草原露天煤矿区植被对地下水位埋深变化的响应

王 超，董少刚,*，贾志斌，夏蔓宏，侯庆秋

1 内蒙古大学 生态与环境学院， 呼和浩特 010021 2 内蒙古自治区河流与湖泊生态重点实验室， 呼和浩特 010021

内蒙古草原生态系统是构筑北方生态安全屏障的重要组成部分,对区域生态环境功能发挥着极其重要的作用[1]。随着草原煤矿开采强度和规模的逐年增大,草原矿区周围浅层地下水逐渐被疏干,强烈改变了地下水赋存环境[2]。地下水是影响植被生长、分布的关键因子,当地下水位下降至一定深度时,植被可能遭受水分胁迫[3],造成其地上、地下生物量[4-6]及其生理特性[7-9]上的改变,甚至影响其存活率[10]。当地下水位埋深过浅时,植物可能遭受盐分胁迫[11-13]和缺氧胁迫。为了确定适宜植被生长的地下水位埋深,研究者们提出了生态地下水位埋深[14]等概念,同时利用遥感和统计学方法,建立不同地貌类型下地下水-植被相互响应关系[15-20]。

传统的样方调查方法是了解区域植被动态变化、分析植被与地下水之间关系的重要手段之一[21-22]。而近年来,遥感技术因其信息量大、时效强和覆盖范围广的特点,也正逐渐被广泛应用于探究大尺度空间区域内地下水-植被响应关系的研究中来[23-24]。基于MODIS NDVI数据,金晓媚对柴达木盆地[25]、银川平原[26]、海流兔河流域[27]、黑河下游地区[28]植被与地下水位埋深的关系进行了分析,建立了利用遥感方法分析地下水-植被关系的典型模式。张茂省[29]采用生态-水文地质调查与遥感定量分析相结合的方法,建立了陕北能源基地地下水位埋深与植被生态的依存关系,确定了影响植被生态的地下水位阈值和生态环境效应敏感性区划。但目前对地下水-植被响应关系的研究仅局限于探究大尺度空间区域内二者的响应关系,缺乏时间跨度上的动态对比分析。

本文以呼伦贝尔草原伊敏露天煤矿为例,结合野外样方调查和遥感技术两种方法,探究近30年来草原露天煤矿开采疏排地下水导致的地下水位下降对区域植被的影响。以求建立更加完善的地下水-植被响应分析方法,更深刻地认识露天采矿活动对生态地质环境的影响,同时为防止草原退化以及草原煤矿区生态重建工作提供科学的依据。

1 研究区概况

1.1 研究区位置

华能伊敏煤电有限责任公司露天矿隶属内蒙古自治区呼伦贝尔市鄂温克族自治旗,地理坐标为东经 119°39′14″—119°45′38″,北纬 48°33′11″—48°37′31″。研究区以伊敏矿区为中心向外扩散,西为丘陵,南为台地,东邻伊敏河,呈一半封闭型盆地,海拔在607—723 m,地势南高北低,东西两侧稍高,中心低洼,面积约142.70 km2(图1)。

1.2 气象水文

区内属中温带大陆性季风气候,冬季寒冷漫长,夏季温凉短促,春秋两季气温变化急促,年均气温-1.9°C。年均降水量约355 mm,年均蒸发量约1341 mm。

区内主要河流为伊敏河,研究区位于伊敏河中游。区内地势低洼处原有大小湖泊12个,近年来受伊敏露天煤矿疏排水的影响,除柴达敏诺尔及其北部季节性湖泊外,其余己基本全部干涸。湖水补给来源主要为大气降水和第四系含水层中的地下水,排泄方式以垂直蒸发为主。

1.3 地质及水文地质条件

从水文地质条件来看,研究区位于海拉尔盆地区域水文地质单元的径流区,为第四系冲积孔隙水文地质区(图2)。本区地下水的补给来源主要为大气降水和地表水体伊敏河的补给。大气降水的补给源区一是通过盆地两侧的丘陵,低山区的基岩裸露区直接入渗,一是通过研究区内的砂砾石裸露区入渗补给各含水层;伊敏河水与地下水的关系为丰水季节伊敏河水补给地下水,枯水季节地下水补给伊敏河水。

