贛南6縣稀土礦區分布及其植被恢復的遙感動態監測

熊恬葦，江 豐，齊述華(江西師范大學 鄱陽湖濕地與流域研究教育部重點實驗室/地理與環境學院，江西 南昌 330022)

贛南6縣稀土礦區分布及其植被恢復的遙感動態監測

熊恬葦，江 豐，齊述華
(江西師范大學 鄱陽湖濕地與流域研究教育部重點實驗室/地理與環境學院，江西 南昌 330022)

稀土礦區；植被恢復；遙感監測；贛南

稀土資源的開采在促進地方經濟發展的同時對礦區生態環境帶來了不良影響，為此有必要開展稀土礦區的分布動態及礦區植被恢復的監測。以江西省贛州市安遠、龍南、定南、全南、信豐和尋烏6縣為研究區，利用Google Earth平臺的高分辨率影像，目視解譯稀土礦分布范圍，然后以多時相Landsat遙感數據來計算歸一化植被指數和植被覆蓋度，通過回溯法確定1990—2015年稀土礦開采范圍的變化及礦區植被恢復狀況。結果表明：稀土礦區總面積為58.23 km2，其中定南和尋烏縣的開采面積分別為18.23和16.27 km2，分別占開采總面積的31.31%和27.94%；稀土礦開采的工藝以堆浸法為主，對地表植被破壞大；稀土開采在1990—2000年呈快速擴張趨勢，在國家采取礦區管控措施后，稀土礦無序開采得到一定程度的遏制，2000—2005年開采面積減少，2010—2015年開采面積減少到9.21 km2；以原地浸礦法為主開采稀土的龍南縣，礦區植被恢復效果較好，其他各縣的礦區植被恢復效果不明顯。

1 研究背景

稀土被譽為“工業維生素”“新材料之母”，廣泛應用于國防、航天、電子、核工業、機械制造、新能源等領域。我國稀土儲量約占世界總儲量的23%，主要有北方輕稀土礦和南方中重稀土礦兩類。離子型稀土礦是一種中重稀土礦，又稱風化殼淋積型稀土礦，在我國主要分布于江西、福建、湖南、廣東、廣西等省區[1]。離子型稀土礦具有豐度低、工業化開采難度大、礦點多位于偏遠山區等特點，所以監管難度大、成本高，非法開采屢禁不止，導致了植被破壞、水土流失等生態環境問題。

離子型稀土礦礦點比較零散，采用人工調查法對礦區開采情況及其生態環境問題進行動態監測周期長、效率低。采用遙感技術可以實時、快速、準確地提取地表信息，彌補傳統方法的不足。特別是近幾十年來，高分辨率衛星遙感數據得到廣泛應用，也成為礦區生態環境監測的主要數據源[2]。目前，針對稀土礦區生態環境遙感監測的研究主要集中在利用高分辨率影像獲取稀土礦點、尾礦庫分布[3-4]情況，進行稀土礦山地質災害評價[5-8]，以及利用多源多時相衛星影像監測稀土礦區的植被恢復方面[9-12]。利用中等分辨率衛星影像提取稀土礦分布的方法主要有最大似然法、監督分類法、自組織迭代法等自動分類方法，采用高分辨率影像提取稀土礦區的方法主要有面向對象分類法、人機交互式解譯和目視解譯等方法[13-15]。

位于江西省南部的贛南地區是我國重要的稀土資源基地之一，離子型稀土礦的儲量占全國總儲量的30%。針對贛南稀土礦的主要分布情況，本研究在Google Earth平臺支持下，利用多個年份的Landsat系列衛星的TM/ETM+/OLI影像，通過回溯法提取贛州地區的安遠、龍南、定南、全南、信豐和尋烏6縣的稀土礦區分布動態變化信息，并使用植被覆蓋度指標的變化對其植被恢復狀況開展監測評價。

