露天開采背景下錫林浩特市產(chǎn)草量時空變化及對氣象因子的響應(yīng)

張 璐,賀 曉,康薩如拉,寶海風(fēng),王 磊

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)草原與資源環(huán)境學(xué)院/草地資源教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部飼草栽培、加工與高效利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/內(nèi)蒙古自治區(qū)草地管理與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，呼和浩特 010018)

草地生態(tài)系統(tǒng)是陸地表面最大、占有極其重要地位的生態(tài)系統(tǒng)[1],能夠?yàn)槿祟愄峁┟ぶ破贰⑹澄锏裙┙o服務(wù)，還提供生物多樣性、防風(fēng)固沙、土壤保持、涵養(yǎng)水源等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),能夠起到調(diào)節(jié)人類活動與生態(tài)平衡的作用。近年來，人類由于經(jīng)濟(jì)利益等因素的驅(qū)使(如煤炭資源的開采和挖掘),對草地供給服務(wù)無節(jié)制的利用造成一系列的草原生態(tài)問題[2～3],主要包括對草原土地利用類型的破壞、對草地生態(tài)系統(tǒng)的破壞、降低草地生態(tài)系統(tǒng)物種多樣性、改變土壤結(jié)構(gòu)，以及植被死亡、水土流失等草原退化和沙化等現(xiàn)象[4～7]。產(chǎn)草量是草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)中一項(xiàng)重要的供給服務(wù)，對氣象因子的變化非常敏感。因此，合理評價(jià)草原產(chǎn)草量與氣象因子的相關(guān)性對草地資源的可持續(xù)利用和發(fā)展具有重要意義。內(nèi)蒙古錫林浩特市地處中國北方干旱、半干旱地區(qū)，屬于溫帶典型草原區(qū)，是我國北方防沙帶的重要組成部分，也是擁有我國大型煤電基地勝利煤電的城市。錫林浩特市煤炭開采以露天方式為主，煤礦的粗放型開發(fā)方式會強(qiáng)烈地干擾草原生態(tài)系統(tǒng)[8]。本文采用產(chǎn)草量遙感模型和GIS技術(shù)，以內(nèi)蒙古錫林浩特市露天煤礦集中區(qū)域?yàn)檠芯繉ο?，通過計(jì)算該區(qū)域1991～2016年草地生態(tài)系統(tǒng)的產(chǎn)草量，分析不同時期產(chǎn)草量的時空動態(tài)變化，探討產(chǎn)草量對氣象因子的響應(yīng)特征，為促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)與環(huán)境協(xié)同和草地生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況及研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古錫林浩特市露天煤礦集中區(qū)域(見圖1)，研究區(qū)邊界選取標(biāo)準(zhǔn)為錫林浩特市匯水區(qū)，地理范圍為115°55'～116°20'E、43°50'～44°10'N。研究區(qū)地勢四周高、中部低，地處中緯度內(nèi)陸區(qū)域，屬于溫帶大陸性干旱、半干旱氣候。年均氣溫1～4℃，年降水量150～500mm，主要集中在6～9月。植被類型為典型草原，植被優(yōu)勢種為克氏針茅(Stipakrylovii)、羊草(Leymuschinensis)、大針茅(Stipagrandis)等。土壤類型主要為栗鈣土，水土流失類型以風(fēng)力侵蝕為主[9]。

圖1 研究區(qū)位置

1.2 研究方法

1.2.1地面調(diào)查

在研究區(qū)設(shè)置24個樣地進(jìn)行野外植被取樣，樣地選取標(biāo)準(zhǔn)為每個樣點(diǎn)之間必須相隔5km以上。每個樣地各重復(fù)3個1m×1m的測產(chǎn)樣方，記錄植株頻度和植被蓋度生物量，剪取草本地上部分帶回實(shí)驗(yàn)室于烘箱內(nèi)67℃烘干后稱取干重。同時，在每個樣地設(shè)置7個頻度樣方記錄樣方內(nèi)植物的種名及出現(xiàn)次數(shù)，與3個測產(chǎn)樣方合并統(tǒng)計(jì)物種頻度。

1.2.2數(shù)據(jù)來源及處理

本文土地利用類型動態(tài)解譯、NDVI數(shù)據(jù)均來自地理空間數(shù)據(jù)云的Landsat數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)分辨率為30m，共7景(表1)，選取標(biāo)準(zhǔn)為研究區(qū)植被生長季7～9月，云量<10%。1991～2016年氣象數(shù)據(jù)來源于內(nèi)蒙古氣象局。

