山西省六大煤田植被净初级生产力对土地覆被变化的响应

李志祥，张艺凡，张和生

(1.太原理工大学矿业工程学院，山西 太原 030024；2.山西工程科技职业大学，山西 晋中 030619)

煤炭开采在促进我国社会经济发展的同时，也给区域生态环境造成了严重的破坏。据统计，我国井工煤矿每开采1万t煤造成的土地塌陷面积为2 400 m2[1]；露天煤矿每开采1万t煤损毁土地面积2 200 m2，露天煤矿开采年均损毁和占用的土地面积多达100 km2[2]。煤炭开采对生态环境造成的负效应，引起了社会各界的广泛关注，我国政府先后出台了一系列政策法规，不断加强煤矿区土地复垦工作。

随着我国煤矿区生态修复工作的开展，如何监测和评价矿区生态系统成为学术界关注的焦点，学者们分别从土壤界面[3-4]和植被界面[5-6]研究了矿区生态扰动特征。近年来，植被净初级生产力(net primary productivity，NPP)研究为探究矿区生态扰动过程提供了重要参考。NPP作为生态系统中的关键特征量，代表植物在单位时间和单位面积上的有机物净积累量，是陆地生态系统中碳循环与能量流动的重要组成部分[7]。NPP可以直接表示绿色植被在不同生长条件下的生产能力，同时能够反映区域自然生态环境质量，是理想的生态指标。侯湖平等[8]基于植被NPP对徐州矿区生态环境质量进行了评价，明确了植被NPP对矿区生态环境测度的可行性。陈广洲等[9]以淮南煤矿区为例研究植被NPP的时空变化，发现年均NPP呈波动缓慢增长趋势，且NPP分布格局与土地利用方式密切相关。

山西省是我国重要的煤炭能源基地，长期的煤炭开采给山西省生态环境造成强烈扰动。据统计，截至2014年，山西省因采煤造成的沉陷区面积达到3 000 km2[10]。山西省进行了广泛的矿区生态修复活动，学者们也研究了山西省平朔露天煤矿[11]、大同矿区[12]等矿区NPP变化特征及其影响因素。上述研究从矿区尺度揭示了山西省不同采煤方式下的生态环境效应。然而，对于如何从省域尺度探究矿区土地覆被变化下的生态环境效应的研究目前较少。如何定量监测和评价省域尺度煤矿区土地覆被变化下的生态环境响应过程，具有重要的理论和实践价值。因此，本文以山西省六大煤田为研究对象，利用MOD17A3H数据和MOD12Q1数据，分析研究区植被NPP和土地覆被时空变化，引入NPP损益流，从定向和定量的角度分析省域尺度下矿区土地覆被变化对植被NPP的影响，以期为山西省省域矿区生态评价提供依据，为省域国土空间生态修复中的矿区生态修复提供参考。

1 研究区概况

山西省位于我国黄土高原东翼，是典型的资源型经济地区，总面积156 700 km2，纬度34°36′～40°44′N，经度110°15′～114°32′E。境内地貌类型以山地和丘陵为主，约占全省总面积的80%以上;气候类型属温带大陆性季风气候，年平均气温4～14 ℃，年降水量400～650 mm。 根据含煤地层的发育特征和及其构造组合，把山西省分为大同煤田、宁武煤田、西山煤田、河东煤田、霍西煤田、沁水煤田六大主要煤田[13](图1)，其面积约为69 655 km2，占全省国土总面积的44.45%。截至2015年底，山西省共有煤矿1 078座，生产能力14.6×108t/a，累计生产原煤166×108t，同时山西省实施煤炭资源整合和企业重组，不断淘汰落后产能，推行“蓝天碧水”及造林绿化等生态环境修复治理工程，2005—2015年累计完成营造林面积约30 000 km2，治理水土流失面积约17 000 km2。

