生态修复下金川矿区植被覆盖度及景观格局的变化

罗琳，叶戈杨，关钊，魏平，谢红彬*

(福建师范大学 a.地理科学学院，b.湿润亚热带山地生态国家重点实验室培育基地，c.福建师范大学 后勤集团 福州 350007)

矿区生态修复是生态文明建设时期重点关注的问题之一，植被恢复则是矿区生态修复过程的重要环节。植被恢复能够有效改良土壤基质、调节气候、涵养水源，进而促进整个生态系统结构和功能的修复，提高生态系统质量与稳定性[1]。植被覆盖度能够反映矿区植被面积占有情况或植被资源丰富程度，是矿区生态修复效果评价的重要指标之一[2]；而植被景观格局变化，能够反映矿区植被空间分布及其在环境异质性和干扰状况综合控制下的动态变化特征[3]。因此，从景观格局视角探究矿区植被覆盖度变化，一方面有助于评估植被生态修复效果，另一方面为后续生态修复工程规划的调整与实施提供重要依据。

目前，矿区植被修复研究主要集中在植被生态修复技术[4-5]、植被覆盖度变化[6-7]、植物群落演替及植被生态效应等方面[8]。其中，在矿区植被覆盖度研究方面，学者以露天矿[9]、煤矸石山[10]、尾矿库及采煤塌陷区[11]等不同大小尺度矿区为研究对象，采用遥感、GIS、无人机等方法[12-13]，就矿区植被覆盖度的提取、时空变化、空间异质性、监测及变化趋势和驱动机制等方面展开研究[14-16]，取得大量研究成果。在研究方法选取方面，遥感数据由于具有时效性高、覆盖范围广等优势，能即时反映矿区植被信息[17]，近年来利用像元二分模型提取植被覆盖信息逐渐被应用于矿区植被相关研究。在植被景观格局研究方面，已对高原、流域、山区[18]、沙地[19]及城市[20]的植被景观格局变化及驱动因素展开较多研究，而针对矿区植被景观格局变化研究较少[3]。甘肃省金川矿区地处西北干旱区，生态环境脆弱，近年在矿区生态环境保护与治理方面开展了大量工作。现有关于金川矿区植被修复的研究中，涉及本土植被对矿区生态环境的适应特征、先锋植被筛选、矿区废弃地修复的绿化树种选取以及修复区植被碳储量[21-22]等研究，但针对矿区生态修复过程中植被覆盖度及其景观格局变化的研究仍较少。因此，本研究以金川矿区为例，利用遥感影像获取NDVI数据(归一化植被指数)，首先采用像元二分法提取植被覆盖度信息并分析其空间变化，进而计算植被景观格局指数分析其变化，以期探究金川矿区植被恢复效果，并为后续生态修复与保护提供参考借鉴。

1 研究区域概况

金川矿区位于甘肃省金昌市中心城区(102°08′20″E～102°19′02″E、38°27′N～38°35′N)，研究区按照《金昌市城乡总体规划(2009—2020年)》划定的中心城区范围确定，总面积约150 km2。金昌属大陆性温带干旱气候，光照充足，气候干燥，全年多西北风，昼夜及四季温差较大，霜期长，春季多大风。水资源主要为祁连山区的大气降水和高山冰雪融水，主要河流有东大河、西大河和金川河，均属石羊河水系，为常年性内陆河。市区年均气温9.2℃，年均蒸发量2 094.2 mm，是年均降水量139.8 mm的15倍。金昌市是典型的“先矿后城”的资源型城市，缘矿兴企、因企设市，因盛产镍矿被誉为“祖国的镍都”。近年来，金昌市部分矿产资源开发殆尽，在生态文明建设及资源城市转型要求下，政府深入实施“生态优先”的发展战略，主要采取人工造林、森林抚育等人工辅助修复措施，推进大规模国土绿化、防沙治沙和生态保护修复工程，持续实施环城防护林建设、高速枢纽区绿化工程、沙枣胡杨观赏林建设等重点生态工程。全市建成区绿化覆盖率达37.62%，2014年获得国家园林城市称号。“十三五”以来，金川区林业和草原局践行“绿水青山就是金山银山”新发展理念，紧紧围绕全市“南护水源、中建绿洲、北治风沙”的生态建设方针，累计完成人工造林980 hm2，封滩育林442 hm2，幼林抚育175 hm2，森林覆盖率较2018年增加了0.1个百分点，截至目前，全区森林覆盖率达17.86%，草原植被盖度平均达21.3%。就金川矿区而言，早在20世纪90年代就开始对北部第一尾矿库进行复垦绿化。2008年为解决城市污水处理厂中水储存、调蓄问题，利用矿区中部废弃矿渣及垃圾堆放地建成了236 hm2的金水湖景区，成为中国西北地区最大的人工中水蓄水景观带，并于2019年评为国家湿地公园。西南部镍矿矿坑于2009年开始进行生态修复，2014年利用龙首山露天开采矿坑建成面积约3.1 km2的金川国家矿山公园，整个山体绿化修复区面积达到2 km2(图1)。

