神華呼倫貝爾礦區生態環境動態分析

趙龍生，李曉楠，趙茜陽，吉雨寧，陳夢圓，張 凱

(1.國家能源集團 煤炭中心，北京 100013；2.中國礦業大學(北京) 化學與環境工程學院，北京 100083)

0 引 言

煤炭產業的發展帶動著區域經濟的發展，但另一方面，由于礦區煤炭開采力度的不斷加大，給生態環境帶來了嚴峻的考驗，如土地荒漠化嚴重、土壤肥力下降、土地沉陷等均為近年來人們越來越關注的話題[1-3]。因此，對生態環境的變化進行監測與評價是1項重大而有意義的研究。

地理信息系統和遙感技術課題的興起為礦區生態領域調查研究提供了新的技術手段和研究思路。國內外關于遙感技術在礦產資源開發狀況及環境監測的研究始于20世紀60年代，從最初的礦區水環境、土壤污染等研究逐步擴展到區域地表水、土壤狀況、植被覆蓋等要素的調查，并提出了一系列生態評價方法[4-6]。吳立新等人利用衛星所得歸一化植被指數(NDVI)，采用沙化土地分級變化檢測與一元線性回歸方法,對神東礦區1999～2008年植被覆蓋和土地沙化的動態變化進行了分析[7]。徐嘉興等以沛縣礦區為例，從自然條件、景觀結構、干擾程度和生態效益4個方面構建評價指標體系，綜合評價了礦區土地生態質量，并對礦區土地生態質量空間分異特征進行了定量分析[8]。張禾裕等人依據神府礦區的實際情況以及所收集到的資料,運用地理信息系統(GIS) 和統計分析軟件,對其生態環境狀況進行了綜合評價[9]。徐嘉興等人以徐州市賈汪礦區為研究案例，從景觀生態學角度構建指標體系和評價模型，運用遙感、GIS 技術，綜合評價了 2001 年和 2010 年徐州市賈汪煤礦區土地景觀生態質量，并分析了其變化趨勢[10]。侯湖平等人以徐州城北礦區1987年、1998年、2008年的遙感影像為數據源,采用生態景觀學理論以及遙感(RS)和地理信息系統(GIS)技術,分析了采礦對礦區景觀生態影響的變化規律[11]。劉軒等人運用GIS、RS 和景觀評價分析方法,選取2000 年 Landsat ETM 和 2014 年 Landsat OLI8 遙感影像作為數據源,結合實地調查解譯分類,分析了陽泉市一礦煤矸石回填復墾區景觀變化狀況,并對景觀生態綜合穩定性進行了評價[12]。國外研究學者Myneni，Tucker，Los等人也利用衛星遙感數據對全球范圍內植被覆蓋變化進行了研究，表明過去20年北半球高緯度地區陸地植被活動性顯著增強[13-16]。Jhanwar M.L.等運用數字地形圖和多時相遙感數據研究印度比焦利亞地區露天煤礦土地利用格局變化，分析采礦區面積變化和植被覆蓋變化以及煤礦開發對于當地疾病傳播的影響[17]。在針對礦業活動后期的地表特征表達以及復墾效果評價方面，Schmid T.等對西班牙某地區煤礦開采活動進行研究，通過野外光譜輻射測量、實驗室分析和衛星數據來監測礦區中不同下墊面的地表覆蓋和土地利用變化，發現該地區礦坑變為人工湖、尾礦庫封閉、植被覆蓋恢復，且通過整合不同尺度的數據信息，大幅提高了汞礦區表征監測[18]。Schroeter L基于 LandsatTM 數據對德國東部褐煤開采后塌陷形成的湖泊水質數據進行監測，揭示了露天褐煤開采對礦區生態環境的影響[19]。但現有研究學者大多從單一因子出發，僅對區域生態環境進行檢測分析，而對于礦區多因子的動態分析研究較少。

筆者以遙感技術為主要手段，以區域土地利用結構、植被覆蓋及土壤侵蝕度為主要研究對象，調查神華呼倫貝爾礦區生態環境現狀，評價 2002年至2017年呼倫貝爾地區生態環境的動態變化，分析呼倫貝爾草原生態環境的變化趨勢，為保護礦區生態環境、實現礦區土地資源可持續利用與煤炭資源綠色開發提供理論指導和技術支撐。

1 研究區域概況

區域生態環境動態調查涉及海拉爾、陳巴爾虎旗、鄂溫克旗和牙克石市 4 市旗，面積約為9 298.52 km2，礦區調查面積179.47 km2，其工作區遙感影像圖如圖1所示 。工作區大部屬中溫帶半濕潤半干旱大陸性季風氣候，土壤類型主要有黑鈣土、灰黑土、栗鈣土和潛育土，植被類型主要有草原、草甸、針葉林和栽培植被。神華呼倫貝爾礦區包括神華寶日希勒能源有限公司、神華大雁礦業集團有限公司所屬 6 座煤礦，劃分為寶日希勒、大雁、扎尼河和敏東等4個礦區。區內煤類型屬褐煤和長焰煤，煤巖成份以暗煤為主，次為絲炭，有時有亮煤及少量鏡煤呈細條帶或透鏡狀夾于其中。

