山西省六大煤田植被凈初級生產(chǎn)力對土地覆被變化的響應(yīng)

李志祥，張藝凡，張和生

(1.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.山西工程科技職業(yè)大學(xué)，山西 晉中 030619)

煤炭開采在促進我國社會經(jīng)濟發(fā)展的同時，也給區(qū)域生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重的破壞。據(jù)統(tǒng)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(tài)環(huán)境造成的負效應(yīng)，引起了社會各界的廣泛關(guān)注，我國政府先后出臺了一系列政策法規(guī)，不斷加強煤礦區(qū)土地復(fù)墾工作。

隨著我國煤礦區(qū)生態(tài)修復(fù)工作的開展，如何監(jiān)測和評價礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)成為學(xué)術(shù)界關(guān)注的焦點，學(xué)者們分別從土壤界面[3-4]和植被界面[5-6]研究了礦區(qū)生態(tài)擾動特征。近年來，植被凈初級生產(chǎn)力(net primary productivity，NPP)研究為探究礦區(qū)生態(tài)擾動過程提供了重要參考。NPP作為生態(tài)系統(tǒng)中的關(guān)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(tài)系統(tǒng)中碳循環(huán)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(chǎn)能力，同時能夠反映區(qū)域自然生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，是理想的生態(tài)指標(biāo)。侯湖平等[8]基于植被NPP對徐州礦區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進行了評價，明確了植被NPP對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境測度的可行性。陳廣洲等[9]以淮南煤礦區(qū)為例研究植被NPP的時空變化，發(fā)現(xiàn)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(guān)。

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(tài)環(huán)境造成強烈擾動。據(jù)統(tǒng)計，截至2014年，山西省因采煤造成的沉陷區(qū)面積達到3 000 km2[10]。山西省進行了廣泛的礦區(qū)生態(tài)修復(fù)活動，學(xué)者們也研究了山西省平朔露天煤礦[11]、大同礦區(qū)[12]等礦區(qū)NPP變化特征及其影響因素。上述研究從礦區(qū)尺度揭示了山西省不同采煤方式下的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)。然而，對于如何從省域尺度探究礦區(qū)土地覆被變化下的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的研究目前較少。如何定量監(jiān)測和評價省域尺度煤礦區(qū)土地覆被變化下的生態(tài)環(huán)境響應(yīng)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(shù)據(jù)和MOD12Q1數(shù)據(jù)，分析研究區(qū)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(qū)土地覆被變化對植被NPP的影響，以期為山西省省域礦區(qū)生態(tài)評價提供依據(jù)，為省域國土空間生態(tài)修復(fù)中的礦區(qū)生態(tài)修復(fù)提供參考。

1 研究區(qū)概況

山西省位于我國黃土高原東翼，是典型的資源型經(jīng)濟地區(qū)，總面積156 700 km2，緯度34°36′～40°44′N，經(jīng)度110°15′～114°32′E。境內(nèi)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(fēng)氣候，年平均氣溫4～14 ℃，年降水量400～650 mm。 根據(jù)含煤地層的發(fā)育特征和及其構(gòu)造組合，把山西省分為大同煤田、寧武煤田、西山煤田、河?xùn)|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(chǎn)能力14.6×108t/a，累計生產(chǎn)原煤166×108t，同時山西省實施煤炭資源整合和企業(yè)重組，不斷淘汰落后產(chǎn)能，推行“藍天碧水”及造林綠化等生態(tài)環(huán)境修復(fù)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(qū)位置圖Fig.1 Location of study area

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

本文所用的NPP數(shù)據(jù)來自美國地質(zhì)調(diào)查局提供的MOD17A3H數(shù)據(jù)集，時間范圍為2005—2015年，空間分辨率為500 m。土地覆被數(shù)據(jù)采用MCD12Q1數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)集使用決策樹分類的方法對Modis Terra和Aqua反射數(shù)據(jù)進行處理，得到分辨率為500 m的全球土地覆被分類結(jié)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(qū)土地覆被類型分為耕地、林地、草地、灌叢、建設(shè)用地和其他土地六類。