由于各地层渗透性存在差异,地下水径流以在各地层中以顺层流动为主,汇集于盆地内各含水层中,在矿区疏排水的影响下,向露天矿疏干区排泄。地表水则以地表径流的方式,汇集于盆地低洼处,或渗透于第四系地层中或以蒸发的形式排泄。

2 数据来源与处理

2.1 植被样方调查

采样时间为2018年8月中旬。在地下水位埋深变化最为明显和连续的露天采坑至柴达敏诺尔湖地段设置1条调查样带(图3),每隔500 m左右布设1个样地,每个样地内设置5个1 m×1 m的草本样方。共布设8个样地,40个样方。在每块样地内进行群落学调查。记录样地内植物名称、株丛高度(Hi)、群落总盖度(C总)、种盖度(分盖度)(Ci),在样方内分别不同种类的植物齐地面剪下,分别称其鲜重,包装后带回实验室放置烘箱内,65℃下烘干至恒重后称其干重,以获取样方内每一种植物的生物量。

统计每个样地植被群落的植被类型、物种丰富度、植被盖度、地上生物量和综合优势比(Summed dominance ratio)。在综合优势比的基础上提出科综合优势比的概念,计算公式如下：

SDR科=(C科+W科)/2×100%

式中,SDR科为某一科植物在该样地植被群落中的优势度;C科为(某一科植物的总盖度/群落中总盖度最大的某一科植物的总盖度)×100%;W科为(某一科植物的总重量/群落中总重量最大的某一科植物的总重量)×100%。

2.2 地下水位埋深数据

本次研究根据1985和2014年地下水观测孔实测的地下水位埋深数据,在ArcGIS 10.2中通过克里金插值[30]获得与NDVI数据分辨率一致的地下水位埋深的网格数据。

2.3 遥感数据

归一化差值植被指数(NDVI)是目前广泛采用的反映植被生长状况的指数,NDVI值位于-1至1之间。负值表示地面覆盖为云、水、雪等;0表示地面为岩石或裸土等;正值表示地面有植被覆盖,且NDVI值随植被覆盖度增大而增大。本文分别选用1985年8月21日Landsat_5和2014年9月4日Landsat_7卫星数据,分辨率为30 m30 m,云量少,使用ENVI 5.1经过辐射定标、大气校正、裁剪等预处理后计算其NDVI值。

3 结果与讨论

3.1 区域植被指数变化

从研究区NDVI分布图中可以看出(图4),截止到2014年,由于露天煤矿开采,1985年研究区内存在的伊加诺尔、巴嘎诺尔两个湖泊已消失,露天煤矿采坑代替了两个湖泊的位置。北部柴达敏诺尔湖未受明显影响。将NDVI以0.1为间距分为10个区间,分别统计每个区间内NDVI的像元个数(图5)。结果表明,1985年NDVI主要集中在0.5—0.7之间,到了2014年,NDVI主要集中在0.4—0.6之间。

图5 1985年和2014年研究区NDVI像元个数统计图Fig.5 Histogram of the number of NDVI pixel of the study area in 1985 and 2014

3.2 地下水位埋深变化

据资料记载(内蒙古自治区伊敏煤田伊敏露天矿煤炭资源储量核实报告),华能伊敏煤电有限责任公司露天矿疏干工程于1983年投运,导致矿坑及其周围地下水水位持续下降。从1985年和2014年钻孔观测点监测的地下水位埋深插值图中可以看出(图6),1985年地下水位埋深分布在0—16 m,除西南部分地区外,研究区地下水位埋深基本上小于5 m,伊敏河岸和湖泊周围地下水位埋深最浅,分布在0—2 m;2014年,由于露天煤矿工程疏排地下水,使得以采坑为中心的研究区南部地下水位大幅下降,地下水位埋深最深处达111 m,研究区北部地下水位埋深受影响不明显。

图6 1985年和2014年地下水位埋深插值图Fig.6 Interpolation figure of groundwater depth in 1985 and 2014

