海南島東部濱海鋯鈦砂礦開發(fā)狀況遙感監(jiān)測與生態(tài)恢復治理對策研究

趙玉靈，楊金中，殷亞秋，趙 航，何金寶，張 漢

(1.中國自然資源航空物探遙感中心，北京 100083；2.中國地質(zhì)大學(北京)地球科學與資源學院，北京 100083)

0 引言

濱海砂礦床的形成受地貌、構造、水動力、沉積環(huán)境、礦質(zhì)補給等多種因素控制[1-3]。我國沿海岸線上出露有大量變質(zhì)巖和中生代花崗巖，蘊藏著豐富的砂礦物質(zhì)，在適宜的地貌環(huán)境和良好的水動力搬運堆積條件下，常形成豐富的砂礦床，成礦時代主要為全新世。其中，侵蝕型海岸因構造比較穩(wěn)定，第四紀以來以上升為主，多形成基巖港灣式砂質(zhì)海岸；沿海港灣的頂部、島嶼的后部、河口、沙嘴、砂壩、連島壩、水下淺灘等部位，多是重砂礦物儲集的場所。海南島東部濱海區(qū)就是這樣的區(qū)域，目前已成為海南省最具潛力的重砂礦礦產(chǎn)資源勘探開采區(qū)之一[4]。但長期的采礦活動破壞了這些海濱砂礦區(qū)原有的生態(tài)環(huán)境，導致區(qū)域生態(tài)環(huán)境的整體惡化，故亟待進行采礦區(qū)環(huán)境的恢復治理。

海南島東部濱海鋯鈦砂礦礦山數(shù)量多，開采面數(shù)量大、采坑變化快，結合遙感數(shù)據(jù)獲取方便快捷、周期短、時效性強的優(yōu)勢，可迅速有效地監(jiān)測鋯鈦砂礦的開發(fā)狀況和恢復治理情況[5]。按照自然資源部的統(tǒng)一部署，本文利用高空間分辨率遙感數(shù)據(jù)開展了2016—2017年間海南島東部濱海鋯鈦砂礦開發(fā)占損土地及礦山環(huán)境恢復治理狀況監(jiān)測，初步查明了該區(qū)近年來的礦山環(huán)境現(xiàn)狀及年度變化情況；并對區(qū)域礦山環(huán)境恢復治理情況進行了調(diào)查，提出了區(qū)域生態(tài)修復治理建議，希冀可以拋磚引玉，促進區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)向良性循環(huán)方向發(fā)展。

1 研究區(qū)概況

海南島東部濱海地區(qū)南起陵水灣北側(cè)的陵水角，北至文昌市的木蘭頭，隸屬于文昌市、瓊海市和萬寧市3個縣級市。區(qū)內(nèi)海岸類型多樣，沿岸廣泛發(fā)育有不同時期的巖漿巖，包括花崗巖、玄武巖等，富含鋯英石、鈦鐵礦、金紅石和獨居石等副礦物。研究區(qū)地處熱帶和亞熱帶，沿岸高溫多雨，潮濕炎熱，在高溫和海水共同作用下，巖石基巖易風化，形成大面積的含鋯英石、鈦鐵礦風化殼，經(jīng)破壞沖刷和地表水的搬運作用，在潮間帶和淺海區(qū)沉積成為重砂礦床[4]。

海南省濱海鋯鈦砂礦具有出露地表、礦種多、品位高、儲量大、質(zhì)量好、分布集中、易開采等優(yōu)點，鋯、鈦等砂礦儲量居全國第一[3]。已有礦產(chǎn)調(diào)查表明，全區(qū)共有大型濱海砂礦資源基地10個、中型礦25個、小型礦37個、礦點57個，其成因類型為海積、沖積、風積和殘坡積[4-6]。礦床基本上呈帶狀與現(xiàn)代海岸線平行展布。其中鋯、鈦砂礦層產(chǎn)于第四系全新統(tǒng)煙墩組(Qh3y)灰黃-灰綠色粉細砂層中，屬濱、淺海相沉積，韻律層特征明顯，機械沉積作用清晰。

2 海濱砂礦開發(fā)狀況遙感監(jiān)測

2.1 數(shù)據(jù)源及信息提取

本次監(jiān)測使用的遙感影像主要為2016—2017年間的海南島土地變更調(diào)查遙感數(shù)據(jù)。在該類數(shù)據(jù)空間分辨率低于2.5 m的區(qū)域，使用當年的高分一號、高分二號或資源三號等國產(chǎn)高空間分辨率數(shù)據(jù)進行了補充和替換。因此，本次監(jiān)測使用的遙感數(shù)據(jù)的空間分辨率均優(yōu)于2.5 m。

