基于CASA模型的神東礦區(qū)植被NPP變化研究

項(xiàng)陽(yáng)++李君軼++陳宏飛

摘要：通過(guò)改進(jìn)的CASA模型對(duì)神東礦區(qū)植被NPP（植被凈初級(jí)生產(chǎn)力）進(jìn)行估算，研究該礦區(qū)整體植被變化。分析了大柳塔、補(bǔ)連塔、榆家梁等3個(gè)礦井植被變化情況；并對(duì)礦區(qū)采區(qū)與非采區(qū)的植被生長(zhǎng)狀況進(jìn)行對(duì)比研究；采用差值法，定量地確定礦井所在地自然地貌因素和采礦活動(dòng)因素對(duì)植被NPP的影響并研究其影響程度。結(jié)果表明，不同空間尺度下神東礦區(qū)植被NPP和各個(gè)礦井地區(qū)植被生長(zhǎng)狀況均出現(xiàn)惡化的趨勢(shì)，各個(gè)礦井惡化程度不同。不同地貌單元的礦區(qū)開采對(duì)植被NPP影響程度不同。不同礦井的不同植被類型受自然地貌和人為煤炭開采的影響各不相同。

關(guān)鍵詞：NPP；礦區(qū)；植被；CASA模型

中圖分類號(hào)：TP79；Q948.11 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2017）10-1843-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.10.011

Research on Vegetation NPP Changes by CASA Model in Shendong Mining Area

XIANG Yang， LI Jun-yi， CHEN Hong-fei

（College of Tourism and Environment，Shaanxi Normal University， Xian 710100，China）

Abstract：Based on improved CASA model， the NPP（the net primary productivity） of vegetation in Shendong mining area was estimated to study the vegetation changes as a whole. The mine vegetation changes was analyzed in Daliuta， Bulianta and Yujialiang. A comparative study on vegetation growth between mining area and non-mining area was also carried out. At the same time， using the differential method， quantitatively measured the effects of terrain factors and mining activities on vegetation NPP and vegetation growth， so as to provide references for the policy making of protecting and managing the vegetation growth in mining area. The results showed that the growth status of vegetation NPP in Shendong mining area and vegetation NPP in different mines under different spatial scales was deteriorated， and the degree of deterioration of each mine was different. The degree of influence of mining in different landforms on vegetation NPP was different. Different types of vegetation in different mines were affected by natural geomorphology and anthropogenic coal.

Key words： NPP（the net primary productivity）； mining area； vegetation； CASA model

礦產(chǎn)資源開采對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起至關(guān)重要的作用。一方面，礦產(chǎn)資源的開采促進(jìn)了社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，但同時(shí)會(huì)對(duì)礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生一定程度的破壞。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，礦產(chǎn)資源開采與生態(tài)環(huán)境保護(hù)二者之間的矛盾是可以協(xié)調(diào)統(tǒng)一的[1]。植被是連接土壤、大氣和水分等土地覆蓋要素的自然“紐帶”，其動(dòng)態(tài)變化在一定程度上指示著土地覆蓋的動(dòng)態(tài)變化[2]。植被凈初級(jí)生產(chǎn)力（NPP）是植被生態(tài)系統(tǒng)的基本數(shù)據(jù)指標(biāo)，其大小反映植被生長(zhǎng)情況，間接反映植被在該地區(qū)的生長(zhǎng)狀況[3]。

由于神東礦區(qū)（神府東勝礦區(qū)的簡(jiǎn)稱）地理位置特殊，區(qū)內(nèi)地貌類型多，因此通過(guò)對(duì)不同地貌區(qū)域的礦井進(jìn)行研究可以分析礦區(qū)開采活動(dòng)和地貌差異對(duì)植被生長(zhǎng)的影響程度，為礦區(qū)植被生長(zhǎng)保護(hù)與管理決策提供參考依據(jù)。