為保證數(shù)據(jù)的可用性和分析結(jié)果的科學(xué)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(biāo)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)和土地覆被數(shù)據(jù)。

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(qū)2005—2015年植被NPP數(shù)據(jù)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(nèi)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(yīng)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(tài)物質(zhì)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(dǎo)致的NPP損益。當(dāng)某種土地覆被類型轉(zhuǎn)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(zhuǎn)為其他土地類型所產(chǎn)生的NPP值變化之和為“NPP損益流”，當(dāng)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(zhuǎn)為地類j時所產(chǎn)生的NPP變化。

3 結(jié)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(qū)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(qū)NPP均值分布在200～400 gC/(m2·a)，這些區(qū)域多為耕地和草地的覆蓋區(qū)，人類活動相對頻繁，面積為52 131 km2，占研究區(qū)總面積的74.84%。NPP值高于400 gC/(m2·a)的地區(qū)主要位于沁水煤田東南部、河?xùn)|煤田南部以及寧武煤田中部，面積為14 759 km2，占研究區(qū)總面積的21.19%。 沁水煤田東南部、河?xùn)|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(qū)，屬于黃土高原土石山區(qū)的水源涵養(yǎng)和防護林區(qū)，植被覆蓋率高，因此NPP值較高。 NPP值低于200 gC/(m2·a)的地區(qū)主要分布于大同煤田北部、河?xùn)|煤田中西部，以及朔州、太原、孝義等礦業(yè)城市周邊，面積為2 765 km2，僅占研究區(qū)總面積的3.97%。大同煤田由于長期高強度開采，侏羅紀(jì)煤層已接近枯竭，加上該煤田所屬區(qū)為半干旱區(qū)，水熱條件差，受礦區(qū)開采擾動，植被恢復(fù)慢，而河?xùn)|煤田位于呂梁山脈西側(cè)，主要為黃土丘陵區(qū)，該區(qū)水土流失嚴(yán)重，氣候干旱，生態(tài)環(huán)境脆弱，煤炭產(chǎn)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(qū)植被NPP值呈現(xiàn)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(jié)合顯著性檢驗結(jié)果(圖3(b))可以看出，植被NPP值呈增長趨勢較快的地區(qū)主要分布在寧武煤田南部、河?xùn)|煤田中部、霍西煤田東部以及西山煤田東北部，多表現(xiàn)為極顯著增加，表明這些區(qū)域植被狀況明顯好轉(zhuǎn)，生態(tài)環(huán)境得到明顯提高。呈減少趨勢的地區(qū)主要位于沁水煤田和河?xùn)|煤田南部，其余零星分布于大同、朔州、太原、陽泉等各城鎮(zhèn)周邊，顯著性檢驗表明，這些地區(qū)變化不顯著，說明生態(tài)環(huán)境沒有發(fā)生明顯惡化，應(yīng)繼續(xù)對其加強監(jiān)測，做好礦山生態(tài)修復(fù)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(qū)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(xiàn)波動增長的趨勢，這是這一時段內(nèi)六大煤田礦山開采活動和生態(tài)修復(fù)工程共同作用的結(jié)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(tài)修復(fù)工程可以有效地改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境，對植被NPP產(chǎn)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(chǎn)以及生態(tài)修復(fù)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(zhuǎn)型發(fā)展初期，人類對土地資源的不合理利用造成的。從NPP比例結(jié)構(gòu)上看，山西省六大煤田2005—2015年NPP值低于100 gC/(m2·a)的區(qū)域均不到1%，同時NPP值在100～200 gC/(m2·a))的區(qū)域在逐漸減少，而大于400 gC/(m2·a)的區(qū)域呈波動增長趨勢，這說明研究區(qū)植被凈初級生產(chǎn)力高值區(qū)的比例逐漸增加，生態(tài)環(huán)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(chǎn)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(chǎn)量的快速增長而增長，究其原因發(fā)現(xiàn)，研究時段內(nèi)山西省通過國土綠化、退耕還林等生態(tài)修復(fù)工程，森林覆蓋率從14%增長到20.5%；同時《山西省礦產(chǎn)資源總體規(guī)劃(2016—2020年)》中指出，2008年以來山西省累計投入地質(zhì)環(huán)境修復(fù)治理資金21.53億元，修復(fù)治理礦山362座，治理面積達到600 km2左右，土地復(fù)墾率達到50%以上。