性降低。

3.2 礦區各地段植被生態系統穩定性特征

研究區礦山NDVI均值、均方差、相對漲落時間序列動態圖見圖5,其中礦區渣山、礦區礦坑斜坡、礦區坑底平臺3個植被穩定性指數的時間序列動態圖,見圖6至圖8。

圖5 研究區礦區NDVI均值(μ)、均方差(σ)和相對漲落值(δ)時間序列動態圖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 研究區礦區渣山NDVI均值(μ)、均方差(σ)和相對漲落值(δ)時間序列動態圖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 礦區渣山

由圖5和圖6可以看出:

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

2) 2015—2017年第一次治理后,礦區渣山Ⅰ.1南部原生低覆蓋區(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(柵格56、70、71、95、110、111)覆綠效果并未達到預期;2019年區域植被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適應性較差。

3) 2020—2022年第二次整治后,礦區渣山Ⅰ.1內植被NDVI均值恢復程度大于第一次治理,現觀測覆綠區(柵格93、94、95)恢復到高NDVI均值低漲落狀態,經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,植被生態系統穩定性不佳,NDVI相對漲落值達0.80,而礦區渣山Ⅰ.2內各柵格區域相對漲落值分布均較低,接近背景區的天然狀態。礦區渣山Ⅲ.3堆積時間較短,植被覆蓋持續提高,2022年植被NDVI相對漲落值恢復至小于0.40的穩定狀態。

4) 3處渣山由原生低、中、高覆蓋草地均演變為裸地后演變為人工草地,標志植被生態系統穩定性的NDVI相對漲落值表現出先升高后降低的趨勢。

3.2.2 礦區礦坑斜坡

由圖5和圖7可以看出:

圖7 研究區礦區礦坑斜坡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,網格內植被NDVI相對漲落值小于0.62,處于自然演替狀態;在2012年開采末期,陰坡斜坡Ⅱ.1(柵格51、67、68、83、84)由草地破壞演變為裸地,區域植被NDVI相對漲落值達1.39,比背景區閾值高0.94,說明植被生態系統被完全破壞,見圖7。

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

3) 經后續2020年邊坡整治、覆土改良、人工建植后植被覆蓋度與穩定性發生了明顯變化,目前NDVI相對漲落值回降到接近背景區天然草地的水平,區域植被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,提高植被生態系統的穩定性,是高寒草原煤礦區比較理想的生態修復治理措施。

3.2.3 礦區坑底平臺

由圖5和圖8可以看出:

圖8 研究區礦區坑底平臺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,網格內植被NDVI相對漲落值小于0.6。在2012年開采末期,礦區礦坑中西部(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定發展狀態,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,區域(柵格69、85、102、103、118)植被處于向裸地發展的不穩定過渡階段。

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系統并未持續穩定;在2019年、2020年,草地(柵格68、85、102、119)完全失穩,區域處于趨向裸地發展的近裸地狀態;直至2021年、2022年覆綠,植被NDVI均值回升,區域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,向良好態勢發展,植被生態系統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坑底平臺區域植被生態系統幾乎徹底失穩,在2015年退化到近裸地狀態;高寒草原礦區2015—2017年邊采邊治的策略持續加大了對區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2020—2022年的“覆土+施肥+人工建植”生態恢復治理,區域植被NDVI相對漲落值現已降至近天然草地背景區的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植被生態系統的有效途徑。

4 討 論

對比研究區礦山兩次生態修復治理效果發現,土壤改良在高寒草地礦區不同地形條件下均能顯著提高植被生態系統穩定性,促進植被生態系統正向演替發展,地形是影響礦區植被生態環境恢復的主要因子,高寒礦山受損植被生態系統的治理可通過優化礦區渣山與陰坡斜坡的生態修復治理措施來進一步提升其生態環境恢復效率。

由于生態環境修復時間較短,礦區植被生態系統現階段表現出趨于穩定化的態勢,還需要后期多年的監測才可以完整定論。

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。采礦與生態修復等人類活動尚未影響到區域植被生態系統的穩定性,背景區天然草地的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) 與背景區相比,礦山開采后礦區植被NDVI相對漲落值明顯增加,植被生態系統失穩,礦區植被NDVI相對漲落值與背景區閾值的差值可達0.97。

3) 2015—2017年第一次生態修復治理后,礦區植被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修復治理效果不明顯。

4) 2020—2022年第二次生態修復治理后,經礦區渣土改良、土地增穩、養分提升,植被生態系統覆蓋度與穩定性明顯改善,治理區植被NDVI相對漲落值降低至天然草地背景區相似水平(0.07～0.59),植被生態系統穩定性排序為礦區坑底平臺>礦區礦坑斜坡>礦區渣山。