图1 研究区位置图Fig.1 Location of study area

2 数据与方法

2.1 数据来源与处理

本文所用的NPP数据来自美国地质调查局提供的MOD17A3H数据集，时间范围为2005—2015年，空间分辨率为500 m。土地覆被数据采用MCD12Q1数据集，该数据集使用决策树分类的方法对Modis Terra和Aqua反射数据进行处理，得到分辨率为500 m的全球土地覆被分类结果[14]。参考通用于土地覆被类型的国际地圈-生物圈计划(IGBP)分类方案，将研究区土地覆被类型分为耕地、林地、草地、灌丛、建设用地和其他土地六类。

为保证数据的可用性和分析结果的科学性，将覆盖山西省六大煤田的3景MOD17A3H影像和3景MCD12Q1影像分别进行镶嵌，重投影在WGS_1984_UTM_zone_49N坐标系，最后输出空间分辨率为500 m的TIFF图像。利用六大煤田矢量数据对得到的图像进行裁剪，去除无效值，得到山西省六大煤田植被NPP数据和土地覆被数据。

2.2 研究方法

2.2.1 趋势分析

利用一元线性回归分析对研究区2005—2015年植被NPP数据进行逐象元线趋势分析，用得到的斜率来反映其变化趋势，计算公式见式(1)。

(1)

式中：θNPP为研究时段内各象元NPP变化的一元线性回归方程斜率；n为研究时段；NPP(i,j)为第i年j象元对应的NPP值。θNPP>0表明植被NPP值呈上升趋势；θNPP<0表明植被NPP值呈下降趋势。参照李晓荣等[15]的方法对得到的斜率进行显著性检验。

2.2.2 NPP损益流

引入动态物质变化中“流”的概念[16]，可以更加直观地了解土地覆被变化所导致的NPP损益。当某种土地覆被类型转为另一种类型使得NPP总量增加时称为“增益流”，反之称为“损失流”，该土地覆被类型转为其他土地类型所产生的NPP值变化之和为“NPP损益流”，当值为正时，表示净增益；值为负时，表示净损失。其表达式见式(2)。

(2)

式中：NPPi为第i种地类的NPP损益流；NPP(i,j)为地类i转为地类j时所产生的NPP变化。

3 结果与分析

3.1 山西省六大煤田2005—2015年NPP空间分布

山西省六大煤田2005—2015年NPP均值空间分布如图2所示。整体来看，研究区NPP分布差异明显，西北部较低，东南部较高。六大煤田多年NPP均值为335.03 gC/(m2·a)，其中大部分地区NPP均值分布在200～400 gC/(m2·a)，这些区域多为耕地和草地的覆盖区，人类活动相对频繁，面积为52 131 km2，占研究区总面积的74.84%。NPP值高于400 gC/(m2·a)的地区主要位于沁水煤田东南部、河东煤田南部以及宁武煤田中部，面积为14 759 km2，占研究区总面积的21.19%。 沁水煤田东南部、河东煤田南部水热条件充足，耕地和林地分布广泛，宁武煤田中部分布有管芩山林区，属于黄土高原土石山区的水源涵养和防护林区，植被覆盖率高，因此NPP值较高。 NPP值低于200 gC/(m2·a)的地区主要分布于大同煤田北部、河东煤田中西部，以及朔州、太原、孝义等矿业城市周边，面积为2 765 km2，仅占研究区总面积的3.97%。大同煤田由于长期高强度开采，侏罗纪煤层已接近枯竭，加上该煤田所属区为半干旱区，水热条件差，受矿区开采扰动，植被恢复慢，而河东煤田位于吕梁山脉西侧，主要为黄土丘陵区，该区水土流失严重，气候干旱，生态环境脆弱，煤炭产量却逐年升高，因此NPP值偏低。

图2 2005—2015年NPP均值空间分布图Fig.2 Spatial distribution map of NPP mean value from 2005 to 2015

