内蒙古草原矿区土地退化特征

白淑英，吴　奇，沈渭寿，李海东，朱倩文

(1.南京信息工程大学地理与遥感学院，江苏 南京　210044；2.环境保护部南京环境科学研究所，江苏 南京　210042)



内蒙古草原矿区土地退化特征

白淑英1，吴奇1，沈渭寿2，李海东2，朱倩文1

(1.南京信息工程大学地理与遥感学院，江苏 南京210044；2.环境保护部南京环境科学研究所，江苏 南京210042)

摘要：随着内蒙古地区矿产资源开发力度的加强，生态脆弱的草原地区出现的各种生态环境问题严重影响了当地经济发展和生态建设。选择内蒙古白云鄂博铁矿、准格尔煤矿、达茂旗萤石矿和苏莫查干萤石矿4个矿区作为典型研究区，利用遥感和GIS技术，选择土地毁损、植被破坏和土壤侵蚀等方面的指标，研究内蒙古矿区20多年来的土地退化特征。结果表明，矿区开发过程中道路建设对植被的破坏比较明显；被毁损的土地类型主要来源于草地；NDVI、植被覆盖度、生物量和生物丰度等指标在矿区500 m范围内的值远小于其他范围；土壤侵蚀呈由轻度向中度发展的趋势；所有指标都反映出距矿区越近土地退化越严重的特征。

关键词：内蒙古草原；矿区；土地退化；生态环境

内蒙古地区既是国家重要的生态安全保障区域,又是重要的矿产、能源供应基地,承担着保障全国“生态安全”与“能源安全”的双重角色[1]。内蒙古地区矿产资源丰富,生态环境脆弱敏感。随着社会经济的发展,土地退化和资源过度利用造成生态环境恶化问题日趋严峻。长期以来,面对脆弱生态环境的整治,虽然局部地区确有改善,但总体仍在恶化[2]。几百年前,内蒙古西部原本是良好的牧场,而今已成为荒漠戈壁滩。锡盟正兰旗境内元代上都和伊盟乌审旗境内赫连勃勃的流万城曾是历史上政治经济文化中心。当时湖泊密布,牧草繁盛,而今湖泊干涸,草场萎缩[3]。

近年来,伴随着大规模矿产资源开发的工业化进程,环境污染[4-7]、生态破坏[8-9]和地质灾害等一系列问题日趋尖锐[10-12],主要表现为矿区周边土地荒漠化面积不断扩大、水土流失日益严重[13]、土地生产力衰减和植被生物量下降等土地退化问题[14],还存在地表径流量减少、湖泊缩小、湖水咸化和地下水位下降等现象[15]。内蒙古草原作为内陆的生态安全屏障,其生态环境的破坏已对内陆地区的生态安全构成威胁。最近发生过多起严重的环境污染和生态破坏事件。内蒙古中部的锡林郭勒草原上的小煤窑屡禁不止,数量惊人;锡林浩特市由前几年的“黄色沙尘暴”现已演变为“黑色沙尘暴”[16];内蒙古最大的淡水湖——呼伦湖环境质量监测数据显示,由于大规模煤炭资源开发,水环境质量急剧下降等[17]。内蒙古呼伦贝尔草原遍布上千沉陷坑,无序采矿导致生态遭受严重破坏[18]。腾格里工业园区工业废水通过地下渗透已经影响到当地的地下饮用水,并对黄河水的水质安全造成严重威胁[19]。

针对矿区开发面临的生态环境威胁和风险,笔者研究了内蒙古矿区土地退化特征,为矿区生态环境管理提供依据,并对我国西部生态敏感区的矿产资源合理开发利用和生态环境保护与修复具有重要的实践指导意义。

1研究内容及研究区概况

以生态脆弱的内蒙古西部大型露天开采矿区为研究区,包括白云鄂博铁矿、准格尔煤矿、达尔罕茂明安联合旗(以下简称达茂旗)萤石矿和苏莫查干萤石矿4个典型矿区。选取开采区、排土场、尾矿库、工矿建设用地和道路压占等为土地毁损指标;选取土地利用类型占用面积、植被覆盖度、生物丰度和生物量等为植被破坏指标;选取风力侵蚀和水力侵蚀等为土壤侵蚀指标。调查并分析内蒙古草原地区典型矿区不同距离范围内的土地退化特征。

