赣南6县稀土矿区分布及其植被恢复的遥感动态监测

2018-01-10熊恬苇齐述华江西师范大学鄱阳湖湿地与流域研究教育部重点实验室地理与环境学院江西南昌330022

中国水土保持 2018年1期

熊恬苇，江丰，齐述华(江西师范大学鄱阳湖湿地与流域研究教育部重点实验室/地理与环境学院，江西南昌 330022)

熊恬苇，江丰，齐述华
(江西师范大学鄱阳湖湿地与流域研究教育部重点实验室/地理与环境学院，江西南昌 330022)

稀土矿区；植被恢复；遥感监测；赣南

稀土资源的开采在促进地方经济发展的同时对矿区生态环境带来了不良影响，为此有必要开展稀土矿区的分布动态及矿区植被恢复的监测。以江西省赣州市安远、龙南、定南、全南、信丰和寻乌6县为研究区，利用Google Earth平台的高分辨率影像，目视解译稀土矿分布范围，然后以多时相Landsat遥感数据来计算归一化植被指数和植被覆盖度，通过回溯法确定1990—2015年稀土矿开采范围的变化及矿区植被恢复状况。结果表明：稀土矿区总面积为58.23 km2，其中定南和寻乌县的开采面积分别为18.23和16.27 km2，分别占开采总面积的31.31%和27.94%；稀土矿开采的工艺以堆浸法为主，对地表植被破坏大；稀土开采在1990—2000年呈快速扩张趋势，在国家采取矿区管控措施后，稀土矿无序开采得到一定程度的遏制，2000—2005年开采面积减少，2010—2015年开采面积减少到9.21 km2；以原地浸矿法为主开采稀土的龙南县，矿区植被恢复效果较好，其他各县的矿区植被恢复效果不明显。

1 研究背景

稀土被誉为“工业维生素”“新材料之母”，广泛应用于国防、航天、电子、核工业、机械制造、新能源等领域。我国稀土储量约占世界总储量的23%，主要有北方轻稀土矿和南方中重稀土矿两类。离子型稀土矿是一种中重稀土矿，又称风化壳淋积型稀土矿，在我国主要分布于江西、福建、湖南、广东、广西等省区[1]。离子型稀土矿具有丰度低、工业化开采难度大、矿点多位于偏远山区等特点，所以监管难度大、成本高，非法开采屡禁不止，导致了植被破坏、水土流失等生态环境问题。

离子型稀土矿矿点比较零散，采用人工调查法对矿区开采情况及其生态环境问题进行动态监测周期长、效率低。采用遥感技术可以实时、快速、准确地提取地表信息，弥补传统方法的不足。特别是近几十年来，高分辨率卫星遥感数据得到广泛应用，也成为矿区生态环境监测的主要数据源[2]。目前，针对稀土矿区生态环境遥感监测的研究主要集中在利用高分辨率影像获取稀土矿点、尾矿库分布[3-4]情况，进行稀土矿山地质灾害评价[5-8]，以及利用多源多时相卫星影像监测稀土矿区的植被恢复方面[9-12]。利用中等分辨率卫星影像提取稀土矿分布的方法主要有最大似然法、监督分类法、自组织迭代法等自动分类方法，采用高分辨率影像提取稀土矿区的方法主要有面向对象分类法、人机交互式解译和目视解译等方法[13-15]。

位于江西省南部的赣南地区是我国重要的稀土资源基地之一，离子型稀土矿的储量占全国总储量的30%。针对赣南稀土矿的主要分布情况，本研究在Google Earth平台支持下，利用多个年份的Landsat系列卫星的TM/ETM+/OLI影像，通过回溯法提取赣州地区的安远、龙南、定南、全南、信丰和寻乌6县的稀土矿区分布动态变化信息，并使用植被覆盖度指标的变化对其植被恢复状况开展监测评价。