本文首先建立了專題信息提取標志(表1)；然后利用ArcGIS軟件平臺，通過人機交互解譯方式，在2期影像上對濱海砂礦開采信息和恢復治理信息進行了提取[7](圖1)，解譯成果的成圖和統(tǒng)計分析均借助ArcGIS軟件完成；通過對2016—2017年間2期遙感影像、遙感解譯的砂礦開發(fā)狀況矢量數(shù)據(jù)的對比，判定生產(chǎn)礦山和廢棄礦山；對生產(chǎn)礦山，參照2016年和2017年的海南省采礦權和探礦權矢量數(shù)據(jù)，依據(jù)其是否在采礦權、探礦權所劃定的范圍內(nèi)來判別其是否違法，進而圈定在建/生產(chǎn)礦山、疑似違法礦山。信息提取的最小圖斑面積為圖上面積4 mm2。

表1 海南島東部濱海地區(qū)鋯鈦砂礦解譯標志Tab.1 Interpretation marks of zirconium-titanium sand mine at the eastern beach of Hainan Island

(a)2016年文昌翁田鎮(zhèn)砂礦開發(fā)狀況 (b)2017年文昌翁田鎮(zhèn)砂礦開發(fā)及恢復治理狀況 (c)2016年文昌昌灑砂礦開發(fā)狀況 (d)2017年文昌昌灑砂礦開發(fā)及恢復治理狀況

圖1-1 2016—2017年間濱海鋯鈦砂礦的開采狀況遙感調(diào)查

Fig.1-1Miningstatusremotesensinginvestigationofzirconium-titaniumsandmineduring2016to2017

(e)2016年文昌昌灑某砂礦開發(fā)狀況 (f)2017年文昌昌灑某砂礦開發(fā)及恢復治理狀況 (g)2016年瓊海市某砂礦開發(fā)狀況 (h)2017年瓊海市砂礦開發(fā)及恢復治理狀況

圖1-2 2016—2017年間濱海鋯鈦砂礦的開采狀況遙感調(diào)查

Fig.1-2Miningstatusremotesensinginvestigationofzirconium-titaniumsandmineduring2016to2017

2.2 濱海砂礦的開發(fā)狀況

2016—2017年間濱海鋯鈦砂礦開發(fā)數(shù)量及占損土地面積(包括開采面面積和中轉(zhuǎn)場地面積)如表2所示。

表2 海南島東部濱海鋯鈦砂礦2016—2017年開采狀況統(tǒng)計表Tab.2 Mining status statistics of zirconium-titanium sand mine at the eastern land of Hainan during 2016 to 2017

2016年海南島東部濱海鋯鈦砂礦礦山占損總面積為1 279.84 hm2，在建/生產(chǎn)礦山(包括合法礦山和疑似違法礦山)占地面積為811.93 hm2，其中合法礦山占損土地面積為690.40 hm2，疑似違法礦山占損土地面積為121.53 hm2；暫停開采礦山占損土地面積為68.73 hm2；廢棄礦山占損土地面積為399.18 hm2。2017年海南島東部濱海砂礦占損土地總面積為1 320.49 hm2，在建/生產(chǎn)礦山占損土地面積為992.00 hm2，比2016年增加了180.07 hm2，其中合法開采礦山占損土地面積為865.42 hm2，疑似違法礦山占損土地面積為126.58 hm2；暫停開采礦山占損土地面積為93.78 hm2；廢棄礦山占損土地面積為234.70 hm2，。

2017年海南島東部濱海鋯鈦砂礦開采面數(shù)量比2016年增加明顯，2016年在建/生產(chǎn)礦山開采面有35個，2017年在建/生產(chǎn)礦山開采面增至50個，增加的礦山開采面主要位于文昌市：合法礦山開采面由2016年的28個提高至2017年的31個；疑似違法礦山開采面由2016年的6個上升至2017年的18個。3市暫停開采礦山開采面數(shù)量大幅降低；廢棄礦山開采面由32個增至33個，變化不大。

2016—2017年間，濱海鋯鈦砂礦在礦山占損土地總面積上略有增加，在文昌市礦山開發(fā)占損土地面積增加明顯，而其他區(qū)域鋯鈦砂礦占損土地面積下降明顯。鋯鈦砂礦開采面在數(shù)量上也有明顯增加。這體現(xiàn)了鋯鈦砂礦開采活動呈現(xiàn)規(guī)模減小且分散化的趨勢。