3.3 NDVI对地下位埋深变化响应

1985年至2014年,伊敏煤矿开采疏排地下水导致研究区地下水位下降,同时,遥感数据表明,研究区植被也呈下降趋势,二者可能存在密切关系。为了进一步确定地下水位埋深和植被的响应关系,利用ArcGIS 10.2提取网格数据中相同位置的NDVI和地下水位埋深值,排除其他人为因素的影响,剔除研究区湖泊、居民区、耕地、采坑、排土场、污水库位置的栅格点,共获得8万多个数据对。由于数据量较大,将地下水位埋深以1 m为间隔,分别计算间隔内的NDVI均值,以代表不同地下水位埋深下的植被长势情况,建立1985和2014年的地下水位埋深和NDVI变化趋势图(图7)。

图7 1985年和2014年NDVI与地下水位埋深关系Fig.7 Relationship between NDVI and groundwater depth in 1985 and 2014

从图7可见,1985年,研究区地下水位埋深分布在0—16 m之间：在地下水位埋深在0—1 m时的NDVI最高;地下水位埋深在2—6 m时,NDVI较高,随着地下水位埋深的增大,波动不明显;当地下水位埋深超过6 m时,NDVI呈下降趋势。2014年,研究区地下水位埋深分布在0—110 m之间：地下水埋深在0—30 m时,NDVI值波动较强烈;地下水埋深在30—44 m时,NDVI值随着地下水埋深的增大而减小;地下水埋深在44—110 m时,随着地下水埋深的增大,NDVI基本不再变化。

以上结果表明,采矿引起的地下水埋深变化与研究植被有着密切的联系。但由于遥感方法存在一定的不确定性和限制,因此进行了野外样方调查,以进一步确定植被类型和各种植被指标与地下水埋深的关系。

3.4 植被群落特征对地下位埋深变化响应

3.4.1植被类型随地下水位埋深变化

据资料记载,至2011年末, 露天采坑周围地下水总降深最深处达111.04 m。至2014年,露天采坑的疏排水量已趋近一定值(径流量或降雨补给量),露天矿的疏干漏斗影响边界也已经基本稳定。结合2018年对样线A-A′上8个样地的植被类型调查结果,绘制露天矿区植被类型随地下水位埋深变化示意图(图8)。

图8 A-A′样线植被类型随地下水位埋深变化示意图Fig.8 Vegetation types changes with groundwater depth at A-A′ quadrat line图中H-S-1等表示样地点,具体位置参照图3

根据样方调查结果,将A-A′样线的植被划分为盐化草地、典型草原、退化典型草原、退化草甸草原、盐化草甸草原 5 种类型区域(图8)。H-S-1样地位于距柴达敏诺尔湖约40 m的湖岸一级阶地,该样地地下水埋深小于0.5 m,土壤盐渍化严重,群落的主要优势种是具有强耐盐碱性的碱蓬(Suaedaglauca(Bunge)Bunge)、盐地碱蓬(Suaedasalsa(L.)Pall.)和灰绿黎(ChenopodiumalbumL.);H-S-2样地位于距离柴达敏诺尔湖约800 m的湖岸二级阶地,该样地土壤无明显盐渍化现象,地下水位埋深约在1m,植被根系能很好地吸收利用地下水分,是研究区植被顶级群落的分布样地,群落类型是羊草(Leymuschinensis(Trin.)Tzvel.)+野大麦(HordeumvulgareL.)+贝加尔针茅(StipabaicalensisRoshev.)群落,其他伴生植物主要有苔草(Subgen.Carex)、马蔺(IrislacteaPall.var.chinensis(Fisch.)Koidz.)、猪毛菜(SalsolacollinaPall.)、狗舌草(Tephroseriskirilowii)等;H-S-3、H-S-4样地距离柴达敏诺尔湖约1000—2000m,地下水位埋深约在2—6m,群落类型为羊草+猪毛菜(SalsolacollinaPall.)的退化典型草原,藜科、蔷薇科等侵入种较多,伴生植物主要以黄花蒿、裂叶蒿(ArtemisiatanacetifoliaLinn.)、蒲公英(TaraxacummongolicumHand.-Mazz.)、星毛委陵菜(PotentillaacaulisL.)、碱韭(Alliumpolyrhizum)、猪毛菜等为主;K-N-1,K-N-2、K-N-3样地距采矿约300—2000 m,受露天矿疏排地下水影响,地下水位埋深约在6—40 m,群落类型是羊草+黄花蒿+猪毛菜+碱蓬为主的退化草甸草原,伴生植物以苔草、贝加尔针茅、日荫菅(CarexpediformisC.A.Mey.)、二裂委陵菜(PotentillabifurcaL)等为主;K-N-4样地距采坑约300 m,地下水位埋深约在40—60 m,位于受露天采矿活动影响较大的位置,同时由于露天采坑处在1985年时存在伊和诺尔和巴嘎诺尔两个盐湖,在距采坑位置较近的区域土壤盐分较高,故在该样地形成了以碱蓬+羊草为主的盐化草甸草原,伴生植物以黄花蒿、盐地碱蓬(Suaedasalsa(L.)Pall.)为主。

