环境科学研究  2017, Vol. 30 Issue (7): 1050-1058  DOI: 10.13198/j.issn.1001-6929.2017.02.35

引用本文  

马雯思, 马超, 赵鹏飞, 等. 1982-2013年潞安矿区NDVI3g变化趋势及气候响应[J]. 环境科学研究, 2017, 30(7): 1050-1058.
MA Wensi, MA Chao, ZHAO Pengfei, et al. Variation Trend and Climate Response of NDVI3g in Lu'an Mining Area from 1982 to 2013[J]. Research of Environmental Sciences, 2017, 30(7): 1050-1058.

基金项目

国家自然科学基金委员会与神华集团有限责任公司联合项目(U1261206,U1261106)

责任作者

马超(1967-), 男, 内蒙古克什克腾旗人, 教授, 博士, 主要从事遥感理论教学和矿区地质灾害的遥感监测研究, d_insar@126.com

作者简介

马雯思(1993-), 女, 河南开封人, 969259520@qq.com

文章历史

收稿日期:2016-08-15
修订日期:2017-04-05
1982-2013年潞安矿区NDVI3g变化趋势及气候响应
马雯思1 , 马超1,2 , 赵鹏飞1 , 刘玮玮1 , 马威1     
1. 河南理工大学测绘与国土信息工程学院, 河南 焦作 454000;
2. 河南理工大学, 矿山空间信息国家测绘与地理信息局重点实验室, 河南 焦作 454000
摘要:为了揭示全球变化背景下矿业开发活动对矿区生态环境的影响,采用长时序GIMMS AVHRR NDVI3g(1982-2013年)全球植被指数数据集和气候信息(年均降水量和气温数据),运用IDL编程实现数据合成运算、线性回归和趋势拟合,从时间、空间、气候三方面对矿区、缓冲区(10 km、20 km)、校验区的NDVI平均值和总值进行比较研究,并推算出生长期变化趋势.时序分析表明,32 a来矿区NDVI总量随开采年限延长呈先增后减/波动中下降的趋势,下降速率为0.18/(10 a).矿区植被返青期滞后3 d,枯黄期提前30 d,生长期缩短33 d,缩减速率为10.3 d/(10 a).空间分析表明,除潞安矿区外其他三区生长季均有所延长,研究区平均NDVI年增长率依次为矿区(1.09%) < 10 km缓冲区(2.16%) < 20 km缓冲区(8.86%) < 校验区(9.87%),矿区NDVI总量自1995年后开始减少,非开采区NDVI总量呈增加趋势.气候变化分析表明,校验区NDVI对温度敏感性高于降水量,矿区NDVI对降水量敏感性高于温度,其中温度对两区植被生长有明显滞后性.研究显示,矿业开发活动抑制了矿区及周边区域NDVI的增长,NDVI年增长率远低于校验区,受温度升高、降水量减少共同作用,自然生态下校验区NDVI呈增加趋势,生长季延长;而受开采扰动影响下的矿区植被活动呈减弱趋势,生长期也有所缩短.
关键词开采扰动区    变化趋势    NDVI总量    生长期    GIMMS AVHRRNDVI3g    
Variation Trend and Climate Response of NDVI3g in Lu'an Mining Area from 1982 to 2013
MA Wensi1 , MA Chao1,2 , ZHAO Pengfei1 , LIU Weiwei1 , MA Wei1     
1. College of Surveying & Land Information Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China;
2. Key Laboratory of State Bureau of Surveying and Mapping of Mine Spatial Information Technology, School of Surveying and Mapping Land Information Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China
Abstract: Research on long time series Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) dynamic changes in mining areas is beneficial to clarify the impacts from global change and to reveal the influence of human activities on the mining area ecological environment. The long time series GIMMS AVHRRNDVI3g (1982-2013, 32 a) global vegetation index and climate information (i.e., precipitation and temperature) were selected as data sets. Data synthesis operation, linear regression and trend fitting contrasting the maximum NDVI, average NDVI and the total NDVI of directly affected areas, buffer areas (10 km and 20 km) and checked areas were used to calculate the change trends of the start, end and length of growing season. Three components in time, space and climate were implied using IDL programming language. Analysis of the sequential correlation results indicated that due to global warming, the mining area start of growing season (SOS) has been postponed 3 d, end of growing season (EOS) has advanced 30 d and length of growing season (LOS) has shorten 33 d -a reduction rate of 10.3 d/(10 a). With the increasing of mining years, the annual average of total NDVI declined during the 32 year research period, with a decline rate of 0.18/(10 a). Analysis of the spatial correlation indicated that the LOS in the buffer area (10 km and 20 km) and checked area (CK) have been extended, and the LOS in the mining area has been shortened. The LOS in mining area is 3 days shorter than that in the CK. The annual average NDVI over 32 years was 0.2936, 0.2964, 0.3250 and 0.2918 for the mining area, the 10 km buffer area, the 20 km buffer area and the CK respectively. The relationships of different research districts were as follows:annual NDVI growth rate was followed by mining area (1.09%) < 10 km buffer area (2.16%) < 20 km buffer area (8.86%) < CK (9.87%). The annual NDVI growth rate in the mining area was lower than that in the CK. The total NDVI in the mining area began to decrease since 1995, while the total NDVI in non-mining area showed an increasing trend. This indicated that coal mining has had an obvious effect on regional ecological processes. The analysis of climate change correlation indicated that the NDVI is increasing with the increasing of temperature and decreasing of precipitation. The annual NDVI growth rate in natural ecological CK is higher than that in the mining area; the LOS in the CK showed a trend of extended with increasing of temperature and decreasing of precipitation, while the LOS in the mining area showed a shortening trend. The NDVI in the mining area, in addition to the interference by climate change, is also the result of mining activities. The results show that it is an indisputable fact that mining has a significant impact on regional ecological processes. (1) Human activities interfere with the evolution process of natural ecology over mining area. (2) Climate change has caused the NDVI to increase over the whole area. (3) Mining activities lead to decreasing NDVI in both mining and non-mining area. (4) The NDVI is influenced more seriously by mining activities than climate change.
Keywords: mining disturbed area    variation tendency    total NDVI    growing season    GIMMS AVHRRNDVI3g    

