山西省六大煤田植被凈初級生產力對土地覆被變化的響應

李志祥，張藝凡，張和生

(1.太原理工大學礦業工程學院，山西 太原 030024；2.山西工程科技職業大學，山西 晉中 030619)

煤炭開采在促進我國社會經濟發展的同時，也給區域生態環境造成了嚴重的破壞。據統計，我國井工煤礦每開采1萬t煤造成的土地塌陷面積為2 400 m2[1]；露天煤礦每開采1萬t煤損毀土地面積2 200 m2，露天煤礦開采年均損毀和占用的土地面積多達100 km2[2]。煤炭開采對生態環境造成的負效應，引起了社會各界的廣泛關注，我國政府先后出臺了一系列政策法規，不斷加強煤礦區土地復墾工作。

隨著我國煤礦區生態修復工作的開展，如何監測和評價礦區生態系統成為學術界關注的焦點，學者們分別從土壤界面[3-4]和植被界面[5-6]研究了礦區生態擾動特征。近年來，植被凈初級生產力(net primary productivity，NPP)研究為探究礦區生態擾動過程提供了重要參考。NPP作為生態系統中的關鍵特征量，代表植物在單位時間和單位面積上的有機物凈積累量，是陸地生態系統中碳循環與能量流動的重要組成部分[7]。NPP可以直接表示綠色植被在不同生長條件下的生產能力，同時能夠反映區域自然生態環境質量，是理想的生態指標。侯湖平等[8]基于植被NPP對徐州礦區生態環境質量進行了評價，明確了植被NPP對礦區生態環境測度的可行性。陳廣洲等[9]以淮南煤礦區為例研究植被NPP的時空變化，發現年均NPP呈波動緩慢增長趨勢，且NPP分布格局與土地利用方式密切相關。

山西省是我國重要的煤炭能源基地，長期的煤炭開采給山西省生態環境造成強烈擾動。據統計，截至2014年，山西省因采煤造成的沉陷區面積達到3 000 km2[10]。山西省進行了廣泛的礦區生態修復活動，學者們也研究了山西省平朔露天煤礦[11]、大同礦區[12]等礦區NPP變化特征及其影響因素。上述研究從礦區尺度揭示了山西省不同采煤方式下的生態環境效應。然而，對于如何從省域尺度探究礦區土地覆被變化下的生態環境效應的研究目前較少。如何定量監測和評價省域尺度煤礦區土地覆被變化下的生態環境響應過程，具有重要的理論和實踐價值。因此，本文以山西省六大煤田為研究對象，利用MOD17A3H數據和MOD12Q1數據，分析研究區植被NPP和土地覆被時空變化，引入NPP損益流，從定向和定量的角度分析省域尺度下礦區土地覆被變化對植被NPP的影響，以期為山西省省域礦區生態評價提供依據，為省域國土空間生態修復中的礦區生態修復提供參考。

1 研究區概況

山西省位于我國黃土高原東翼，是典型的資源型經濟地區，總面積156 700 km2，緯度34°36′～40°44′N，經度110°15′～114°32′E。境內地貌類型以山地和丘陵為主，約占全省總面積的80%以上;氣候類型屬溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫4～14 ℃，年降水量400～650 mm。 根據含煤地層的發育特征和及其構造組合，把山西省分為大同煤田、寧武煤田、西山煤田、河東煤田、霍西煤田、沁水煤田六大主要煤田[13](圖1)，其面積約為69 655 km2，占全省國土總面積的44.45%。截至2015年底，山西省共有煤礦1 078座，生產能力14.6×108t/a，累計生產原煤166×108t，同時山西省實施煤炭資源整合和企業重組，不斷淘汰落后產能，推行“藍天碧水”及造林綠化等生態環境修復治理工程，2005—2015年累計完成營造林面積約30 000 km2，治理水土流失面積約17 000 km2。