对六大煤田11年的植被NPP值进行一元线性回归，得到其线性回归变化趋势图(图3(a))。 研究区植被NPP值呈现增长趋势的面积为58 280.25 km2，占总面积的83.67%；呈减少趋势的面积为11 374.75 km2，占总面积的16.33%。结合显著性检验结果(图3(b))可以看出，植被NPP值呈增长趋势较快的地区主要分布在宁武煤田南部、河东煤田中部、霍西煤田东部以及西山煤田东北部，多表现为极显著增加，表明这些区域植被状况明显好转，生态环境得到明显提高。呈减少趋势的地区主要位于沁水煤田和河东煤田南部，其余零星分布于大同、朔州、太原、阳泉等各城镇周边，显著性检验表明，这些地区变化不显著，说明生态环境没有发生明显恶化，应继续对其加强监测，做好矿山生态修复工作。

图3 六大煤田NPP线性回归趋势Fig.3 Linear regression trend of NPP in six coalfields

3.2 山西省六大煤田2005—2015年NPP时间变化

研究区NPP年际变化见图4，植被NPP值总体呈上升趋势，其中最大值为2012年的381.88 gC/(m2·a)，最小值为2007年的297.11 gC/(m2·a)。2005—2011年NPP值呈现波动增长的趋势，这是这一时段内六大煤田矿山开采活动和生态修复工程共同作用的结果。矿山开采会使地表下沉，植被遭到破坏，进而使植被NPP值降低，而生态修复工程可以有效地改善区域生态环境，对植被NPP产生促进作用。2011—2012年NPP均值从324.80 gC/(m2·a)增长到381.88 gC/(m2·a)，这主要得益于山西省煤炭限产以及生态修复工程和退耕还林政策的实施；2012—2015年NPP均值呈下降的趋势，这是由于在山西省正处于转型发展初期，人类对土地资源的不合理利用造成的。从NPP比例结构上看，山西省六大煤田2005—2015年NPP值低于100 gC/(m2·a)的区域均不到1%，同时NPP值在100～200 gC/(m2·a))的区域在逐渐减少，而大于400 gC/(m2·a)的区域呈波动增长趋势，这说明研究区植被净初级生产力高值区的比例逐渐增加，生态环境逐渐向好。11年来，六大煤田NPP总量从20 229.26 GgC增长到23 786.61 GgC，年均增长1.60%，但同期山西省煤炭总产量从5.5×108t增长到9.75×108t，年均增长达到7.02%。六大煤田的NPP总量随煤炭产量的快速增长而增长，究其原因发现，研究时段内山西省通过国土绿化、退耕还林等生态修复工程，森林覆盖率从14%增长到20.5%；同时《山西省矿产资源总体规划(2016—2020年)》中指出，2008年以来山西省累计投入地质环境修复治理资金21.53亿元，修复治理矿山362座，治理面积达到600 km2左右，土地复垦率达到50%以上。这表明各项生态修复工程对植被NPP产生的促进作用弥补了煤矿开采对NPP的负面效应，山西省六大煤田生态修复工作产生了显著成效。

