煤炭開發(fā)對(duì)礦區(qū)植被擾動(dòng)時(shí)空效應(yīng)的圖譜分析
——以大同礦區(qū)為例

黃 翌,汪云甲,*,李效順,胡召玲,劉國(guó)平

(1. 礦山生態(tài)修復(fù)教育部工程研究中心 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，徐州 221116;2. 江蘇省資源環(huán)境信息工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，徐州 221116; 3. 江蘇師范大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院，徐州 221116)

煤炭開發(fā)對(duì)礦區(qū)植被擾動(dòng)時(shí)空效應(yīng)的圖譜分析
——以大同礦區(qū)為例

黃 翌1,2,汪云甲1,2,*,李效順2,胡召玲3,劉國(guó)平3

(1. 礦山生態(tài)修復(fù)教育部工程研究中心 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，徐州 221116;2. 江蘇省資源環(huán)境信息工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，徐州 221116; 3. 江蘇師范大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院，徐州 221116)

植被是綜合體現(xiàn)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況的關(guān)鍵因子。以NDVI值為參數(shù)，基于像元二分的遙感估算方法測(cè)度了1999—2010年大同礦區(qū)的植被覆蓋情況。利用Global Moran′sI、Getis-Ord GeneralG、Getis-OrdGi*、Anselin Local MoranI等空間關(guān)聯(lián)指數(shù)分別從全局演變和局部效應(yīng)的視角揭示了礦區(qū)植被受煤炭開發(fā)等活動(dòng)擾動(dòng)的時(shí)空演化和內(nèi)在作用機(jī)制。研究結(jié)果表明：(1)大同礦區(qū)植被蓋度變化在空間上呈集聚分布狀態(tài)，表現(xiàn)出很強(qiáng)的空間自相關(guān)性，這一現(xiàn)象在植被蓋度最低時(shí)期最明顯；(2)在植被蓋度上升期，其變化的熱點(diǎn)區(qū)不斷減少或向次熱點(diǎn)地區(qū)分散，礦區(qū)植被變化集聚效應(yīng)越發(fā)不顯著，總體上呈離散的態(tài)勢(shì)。(3)煤炭開發(fā)對(duì)礦區(qū)植被的擾動(dòng)呈現(xiàn)整體性特征，與煤炭產(chǎn)量成正比。(4)不同植被類型受煤炭開發(fā)擾動(dòng)呈現(xiàn)不同的變化特征。(5)采用循環(huán)工藝的高效高產(chǎn)礦井大規(guī)模煤炭開發(fā)對(duì)植被的擾動(dòng)作用尚不明顯，但長(zhǎng)期效應(yīng)有待進(jìn)一步研究。

