露天矿区植被协同演变多源数据时序分析——以准格尔矿区为例

为揭示露天煤矿排土场复垦区人工植被与矿区外围未扰动的原始植被间的协同演变规律,研究基于Landsat TM/OLI与MODIS卫星遥感数据,结合气象台站观测数据,采用一元线性回归法,分析准格尔矿区1988—2020年的归一化植被指数（NDVI）与植被覆盖度的时序变化,对Landsat卫星热红外波段数据反演得到准格尔矿区自2000年以来的地表温度变化,此外,在ArcGIS平台下计算得到矿区及其周边区域干旱指数的空间分布及时序变化。研究结果表明,33 a来准格尔矿区外围未扰动区域植被覆盖度呈整体上升趋势,由1988年建矿初期的37%上升到2020年的63%,排土场人工植被区面积由1994年首次出现时的15.49 hm²增长到2020年的1 694.86 hm²;矿区5 km缓冲区范围内74.74%的植被得到中度改善;矿区地表温度呈下降趋势,干旱级别由干旱降为正常。综合多项结果表明,准格尔矿区自1988年建矿至今,矿区内部排土场人工生态修复与外围未扰动原始生态环境均得到改善,主要原因是露天煤矿排土场土地复垦与煤炭开采同时进行,随着复垦规模及强度的增...     

乡宁矿区植被覆盖度动态监测与评价

利用2010年和2014年2个时相的TM遥感影像为数据源,以归一化植被指数(NDVI)像元二分法为植被覆盖度估算模型,计算了晋中煤炭基地乡宁矿区近5年的植被覆盖度,生成了不同时序的植被覆盖度分布图和植被覆盖度变化图,以此分析乡宁矿区植被覆盖度的时空变化。结果表明,乡宁矿区在2010年~2014年其植被覆盖度呈退化趋势,整个矿区植被覆盖退化面积占总面积的33.38%,而植被覆盖改善面积仅占总面积的4.34%。从空间上来看,植被退化主要集中在煤炭开采区,因此可通过遥感手段计算煤炭矿区植被覆盖度的变化以评价煤炭开发而引起的生态环境效应。     

基于GEE云平台的黄河流域植被覆盖度时空变化特征

植被覆盖度是土地生态的重要指示因子,黄河流域横跨中国地形三大阶梯,是国家重要的生态屏障,同时也是重要的经济地带和"能源流域"。为揭示长时序黄河流域及其煤炭富集地区土地生态变化状况,基于Google Earth Engine(GEE)平台,对1987—2020年黄河流域共40 525景Landsat TM/ETM+/OLI遥感影像进行批量去云、融合和NDVI云计算等处理,获取34 a的植被覆盖度数据。综合利用最大值合成法、像元二分模型、一元线性回归趋势性分析和F检验等方法对黄河流域及流域内煤炭国家规划矿区植被覆盖度的时空变化特征进行定量分析;在此基础上逐一识别地形因子和气候因子对黄河流域及其规划矿区植被覆盖度的影响。结果表明:(1) 34 a间黄河流域的平均植被覆盖度由1987年的0.457 4上升至2020年的0.581 7,同期流域内煤炭国家规划矿区则由0.355 6增至0.536 1,2者呈现一致的波动上升的趋势;(2)时序趋势变化类型构成中,黄河流域植被覆盖度改善的面积(33.19%)远大于植被覆盖度退化的面积(3.55%)。规划矿区内植被覆盖度改善面积占比高于黄河流域,但其植被覆盖度仍明显低于黄河流域平均水平;(3)黄河流域多年平均植被覆盖度空间差异明显,除宁夏平原、河套平原等地外,主要呈现南高北低、由东南向西北递减的趋势;(4)黄河流域及规划矿区地形因子对植被覆盖度的影响表现为高程坡度坡向,气候因子的影响表现为气温降水量。降水量和气温对于规划矿区的植被覆盖度的影响均小于对整个黄河流域的影响。土地利用类型变化促进了黄河流域植被覆盖变化趋势类型的多向性;(5) 44个煤炭规划矿区中,彬长矿区和乡宁矿区植被覆盖度改善相对更为显著,石炭井矿区和包头矿区退化面积占比相对高。研究表明:应用长时序、多源数据能够客观揭示黄河流域及规划矿区植被覆盖度时序和空间变化异同特征,为科学认识与评价整个流域及规划矿区生态状况、制定生态保护修复政策等提供数据支撑,今后针对植被覆盖度时空差异的形成机理仍需进一步深入分析。     