2.3 濱海鋯鈦砂礦的恢復治理狀況

2016—2017年間濱海砂礦的礦山環(huán)境恢復治理狀況如表3所示。截至2016年，海南島東部濱海鋯鈦砂礦礦山環(huán)境恢復治理面積累計達6 998.79 hm2，其中文昌市為6 637.31 hm2，萬寧市為361.48 hm2。

表3 海南島東部陸域濱海鋯鈦砂礦截至2016年和2017年恢復治理統(tǒng)計表Tab.3 Recovery status statistics of zirconium- titanium sand mine at the eastern land of Hainan up to 2016 and 2017

截至2017年，海南島東部濱海鋯鈦砂礦環(huán)境恢復治理面積累計為7 158.20 hm2，其中文昌市為6 743.89 hm2，瓊海市為5.38 hm2，萬寧市為408.93 hm2?？傮w來看，全區(qū)礦山環(huán)境恢復治理率(已恢復治理面積/(現(xiàn)有鋯鈦砂礦占損土地面積+已恢復治理面積))達到84.43%，近2 a間礦山環(huán)境恢復治理面積呈增加的趨勢，“綠水青山就是金山銀山”的生態(tài)文明思想正在得到貫徹實施。近年來海南島東部濱海鋯鈦砂礦被恢復治理的實地照片如圖2所示。

(a)文昌市鋪前鎮(zhèn)某廢棄采坑待自然復綠 (b)文昌市鋪前鎮(zhèn)某廢棄采坑已自然復綠 (c)文昌市翁田鎮(zhèn)某廢棄采坑恢復治理成養(yǎng)殖場 (d)文昌市鋪前鎮(zhèn)某廢棄采坑恢復治理成養(yǎng)殖場

(e)文昌市龍樓鎮(zhèn)某砂礦恢復治理為木麻黃與西瓜間作種植地 (f)文昌市龍樓鎮(zhèn)某砂礦恢復治理為西瓜種植地 (g)文昌市龍樓鎮(zhèn)某砂礦恢復治理為木麻黃種植地 (h)文昌市龍樓鎮(zhèn)某砂礦恢復治理為建設用地

圖2 濱海鋯鈦砂礦恢復治理實地照片

Fig.2Photosofzirconium-titaniumsandminetakenbyfieldwork

2.4 海南島東部濱海鋯鈦砂礦的恢復治理變化及土地類型轉(zhuǎn)換情況

2016—2017年間，海南島東部濱海鋯鈦砂礦開采面、中轉(zhuǎn)場地等隨著恢復治理或開采面的增擴，土地利用類型發(fā)生了轉(zhuǎn)換；而固體廢棄物、礦山建筑等幾乎沒有變化。2016—2017年間濱海鋯鈦砂礦礦山占地類型之間的轉(zhuǎn)換遙感解譯結果如圖3所示。開采面變化情況為，文昌市2016年濱海鋯鈦砂礦開采面總面積為1 171.85 hm2，至2017年時，2016年原有濱海鋯鈦砂礦開采面占損土地面積仍占1 065.26 hm2；被恢復治理的面積達106.58 hm2，其中恢復治理后變成耕地的面積有66.84 hm2；2.48 hm2的鋯鈦砂礦被恢復治理成灌木林地；37.26 hm2的鋯鈦砂礦被恢復治理成其他林地。同時，2017年文昌市濱海鋯鈦砂礦有新增開采面199.24 hm2，其中10.89 hm2由耕地轉(zhuǎn)換而成、156.31 hm2由灌木林地轉(zhuǎn)換而成、32.04 hm2由其他林地轉(zhuǎn)換而成。瓊海市2016年濱海砂礦開采面的總面積為5.38 hm2，至2017年，2016年原有的濱

(a)2016—2017年文昌市錦山鎮(zhèn) (b)2016—2017年文昌市昌灑鎮(zhèn)

圖3-1 2016—2017年濱海鋯鈦砂礦礦山占地類型轉(zhuǎn)換遙感解譯

Fig.3-1Geologicalmapinterpretedthroughremotesensingimageofminingconversionstatusofzirconium-titaniumsandmineduring2016to2017

(c)2016—2017年瓊海市潭門鎮(zhèn) (d)2016—2017年萬寧市東澳鎮(zhèn)

圖3-2 2016—2017年濱海鋯鈦砂礦礦山占地類型轉(zhuǎn)換遙感解譯

Fig.3-2Geologicalmapinterpretedthroughremotesensingimageofminingconversionstatusofzirconium-titaniumsandmineduring2016to2017