1 區(qū)域概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

神東礦區(qū)是神府東勝礦區(qū)的簡(jiǎn)稱，具體是指陜西省神木縣、府谷縣、內(nèi)蒙古自治東勝市（現(xiàn)鄂爾多斯市）域內(nèi)的礦區(qū)，現(xiàn)為中國(guó)最大的井工煤礦開采地，神東礦區(qū)東煤炭集團(tuán)位于陜西省榆林市神木縣大柳塔鎮(zhèn)，與內(nèi)蒙古伊金霍洛旗上灣鎮(zhèn)相鄰[4]。礦區(qū)屬于典型干旱半干旱大陸性季風(fēng)氣候，表現(xiàn)為冬季嚴(yán)寒，夏季炎熱，冬春干旱多風(fēng)沙，夏季多暴雨且集中。補(bǔ)連塔礦井、大柳塔礦井、榆家梁礦井從北到南位于神東礦區(qū)內(nèi)。補(bǔ)連塔礦井位于內(nèi)蒙古自治區(qū)伊克昭盟伊金霍洛旗境內(nèi)，地貌特征表現(xiàn)為波狀沙地，沙丘起伏，相對(duì)水資源貧乏，植被稀疏[5，6]。大柳塔礦井屬于陜西省神木縣大柳塔鎮(zhèn)和活雞兔鎮(zhèn)，大柳塔礦井處于毛烏素沙地與黃土高原丘陵溝壑區(qū)的過(guò)渡地帶，該地區(qū)地表較厚松散覆蓋，為典型的生態(tài)脆弱區(qū)[7]。榆家梁礦井位于神東礦區(qū)地方煤礦開采區(qū)東南部，地貌單元屬黃土丘陵溝壑區(qū)，區(qū)內(nèi)溝谷縱橫交錯(cuò)，梁峁相間分布，植被稀少，水土流失嚴(yán)重[5]。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源和處理

采用的數(shù)據(jù)為2007、2010、2011年神東礦區(qū)的Landsant5遙感影像，具體時(shí)間為2007年8月12日、2010年8月20日、2011年8月7日，影像均經(jīng)過(guò)輻射校正和圖像配準(zhǔn)，根據(jù)井上下對(duì)照?qǐng)D確定采區(qū)、非采區(qū)邊界和礦區(qū)邊界來(lái)裁剪遙感圖像，并通過(guò)監(jiān)督分類所選取的土地覆蓋類型草地和耕地，分類精度在研究要求的范圍之內(nèi)。

1.3 方法

CASA模型中的植被NPP是利用植被獲取太陽(yáng)輻射，加上植物自身利用的情況，從而估算出植被凈生長(zhǎng)狀況，這是CASA模型的基本思想。模型中所估算的NPP可以由植物吸收的光合有效輻射（APAR）和實(shí)際光能利用率兩個(gè)因子來(lái)表示[8]。

APAR取決于太陽(yáng)輻射（SQL）和植被層對(duì)入射光合有效輻射的吸收比例（FPAR），朱文泉等[8]根據(jù)內(nèi)蒙古地區(qū)植被條件研究估算了FPAR（NDVI）和FPAR（SR）。估算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，采用NDVI估算的FPAR值高于實(shí)際測(cè)算值，而采用SR估算的FPAR值低于實(shí)際測(cè)算值。為了避免研究結(jié)果出現(xiàn)較大偏差，在研究過(guò)程中采用的FPAR估算值取FPAR（NDVI）和FPAR（SR）二者的平均值：

FPAR（x，t）=（FPARNDVI+FPARSR）/2 （1）

FPAR（x，t）表示像元x在t月植被層對(duì)入射光合有效輻射的吸收比例，表示通過(guò)NDVI和SR估算的FPAR。

在光能利用率的估算過(guò)程中，植被光利用率模型的構(gòu)建過(guò)程如下。首先確定最大光能利用率，然后再根據(jù)不同的環(huán)境脅迫因子對(duì)最大光能利用率進(jìn)行調(diào)整以確定最終的光利用率。Potter等[9]認(rèn)為在理想條件下植被具有最大光能利用率[7]，而在現(xiàn)實(shí)條件下的最大光能利用率主要受溫度和水分的影響。月最大光能利用率的取值因不同的植被類型而有所不同，由于CASA模型所采用全球最大光能利用率0.389 gC對(duì)NPP的估算有很大影響，彭少麟等[10]利用GIS和RS估算了廣東植被光能利用率，研究發(fā)現(xiàn)CASA模型中所使用的全球植被最大光能利用率（0.389 gC）較廣東植被低，根據(jù)朱文泉等[8]對(duì)光利用率進(jìn)行模擬來(lái)測(cè)算不同植被類型的光利用率取值，耕地、草地采用的光利用率取值均為0.542 gC。

