露天煤矿草原区植被指数与气象水文要素关系_张雁.pdf

第 48 卷 第 4 期 煤田地质与勘探 Vol. 48 No.4 2020 年 8 月 COAL GEOLOGY 2. College of Water Resources and Architectural Engineering, Northwest A 3. Dayan Company of China Energy Investment Corporation, Hulun Buir 021122, China Abstract The groundwater level of an open-pit coal mine in the grassland area of the east Inner Mongolia has been decreasing continuously under the condition of long-term drainage. In order to study whether the growth of vegeta- tion around the mining area was affected by the decline of groundwater level, the NDVI was used to ana- lyze the change trend of vegetation index in the study area from 2013 to 2019. Based on the joint entropy theory, the mutual ination between NDVI and different meteorological and hydrological elementstemperature, rain- fall and groundwater depthwere calculated, and the main influencing factors of vegetation growth were obtained. The results show that the vegetation coverage in the study area is getting better year by year; and the vegetation index gradually increases from 0.10 in 2013 to 0.33 in 2019, with an average annual growth of about 0.03. The vegetation growth is closely related to the local temperature and rainfall, with a weak correlation with the buried depth of the groundwater level. The warm and stable rainfall in the study area results in the earlier and longer vegetation rejuvenation period, and the continuous decline of the water level will not cause the death of the sur- rounding grassland vegetation. The results enrich the research content of the relationship between vegetation growth and groundwater in the eastern grassland area of Inner Mongolia, and provided technical support for such analysis and uation. ChaoXing 第 4 期 张雁等 露天煤矿草原区植被指数与气象水文要素关系 95 Keywords joint entropy; mutual ination; open-pit coal mine; grassland; NDVI; hydromet factors; groundwater 研究区为地处内蒙古呼伦贝尔草原区的某露天 煤矿，矿坑在开采过程中长期疏排地下水，造成地 下水位不断下降。地下水位持续下降对煤矿周边草 原区生态植被的改变及生态环境影响程度关系到露 天矿的绿色与可持续发展，因此，有必要开展煤矿 周边植被生长的主要影响因素及地下水对植被生长 的影响程度研究。 在我国不同地区，植被生长的主要影响因素不 尽相同，国内学者对此开展了大量研究。