海砂礦開采面全被恢復治理，恢復治理總面積5.38 hm2，其中有1.52 hm2恢復治理成為灌木林地；2.91 hm2恢復治理成倉儲用地；0.95 hm2恢復治理成坑塘水面。同時，2017年瓊海市濱海砂礦有新增開采面0.82 hm2，均由灌木林地轉(zhuǎn)換而來。萬寧市2016年濱海砂礦開采面總面積為88.59 hm2，至2017年時，2016年原有的濱海砂礦開采面還有41.14 hm2，被恢復治理了47.45 hm2，均恢復治理成為其他林地。2017年萬寧市濱海砂礦沒有新增開采面。中轉(zhuǎn)場地變化情況為，2016年文昌市中轉(zhuǎn)場地面積13.01 hm2，沒有進行恢復治理。瓊海市2016年中轉(zhuǎn)場地面積為1.00 hm2，沒有進行恢復治理。萬寧市無中轉(zhuǎn)場地。

總體來看，海南島東部濱海砂礦恢復治理成效顯著。

3 礦山環(huán)境恢復治理對策研究

生態(tài)修復是指停止(或減少)對生態(tài)系統(tǒng)的人為干擾，以減輕其負荷壓力，依靠生態(tài)系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)能力與自組織能力，使其向有序的方向演化，或者利用生態(tài)系統(tǒng)的自我恢復能力，輔以人工措施，使遭到破壞的生態(tài)系統(tǒng)逐步恢復或使生態(tài)系統(tǒng)向良性循環(huán)方向發(fā)展的過程。礦山環(huán)境恢復治理是生態(tài)修復的重要內(nèi)容之一，應因地制宜，采用適宜的生態(tài)修復方法，才能取得很好的工作成效[8-12]。

海南島文昌市至三亞市的砂質(zhì)海岸線上分布著豐富的第四紀鈦鐵礦和鋯石資源。長期的采礦活動破壞了海南島東部海濱砂礦區(qū)原有的生態(tài)環(huán)境。以萬寧市為例，在開采鈦鋯礦之前，該市濱海地帶生長有木麻黃喬木、灌木和草本植物等，覆蓋率達60%～70%；采礦后，地表植被均被破壞，大面積的防護林被砍伐，導致嚴重的水土流失，加劇了生態(tài)系統(tǒng)退化。更為嚴重的是，海南島東部海濱砂礦開采區(qū)是每年7—10月間臺風登陸的主要地點(據(jù)歷史記錄，1950—2011年的62 a間，全海南島臺風登陸共145次，其中在海南島東部登陸的116次(占80%[13])中，在文昌市登陸48次，占全島臺風登陸總次數(shù)的33.1%；在瓊海市登陸27次，占18.62%；在萬寧市登陸41次，占28.27%)。隨臺風產(chǎn)生大量的風沙流，會使林地土地的養(yǎng)分流失，使本已貧瘠的砂土中的養(yǎng)分進一步流失，從而導致區(qū)域生態(tài)環(huán)境惡化的加劇。因此，海南島東部海濱砂礦開采區(qū)的生態(tài)環(huán)境亟待恢復。本次遙感監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)內(nèi)正在實施種植西瓜、花生、木麻黃、青梅等生態(tài)修復措施。

海南島東部沿海防護林主要是以木麻黃海岸防護林為主，木麻黃具有抗臺風、耐鹽堿、耐干旱、耐貧瘠等優(yōu)良特性，在防風固沙、改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境方面起著不可替代的作用[8]。海岸防護林是以木麻黃純林為主，由于長期的純林經(jīng)營和嚴重的人為干擾，林帶破碎、土壤養(yǎng)分失調(diào)和病蟲害頻發(fā)等問題逐漸出現(xiàn)，嚴重影響了防護林的穩(wěn)定性。海南是島嶼生態(tài)，其土壤的成土母質(zhì)主要是巖漿巖，以各種花崗巖分布最廣，其次為新生代噴出的玄武巖，還有第三紀淺海沉積物和第四紀沉積物，主要土壤類型為磚紅壤，其他還有濱海砂土、濱海鹽土、赤紅壤、山地黃壤和水稻土等。土壤的養(yǎng)分循環(huán)具有強烈的養(yǎng)分生物積聚，土壤有機質(zhì)快速分解周轉(zhuǎn)，強烈的風化淋溶和土壤侵蝕引起的養(yǎng)分快速釋放和淋失等特點。在進行生態(tài)修復時，應鼓勵農(nóng)民采用雙膜栽培法(沙地覆膜有集雨、保墑、增溫、防凍、防雜草、促進早熟和提高品質(zhì)等多種作用)，先種植西瓜、花生，在山崗、平原、沙荒地包括砂質(zhì)、砂壤、黏土等各類土質(zhì)中種植番薯，給待治理土地積累、補充必要的養(yǎng)分；然后再進行造林，這樣不但省去整地平整等費用，大大降低造林成本，還有效促進木麻黃的生長和提高植被覆蓋率，使砂礦廢棄地的生態(tài)得以逐漸恢復[14-20]。