2 研究區概況

本研究以贛南地區稀土礦分布最廣泛的安遠、龍南、定南、全南、信豐和尋烏6縣為研究區(圖1)。研究區位于江西省最南端，以山地、丘陵為主，水系發達，總面積為12 044.24 km2；屬于亞熱帶季風性濕潤氣候，四季分明、氣候溫和、熱量豐富、雨量充沛，土地利用類型以林地、園地、耕地為主，土壤類型以酸性紅壤為主，森林覆蓋率在70%以上。分布的巖漿巖主要為白堊系—下第三系盆地花崗巖、燕山晚期花崗巖和燕山早期第三階段花崗巖，其中燕山旋回晚侏羅世的花崗巖類與礦產資源特別是稀土礦的形成關系最為密切[16]。

3 數據與方法

3.1 數據來源

利用Google Earth平臺提供的高分辨率影像，目視解譯稀土礦區分布范圍，以1985、1990、1995、2000、2005、2010、2015年8—9月份的Landsat遙感無云影像來計算歸一化植被指數和植被覆蓋度。由于研究區多云多雨，影像質量受云影響較大，因此在無云影像缺失的年份，以相鄰年份影像代替。

3.2 稀土礦遙感識別

研究區離子型稀土礦開采主要有池浸法、堆浸法和原地浸礦法三種方法[16]。池浸法對植被的破壞極大，大部分地區已淘汰使用，目前主要采用原地浸礦法和堆浸法。用在Google Earth平臺中近似真彩色顯示的高分辨率衛星影像，結合稀土礦區的標志性目標物，目視識別稀土礦區。

堆浸法開采的稀土礦區中有開采區、堆浸場和沉淀池等標志性目標物。Google Earth影像中，正常開采的稀土礦區呈土黃色，關停的稀土礦區呈灰色或棕色；堆浸場往往存放有硫酸銨浸取劑，呈規則的“田”字格狀；沉淀池呈藍色或亮白色，無沉淀液則為黑色，呈圓形或長方形。

原地浸礦法開采的稀土礦區中有高位池、注液井和沉淀池等標志性目標物。正在使用的高位池呈藍色，廢棄的高位池呈灰色；注液井主要分布在礦山山頂和山坡上，為明暗相間的密集點狀，呈亮灰色；礦區周圍還存在長方形的藍色棚頂建筑物。

判讀人員可根據建立的解譯標志，沿影像特征邊緣勾繪出礦區邊界，確定礦山開采范圍；同時根據不同稀土開采工藝特有的地物特征，確定該礦區的開采方式。

3.3 回溯法確定稀土礦區的動態變化

利用ENVI軟件對遙感影像進行輻射定標、大氣糾正和剪裁等預處理，利用近紅外波段和紅光波段的反射率計算歸一化植被指數(NDVI)，根據相鄰時期的NDVI變化(ΔNDVI)確定稀土礦區的開采活動期和停采恢復期。當ΔNDVI<-0.25時，表明礦區存在開采活動；當-0.25≤ΔNDVI<0.25時，表明礦區處于關閉狀態；當ΔNDVI≥0.25時，表明礦區停止開采活動，植被處于恢復狀態。根據該閾值判斷準則，以目視解譯獲取的稀土礦區范圍為掩膜，確定每個礦區的開采時間和關閉時間。

3.4 植被恢復評價

植被覆蓋度(fc)是衡量地表植被覆蓋的重要指標，利用以NDVI為基礎的像元二分法計算植被覆蓋度[17]，公式為

(1)

式中：NDVIsoil為完全是裸土或無植被覆蓋區域的NDVI值；NDVIveg為完全被植被所覆蓋的像元的NDVI值。根據植被覆蓋度大小將礦區植被覆蓋狀況分為5級，詳見表1。

表1 植被覆蓋度分級閾值

4 結果與分析

4.1 稀土礦開采現狀

根據Google Earth影像目視識別的稀土礦區空間分布(圖1)，研究區稀土礦區總面積為58.23 km2，其中定南和尋烏的稀土礦開采面積最大，分別為18.23和16.27 km2(表2)。大型的稀土開采區較集中，如定南縣嶺北鎮、龍南縣東江鄉、全南縣坡頭鎮、安遠縣新龍鄉，以及尋烏縣南橋鎮、文峰鄉等；小型的稀土開采區分散于各縣的邊界處或者零散分布在大型礦區周圍。各縣交界處存在較多稀土開采小斑塊，表明贛南地區越界開采現象較嚴重。