圖1 研究區位置圖Fig.1 Location of study area

2 數據與方法

2.1 數據來源與處理

本文所用的NPP數據來自美國地質調查局提供的MOD17A3H數據集，時間范圍為2005—2015年，空間分辨率為500 m。土地覆被數據采用MCD12Q1數據集，該數據集使用決策樹分類的方法對Modis Terra和Aqua反射數據進行處理，得到分辨率為500 m的全球土地覆被分類結果[14]。參考通用于土地覆被類型的國際地圈-生物圈計劃(IGBP)分類方案，將研究區土地覆被類型分為耕地、林地、草地、灌叢、建設用地和其他土地六類。

為保證數據的可用性和分析結果的科學性，將覆蓋山西省六大煤田的3景MOD17A3H影像和3景MCD12Q1影像分別進行鑲嵌，重投影在WGS_1984_UTM_zone_49N坐標系，最后輸出空間分辨率為500 m的TIFF圖像。利用六大煤田矢量數據對得到的圖像進行裁剪，去除無效值，得到山西省六大煤田植被NPP數據和土地覆被數據。

2.2 研究方法

2.2.1 趨勢分析

利用一元線性回歸分析對研究區2005—2015年植被NPP數據進行逐象元線趨勢分析，用得到的斜率來反映其變化趨勢，計算公式見式(1)。

(1)

式中：θNPP為研究時段內各象元NPP變化的一元線性回歸方程斜率；n為研究時段；NPP(i,j)為第i年j象元對應的NPP值。θNPP>0表明植被NPP值呈上升趨勢；θNPP<0表明植被NPP值呈下降趨勢。參照李曉榮等[15]的方法對得到的斜率進行顯著性檢驗。

2.2.2 NPP損益流

引入動態物質變化中“流”的概念[16]，可以更加直觀地了解土地覆被變化所導致的NPP損益。當某種土地覆被類型轉為另一種類型使得NPP總量增加時稱為“增益流”，反之稱為“損失流”，該土地覆被類型轉為其他土地類型所產生的NPP值變化之和為“NPP損益流”，當值為正時，表示凈增益；值為負時，表示凈損失。其表達式見式(2)。

(2)

式中：NPPi為第i種地類的NPP損益流；NPP(i,j)為地類i轉為地類j時所產生的NPP變化。

3 結果與分析

3.1 山西省六大煤田2005—2015年NPP空間分布

山西省六大煤田2005—2015年NPP均值空間分布如圖2所示。整體來看，研究區NPP分布差異明顯，西北部較低，東南部較高。六大煤田多年NPP均值為335.03 gC/(m2·a)，其中大部分地區NPP均值分布在200～400 gC/(m2·a)，這些區域多為耕地和草地的覆蓋區，人類活動相對頻繁，面積為52 131 km2，占研究區總面積的74.84%。NPP值高于400 gC/(m2·a)的地區主要位于沁水煤田東南部、河東煤田南部以及寧武煤田中部，面積為14 759 km2，占研究區總面積的21.19%。 沁水煤田東南部、河東煤田南部水熱條件充足，耕地和林地分布廣泛，寧武煤田中部分布有管芩山林區，屬于黃土高原土石山區的水源涵養和防護林區，植被覆蓋率高，因此NPP值較高。 NPP值低于200 gC/(m2·a)的地區主要分布于大同煤田北部、河東煤田中西部，以及朔州、太原、孝義等礦業城市周邊，面積為2 765 km2，僅占研究區總面積的3.97%。大同煤田由于長期高強度開采，侏羅紀煤層已接近枯竭，加上該煤田所屬區為半干旱區，水熱條件差，受礦區開采擾動，植被恢復慢，而河東煤田位于呂梁山脈西側，主要為黃土丘陵區，該區水土流失嚴重，氣候干旱，生態環境脆弱，煤炭產量卻逐年升高，因此NPP值偏低。

圖2 2005—2015年NPP均值空間分布圖Fig.2 Spatial distribution map of NPP mean value from 2005 to 2015