基于多时相遥感数据的矿区地表植被与土壤变化监测

基于多时相的Landsat遥感数据,以陕西省榆林市大柳塔矿区为例,通过图像处理得到地面归一化植被指数(NDVI)和土壤指数两个研究要素,结合矿区采掘工作面,提取了采区和非采区样本点的时序数据,使用单一变量法对比分析其时序变化情况,并对研究区域的植被和土壤未来变化趋势作了预测。结果表明:矿井工作面采掘活动破坏了地面植被和土壤的稳定性,降低了其对环境影响的抵抗和恢复能力,矿区植被覆盖度逐年增加,但是土壤受侵蚀情况严重;在未来几年内,大柳塔矿区的植被覆盖度会持续增加,土壤较容易受到侵蚀,特别注意地面采矿活动区域和受扰动影响区域的土壤保护,改善土壤退化现状。     

晋城市煤矿开采对植被覆盖度的影响研究

煤炭开采造成了生态环境的破坏,严重影响了矿区的可持续发展。为探究煤矿开采对地表植被覆盖度的影响,文章结合当前的研究趋势及数据的可获得性,以晋城市1987—2011年Landsat TM遥感数据和晋城市煤矿分布图为依据,利用ENVI 5.1中的Flaash进行辐射定标、大气校正以获得辐射亮度值,通过拼接、裁剪、波段运算得到DVI、NDVI、PVI 三种植被指数的平均值,通过对比分析这3种植被指数长时序的变化,获得矿区和非矿区地表植被覆盖度的变化趋势。此外,采用SPSS软件中单因素方差分析法探究矿区与非矿区之间的植被覆盖度差异。研究显示：1）矿区与非矿区DVI、NDVI的p值分别为0.048、0.036,均小于0.05,表明矿区的植被覆盖度显著低于非矿区植被覆盖度,且矿区DVI、NDVI值较非矿区分别低199.103、0.070;2）矿区DVI和NDVI值在2009年附近发生转折,植被覆盖度年平均上升率达到24%,表明煤矿兼并重组政策对于生态环境改善有一定的正向影响。     

基于像元二分法的大宁矿区植被覆盖度研究

为探究山区矿区内植被覆盖变化情况,以大宁矿区为例,基于1998—2017年Landsat影像,通过选取7个时期的数据代入像元二分法模型中,反演出矿区不同时期的地表植被覆盖度（Fractional Vegetation Cover,FVC）,同时利用Sen+Mann-Kendall趋势分析方法计算了矿区植被覆盖度变化趋势。通过研究大宁矿区不同时期植被覆盖度的时空变化特征及变化趋势,结合井下工作面开采活动,定量分析了研究 区19 a植被覆盖度的时序变化特征,并根据研究区情况提出了合理建议。研究表明：①1998—2017年,研究区整体植被覆盖面积增加了4.724 1 km2,变化趋势为平缓向好的发展趋势,矿区植被覆盖面积占比达到 87.52%,主要得益于相关环境保护与生态建设政策的实施以及矿区所处环境的影响;②通过分析2005—2010年间地表植被对开采活动的响应,发现工作面开采后植被覆盖面积均小于开采前,说明开采活动会导致矿区 植被减少,使矿区生态环境遭到破坏;③通过对矿区整体与矿区工作面的地表植被覆盖度反演发现,研究区植被覆盖度与矿区开采活动在时间和空间上具有一致性。     

晋城市煤矿开采对植被覆盖度的影响研究

煤炭开采造成了生态环境的破坏，严重影响了矿区的可持续发展。为探究煤矿开采对地表植被覆盖度的影响，文章结合当前的研究趋势及数据的可获得性，以晋城市1987—2011年Landsat TM遥感数据和晋城市煤矿分布图为依据，利用ENVI 5.1中的Flaash进行辐射定标、大气校正以获得辐射亮度值，通过拼接、裁剪、波段运算得到DVI、NDVI、PVI 三种植被指数的平均值，通过对比分析这3种植被指数长时序的变化，获得矿区和非矿区地表植被覆盖度的变化趋势。此外，采用SPSS软件中单因素方差分析法探究矿区与非矿区之间的植被覆盖度差异。研究显示：1）矿区与非矿区DVI、NDVI的p值分别为0.048、0.036，均小于0.05，表明矿区的植被覆盖度显著低于非矿区植被覆盖度，且矿区DVI、NDVI值较非矿区分别低199.103、0.070；2）矿区DVI和NDVI值在2009年附近发生转折，植被覆盖度年平均上升率达到24%，表明煤矿兼并重组政策对于生态环境改善有一定的正向影响。     