圖1 工作區遙感影像圖Fig.1 Area remote sensing image graph

2 數據與研究方法

2.1 數據來源

針對呼倫貝爾礦區煤礦分布特點和此次研究工作的目標任務，項目以多時間序列衛星影像數據為依據，在地理信息系統技術支持下，采用人機交互解譯與計算機自動信息提取相結合方式、室內綜合研究與實地調查驗證相結合的工作模式，進行呼倫貝爾礦區生態環境監測與評價工作。以 2002、2006 年美國 ETM、TM 和 2012、2017 年中國 HJ1A/1B 衛星遙感數據為依據，參照HJ/T 192—2006 《生態環境狀況評價技術規范(試行)》，統計分析區域土地利用類型、植被覆蓋度、土壤侵蝕強度等因子，得出區域生態環境狀況及變化趨勢。

2.1.1植被覆蓋度遙感測算方法

植被覆蓋度是指植物群落總體或個體的地上部份垂直投影面積與樣方面積的百分比。植被覆蓋度的測量可分為地面測量和遙感測算2種方法，前者常用于田間尺度，后者常用于區域尺度[20,21]。筆者以 30 m 分辨率的美國 ETM 、TM 和中國 HJ1A/1B 衛星遙感數據為依據，采用歸一化植被指數(NDVI)模型，依托 ENVI 遙感圖像處理軟件和 Arc GIS 軟件平臺進行區域植被覆蓋度遙感定量反演。歸一化植被指數計算公式為：

(1)

式中，DNNIR為近紅外段的計數值(灰度值)，DNN為紅外段的計數值。

參照HJ/192-2006 《生態環境狀況評價技術規范(試行)》行業標準，將區域植被覆蓋度依百分比劃分為3級，即植被覆蓋度>50%為高覆蓋度、植被覆蓋度 20%～50%為中覆蓋度、植被覆蓋度≤20%為低覆蓋度，按上述3級植被覆蓋度進行密度分割，編制區域植被覆蓋圖。

2.1.2土壤侵蝕強度遙感測算方法

以坡度、非耕地植被覆蓋度和耕地3個因子作為評價指標，依托 Arc GIS軟件的空間數據處理和分析功能，進行區域土壤侵蝕強度的定量評價。參照《全國土壤侵蝕遙感調查技術規程》和SL 190-2007《土壤侵蝕分類分級標準》中面蝕分級指標，將區域土壤侵蝕強度劃分為6級，即微度侵蝕、輕度侵蝕、中度侵蝕、強度侵蝕、極強度侵蝕和劇烈侵蝕。

利用 Arc GIS 空間分析模塊將 DEM 數據提取成坡度的分布圖，再以 3°、8°、15°和 25°為界，對所得坡度圖進行重分類，從而提取坡度因子。利用 Arc GIS 中的 Arc Toolbox→Analysis Tool→Overlay→Update 操作(圖層更新操作)，即通過疊置植被覆蓋度分布圖層與坡耕地圖層，使坡耕地圖層替換被覆蓋的原植被覆蓋度圖層的圖形要素，得到區域植被覆蓋度與坡耕地疊合圖。使用 Arc GIS 的 Spatial Analysis 模塊，將區域植被覆蓋度與坡耕地疊合圖與 DEM 生成的坡度圖(6 個等級)進行空間疊加，得到不同植被覆蓋度、坡耕地與坡度的各種組合(共 36 種)，再將相同侵蝕強度級別的組合進行合并，最終得到區域土壤侵蝕強度分級圖。

以下從土地利用結構變化、植被覆蓋度變化、土壤侵蝕強度變化對結果進行分析探討。

3 結果與分析

3.1 土地利用結構變化

2002～2017 年期間區內土地利用類型結構發生了較大變化，主要表現在耕地先增后減再增，草地先減后增再減、林地和城鎮工礦用地持續增加，調查結果如圖2 所示。

圖2 呼倫貝爾地區土地利用總體變化Fig.2 Overall change in land use in Hulunbeier area

由圖2可看出，2002～2017 年期間區內耕地呈先增后減的態勢，面積凈減161.44 km2，其中，2002～2006 年期間新增耕地面積 224.86 km2；2007～2012 年期間，耕地面積累計減少 367.56 km2；2013～2017 年期間，耕地面積增加 304.13 km2。2002～2017 年期間區內林地總體呈上升趨勢，面積增加 786.55 km2，2002～2006 年期間林地面積增加 4.23 km2；2007～2012 年期間林地面積增加 1.78 km2；2013～2017 年期間林地面積增加 780.54 km2。2002～2017 年期間區內草地呈現先減后增再減的態勢，面積實際凈減1 093.62 km2，其中，2002～2006 年期間草地面積減少 252.65 km2；2007～2012 年期間草地面積增加 275.11 km2；2013～2017 年期間草地面積減少 1 116.08 km2。2002～2017 年期間區內城鎮村及工礦用地總體呈上升趨勢，面積增加 105.35 km2，其中，2002～2006 年期間面積增加 18.50 km2；2007～2012 年期間面積增加 75.73 km2；2013～2017 年期間面積增加 11.12 km2。