植被作为生态环境最敏感和最主要的环境因子,它的变化直接或间接地影响其他环境因子的变化[1],植被变化在某种程度上也代表着土地覆盖的动态趋势[2],并以归一化植被指数(NDVI)应用最广泛[3].分析响应全球气候背景下植被生长状况具有现实意义. Jeong等[4]研究表明,1982—2008年北半球植被受气候变化影响生长季延长,植被指数显著增加. Eastman等[5]研究发现,1982—2011年有超出一半(56.30%)的地表植被表现出明显的季节性增加趋势.关于矿区植被变化动态监测能更好地运用于采煤生态修复应用中.Tian等[6]研究表明,量化采矿活动对煤田周围植被的影响有重大意义,NDVI时间序列趋势能更好捕捉细小尺度植被变化. MA等[7]研究神东植被指数变化显示, 矿区NDVI年增长率比缓冲区低约6.5%,比校验区低约13.7%,神东煤田较低增长率似乎与采矿有关. Prosper等[8]评估显示,佤邦东部矿区植被出现下降趋势,NDVI像元值从0.48降至0.11.吴立新等[9]对神东矿区植被覆盖进行分析,揭示了1999—2008年神东矿区植被指数值整体呈增加趋势,地表部分明显改善面积达82.13%.王广军等[10]分析霍林河露天煤矿区植被情况,1987—2003年矿区植被荒漠化总面积存在由强转弱、再由弱变强的演变过程,这与气候变化和人类活动有直接关系.张晓克等[11]监测潞安矿区植被变化显示,矿区开采后的地表植被指数随时间呈递减趋势.马超等[12]对潞安矿区8个矿井工作面研究表明,矿区地表覆被NDVI变化与采矿扰动具有时空相关性,扰动区在开采前NDVI呈增加趋势,开采后显著下降,降幅达11.91%.国外对矿区植被研究甚少,国内矿区NDVI研究中对实验区的设置以及时间序列上都存在一定的局限性,往往得出片面的结论,难以反映人类活动对区域生态环境的影响,因而无法正确引导资源开采与环境保护协调发展[13-14].

该研究在分析已有研究成果的基础上,在煤矿区设立直接影响区、生态影响缓冲区和自然生态校验区,利用长时序GIMMS AVHRR NDVI3g国际标准数据集(1982—2013年,共计32 a),综合分析气候变化的相关性,对比分析在开采扰动和自然生长环境下植被生长状况以及不同实验区植被生长期的时序变化趋势,旨在揭示煤炭开采、环境胁迫及气候影响下扰动区的植被变化和生态人类学方面的演化规律,以期为矿区植被人工修复、自然恢复和生态复垦提供基础支撑.

1 材料与方法 1.1 研究区概况 1.1.1 直接影响区

潞安矿区地处山西省沁水盆地东部中段东翼,横跨左权、榆社、屯留、长子、长治县及长治市等行政辖区[15],地理位置为112°47′48″E~113°03′44″E、36°15′50″N~36°30′44″N,矿区南北长约67 km,东西宽约20 km,面积1 182.5 km2.矿区北部为黄土丘陵地带,中南部地势较为平坦,整体上为向东南倾斜的高原丘陵-河谷平原.潞安矿区属大陆性季风气候,年均气温为9.8 ℃,年均降水量为618.9 mm.矿区大部分土地被开垦为以玉米、冬小麦、谷子为主的旱作农地,天然植被较少,植被类型主要有阔叶林、针叶林、灌丛和荫生矮林[16].

