潞安礦區凈初級生產力和土地覆被變化及成因

張合兵，郝成元，張小虎

（1．河南理工大學 礦山空間信息技術國家測繪局重點實驗室，河南 焦作454000；2．河南理工大學 測繪與國土信息工程學院，河南 焦作454000）

自20世紀90年代起，環境變化研究已經成為最引人注目和關切的環境科學問題之一［1］。陸地生態系統中的氣候、土壤、植被、水等自然因子或資源之間相互作用和相互影響，進而影響著人類生產活動甚至生活［2］，土地覆被變化是其最直接、最重要的載體之一［3］；同時，作為陸地生態系統中物質循環與能量流動的重要環節，凈初級生產力（net primary productivity，簡稱NPP）可以為陸地植被生長或人類生產活動提供精確且連續的測量媒介，也是全球環境變化研究的基礎性內容之一［4］。所以，生態與環境研究學者就土地覆被變化、凈初級生產力變化及其關系進行了研究［5－7］，但在礦區生態系統演變研究中并不多見［8］。

煤炭生產是煤礦區復合生態系統區別于一般生態系統的主要過程或影響因素之一，其可能直接擾動原自然生態系統，也可能通過排放各種有害污染物造成環境系統受損，兩者是礦區生態系統的主要外在脅迫因素［9］。礦區煤炭開發過程的階段性和動態性及其發展趨勢的特異性，不僅是認識礦區生態系統能流、物流、信息流的前提，更是深刻辨識礦區生態與環境問題及其產生機制，從整體把握礦區生態恢復與重建的基礎［10－11］。因此，本研究嘗試從礦區凈初級生產力和土地覆被的時空變化及成因入手，探索煤炭開采活動對礦區生態與環境的擾動方式及階段性。

1 數據來源，研究方法及研究區概況

1．1 數據來源

遙感數據是一種非常重要的地學信息源，廣泛應用于植被生態、氣候變遷及資源環境監測等研究［12－13］。本研 究 數 據 來 源 于 美 國 MODIS／TERRA遙感衛星，其產品已在土地覆被變化、農作物產量預估、生物量估算、環境監測和全球環境變化等研究中得到驗證和應用［14－17］。唐 俊梅等［14］用 MODIS數據對松嫩平原的土地覆被進行了研究，朱鋒等［15］對東北地區的農田生態系統凈初級生產力時空特征及其影響因素進行了詳盡探討，郭曉寅等［16］分析了我國青藏高原腹地的江河源區NPP的空間特征，國志興等［17］對東北地區的NPP時空格局及其影響因素進行了分析和探討。該數據由美國對地觀測系統（EOS）的LPDAAC網站免費提供，圖像空間分辨率為500m，時間序列為2001—2006年。

NPP數據MODIS—MYD17A3為4級標準數據產品，土地覆被數據 MODIS—MCD12Q1則為3級標準數據產品，包含5種分類合成數據，即IGBP，UMD，LAI／FPAR，NPP和 PFT，本研究選用 LAI／FPAR數據，其類型共分8種：闊葉林、針葉林、農用地、灌叢、稀樹草地、水域、城鎮建設用地和裸地，與實地考察的植被類型基本吻合。兩種數據均為標準產品，勿需另做前期處理，可直接使用。

1．2 研究方法

無論凈初級生產力還是植被覆蓋，其時空變化分析均主要借助地理信息系統軟件ArcGIS 9．3的統計與分析模塊進行。先實施疊加分析，后進行數據統計，最后通過空間耦合達到數據對接的效果。其中，凈初級生產力的統計數據單位為kg／（m2·a），植被覆蓋類型的面積統計單位為km2。

1．3 研究區概況

潞安礦區位于山西省東南部，太行山中段西側，地理坐標為 112°32′53″—113°16′35″E，35°50′9″—36°33′49″N，南北平均長約 65km，東西平均寬約60km，總面積4 015km2。地形地貌方面，潞安礦區主要有平原、河谷、丘陵和山地，其中前兩者主要分布于中東部，海拔多在900～930m，面積約占礦區總面積的80%；海拔在1 100m以上，相對高差大于200m的山地面積僅占礦區總面積的5%以下，主要分布于礦區西南部和最東南部；海拔在950～1 100m，相對高差在100～200m的丘陵區面積約占總面積的15%左右，主要分布于礦區西部和東南部。氣候類型上，潞安礦區地處內陸，氣候屬于暖溫帶半濕潤區，多年平均降水量為540～660mm，空間分布態勢為南部大于北部，尤以東南和西南為最高，多年平均活動積溫為2 815～3 764℃。植被類型方面，潞安礦區原生植被多屬落葉闊葉林，由于現在大部分土地被開墾為農田，現在植被類型主要有闊葉林、針葉林、灌叢或蔭生矮林、一年兩熟或兩年三熟旱作農地。

2 結果與分析

2．1 NPP變化時空格局

分析2001—2006年NPP空間分布格局，可以得出兩個特點。其一，大格局上，以西部大，東部次之，中部最小為基本態勢，無論6a間的哪一年均如此，具體為礦區中部區和東部區數值較小，多在0．2kg／（m2·a）以下，西部、北部、南部 NPP均高于0．2kg／（m2·a）。其二，無論哪一年的 NPP均與DEM空間相關明顯，即海拔越高，NPP數值越大，如研究區西南部和東南地形多為低山、丘陵，NPP數值多在0．25kg／（m2·a）以上，中東部地形多屬平原和河谷地，NPP數值多在0．2kg／（m2·a）以下。

