含矿区小流域生境质量评估方法——以宝兴河流域锅巴岩矿山为例

许小龙杨星辰魏瑞龙程先琼叶成名王俪璇眭天波

1.成都理工大学地球勘探与信息技术教育部重点实验室,四川 成都 610059;2.中国地质科学院地质力学研究所,北京 100081;3.新构造运动与地质灾害重点实验室,北京 100081;4.自然资源部北京地壳应力应变野外科学观测研究站,北京 100081

0 引言

社会发展依托于生态环境,评价生态环境的指标要求能在一定程度上反映区域生态系统功能的完整性和多样性,响应为生物生存和发展提供适宜条件的能力(陈妍等,2016;刘纯军等,2021),当前最为常用的为生境质量指标(赵晓冏等,2020)。农业、工业、种植业的发展及城镇化建设对生态系统功能产生影响,尤其是水电站(赵培等,2020)、水库建设(黄强等,2017;文力,2020)等水利工程和矿山开采(关军洪等,2017;林梦婧等,2020;孙东生,2020)等大型地质工程,不仅破坏区域植被与土壤,影响土地利用格局,并产生废气废水、固体废物(黄铭洪和骆永明,2003),造成环境污染、水土流失(王硕果,2004;曹二勇等,2020),破坏生物多样性、生态系统自修复能力(方国华等,2018),生态景观格局发生改变 (龚斌等,2017;Gong et al.,2019)。为保护生态环境,国家在重要生态功能区、生态环境敏感区/脆弱区等区域划定生态红线(林勇等,2016),并实行“三线一单”生态环境分区管控方案(王孟等,2019),开展生态环境热点问题及评价体系研究(高云峰等,2018;许晓春等,2020),使生态可持续发展更具现实意义。

作为可以综合评价生境质量的模型——InVEST (Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs)模型被广泛应用于生态补偿(仲俊涛等,2020)、生态系统服务(谢余初,2015)、土地利用(冯舒等,2018;张学儒等,2020;薛晓玉等,2020)、土地整治 (钟莉娜和王军,2017)等不同的领域,在景观格局分析(黄木易等,2020)、生态系统服务功能(李尧等,2018)与价值评估(唐尧等,2015)等研究上获得了良好应用成果。目前国内外进行生境质量的研究较多,Ding et al.(2021)利用FLUS(Future Land Use Simulation)和InVEST模型相结合的方法建立模型框架,对东营市生境质量进行了空间特征和多情景分析。Gong et al.(2019) 将InVEST模型与NPP(Net Primary Productivity)指数、景观格局指数相结合,分析了甘肃省白龙江流域植物物种多样性在空间和时间上的变化。Aneseyee et al.(2020)针对埃塞俄比亚南部流域,分析了不同土地利用类型生境质量的时空变化。褚琳等(2018)利用CA-Markov模型和InVEST模型分析了武汉市景观格局和生境质量的时空演变关系。

生境质量与生物多样性有密切联系,通过分析生境质量的变化可以探究矿山开挖等人类工程活动对生态系统的影响。文章基于InVEST模型,评估了矿山区域的生境质量,具体以2000、2010和2020年为时间节点,全面研究了宝兴河流域锅巴岩矿山开采前后的土地利用转化情况,分析了矿山开采前后的生境质量及生境退化时空变化特征,旨在小流域的尺度下探索地质工程活动对生境质量的影响,为矿山区域的生态监测与修复提供科学支撑。

1 研究区概况

宝兴河流域位于四川雅安市宝兴县(图1),全县地势相差明显,地表崎岖,以高山、丘陵为主,最高处位于狮子山,高达5328 m,最低处仅有750 m。流域总体上地形为东南低、西北高,且山高谷深。河谷支流众多,“V”型沟谷异常发育,水系呈树枝状。宝兴河上游流经稳定,落差较大,流域面积为979.443 km2,气候属亚热带季风气候,多年平均降水量为933.7 mm。流域地表水主要来源为大气降水以及冰雪融水,以片流和径流的方式沿锅巴岩沟汇入东河。流域内地质构造复杂,坚硬岩体中各种裂隙发育,断裂带岩体及变质岩体十分破碎。流域内出露地层较齐全,除寒武系缺失,自早元古界至第四系均有出露,岩石类型较为复杂,东南部多为未变质的沉积岩系,西北部多为沉积变质岩系(王硕果,2004)。