地下采煤扰动影响土地利用时空演变研究

为了揭示地下采煤扰动影响区地表演变特征,选择太原西山矿区杜儿坪煤矿的南三盘区为研究区,以采煤前后5期遥感影像为数据源,以ERDAS、Arc GIS为数据处理平台,采用最小距离分类法进行研究区土地利用信息提取与演变分析。结果显示:1976-2015年期间,林地、草地是研究区的主要土地利用类型,其中,草地呈逐年减少的趋势,所占比例由56.01%减少至6.66%。而灌木林地所占比例则由0%增至40.85%。建筑用地、裸地、道路、园地、耕地等地类所占比例均较少,但所占比例呈现出逐年增长的趋势,是土地利用类型多元化转变的体现。结果表明:研究区内土地利用类型转移过程和方向与煤炭开采扰动及区域发展过程相吻合,通过时序土地利用图揭示地下采煤扰动影响区地表时空演变特征方法可行,数据可靠。     

浅埋高强度开采矿区生态损伤特征与减损实践

为解决浅埋高强度开采损害与生态保护间的矛盾问题，基于神东矿区地质开采条件、生态本底特征，总结了高强度开采的损伤特征。神东矿区采用大工作面快速推进降低非均匀沉降面积、开采初期工作面注浆减沉、建造地下水库保水及生态利用、填埋地表裂缝持水保墒、植物接菌微生物抗逆性提升、驯化筛选适生植物等技术，有效降低了煤炭开采引起的生态损伤。遥感监测表明，神东矿区2011—2015年技术应用初期，植被覆盖度50%左右，处在中高植被覆盖度级别，2018年植被覆盖度提高到62.4%，达到了高覆盖度水平。结合开采实践与理论研究，提出从开采源头设计着手、传导过程调控、末端修复治理采动损伤的全过程控制技术。     

煤炭开采导致的农田生态系统固碳损失评估

煤炭开采活动损坏了原生地貌和地表植被,造成了矿区及其周边环境的破坏,引起植被-土壤碳汇量减少,导致了农田生态系统碳储量的大量流失。为了量化煤炭开采对矿区农田的生态影响范围,评估矿区农田生态系统固碳损失,本研究以长河流域矿区为例,构建了一种估算煤炭开采导致农田生态系统固碳损失的方法。利用矿区数据、遥感数据、气候数据、地理数据等确定农田直接受损区和参照区,通过测算直接受损区周边归一化植被指数(NDVI)的变化趋势确定间接受损区;采用增强自适应的遥感图像时空融合方法(ESTARFM)和CASA模型计算农田植被固碳量,实地采样并测试了农田土壤有机碳;结合矿区土地利用变化计算矿区农田生态系统固碳损失量。结果表明:2000—2015年,长河流域矿区因煤炭开采导致的农田直接受损面积为5.06 km~2,间接受损面积为18.99 km~2;矿区农田植被固碳量为3 936.16 t/km~2,土壤碳储存量为6 737.05 t/km~2;矿区农田生态系统固碳总损失量为30 737.68 t,其中直接受损区固碳损失量占总损失的42.12%,间接受损区固碳损失量占总损失的57.88%,表明间接受损区也应纳入煤炭开采导致的生态破坏的评估中;煤炭开采对矿区农田生态系统固碳量的影响属于失碳效应。     

基于大样本的露天开采植被扰动范围一般性统计规律——以神东煤炭基地为例

露天开采对植被的扰动范围对于矿区生态环境治理与修复具有重要意义。现有研究主要以单个或若干个煤矿为研究对象，所得结论仅能反映个体煤矿的特点，缺乏对区域尺度上大量露天煤矿的开采扰动一般性规律研究，难以在实践中推广使用。针对上述问题，本研究根据临近煤矿分布特点与生态扰动类型，定义了4种类型的露天煤矿区OD-NDVI曲线(Orientation Distance-Normalized Difference Vegetation Index Curve),包括“负独立型曲线”、“负密集型曲线”、“正独立型曲线”和“正密集型曲线”,并提出了基于OD-NDVI曲线的开采植被扰动距离提取方法，包括数据预处理、OD-NDVI曲线提取、曲线分类与开采扰动距离识别4个主要步骤。以神东煤炭基地106个露天煤矿为研究对象，提取所有煤矿的开采扰动距离并进行定量统计分析，揭示了研究区露天开采对植被扰动范围的一般性统计规律。结果如下：(1)采用Shapiro-Wilk统计检验方法进行显著性检验，发现神东煤炭基地露天煤矿的开采扰动距离符合正态分布(R²=0.95),开采扰动距离大多在均值1 214...     