内蒙古白云鄂博铁矿区位于内蒙古包头市以北约150 km处的达茂旗大草原,是一座大型铁、稀土和铌等多种金属共生矿床。该区域年平均降水量为248.5 mm,年均蒸发量为2 600 mm。内蒙古达茂旗矿区位于内蒙古西部,阴山北麓。该区域年平均降水量为220 mm,年均蒸发量为2 200～2 800 mm,降水量少,蒸发量大,土壤缺水,空气干燥,植物生理性缺水严重。内蒙古苏莫查干萤石矿位于内蒙古自治区四子王旗,距旗政府所在地乌兰花镇约210 km,是超大型萤石矿床,也是我国北方萤石的主要产地。该区域年最大降水量为180.4 mm,年蒸发量为2 483.10 mm,植被极其稀少。内蒙古准格尔高岭土矿区属于黄土高原和库布齐沙漠的交界地带。该矿区所在地沙圪堵镇属于温带大陆性气候区,年平均降水量为401.6 mm,年平均蒸发量为2 029 mm。前3个矿区植被类型属荒漠草原,准格尔矿区植被类型以杂类草草甸草原、灌木林和农田为主。各矿区及缓冲区面积见表1。

表1各矿区及缓冲区面积统计

Table 1Statistics in area of the mining areas and their buffers

矿区名称矿区面积/km2不同距离缓冲区面积/km2500m1000m2000m5000m8000m合计白云鄂博矿区97.0132.9732.8864.77215.29266.74918.21准格尔矿区41.8021.6321.9144.61164.29218.97690.35达茂旗矿区4.5810.5115.0543.80239.04346.77951.09苏莫查干矿区3.516.037.4318.8093.27149.65409.84

2研究方法

2.1数据源及数据处理

数字高程数据(DEM)是由CGIAR ICT-CT发布的30 m空间分辨率ASTER的DEM。遥感数据包括30 m空间分辨率、7—8月植被生长旺盛季节无云的1990年Landsat TM和2014年Landsat OLI数据,以及高空间分辨率的2012—2015年 Quickbird数据。参考2011—2012年全国土地利用变更调查数据以及中国十年生态环境变化评估得到的2010年土地覆被类型数据,并对照2010年Landsat ETM+数据的4、3、2波段合成遥感影像进行目视解译获得土地利用类型数据。

对遥感数据进行辐射校正、几何校正和投影变换等,将所有数据统一到同一坐标系统(WGS-84)并投影(Albers);利用ArcGIS工具,根据DEM提取坡度信息并进行分级。

2.2研究范围确定

调查范围分为矿区生产区和矿区影响区,其中矿区生产区包括矿产生产用地和辅助生产用地范围。矿区范围通过遥感影像目视解译开采区、排土场、尾矿库和工矿建设用地等,然后对以上用地做外接多边形加以确定。矿区影响区包括周边“三废”污染、植被破坏、水资源破坏和地质灾害等受影响区域,通过矿区道路网、废弃物堆放区和取土区等所影响的范围来确定。根据所研究矿区及影响区实际调查情况初步对距生产区500、1 000、2 000和5 000 m 4个缓冲区进行分析。其中,500 m范围主要是各种废弃物堆放、压占及取土行为剧烈区域。1 000 m范围为矿区各种道路密集区。2 000和5 000 m范围有部分道路通往矿区,并以8 000 m缓冲区作为对比分析区,该范围受矿区影响较小,可以作为未受矿区影响的生态变化本底区域。

2.3研究方法

2.3.1土地毁损类型调查

土地毁损类型数据是用野外实地调查与遥感影像目视解译相结合方法获取。首先,利用手持GPS确定矿区开采区、排土场、尾矿库和工矿建设用地等的位置;然后将GPS测量点与Quickbird遥感影像进行匹配,提取各类土地毁损类型面积和道路压占数据;基于GIS和遥感影像处理软件,结合实地野外调查建立矿区土地利用类型解译标志,提取耕地、林地、草地、工矿建设用地、水域和未利用土地6类土地利用类型数据。

