露天開采背景下錫林浩特市產草量時空變化及對氣象因子的響應

張 璐,賀 曉,康薩如拉,寶海風,王 磊

(內蒙古農業大學草原與資源環境學院/草地資源教育部重點實驗室/農業農村部飼草栽培、加工與高效利用重點實驗室/內蒙古自治區草地管理與利用重點實驗室，呼和浩特 010018)

草地生態系統是陸地表面最大、占有極其重要地位的生態系統[1],能夠為人類提供毛皮制品、食物等供給服務，還提供生物多樣性、防風固沙、土壤保持、涵養水源等生態系統服務,能夠起到調節人類活動與生態平衡的作用。近年來，人類由于經濟利益等因素的驅使(如煤炭資源的開采和挖掘),對草地供給服務無節制的利用造成一系列的草原生態問題[2～3],主要包括對草原土地利用類型的破壞、對草地生態系統的破壞、降低草地生態系統物種多樣性、改變土壤結構，以及植被死亡、水土流失等草原退化和沙化等現象[4～7]。產草量是草地生態系統服務中一項重要的供給服務，對氣象因子的變化非常敏感。因此，合理評價草原產草量與氣象因子的相關性對草地資源的可持續利用和發展具有重要意義。內蒙古錫林浩特市地處中國北方干旱、半干旱地區，屬于溫帶典型草原區，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，煤礦的粗放型開發方式會強烈地干擾草原生態系統[8]。本文采用產草量遙感模型和GIS技術，以內蒙古錫林浩特市露天煤礦集中區域為研究對象，通過計算該區域1991～2016年草地生態系統的產草量，分析不同時期產草量的時空動態變化，探討產草量對氣象因子的響應特征，為促進區域經濟與環境協同和草地生態系統可持續發展提供科學依據。

1 研究區概況及研究方法

1.1 研究區概況

研究區位于內蒙古錫林浩特市露天煤礦集中區域(見圖1)，研究區邊界選取標準為錫林浩特市匯水區，地理范圍為115°55'～116°20'E、43°50'～44°10'N。研究區地勢四周高、中部低，地處中緯度內陸區域，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，水土流失類型以風力侵蝕為主[9]。

圖1 研究區位置

1.2 研究方法

1.2.1地面調查

在研究區設置24個樣地進行野外植被取樣，樣地選取標準為每個樣點之間必須相隔5km以上。每個樣地各重復3個1m×1m的測產樣方，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驗室于烘箱內67℃烘干后稱取干重。同時，在每個樣地設置7個頻度樣方記錄樣方內植物的種名及出現次數，與3個測產樣方合并統計物種頻度。

1.2.2數據來源及處理

本文土地利用類型動態解譯、NDVI數據均來自地理空間數據云的Landsat數據，數據分辨率為30m，共7景(表1)，選取標準為研究區植被生長季7～9月，云量<10%。1991～2016年氣象數據來源于內蒙古氣象局。

表1 Landsat影像信息

2012年、2016年數據來自Landsat7 ETM數據，需通過ENVI軟件進行去噪處理。7景影像數據通過ENVI軟件對影像波段進行假彩色合成，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。根據歷史資料和野外植被調查數據，建立研究區土地分類系統(表2)和判讀解譯標志，通過人機交互式解譯獲得不同時期研究區的土地利用類型分布。研究區1991～2016土地利用類型面積變化如表2所示，在1991～2016年研究區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中工礦倉儲用地(包括復墾的排土場)、城市用地(包括公園綠地)都是有草地植被生長區域，所以本文將重點分析這三類土地利用類型的產草量動態變化。

表2 研究區土地利用/覆蓋面積動態

1.2.3產草量計算方法

根據研究區實際地上生物量與同期遙感數據的歸一化植被指數之間的關系，構建相應的回歸模型，用于估算研究區域草原的產草量[10]。

1.2.3.1植被指數獲取

在ENVI 5.1軟件下，根據已大氣校正、輻射定標、掩膜處理的7期Landsat數據計算研究區NDVI值，計算方法如下：

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產草量遙感估測模型

將NDVI值與野外實測樣方數據結合構建產草量遙感模型，并將其應用于1991～2016年7個時期的產草量估測:

生物量=1171.98NDVI+597.04

(R2=0.45，P<0.05)

