湖下煤炭开采对湿地生态系统影响的遥感调查——以南四湖为例*

吴 敏，陈赞旭，张绍良

(1.江苏省有色金属华东地质勘查局，江苏 南京 210007；2.中国矿业大学 环境与测绘学院，江苏 徐州 221116)

煤炭开采对陆地生态系统、陆地自然保护区的影响很直观，如沉陷积水、地表裂缝、滑坡、植被群落消失、地表景观破碎等[1-2]。然而，当在湖下采煤时，湖泊生态系统的响应及其机理很复杂，目前研究还不充分[3]。

南四湖是我国第六大淡水湖，山东省内最大淡水湖泊，是南水北调工程的重要节点，成为我国科学研究的重点与热点区域。南四湖赋存丰富的煤炭资源，湖下采煤历史长达30余年，是湖下开采对湿地生态系统影响研究的理想案例。现有南四湖的学术文献多达1 100余篇，主要集中在水文特征[4-5]、土地利用格局[6-7]、生态系统服务功能[8-9]、生物多样性[10-11]等方面，而对煤炭开采的生态效应的关注度很低。已有研究表明，近些年南四湖的水质逐步改善，但浮游藻类数量、水文动力、气候因子等影响湖泊水质水平[5,12]；农业化肥、农药污染和工业污染物排放，围湖养殖、造纸、人工水产养殖等不合理的资源开发造成水质恶化[13]；鸟类种群增加，越来越多的候鸟及旅鸟在此栖息、觅食及居留，表明该水域栖息条件有所改善[11]。这些结论似乎间接证明了南四湖的湖下采煤对生态系统影响较小，甚至有促进作用。但是，由于缺少煤炭湖下开采对其生态系统影响的长期监测，湖下采煤对其湿地生态系统影响的科学技术鉴定存在一定的难度。

为此，本文以南四湖自然保护区为例，利用过去30 a长时间序列遥感影像，通过解译和动态比较湖内开采区域的景观格局、水域面积、水体深度、叶绿素、植被覆盖等的时空变化特征，分析和评价湖下采煤对南四湖生态环境的影响特征、影响程度和影响强度，以此揭示湖下采煤对湿地生态系统的作用规律。

1 研究区概况

南四湖位于山东省济宁市微山县境内(34°27′～35°20′N，116°34′～117°24′E)，如图1所示，是华北地区最大的淡水湖泊，是南水北调工程中重要的地表水调蓄区。该区域属于典型的暖温带、半湿润季风气候，年均气温13.7 ℃，年均降水量约750 mm。南四湖为内陆湖泊湿地生态系统，具有丰厚的自然资源与生物多样性资源。研究区是众多珍稀濒危物种的栖息地，也是候鸟迁徙的重要停歇地。由于受人类活动和气候变化的影响，其生态环境遭受破坏，2003年山东省政府批准建立省级南四湖自然保护区，面积1 275 km2，占微山县面积的71.7%。

以研究区内的枣矿集团6处矿井和微矿集团1处矿井作为研究对象，分别是高庄煤业公司、付村煤业公司、新安煤业公司、滨湖煤矿、三河口矿业、湖西煤矿和崔庄煤矿。枣庄集团建于1982年，湖下采煤始于1992年，此前以湖边的陆地煤层作为主采区。进入21世纪，湖下的煤炭开采活动逐渐变得活跃，湖下煤产量最高达到700万t/a，湖区开采面积达163.16 km2，压覆煤炭可采储量2.16亿t。

图1 南四湖省级自然保护区位置图

2 数据和方法

2.1 遥感数据准备与预处理

考虑到遥感影像的质量和易获取性，同时为了全面解译研究区景观变化，选择6～9月植被生长最旺盛的季节并确保云量低于10%，选取1985年6月25日、1992年5月27日、2005年6月16日和2011年6月1日的Landsat5 TM影像以及2017年7月24日Sentinel-2影像，数据源于地理空间数据云(www.gscloud.cn)。利用ENVI软件进行同期影像几何校正、镶嵌裁剪等预处理，投影参考坐标统一为WGS_1984_UTM_Zone_50N。

2.2 土地利用分类方法

土地利用结构是揭示区域生态环境变化的最直观指标，表明人类活动的强度和土地开发利用程度[6,8]。根据相关文献[6-8]并结合实地调查，将南四湖自然保护区分为灌溉水田、林地、湖泊、河流、台田鱼塘、沼泽湿地及建筑用地等7种类型。土地利用分类通过遥感影像监督分类完成，兴趣区类别判读特征如表1所示。