曹艳萍 等[1]认为华北平原植被盖度好转主要受人类活动和 降水等因素共同影响；信忠保等[2]认为黄土高原植 被盖度变化主要受降水影响；罗敏等[3]认为塔里木 河流域平原区和中低山区植被生长受降水和温度共 同作用，高山区植被生长主要受温度控制，平原绿 洲区植被变化主要受人类活动影响；宋鹏飞等[4]认 为黑河流域植被生长受气温影响程度最大；李丽红 等[5]认为山西省植被盖度受降水变化影响较大，受 温度变化影响较小；梁艳等[6]、穆少杰等[7]认为降水 是驱动草地植被年际变化的主要因素； 多名学者[8-11] 研究认为呼伦贝尔地区 30 多年的植被盖度呈逐年 波动改善趋势，年际间的变化主要受降水影响，但 同时也与气候变暖相关，气温回升造成呼伦贝尔草 原生长季节延长以及返青期提前。 植被生长与地下水关系密切，马玉蕾等[12]研究 表明土壤含水量随地下水位埋深增加而减小，土壤 盐渍化随地下水位埋深变浅而加重，地下水位埋深 过大或过浅，均会造成不同程度的植被退化甚至死 亡；陈亚宁等[13]认为随地下水位埋深加大，物种多 样性指数降低，植物种类减少，群落结构向简单生 态系统退化，地下水位的不断下降和土壤含水率的 丧失是引起植被退化的主导因子；马兴旺等[14]认为 地下水位埋深小于 2 m 时会造成地表土壤积盐过 重；程东会等[15]认为在毛乌素沙漠地区，地下水位 埋深不是旱生植被盖度的控制因素，植被生长的水 分来自降雨产生的包气带水；范磊等[16]认为以沙蒿 为代表的耐干旱植被物种， 生长基本不依赖地下水， 植被盖度也与潜水位埋深无关，在潜水位埋深较大 的情况下也能保持较大盖度。 诸多学者还研究了不同区域适合植被生长的生 态水位，归纳总结如下华北平原地区适合植被生 长的地下水位埋深为 2～10 m[17]；新疆塔里木河流 域、焉耆盆地等地区为 4～5 m[18-22]；甘肃、宁夏、 河西走廊等地区为 5 m 以内[23-26]； 内蒙古鄂尔多斯、 乌审旗、呼伦贝尔等地区为 6～8 m[27-32]；青海柴达 木盆地为 4.5 m 以内[33]；毛乌素沙漠区为 6 m 以 内[16]；东北地区西部为 4 m 以内[34-35]。地下水位超 过上述埋深后，植被以旱生植物为主，其生长将不 受地下水位的影响。 研究植被盖度通常采用植被指数法，植被指数 已广泛用来定性和定量评价植被覆盖及其生长活 力，目前已经发布了超过 150 种植被指数模型，其 中归一化植被指数法NDVI[36]是应用最广泛的方 法。 本文利用 GIS/RS 数据， 基于联合熵与互信息技 术， 采用归一化植被指数法研究 20132019 年研究 区植被变化与气象要素的关系，分析了研究区植被 生长与地下水的关系。 1 研究区植被类型与植被指数变化趋势 1.1 研究区概况和植被类型 研究区地处我国内蒙古呼伦贝尔草原区， 大 兴安岭西侧，气候类型为中温带大陆性草原气 候，研究范围南北长 7 km，东西宽 5.5 km，面 积为 38.5 km2。露天煤矿自 2010 年开采以来，地 下水位最大降深超过 50 m，对剥采范围内的植被和 生态环境造成一定的破坏， 部分区域植被有所退化。 根据调研， 研究区内植被类型主要包括 3 大类， 即草甸植被、草原植被和沼泽植被。草甸植被主要 为低湿地草甸，分布在扎尼河湿地、海拉尔河灌丛 外地势较高的阶地上；草原植被主要是草甸草原， 广泛分布于研究区内的低山丘陵区和河流阶地区； 沼泽植被分布在海拉尔河湿地和扎尼河湿地，有木 本沼泽和草本沼泽，在木本沼泽外围还有山荆子与 灌丛镶嵌分布；局部有沙地植被，沙地植被主要以 针茅、羊草、冷蒿、沙柳等为主。研究区范围与植 被类型分布如图 1 所示。 1.2 归一化植被指数NDVI 归一化植被指数Normalized Difference Vegeta- tion Index，NDVI能够反映植被生长状况，是监测 植被覆盖动态变化的有力工具，被广泛应用于植被 覆盖时空变化研究中，可通过遥感RS或地理信息 系统GIS获取 NDVI 数据，并对植被时空变化进行 研究，采用的遥感数据为 SPOT-5 卫星遥感数据和 LANDSTA 系列数据，NDVI 可以表示为 NIRR NDVI NIRR pp pp - 1 式中NIR 为近红外波段；R 为红光波段；p 为反 射率。 基本数据处理流程为数据加载根据研究范 ChaoXing 96 煤田地质与勘探 第 48 卷 围进行数据裁剪提取导出数据导入 MATLAB 软件进行计算。 图 1 露天煤矿及周边范围与植被类型分布 Fig.1 Area and vegetation type distribution of open-pit coal mine 1.3 植被指数变化趋势 基于 GIS 和 RS 数据，提取研究区 20132019 年的 NDVI 数据，其均值为 0.1～0.4，2013 年 NDVI 值最小0.10，2019 年 NDVI 值最大0.33，呈逐渐 增加状态，平均增速约为每年 0.03。根据国际分级 标准表 1， 研究区植被覆盖情况由稀疏级别逐渐过 渡到适中级别。 表 1 NDVI 国际分级标准 Table 1 NDVI international classification standard NDVI 植被覆盖情况 NDVI＜0.10 裸地 0.10≤NDVI＜0.15 稀疏植被 0.15≤NDVI＜0.30 较少植被 0.30≤NDVI＜0.45 适中植被 0.45≤NDVI＜0.60 茂密植被 NDVI≥0.60 很密植被 绘制 20132019 每年 7 月初研究区的 NDVI 值空间分布图图 2， 同样看出研究区植被覆盖率呈 逐年增加趋势，尤其从 2017 年开始，NDVI＞0.2 的区域明显增多， 在 2019 年， 约 50的范围内 NDVI 值在 0.3 以上，覆盖级别达到适中植被级别。 