东部草原露天开采对植被与土壤养分空间异质性影响

东部草原露天煤矿开采多年后，矿区周边草原生态系统植被种群与土壤养分逐渐发生变化，为揭示矿区周边植被种群密度与土壤养分的空间异质性分布规律，以宝日希勒露天矿坑周边2 km为半径的草原草场为研究区，在矿坑周边不同方向布设了4条采样线，运用经典统计学和地统计学方法对矿区植被种群密度和土壤有机质、速效磷、速效钾含量的空间异质性进行了分析。研究结果表明：矿区周边天然草地土壤有机质的平均含量为56.44 g/kg；速效磷的为7.89 mg/kg；速效钾的为181.50 mg/kg；植被种群密度的平均值为198.13株/m2；有机质、速效磷和速效钾含量分布呈现从西向东逐渐增加的趋势，植被种群密度在西部与东部较高、中部较低。变异系数范围为19.81%～37.62%，均为中等变异。有机质、速效磷的最佳拟合模型均为高斯模型，速效钾的最佳拟合模型为球形模型，植被种群密度的最佳拟合模型为线性模型；块金值与基台值比值范围为12.67%～94.17%。速效磷和速效钾的空间变异主要由随机性因素引起，且空间相关性较弱；有机质属中等强度的空间变异性，其空间变异由随机性因素和结构性因素共同作用引起；植被种群密度空间变异受人类活动主要是对资源的开发利用、放牧等结构性因素影响较大。在小尺度范围内，受煤炭开采与放牧干扰，草地出现不同程度退化，草地植被类型改变，土壤养分与植被种群密度呈负相关变化。     

露天煤矿生态环境遥感监测与评价方法研究——以霍林河一号露天矿为例

本文基于不同空间分辨率、时间分辨率的遥感影像,结合地面踏勘和GIS分析,建立新的露天煤矿开采生态影响评价方法体系.该体系针对不同尺度的评价对象,构建不同监测方法和指标体系.对于排土场等小范围,采用分辨率在2～5m精度的遥感数据监测;对于区域土地利用变化,采用20～30m分辨率的遥感影像,解译后进行空间分析,计算土地转换矩阵;对于区域植被覆盖度,采用NDVI指数建立方程计算;对于区域植被长时序变化,分析LAI长时序动态变化.以霍林河一号露天矿为例研究表明,该体系能较为客观、准确、全面的评价矿区生态的变化特征,弥补了矿区生态很难定量、客观监测和评价的不足,为矿区生态恢复奠定基础.     

神东矿区生态系统服务功能评价

神东矿区是中国重要的煤炭生产基地,煤炭开采对其脆弱的生态环境造成了强烈扰动,亟需利用科学手段揭示神东矿区生态系统服务功能的演变规律,完善矿区兼顾绿色开采与可持续发展的管理体系。为量化神东矿区生态系统服务功能的变化,基于InVEST模型集成水源供给、土壤保持、碳储存3项生态系统服务构建综合生态系统服务(Comprehensive Ecosystem Service, CES)评价模型,并且基于矿区尺度和矿井尺度综合测度神东矿区1990—2018年CES变化特征与规律。研究结果表明:在矿区尺度上,(1)神东矿区S_(CE)在时间上由0.448 6(1990年)下降到0.382 5(2000年),然后持续增加至0.471 6(2015年)又下降到0.453 2(2018年),整体以每年0.009的速度呈增加趋势;在空间上以西北部最弱,且由西北向东南部逐渐增强;(2)神东矿区CES空间变化特征明显,低变区变化对CES变化的贡献力高于中变区和突变区,且CES的空间变化与植被覆盖和用地类型密切相关;(3)神东矿区CES空间聚类明显,呈现"西北部最弱、河流沿岸最强、东南部不显著"的格局;(4)神东矿区CES变化的驱动因子影响程度依次为土地利用类型、坡度、高程、降雨及植被覆盖度,双因子协同作用高于单因子,且土地利用与其他因子的协同作用最强。矿井尺度上,(1)神东矿区CES以中强度开采区最高(S_(CE)=0.502 8),极高强度开采区最低(S_(CE)=0.430 8);(2)补连塔矿井采区的CES受生态治理措施的正面影响,大柳塔、活鸡兔矿井采区的CES在2010年以后受到采矿的负面影响,石圪台、乌兰木伦、哈拉沟及榆家梁矿井采区的CES自采矿以来持续遭受负面影响;(3)大柳塔复垦实验区的CES往变强的方向发展。该模型的综合评估结果能够定量反映神东矿区CES的变化规律,建议神东矿区实施生态管理以西北部为重点区,以提高植被覆盖为导向优化土地利用格局,并利用矿区微生物复垦等科学方法改善矿区生态等。另外,应致力于多项生态系统服务多尺度优化集成模型的开发利用,以期为区域生态系统服务可持续管理提供更精准可靠的决策支持。     