煤礦區(qū); 植被蓋度; 時(shí)空效應(yīng); 圖譜分析

煤炭開采在為國(guó)家建設(shè)提供大量?jī)?yōu)質(zhì)煤炭的同時(shí)也嚴(yán)重破壞了礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境。根據(jù)相關(guān)研究，煤炭開發(fā)活動(dòng)對(duì)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的主要影響有：地表沉陷、土地沙漠化、土壤質(zhì)量下降、地表及地下水污染、植被破壞、生態(tài)系統(tǒng)退化、生物多樣性喪失、景觀破壞、農(nóng)作物減產(chǎn)等[1]。這些直接或間接影響一方面破壞了礦區(qū)植被的生長(zhǎng)環(huán)境，使其失去適合的生存空間；另一方面，逐漸裸露的地表又進(jìn)一步加劇了礦區(qū)生態(tài)脆弱度。因此，植被長(zhǎng)勢(shì)與礦區(qū)生態(tài)環(huán)境之間存在著高度的雙向制衡關(guān)系。同時(shí)，以生態(tài)學(xué)視角出發(fā)，諸如水土保持、生態(tài)系統(tǒng)調(diào)節(jié)、生物多樣性保護(hù)、土壤質(zhì)量改良、景觀修復(fù)等礦區(qū)資源環(huán)境諸多因子都不同程度依賴于植被的長(zhǎng)勢(shì)和繁茂程度。因此，植被是考量礦區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況的關(guān)鍵之一。在衡量植被繁茂程度的要素中，植被覆蓋度又稱為投影蓋度，是指植被植株冠層或葉面在地面的垂直投影面積占植被區(qū)總面積的比例[2- 4]，其范圍分布在0—1之間，反映了植被在水平方向上的密度情況，數(shù)值越大表明植被覆蓋度越高。國(guó)內(nèi)外研究表明，作為重要的氣候、生態(tài)水文影響因子，植被覆蓋度影響著區(qū)域大氣圈、水圈、生物圈層間的各種物質(zhì)轉(zhuǎn)化和能量轉(zhuǎn)移過程[5]。因此，研究其演化過程是檢驗(yàn)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境變化趨勢(shì)的重要指標(biāo)之一，對(duì)于評(píng)價(jià)煤炭開發(fā)對(duì)礦區(qū)環(huán)境影響機(jī)理、實(shí)施切實(shí)有效的生態(tài)修復(fù)工程等具有重要的研究意義。目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于區(qū)域植被覆蓋度的研究主要集中在植被覆蓋度與氣候因子的關(guān)系[6- 7]、植被覆蓋度變化對(duì)區(qū)域環(huán)境影響[8- 9]、以城市化等為代表的人類活動(dòng)對(duì)植被覆蓋度的影響[10- 11]等方面。在煤礦區(qū)，煤炭開發(fā)及相關(guān)生產(chǎn)活動(dòng)顯然是影響植被的最主要因子，將植被覆蓋度應(yīng)用到煤礦區(qū)環(huán)境問題研究主要包括：基于景觀視角的礦區(qū)土地利用覆被變化及植被景觀破碎化程度研究[12]；礦區(qū)植被系統(tǒng)恢復(fù)過程中的多樣性變化[13]；基于遙感過程的CASA模型和生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)測(cè)算礦區(qū)植被凈初級(jí)生產(chǎn)力及生態(tài)環(huán)境狀況變化趨勢(shì)[14]；礦區(qū)地下水與植被的相互關(guān)系探討[15]；采用NDVI與一元線性回歸方法，分析植被覆蓋和土地沙化的動(dòng)態(tài)變化[16]等，以上研究為本文提供了思路上的啟迪。就已有的研究而言，植被覆蓋度的計(jì)算方法已較為成熟，多數(shù)文獻(xiàn)對(duì)植被覆蓋度進(jìn)行分級(jí)，對(duì)比分析多時(shí)相分級(jí)結(jié)果，得出區(qū)域植被覆蓋度的全局趨勢(shì)和變化規(guī)律并加以解釋，這些基于分級(jí)的對(duì)比分析能夠在一定程度上表現(xiàn)區(qū)域植被演化特征，但是很難進(jìn)一步提高定量表達(dá)的精度。同時(shí)，全局趨勢(shì)分析在研究局部空間問題中也受到限制。因此，本文綜合運(yùn)用以局部性和空間相關(guān)性為主的GIS空間分析及數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法研究礦區(qū)植被覆蓋度受煤炭開放影響的時(shí)空效應(yīng)，以期更加深入地挖掘煤炭開采活動(dòng)對(duì)礦區(qū)植被的影響機(jī)制。

1 數(shù)據(jù)來源與處理

研究選擇山西大同礦區(qū)作為研究區(qū)域(圖1)，主要基于以下幾點(diǎn)考慮：其一，煤炭開發(fā)歷史悠久，產(chǎn)量大，環(huán)境累積效應(yīng)和擾動(dòng)量顯著。作為國(guó)家“十二五”規(guī)劃的14個(gè)大型煤炭基地之一——晉北煤炭基地主干企業(yè)和國(guó)內(nèi)特大型煤礦集團(tuán)，同煤集團(tuán)2010、2011年原煤產(chǎn)量連續(xù)突破億噸，采煤塌陷區(qū)范圍廣，15個(gè)主要井田范圍沉陷區(qū)面積達(dá)到345.26 km2，平均每個(gè)井田周圍20 km2以上的土地都是沉陷區(qū)，區(qū)域環(huán)境受煤炭開發(fā)擾動(dòng)顯著。其二，地處生態(tài)環(huán)境脆弱的中西部地區(qū)，在全國(guó)具有典型性。由于地處黃土高原邊緣，地表濕陷性黃土受采動(dòng)影響，保水能力差，加之沉陷區(qū)地形復(fù)雜，地表溝谷縱橫，起伏陡峭，土地養(yǎng)分退化，耕作條件破壞，亟待復(fù)墾修復(fù)，是典型的生態(tài)脆弱型礦區(qū)。因此，大同礦區(qū)區(qū)位獨(dú)特，具有很強(qiáng)的典型性，對(duì)此進(jìn)行深入研究，對(duì)于全國(guó)其他礦區(qū)有普遍的參考和借鑒意義。本文以空間關(guān)聯(lián)測(cè)度的圖譜視角來表達(dá)大同礦區(qū)植被覆蓋度演變的時(shí)空格局，探索煤炭開發(fā)對(duì)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的影響機(jī)制。