由于CASA模型的時(shí)間分辨率為月，而遙感影像數(shù)據(jù)為即時(shí)獲取的瞬時(shí)數(shù)據(jù)，兩者在時(shí)間尺度上無(wú)法達(dá)到統(tǒng)一，這就使得植被NPP的估算結(jié)果會(huì)產(chǎn)生不同時(shí)間尺度上的誤差，但由此引發(fā)的誤差不可避免[3]。CASA模型是一種利用光能利用率模型，借助于遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行植被NPP估算的研究方法，此模型在測(cè)算植被對(duì)入射光合輻射的吸收比例（FPAR）時(shí)，對(duì)原有模型進(jìn)行了改進(jìn)，將由NDVI估算的FPAR和由SR估算的FPAR的算術(shù)平均數(shù)作為最后的FPAR。由于CASA模型的最大光能利用率不符合中國(guó)地區(qū)的植被生長(zhǎng)情況，因此，本研究通過(guò)改進(jìn)的CASA模型對(duì)神東礦區(qū)植被NPP（植被凈初級(jí)生產(chǎn)力）進(jìn)行估算。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同空間尺度下的植被NPP

2.1.1 神東礦區(qū)下植被NPP的研究 基于遙感數(shù)據(jù)，利用改進(jìn)的CASA模型估算了2007、2010、2011年8月整個(gè)神東礦區(qū)草地和耕地植被NPP，結(jié)果見圖1。由圖1可知，耕地和草地的植被NPP總體發(fā)展趨勢(shì)大致可分為兩大階段：2007～2010年，耕地和草地的植被NPP均呈緩慢下降趨勢(shì)；2010～2011年，耕地和草地的植被NPP呈現(xiàn)快速下降狀態(tài)。總體而言，兩大階段耕地和草地植被NPP演化趨勢(shì)呈現(xiàn)高度相似性，即均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。整體植被生長(zhǎng)狀況處于加速惡化的情況。

2.1.2 礦井下植被NPP 以補(bǔ)連塔、大柳塔、榆家粱3大礦井為例，利用改進(jìn)的CASA模型估算了3大礦井2007、2010、2011年8月草地和耕地植被NPP，結(jié)果見圖2。由圖2可知，各個(gè)礦井間耕地和草地的生長(zhǎng)狀況在時(shí)間序列上呈現(xiàn)出高度相似性。2010～2011年，植被NPP呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢(shì)；2010年與2007年相比，植被NPP總體上略有下降，但補(bǔ)連塔耕地NPP、大柳塔草地NPP、榆家梁草地NPP略有上升?？傮w而言，植被NPP呈下降趨勢(shì)，這表明植被生長(zhǎng)狀況在不斷惡化。

為了研究采礦活動(dòng)對(duì)植被生長(zhǎng)所造成的影響，對(duì)補(bǔ)連塔礦井采區(qū)和非采區(qū)范圍的耕地和草地植被NPP進(jìn)行估算，結(jié)果見圖3。由圖3可知，采區(qū)的耕地和草地的植被NPP明顯小于非采區(qū)。具體來(lái)說(shuō)，非采區(qū)的草地植被NPP比采區(qū)的草地植被NPP高8.07 gC/m3，非采區(qū)的耕地植被NPP比采區(qū)的耕地植被NPP高4.75 gC/m3。表明補(bǔ)連塔礦區(qū)的采礦活動(dòng)已對(duì)植被生長(zhǎng)產(chǎn)生了不利影響。

對(duì)大柳塔礦井采區(qū)和非采區(qū)的耕地和草地的植被NPP進(jìn)行估算，結(jié)果見圖4。由圖4可知，總體而言，采區(qū)的耕地和草地植被NPP低于非采區(qū)。具體來(lái)說(shuō)，采區(qū)的草地植被NPP略較非采區(qū)低0.42 gC/m3，采區(qū)的耕地植被NPP較非采區(qū)低5.87 gC/m3。表明非采區(qū)的耕地和草地植被8月生長(zhǎng)狀況優(yōu)于采區(qū)的耕地和草地植被，尤以耕地較為明顯。由此說(shuō)明大柳塔礦區(qū)開采活動(dòng)不利于植被生長(zhǎng)。