1.1.2 缓冲区和生态校验区

矿区位置选择基于潞安矿区规划边界,基于潞安矿区对周边环境的影响, 参考康萨如拉等[17-18]创建矿区不同范围敏感缓冲区的研究成果,该研究除了对矿区(直接影响区)植被指数分析外,还建立了两级缓冲区(10 km、20 km)及以自然生态为主的校验区(如图 1所示),以便于定性、定量分析采矿对矿区及其周边环境的影响程度和范围.缓冲区设置标准为以矿区边界为基准线向外扩展10 km及20 km距离的环状区域,研究所选生态校验区又称NDVI伪不变特征区(PIFs区)与矿区同属高原丘陵-河谷平原,地形地貌特征十分相似;二者经差03′12″(3.6 km),纬差25′06″(21.9 km),几何中心相距46.7 km;具有相近的高程、相似的坡度、近乎一致的光照几何条件,煤矿开采前地表覆盖类型相近,符合以往研究中确立生态校验区的原则[19].缓冲区、校验区的设置更利于对比分析除气候驱动等因素外开采扰动对矿区造成的影响.

图 1 潞安矿区地理位置 Figure 1 Location of Lu′an mining area
1.2 数据来源

所采用的遥感数据为1982—2013年半月合成的GIMMS AVHRR NDVI3g指数数据集,该NDVI数据最初是由美国航天局(NASA)全球监测与模型研究组发布的最大合成数据(ftp://ftp.glcf.uniacs.umd.edu/glcf/GIMMS).经过辐射校正和几何粗校正的AVHRR/VIIRS数据,再进一步对图像进行几何精校正、除坏线、除云等处理,公式为NDVI=1 000×(b2-b1)/(b2+b1),计算完成后再对结果影像两两比较,获得NDVI半月合成的最大值作为最终结果.合成时段均为15 d,空间分辨率为8 km,32 a的GIMMS AVHRR NDVI3g数据涵盖了768期半月合成影像.气象数据是基于1982—2013年山西省内18个气象站点逐月的平均温度和降水量.

1.3 数据预处理

a) 平均值和累加处理.平均值处理是将某时间间隔内的NDVI数据取平均值(AVG,average),以消除或减弱气候异常对监测植被的生长状态影响,对于自然条件一般、全年都有植被覆盖的半干旱半湿润地区,可取全年NDVI的平均值[2].该研究区适用于平均值算法,计算公式:

$\text{AVG} = \frac{\sum\limits_{i=1}^{n} d_i}{m\times n}\\ \text{SUM} = \sum\limits_{i=1}^{n} d_i\\ d_i = \sum\limits_{i=1}^{m} c_i$ (1)

式中:ci为第i个像元的NDVI值;m为累加次数,分别为2(月均值)、6(季均值)、24(年均值);di为第i个像元累加值;n为像元个数.运用累加处理求得32 a研究区的年度NDVI积累量,作为后续分析的定量化指标.

b) 回归分析. Stow等[20]采用一元线性回归来计算植被的绿度变化率,该斜率反映每个像元的NDVI变化趋势.计算公式:

$\text{SLP} = \frac{\sum\limits_{i=1}^{n}(x_i - \bar{x})(y_i - \bar{y})}{\sum\limits_{i=1}^{n}(x_i - \bar{x})^2}\\ \bar{x} = \frac{1}{n}\sum\limits_{i=1}^{n} x_i\\ \bar{y} = \frac{1}{n}\sum\limits_{i=1}^{n} y_i$ (2)

式中,xi为年份变化,yi为NDVI变化.若SLP(slope,斜率)>0,表明在监测时间段植被指数呈增长趋势;若SLP(slope,斜率)<0,则植被指数呈减少趋势[21].

c) 变化率. NDVI变化率的计算公式:

$R_{\rm{NDVI}} = \text{SLP/AVG} \times 32 \times 100\%$ (3)

式中,SLP为对32 a(1981—2013年)的年均与年份之间求直线回归所得回归直线的斜率,AVG为32 a的NDVI平均值.该变化率在数值上相当于研究期间年均NDVI的末期值与初期值之差除以初期值[22].

d) 气候数据处理.在ArcGIS里运用反距离加权法,对山西省气象站点年均降水量和气温空间插值为与GIMMS数据相同的空间分辨率,获得32 a年均降水量和气温数据.

e) 生长期阈值确定方法.把月度NDVI曲线突然升高时当作植被的重要光合活动开始的标志,方便确定返青期、枯黄期和生长期[23-24].由于该研究采用的遥感数据时间分辨率为15 d,在时间序列曲线上阈值大小及其生长季长度的确定存在一定的误差,为了提高估测的精度,利用Matlab对NDVI月均值以3 d为单位进行插值,估测结果较为准确,时间误差缩短在±3 d内.根据晋东南地区物候,将0.2作为直接影响区、10 km缓冲区、20 km缓冲区、校验区生长季开始及结束的阈值.