對六大煤田11年的植被NPP值進行一元線性回歸，得到其線性回歸變化趨勢圖(圖3(a))。 研究區植被NPP值呈現增長趨勢的面積為58 280.25 km2，占總面積的83.67%；呈減少趨勢的面積為11 374.75 km2，占總面積的16.33%。結合顯著性檢驗結果(圖3(b))可以看出，植被NPP值呈增長趨勢較快的地區主要分布在寧武煤田南部、河東煤田中部、霍西煤田東部以及西山煤田東北部，多表現為極顯著增加，表明這些區域植被狀況明顯好轉，生態環境得到明顯提高。呈減少趨勢的地區主要位于沁水煤田和河東煤田南部，其余零星分布于大同、朔州、太原、陽泉等各城鎮周邊，顯著性檢驗表明，這些地區變化不顯著，說明生態環境沒有發生明顯惡化，應繼續對其加強監測，做好礦山生態修復工作。

圖3 六大煤田NPP線性回歸趨勢Fig.3 Linear regression trend of NPP in six coalfields

3.2 山西省六大煤田2005—2015年NPP時間變化

研究區NPP年際變化見圖4，植被NPP值總體呈上升趨勢，其中最大值為2012年的381.88 gC/(m2·a)，最小值為2007年的297.11 gC/(m2·a)。2005—2011年NPP值呈現波動增長的趨勢，這是這一時段內六大煤田礦山開采活動和生態修復工程共同作用的結果。礦山開采會使地表下沉，植被遭到破壞，進而使植被NPP值降低，而生態修復工程可以有效地改善區域生態環境，對植被NPP產生促進作用。2011—2012年NPP均值從324.80 gC/(m2·a)增長到381.88 gC/(m2·a)，這主要得益于山西省煤炭限產以及生態修復工程和退耕還林政策的實施；2012—2015年NPP均值呈下降的趨勢，這是由于在山西省正處于轉型發展初期，人類對土地資源的不合理利用造成的。從NPP比例結構上看，山西省六大煤田2005—2015年NPP值低于100 gC/(m2·a)的區域均不到1%，同時NPP值在100～200 gC/(m2·a))的區域在逐漸減少，而大于400 gC/(m2·a)的區域呈波動增長趨勢，這說明研究區植被凈初級生產力高值區的比例逐漸增加，生態環境逐漸向好。11年來，六大煤田NPP總量從20 229.26 GgC增長到23 786.61 GgC，年均增長1.60%，但同期山西省煤炭總產量從5.5×108t增長到9.75×108t，年均增長達到7.02%。六大煤田的NPP總量隨煤炭產量的快速增長而增長，究其原因發現，研究時段內山西省通過國土綠化、退耕還林等生態修復工程，森林覆蓋率從14%增長到20.5%；同時《山西省礦產資源總體規劃(2016—2020年)》中指出，2008年以來山西省累計投入地質環境修復治理資金21.53億元，修復治理礦山362座，治理面積達到600 km2左右，土地復墾率達到50%以上。這表明各項生態修復工程對植被NPP產生的促進作用彌補了煤礦開采對NPP的負面效應，山西省六大煤田生態修復工作產生了顯著成效。