图 1 研究区地理概况示意

2 材料与方法

2.1 数据来源与预处理

基于地理空间数据云平台选取2005、2010、2015与2020年夏季6—9月云量小于5%的Landsat5/7/8遥感影像(行列号为132/33)(来源地理空间数据云平台http://www.gscloud.cn)，分辨率为30 m。利用ENVI软件对遥感影像进行辐射定标、大气校正等预处理后计算得到每月NDVI值(分辨率30 m)。

2.2 研究方法

2.2.1植被覆盖度提取与分级

基于像元二分法利用NDVI数据估算植被覆盖度，该方法可操作性强，取值范围为0～1，数值越接近1，表明植被覆盖度越高[23]。将每月NDVI值采取最大值合成法(Maximum Value Composite，MVC)得到年度NDVI值。计算公式如下：

(1)

式(1)中：IR为近红外波段的像素值，R为红光波段的像素值。

植被覆盖度计算公式如下：

FVC=(NDVI-NDVIsoil)/(NDVIveg-NDVIsoil)

(2)

式(2)中：NDVIsoil为完全裸土或无植被覆盖像元的NDVI值，NDVIveg则代表完全为植被覆盖的像元的NDVI值，NDVIsoil和NDVIveg分别选取像元累计5%和95%的NDVI值。将植被覆盖度分为5个等级，即低覆盖度(FVC≤ 0.2)、较低覆盖度(0.2

表 1 2005—2020年金川矿区植被覆盖度平均值及各等级植被比例/%

2.2.2 景观格局分析

本研究从景观水平和斑块类型水平两方面分析矿区景观格局。选择斑块数(NP)、斑块密度(PD)、最大斑块面积指数(LPI)、景观形状指数(LSI)、蔓延度指数(CONTAG)、香农多样性指数(SHDI)、香农均匀度指数(SHEI)和集聚度指数(AI)，反映景观斑块的破碎化、多样性和空间连通状况等；选择斑块数量(NP)、斑块所占景观面积比例(PLAND)、景观形状指数(LSI)及集聚度指数(AI)，刻画斑块类型的时空演变特征[24-25]。利用 Fragstats 4.2软件对金川矿区不同等级植被的景观格局进行分析。

3 结果分析

3.1 植被覆盖度时空特征

利用ENVI软件计算得到金川矿区2005、2010、2015、2020年植被覆盖度，并在Arcgis软件中通过栅格计算与统计，得到每期平均植被覆盖度与各等级栅格比例，观察分析植被覆盖度等级时空演变特征(表1、图2)。