3.4.2群落物种丰富度分布特征及其变化

物种丰富度代表群落中物种数目的多少,是衡量群落多样性的重要指标。从图9中可见,随着距采坑距离的减少,地下水位埋深逐渐增大,样地的物种丰富度随之变化：在地下水位埋深为0.2 m的样地H-S-1,物种丰富度最低,仅发现了4种植物,这是由于该点虽然地下水位埋深较浅,水分充足,但是由于距离柴达敏诺尔盐湖岸距离过近,土壤盐渍化严重,故只能生长碱蓬等耐盐碱性植被。位于湖岸一级阶地的H-S-2样地物种丰富度最高,为25种,原因是由于该点土壤无盐碱化,且地下水埋深较浅,水分供给充足。在地下水位埋深位为2—38 m的H-S-3、H-S-4、K-N-1、K-N-2、K-N-3等样地,物种丰富度在12—21种,平均物种丰富度为15.8种,相对于地下水位埋深较浅的湖岸一级阶地下降了36.8%,但仍保持在研究区的中等水平,推测原因是由于该位置植被的水分来源已经不完全依赖地下水,部分或全部依赖降水供给水分,故该地植被仍能保持一个良好的生长状态,但相比能够利用地下水位的地下水位浅埋区的植被,物种丰富度仍有所下降。在地下位埋深为55 m左右的K-N-4样地,物种丰富度仅为5种,推测原因一是由于该点在开矿前位于盐湖附近,土壤盐渍化程度较高。二是距离采坑位置过近,受到采坑扬尘、人工干扰强烈,影响植被的生长。

图9 研究区不同样地物种丰富度比较Fig.9 Comparison on species richness in the different samples in the research area

3.4.3植被覆盖度和地上生物量分布特征及其变化

植被覆盖度代表样地内植株在地面的投影面积占样地面积的百分数,植被地上生物量代表样地内植物的地上重量的干重,两者均是反映群落生态优势的指标之一。由于植物群落物种组成和建群种、优势种的不同,植被覆盖度和地上生物量随地下水位的变化规律也不相同,并不能一概地将植被覆盖度和地上生物量高的群落视为生长状态最好的群落,需要通过不同生态类群植物盖度和地上生物量进一步分析。本文将植被覆盖度分为样地群落总盖度(图10)和样地植被种群科盖度(图11),将植被地上生物量分为样地群落总生物量(图10)和样地植被种群科重量(图11),其中样地植被种群科盖度为该样地中某一科植物的种盖度(分盖度)总和,样地植被种群科重量为该样地中某一科植物的重量总和。

从图9中可见,样线A-A′上植被覆盖度和地上生物量最高的样地均是H-S-1和K-N-4,但是其物种丰富度却极低,这是由于H-S-1和K-N-4的群落结构与其他样地不同的缘故。对比样地植被种群科盖度和科重量(图11)的分布情况,H-S-1样地禾本科植物盖度占群落总盖度的7.04%,藜科植物盖度占群落总盖度的92.96%,禾本科植物种群地上生物量占样地总地上生物量的10.45%,藜科植物种群地上生物量占样地总地上生物量的89.55%;K-N-4样地禾本科植物盖度占群落总盖度的20.49%,藜科植物种群盖度占群落总盖度的58.20%,禾本科植物种群地上生物量占群落总地上生物量的29.47%,藜科植物种群地上生物量占群落总地上生物量的56.09%。在样地H-S-1和K-N-4中,藜科是最占优势的植物种,而在其他样地中,植被群落科盖度和科重量最大的物种几乎都是禾本科。H-S-1和K-N-4样地植物种最主要的藜科植物是碱蓬和灰绿藜,这两种植物具有耐盐碱,生命力强的特点,故在生态恶劣的条件下仍能保持较高的植被覆盖度和地上生物量。