3.3 山西省六大煤田土地覆被时空变化

2005—2015年间，研究区土地覆被类型发生转移的面积共9 006 km2，占研究区总面积的12.93%(表1)。耕地、林地、草地之间的相互转化为该地区土地覆被转移的主要特征。结合三期土地覆被分类图(图5)可以看出，耕地主要集中于六大煤田境内的长治盆地、太原盆地、临汾盆地和大同盆地，少部分位于河东煤田南部的乡宁县、吉县和隰县等地区。研究时段内耕地转为其他类型土地的面积共912.75 km2，其中大部分转为草地，转出面积为654.25 km2，占耕地总转出面积的71.68%，这是在加快城市化进程的背景下，农村进城人口增多，大量中低产田被弃耕抛荒，逐渐变为草地的结果；转为林地的面积次之，占耕地总转出面积的21.70%，这主要是由于六大煤田持续开展退耕还林生态修复工程，大量耕地退耕为林地；在城镇周边，随着城市扩张以及工业发展的需要，部分耕地被逐步占用， 有57.75 km2的耕地转为建设用地，占耕地总转出面积的6.30%；由其他类型土地转为耕地的面积共有4 494.5 km2，其中草地为主要的转入源，占耕地总转入面积的71.89%。耕地的转入与转出使其面积净增长3 581.75 km2，涨幅达到17.65%。林地主要分布于沁水煤田的太行山脉和河东煤田东部的吕梁山脉一带。2005—2015年林地转为其他类型土地的面积共2 403 km2，由于管护缺失、成活率低等原因，大量林地退化转为草地，占林地总转出面积的43%；建设用地在扩张的过程中也占用了12 km2的林地。 其他类型土地转为林地的面积共2 551.5 km2，草地和耕地为主要转入源，转入面积分别为2 280 km2和198 km2。林地的转入与转出使其面积净增长148.65 km2，增长了1.03%。 草地散布于六大煤田，且一直是研究区面积占比最大的土地类型。2005—2015年间草地面积净减少3 882.25 km2，占比从2005年的49.62%降低到2015年的44.05%。建设用地面积的增加主要来源于对城镇周边耕地、林地和草地的占用，11年间共增长84.25 km2，占地增长了2.67%。灌丛和其他土地的面积由于基数小，研究时段内增幅分别达到25.07%和40.13%。总体来说，六大煤田土地覆被的主要变化表现为草地面积的减少和其他类型土地面积的增加，说明研究区矿山生态修复工作虽然取得一定的成效，但未来仍应继续实施矿山生态修复工程，应继续加强对矿山生态修复工作的重视。

图5 六大煤田不同时期土地覆被分类图Fig.5 Land cover map of six coalfields in different periods

表1 2005—2015年土地利用转移矩阵Table 1 Land use transfer matrix from 2005 to 2015

3.4 不同土地覆被类型对NPP的影响

将净初级生产力数据与土地覆被数据进行叠加分析可知，不同土地覆被类型NPP差异明显。图6展示了不同土地覆被类型在研究期内的NPP变化趋势，所有土地类型的NPP均出现波动，但总体都呈现上升趋势。 具体来看，2005—2015年山西省六大煤田不同土地覆被类型NPP均值大小依次为林地(404.87 gC/(m2·a))>灌丛(386.02 gC/(m2·a))>耕地(353.34 gC/(m2·a))>草地(303.64 gC/(m2·a))>其他土地(302.28 gC/(m2·a))>建设用地(238.69 gC/(m2·a))。这种差异一方面由于林地和灌丛自身植被覆盖度大，光合作用效率高，另一方面在于研究区林地和灌丛多分布于山区，采矿活动对这些植被造成的破坏较小，使之积累的生物量多，同时土地复垦和退耕还林等生态修复工程使林地面积11年内增加148.5 km2，提高了林地的生产力。耕地在农业技术发展的背景下，粮食产量明显提高，一定程度上也促进了有机物的积累。而研究区草地虽然分布广泛，但受矿山开采的影响，植被覆盖度较低，加之对气候环境变化敏感，总体退化严重，生产力相对偏低。

图6 不同土地覆被类型NPP均值变化趋势Fig.6 The change trend of NPP mean value of different land cover types

3.5 土地覆被变化对植被NPP的影响

将三个时段的NPP差值与土地覆被类型在对应年份内的转移面积相乘，得到不同土地覆被变化下的NPP损益流(图7)。研究时段内，没有发生变化的土地类型NPP总量均出现了增加，这是由于不同的地域格局和水热条件的变化造成了NPP的变化。黄露等[17]在研究鄂尔多斯草地NPP时也得到了相似的结果。