图 2 2005—2020年研究区植被覆盖等级

总体来看，2005—2020年金川矿区植被覆盖度较低，但随着时间有明显提升，其平均植被覆盖度从2005年的24.15%提升到2020年的30.99%。金川矿区地处西北干旱区，自然环境条件基础较差，降水量少且蒸发量大，研究区内裸地和沙地面积较大，因此植被覆盖度较低。从空间上看，金川矿区植被覆盖度分布大致呈现为“西高东低”的空间格局，这是由于研究区西部为城市建成区，近年来金川区大力推进国土空间绿化，倡导全民义务植树，因此矿区西部植被覆盖度较高，且以中、较高覆盖度为主。2005—2020年研究区植被覆盖区域逐渐扩大，特别是北部、中部及西南部的植被明显增多，具体为自2001年开始建设的市区北部总长26 km的防护林带，以及金川矿山公园、金水湖湿地公园等矿区生态修复工程，使植被不断增加。此外，建成区植被覆盖度也有所提升，依托金川公园、龙泉景观带、北部防护林和龙首湖景区等景观绿化项目，增加城市绿化用地，拓展城市绿化空间，形成了以庭院绿化为点、道路绿化为线、公园绿化为面的“点、线、面”相结合的城市绿化格局。

从时间变化看，2005—2020年金川矿区始终以低覆盖度为主，但其占总面积比例不断下降，达到13.41%，而高、较高、中度及较低覆盖度占比均有不同程度的增加，分别为2.47%、0.59%、2.45%及7.90%，说明生态环境有较大改善。具体来看，2005—2010年，高覆盖度与较低覆盖度则分别提升了1.50%、1.01%，而较高覆盖度与低覆盖度比例分别下降了1.74%、0.94%，中覆盖度变化较小。2010—2015年，低覆盖度占比持续下降，为4.68%，较低、中度及较高覆盖度有所提升，分别提升了13.34%、7.26%及5.37%；2015—2020年间，低覆盖度所占比例相比上一时段明显降低，为6.99%，而较低、高等级覆盖度比例分别增加了5.06%、1.12%，其他等级变化幅度较小。低等级覆盖度比例不断降低，且高、较高、较低等级覆盖度占比逐渐增大，都表明金川矿区为完善城市功能、优化人居环境所实施的景观绿化、生态修复工程都取得了良好的效果，使得矿区生态系统稳定性有所增强。

3.2 植被覆盖度动态变化

通过计算栅格差值得到2005—2020年植被覆盖度时空变化(图3)。2005—2010年，金川矿区植被覆盖度变化相对稳定，西部为明显退化与轻度退化区域，而中部及北部植被覆盖情况有明显好转，建成区内存在零散退化区域。2010—2015年，矿区植被覆盖变化较上一时段更为明显，变化最为显著的是西南部矿山公园植被覆盖度明显改善，而西北部区域植被覆盖度降低。2015—2020年，研究区整体植被覆盖变化以相对稳定与轻度退化为主，退化区域主要集中在城市建成区内，西北部小范围区域植被覆盖情况有所好转。整体上看，2005—2020年金川矿区植被覆盖度变化较大，西北部表现为明显退化与轻度退化，而北部、西南部与中部则表现出轻度改善及明显改善，主要原因在于按照“生活区北移，工业区东扩”的规划，城市建设用地向西北扩张，导致西北部植被覆盖度降低。总之，金川矿区植被覆盖情况有显著提升，表明近年来自然景观与人文景观、城区与郊区有机结合的城乡一体化绿地系统建设效果显著。

表 2 2005—2020年金川矿区植被覆盖度景观指数

3.3 景观格局演变

3.3.1 总体景观格局变化

从景观水平分析(表2)，2005—2020年金川矿区整体斑块数量(NP)与斑块密度(PD)呈现出随时间先增加后降低的变化趋势；同时最大斑块指数(LPI)不断降低，说明植被覆盖等级变化明显，景观破碎度不断增加。景观形状指数(LSI)逐渐增大，特别是2010—2015年明显增加，表明矿区植被景观复杂度日益增强。而景观蔓延度指数(CONTAG)与聚集度指数(AI)不断降低，说明矿区不同等级植被覆盖度之间的连通性逐渐降低，且集聚度也有所下降。研究期内多样性指数(SHDI)与均匀度指数(SHEI)逐步提升，说明矿区不同等级的植被覆盖多样性与均匀度得到提升，这是由于低覆盖植被面积减少，而高、较高覆盖植被面积增加，使得不同等级间面积差异减小。