這表明各項生態(tài)修復(fù)工程對植被NPP產(chǎn)生的促進作用彌補了煤礦開采對NPP的負面效應(yīng)，山西省六大煤田生態(tài)修復(fù)工作產(chǎn)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(qū)土地覆被類型發(fā)生轉(zhuǎn)移的面積共9 006 km2，占研究區(qū)總面積的12.93%(表1)。耕地、林地、草地之間的相互轉(zhuǎn)化為該地區(qū)土地覆被轉(zhuǎn)移的主要特征。結(jié)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(nèi)的長治盆地、太原盆地、臨汾盆地和大同盆地，少部分位于河?xùn)|煤田南部的鄉(xiāng)寧縣、吉縣和隰縣等地區(qū)。研究時段內(nèi)耕地轉(zhuǎn)為其他類型土地的面積共912.75 km2，其中大部分轉(zhuǎn)為草地，轉(zhuǎn)出面積為654.25 km2，占耕地總轉(zhuǎn)出面積的71.68%，這是在加快城市化進程的背景下，農(nóng)村進城人口增多，大量中低產(chǎn)田被棄耕拋荒，逐漸變?yōu)椴莸氐慕Y(jié)果；轉(zhuǎn)為林地的面積次之，占耕地總轉(zhuǎn)出面積的21.70%，這主要是由于六大煤田持續(xù)開展退耕還林生態(tài)修復(fù)工程，大量耕地退耕為林地；在城鎮(zhèn)周邊，隨著城市擴張以及工業(yè)發(fā)展的需要，部分耕地被逐步占用， 有57.75 km2的耕地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地，占耕地總轉(zhuǎn)出面積的6.30%；由其他類型土地轉(zhuǎn)為耕地的面積共有4 494.5 km2，其中草地為主要的轉(zhuǎn)入源，占耕地總轉(zhuǎn)入面積的71.89%。耕地的轉(zhuǎn)入與轉(zhuǎn)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?xùn)|煤田東部的呂梁山脈一帶。2005—2015年林地轉(zhuǎn)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(zhuǎn)為草地，占林地總轉(zhuǎn)出面積的43%；建設(shè)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(zhuǎn)為林地的面積共2 551.5 km2，草地和耕地為主要轉(zhuǎn)入源，轉(zhuǎn)入面積分別為2 280 km2和198 km2。林地的轉(zhuǎn)入與轉(zhuǎn)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(qū)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(shè)用地面積的增加主要來源于對城鎮(zhèn)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(shù)小，研究時段內(nèi)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(xiàn)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(qū)礦山生態(tài)修復(fù)工作雖然取得一定的成效，但未來仍應(yīng)繼續(xù)實施礦山生態(tài)修復(fù)工程，應(yīng)繼續(xù)加強對礦山生態(tài)修復(fù)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(zhuǎn)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(chǎn)力數(shù)據(jù)與土地覆被數(shù)據(jù)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(nèi)的NPP變化趨勢，所有土地類型的NPP均出現(xiàn)波動，但總體都呈現(xiàn)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(shè)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(qū)林地和灌叢多分布于山區(qū)，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(fù)墾和退耕還林等生態(tài)修復(fù)工程使林地面積11年內(nèi)增加148.5 km2，提高了林地的生產(chǎn)力。耕地在農(nóng)業(yè)技術(shù)發(fā)展的背景下，糧食產(chǎn)量明顯提高，一定程度上也促進了有機物的積累。而研究區(qū)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(huán)境變化敏感，總體退化嚴(yán)重，生產(chǎn)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(yīng)年份內(nèi)的轉(zhuǎn)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(nèi)，沒有發(fā)生變化的土地類型NPP總量均出現(xiàn)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(jié)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(zhuǎn)為其他土地類型時，NPP總量凈損失2.94 GgC。 其中耕地轉(zhuǎn)為林地主要發(fā)生在沁水煤田的晉城市周邊，但2009年和2010年晉城市出現(xiàn)的極端氣候較多，抵消了耕地轉(zhuǎn)林地對NPP的促進作用，導(dǎo)致NPP損失流為1.15 GgC。耕地向建設(shè)用地轉(zhuǎn)移時，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)移方式，這表明耕地向建設(shè)用地轉(zhuǎn)移會造成NPP的大量損失；林地轉(zhuǎn)為其他土地類型時，對NPP損失較大，NPP凈損失71.39 GgC；草地轉(zhuǎn)為耕地和林地時，NPP增益流為123.88 GgC，其中轉(zhuǎn)為耕地時增益流最大，占總增益流的92.44%；灌叢在轉(zhuǎn)為林地時，NPP增益流為1.09 GgC；其他土地轉(zhuǎn)為林地、草地時，由于植被覆蓋有所改善，NPP出現(xiàn)增益流，但增益較小。