图7 六大煤田NPP损益流Fig.7 Profit and loss flow in six coalfields

2005—2010年，耕地转为其他土地类型时，NPP总量净损失2.94 GgC。 其中耕地转为林地主要发生在沁水煤田的晋城市周边，但2009年和2010年晋城市出现的极端气候较多，抵消了耕地转林地对NPP的促进作用，导致NPP损失流为1.15 GgC。耕地向建设用地转移时，转入面积较小，NPP损失流为0.74 GgC，但单位面积损失量达到34.41 gC/(m2·a)，是单位面积损失量最大的转移方式，这表明耕地向建设用地转移会造成NPP的大量损失；林地转为其他土地类型时，对NPP损失较大，NPP净损失71.39 GgC；草地转为耕地和林地时，NPP增益流为123.88 GgC，其中转为耕地时增益流最大，占总增益流的92.44%；灌丛在转为林地时，NPP增益流为1.09 GgC；其他土地转为林地、草地时，由于植被覆盖有所改善，NPP出现增益流，但增益较小。

2010—2015年，耕地转为林地和草地时，NPP增益流为16.31 GgC；耕地转为建设用地时，NPP持续损失，损失流(1.12 GgC)是2005—2010年的1.64倍，说明研究区在这一时段内受城市化进程加快的影响，部分耕地被弃耕，逐渐变为其他土地和灌丛时，由于缺乏人工管理，植被整体的生产力水平降低，使NPP损失流为0.29 GgC，但损失较前一时段有所降低。林地转为其他类型土地时，NPP总量净损失33.17 GgC。草地在复垦为耕地和林地时，一方面由于复垦面积大，另一方面是人为促进作用加强，有效地保证了植被的生长，使NPP增益流达到111.37 GgC；草地转为灌丛时，NPP损失流为0.35 GgC；灌丛和其他土地转为林地和草地时，NPP总增益流为5.6 GgC。

2005—2015年间，不同土地类型转为耕地和林地，使NPP总增益流(266.50 GgC)最大；林地转为其他土地类型，使NPP总损失流(185.57 GgC)最大。总体来说，不同土地覆被之间的相互转换，使研究区2005—2015年间NPP净增益216.35 GgC，说明2005—2015年间山西省六大煤田生态环境逐渐好转。

4 结 论

1) 山西省六大煤田2005—2015年植被NPP变化呈现波动式渐进增长，NPP总量增加3 492.20 GgC，年均增速达到1.6%。空间分布表现出东高西低，南高北低的特征，NPP呈增加趋势的区域占整个研究区的83.67%，高值区域面积在逐渐增加，而低值区域面积逐渐减少，说明研究区的生态环境整体持续好转。

2) 研究时段内，土地覆被变化主要表现为耕地和林地面积持续增加，耕地增加了3 581.75 km2，林地增加了148.65 km2，草地面积持续减少，减少了3 882.25 km2，建设用地面积增加了84.25 km2，其他类型土地变化相对较小。

3) 2005年以来，不同土地覆被类型的NPP均值大小为林地>灌丛>耕地>草地>其他土地>建设用地。土地覆被类型未发生变化的区域植被净初级生产力稳步增长，表明生态环境逐渐向好。增加林地和耕地的面积会使NPP总量产生明显增益，但林地转为耕地和草地以及耕地转为建设用地会造成NPP的大量损失。

山西省生态修复工作在六大煤田取得了一定的成效，未来仍应继续实施矿区生态修复工程，具体措施如下所述。

1) 根据各矿区水土要素差异，因地制宜开展生态修复。晋东南地区要在加强生态环境监测工作的基础上，继续扩大营林造林面积；西北部矿区应增加林地的生态用地比重，提高区域生态环境质量。

2) 在改进复垦技术的基础上，充分利用生态系统的自然恢复能力，将人工修复和自然恢复相结合，提高土地复垦的效率。

3) 加强矿区生态用地管护，防止工业用地对生态用地的过度占用。