對(duì)榆家梁礦井采區(qū)與非采區(qū)范圍內(nèi)的耕地和草地植被NPP進(jìn)行估算，結(jié)果見圖5。由圖5可知，采區(qū)和非采區(qū)耕地及草地的植被NPP相差不大，但采區(qū)耕地和草地的植被NPP均小于非采區(qū)。具體而言，非采區(qū)的耕地植被NPP較采區(qū)高2.19 gC/m3，非采區(qū)的草地植被NPP較采區(qū)高0.72 gC/m3。由此表明，榆家梁礦井的采礦活動(dòng)對(duì)植被生長(zhǎng)的影響不明顯，黃土溝壑區(qū)里礦區(qū)開采對(duì)植被影響不大。

2.2 不同地貌礦井間植被NPP的比較

為了研究不同地貌單元的礦區(qū)開采活動(dòng)對(duì)植被生長(zhǎng)的影響程度，對(duì)耕地NPP差值和草地NPP差值定義如下：耕地NPP差值=非采區(qū)耕地的植被NPP-采區(qū)耕地的植被NPP；草地NPP差值=非采區(qū)草地的植被NPP-采區(qū)草地NPP。如果計(jì)算結(jié)果為正值，則說(shuō)明礦區(qū)活動(dòng)對(duì)植被生長(zhǎng)有影響；計(jì)算結(jié)果為負(fù)值，則說(shuō)明礦區(qū)活動(dòng)對(duì)植被有促進(jìn)作用。

補(bǔ)連塔礦井、大柳塔礦井和榆家梁礦井分別位于神東礦區(qū)北部和南部。補(bǔ)連塔地貌類型為波狀沙地，沙丘起伏；大柳塔為沙地與黃土高原丘陵溝壑區(qū)的過(guò)渡地帶；榆家梁地貌單元屬黃土丘陵溝壑區(qū)。3大礦井之間地貌差異比較明顯，因此可以認(rèn)為不同礦井非采區(qū)的植被NPP之間的變化是由于自然地貌引起的，根據(jù)圖3～圖5不同礦井非采區(qū)同種植被之間的對(duì)比，不同礦井非采區(qū)植被NPP差值可以作為自然地貌因素對(duì)植被NPP的影響指數(shù)。選取榆家梁植被NPP作為研究標(biāo)準(zhǔn)，補(bǔ)連塔植被NPP/大柳塔植被NPP與榆家梁植被NPP做差值，分別得出補(bǔ)連塔植被NPP差值/大柳塔植被NPP差值。即大柳塔-榆家梁非采區(qū)的草地植被NPP差值為10.64 gC/m3，耕地NPP差值為10.61 gC/m3；補(bǔ)連塔-榆家梁非采區(qū)的草地植被NPP差值為5.86 gC/m3，耕地NPP差值為3.54 gC/m3。

同時(shí)，采用各礦井采區(qū)與非采區(qū)NPP差值作為該礦開采活動(dòng)對(duì)植被的影響指數(shù)，即植被NPP差值越大，礦區(qū)活動(dòng)對(duì)于植被生長(zhǎng)狀況的影響也就越大（圖6）。在綜合考慮自然地貌和人為礦井開采對(duì)植被NPP影響的情況下，定量分析各個(gè)礦井間的植被NPP影響比重指數(shù)。

其中，i表示耕地/草地類型，x為所在礦井，A（x，i）表示為自然地貌對(duì)植被NPP的影響程度比重指數(shù)，B（x，i）為礦井開采對(duì)植被NPP的影響比重指數(shù)。C（x，i）為人為礦井開采對(duì)植被NPP的影響程度，即非采區(qū)植被的NPP減去采區(qū)植被的NPP，D（x，i）為自然地貌對(duì)植被NPP的影響程度，即榆家梁礦井地貌非采區(qū)植被NPP減去所研究的礦井非采區(qū)的植被NPP。本研究著重分析補(bǔ)連塔和大柳塔的自然地貌和人為開采活動(dòng)對(duì)植被NPP影響程度。具體分析補(bǔ)連塔和榆家梁的自然地貌和人為開采活動(dòng)對(duì)植被NPP的影響程度。