2 结果与讨论 2.1 相关性分析 2.1.1 时空效应分析 2.1.1.1 年内NDVI变化趋势

将4个研究区域32 a的NDVI月均值制图(见图 2中浅灰线束).由图 2可以看出,4个区域一年内均出现“主-副双峰”变化规律,印证了当地一年两熟制的农情. 5月(副峰)和8月(主峰)出现两次峰值,5月下旬(小麦收割)和9月(玉米收割)NDVI开始下降,符合当地冬小麦和夏玉米的生长周期.自然生态校验区仍为农区,NDVI月均值波动小于矿区NDVI趋势,2月NDVI月均值处于最低值约0.1,5月(0.5) 和8月(0.6) 达到峰值,9—10月植被开始大幅下降,直至翌年2月到达最低谷,该变化规律与山西省植被月际变化趋势[25]相一致.无人工干预自然生态环境下的植被活动比开采扰动下的矿区植被生长稳定.近几年4个区域NDVI月均值在7—9月出现大幅增加,该现象可能与当地人为种植有密切联系.矿区与10 km缓冲区NDVI月均值变化极为接近,表明在开采扰动下矿区周边环境受到了一定影响.矿区返青期(start of season,SOS)的启动滞后于校验区,10—12月矿区植被枯黄期(end of season,EOS)超前于校验区,7—9月矿区NDVI均值高于校验区,人类干预矿区植被有一定的效果.矿区、校验区、10 km缓冲区三者植被指数非常接近,更加验证了选址的合理性和准确性.

图 2 研究区时间序列NDVI月均值变化趋势 Figure 2 The trend curve of monthly NDVI in the study area

对上述4个区域32 a NDVI月均值进行曲线拟合(见图 2中黑线)发现,NDVI月均值植被指数动态变化符合高斯分布:

$y = y_0 + \frac{A}{w \cdot \sqrt{w/2}} \text{e}^{-\frac{2(x-x_0)^2}{w^2}}$ (4)

式中:y0为基线偏移;A为曲线下侧的积分面积;x0为中央峰值;w=2σ,近似于峰值半高宽的0.849,并且拟合度R2较高,分别为0.967 9(矿区)、0.953 1(对比区,也称校验区)、0.971 2(10 km缓冲区)、0.962 5(20 km缓冲区).

2.1.1.2 植被生长期变化趋势

a) 返青期、枯黄期.将研究区32 a NDVI月均值进行插值,获得渲染图(见图 3).由图 3可见,相对于NDVI=0.2的生长季,矿区1982—2013年的植被返青期滞后3 d, 枯黄期提前30 d;自然生态校验区1982—2013年的植被返青期提前3 d,枯黄期推迟3 d;10 km缓冲区1982—2013年的植被返青期滞后3 d,枯黄期提前15 d;20 km缓冲区1982—2013年的植被返青期提前2 d,枯黄期提前10 d.

图 3 研究区时间序列植被生长期变化趋势 Figure 3 The interpolation figure of time series monthly NDVI in the study area

b) 生长期及变化.根据图 3插值结果,设定生长期阈值,求解方程,可得矿区植被返青期有滞后趋势、枯黄期有提前趋势,因而生长期有缩短趋势,该结论与已有研究结果一致[26-27];潞安矿区平均生长期为191 d,生长期缩短33 d,其中1989—1991年平均生长期长达226.5 d.

2.1.1.3 年际NDVI变化趋势

通过均值处理得到NDVI的年际变化图像, 研究区NDVI平均值动态变化趋势见图 4. 32 a直接影响区、校验区与缓冲区年际对比显示:

图 4 研究区时间序列NDVI年均值动态变化趋势 Figure 4 The trend curve of annual NDVI in study area

a) 矿区与缓冲区、校验区NDVI平均值在P<0.01水平上显著相关,相关系数依次为0.939 7、0.741 5、0.679 4.这说明潞安矿区植被指数与周围地区变化趋势具有一致性,随着空间距离的增加,采矿活动对周围地区的植被影响逐渐减弱,在缓冲区超出一定范围时所受开采影响微弱,与校验区的相关系数最小,说明在相同的生态环境下, 煤炭开采对矿区植被造成了一定的影响.

b) 在32 a的长时间序列中,潞安矿区、缓冲区(10 km、20 km)、校验区的NDVI年均值分别为0.293 6、0.296 4、0.325 0、0.291 8,4个区域的基础生物量相近. 1982—1995年矿区NDVI年均值高于校验区,1995年后,校验区NDVI年均值开始反超矿区,随着开采年限的增长,矿区植被指数受到开采扰动的持续影响,NDVI年均值低于校验区的趋势趋于明显.

c) 对年际NDVI结果进行线性回归分析表明,回归斜率分别为0.000 1(矿区)、0.000 2(10 km缓冲区)、0.000 9(20 km缓冲区)和0.000 9(校验区).根据年变化率公式,可得四区年变化率分别为1.09%、2.16%、8.86%、9.87%.可见,矿区植被指数上升最为缓慢,可以认为矿区内植被生长受开采扰动的影响显著,缓冲区NDVI年增长率随着距离加大而增加,校验区内NDVI上升速率最高,与文献[18]具有可比性.如果粗略地以校验区NDVI上升速率为自然增长率,亏欠的部分可以认为是采矿活动的影响,则采矿活动对矿区、10 km缓冲区和20 km缓冲区NDVI年增长率的贡献分别为-8.87%、-7.71%和-1.01%.