表1 Landsat影像信息

2012年、2016年數(shù)據(jù)來自Landsat7 ETM數(shù)據(jù)，需通過ENVI軟件進(jìn)行去噪處理。7景影像數(shù)據(jù)通過ENVI軟件對影像波段進(jìn)行假彩色合成，使用eCognition 8、ArcGIS 10.0軟件對遙感圖像做多尺度分割及平滑處理。根據(jù)歷史資料和野外植被調(diào)查數(shù)據(jù)，建立研究區(qū)土地分類系統(tǒng)(表2)和判讀解譯標(biāo)志，通過人機(jī)交互式解譯獲得不同時期研究區(qū)的土地利用類型分布。研究區(qū)1991～2016土地利用類型面積變化如表2所示，在1991～2016年研究區(qū)的不同土地利用類型變化中，草地、工礦倉儲用地與城市用地變化的比例較大，且在土地利用分類系統(tǒng)中工礦倉儲用地(包括復(fù)墾的排土場)、城市用地(包括公園綠地)都是有草地植被生長區(qū)域，所以本文將重點(diǎn)分析這三類土地利用類型的產(chǎn)草量動態(tài)變化。

表2 研究區(qū)土地利用/覆蓋面積動態(tài)

1.2.3產(chǎn)草量計(jì)算方法

根據(jù)研究區(qū)實(shí)際地上生物量與同期遙感數(shù)據(jù)的歸一化植被指數(shù)之間的關(guān)系，構(gòu)建相應(yīng)的回歸模型，用于估算研究區(qū)域草原的產(chǎn)草量[10]。

1.2.3.1植被指數(shù)獲取

在ENVI 5.1軟件下，根據(jù)已大氣校正、輻射定標(biāo)、掩膜處理的7期Landsat數(shù)據(jù)計(jì)算研究區(qū)NDVI值，計(jì)算方法如下：

NDVI=(NIR-R)/(NIR+R)

式中：NIR為近紅外波段的反射率；R為紅光波段的反射率。

1.2.3.2產(chǎn)草量遙感估測模型

將NDVI值與野外實(shí)測樣方數(shù)據(jù)結(jié)合構(gòu)建產(chǎn)草量遙感模型，并將其應(yīng)用于1991～2016年7個時期的產(chǎn)草量估測:

生物量=1171.98NDVI+597.04

(R2=0.45，P<0.05)

1.2.4相關(guān)性分析

本文利用SPSS軟件分析研究區(qū)產(chǎn)草量與年降水量、年均溫的相關(guān)性。

2 結(jié)果分析

2.1 研究區(qū)產(chǎn)草量的時空分布特征

通過NDVI與實(shí)測地上生物量的遙感估測模型計(jì)算，得到1991～2016年露天開采背景下的錫林浩特市產(chǎn)草量。由研究區(qū)單位面積產(chǎn)草量空間分布(圖2)可知，1991～2016年近26年研究區(qū)內(nèi)產(chǎn)草量分布具有明顯的空間差異性，分布格局基本穩(wěn)定，沒有發(fā)生劇烈變化。從整體來看，產(chǎn)草量平均單產(chǎn)水平較高的地方主要集中在研究區(qū)東部；產(chǎn)草量平均單產(chǎn)水平相對較低的地方主要集中在中南部；東北和西南部分區(qū)域產(chǎn)草量較低，主要原因是工礦倉儲用地和城市用地覆蓋面積較大。

圖2 1991～2016年研究區(qū)產(chǎn)草量空間分布

研究區(qū)產(chǎn)草量年際動態(tài)變化如圖3、圖4所示，研究期間產(chǎn)草量總體呈減少趨勢。1991～2000年研究區(qū)平均單產(chǎn)和產(chǎn)草量持續(xù)下降，2000～2012年雖有增加但期間波動幅度較大，2012～2016年驟減。整個變化趨勢存在兩個節(jié)點(diǎn)：第一個節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)在2000年，平均單產(chǎn)為564.45kg/hm2，產(chǎn)草量為50×103t；第二個節(jié)點(diǎn)平均單產(chǎn)和產(chǎn)草量最高，出現(xiàn)在2012年，平均單產(chǎn)高達(dá)942.03kg/hm2，產(chǎn)草量為81.09×103t。1991～2016年7個年份的平均單產(chǎn)為745.40kg/hm2，平均產(chǎn)草量為65.28×103t，其中有4年產(chǎn)草量高于平均值，有3年產(chǎn)草量低于平均值。從整體來看，1991～2016年研究區(qū)平均單產(chǎn)維持在564.45kg/hm2～942.03kg/hm2，產(chǎn)草量數(shù)值波動范圍介于50.00×103t～81.09×103t。

圖3 1991～2016年產(chǎn)草量時間動態(tài)變化

圖4 1991～2016年平均單產(chǎn)時間動態(tài)變化

2.2 三種主要土地利用類型產(chǎn)草量動態(tài)變化

運(yùn)用Arcgis軟件的空間分析模塊，將研究區(qū)1991～2016年7個時期的三種土地利用/覆蓋類型矢量數(shù)據(jù)與對應(yīng)年份的產(chǎn)草量柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行分區(qū)統(tǒng)計(jì)，得到不同土地利用/覆蓋類型在不同研究時段內(nèi)產(chǎn)草量的變化規(guī)律(表3)。