2.3.2植被破坏调查

利用1990年Landsat TM和2014年Landsat OLI数据计算归一化差分植被指数(NDVI,INDV),再根据INDV值计算植被覆盖度(R),计算公式[20]为

R=(INDV,v-INDV,s)/(INDV,max-INDV,s)。

(1)

式(1)中,INDV,max为植被最大INDV值;INDV,s为土壤INDV值;INDV,v为实际INDV值。一般通过计算研究区INDV的最大值和最小值近似作为INDV,max和INDV,s。

因为调查研究区均属于草原地区,因此采用目前公认适用于草原的生物量计算模型,生物量(Q)计算公式为

Q=49.5×exp(3.69/INDV),R2=0.91。

(2)

根据HJ/T 192—2006《生态环境状况评价技术规范(试行)》提供的生物丰度指数(Ibio)计算方法,利用遥感解译的2000和2010年土地利用类型数据计算Ibio。

Ibio=Abio×(0.35×S林+0.21×S草+0.28×S水+0.11×S耕+0.04×S工+0.01×S未)/S区,其中,Abio为Ibio的归一化系数；S林、S草、S水、S耕、S工、S未和S区分别为林地、草地、水域湿地、耕地、工矿建设用地、未利用地和整个区域的面积，km2。Abio=100/Amax,其中,Amax为某指数归一化处理前的最大值。

2.3.3土壤侵蚀调查

利用1990和2014年2期植被覆盖度数据,结合坡度和生态系统类型等数据,评价风力侵蚀和水力侵蚀情况。以植被覆盖度为主要判断依据,将风力侵蚀程度分为微度、轻度、中度、强度、极强度和剧烈6级。根据林地、草地覆盖度以及坡度确定水力侵蚀程度。依据水利部颁发的SL 190—2007《土壤侵蚀分类分级标准》,以土壤侵蚀强度面蚀分类为依据,将风力侵蚀程度分为轻度、中度、强烈和极强烈4级。

3研究结果

3.1土地毁损分析

矿区土地毁损类型主要包括开采区、排土场、尾矿库、工矿建设用地和道路压占等。各矿区不同毁损类型土地面积比例见表2。在4个典型矿区中，白云鄂博矿区面积最大,其尾矿库和工矿建设用地面积所占比例也最大。苏莫查干矿区面积最小。准格尔矿区排土场面积所占比例最大。达茂旗矿区开采区面积所占比例最大。4个典型矿区土地毁损类型分布见图1～4。

表2各矿区不同毁损类型土地面积比例

Table 2Percentages of different types of land damage in area in the mining areas

矿区名称面积/km2不同毁损类型土地面积比例/%开采区排土场尾矿库工矿建设用地白云鄂博矿区52.5913.1739.5920.1127.13准格尔矿区32.018.3070.300.9120.48达茂旗矿区1.8219.6457.5811.9610.81苏莫查干矿区1.5812.5549.7017.1020.66

矿区道路压占统计结果显示,矿区500～8 000 m范围内道路呈现急剧减少趋势。草原地区道路随意性较强,矿区周围更是道路纵横,对土地破坏比较严重。其中,白云鄂博矿区8 000 m范围内道路最长,达1 028.01 km,其次为准格尔矿区,为651.63 km。不同缓冲区内道路压占密度结果(表3)显示,准格尔矿区和苏莫查干矿区500 m范围内为道路密集区,白云鄂博矿区和达茂旗矿区1 000～2 000 m范围为道路密集区。500～8 000 m范围白云鄂博矿区道路密度呈现先增加后减少趋势,准格尔矿区道路密度呈现先减少再增加再减少趋势,这是因为这2个矿区受其他矿区和城市道路分布的影响,使道路分布相对发散。而苏莫查干矿区道路密度呈随距离增加而减少的规律,这是因为该矿区相对独立于其他城市以外,缓冲区内道路主要是因矿产开采和运输的需要而向矿区中心集聚。由于达茂旗矿区是由2个小矿区组成的,因此位于2个矿区中间的部分1 000～2 000 m范围内道路比较密集。