2.1.2 直接影响区(矿区)和校验区NDVI总量对比

根据1982—2013年的GIMMS AVHRR NDVI3g数据,将每年半月合成的24期数据累加,计算出四区的年NDVI总量.如图 5所示,矿区和校验区32 a来平均年NDVI总量极为接近,分别为27.83、27.66,32 a间缓冲区和校验区年NDVI总量持续增长,而1995年后矿区年NDVI总量由增长转为下降,占地面积相同的校验区年NDVI总量开始超过开采区,矿区下降率为0.180/(10 a);非开采区NDVI总量增长率分别为1.805/(10 a)(10 km缓冲区)、7.195/(10 a)(20 km缓冲区)、1.245/(10 a)(校验区),非开采区植被活动在增强,矿区植被活动受长时间序列开采扰动影响在减弱.

图 5 矿区与校验区时间序列年NDVI总量动态趋势对比 Figure 5 The trend contrast of total NDVI in mine area and checked area
2.1.3 气候效应分析 2.1.3.1 降水量变化特征

研究区32 a年均降水量趋势如图 6所示.由图 6可见,潞安矿区32 a年均降水量无明显周期性,年度最低降水量为319.5 mm(1997年),最高降水量为635.2 mm(2003年),32 a年均降水量为481.3 mm,降水量整体呈微弱降低趋势,下降速率为8.35 mm/(10 a),但近几年降水量有回升趋势[25].

图 6 矿区、校验区植被指数与气候因子(降水量、温度)的相关性 Figure 6 The correlation curve of NDVI and climatic factor(precipitation, temperature)in mining area and checked area
2.1.3.2 气温变化特征

研究区32 a年均最低温度7.9 ℃(1984年),最高温度有两个高值〔10.6 ℃(1998年)和10.64 ℃(1999年)〕,32 a年均温度9.39 ℃,矿区年均温度呈明显的增温趋势,上升速率为0.55 ℃/(10 a),高于山西省的升温速率〔0.31 ℃/(10 a)〕[28],更高于全国近50 a(1951—2004年)的平均增温速率〔0.25 ℃/(10 a)〕[29],远高于同期全球气温变化速率〔0.12 ℃/(10 a)〕[30],说明该研究区对全球温度变化敏感,是全球变暖的正响应区域.

2.1.3.3 矿区、校验区与气候因子相关分析

降水与矿区、校验区NDVI平均值相关系数为0.244 4、0.113 9,温度与两区NDVI平均值相关系数为-0.067(矿区)、0.263 6(校验区),均呈不显著的弱相关,通过平均降水量、平均温度对NDVI做超前-滞后滑动增量分析,表明温度对研究区NDVI有2 a的滞后效应,当温度向后滑动2 a时相关系数达到最大,为-0.127 8(矿区)、0.396 1(校验区),而降水量对植被指数滞后性不明显.自然生态下校验区NDVI平均值受温度升高、降水量减少作用生长季呈延长趋势,而开采扰动区NDVI平均值生长季呈缩短趋势,这与以往研究较为一致[31],矿区NDVI平均值变化除受气候变化干扰外,也是开采活动共同作用的结果.

2.2 讨论

采用平均值和累加模型通过IDL编程可较好地表达植被变化的时序特征,与吴立新等[9]提出的矿区植被最大值、均值、累加值方法有一定参照性.很多学者运用不同数据对植被进行监测分析,如马超等[12]运用MODIS/NPP数据验证GIMMS AVHRR NDVI,结果具有一致性.该研究基于GIMMS AVHRR NDVI探索矿区植被趋势变化,与采用TM NDVI[1]、SPOT VEGETATION NDVI[2, 9, 11-13, 32]、NPP[15, 21]数据的研究结果基本一致.

在研究区NDVI空间范围内,矿区与10 km缓冲区相关性(0.939 7) 最高,与20 km缓冲区相关性(0.741 5) 较差,该结果与康萨如拉研究采矿区周边10 km敏感区为最佳范围的结论一致[18].采矿活动对矿区、10 km缓冲区和20 km缓冲区NDVI增长率的贡献分别为-8.87%、-7.71%和-1.01%,说明采矿扰动对矿区造成的影响是显而易见的,该结论与马超等[17]研究神东矿区NDVI的动态趋势较为一致.研究区气候相关性分析表明,自然生境下校验区植被指数响应气候变化(温度、降水量)的体现为NDVI年均值显著增加,植被生长季延长,符合全球植被响应气候变化规律[33];而矿区在温度升高、降水量减少驱动下NDVI平均值增速缓慢,植被生长季缩短达33 d,矿区植被生长种种表现说明人为开采对其影响远远高于气候变化,有些学者也验证了该结论的可靠性[17, 34].