圖1 研究區(qū)區(qū)位和地形Fig.1 Location and terrain of research area

研究區(qū)自然環(huán)境、植被和煤炭開采的總體特征為：

大同地區(qū)屬大陸性季風(fēng)氣候，干旱、半干旱地區(qū)。礦區(qū)地貌以中低土石山群和黃土丘陵構(gòu)成，相對(duì)高差450m，山體陡峭，樹枝狀沖溝極為發(fā)育，地形支離破碎，溝壑縱橫。全區(qū)土壤類型主要有山地栗鈣土，淡栗鈣土和少量草甸土及鹽潮土。土質(zhì)疏松，肥力貧乏，有機(jī)質(zhì)含量少，抗沖力低。礦區(qū)植被總體稀疏，多樣性差，種類貧乏，旱化特征明顯，具有雁北干草原過渡地帶特征，表現(xiàn)出個(gè)體生態(tài)與群落生態(tài)的高度統(tǒng)一。據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，自然植被組成以溫性落葉闊葉灌叢為主，天然植物共18科、35屬、57種。草本植物多為旱生、中生植物，有華北落葉松、油松、山楊和樺；灌叢主要有沙棘、虎榛子、繡線菊等[17]。

大同煤田為雙紀(jì)煤田，走向NE—SW，上部為侏羅紀(jì)含煤地層，位于大同煤田的東北部，下部為石炭、二疊紀(jì)含煤地層，除最北端局部地層外，幾乎遍布整個(gè)大同煤田。礦區(qū)自大規(guī)模開發(fā)以來的數(shù)十年，始終以開采埋藏較淺的侏羅紀(jì)煤炭為主，石炭、二疊紀(jì)煤炭開發(fā)近幾年剛剛起步，因此本文的研究范圍限定于侏羅紀(jì)煤田界限。研究區(qū)內(nèi)，共有17對(duì)大型礦井，5對(duì)分布在北部云岡溝，主要開采侏羅紀(jì)煤炭；12對(duì)位于南部口泉溝，其中10對(duì)開采侏羅紀(jì)煤炭，2對(duì)開采石炭、二疊紀(jì)煤炭，井田邊界如圖1所示。開采侏羅紀(jì)煤層的井田年開采規(guī)模106—5×106t，開采年限普遍在50a以上；開采石炭、二疊紀(jì)煤層的井田開采規(guī)模1.5×107—2×107t，大規(guī)模開采年限不足5a。

以大同礦區(qū)1999年至2010年同期(10月)12景TM/ETM遙感影像數(shù)據(jù)，使用ERDAS軟件首先提取歸一化植被指數(shù)(NDVI)，根據(jù)像元二分法原理[18- 21]，利用ERDAS的建模工具Spatial Modeler根據(jù)NDVI計(jì)算出1999—2010年12個(gè)年份大同礦區(qū)植被覆蓋度。

2 植被蓋度時(shí)空效應(yīng)的測(cè)度方法

已有的研究大多基于植被蓋度的空間格局演變，從總體上揭示礦區(qū)植被覆蓋度的全局演化過程，但是空間效應(yīng)可能是大尺度的趨勢(shì)也可能是局部效應(yīng)，前者一般稱為“一階效應(yīng)”[22]，描述的是某個(gè)參數(shù)的總體變化性，“一階效應(yīng)”忽略了局部性和空間相關(guān)性等因素，在應(yīng)用中會(huì)帶來偏差，需要引入“二階效應(yīng)”的方法，“二階效應(yīng)”是由空間依賴性和空間異質(zhì)性產(chǎn)生的。表達(dá)的是空間上鄰近位置上數(shù)值間的相互趨同或背離的傾向。受以煤炭開發(fā)為主的多種因素的共同作用，礦區(qū)植被覆蓋度表現(xiàn)出明顯的局部依賴性和異質(zhì)性，因此，空間數(shù)據(jù)分析的“二階效應(yīng)”方法在礦區(qū)植被覆蓋度研究中具有重要意義。