3.2 植被覆蓋度變化

2002～2017年期間，區內植被覆蓋總體變化趨勢一是植被覆蓋區持續減少；二是2002～2012年期間高覆蓋度植被持續減少，中、低覆蓋度植被逐步增加；而2013～2017年期間高覆蓋度植被迅速增加，中、低覆蓋度植被減少。

區內植被覆蓋度各期間具體變化如圖3所示。

圖3 呼倫貝爾區域2002～2017年植被覆蓋度變化Fig.3 Changes in vegetation coverage in Hulunbeier in 2002～2017

其中，2002～2012年期間高覆蓋度植被面積減少1 830.88 km2，占比下降19.69%；中覆蓋度植被面積增加1 052.80 km2，占比上升11.32%；低覆蓋度植被面積增加663.85 km2，占比上升7.14%。2013～2017年期間高覆蓋度植被面積增加1 709.96 km2，占比上升18.39%；中覆蓋度植被面積減少673.57 km2，占比下降7.24%；低覆蓋度植被面積減少917.27 km2，占比下降9.86%。

2002～2006年期間，區內植被覆蓋度總體呈逐級退化的趨勢。其中約1 354.67 km2高覆蓋度植被退化為中覆蓋度植被，約21.99 km2低覆蓋度植被退化為非植被覆蓋區；2007～2012年期間，區內植被覆蓋度在總體上仍呈逐級退化的趨勢，但高覆蓋度植被退化速度大幅度減緩，其中約410.08 km2高覆蓋度植被退化為中覆蓋度植被，約431.51 km2中覆蓋度植被退化為低覆蓋度植被，約100.40 km2低覆蓋度植被退化為非植被覆蓋區；2013～2017年期間，區內高覆蓋度植被覆蓋區大幅度增加，增加1 487.88 km2，中覆蓋度植被覆蓋區減少1 154.30 km2，低覆蓋度植被覆蓋區減少367.52 km2。

3.3 土壤侵蝕強度變化

2002～2017年期間區內土壤侵蝕總體變化趨勢是中度侵蝕先增后減，輕度侵蝕先減后增、微度侵蝕先減后增再減，總體呈減少的趨勢，其他侵蝕等級整體變化不大。其中，中度侵蝕面積增加40.28 km2，輕度侵蝕面積增加154.38 km2，微度侵蝕面積減少322.82 km2。

區內2002～2017年各期間土壤侵蝕強度變化如圖4所示。

圖4 呼倫貝爾區域2002～2017年土壤侵蝕強度變化Fig.4 Changes in soil erosion intensity in Hulunbeier area from 2002 to 2017

由圖4 可知，2002～2006年期間，區內土壤侵蝕強度總體呈增強的趨勢，主要是中度侵蝕大面積增加，微度侵蝕大面積減少。其中，中度侵蝕面積增加484.27 km2，微度侵蝕減少463.20 km2。2007～2012年期間，區內土壤侵蝕強度增強的趨勢放緩，主要是微度、輕度侵蝕小幅減少，中度侵蝕面積小幅增加，其中輕度侵蝕面積減少388.35 km2；微度侵蝕面積增加247.48 km2；中度侵蝕面積增加131.31 km2。2007～2012年期間，區內土壤侵蝕強度總體呈減弱的趨勢，主要是中度侵蝕面積大幅減少，輕度侵蝕大面積增加。其中，中度侵蝕面積減少575.30 km2，輕度侵蝕面積增加578.30 km2，微度侵蝕面積減少107.10 km2。

4 結 論

16年來，呼倫貝爾區域生態環境狀況持續為一般。其中2002～2006年生態環境狀況變差，2007～2012年有所改善，2013～2017年變好。

(1)2002～2006年時段:區內土地利用類型結構變化較大，主要是耕地顯著增加，草地明顯減少，城鎮村及工礦用地明顯增加；植被覆蓋度總體呈逐級退化的趨勢，土壤侵蝕強度總體呈增強趨勢。

(2)2007～2012年時段:區內土地利用類型結構變化較大，主要是耕地逐步減少，草地逐步增加，城鎮村及工礦用地則持續增加；植被覆蓋度總體仍呈逐級退化的趨勢，但高覆蓋度植被退化速度大幅減緩；土壤侵蝕強度增強的趨勢放緩，主要是中度侵蝕小幅增加。

(3)2013～2017年時段:區內土地利用類型結構變化不大；植被覆蓋度明顯提高；土壤侵蝕強度明顯減弱。