表1 遥感分类目视解译判读样本特征

2.3 生态参量反演方法

遥感技术可为湖泊的水环境监测与植被监测提供重要手段[14]，选取水体、水深、叶绿素a浓度、植被覆盖度等生态参量的反演。湿地水文过程主导着湿地生态系统的基本生态格局和生态过程[4,15]，是湿地生态系统的结构和功能的决定性因素。其中，水体代表着湿地规模，而湿地规模是生态系统稳定性的基础，水体变化对生态系统服务价值的维持起到关键作用[8]；水深影响着沉水植物群落、水生动物的生长环境[10]，间接地改变湿地生态系统[16]；叶绿素是湖泊水体的重要水质参数，其含量变化反映初级生产力的分布，更能有效反映水质的富营养化程度[17]。湿地植被是生态系统能量来源，其变化对生态系统功能的维持影响显著[18]。

归一化差异水体指数(Normalized Difference Water Index，NDWI)可以最大程度地抑制植被信息，突出水体信息，有效地将水体与植被及山体阴影等信息区分开[19]。公式见式(1)：

NDWI=(RGreen-RNIR)/(RGreen+RNIR)

(1)

在开采沉陷区、非开采沉陷区、鱼类养殖场、航道、港口、湖边等共设置监测点120个，利用GPS进行定位。在船上布设垂线(最小刻度1 cm)测量监测点的水体深度，每个采样点测量3次，取平均值作为水深数据。有效数据98个，随机抽取58个作为训练集，40个用作模型验证。利用实地水深测量数据与对应遥感影像光谱值，建立多波段组合线性回归模型[19-20]，判定系数R2为0.907，拟合效果较好，精度较高，可用于模拟预测各个区域的水深。公式见式(2)：

Depth=[32.804+3.625×ALOG(RBlue)-10.074×ALOG(RRed)+16.638×ALOG(RNIR)]

(2)

在上述监测点采集水体表面以下5～10 cm处表层水，放置于盛冰块的保温箱，参照《水和废水监测分析方法》(第四版)标准测定叶绿素a(Chlorophyll-a, Chl-a)。有效数据102个，随机抽取60个作为训练集，42个用作模型验证。利用实地叶绿素a浓度测定数据与对应遥感影像光谱值，建立多波段组合线性回归模型[21-22]，判定系数R2为0.903，拟合效果较好，精度较高。公式见式(3)：

Chl-a=6.277+59.704×(RNIR/RBlue)

(3)

归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index，NDVI)是基于植被叶绿素在0.69 μm处的强吸收，通过红光和近红外波段的组合实现对植被信息状态的表达，能够较为准确地反映植被的覆盖程度、生长状况、生物量以及光合作用强度[18]，因此，常被直接或间接地用于研究植被活动。公式见式(4):

NDVI=(RNIR-RRed)/(RNIR+RRed)

(4)

以上公式中，RBlue为蓝光反射值；RGreen为绿光反射值；RNIR为近红外光谱反射值；RRed为红光反射值。

3 结果与分析

3.1 土地利用类型变化

将湖泊、河流、沼泽归并为自然湿地，灌溉水田和台田鱼塘归并为人工湿地，建筑用地和林地及其他用地归并为非湿地用地。1985～2017年研究区的土地利用类型变化如图2所示，湖泊减少了164.88 km2，河流增加了1.07 km2，沼泽减少了335.46 km2，灌溉水田增加了77.63 km2，台田鱼塘增加了531.16 km2，建筑用地建少了27.94 km2，林地及其他减少了81.59 km2。总体来说，南四湖自然保护区主要以天然湿地和人工湿地为主，非湿地面积占比很小。最显著的土地利用变化是天然湿地转化为人工湿地，天然湿地被大规模开发，面积大幅锐减，占比由1985年的80%减至2017年的41%；相应的，人工湿地面积在1985年仅占总面积的7%左右，而在2017年扩张至54%，成为区域内最主要的景观类型。

图2 1985～2017年南四湖自然保护区土地利用类型

分析7处生产矿井与南四湖保护区重叠区的景观格局变化，与南四湖的整体变化趋势相近，天然湿地减少，人工湿地增加，如图3、图4所示。天然湿地的缩减主要是沼泽地的减少，其次为湖泊和河流。而人工湿地的扩张主要是台田鱼塘的急剧增加，当地产业结构调整为以水产养殖业为主，台田鱼塘逐渐成为景观优势类型。同时，灌溉水田在总体上有一定的增长。特别是在1992年期间，湖泊、沼泽、台田鱼塘、建筑用地和林地变化最大。2017年与1985年相比，自然湿地减少了4.13%，人工湿地增加了22.58%，非湿地面积减少了18.45%。