運(yùn)用空間關(guān)聯(lián)指數(shù)Global Moran′sI、Getis-Ord GeneralG、Getis-OrdGi*、Anselin Local MoranI來測(cè)度全局和局域的空間聚簇特征[21]，前兩者是用于探測(cè)整個(gè)研究區(qū)的空間關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)模式；后兩者用于識(shí)別不同空間位置上的高值簇與低值簇，即熱點(diǎn)區(qū)(hot spots)與冷點(diǎn)區(qū)(cold spots)的空間分布。空間關(guān)聯(lián)指數(shù)表達(dá)式和原理如下：

Global Moran′sI

(1)

在給定顯著性水平時(shí)，若Moran′sI顯著為正，則表示覆蓋水平較高(或較低)的區(qū)域在空間上顯著集聚。反之，若Moran′sI顯著為負(fù)，則表明該區(qū)域與其周邊地區(qū)的覆蓋水平具有顯著的空間差異。僅當(dāng)Moran′sI接近期望值-1/(n-1)時(shí)，觀測(cè)值之間才相互獨(dú)立，在空間上隨機(jī)分布，此時(shí)滿足傳統(tǒng)區(qū)域差異度量方法所要求的獨(dú)立條件。

Getis-Ord GeneralG

(2)

Getis-OrdGi*

(3)

Anselin Local MoranI

(4)

3 結(jié)果分析與討論

3.1 全局演變特征分析

利用1999—2010年大同礦區(qū)植被覆蓋度計(jì)算Global Moran′sI和GeneralG的估計(jì)值及其相關(guān)指標(biāo)(表1)。

可以看出，1999—2010年間，Global Moran′sI估計(jì)值全部為正，檢驗(yàn)結(jié)果顯著，且數(shù)值的大小總體穩(wěn)定在0.7—0.8之間，但呈現(xiàn)一定的波動(dòng)性，2003年和2008年尤為明顯，表明1999年以來植被覆蓋度空間上分布的趨勢(shì)，即植被覆蓋度相似(高或低)的地區(qū)在空間上呈現(xiàn)集中分布的特點(diǎn)，且總體上較穩(wěn)定；在此期間，全局G統(tǒng)計(jì)指標(biāo)的觀測(cè)值和期望值都十分接近，相差不大，且都大于0，當(dāng)設(shè)定總體顯著性水平a為0.05時(shí)，可知全局G統(tǒng)計(jì)量除2000年，2003年，2009年3個(gè)年份不顯著外，其余各年份都顯著，這說明檢測(cè)區(qū)域高(或低)值的集聚現(xiàn)象顯著，植被蓋度的變化可能圍繞著熱點(diǎn)區(qū)域來展開，但在不同的階段呈現(xiàn)不同的集聚特點(diǎn)：

(1)1999—2002年間，Moran′sI和G(d)值分別由0.765和0.007782迅速擴(kuò)大到0.783和0.007891，Z(I)值也由3.448擴(kuò)大到6.629，其中全局G統(tǒng)計(jì)指標(biāo)達(dá)到全期最大值。表明礦區(qū)內(nèi)植被蓋度差異顯著擴(kuò)大，變異系數(shù)由0.245增加到0.251。

表1 植被蓋度的變異系數(shù)、Moran′s I和General G估計(jì)值(1999—2010年)

(2)2003年，Moran′sI值由0.783擴(kuò)大到0.909，Z值分別由6.629和3.703縮小到4.920和1.457。同時(shí)，2003年也是全階段礦區(qū)植被覆蓋度最低的時(shí)期和轉(zhuǎn)折點(diǎn)， Moran′sI值卻達(dá)到全階段最大值，礦區(qū)的植被受破壞程度呈現(xiàn)高度正相關(guān)，植被覆蓋度低的地區(qū)在空間上呈現(xiàn)集中分布。

(3)2004—2007年間是礦區(qū)植被覆蓋度振蕩上升的階段，Moran′sI和G(d)值變化不大，Z(I)和Z(d)值卻有不同程度的提升，均大于0.05顯著水平上的標(biāo)準(zhǔn)閾值1.96，表明Moran′sI和G(d)值在統(tǒng)計(jì)上顯著性增強(qiáng)。