1.2.4相關性分析

本文利用SPSS軟件分析研究區產草量與年降水量、年均溫的相關性。

2 結果分析

2.1 研究區產草量的時空分布特征

通過NDVI與實測地上生物量的遙感估測模型計算，得到1991～2016年露天開采背景下的錫林浩特市產草量。由研究區單位面積產草量空間分布(圖2)可知，1991～2016年近26年研究區內產草量分布具有明顯的空間差異性，分布格局基本穩定，沒有發生劇烈變化。從整體來看，產草量平均單產水平較高的地方主要集中在研究區東部；產草量平均單產水平相對較低的地方主要集中在中南部；東北和西南部分區域產草量較低，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年研究區產草量空間分布

研究區產草量年際動態變化如圖3、圖4所示，研究期間產草量總體呈減少趨勢。1991～2000年研究區平均單產和產草量持續下降，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點：第一個節點出現在2000年，平均單產為564.45kg/hm2，產草量為50×103t；第二個節點平均單產和產草量最高，出現在2012年，平均單產高達942.03kg/hm2，產草量為81.09×103t。1991～2016年7個年份的平均單產為745.40kg/hm2，平均產草量為65.28×103t，其中有4年產草量高于平均值，有3年產草量低于平均值。從整體來看，1991～2016年研究區平均單產維持在564.45kg/hm2～942.03kg/hm2，產草量數值波動范圍介于50.00×103t～81.09×103t。

圖3 1991～2016年產草量時間動態變化

圖4 1991～2016年平均單產時間動態變化

2.2 三種主要土地利用類型產草量動態變化

運用Arcgis軟件的空間分析模塊，將研究區1991～2016年7個時期的三種土地利用/覆蓋類型矢量數據與對應年份的產草量柵格數據進行分區統計，得到不同土地利用/覆蓋類型在不同研究時段內產草量的變化規律(表3)。

表3 1991～2016年不同土地利用/覆蓋類型產草量

從不同土地利用/覆蓋類型的產草量統計結果可知，隨著土地利用/覆蓋類型的改變，研究區產草量功能也隨之發生變化。在研究區三種土地類型中，草地的產草量總體呈減少趨勢，但2012年平均單產和產草量明顯增加。工礦倉儲用地的產草量隨著面積的擴大逐年增加，原因是工礦倉儲用地地類主要分為開采區域、工業場地和排土場，開采區域和工業場地的植被已被破壞，所以工礦倉儲用地產草量主要來源于復墾的排土場；隨著礦業開采的進行和復墾區域的增加，重建植被面積也逐漸擴大，產草量逐漸增加，2008～2016年工礦倉儲用地平均單產持續增長，產草量驟增，說明礦區進行的生態環境恢復治理已初見成效。1991～2016年城市用地產草量總體呈增加趨勢，原因是城市用地主要包括城鎮居民點、農村宅基地和公園綠地；城鎮居民地和農村宅基地多為不透水表面，所以城市用地產草量主要來自公園綠地。隨著城市整體環境水平和居民生活水平的提高，城市綠地面積逐漸擴大，導致產草量增加。2012年城市用地平均單產和產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和產草量均為最高。2016年工礦倉儲用地產草量高于城市用地，說明工礦用地擴張的速度大于城市用地。

2.3 產草量與氣象因子的相關分析

相關研究[3]認為，在內蒙古干旱半干旱草原地區降水量是影響產草量變化的主要因素之一，氣溫對產草量的影響較小。從對研究區整體及不同地類的產草量和氣象因子進行相關分析的結果(表4)可以看出，研究區整體、草地與城市用地的產草量與年降水量存在極顯著(P<0.01)的相關性。在分析不同土地利用/覆蓋類型的產草量時發現，研究區整體/草地產草量應該隨著面積的減小而減小，但在2000年研究區整體/草地面積較大，2012年研究區整體/草地面積較小，2012年產草量卻明顯比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 相關分析

工礦倉儲用地產草量與年降水量沒有顯著的相關性(P>0.05)，說明降水量的增加對該區域產草量有一定的影響，但不是其主要影響因子。分析其原因，主要是在當地缺少水資源的情況下復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。研究區整體及不同地類的產草量和年均氣溫沒有顯著的相關性。

3 結論

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

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

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