本次遙感監(jiān)測及前人資料發(fā)現(xiàn)，在萬寧市禮記鎮(zhèn)石梅灣濱海沙灘上自然生長著一片清一色的原始青梅林(又名青皮林)[21-24]，從九曲嶺的海田起始，至陵水縣交界的小牛嶺為止，寬約400 m，綿亙25 km。為了克服木麻黃海岸防護林的弊端，可采用樹種更替、多樹種引種造林、選育良種以及加強林地凋落物保護等造林和地力維護措施。青梅林的土壤是以海砂為母質(zhì)的熱帶濱海白砂土，沒有層次結構，貧瘠且干燥，在該地區(qū)森林群落中占絕對優(yōu)勢，在灌木層和草本層中都有青梅的幼樹和幼苗生長。如果人為引導單一木麻黃人工群落向青梅林群落的演替成功，將取得一舉多得的效果。幼年的青梅林需要在隱蔽生境下生長，而木麻黃生長迅速。時空上，木麻黃與青梅的生態(tài)位不同，至40齡，青梅才進入快速生長期，而40齡的木麻黃已進入老齡?；旖环N植2種樹木，若在40齡左右伐去木麻黃，由青梅取而代之，這樣的防護林可長期維護數(shù)百年。青梅林可自然更新，雖然生長緩慢，長遠看，這無疑將節(jié)約大量人工更新木麻黃林的成本，經(jīng)濟效益可觀。且青梅材質(zhì)優(yōu)異，是高檔家俱的良材，非木麻黃可比。建議海邊50 m內(nèi)的濱海林帶應采取永久性保留措施，將生態(tài)效益、環(huán)境效益放在首位。

花生喜光熱，以耕作層疏松的沙質(zhì)土壤最為適宜。海南省向來具有種植花生的傳統(tǒng)習慣，一般1 a可種植2造(分為春種和秋種)，以春種為主[16，18]。番薯宜選擇土質(zhì)疏松肥沃的壤土，或土壤厚、土質(zhì)疏松、通氣性好的沙土、壤土進行深耕曬白。采用高畦栽培，擴大根系活動范圍，增大晝夜溫差，可為番薯生長創(chuàng)造良好的土壤環(huán)境。覆蓋地膜能夠優(yōu)化番薯生態(tài)環(huán)境，克服早春低溫、干旱等不利因素影響，促進番薯生長發(fā)育[15，18-20]。

4 結論與建議

本文利用遙感技術對海南島東部濱海鋯鈦砂礦開發(fā)狀況及礦山環(huán)境恢復治理情況進行了信息提取及監(jiān)測，充分發(fā)揮了遙感技術宏觀、快速、更新周期短等優(yōu)勢，且能直觀、客觀地反映地表信息的特點，節(jié)省了大量的人力、物力成本。監(jiān)測結果表明，海南島東部濱海砂礦區(qū)的砂礦開采存在規(guī)模減小且分散化的趨勢；濱海砂礦區(qū)的生態(tài)修復工作取得了較好的成效，84.32%的礦山廢棄地正在恢復中，“金山銀山就是綠水青山”的生態(tài)文明思想得到了有效的貫徹執(zhí)行。

養(yǎng)分對植被的恢復起著極重要的作用。而土法采礦加快了本已貧瘠的砂土的養(yǎng)分流失，導致生態(tài)環(huán)境惡化的加劇。因此，大面積植被破壞引起的嚴重水土流失是加劇生態(tài)系統(tǒng)退化的主要原因。為此，本文建議對海濱砂礦的化學成分、肥力、土壤pH值，含鹽量等進行全面分析，利用“測土配方施肥技術，全面改良砂礦廢棄地；因地制宜地選擇合理的恢復治理措施，包括以木麻黃為當家樹種，以青梅、相思樹、濕地松等為輔助樹種，重建/重現(xiàn)礦區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)；或種植西瓜、番薯、花生等農(nóng)作物，發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)、或改建成海水養(yǎng)殖場或休閑游覽場所等，發(fā)展多種經(jīng)營。

志謝：感謝中國自然資源航空物探遙感中心對本次工作的支持，感謝韓子夜，熊盛青，葛曉立，劉瓊，孫婭琴，荊青青，王海慶，王曉紅，王彥佐，安娜，姚維嶺，王昊，汪潔，李麗，周英杰等同志給予的幫助。