在研究区NDVI时序范围内,潞安煤炭经历了建矿初期(1982—1994年),已开发煤矿有石圪节矿(1930年)、王庄矿(1966年)、五阳矿(1963年)、漳村矿(1974年),期间矿区植被仍处于稳定上升状态;高产高效时期(1994—2000年),1994年王庄煤矿由年产90×104 t升至200×104 t,1995年新投产两个矿区常村矿(年产460×104 t)和郭庄矿,矿区年度、季度平均NDVI及NDVI总量均在1995年出现下降趋势,增长速率达0.044 3/a,并且校验区NDVI总量也在1995年开始反超矿区,在煤炭开发强度过大的情况下,矿区植被受到了一定影响;跨越式发展时期(2001—2013年),2000年潞安集团实行“三步走”战略,植被活动较高强度开采期活跃,但增长速率(0.113 6/a)仍低于校验区(0.231 7/a),短期内促使矿区植被指数提高,不足以代表矿区地表生态过程的正常演化,且并不能扭转长期以来矿区植被指数下滑的趋势.在开采和自然的共同作用下,如何有效地量化开采活动在植被变化中的作用是一个亟待解决的问题,以及开采活动在多大程度上影响了局地的植被-气候反馈,也是值得关注的问题.

3 结论

a) 32 a潞安矿区植被指数月度变化分析表明,研究区NDVI出现主-副双峰趋势,5月副峰值主要反映区域农作物冬小麦生长,8月主峰值体现区域大秋作物旺盛生长期对NDVI的贡献.由于气候影响因子及人为作用下,使得矿区植被返青期滞后,枯黄期提前,生长季呈缩短趋势. NDVI年度变化分析表明,四区年增长率分别为1.09%(矿区)<2.16%(10 km缓冲区)<8.86%(20 km缓冲区)<9.87%(校验区),生态校验区增长速度最快,矿区最慢,矿业开发对矿区植被生态有直接影响.

b) NDVI累加法估算四区32 a年均NDVI总量分别为27.83、27.66、98.4、184.88,1995年后,校验区NDVI总量开始超过开采区,矿区植被指数累积量有所下降,植被活动减弱,校验区在自然生长环境下NDVI总量虽有波动,但增加趋势明显.

c) 我国北方受温度增加、降水量降低共同作用,NDVI有增加趋势,校验区NDVI增加趋势明显,但局地矿业活动的作用更为强烈,采矿扰动区NDVI增加趋势低于校验区,开采活动对NDVI趋势的影响大于气候变化.