图1 宝兴河流域区域概况图Fig.1 Regional overview maps of the Baoxing River Basin. (a) Administrative division map around Baoxing County. (b) Water system elevation map of the Baoxing River Basin. (c) Landsat-8 remote sensing image map of the Baoxing River Basin in 2020

锅巴岩大理石矿区(102.84°E;30.66°N)位于宝兴县蜂桶寨乡,处于四川盆地边缘邛崃山系南段,属中高山地貌。矿区地形起伏较大,相对高差653 m,山势陡峭,地形坡度35°～80°,沟底、崖壁局部地段有岩层间的岩溶裂隙,生态系统以林地和草地为主。矿山开采范围为0.3649 km2,主要产品为大理石荒料,该矿山资源储量为1.95×106m3,年开采大理石8×104m3。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

根据锅巴岩矿山的开采时间(2010—2018年),选取2000年、2010年、2020年三个时段的遥感影像作为基础数据。遥感影像从USGS网站(https://earthexplorer.usgs.gov/)获得,空间分辨率为30 m,2000年和2010年采用Landsat-5 TM数据,2020年采用Landsat-8OLI数据,选取6—9月夏季且云量低于10%的数据。使用ENVI对影像进行辐射校正、几何校正等预处理后,结合目视解译和监督分类生成研究区的土地覆盖数据。土地类型参考IGBP的LUCC分类分为林地、草地、耕地、建设用地、水域、裸地、积雪/冰川共7类。数字高程模型 (DEM)选取 ALOS数据(https://vertex.daac.asf.alaska.edu),空间分辨率为12.5 m,并采用ArcGIS进行水文分析,并基于河网和地形划定流域范围。

2.2 研究方法

2.2.1 转移矩阵

土地利用转移矩阵是指同一地区不同时相的土地利用类型的相互转换关系,从转移矩阵可知各个地类之间的转换情况。它不仅反映了某时间点的各类土地利用的面积,还包含各类土地利用前期转出和后期的转入信息,能够更好表述研究区土地利用时空变化过程。土地利用转移矩阵(乔伟峰等,2013)通用形式为:

公式中,S为面积;n为土地利用转移前后的类型数量;i(i=1,2,…,n)、j(j=1,2,…,n)分别为土地利用转移前、后的类型;Sij为土地利用转移前i型地类转换为转移后j型地类的面积。

2.2.2 生境质量

生境质量是指基于生存资源可获得性,生物繁殖与存在数量生态系统提供适合于个体和种群的生存条件的能力,也被认为是模型中一个连续变量,从低到中再到高。文章将研究区内的土地利用类型栅格、生境与胁迫因子之间的距离与权重、生境类型对胁迫因子的相对敏感度作为输入数据,采用InVEST模型中的Habitat Quality模块,来评估研究区内生境质量的优劣,它取决于一个生境对人类土地利用和这些土地利用强度的可接近性。

生境质量的计算公式为:

公式中,Qxj为土地利用类型j中栅格x的生境质量指数;Hj为土地利用类型j中栅格x的生境适宜度;k为半饱和常数;z为归一化因子,通常设置为2.5;Dxj为生境退化度,是指生境受胁迫因子影响所表现出退化的程度,计算公式为(陈柄任等,2016):

公式中,Dxj为土地利用类型j中栅格x的生境退化度;R为胁迫因子的个数;Wr为胁迫源r的权重;Yr为胁迫因子r的栅格数;ry为栅格y的胁迫强度;irxy为栅格y中胁迫因子r对栅格x的胁迫水平;βx∈[0,1]为生境抗干扰水平(1是指完全可接近性);Sjr为土地类型j对胁迫因子r的敏感度;dxy为栅格x和y之间的线性距离;drmax为胁迫因子r的最大作用距离。