補(bǔ)連塔自然地貌相比榆家梁自然地貌耕地植被NPP影響D（補(bǔ)連塔，耕地）=3.54 gC/m3，補(bǔ)連塔人為開采對(duì)耕地植被NPP影響C（補(bǔ)連塔，耕地）=4.75 gC/m3，補(bǔ)連塔自然地貌對(duì)耕地植被NPP影響程度比重指數(shù)A（補(bǔ)連塔，耕地）=42.70%，補(bǔ)連塔礦井開采活動(dòng)對(duì)耕地植被NPP影響程度比重指數(shù)B（補(bǔ)連塔，耕地）=57.30%。同樣算出補(bǔ)連塔自然地貌對(duì)草地植被NPP影響程度比重指數(shù)為42.07%，補(bǔ)連塔礦井開采活動(dòng)對(duì)草地植被NPP影響程度比重指數(shù)為57.93%。

大柳塔自然地貌相比榆家梁對(duì)耕地植被NPP影響程度D（大柳塔，耕地）=10.61 gC/m3，大柳塔人為開采對(duì)耕地植被NPP影響C（大柳塔，耕地）=5.87 gC/m3，大柳塔自然地貌對(duì)耕地植被NPP影響程度比重指數(shù)A（大柳塔，耕地）=64.38%，大柳塔礦井開采活動(dòng)對(duì)耕地植被NPP影響程度比重指數(shù)B（大柳塔，耕地）=35.62%。同樣算出大柳塔自然地貌對(duì)草地植被NPP影響程度比重指數(shù)為96.20%，大柳塔礦井開采活動(dòng)對(duì)草地植被NPP影響程度比重指數(shù)為3.80%。

綜上所述，不同礦井的不同類型植被受自然地貌和煤炭開采的影響是不同的。開采活動(dòng)對(duì)于補(bǔ)連塔耕地植被NPP和草地植被NPP的影響程度大于地貌因素的影響；對(duì)于大柳塔而言，耕地植被NPP受自然地貌的影響明顯大于開采活動(dòng)所帶來(lái)的影響，且對(duì)草地植被NPP的影響占主導(dǎo)地位。

3 小結(jié)與討論

1）通過(guò)對(duì)不同尺度下的神東礦區(qū)植被NPP和各個(gè)礦區(qū)植被NPP的研究發(fā)現(xiàn)不同空間尺度下植被生長(zhǎng)狀況均出現(xiàn)惡化的趨勢(shì)，各個(gè)礦井惡化程度不盡相同。

2）不同地貌單元的礦井開采對(duì)植被NPP影響程度不同。對(duì)大柳塔、補(bǔ)連塔、榆家梁的植被NPP研究發(fā)現(xiàn)，非采區(qū)耕地和草地植被NPP高于采區(qū)，說(shuō)明礦井開采對(duì)植被NPP產(chǎn)生了一定程度的影響，但不同地貌單元的礦井開采對(duì)植被NPP影響程度不同。通過(guò)計(jì)算同一礦井采區(qū)與非采區(qū)植被NPP差值，并進(jìn)行各個(gè)礦井間的縱向?qū)Ρ?，發(fā)現(xiàn)位于沙丘沙地地貌的礦井開采對(duì)植被影響較大，位于黃土丘陵溝壑區(qū)地貌的礦井開采對(duì)植被影響較小。

3）自然地貌與礦井開采對(duì)植被NPP的影響研究。通過(guò)對(duì)自然地貌和礦井開采程度進(jìn)行量化，并通過(guò)對(duì)比分析確定影響植被NPP變化的主要因素，發(fā)現(xiàn)不同礦井的不同植被類型受自然地貌和人為煤炭開采的影響各不相同。自然地貌和開采活動(dòng)對(duì)于補(bǔ)連塔耕地和草地植被NPP的影響程度基本相當(dāng)，但開采活動(dòng)對(duì)于植被NPP的影響程度略大于地貌因素的影響；自然地貌對(duì)于大柳塔的耕地植被NPP的影響較大，且對(duì)草地植被NPP的影響占主導(dǎo)地位。

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