(4)2008年啟動(dòng)的全礦區(qū)范圍內(nèi)的采煤棚戶區(qū)搬遷工程對(duì)于礦區(qū)植被的擾動(dòng)較明顯。采煤棚戶區(qū)搬遷過程中，涉及的人流、物流等要素的大規(guī)模流動(dòng)現(xiàn)象，對(duì)礦區(qū)植被亦產(chǎn)生一定程度的破壞。2008年Moran′sI值降至全階段最低值，表明植被覆蓋度在礦區(qū)范圍內(nèi)各處均有不同程度的下降。

(5)2009—2010年間，礦區(qū)植被覆蓋度迅速提升，Moran′sI趨于穩(wěn)定，并且緩慢增長(zhǎng)，G(d)卻緩慢下降，并且Z(I)和Z(d)值呈現(xiàn)震蕩的特點(diǎn)。同時(shí)，棚戶區(qū)搬遷后，由于無(wú)人耕種，礦區(qū)耕地大量減少，多數(shù)轉(zhuǎn)化為草地，在10月份遙感圖像中，農(nóng)作物已收割，大同地區(qū)耕地表現(xiàn)為裸地類型，反映的植被蓋度值較低，這也是2009年以后礦區(qū)10月植被蓋度上升的原因之一。

3.2 局部效應(yīng)分析與熱點(diǎn)區(qū)域的演變

雖然Global Moran′sI和Getis-Ord GeneralG統(tǒng)計(jì)指標(biāo)在一定程度上揭示了礦區(qū)植被蓋度全局演變特征，但當(dāng)需要進(jìn)一步考慮是否存在局部空間集聚時(shí)，全局空間自相關(guān)往往會(huì)掩蓋局部狀況或小范圍的局部不穩(wěn)定性及不同位置上的空間變異程度，因此當(dāng)全局關(guān)聯(lián)特征Global Moran′sI和Getis-Ord GeneralG指標(biāo)不能充分揭示空間依賴性和異質(zhì)性時(shí)，采用局域空間關(guān)聯(lián)指數(shù)Getis-OrdGi*來探測(cè)局域空間的集聚程度，識(shí)別不同空間位置上的高值簇與低值簇，即熱點(diǎn)區(qū)與冷點(diǎn)區(qū)的空間分布[22]。選取2001—2010年相對(duì)于2000年的植被覆蓋度變化情況作為局域統(tǒng)計(jì)指標(biāo)Getis-OrdGi*來進(jìn)一步進(jìn)行空間關(guān)聯(lián)分析，生成大同礦區(qū)植被覆蓋度的空間熱點(diǎn)演變圖(圖2)。

圖2 植被覆蓋度的演變熱點(diǎn)圖(相對(duì)于2000年)Fig.2 Hot spots mapping of vegetation coverage (related to year 2000)由于缺乏同時(shí)相的2007年、2009年大同礦區(qū)東部遙感數(shù)據(jù)，圖中相應(yīng)年份該處結(jié)果缺失

分析圖2得出：

(1)從整體來看，2000—2010年熱點(diǎn)區(qū)域的整體格局基本保持穩(wěn)定，但各種類型區(qū)的比例隨著時(shí)間的推移而有所變化(圖3)，熱點(diǎn)區(qū)、較熱點(diǎn)區(qū)和冷點(diǎn)區(qū)、較冷點(diǎn)區(qū)的數(shù)量逐漸減少，次熱點(diǎn)區(qū)和次冷點(diǎn)區(qū)的數(shù)量有所增加，但個(gè)別年份變化很大，這說明，處于兩極(冷點(diǎn)區(qū)和熱點(diǎn)區(qū))狀態(tài)的類型區(qū)向中間狀態(tài)(次熱點(diǎn)區(qū)和次冷點(diǎn)區(qū))分化，兩極狀態(tài)(熱點(diǎn)區(qū)和冷點(diǎn)區(qū))的類型區(qū)集聚效應(yīng)越來越弱，極化現(xiàn)象越發(fā)不顯著，總體上呈離散的態(tài)勢(shì)。