图3 1985～2017年滨湖、新安和湖西矿区与保护区的重叠区景观类型变化

图4 1985～2017年高庄、付村、三河口和崔庄矿区与保护区的重叠区景观类型变化

3.2 水域面积变化

煤炭开采导致地表沉陷，部分区域发生积水，形成新增水体[2,23]；南水北调过程中水资源的调入调出影响水体[14]；年际降雨的不均也使得水体不断变化[4]。对于非沉陷区样地，随着水位波动，水域面积及其所占比例会逐年变化。对于沉陷区样地，除正常水位变化引起的水域变化外，开采沉陷也会改变水域面积。为此，通过比较沉陷区和非沉陷区的水体时序变化，以分析采煤沉陷对水体的影响。

依照遥感影像、井上下对照图、沉陷预计等基础数据，判定南四湖内的沉陷区和非沉陷区。在沉陷、非沉陷区分别选取一定面积的样地，尽量确保两类型样地在水文、地形、土地利用、环境管理条件等相似。依次统计1985～2017年沉陷区样地和非沉陷区样地内水域面积及其占样地总面积的比例。将两类型水域变化面积的差值作为采煤沉陷对水体的影响面积。如表2所示，各煤矿1985～2017年的湖区井田内水域面积分别增加了3.16 km2、2.27 km2、2.76 km2、2.51 km2、0.00 km2、2.95 km2、2.58 km2，而因采煤沉陷导致水域增加的比例分别为76.67%、87.16%、75.58%、28.51%、0.00%、53.29%、48.71%，由此获得因采煤沉陷增加的水域面积,分别为:2.42 km2、1.98 km2、2.09 km2、0.72 km2、0.00 km2、1.57 km2、1.26 km2，总计10.04 km2。

表2 7处生产矿井采煤沉陷对南四湖内水域面积的影响

3.3 水体深度变化

采煤工作面的掘进过程改变地下岩层应力平衡状态，引起岩层破断下沉，传递至地表造成地表沉陷。湖下采煤活动造成沉陷，改变水下地形，进而对区域的水深造成影响。通过研究沉陷对水域的影响，可以确定因采煤导致的积水区域。考虑到在正常情况下水深随湖区水位波动发生变化，对比分析沉陷区、非沉陷区的水位变化，并利用二者平均加深量的差值以获取采煤沉陷导致的水深增量。

由图5、图6可知，从1985年到2017年，开采区域的平均水深从1.93 m上升到3.25 m。1985～1992年水深均在4 m以下，2005年出现大于4 m的水域，2011年和2017年大于4 m的水域面积分别达到10.69 km2和36.93 km2。其中，大于6 m的水域分别达到3.11 km2和17.90 km2，同时，小于2 m的水体面积明显增加。2017年各深度的水域占比分布更加均匀。这表明湖下采煤对水体深度起到了直接作用。水深的增加有利于航运和南水北调，也为生物多样性提供了物理基础。

图5 1985～2017年滨湖、新安和湖西矿区与保护区的重叠区水深时序变化

图6 1985～2017年高庄、付村、三河口和崔庄矿区与保护区的重叠区水深时序变化

3.4 水质变化

叶绿素a是南四湖调蓄湖富营养化水平的限制性因子[15]，也是水体中具有光学活性的重要物质[14]。利用遥感手段选取叶绿素含量反映水质变化，从而实现研究区全空间、长时间序列的覆盖，反演结果如图7、图8所示。

图7 1985～2017年滨湖、新安和湖西矿区与保护区的重叠区叶绿素时序变化

图8 1985～2017年高庄、付村、三河口和崔庄矿区与保护区的重叠区叶绿素时序变化

在时间分布上，叶绿素含量未呈现出明显的变化规律，叶绿素平均浓度为19.38～45.85 mg/m3。1985～2005年呈上升趋势，在2005年达最大值，2005～2017年呈下降再上升的趋势。在空间分布上，叶绿素含量高的区域面积持续扩大，主要为水深植被密集区，这与沉水植物的大量分布有关，如荷花、芦苇、睡莲等，也与水体富营养化有关。为此，水质变化可能受季节变化及其他地表活动的影响，与矿区的位置分布未表现出明显规律。

3.5 植被覆盖度变化

植被是表征生态系统物质循环和能量流动的基础，选取NDVI作为评价指标，将植被覆盖度划分为五个等级：低植被覆盖度(0～15%)、中低覆盖度(15%～30%)、中等覆盖度(30%～60%)、中高覆盖度(60%～80%)、高覆盖度(80%～100%)。