分析2001—2006年NPP年際變化可得出，凈初級生產力下降是研究區年際變化的基本態勢，2001—2003年時段與2004—2006年時段形成了鮮明對比。2001—2003年的NPP多在0．2kg／（m2·a）以上，西南部和東南部大范圍地區NPP數值甚至高于0．3kg／（m2·a）；而相對應的2004—2006年，整個研究區NPP均較小，基本都低于0．2kg／（m2·a），僅有極個別區域高于0．25kg／（m2·a），如某些城區綠化帶和濕地附近。

2．2 土地覆被變化時空格局

研究區土地覆被2001—2006年變化見附圖6，利用ArcGIS 9．3統計與分析模塊列出8種土地覆被類型面積（如表1所示）。

表1 2001－2006年潞安礦區土地覆被面積統計 km2

分析2001—2006年礦區土地覆被空間分布及其變化，主要特點有二。（1）農用地主要分布于研究區中部，6a內年均面積約占總面積的82．4%；稀樹草地主要分布于西南部和東南局部的山地丘陵區，年均面積約占總面積的6．9%；城鎮用地主要分布于潞安集團駐地、長治市區及其之間，約占總面積的4．5%；灌叢主要分布于礦區西南部、東北部和東南部的山地丘陵區，約占總面積的3．9%；針葉林僅分布于研究區西南山地，僅占總面積的1．5%；而裸地、地表水域和闊葉林所占面積均小于1%。（2）在主要土地覆被類型之間的轉化中，有兩類轉換較為顯著：灌叢轉換為稀樹草地，進而被開墾為農用地，變化空間主要分布于礦區西南和東南山地；地表水域面積縮減區域主要分布在漳澤水庫、許村“七一”水庫、屯絳“八一”水庫等地，進而引起裸地面積增多。

研究時段內，2001—2003年與2004—2006年形成了鮮明對比。2001—2003年的灌叢面積平均為296．7km2，2004—2006 年 的 平 均 面 積 僅 為68．4km2，呈大幅減少趨勢，主要轉變為稀樹草地；稀樹草地則呈現遞增趨勢，由2001—2003年的年均139．6km2增加為2004—2006年的年均354．0km2，甚至2006年面積大于500km2；但部分稀樹草地轉化成為農用地，這也是農民開墾荒地的表現之一；地表水域和裸地面積也呈現較大幅度的變化，分別由2001—2003年的年均38．3km2和18．7km2變為2004—2006年的年均28．6km2和35．3km2，其幅度也分別達到縮減25．4%和增加88．7%。

2．3 成因分析

無論土地覆被轉換還是NPP變化，基本都可以以2003年為界分為2個時段，而且對比顯著。究其原因，可以用研究時段內的煤炭價格上漲大背景和原煤開采量遞增進行一定程度的解釋和說明，表2列出2000—2007年潞安礦業集團原煤年開采量及其單價的統計數據。

2000—2003年，潞安礦業集團受計劃經濟控制，煤炭價格較低，平均為137．3元／t，年均原煤產量僅為1 418．3t。但從2003年實行市場定價以來，2004—2007年時段的原煤價格上漲迅猛，相對于上一年價格的增幅分別達43．42%，47．71%，3．73%和23．35%，4a內的平均價格為321．5元／t，相對于2000—2003年上漲了134．2%。原煤產量的年增幅也分別達16．94%，22．05%，26．30%和17．66%，4a內的年均原煤產量2 857．5t，相對于2000—2003年時段的4a均值增加了101．48%。顯然，無論煤炭價格還是煤炭開采量均可以對2001—2006年的植被覆蓋和凈初級生產力的時空異質性構成較深層次的影響，主要表現為受煤炭價格上漲的刺激煤炭開采活動加劇，進而造成植被覆蓋發生較明顯變化，即灌叢大面積轉化為稀樹草地，進而被開墾為農用地，共同引起了凈初級生產力大幅度減少。也就是說，煤炭開采、農用地開墾等為主的人類活動引起了土地覆被類型發生改變，同時也導致了凈初級生產力的急劇降低。

另外，在土地覆被變化時空格局一節中提到的地表水域和裸地之間轉化的主要原因，也與全球氣候變化背景下的降水減少和氣溫升高導致蒸發量增大有關［18］，這也可以引起區域NPP降低。

表2 2000－2007年潞安礦業集團原煤價格和年產量

3 結 論

（1）2001—2006年，無論凈初級生產力變化還是土地覆被變化，均可分為2001—2003年和2004—2006年2個時段，且對比顯著。

（2）凈初級生產力變化方面，2001—2003年時段數值較大，多在0．2kg／（m2·a）以上，而2004—2006年時段內數值較小，絕大部分地區低于0．2kg／（m2·a）。

（3）土地覆被變化方面，灌叢向稀樹草地、部分稀樹草地向農用地轉變為主，主要分布于研究區西南和東南山地；地表水域和裸地面積之間的轉換較為顯著，其幅度也分別縮減25．4%和增加88．7%，主要分布于北部漳澤、許村“七一”、屯絳“八一”等大型水庫周邊，形式為水域轉化為裸地。

（4）煤炭開采，農用地開墾等人類經濟活動和以氣溫變暖、降水量減少為特征的自然因素是造成土地覆被變化的主要原因，進而直接導致了潞安礦區凈初級生產力的降低。

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