2 研究区概况

本研究以赣南地区稀土矿分布最广泛的安远、龙南、定南、全南、信丰和寻乌6县为研究区(图1)。研究区位于江西省最南端，以山地、丘陵为主，水系发达，总面积为12 044.24 km2；属于亚热带季风性湿润气候，四季分明、气候温和、热量丰富、雨量充沛，土地利用类型以林地、园地、耕地为主，土壤类型以酸性红壤为主，森林覆盖率在70%以上。分布的岩浆岩主要为白垩系—下第三系盆地花岗岩、燕山晚期花岗岩和燕山早期第三阶段花岗岩，其中燕山旋回晚侏罗世的花岗岩类与矿产资源特别是稀土矿的形成关系最为密切[16]。

3 数据与方法

3.1 数据来源

利用Google Earth平台提供的高分辨率影像，目视解译稀土矿区分布范围，以1985、1990、1995、2000、2005、2010、2015年8—9月份的Landsat遥感无云影像来计算归一化植被指数和植被覆盖度。由于研究区多云多雨，影像质量受云影响较大，因此在无云影像缺失的年份，以相邻年份影像代替。

3.2 稀土矿遥感识别

研究区离子型稀土矿开采主要有池浸法、堆浸法和原地浸矿法三种方法[16]。池浸法对植被的破坏极大，大部分地区已淘汰使用，目前主要采用原地浸矿法和堆浸法。用在Google Earth平台中近似真彩色显示的高分辨率卫星影像，结合稀土矿区的标志性目标物，目视识别稀土矿区。

堆浸法开采的稀土矿区中有开采区、堆浸场和沉淀池等标志性目标物。Google Earth影像中，正常开采的稀土矿区呈土黄色，关停的稀土矿区呈灰色或棕色；堆浸场往往存放有硫酸铵浸取剂，呈规则的“田”字格状；沉淀池呈蓝色或亮白色，无沉淀液则为黑色，呈圆形或长方形。

原地浸矿法开采的稀土矿区中有高位池、注液井和沉淀池等标志性目标物。正在使用的高位池呈蓝色，废弃的高位池呈灰色；注液井主要分布在矿山山顶和山坡上，为明暗相间的密集点状，呈亮灰色；矿区周围还存在长方形的蓝色棚顶建筑物。

判读人员可根据建立的解译标志，沿影像特征边缘勾绘出矿区边界，确定矿山开采范围；同时根据不同稀土开采工艺特有的地物特征，确定该矿区的开采方式。

3.3 回溯法确定稀土矿区的动态变化

利用ENVI软件对遥感影像进行辐射定标、大气纠正和剪裁等预处理，利用近红外波段和红光波段的反射率计算归一化植被指数(NDVI)，根据相邻时期的NDVI变化(ΔNDVI)确定稀土矿区的开采活动期和停采恢复期。当ΔNDVI<-0.25时，表明矿区存在开采活动；当-0.25≤ΔNDVI<0.25时，表明矿区处于关闭状态；当ΔNDVI≥0.25时，表明矿区停止开采活动，植被处于恢复状态。根据该阈值判断准则，以目视解译获取的稀土矿区范围为掩膜，确定每个矿区的开采时间和关闭时间。

3.4 植被恢复评价

植被覆盖度(fc)是衡量地表植被覆盖的重要指标，利用以NDVI为基础的像元二分法计算植被覆盖度[17]，公式为

(1)

式中：NDVIsoil为完全是裸土或无植被覆盖区域的NDVI值；NDVIveg为完全被植被所覆盖的像元的NDVI值。根据植被覆盖度大小将矿区植被覆盖状况分为5级，详见表1。

表1 植被覆盖度分级阈值

4 结果与分析

4.1 稀土矿开采现状

根据Google Earth影像目视识别的稀土矿区空间分布(图1)，研究区稀土矿区总面积为58.23 km2，其中定南和寻乌的稀土矿开采面积最大，分别为18.23和16.27 km2(表2)。大型的稀土开采区较集中，如定南县岭北镇、龙南县东江乡、全南县坡头镇、安远县新龙乡，以及寻乌县南桥镇、文峰乡等；小型的稀土开采区分散于各县的边界处或者零散分布在大型矿区周围。各县交界处存在较多稀土开采小斑块，表明赣南地区越界开采现象较严重。