原地浸礦法就目前來說是一個相對環保的工藝，但是研究區的稀土開采工藝仍以堆浸法為主，只有龍南縣和尋烏縣采用原地浸礦法開采的面積超過其總開采面積的一半(表2)。

圖1 研究區概況和稀土礦區分布

表2 贛南6縣稀土礦的現狀開采面積

4.2 稀土礦開采范圍動態變化

稀土礦區范圍從20世紀90年代至今發生了巨大的變化。從贛南6縣不同年份的稀土礦區分布(圖2)可以看出：2000—2005年，稀土礦無序開采得到一定程度的遏制，各縣的開采面積均有一定的減少；2010—2015年稀土礦區開采面積減少到9.21 km2。龍南縣稀土礦區主要是在1995—2000年間開發的，在1995年以前稀土礦區較為分散，1995—2000年稀土礦區擴張迅速，大量礦區形成連片格局，主要位于東江鄉、關西鎮(見圖2b)；定南縣礦區主要位于嶺北鎮，開采面積在1990—2010年一直處于增加狀態，礦區向北擴張(見圖2c)；信豐縣稀土開采斑塊較分散，1990—2010年稀土開采活動很活躍，特別是位于安西鎮和虎山鄉的礦區(見圖2d)；安遠縣的稀土開采活動也較為頻繁，主要在新龍鄉、欣山鎮和高云山鄉等(見圖2e)；尋烏縣的南橋鎮稀土礦區從1995年以后逐漸開發，并形成連片的分布格局(見圖2f)。

圖2 不同時期贛南6縣的稀土礦開采范圍

對不同時期各縣稀土礦區新增面積的統計結果表明(圖3)：20世紀90年代贛南6縣稀土開采總面積呈快速增加的態勢，僅1995—2000年，稀土開采擴張面積就達到22.44 km2；21世紀以來，新增開采面積呈減少趨勢，但在2005—2010年間新增礦區面積也達到了16.31 km2；從分縣的情況來看，龍南縣、定南縣和尋烏縣稀土開采擴張面積較大。

圖3 1990—2015年不同時期贛南6縣的稀土礦開采面積

4.3 植被恢復評價

稀土礦的大量開采給礦區植被覆蓋帶來顯著破壞[18]。由于稀土開采區的地質構造、地貌、礦山管理方案、監管力度等都存在差異，因此不同地區稀土礦區的植被恢復程度也存在較大的差異。根據不同時期礦區的NDVI變化，可分析礦區植被覆蓋狀態。從圖4可以看出，受新增礦區開采對地表植被的破壞影響，贛南6縣稀土礦區的植被覆蓋狀態總體上呈下降趨勢，高植被覆蓋的面積減少，裸地和低植被覆蓋的面積增加。

從分縣的情況來看，各縣礦區的高植被覆蓋面積整體都呈現下降的趨勢，特別是21世紀以來，除龍南縣之外，其余各縣高植被覆蓋面積都呈顯著下降趨勢，而裸地和低植被覆蓋的面積呈增加趨勢。龍南縣植被覆蓋較好與其稀土礦開采主要采取原地浸礦工藝有關，該工藝對地表植被覆蓋的破壞程度相對較小；同時，由于在稀土開采過程中采取了“逢坑建壩，大壩套小壩，層層攔截”等工程措施[19]，在廢礦區或停產整頓的礦區開展了“山頂栽松，坡面布草，臺地種桑，溝谷植竹”的整體布局的龍南稀土礦山治理模式[20]，因此產生了較好的植被恢復效果。各縣中植被覆蓋和中低植被覆蓋的面積相對較為穩定，表明關停礦區的植被恢復較為緩慢。

圖4 贛南6縣稀土礦區各級植被覆蓋類型的面積變化

5 結 論

本研究在利用Google Earth平臺中的影像解譯贛南地區6縣主要稀土礦區分布的基礎上，利用多個年份的Landsat衛星影像分析贛南6縣主要稀土礦植被恢復狀況，結論如下：①贛南稀土礦開采規模大，研究區稀土礦區總面積為58.23 km2。其中定南縣開采面積最大，為18.23 km2，占總面積的31.31%；其次為尋烏縣，開采面積為16.27 km2，占總面積的27.94%。②稀土礦開采的工藝以堆浸法為主，該工藝對地表植被破壞大。③稀土開采在1990—2000年呈快速擴張趨勢，在國家采取礦區管控措施后，稀土礦無序開采狀況得到一定程度的遏制，2000—2005年開采面積減少，2010—2015年開采面積減少到9.21 km2。④除龍南縣礦區植被恢復效果較為良好之外，其他各縣的礦區植被恢復效果不明顯。

[1] 池汝安,田君.風化殼淋積型稀土礦化工冶金[M].北京：科學出版社,2006:1-14.