2000—2010年白云鄂博矿区工矿区建设占用土地利用类型主要来源于草地,占91.41%;其次是湿地,主要是尾矿库占用湖塘;再次是极少量的耕地和林地被矿区占用,占地主要用作排土场和尾矿库,分别占42.48%和26.17%。准格尔矿区占用土地利用类型主要是草地,占75.34%,其次是林地,占15.21%;还有少部分林地和湿地被占用,占地主要用作排土场和开采区,分别占59.82%和23.01%。达茂旗矿区占地全部来源于草地,其中,44.54%为开采区新增,34.40%为尾矿库新增。苏莫查干矿区占地91.45%来源于草地,矿区占地主要用作工矿建设用地和尾矿库,分别占53.37%和31.72%。

表3各个矿区道路压占密度

Table 3Density of road pressure in the mining areas

矿区名称不同缓冲区范围道路压占密度/(km·km-2)500m1000m2000m5000m8000m平均白云鄂博矿区3.593.745.400.380.021.45达茂旗矿区0.350.734.790.841.191.27苏莫查干矿区9.171.800.770.370.120.50准格尔矿区7.360.180.380.090.070.35

图1　白云鄂博矿区土地毁损类型分布

图2　准格尔矿区土地毁损类型分布

图3　苏莫查干矿区土地毁损类型分布

3.21990—2014年植被变化分析

3.2.1NDVI变化

NDVI计算结果显示,除苏莫查干矿区以外的矿区2014年NDVI值都大于1990年,说明2014年植被生长状况好于1990年,整体生态环境背景呈好转趋势。而苏莫查干矿区位于内蒙古最北边荒漠区,降水极少,因此其植被生长较差。1990年各矿区缓冲区范围内NDVI值基本没有差异,而2014年各矿区500～8 000 m范围NDVI值均呈随距离增加而增加的趋势。这说明距矿区越近,植被生长状况越差,尤其是500 m范围内植被生长状况较其他范围都差,差距最大的准格尔矿区2014年500 m范围内的NDVI均值比1 000 m范围内值小0.21,差距最小的苏莫查干矿区也要小0.019。2014年各矿区500 m以外各缓冲区范围NDVI值差异很小。

图4　达茂旗矿区土地毁损类型分布

3.2.2植被覆盖度变化

植被覆盖度结果表明,1990—2014年除苏莫查干矿区以外的矿区植被覆盖度都呈增加趋势。从500～1 000 m范围植被覆盖度变化情况来看,1990年差别基本不大,而2014年植被覆盖度均随着距矿区距离的减小而减小。2014年各矿区500 m范围内植被覆盖度远比其他范围内小。

3.2.3生物量变化

生物量计算结果表明,白云鄂博矿区1990和2014年平均生物量分别为122.23和85.14 g·m-2;准格尔矿区最大,分别为556.53和179.77 g·m-2;达茂旗矿区分别为96.07和83.30 g·m-2。苏莫查干矿区最小,分别为91.90和80.87 g·m-2。1990—2014年500～8 000 m范围各矿区2个时期的生物量都呈从里向外增加趋势,即距矿区越近,生物量越小。各矿区500 m范围内生物量都比其他范围小,说明这个范围内植被生物量受矿区开发影响较大,而其他范围内的变化并不明显。

3.2.4生物丰度变化

在矿区8 000 m范围内白云鄂博矿区、准格尔矿区和达茂旗矿区2010年生物丰度值比2000年小。生物丰度也呈距矿区越近而越低的特点,尤其是500 m范围内生物丰度远小于其他范围。其中,2010年白云鄂博矿区500 m范围内生物丰度比>500～1 000 m范围小29.76,准格尔矿区小14.14,达茂旗矿区小15.08。其他范围相差不大,基本保持在-2.40～2.05之间。