通过选取特定的土地利用类型作为破坏生境质量的胁迫因子,将胁迫因子与土地利用类型建立联系,评价多时相下土地利用类型变化格局对研究区生境质量的影响。胁迫因子是对环境有害的或者人为干预因子,对土地利用类型的影响随距离增大按衰减类型减小。根据现有研究,结合当前数据,考虑到矿山开挖等地质工程人为活动会改变研究区的土地利用类型,选取建设用地,耕地,裸地作为影响矿山周边生境质量的胁迫因子。胁迫因子及胁迫强度需设置的参数包括权重、最大影响距离及衰减类型。土地利用类型对生境胁迫因子敏感度需设置的参数包括各土地类型的生境适宜度和各土地类型对胁迫因子的敏感度。在参考InVEST模型Habitat Quality模块说明、专家意见及相关文献(陈妍等,2016;钟莉娜和王军,2017;张学儒等,2020;刘纯军等,2021)的基础上,对相关参数进行设置(表1,表2)。

表1 胁迫因子及胁迫强度Table 1 Stress factors and their stress intensities

表2 土地利用类型对生境胁迫因子敏感度Table 2 Sensitivity of land-use types to habitat stress factors

3 分析与讨论

3.1 土地利用类型变化分析

锅巴岩大理石矿区附近生态实况表现为林地、草地、裸地构成土地利用主体类型,从2000到2020年,锅巴岩矿山的土地利用类型主要由林地向裸地转变。由表3可知,林地部分衰减,减少面积为6.61 km2,减少面积占比为15.11%,裸地与建设用地分别增加5.38 km2和1.87 km2,面积占比增加为12.30%和4.27%。

由于裸地和道路光谱相似度较高,在使用基于像元的分类方法时造成了误分类,从遥感影像上看,锅巴岩矿山周围的建设用地实际上是道路和裸露的岩体,集中分布在东河两岸及矿山北缘的山腰(图2)。利用转移矩阵描述从2000到2020年锅巴岩土地利用类型转移情况(表3),林地面积减少,主要集中在矿区中部及东北缘,裸地和建设用地面积增加,这表明锅巴岩矿山的持续开采,但开采程度不大,没有对周边的植被造成大范围影响,却仍导致了局部的土地退化,植被覆盖度降低。矿山项目建设施工期产生废水、废气、噪声,随着施工期的结束对环境的影响逐渐消失。

表3 2000—2020年锅巴岩矿山土地利用类型转移矩阵Table 3 Transition matrix of land-use types of the Guobayan Mineral District from 2000 to 2020

图2 锅巴岩矿山土地利用类型时空分布特征Fig.2 Spatial-temporal distribution characteristics of land-use types in the Guobayan Mineral District.(a) Remote sensing image of the Guobayan Mineral District in 2000.(b) Remote sensing image of the Guobayan Mineral District in 2010. (c) Remote sensing image of the Guobayan Mineral District in 2020.(d) Land-use types of the Guobayan Mineral District in 2000.(e) Land-use types of the Guobayan Mineral District in 2010.(f) Land-use types of the Guobayan Mineral District in 2020

3.2 生境质量时空分析

生境质量指数的取值范围是0～1,该值越趋近于1表明区域的生境质量越好。采用InVEST模型的Habitat Quality模块,得到锅巴岩矿山2000、2010、2020年的生境质量结果,并利用自然断点法将研究区的生境质量等级划分为低、较低、中等、较高、高5个等级(图3)。从空间分布来看,低质量与较低质量等级区域主要分布在矿山中部及边坡,其生境质量易受损并胁迫周围区域,对应的地类为裸地和建设用地。据矿山生境质量空间统计(表4),锅巴岩矿山的生境质量指数从2000年0.9234到2020年0.8618,表明矿山的生境质量有所下降;生境质量指数的标准差从0.2389增加到0.3134,说明矿山空间上生态质量的差异在扩大;生境质量低等级面积从2.57 km2到4.69 km2,面积增加2.12 km2,占比增加4.84%;生境质量高等级面积从31.94 km2到20.59 km2,面积减少 11.36 km2,占比减少25.96%,表明矿山受山地环境和人为活动的双重干预,生境脆弱区域的面积有所扩大。