[2] 雷國靜.贛州市龍南地區稀土礦礦山開采現狀與動態監測遙感研究[D].北京:中國地質大學,2006:22.

[3] 代晶晶,王登紅,陳鄭輝,等.IKONOS遙感數據在離子吸附型稀土礦區環境污染調查中的應用研究——以贛南尋烏地區為例[J].地球學報,2013(3):354-360.

[4] 代晶晶,王瑞江,王登紅.高空間分辨率遙感數據在離子吸附型稀土礦山調查中的應用[J].遙感技術與應用,2014,29(6):935-942.

[5] 楊顯華,黃潔,田立,等.基于高分辨率遙感數據的礦山環境綜合治理研究——以冕寧牦牛坪稀土礦為例[J].國土資源遙感,2015(4):115-121.

[6] 王少軍,宋啟帆.空間信息支持下的江西定南稀土礦區泥石流危險性評價[J].遙感信息,2012(1):57-61.

[7] 趙汀.基于遙感和GIS的礦山環境監測與評價[D].北京:中國地質科學院,2007:67-76.

[8] 黃鐵蘭,吳海陸,黃華谷.基于多源多時相遙感數據的稀土開采狀況與地質環境問題監測[J].華南地質與礦產,2014(2):169-175.

[9] 孫亞平.贛州市龍南地區稀土礦礦山環境遙感研究[D].北京:中國地質大學,2006:31-32.

[10] 彭燕,何國金,張兆明,等.贛南稀土礦開發區生態環境遙感動態監測與評估[J].生態學報,2016,36(6):1676-1685.

[11] 張航,仲波,洪友堂,等.近20多年來贛州地區稀土礦區遙感動態監測[J].遙感技術與應用,2015,30(2):376-382.

[12] 李恒凱.南方稀土礦區開采與環境影響遙感監測與評估研究[D].北京:中國礦業大學,2016:46-56.

[13] 王瑜玲.江西定南北部地區稀土礦礦山開發狀況與環境效應遙感研究[D].北京:中國地質大學,2007:32-34.

[14] 彭燕,何國金,曹輝.基于紋理的面向對象分類的稀土礦開采地信息提取[J].科學技術與工程,2013,13(19):5590-5596.

[15] 李恒凱,吳立新,劉小生.稀土礦區地表環境變化多時相遙感監測研究——以嶺北稀土礦區為例[J].中國礦業大學學報,2014,43(6):1087-1094.

[16] 趙靖,湯洵忠,吳超.我國離子吸附型稀土礦開采技術現狀綜述[J].新疆有色金屬,2001(3):17-20.

[17] 李苗苗,吳炳方,顏長珍,等.密云水庫上游植被覆蓋度的遙感估算[J].資源科學,2004,26(4):153-159.

[18] 潘美浪,羅建忠.離子型稀土礦山環境問題及其治理方法[J].有色金屬文摘,2015,30(3):79-80.

[19] 劉毅.稀土開采與水土保持[J].山西水土保持科技,2002(2):19-21.

[20] 李茂忠.信豐縣修復稀土礦區生態的技術措施及效益分析[J].中國水土保持,2014(7):32-34.

國家自然科學基金項目(41261069)；江西省重大生態安全問題監控協同創新中心資助項目(JXS-EW-00)

TP79;S157

A

1000-0941(2018)01-0040-05

熊恬葦(1993—)，女，江西鄱陽縣人，碩士研究生，主要從事遙感應用研究；通信作者齊述華(1973—)，男，江西婺源縣人，教授，博士，主要從事地學遙感應用研究。

2017-05-10

(責任編輯 徐素霞)