3.3土壤侵蚀调查结果分析

3.3.1风力侵蚀

各矿区8 000 m范围内,白云鄂博矿区1990年风力侵蚀强度以中度和强度侵蚀为主,分别占风力侵蚀总面积的52.86%和41.38%,其后依次为极强度和轻度侵蚀,分别占2.46%和2.37%;2014年该矿区主要为轻度侵蚀,占67.57%,其次为中度侵蚀,占26.31%(图5)。达茂旗矿区1990年以强度和中度侵蚀为主,分别占风力侵蚀总面积的50.08%和45.45%,其次为极强度侵蚀,占2.80%;2014年该矿区中度侵蚀占76.09%,其次为轻度侵蚀,占21.57%(图6)。准格尔矿区1990年以轻度、中度侵蚀为主,分别占风力侵蚀总面积的53.41%和24.05%,其次为微度侵蚀,占13.92%;2014年该矿区以微度、轻度侵蚀为主,分别占69.04%和20.61%,其次为中度侵蚀,占6.33%(图7)。苏莫查干矿区1990年以中度和轻度侵蚀为主,分别占风力侵蚀总面积的73.18%和23.18%,其次为强度侵蚀,占3.34%;2014年该矿区中度侵蚀占89.97%,其次为强度侵蚀,占7.74%(图8)。

图5　白云鄂博矿区风力侵蚀分布

图6　达茂旗矿区风力侵蚀分布

图7　准格尔矿区风力侵蚀分布

风力侵蚀变化统计结果显示,1990—2014年内蒙古白云鄂博矿区各范围内微度和轻度侵蚀呈增加趋势,中度和强度侵蚀减少趋势明显。500 m范围内微度、轻度、极强度和剧烈侵蚀增加,500～1 000 m范围内微度、轻度和剧烈侵蚀增加。准格尔矿区微度侵蚀扩展明显,其他强度侵蚀呈减少趋势。达茂旗矿区轻度和中度侵蚀增加,强度侵蚀减少。苏莫查干矿区轻度侵蚀减少,中度、强度和剧烈侵蚀扩张,尤其是500 m范围内强度、极强度和剧烈侵蚀明显增加。1990—2014年各矿区500 m范围内风力侵蚀强度从轻微向严重转移明显,其他范围无明显变化规律,表明矿区附近生态环境破坏严重。

图8　苏莫查干矿区风力侵蚀分布

3.3.2水力侵蚀

白云鄂博矿区水力侵蚀以中度侵蚀为主,1990和2014年中度侵蚀面积分别占水力侵蚀总面积的92.49%和86.74%。1990年该矿区强烈侵蚀次之,占6.57%;2014年轻度侵蚀次之,占6.84%,再次为强烈侵蚀,占5.95%。2014年500 m范围内各个级别侵蚀面积占缓冲区总面积的比例较其他范围内所占比例都要高一些(图9)。

达茂旗矿区1990和2014年水力侵蚀以中度侵蚀为主,中度侵蚀面积分别占水力侵蚀总面积的95.14%和94.84%;其次为强烈侵蚀,分别占4.63%和4.47%。1990—2014年该矿区500 m范围内中度侵蚀增加明显,轻度和强烈侵蚀略减少。矿区500 m范围内轻度侵蚀向中度和强烈侵蚀转移(图10)。

图9　白云鄂博矿区水力侵蚀分布

图10　达茂旗矿区水力侵蚀分布

准格尔矿区水力侵蚀1990年以中度侵蚀为主,占水力侵蚀总面积的63.34%,其次为轻度和强烈侵蚀,分别占18.51%和15.91%。2014年该矿区以轻度和中度侵蚀为主,分别占55.51%和37.97%,强烈侵蚀仅占5.73%。1990—2014年该矿区水力侵蚀面积减少明显,轻度侵蚀增加迅速,中度和强烈侵蚀减少明显,极强烈侵蚀有所减少(图11)。

图11　准格尔矿区水力侵蚀分布

苏莫查干矿区1990和2014年中度侵蚀占水力侵蚀总面积的比例最大,分别为94.99%和95.80%;其次为强烈侵蚀,分别占3.96%和3.99%。1990—2014年轻度侵蚀减少明显,而中度和强烈侵蚀扩张明显,极强烈侵蚀变化不明显(图12)。

总体而言,1990—2014年各矿区水力侵蚀总面积略有下降,尤其是准格尔矿区下降47.51%。但矿区及其周边强烈和极强烈侵蚀面积明显增加,尤其是500 m范围内从轻度级别的侵蚀强度向重度级别的侵蚀强度转换明显。1990年矿区较低级别侵蚀面积较大,而2014年强烈侵蚀面积在扩大。从距矿区距离来看,矿区500 m范围内的侵蚀所占比例远比其他距离范围内的高。