参考文献
[1]
胡振琪, 陈涛. 基于ERDAS的矿区植被覆盖度遥感信息提取研究:以陕西省榆林市神府煤矿区为例[J]. 西北林学院学报, 2008, 23(2): 164-168.
HU Zhenqi, CHEN Tao. ERDAS aided exbraction of vegetation fraction from remote sensing information in coalmine area based:a case study of shenfu coalmine[J]. Journal of Northwest Forestry University, 2008, 23(2): 164-168. (0)
[2]
马保东, 陈绍杰, 吴立新, 等. 基于SPOT-VGT NDVI的矿区植被遥感监测方法[J]. 地理与地理信息科学, 2009, 25(1): 84-87.
MA Baodong, CHEN Shaojie, WU Lixin, et al. Vegetation monitoring method in mining area based on SPOT-VGT NDVI[J]. Geography and Geo-Information Science, 2009, 25(3): 84-87. (0)
[3]
顾娟, 李新, 黄春林. NDVI时间序列数据集重建方法述评[J]. 遥感技术与应用, 2006, 21(4): 391-395.
GU Juan, LI Xin, HUANG Chunlin. Research on the reconstructing of time-series NDVI data[J]. Remote Sensing Technology and Application, 2006, 21(4): 391-395. DOI:10.11873/j.issn.1004-0323.2006.4.391 (0)
[4]
JEONG S J, HO C H, GIM H J, et al. Phenology shifts at start vs.end of growing season in temperate vegetation over the Northern Hemisphere for the period 1982-2008[J]. Global Change Biology, 2011, 17(7): 2385-2399. DOI:10.1111/j.1365-2486.2011.02397.x (0)
[5]
EASTMAN J R, SANGERMANO F, MACHADO E A, et al. Global trends in seasonality of normalized difference vegetation index (NDVI)1982-2011[J]. Remote Sensing, 2013, 5(10): 4799-4818. DOI:10.3390/rs5104799 (0)
[6]
TIAN Feng, WANG Yunjia, FENSHOLT R, et al. Mapping and evaluation of NDVI trends from synthetic time series obtained by blending landsat and MODIS data around a coalfield on the loess plateau[J]. Remote Sensing, 2013, 5(9): 4255-4279. DOI:10.3390/rs5094255 (0)
[7]
MA Chao, TIAN Shujing, XIE Shaoshao, et al.A comparative study of NDVI change in Shendong coalfield based on GIMMS dataset[C]//ZOU Youfeng.Environmental protection and sustainable ecological development, EPSED 2014.Wuhan:CRC Balkema Press, 2015:135-139. (0)
[8]
PROSPER L B, GUAN Qingfeng, CHENG Dandan. Exploring land use and land cover change in the mining areas of Wa East District, Ghana using Satellite Imagery[J]. Meteorology & Atmospheric Sciences, 2015, 1: 618-626. (0)
[9]
吴立新, 马保东, 刘善军. 基于SPOT卫星NDVI数据的神东矿区植被覆盖动态变化分析[J]. 煤炭学报, 2009, 34(9): 1217-1222.
WU Lixin, MA Baodong, LIU Shanjun. Analysis to vegetation coverage change in Shendong Mining Area with spot NDVI data[J]. Journal of China Coal Society, 2009, 34(9): 1217-1222. (0)
[10]
王广军, 胡振琪, 杜海清, 等. 采矿扰动下草地荒漠化的遥感分析:以霍林河露天煤矿区为例[J]. 遥感学报, 2006, 10(6): 917-925.
WANG Guangjun, HU Zhenqi, DU Haiqing, et al. Analysis of grassland desertification due to coal mining based on remote sensing:an example from Huolinhe open-cast coal mine[J]. Journal of Remote Sensing, 2006, 10(6): 917-925. DOI:10.11834/jrs.200606134 (0)
[11]
张晓克, 胡海峰, 康立勋, 等. 基于SPOT卫星影像的矿区植被指数研究[J]. 山西农业科学, 2010, 38(3): 48-51.
ZHANG Xiaoke, HU Haifeng, KANG Lixun, et al. Study on NDVI in mining areas based on spot satellite images[J]. Journal of Shanxi Agricultural Sciences, 2010, 38(3): 48-51. (0)
[12]
马超, 张晓克, 郭增长, 等. 半干旱山区采矿扰动植被指数时空变化规律[J]. 环境科学研究, 2013, 26(7): 751-759.
MA Chao, ZHANG Xiaoke, GUO Zengzhang, et al. Spatial-temporal variation of vegetation index caused by mining subsidence in semi-arid mountain regions[J]. Research of Environmental Sciences, 2013, 26(7): 751-759. (0)
[13]
徐占军, 侯湖平, 张绍良, 等. 采矿活动和气候变化对煤矿区生态环境损失的影响[J]. 农业工程学报, 2012, 28(5): 232-240.
XU Zhanjun, HOU Huping, ZHANG Shaoliang, et al. Effects of mining activity and climatic change on ecological losses in coal mining areas[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2012, 28(5): 232-240. (0)
[14]
雷少刚, 卞正富. 西部干旱区煤炭开采环境影响研究[J]. 生态学报, 2014, 34(11): 2837-2843.
LEI Shaogang, BIAN Zhengfu. Research progress on the environment impacts from underground coal mining in arid western area of China[J]. Acta Ecologica Sinica, 2014, 34(11): 2837-2843. (0)
[15]
曹代勇, 张杰林, 关英斌, 等. 潞安矿区构造格局及构造演化[J]. 煤炭学报, 1995, 20(2): 174-178.
CAO Daiyong, ZHANG Jielin, GUAN Yingbin, et al. Tectonic framework evolution in Luan Mine Area[J]. Journal of China Coal Society, 1995, 20(2): 174-178. (0)
[16]
王行风, 汪云甲, 杜培军. 潞安矿区景观尺度的土地质量定量评价初探[J]. 水土保持学报, 2007, 21(1): 197-200.
WANG Xingfeng, WANG Yunjia, DU Peijun. Preliminary study on landscape-scale land quality quantitative assessment in Luan mining area[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2007, 21(1): 197-200. (0)
[17]
马超, 田淑静, 邹友峰, 等. 神东矿区AVHRR/NDVI的时空、开采强度和气候效应[J]. 中国环境科学, 2016, 36(9): 2749-2756.