圖3 各種集聚類型區(qū)比例演化Fig.3 Revolution of percentage for each centralize type

(2)從空間結(jié)構(gòu)上看，2001—2004年，熱點(diǎn)區(qū)向云岡溝周邊地區(qū)不斷集中，而冷點(diǎn)區(qū)逐漸形成了以東南部地區(qū)為核心并在其周邊地區(qū)集聚的勢(shì)態(tài)，2005年以后云岡溝周邊的熱點(diǎn)區(qū)開始減退，又回到以兩條溝為軸的熱點(diǎn)聚集區(qū)，并且分別為次熱點(diǎn)區(qū)和次冷點(diǎn)區(qū)所包圍，由此，形成了以兩條溝為核心的階梯狀“核心-外圍-邊緣”結(jié)構(gòu)，并且這種結(jié)構(gòu)顯得越來越穩(wěn)固。熱點(diǎn)區(qū)集中在固定區(qū)域的現(xiàn)象較明顯，而這兩條溝又是礦區(qū)煤炭生產(chǎn)、運(yùn)輸?shù)闹鬏S和居民生活的軸線，各種資源物質(zhì)相互交織，植被覆蓋度變化十分劇烈，這其中又以2008年采煤棚戶區(qū)搬遷年最為明顯，大同礦區(qū)絕大部分的棚戶區(qū)沿口泉溝和云岡溝布局，搬遷活動(dòng)對(duì)沿線植被的擾動(dòng)量顯著，2010年，其空間態(tài)勢(shì)又開始減弱，熱點(diǎn)區(qū)和冷點(diǎn)區(qū)范圍較往年明顯減小。

(3)從各類型區(qū)空間分布變化的格局來看，2001年熱點(diǎn)區(qū)沿云岡溝分布，主要集中在燕子山礦附近，而冷點(diǎn)區(qū)主要分布在云岡溝兩側(cè)，口泉溝及周邊極化現(xiàn)象不顯著；2002—2006年，熱點(diǎn)區(qū)從條帶狀演化為聚集在云岡溝及兩側(cè)的巨大組團(tuán)；值得注意的是，2008年全國(guó)單體規(guī)模最大的礦井——塔山高產(chǎn)礦井(年產(chǎn)量2×107t)大規(guī)模投產(chǎn)后，其所在的口泉溝南側(cè)植被蓋度與之前的2004、2006年相比變化不大，始終處于冷點(diǎn)區(qū)，但2010年開始有向熱點(diǎn)區(qū)演化的趨勢(shì)。

(4) 2001—2010年，熱點(diǎn)區(qū)域總體上聚集在礦區(qū)的兩條發(fā)展主軸口泉溝和云岡溝周圍，而云岡溝的熱點(diǎn)區(qū)域范圍和熱度大于口泉溝，從2001年到2008年，云岡溝內(nèi)礦井的煤炭產(chǎn)量始終高于口泉溝，其植被受擾動(dòng)的劇烈程度也相應(yīng)較高；2009年，隨著塔山、同忻等高產(chǎn)礦井逐步穩(wěn)產(chǎn)，口泉溝內(nèi)煤炭產(chǎn)量超過了云岡溝，但熱點(diǎn)區(qū)并未產(chǎn)生明顯的轉(zhuǎn)移。

植被蓋度熱點(diǎn)區(qū)域的演變探測(cè)了各年份礦區(qū)植被狀況空間結(jié)構(gòu)的局域變化，根據(jù)圖譜分析，可將大同礦區(qū)植被蓋度演化分為3個(gè)典型的階段：云岡溝兩側(cè)的熱點(diǎn)集聚階段(2001—2004年)、沿軸線演化階段(2005—2008年)、熱點(diǎn)消退階段(2009—2010年)，為了研究煤炭開發(fā)及相關(guān)活動(dòng)對(duì)植被擾動(dòng)過程中是否存在著空間上的不一致性，分別選取3個(gè)階段的典型年份2001—2002年、2005—2006年、2009—2010年，運(yùn)用Anselin Local MoranI對(duì)植被蓋度的變化進(jìn)行聚類分析(圖4)。

圖4 典型年份植被覆蓋度變化聚類分析Fig.4 Clustering analysis of vegetation coverage in typical years

3個(gè)時(shí)段各增長(zhǎng)單元的集聚類型均發(fā)生了變化，2001—2002年、2005—2006年呈現(xiàn)明顯的聚集效應(yīng)，而2009—2010年聚類效應(yīng)總體減弱，但在口泉溝南側(cè)卻集聚明顯。全階段聚類類型中，基本表現(xiàn)為“高-高”聚類和“低-低”聚類，即植被蓋度變化大的地區(qū)呈集中分布的特點(diǎn)，幾乎未出現(xiàn)異常值，即“高-低”聚類的情況，表明在高強(qiáng)度煤炭開采擾動(dòng)下，植被遭受的破壞是整體性的。