由图9、图10可知，1985～2017年植被覆盖度的平均密度从0.24降低到0.18。其中，无植被覆盖区域面积经过波动后，出现小幅下降，主要来源于水域面积的增大，部分陆地转变为水域。同时，中等、中高、高覆盖度区域也出现不同程度的减少，分别下降了8.61%、2.53%、1.74%，而低等、中低等植被覆盖度区域出现上升，分别增加了9.45%、5.54%。结合实地调查发现，研究区在1985～2017年经历过多次农田整治，原有的植被结构和组成发生了较大变化，同时，年度间季节变化的差异也是造成植被覆盖度变化的原因。总体来看，1985～2017年，开采区域的水体面积不断增大，深水体加大，湖区周边陆地逐步转变为水域。

图9 1985～2017年滨湖、新安和湖西矿区与保护区的重叠区植被覆盖度变化

图10 1985～2017年高庄、付村、三河口和崔庄矿区与保护区的重叠区植被覆盖度变化

4 讨 论

湿地生态系统的变化，既是气候等自然因素作用的结果，也是人类活动作用的结果[24]。遥感监测表明，在1985～2017年间，南四湖湿地水域面积增大，平均水深增加，平均植被覆盖度降低，低等、中低等植被覆盖度的面积出现上升；河流、沼泽、建筑用地和林地面积减少，灌溉水田和台田鱼塘面积增大。在景观格局方面，南四湖自然湿地萎缩，人工湿地扩张[6,7,25]。可见，南四湖生态环境质量变化主要是人类活动的结果，包括围垦养殖、南水北调工程、煤炭开采等[3,4,24]。

煤炭开采对南四湖生态系统有影响，但以正向影响为主。南四湖自然保护区主要是沼泽湿地或者浅水湖泊，在开采沉陷后，增加了中等水深的面积，演变为具有一定坡度变化的潜水湿地或永久性湖泊[23]。在原陆地区域，沉陷新增了湿地面积，使得多年退化和开发的湖区重新退还为湿地或者水域，累计新增水域和湿地31.46 km2。在沉陷区的浅水地带，沉陷会导致水深加深，原有水生植物、底栖动物演替转移，占湿地面积的21%。水深影响沉水植物群落物种多样性，根据生态位空间理论及中度干扰假说可知，中等水深的物种多样性最高[10]。此外，湖泊水位下降，可能因营养丰富的湖泊底泥促进植被疯长[18]，也可能因生长环境的改变使植被发生退化，对湖区大型动物的栖息和繁殖也造成了不利影响[6]。为此，新增湿地为沼泽环境活动的动植物创造了大量的生境资源。在深水地带，如航道区域、永久性湖泊水域，沉陷扩大了库容，对生态系统功能和结构维持有积极作用[8,26]。水域叶绿素含量高的空间分布也覆盖着采煤沉陷区，表明该区域水质也有变差趋势，不过这是否由采煤活动引起的，还有待进一步研究。

南四湖遥感监测表明，南四湖保护区内显著的土地利用变化为沼泽地转化为台田鱼塘，由此也推动了该区域由天然湿地景观向人工和天然混合型湿地景观的转变。陆地区域内的植被覆盖度呈现增加趋势，沼泽区域芦苇、荷花、莲藕等水生经济植物面积增加[24]，也提高了植被覆盖度，这和煤炭开采关联度不大。叶绿素监测结果表明，南四湖水体叶绿素含量自1985～2005年不断提高，此后波动变化，但是高含量区域面积持续扩大，表明湖区开发强度在加强[14]。

利用长时间遥感影像序列监测湖下采煤对湿地生态系统的影响是有效的，可大大提高效率，降低成本，动态对比分析，形成真实客观的数据链，为采煤活动对湿地生态系统影响提供可靠的信息。但是遥感监测水质、水深的模型还有待改进，结合实地调查数据，修正模型，可提高其精度。

5 结 论

由于全球气候变化和人类活动的不断加剧，湿地生态系统的变化是多种因素综合作用的结果。其中，湖下采煤会引起湖底沉陷，影响着水域面积、水体深度，为水生动植物提供了新的生境，改变了南四湖湿地生态系统。通过1985～2017年长时间遥感影像序列反演土地利用类型、水体、植被等，结果表明，南四湖生态系统要素持续演替，自然湿地面积减少，人工湿地面积增加，具体为河流、沼泽、建筑用地和林地面积减少，灌溉水田和台田鱼塘面积增大。采煤区域水体面积增大，平均水深增加，平均植被覆盖度降低，叶绿素含量高的区域增加。