MA Chao, TIAN Shujing, ZOU Youfeng, et al. Dynamic responses of the coalfield ecosystem to mining intensity, spatio-temporal variation, and climate change derived from AVHRR/NDVI in Shendong coalfield[J]. China Environmental Science, 2016, 36(9): 2749-2756. (0)
[18]
康萨如拉, 牛建明, 张庆, 等. 草原区矿产开发对景观格局和初级生产力的影响:以黑岱沟露天煤矿为例[J]. 生态学报, 2014, 34(11): 2855-2867.
KANG Sarula, NIU Jianming, ZHANG Qing, et al. Impacts of mining on landscape pattern and primary productivity in the grassland of Inner Mongolia:a case study of Heidaigou open pit coal mining[J]. Acta Ecologica Sinica, 2014, 34(11): 2855-2867. (0)
[19]
陈晓玲, 龚威, 李平湘, 等. 遥感数字影像处理导论[M]. 北京: 机械工业出版社, 2007, 215-219. (0)
[20]
STOW D A, HOPE A, MCGUIRE D, et al. Remote sensing of vegetation and land-cover change in Arctic Tundra Ecosystems[J]. Remote Sensing of Environment, 2004, 89(3): 281-308. DOI:10.1016/j.rse.2003.10.018 (0)
[21]
仝莉棉, 曾彪, 王鑫. 山西省不同生态区NDVI时空变化及其影响因素[J]. 水土保持研究, 2016, 23(3): 71-76.
TONG Limian, ZENG Biao, WANG Xin. Spatio temporal variation of NDVI and its influence factors in different ecological districts, Shanxi Province[J]. Research of Soil and Water Conservation, 2016, 23(3): 71-76. (0)
[22]
方精云, 朴世龙, 贺金生, 等. 近20年来中国植被活动在增强[J]. 中国科学:C辑, 2003, 33(6): 554-565.
FANG Jingyun, PIAO Shilong, HE Jinsheng, et al. Vegetation of China invigorated in last 20 years[J]. Science in China:Series C, 2003, 33(6): 554-565. (0)
[23]
TUCKER C J, SLAYBACK D A, PINZON J E, et al. Higher northern latitude normalized difference vegetation index and growing season trends from 1982 to 1999[J]. International Journal of Biometeorology, 2001, 45(4): 184-190. DOI:10.1007/s00484-001-0109-8 (0)
[24]
PIAO Shilong, FANG Jingyun, ZHOU Liming, et al. Variations in satellite-derived phenology in China's temperate vegetation[J]. Global Change Biology, 2006, 12(4): 672-685. DOI:10.1111/gcb.2006.12.issue-4 (0)
[25]
武永利, 李智才, 王云峰, 等. 山西典型生态区植被指数(NDVI)对气候变化的响应[J]. 生态学杂志, 2009, 28(5): 925-932.
WU Yongli, LI Zhicai, WANG Yunfeng, et al. Responses of vegetation index (NDVI) in typical ecological areas of Shanxi Province to climate change[J]. Chinese Journal of Ecology, 2009, 28(5): 925-932. (0)
[26]
王宏, 李晓兵, 李霞, 等. 基于NOAA NDVI和MSAVI研究中国北方植被生长季变化[J]. 生态学报, 2007, 27(2): 504-515.
WANG Hong, LI Xiaobing, LI Xia, et al. The variability of vegetation growing season in the northern China based on NOAA NDVI and MSAVI from 1982 to 1999[J]. Acta Ecologica Sinica, 2007, 27(2): 504-515. (0)
[27]
DURANTE P, OYONARTE C, VALLADARES F. Influence of land-use types and climatic variables on seasonal patterns of NDVI in Mediterranean Iberian ecosystems[J]. Applied Vegetation Science, 2009, 12(2): 177-185. DOI:10.1111/avsc.2009.12.issue-2 (0)
[28]
苗爱梅, 武捷, 贾利冬. 1958-2008年山西气温变化的特征及趋势研究[J]. 地球科学进展, 2010, 25(3): 264-272.
MIAO Aimei, WU Jie, JIA Lidong. The research of air temperature variation characteristics and trend during 1958-2008[J]. Advances in Earth Science, 2010, 25(3): 264-272. (0)
[29]
任国玉, 徐铭志, 初子莹, 等. 近54年中国地面气温变化[J]. 气候与环境研究, 2005, 10(4): 717-727.
REN Guoyu, XU Mingzhi, CHU Ziying, et al. Changes of surface air temperature in China during 1951-2004[J]. Climatic and Environmental Research, 2005, 10(4): 717-727. (0)
[30]
LIN Zhenshan, SUN Xian. Multi-scale analysis of global temperature changes and trend of a drop in temperature in the next 20 years[J]. Meteorol and Atmospheric Physics, 2007, 95: 115-121. DOI:10.1007/s00703-006-0199-2 (0)
[31]
仝莉棉, 曾彪, 王鑫. 2000-2012年山西省不同植被类型物候变化及其对气候变化的响应[J]. 水土保持研究, 2016, 23(2): 194-200.
TONG Limian, ZENG Biao, WANG Xin. Phenological variation of different vegetation types and its response to climate changes in Shanxi Province from 2000 to 2012[J]. Research of Soil and Water Conservation, 2016, 23(2): 194-200. (0)
[32]
宋怡, 马明国. 基于SPOT VEGETATION数据的中国西北植被覆盖变化分析[J]. 中国沙漠, 2007, 27(1): 89-93.
SONG Yi, MA Mingguo. Study on vegetation cover change in northwest China based on SPOT VEGETATION data[J]. Journal of Desert Research, 2007, 27(1): 89-93. (0)
[33]
LI A, DENG W, LIANG S L, et al. Investigation on the patterns of global vegetation change using a satellite-sensed vegetation index[J]. Remote Sensing, 2010, 2(6): 1530-1548. DOI:10.3390/rs2061530 (0)
[34]
徐占军, 候湖平, 张绍良, 等. 采矿活动和气候变化对煤矿区生态环境损失的影响[J]. 农业工程学报, 2012, 28(5): 232-240.
XU Zhanjun, HOU Huping, ZHANG Shaoliang, et al. Effects of mining activity and climatic change on ecological losses in coal mining areas[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2012, 28(5): 232-240. (0)