4 結(jié)論

本文綜合運(yùn)用以局部性和空間相關(guān)性為主的GIS空間分析方法，研究植被這一綜合體現(xiàn)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況的關(guān)鍵因子受以煤炭開發(fā)為主的礦區(qū)活動(dòng)擾動(dòng)的時(shí)空效應(yīng)，對(duì)比以往大多單純基于NDVI值的礦區(qū)植被演化研究，Global Moran′sI、Getis-Ord GeneralG、Getis-OrdGi*、Anselin Local MoranI等空間關(guān)聯(lián)指數(shù)在趨勢(shì)分析等一階整體效應(yīng)的基礎(chǔ)上，分別從全局演變和局部效應(yīng)的視角揭示了礦區(qū)植被受擾動(dòng)的時(shí)空演化和內(nèi)在作用機(jī)制。

(1)時(shí)序上總體把握及影響因子分析，1999到2010年，大同礦區(qū)植被狀況以2003年和2006年為分界點(diǎn)，將植被蓋度分為下降階段、震蕩上升階段和上升階段，在煤炭開采規(guī)模不斷加大的過程中，礦區(qū)植被狀況總體好轉(zhuǎn)，主要存在以下原因：①2003年煤炭行業(yè)經(jīng)濟(jì)形勢(shì)好轉(zhuǎn)，煤礦企業(yè)開始重視礦區(qū)綠化，大量種植各類樹木，積極開展植被修復(fù)工程，這是礦區(qū)植被蓋度總體上升的原因之一。②近年來，煤礦綠色開采技術(shù)不斷投入實(shí)踐，新工藝的采用對(duì)環(huán)境的擾動(dòng)呈減小趨勢(shì)。③同時(shí)，棚戶區(qū)搬遷后大量耕地轉(zhuǎn)化為野草地和低矮灌叢，加之人類生活破壞的減少，客觀上對(duì)植被蓋度上升起到一定作用。2003年以前，煤炭開發(fā)和礦區(qū)人類活動(dòng)是植被受擾動(dòng)較大且破壞明顯的主要因素；2003—2008年，礦區(qū)植被受多種因素共同影響，變化波動(dòng)性較大；2008年棚戶區(qū)搬遷以后，種植活動(dòng)和煤炭開發(fā)分別成為影響植被的正負(fù)因子。

(2)全局演變分析，從Global Moran′sI和G(d)變化看，當(dāng)?shù)V區(qū)植被受破壞最嚴(yán)重時(shí)，在空間格局上，植被蓋度變化相似(高或低)的地區(qū)在空間上呈集聚分布狀態(tài)，表現(xiàn)出很強(qiáng)的空間自相關(guān)性，全階段礦區(qū)植被覆蓋度最低時(shí)，Moran′sI值卻達(dá)到全階段最大值，礦區(qū)植被受破壞程度呈現(xiàn)高度正相關(guān)，而這種相關(guān)性在植被恢復(fù)期呈減弱的趨勢(shì)。

(3)局部效應(yīng)分析，植被蓋度變化的熱點(diǎn)區(qū)不斷減少或向次熱點(diǎn)地區(qū)分散，礦區(qū)植被變化集聚效應(yīng)越來越弱，總體上呈離散的態(tài)勢(shì)。熱點(diǎn)區(qū)集中在固定區(qū)域的現(xiàn)象較明顯。基本表現(xiàn)為“高-高”聚類和“低-低”聚類，即植被蓋度變化大的地區(qū)呈集中分布的特點(diǎn)，幾乎未出現(xiàn)異常值，即“高-低”聚類的情況，表明在高強(qiáng)度煤炭開采擾動(dòng)下，植被遭受的破壞是整體性的。

(4)從煤炭開發(fā)與植被受擾動(dòng)相關(guān)性看，2001—2010年，熱點(diǎn)區(qū)域總體上聚集在礦區(qū)的兩條發(fā)展主軸口泉溝和云岡溝周圍，而云岡溝的熱點(diǎn)區(qū)域范圍和熱度大于口泉溝，從2001年到2008年，云岡溝內(nèi)礦井的煤炭產(chǎn)量始終高于口泉溝，其植被受擾動(dòng)的劇烈程度也相應(yīng)較高，表明煤炭開發(fā)對(duì)植被的破壞與煤炭產(chǎn)量呈正相關(guān)。