2010—2015年，耕地轉(zhuǎn)為林地和草地時，NPP增益流為16.31 GgC；耕地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地時，NPP持續(xù)損失，損失流(1.12 GgC)是2005—2010年的1.64倍，說明研究區(qū)在這一時段內(nèi)受城市化進程加快的影響，部分耕地被棄耕，逐漸變?yōu)槠渌恋睾凸鄥矔r，由于缺乏人工管理，植被整體的生產(chǎn)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(zhuǎn)為其他類型土地時，NPP總量凈損失33.17 GgC。草地在復(fù)墾為耕地和林地時，一方面由于復(fù)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(zhuǎn)為灌叢時，NPP損失流為0.35 GgC；灌叢和其他土地轉(zhuǎn)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(zhuǎn)為耕地和林地，使NPP總增益流(266.50 GgC)最大；林地轉(zhuǎn)為其他土地類型，使NPP總損失流(185.57 GgC)最大?？傮w來說，不同土地覆被之間的相互轉(zhuǎn)換，使研究區(qū)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(tài)環(huán)境逐漸好轉(zhuǎn)。

4 結(jié) 論

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

2) 研究時段內(nèi)，土地覆被變化主要表現(xiàn)為耕地和林地面積持續(xù)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(xù)減少，減少了3 882.25 km2，建設(shè)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(shè)用地。土地覆被類型未發(fā)生變化的區(qū)域植被凈初級生產(chǎn)力穩(wěn)步增長，表明生態(tài)環(huán)境逐漸向好。增加林地和耕地的面積會使NPP總量產(chǎn)生明顯增益，但林地轉(zhuǎn)為耕地和草地以及耕地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地會造成NPP的大量損失。

山西省生態(tài)修復(fù)工作在六大煤田取得了一定的成效，未來仍應(yīng)繼續(xù)實施礦區(qū)生態(tài)修復(fù)工程，具體措施如下所述。

1) 根據(jù)各礦區(qū)水土要素差異，因地制宜開展生態(tài)修復(fù)。晉東南地區(qū)要在加強生態(tài)環(huán)境監(jiān)測工作的基礎(chǔ)上，繼續(xù)擴大營林造林面積；西北部礦區(qū)應(yīng)增加林地的生態(tài)用地比重，提高區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。

2) 在改進復(fù)墾技術(shù)的基礎(chǔ)上，充分利用生態(tài)系統(tǒng)的自然恢復(fù)能力，將人工修復(fù)和自然恢復(fù)相結(jié)合，提高土地復(fù)墾的效率。

3) 加強礦區(qū)生態(tài)用地管護，防止工業(yè)用地對生態(tài)用地的過度占用。