3.3 山西省六大煤田土地覆被時空變化

2005—2015年間，研究區土地覆被類型發生轉移的面積共9 006 km2，占研究區總面積的12.93%(表1)。耕地、林地、草地之間的相互轉化為該地區土地覆被轉移的主要特征。結合三期土地覆被分類圖(圖5)可以看出，耕地主要集中于六大煤田境內的長治盆地、太原盆地、臨汾盆地和大同盆地，少部分位于河東煤田南部的鄉寧縣、吉縣和隰縣等地區。研究時段內耕地轉為其他類型土地的面積共912.75 km2，其中大部分轉為草地，轉出面積為654.25 km2，占耕地總轉出面積的71.68%，這是在加快城市化進程的背景下，農村進城人口增多，大量中低產田被棄耕拋荒，逐漸變為草地的結果；轉為林地的面積次之，占耕地總轉出面積的21.70%，這主要是由于六大煤田持續開展退耕還林生態修復工程，大量耕地退耕為林地；在城鎮周邊，隨著城市擴張以及工業發展的需要，部分耕地被逐步占用， 有57.75 km2的耕地轉為建設用地，占耕地總轉出面積的6.30%；由其他類型土地轉為耕地的面積共有4 494.5 km2，其中草地為主要的轉入源，占耕地總轉入面積的71.89%。耕地的轉入與轉出使其面積凈增長3 581.75 km2，漲幅達到17.65%。林地主要分布于沁水煤田的太行山脈和河東煤田東部的呂梁山脈一帶。2005—2015年林地轉為其他類型土地的面積共2 403 km2，由于管護缺失、成活率低等原因，大量林地退化轉為草地，占林地總轉出面積的43%；建設用地在擴張的過程中也占用了12 km2的林地。 其他類型土地轉為林地的面積共2 551.5 km2，草地和耕地為主要轉入源，轉入面積分別為2 280 km2和198 km2。林地的轉入與轉出使其面積凈增長148.65 km2，增長了1.03%。 草地散布于六大煤田，且一直是研究區面積占比最大的土地類型。2005—2015年間草地面積凈減少3 882.25 km2，占比從2005年的49.62%降低到2015年的44.05%。建設用地面積的增加主要來源于對城鎮周邊耕地、林地和草地的占用，11年間共增長84.25 km2，占地增長了2.67%。灌叢和其他土地的面積由于基數小，研究時段內增幅分別達到25.07%和40.13%。總體來說，六大煤田土地覆被的主要變化表現為草地面積的減少和其他類型土地面積的增加，說明研究區礦山生態修復工作雖然取得一定的成效，但未來仍應繼續實施礦山生態修復工程，應繼續加強對礦山生態修復工作的重視。

圖5 六大煤田不同時期土地覆被分類圖Fig.5 Land cover map of six coalfields in different periods

表1 2005—2015年土地利用轉移矩陣Table 1 Land use transfer matrix from 2005 to 2015

3.4 不同土地覆被類型對NPP的影響

將凈初級生產力數據與土地覆被數據進行疊加分析可知，不同土地覆被類型NPP差異明顯。圖6展示了不同土地覆被類型在研究期內的NPP變化趨勢，所有土地類型的NPP均出現波動，但總體都呈現上升趨勢。 具體來看，2005—2015年山西省六大煤田不同土地覆被類型NPP均值大小依次為林地(404.87 gC/(m2·a))>灌叢(386.02 gC/(m2·a))>耕地(353.34 gC/(m2·a))>草地(303.64 gC/(m2·a))>其他土地(302.28 gC/(m2·a))>建設用地(238.69 gC/(m2·a))。這種差異一方面由于林地和灌叢自身植被覆蓋度大，光合作用效率高，另一方面在于研究區林地和灌叢多分布于山區，采礦活動對這些植被造成的破壞較小，使之積累的生物量多，同時土地復墾和退耕還林等生態修復工程使林地面積11年內增加148.5 km2，提高了林地的生產力。耕地在農業技術發展的背景下，糧食產量明顯提高，一定程度上也促進了有機物的積累。而研究區草地雖然分布廣泛，但受礦山開采的影響，植被覆蓋度較低，加之對氣候環境變化敏感，總體退化嚴重，生產力相對偏低。

圖6 不同土地覆被類型NPP均值變化趨勢Fig.6 The change trend of NPP mean value of different land cover types

3.5 土地覆被變化對植被NPP的影響

將三個時段的NPP差值與土地覆被類型在對應年份內的轉移面積相乘，得到不同土地覆被變化下的NPP損益流(圖7)。研究時段內，沒有發生變化的土地類型NPP總量均出現了增加，這是由于不同的地域格局和水熱條件的變化造成了NPP的變化。黃露等[17]在研究鄂爾多斯草地NPP時也得到了相似的結果。