(5)從不同植被類型受擾動(dòng)效應(yīng)看，大同礦區(qū)植被類型分異明顯，山谷內(nèi)種植有山楊和樺等木本植物，隨著海拔的升高，逐漸過渡到以草本和灌叢為主的植被類型，將植被類型與植被覆蓋度結(jié)合分析，在煤炭開發(fā)活動(dòng)遍及研究區(qū)的前提下，對(duì)比人類活動(dòng)均較少的相對(duì)高海拔區(qū)(礦區(qū)西南部地區(qū))和相對(duì)低海拔區(qū)(云岡溝北部地區(qū))，高海拔地區(qū)植被覆蓋度變化較平緩，草本植物受擾動(dòng)的程度應(yīng)低于木本植物。但是，礦區(qū)植被受煤炭開發(fā)、土壤質(zhì)量變化、區(qū)域氣候等多種因素共同影響，勢(shì)必存在一定的演替規(guī)律，在共同作用下的演替機(jī)制是下一步研究的重點(diǎn)。

此外，口泉溝南側(cè)一直是擾動(dòng)效應(yīng)較輕的區(qū)域，近年來投產(chǎn)的塔山和同忻礦井雖然是國(guó)內(nèi)單產(chǎn)最大的井工煤礦，但開采的是埋藏較深的石炭、二疊紀(jì)煤炭，對(duì)地面環(huán)境的影響具有較強(qiáng)的滯后效應(yīng)，且采用了高效循環(huán)經(jīng)濟(jì)工藝，力圖使煤炭開發(fā)和產(chǎn)能對(duì)區(qū)域環(huán)境造成擾動(dòng)減小到最低，從投產(chǎn)初期看，其對(duì)生態(tài)環(huán)境的擾動(dòng)量不明顯，但煤炭開發(fā)對(duì)礦區(qū)環(huán)境的破壞存在累積性和滯后性，其長(zhǎng)遠(yuǎn)擾動(dòng)效應(yīng)有待深入研究。

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Graphicanalysisofspatio-temporaleffectforvegetationdisturbancecausedbycoalmining:acaseofDatongCoalMineArea

HUANG Yi1,2, WANG Yunjia1,2,*, LI Xiaoshun2, HU Zhaoling3, LIU Guoping3

1EngineeringResearchCenterofMineEcologicalConstruction,MinistryofEducation,ChinaUniversityofMiningamp;Technology,Xuzhou221116,China2JiangsuKeyLaboratoryofResourcesandEnvironmentalInformationEngineering,ChinaUniversityofMiningamp;Technology,Xuzhou221116,China3SchoolofUrbanandEnvironmentalScience,JiangsuNormalUniversity,Xuzhou221116,China

Vegetation is a key factor which comprehensively reflects condition of ecology and environment in mining area. With NDVI index as the parameter, vegetation coverage in Datong coal mining area from 1999 to 2010 were measured based on dimidiate pixel model by remote sensing estimation method. Spatial correlation indexes such as Global Moran′sI, Getis-Ord GeneralG, Getis-OrdGi*and Anselin Local MoranIwere respectively used to reveal the temporal evolution and intrinsic mechanism of vegetation disturbed by coal mining from the global evolution and local effect perspective. Research results showed that: (1) Changing of vegetation coverage in Datong coal mining area presented cluster distribution and strong spatial autocorrelation in space, meanwhile, the phenomenon was absolutely obvious when vegetation coverage was in the lowest period. (2)In the rising period of vegetation coverage, hotspots of vegetation coverage gradually reduced or separated to the secondary hotspots area, clustering effect of vegetation changing became less significantly, which presented discrete state in general. (3) The disturbance of coal mining brought to vegetation showed overall characteristics and in proportion with coal production. (4)Different vegetation types presented different changing characters caused by coal mining.(5)The disturbance effect which large-scale coal mining of high efficiency and large production coal mines adopted circulation techniques brought to vegetation was still inconspicuous, however, the long-term effects need to be further studied.

coal mine area; vegetation coverage; spatio-temporal effect; graphic analysis

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51174287)；國(guó)家自然科學(xué)基金青年資助項(xiàng)目(41101428，71103182)；江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃資助項(xiàng)目(CXZZ12_0942);江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目(SZBF2011- 6-B35);山西省科技重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目(20121101008)

2012- 07- 08;

2012- 10- 26

*通訊作者Corresponding author.E-mail: wyj4139@cumt.edu.cn

10.5846/stxb201207080952

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