为研究整个区域 NDVI 时空趋势变化，需计算 每个象元 NDVI 年际变化趋势，在此利用趋势分析 法逐个象元分析 NDVI 变化趋势，趋势分析法计算 公式为 111 slope 2 2 11 NDVINDVI - ■■ -■ ■ ■■ ∑∑ ∑ ∑∑ nnn ii iii nn ii nii θ nii 2 式中θslope为象元 NDVI 变化趋势；i 为年份；n 为 总年数；NDVIi为第 i 年的 NDVI 值。θslope的分级 标准见表 2。 绘制 20132019年研究区 NDVI变化趋势空间 分布图图 3。 由图 3 可知，20132019 年该地区 70以上区 域 NDVI 值都呈轻度或显著增加状态，轻度增加区 主要集中在露天矿剥采区北部，显著增加区主要在 河流流域和矿坑东北角；NDVI 值轻度降低和基本 不变的区域主要分布在矿区中部的剥采区及矿坑西 部的排土场，这些区域目前为非植被覆盖区。 2 联合熵与互信息 熵Entropy是表示随机变量不确定性的度量， 熵值越大，表示事件发生的不确定性越大，基本表 达式为 （）（） 2 1 log n ii i H Xpp -∑ 3 式中HX表示变量 X 的熵值，bit；X 表示变量； pi表示第 i 次事件发生的概率。 联合熵Joint Entropy[37-38]就是度量一个联合 分布的随机系统的不确定度，用公式表示为 （）（） 2 11 ,log mn ijij ij H X Ypp -∑∑ 4 式中HX,Y表示变量 X、Y 的联合熵值，bit；X、 Y 表示变量；m、n 表示 X、Y 的取值个数；pij表示 变量 X、Y 的联合概率分布。 如果变量 X 与 Y 相互独立，则 HX,YHX HY，联合熵达到最大值，而变量间的相关性为 0。 变量间的相关性可以利用互信息Mutual Ina- tion[39-40]来表征，互信息 IX,Y可以用公式表示为 IX,YHX-HX|YHY-HY|XHXHY-HX,Y 5 其关系可用图 4 表示。 ChaoXing 第 4 期 张雁等 露天煤矿草原区植被指数与气象水文要素关系 97 图 2 研究区 20132019 年每年 7 月的 NDVI 空间分布 Fig.2 NDVI spatial distribution of the study area in July from 2013 to 2019 表 2 θslope分级标准 Table 2 Grading standard of θslope 等 级 显著减少 轻度减少 基本不变 轻度增加 显著增加 θslope ＜-0.006 -0.006～-0.001 ＞-0.001～0.001 ＞0.001～0.006 ＞0.006 图 3 研究区 20132019 年 NDVI 变化趋势 Fig.3 Variation trend of NDVI in the study area from 2013 to 2019 同理，三维联合熵的计算公式可以表示为 （）（） 2 111 , ,log mnu ijkijk ijk H X Y Zpp -∑∑∑ 6 图 4 联合熵与互信息关系 Fig.4 Schematic diagram of joint entropy and mutual ination 3 研究区植被指数与气象水文要素关系 选择气温T、降水P、地下水位埋深G作为 气象水文要素，基于联合熵理论，分别计算NDVI 与上述变量两两组合之间的互信息，即分别计算 IP,T;NDVI， IP,G;NDVI 与 IT,G;NDVI ， 研 究 NDVI与气象水文要素的响应关系。 3.1 气象水文要素信息 3.1.1 气温变化趋势 收集了研究区 20132019 年气温数据， 年均气 温的变化曲线如图 5 所示。20132019 年年均气温 整体呈增加趋势，增加速度约为 0.21/a℃ ，其中， 2015 年年均温度最高，为 0.48℃。 ChaoXing 98 煤田地质与勘探 第 48 卷 图 5 研究区 20132019 年年均气温变化趋势 Fig.5 Variation trend of annual average tempera- ture2013-2019 3.1.2 降水量变化趋势 研究区多年平均降水量为 383.7 mm，除 2013 年降水619.1 mm较多外，20142019 年降水量整 体保持平稳，年平均降水量为 370.43 mm图 6，降 水量年内分布不均匀，主要集中在夏季 6～9 月份。 图 6 研究区 20132019 年降水量变化趋势 Fig.6 Rainfall variation trend in the study area2013-2019 3.1.3 地下水位埋深变化趋势 选择研究区水 7、抽 3、水 6 这 3 个水文观测 孔图 1，绘制 20112019 年第四系含水层水位埋 深变化曲线，如图 7 所示。