对比样地H-S-1和K-N-4样地植被种群科盖度和科生物量发现,相比于H-S-1,K-N-4的禾本科植物种群分盖度和地上生物量所占比例分别增大了13.45%和19.02%,而藜科植物种群盖度和地上生物量所占比例分别减少了34.76和33.46%。露天采坑在未开矿前时期存在着伊和诺尔和巴嘎诺尔两个盐湖,且矿区所在的伊敏盆地地势较低,地下水位高,普遍存在着土壤盐渍化象,主要发育着以耐盐性植被(碱蓬、马蔺)为主的盐化草甸。这一群落分布特征与位于柴达敏诺尔湖岸一级阶地的H-S-1样地非常相似,因此可将H-S-1样地的植物群落组成近似视为开矿前K-N-4样地位置的植被群落组成。与H-S-1样地对比后发现,K-N-4的禾本科植物种群盖度和地上生物量所占比例均有所增大,而藜科植物种群盖度和地上生物量所占比例均有所减少。这是由于露天矿疏干地下水将会造成一个以开采区为中心的巨大的地下水降落漏斗区,降落漏斗区地下水位降低可能会缓解矿坑周围地区的土壤盐渍化程度,使得土壤盐渍化作用减轻,发育的盐化草甸向盐化草甸草原方向发展。

对比H-S-2、H-S-3、H-S-4、K-N-1、K-N-2、K-N-3样地的植被覆盖度和地上生物量可以发现(图10、图11),H-S-2样地的群落总盖度和禾本科植物种群分盖度在6个样地之中均占有最高值,而H-S-3、H-S-4、K-N-1、K-N-2、K-N-3样地的群落总盖度、样地植被种群科盖度、群落总地上生物量、样地植被种群科重量相对来说均较为平均,无大的起伏波动。这也与样地物种丰富度规律变化得出的结论一致,即在地下水位埋深在1 m左右的湖岸一级阶地是研究区植被生长最好的区域;在距采坑300—2000 m的样地内,地下水位埋深位2—38 m,这一区域的植被的水分来源已经不再完全依赖地下水,在地下水埋深较深的区域,主要依赖降水供给水分,故该地植被仍能保持一个良好的生长状态。

图10 样地群落总盖度和总地上生物量Fig.10 Vegetation coverage and aboveground biomass of vegetation in the different samples

图11 研究区各样地之间植物群落科盖度和科地上生物量比较Fig.11 Comparison on familycoverageandfamily aboveground biomass in the different samples in the research area

3.4.4综合优势比分布特征及其变化规律

综合优势比是表征样地植物种群群落学地位以及生长状况的一种综合数量指标。综合优势比越大,植物种群的群落学作用越显著。通过对A-A′所有样地优势植物种群综合优势比的对比发现(图12),在样地H-S-1和K-N-4种,藜科植物是群落中最主要的优势种,而在H-S-2、H-S-3、H-S-4、K-N-1、K-N-2、K-N-3样地中,禾本科植物是群落中最主要的优势种,柴达敏诺尔盐湖湖岸一级阶地的H-S-1样地和距离采坑最近的K-N-4样地虽然在禾本科植物和藜科植物的优势分布上具有相似的群落结构,但是K-N-4样地中,菊科具有27.18%的综合优势比,而在H-S-1样地中却无菊科植物出现。这说明两者虽然有相似的群落结构,但是形成因素却有所不同。H-S-1样地位于湖岸一级阶地的强盐碱地中,除了碱蓬、灰绿黎、猪毛菜几种耐盐碱植物之外,其他植物几乎不能生长。而K-N-4样地菊科植被的出现,说明该样地虽然也存在土壤盐碱化的问题,但相对于湖岸一级阶地的土壤盐渍化作用已经有所减轻,这也验证了4.4.2中植被覆盖度和地上生物量的分布规律得出的结论。

图12 研究区各样地植物群落的科综合优势比的对比分析Fig.12 Comparison on family summed dominance ratioof plant population in the different samples in the research area