表4 锅巴岩矿山生境质量空间统计Table 4 Spatial statistics of the habitat quality in the Guobayan Mineral District

图3 锅巴岩矿山生境质量时空分布特征(2000—2020年)Fig.3 Spatial-temporal distribution characteristics of the habitat quality in the Guobayan Mineral District (2000-2020)

总体上看,矿山的持续开挖导致裸地挤占草地和林地,使矿山生境质量受损并胁迫周围区域的生境。含矿小流域的生境质量与土地利用格局之间具有相关性,且受自然因素、人类工程活动而发生改变。

3.3 生境退化时空分析

由锅巴岩矿山2000至2020年的生境退化分布可以看出(图4),生境退化空间分布特征明显,较强退化的区域分布在矿山和相邻山体,逐渐向周边扩增,退化弱和较弱的区域主要分布在矿山周围植被覆盖度较高的区域。据矿山生境退化空间统计(表5),退化强的区域面积从2000年3.28 km2到2020年4.76 km2,面积增加1.48km2,占比增加3.40%;弱退化区域的面积从12.22 km2到9.66 km2,面积减少2.56 km2,占比减少5.83%;矿山生境退化的指数由0.0113增加到0.0159,表明矿山生境退化的区域由矿山向周边扩增,没有对周边的生态造成大范围影响,但还是导致了局部的土地退化,并有向河流边缘和低缓山地蔓延的趋势。得出含矿小流域的生境退化与土地利用之间具有相关性,受到人类工程活动及土地利用政策的影响发生改变,适时可以考虑开展修复工作。

图4 锅巴岩矿山生境退化时空分布特征(2000—2020年)Fig.4 Spatial-temporal distribution characteristics of habitat degradation in the Guobayan Mineral District (2000-2020)

表5 锅巴岩矿山生境退化空间统计Table 5 Spatial statistics of habitat degradation in the Guobayan Mineral District

3.4 讨论

文章以宝兴河流域为例,基于InVEST模型,利用遥感技术对流域内的重点工程锅巴岩矿山的土地利用变化情况进行了信息提取,经研究区域本地化修正后,评估了矿山区域的生境质量,以2000年、2010年和2020年为时间节点,全面研究了宝兴县流域锅巴岩矿山开采前后的土地利用转化情况,分析了矿山开采前后的生境质量及生境退化时空变化特征。InVEST模型引入国内后,已应用于多个领域,取得不错的效果,但模型本身仍存在不足之处。胁迫因子、胁迫强度及土地利用类型对于胁迫因子的敏感性等参数设定没有统一标准,主观误差较大,造成了相关研究在不同区域上差异较大。模型在应用过程中未来仍需进一步改进,加强参数修正与本地化应用。未来不仅需要通过多时相的遥感影像评估监测研究,同时也需在野外验证及实际调研的基础上,进一步探索地质工程活动对生态的影响。

4 结论

文章研究了地质工程活动在小流域内引起的生境质量影响,得出以下结论:

(1)锅巴岩矿山的土地利用类型主要由林地向裸地转变,受山地环境和矿山持续开挖的影响,导致裸地挤占草地和林地;矿山开采程度不大,没有对周边的生态造成大范围影响,但还是导致了局部的土地退化,植被覆盖度降低。

(2)锅巴岩矿山的生境质量有所下降,区域整体的生境质量差异在扩大,生境质量较低的区域主要分布在矿山中部及边坡,生境质量易受损并胁迫周围区域;矿山的生境退化较强的区域分布在矿山和相邻山体,逐渐向周边扩增,并有向河流边缘和低缓山地蔓延的趋势,适时可以考虑生态修复。

(3)含矿小流域的生境质量、生境退化与土地利用格局之间具有相关性,且受自然因素、人类工程活动及土地利用政策的影响而发生改变。

(4)今后需在野外验证及实际调研的基础上,加强InVEST模型参数修正与本地化应用,通过多时相的遥感影像评估监测研究,深入探究地质工程活动对生态的影响。