4结论与讨论

内蒙古矿产资源丰富,近些年随着西部大开发战略的实施,矿产开发强度越来越大,给当地生态环境造成严重影响。通过分析近20多年来内蒙古草原地区4个典型矿区土地退化特征及主要原因得出以下结论:

(1)矿区对土地的毁损主要为开采区、排土场、尾矿库、工矿建设用地和交通道路占用,其中前4者的面积通过遥感影像较易于获取。

图12　苏莫查干矿区水力侵蚀分布

但对于道路引起的变化,统计比较困难,因为草原地区的道路随意性比较强,草原矿区周围更是道路纵横。明显的固定的道路较易于辨别,但随意变道部分难以统计。

(2)2000—2010年白云鄂博矿区、达茂矿区和苏莫查干矿区被毁损的土地类型主要是草地。准格尔矿区土地毁损以草地为主,还有小部分耕地和林地。

(3)4个矿区NDVI、植被覆盖度和生物量具有相似的变化规律。绝大部分矿区2014年NDVI、植被覆盖度和生物量都大于1990年,说明大的生态环境背景呈好转趋势,但矿区500 m范围内各个指标的增加值远低于其他范围内的增加值。生物丰度距矿区越近而越低的特点比其他指标略明显,尤其是500 m范围内的生物丰度远小于其他范围。

(4)矿区及周边土壤侵蚀面积未呈明显扩张趋势,但侵蚀强度呈明显加重趋势,尤其是500 m范围内的侵蚀从轻向重转换明显。

矿区生态环境恶化是我国面临的重要环境问题之一,弄清矿区生态环境特征对定量化研究矿区开采对周边生态环境的影响具有重要意义。该研究表明生态环境脆弱的内蒙古草原地区近些年生态环境整体上呈好转趋势,但矿区及周边土地退化现象严重。选择哪些评价指标更能有效地体现矿区开采对土地退化的影响以及对矿区周边影响范围的进一步精确确定仍然是今后需要深入研究的重点问题。同时,有必要选择连续时间序列的高空间分辨率遥感影像对矿区土地退化过程进行长时间监测。

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(责任编辑： 李祥敏)

Characteristics of Land Degradation in Mining Areas of Inner Mongolia Grassland.

BAIShu-ying1,WUQi1,SHENWei-shou2,LIHai-dong2,ZHUQian-wen1

(1.College of Geography and Remote Sensing, Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044, China;2.Nanjing Institute of Environmental Sciences, Ministry of Environmental Protection, Nanjing 210042, China)

Abstract:Along with the intensifying of exploitation of mineral resources in Inner Mongolia, a number of ecological environmental problems have appeared in the already ecologically fragile grassland areas hindering seriously development of the local economy and ecological construction. A study was carried out to explore characteristics of land degradation in mining areas of Inner Mongolia in the past 20 years. Four mining areas, Bayan Obo iron ore, Zhungeer coal mine, Damao Banner fluorite and Sumoqagan fluorite, were selected as typical cases for the study. With the aid of remote sensing and GIS, land damage, vegetation destruction and soil erosion in these areas were evaluated. Results show that road construction during the development of the mining areas caused obvious damage to vegetation; grassland was the major type of land subjected damage; the indices of NDVI, coverage, biomass and bio-abundance within the radius of 500 m of the mining areas were much lower in value than those in other areas; and soil erosion displayed a developing trend from light to moderate. All the indices demonstrates that the closer to the mining area, the more serious the land degradation.

Key words:grassland of Inner Mongolia;mining area;land degradation;ecological environment

作者简介：白淑英(1973—),女,内蒙古宁城人,副教授,博士,从事遥感与GIS在生态环境中的应用研究。E-mail: baishu-ying@163.com

DOI：10.11934/j.issn.1673-4831.2016.02.002

中图分类号：X141

文献标志码：A

文章编号：1673-4831(2016)02-0178-09

基金项目：国家科技基础性工作专项(2014FY110800)

收稿日期：2015-11-11