3.4.5植被生长的阈值地下水位埋深

结合遥感和植被样方两种方法,最终确定研究区影响植被生长的阈值地下水位埋深。地下水位埋深为1.1 m的H-S-2样地,物种丰富度、禾本科植被覆盖度、重量和综合优势比均最高,是研究区植被顶级群落的分布样地。同时,NDVI对地下位埋深变化响应(图7)表明,当地下水位埋深为1 m时,NDVI值较高,因此可将1 m作为最适合研究区植被生长的地下水位埋深;地下水位埋深为2—38 m的样地 H-S-3、H-S-4、K-N-1、K-N-2、K-N-3具有较高的物种丰富度、禾本科植被覆盖度、重量和综合优势比,从图7可以看出,当地下水位埋深0—30 m时,NDVI保持较高水平,因此1—30 m可作为维持研究区植被平均生长水平的地下水位埋深阈值。

4 生态敏感区划分及地下水利用政策建议

呼仑贝尔草原是世界著名的天然牧场,草原植被生长依赖于地下水,虽然相比于干旱地区,本区约355 mm年降雨量基本可以维持草原植被的基本生长,但从保护草原生态环境和物种多样性的角度, 制定合理的地下水开发政策仍至关重要。针对伊敏煤矿研究区,笔者划分出四级地下水敏感区(图13),并提出不同敏感区地下水资源开发利用对策。

图13 研究区地下水生态敏感区划分图 Fig.13 Division map of groundwater ecological sensitive area in the study area

一级敏感区：地下水位埋深1—2 m,主要分部在北部柴达敏诺尔湖周围。一方面,该区暂未受采矿疏排地下水的影响,另一方面,该区离盐湖较远,不受土壤盐渍化的影响。因此是本区植被生长状态最好的区域。在开采该区地下水时,要适当适量,必须维持该区目前的地下水位状况,避免地下水位下降引起植被退化。

二级敏感区：地下位埋深0—1 m,该区分为两部分：一是柴达敏诺尔湖周围的盐化草原,该区植被主要是耐盐碱植被,不能被草原畜牧业所利用,因此可适当开采该区地下水,降低土壤盐渍化,但由于该区具一级敏感区较近,在开采地下水时要注意对其的影响;二是伊敏河岸周围的湿地植被区域,植被吸收来源于伊敏河的水分,因此保持良好的生长状态。但需要注意的是矿区地下水的大量开采会破坏区域地下水平衡,使得伊敏河水被袭夺补给地下水,湿地植被生态受到影响。

三级敏感区：地下水位埋深2—30 m。该区地下水位埋深较深,植被生长主要依靠降雨,部分利用地下水,在对该区地下水进行开采时,要注意对部分地下水位埋深较浅区域的保护,使其生态风险在容许的范围之内。 同时考虑该区地下水开采对同一地下水系统内相邻的一级、 二级敏感区的影响。

四级敏感区：地下水位埋深大于30 m。该区位于采坑周围,植被已无法利用地下水,靠降雨维持生长。地下水的开采基本不会引起植被群落的变化。

5 结论

本文通过植被样方调查和遥感技术方法,分别建立了研究区植被类型、群落学指标(物种丰富度、植被覆盖度、地上生物量、综合优势比)和归一化植被指数(NDVI)与地下水埋深的关系。结合两种方法得出的结果,总结草原露天煤矿疏排地下水影响下植被对地下水埋深变化响应的结论如下：

(1)柴达敏诺尔湖至采坑边缘5000 km范围内,随着地下水位埋深从0—60 m波动,植被群落演替为盐化草地→典型草原→退化典型草原→退化草甸草原→盐化草甸草原。

(2)综合植被样方调查和遥感技术两种方法得到的区域地下水位-植被响应关系结果,得出研究区最适宜植被生长的地下水位埋深在1 m左右。1—30 m为维持研究区植被正常生长的阈值地下水位埋深。

(3)采坑周围地下水位埋深约60 m的样地植被群落组成的变化表明,地下水位的降低导致该区域土壤盐渍化程度降低。

(4)将研究区划分为地下水开发的一级敏感区、 二级敏感区和三级敏感区,针对不同敏感区应采取不同的地下水开发政策,防止敏感区地下水位下降是维持草原生态环境和物种多样性的关键。