原地浸矿法就目前来说是一个相对环保的工艺，但是研究区的稀土开采工艺仍以堆浸法为主，只有龙南县和寻乌县采用原地浸矿法开采的面积超过其总开采面积的一半(表2)。

图1 研究区概况和稀土矿区分布

表2 赣南6县稀土矿的现状开采面积

4.2 稀土矿开采范围动态变化

稀土矿区范围从20世纪90年代至今发生了巨大的变化。从赣南6县不同年份的稀土矿区分布(图2)可以看出：2000—2005年，稀土矿无序开采得到一定程度的遏制，各县的开采面积均有一定的减少；2010—2015年稀土矿区开采面积减少到9.21 km2。龙南县稀土矿区主要是在1995—2000年间开发的，在1995年以前稀土矿区较为分散，1995—2000年稀土矿区扩张迅速，大量矿区形成连片格局，主要位于东江乡、关西镇(见图2b)；定南县矿区主要位于岭北镇，开采面积在1990—2010年一直处于增加状态，矿区向北扩张(见图2c)；信丰县稀土开采斑块较分散，1990—2010年稀土开采活动很活跃，特别是位于安西镇和虎山乡的矿区(见图2d)；安远县的稀土开采活动也较为频繁，主要在新龙乡、欣山镇和高云山乡等(见图2e)；寻乌县的南桥镇稀土矿区从1995年以后逐渐开发，并形成连片的分布格局(见图2f)。

图2 不同时期赣南6县的稀土矿开采范围

对不同时期各县稀土矿区新增面积的统计结果表明(图3)：20世纪90年代赣南6县稀土开采总面积呈快速增加的态势，仅1995—2000年，稀土开采扩张面积就达到22.44 km2；21世纪以来，新增开采面积呈减少趋势，但在2005—2010年间新增矿区面积也达到了16.31 km2；从分县的情况来看，龙南县、定南县和寻乌县稀土开采扩张面积较大。

图3 1990—2015年不同时期赣南6县的稀土矿开采面积

4.3 植被恢复评价

稀土矿的大量开采给矿区植被覆盖带来显著破坏[18]。由于稀土开采区的地质构造、地貌、矿山管理方案、监管力度等都存在差异，因此不同地区稀土矿区的植被恢复程度也存在较大的差异。根据不同时期矿区的NDVI变化，可分析矿区植被覆盖状态。从图4可以看出，受新增矿区开采对地表植被的破坏影响，赣南6县稀土矿区的植被覆盖状态总体上呈下降趋势，高植被覆盖的面积减少，裸地和低植被覆盖的面积增加。

从分县的情况来看，各县矿区的高植被覆盖面积整体都呈现下降的趋势，特别是21世纪以来，除龙南县之外，其余各县高植被覆盖面积都呈显著下降趋势，而裸地和低植被覆盖的面积呈增加趋势。龙南县植被覆盖较好与其稀土矿开采主要采取原地浸矿工艺有关，该工艺对地表植被覆盖的破坏程度相对较小；同时，由于在稀土开采过程中采取了“逢坑建坝，大坝套小坝，层层拦截”等工程措施[19]，在废矿区或停产整顿的矿区开展了“山顶栽松，坡面布草，台地种桑，沟谷植竹”的整体布局的龙南稀土矿山治理模式[20]，因此产生了较好的植被恢复效果。各县中植被覆盖和中低植被覆盖的面积相对较为稳定，表明关停矿区的植被恢复较为缓慢。

图4 赣南6县稀土矿区各级植被覆盖类型的面积变化

5 结论

本研究在利用Google Earth平台中的影像解译赣南地区6县主要稀土矿区分布的基础上，利用多个年份的Landsat卫星影像分析赣南6县主要稀土矿植被恢复状况，结论如下：①赣南稀土矿开采规模大，研究区稀土矿区总面积为58.23 km2。其中定南县开采面积最大，为18.23 km2，占总面积的31.31%；其次为寻乌县，开采面积为16.27 km2，占总面积的27.94%。②稀土矿开采的工艺以堆浸法为主，该工艺对地表植被破坏大。③稀土开采在1990—2000年呈快速扩张趋势，在国家采取矿区管控措施后，稀土矿无序开采状况得到一定程度的遏制，2000—2005年开采面积减少，2010—2015年开采面积减少到9.21 km2。④除龙南县矿区植被恢复效果较为良好之外，其他各县的矿区植被恢复效果不明显。

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