圖7 六大煤田NPP損益流Fig.7 Profit and loss flow in six coalfields

2005—2010年，耕地轉為其他土地類型時，NPP總量凈損失2.94 GgC。 其中耕地轉為林地主要發生在沁水煤田的晉城市周邊，但2009年和2010年晉城市出現的極端氣候較多，抵消了耕地轉林地對NPP的促進作用，導致NPP損失流為1.15 GgC。耕地向建設用地轉移時，轉入面積較小，NPP損失流為0.74 GgC，但單位面積損失量達到34.41 gC/(m2·a)，是單位面積損失量最大的轉移方式，這表明耕地向建設用地轉移會造成NPP的大量損失；林地轉為其他土地類型時，對NPP損失較大，NPP凈損失71.39 GgC；草地轉為耕地和林地時，NPP增益流為123.88 GgC，其中轉為耕地時增益流最大，占總增益流的92.44%；灌叢在轉為林地時，NPP增益流為1.09 GgC；其他土地轉為林地、草地時，由于植被覆蓋有所改善，NPP出現增益流，但增益較小。

2010—2015年，耕地轉為林地和草地時，NPP增益流為16.31 GgC；耕地轉為建設用地時，NPP持續損失，損失流(1.12 GgC)是2005—2010年的1.64倍，說明研究區在這一時段內受城市化進程加快的影響，部分耕地被棄耕，逐漸變為其他土地和灌叢時，由于缺乏人工管理，植被整體的生產力水平降低，使NPP損失流為0.29 GgC，但損失較前一時段有所降低。林地轉為其他類型土地時，NPP總量凈損失33.17 GgC。草地在復墾為耕地和林地時，一方面由于復墾面積大，另一方面是人為促進作用加強，有效地保證了植被的生長，使NPP增益流達到111.37 GgC；草地轉為灌叢時，NPP損失流為0.35 GgC；灌叢和其他土地轉為林地和草地時，NPP總增益流為5.6 GgC。

2005—2015年間，不同土地類型轉為耕地和林地，使NPP總增益流(266.50 GgC)最大；林地轉為其他土地類型，使NPP總損失流(185.57 GgC)最大。總體來說，不同土地覆被之間的相互轉換，使研究區2005—2015年間NPP凈增益216.35 GgC，說明2005—2015年間山西省六大煤田生態環境逐漸好轉。

4 結 論

1) 山西省六大煤田2005—2015年植被NPP變化呈現波動式漸進增長，NPP總量增加3 492.20 GgC，年均增速達到1.6%。空間分布表現出東高西低，南高北低的特征，NPP呈增加趨勢的區域占整個研究區的83.67%，高值區域面積在逐漸增加，而低值區域面積逐漸減少，說明研究區的生態環境整體持續好轉。

2) 研究時段內，土地覆被變化主要表現為耕地和林地面積持續增加，耕地增加了3 581.75 km2，林地增加了148.65 km2，草地面積持續減少，減少了3 882.25 km2，建設用地面積增加了84.25 km2，其他類型土地變化相對較小。

3) 2005年以來，不同土地覆被類型的NPP均值大小為林地>灌叢>耕地>草地>其他土地>建設用地。土地覆被類型未發生變化的區域植被凈初級生產力穩步增長，表明生態環境逐漸向好。增加林地和耕地的面積會使NPP總量產生明顯增益，但林地轉為耕地和草地以及耕地轉為建設用地會造成NPP的大量損失。

山西省生態修復工作在六大煤田取得了一定的成效，未來仍應繼續實施礦區生態修復工程，具體措施如下所述。

1) 根據各礦區水土要素差異，因地制宜開展生態修復。晉東南地區要在加強生態環境監測工作的基礎上，繼續擴大營林造林面積；西北部礦區應增加林地的生態用地比重，提高區域生態環境質量。

2) 在改進復墾技術的基礎上，充分利用生態系統的自然恢復能力，將人工修復和自然恢復相結合，提高土地復墾的效率。

3) 加強礦區生態用地管護，防止工業用地對生態用地的過度占用。