3 个观测孔的初始水位 埋深分别为 6.80、9.65、17.80 m，受矿坑疏排地下 水影响， 至 2019 年初， 水位埋深分别为 14.20、 15.11、 72.28 m，由于水 6 孔靠近疏排中心，因此，水位埋 深有大幅下降。 图 7 研究区 20112019 年地下水位埋深变化趋势 Fig.7 Variation trend of the depth groundwater table2011-2019 3.2 NDVI 与气象水文要素的互信息 采用 20132019 年的 NDVI 序列、降水、气温 和地下水位埋深序列数据，计算 NDVI 与气象水文 要素的互信息，考虑到变量为离散值，因此，首先 需将序列划分为等间距区间，划分原则为 n1 3.3lgN/a，N 表示样本长度，n 为区间数，所选样 本长度为 7 a 20132019 年，n3.79，在此取值为 4。所有变量值都落在 4 个等间距区间。为计算方 便，落在第 1 区间的值记为 1，落在第 2 区间的值 记为 2，依次类推，落在第 4 区间的值记为 4，然 后利用经验概率公式，计算联合概率。NDVI 与上 述 3 要素的互信息空间分布结果分别如图 8图 10 所示。 图 8 为 NDVI 与气温和降水量的互信息分布， 互信息值均在 1.2 左右，但在排土场和剥采区的无 植被区及西北部的草甸植被和沼泽植被区，互信息 值小于 0.8，个别区域小于 0.5，从中反映出草甸植 被和沼泽植被生长受河流水位影响较大，草原区植 被受气温和降水影响较大。 图 8 NDVI 与气温和降水量的互信息空间分布 Fig.8 Spatial distribution of mutual ination between NDVI and temperature, NDVI and rainfall 图 9 为 NDVI 与气温和地下水位埋深的互信息 分布，互信息值主要在 0.8～1.0，集中在研究区中部 的草原植被区，无植被区的互信息值在 0.5 以下， 西北部的草甸植被和沼泽植被区的互信息基本在 1.0～ 1.5，表明草甸植被和沼泽植被受地下水埋深和 气温的影响较草原植被大。 图 10为 NDVI与降水量和地下水位埋深的互信 息分布，互信息值大多在 0.5～0.8，集中在研究区中 部的草原植被区，而东北部等区域草甸植被区和沼 泽植被区的互信息值普遍大于 1.0， 进一步验证草甸 ChaoXing 第 4 期 张雁等 露天煤矿草原区植被指数与气象水文要素关系 99 植被区和沼泽植被区受地下水位埋深的影响较草原 植被大。 图 9 NDVI 与气温和地下水位埋深的互信息空间分布 Fig.9 Spatial distribution of mutual ination between NDVI and air temperature, NDVI and groundwater table depth 图 10 NDVI 与降水量和地下水位埋深的互信息空间分布 Fig.10 Spatial distribution of mutual ination between NDVI and rainfall, NDVI and groundwater table depth 4 研究区植被生长与地下水埋深的关系 根据前人研究和对邻近矿区调研结果，在干旱 半干旱地区，草地植被适宜生长的地下水位埋深范 围为 2～6 m。目前研究区地下水位埋深均在 6 m 以 下，此时地下水无法通过毛细管作用到达植被根系 供给植被吸收，植被生长主要依靠由降雨产生的包 气带水，植被群落也逐渐过渡为旱生植被类型。研 究区每年 10 月至次年 4 月，均有积雪覆盖，气温回 暖后，积雪融水促进植被初期生长，植被返青期提 前，69 月主要依靠大气降水生长。因此，在研究 区特定的气候条件下，植被生长与地下水位埋深关 系不密切。 5 结 论 a. 内蒙古呼伦贝尔某露天煤矿周边植被盖度 呈逐年好转趋势，植被指数由 2013 年的 0.10 逐渐 增加至 2019 年的 0.33，年均增长约 0.03，覆盖级别 由稀疏植被过渡到适中植被。 b. 研究区NDVI与气温和降水量的互信息值基 本在 1.2 左右，与气温和地下水位埋深、降水量和 地下水埋深的互信息值均在 1.0 以下，表明研究区 植被生长与气温和降水量关系密切，与地下水位埋 深相关性弱。 c. 研究区气候变暖和稳定的降水量是植被盖 度逐渐增加的主要原因；矿区目前疏排水强度下 引起的地下水位下降不会造成周边草原植被干枯 死亡。 d. 推测该区植被种群和多样性会随地下水位 的变化而逐渐发生改变，鉴于研究区尺度有限，对 于该结论还需进一步收集资料开展深入研究。 请听作者语音介绍创新技术成果 等信息，欢迎与作者进行交流 参考文献References OSID 码 [1] 曹艳萍，秦奋，庞营军，等. 20022016 年华北平原植被生长 状况及水文要素时空特征分析[J]. 生态学报，2019，395 1560-1571. 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