3.3.2 不同等级植被景观格局变化

从景观类型水平分析(图4)，金川矿区较低、中等及较高等级植被覆盖度的斑块数量(NP)与景观形状指数(LSI)较大，表明相应等级的景观破碎化程度较高且景观形状不规则，在建成区零散分布未集中成片；而低覆盖度与高覆盖度分布则比较集中，2020年高覆盖度主要分布在北部防护林、中部湿地公园及西南部矿山公园和建成区内公园等区域。2005—2020年各等级植被覆盖度NP与LSI均有不同程度提高，但2015—2020年低覆盖度、较低覆盖度、中覆盖度及高覆盖度的NP有所下降，说明除较高覆盖度外其余等级覆盖度的景观破碎化速度减缓。低覆盖度占景观面积比例(PLAND)最高，其次为较低覆盖度与高覆盖度。研究期内低覆盖度PLAND不断降低，而较低、中度与高覆盖度PLAND逐步提升。同时，低覆盖与高覆盖的集聚度指数(AI)最高，随时间而波动变化；中覆盖与较低覆盖AI随时间先下降后提升。这说明金川矿区近年来防护林建设、景观绿化等工程使得植被逐渐增多，生态环境逐渐好转。

图 4 2005—2020年研究区各等级植被覆盖度景观指数变化

4 讨论与结论

4.1 讨论

研究结果表明，2005—2020年金川矿区植被覆盖度有了显著提升，这一点在前人研究中已得到证实[27]，金川区所处的石羊河流域植被覆盖度显著改善，生态环境逐渐好转[26]。植被覆盖度的提升在一定程度上得益于矿区废弃地土地再利用、植被恢复等[27]，众多研究表明生态修复措施能有效提高植被覆盖度，改善矿区生态环境[17]。金川矿区今后应从生态修复长期效益出发，以当地自然环境为基础，增加植物群落丰富性与层次性，引导植物群落的自然演替与恢复，提高植被生态系统稳定性与可持续性，进而提升矿区生态系统服务水平，实现矿区自然生态系统与人工生态系统的协调与可持续。

为更清晰展现生态修复过程中植被恢复情况，长时间序列的矿区植被覆盖度变化及趋势预测是下一步研究的重点。同时，由矿区植被恢复带来的土壤基质改良、空气质量提升等生态效益也应得到关注。此外，矿区作为复杂的社会-生态-经济综合体，植被覆盖度变化受到自然及人为等因素影响，其时空演变的驱动因素分析是后续研究的方向。

4.2 结论

本研究以甘肃省金川矿区为例，基于2005—2020年NDVI数据，利用像元二分法提取植被覆盖度并计算其景观格局，分析矿区生态修复过程中植被覆盖度的变化，进而探究植被修复效果。得出以下结论：2005—2020年金川矿区植被覆盖度整体水平较低，但平均植被覆盖度从2005年的24.15%提升到2020年的30.99%。在空间上呈“西高东低”的分布格局，随着大规模推进国土绿化与生态修复，植被覆盖区域逐渐扩大，特别是北部防护林、中部湿地公园及西南部矿山公园的植被情况明显改善；但由于城市建设用地向西北扩展，也导致西北部分区域植被覆盖度降低。从矿区整体景观格局看，植被景观破碎度随时间先增加后降低，且呈现出连通度与聚集性降低的特征；但景观多样性与均匀度不断增加。从不同等级植被覆盖景观格局变化看，2005—2020年矿区低覆盖植被占景观面积比例最大且集聚性高，但景观破碎化最低。而较低、中度及较高覆盖植被景观破碎化较高，结构复杂化，且集聚度低。高覆盖植被占比较大且集聚性不断增强，景观破碎化较低，逐渐呈集中连片分布特征，说明金川矿区植被修复取得较好的成效。