表3 1991～2016年不同土地利用/覆蓋類型產(chǎn)草量

從不同土地利用/覆蓋類型的產(chǎn)草量統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，隨著土地利用/覆蓋類型的改變，研究區(qū)產(chǎn)草量功能也隨之發(fā)生變化。在研究區(qū)三種土地類型中，草地的產(chǎn)草量總體呈減少趨勢，但2012年平均單產(chǎn)和產(chǎn)草量明顯增加。工礦倉儲用地的產(chǎn)草量隨著面積的擴(kuò)大逐年增加，原因是工礦倉儲用地地類主要分為開采區(qū)域、工業(yè)場地和排土場，開采區(qū)域和工業(yè)場地的植被已被破壞，所以工礦倉儲用地產(chǎn)草量主要來源于復(fù)墾的排土場；隨著礦業(yè)開采的進(jìn)行和復(fù)墾區(qū)域的增加，重建植被面積也逐漸擴(kuò)大，產(chǎn)草量逐漸增加，2008～2016年工礦倉儲用地平均單產(chǎn)持續(xù)增長，產(chǎn)草量驟增，說明礦區(qū)進(jìn)行的生態(tài)環(huán)境恢復(fù)治理已初見成效。1991～2016年城市用地產(chǎn)草量總體呈增加趨勢，原因是城市用地主要包括城鎮(zhèn)居民點(diǎn)、農(nóng)村宅基地和公園綠地；城鎮(zhèn)居民地和農(nóng)村宅基地多為不透水表面，所以城市用地產(chǎn)草量主要來自公園綠地。隨著城市整體環(huán)境水平和居民生活水平的提高，城市綠地面積逐漸擴(kuò)大，導(dǎo)致產(chǎn)草量增加。2012年城市用地平均單產(chǎn)和產(chǎn)草量的增加幅度大于其他年份。在三種土地類型中，草地在不同時期的平均單產(chǎn)和產(chǎn)草量均為最高。2016年工礦倉儲用地產(chǎn)草量高于城市用地，說明工礦用地?cái)U(kuò)張的速度大于城市用地。

2.3 產(chǎn)草量與氣象因子的相關(guān)分析

相關(guān)研究[3]認(rèn)為，在內(nèi)蒙古干旱半干旱草原地區(qū)降水量是影響產(chǎn)草量變化的主要因素之一，氣溫對產(chǎn)草量的影響較小。從對研究區(qū)整體及不同地類的產(chǎn)草量和氣象因子進(jìn)行相關(guān)分析的結(jié)果(表4)可以看出，研究區(qū)整體、草地與城市用地的產(chǎn)草量與年降水量存在極顯著(P<0.01)的相關(guān)性。在分析不同土地利用/覆蓋類型的產(chǎn)草量時發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)整體/草地產(chǎn)草量應(yīng)該隨著面積的減小而減小，但在2000年研究區(qū)整體/草地面積較大，2012年研究區(qū)整體/草地面積較小，2012年產(chǎn)草量卻明顯比2000年增加，原因是2000年的降水量(191.9mm)比2012年的降水量(511.7mm)少，降水量的差異造成2個年份的平均單產(chǎn)明顯不同。同理，2012年降水量也是造成城市用地增加幅度大于其他年份的重要原因。

表4 相關(guān)分析

工礦倉儲用地產(chǎn)草量與年降水量沒有顯著的相關(guān)性(P>0.05)，說明降水量的增加對該區(qū)域產(chǎn)草量有一定的影響，但不是其主要影響因子。分析其原因，主要是在當(dāng)?shù)厝鄙偎Y源的情況下復(fù)墾排土場的重建植被對水資源的獲取方式除了利用自然降水外，更主要的是人工灌溉。研究區(qū)整體及不同地類的產(chǎn)草量和年均氣溫沒有顯著的相關(guān)性。

3 結(jié)論

3.11991～2016年露天開采背景下研究區(qū)產(chǎn)草量整體呈減少趨勢，存在一定的退化風(fēng)險(xiǎn)； 產(chǎn)草量分布具有明顯的空間差異性，東部產(chǎn)草量較高。

3.226年間研究區(qū)在三種主要土地利用類型中，草地在不同時期產(chǎn)草量均為最高，但總體呈減少趨勢，而工礦倉儲用地與城市用地產(chǎn)草量均呈增加趨勢。

3.3研究區(qū)整體、草地及城市用地的產(chǎn)草量與年降水量均存在極顯著的正相關(guān)性，但工礦倉儲用地產(chǎn)草量與年降水量沒有顯著的相關(guān)性；研究區(qū)產(chǎn)草量和年均氣溫沒有顯著相關(guān)性。