基于Landsat的补连塔矿区植被时序特征分析

煤炭在我国能源结构中占有重要的地位。西北地区煤炭储量丰富,但是西北地区降水稀少、植被稀疏,生态环境脆弱。因此矿区植被时序分析对于西北矿区生态保护具有重要意义。本文基于神东矿区的补连塔煤矿为研究区,利用2000～2017年Landsat遥感影像,引入归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI),分析了补连塔煤矿在近15年以来矿区植被变化。结果表明:矿区植被出现明显增长趋势,分析原因是补连塔主要为井工矿,矿区开采对地表植被影响不明显,同时煤矿企业对区域生态建设投入大量资金。影像NDVI变异系数(Coefficient of Variation,CV)介于0. 2～0. 3之间,说明整个矿区NDVI离散性较小,整个矿区的植被覆盖比较平均。     

碳中和背景下煤矿区土地生态系统碳源/汇研究进展及其减排对策

我国是煤炭生产大国和消费大国,梳理和总结国内外有关煤矿区土地生态系统碳源/汇研究,对于我国碳达峰和碳中和目标的实现具有重要意义。本文综述了矿区碳源/汇构成、损毁土地生态系统碳排放、复垦土地生态系统碳固存及矿区减排增汇途径。研究结果表明:矿区碳源包括植被破坏、土壤质地变化产生的碳损失和开采中化石能源使用产生的碳排放,碳汇主要来源于已复垦排土场;矿产资源开发由点—线—面—网逐渐向外扩展,碳排放量大小受经济发展水平、采矿强度、开采规模、开采方式、技术水平等影响;矿区碳固存一般经历4个阶段即原地貌未扰动阶段、开采扰动阶段、采矿后复垦阶段和平衡阶段,碳固存大小受植被类型、复垦措施、土壤理化性质、坡度等影响;矿区通过节约集约利用土地和及时有效的复垦,实现"低排放、高碳汇、高效益"的发展状态。针对煤矿区土地生态系统碳源/汇研究现状,提出未来矿区土地生态系统碳源/汇的研究重点,以期为我国减排增汇研究提供科学依据。     

露天开采及土地复垦对生态系统服务功能价值影响变化的对比研究——以内蒙古胜利东二号露天煤矿为例

煤炭工业作为我国重要的经济产业,在促进国民经济发展的同时,也严重破坏了矿区的生态环境,矿区生态系统服务功能价值的研究,能够比较精确地体现出采矿活动对生态系统服务功能的影响。以内蒙古胜利东二号露天煤矿为例,根据遥感影像以及矿区开采工序,以Constanza划分的生态系统服务功能为基础,结合研究区的自然环境特点,选取与胜利东二号矿相关的生态系统服务功能,即物质生产能力、调节空气、涵养水源、土壤保护及旅游文化,研究该区域2005、2009、2035年3个时间点只开采及边开采边复垦两种不同情景下矿区生态系统服务功能价值,结果表明：边开采边复垦下的生态服务价值远远大于只开采而不采取任何生态重建措施下的生态服务价值,即土地复垦有效地提高了矿区的生态系统服务价值。     

基于遥感生态指数的矿业城市生态环境时空变异分析

随着东部煤炭资源枯竭与开采重心战略西移,东部矿业城市的绿色转型发展对生态环境质量评价提出了新要求。当前相关研究多集中于西部集约化高强度采区,相关方法和经验对东部矿业城市的适用性研究较少。其次,目前基于统计结果的矿区生态环境研究尚无法提供空间异质性的定量分析。再者,在较小开采强度下,煤矿开采本身对环境的影响存在争议,而煤炭储存、运输的生态效应并没有得到较多关注。本研究利用2013—2020年Landsat遥感影像,以工矿城市峰峰矿区为研究区,构建遥感生态指数模型(Remote Sensing Ecology Index,RSEI),耦合景观生态指数,对研究区生态环境质量的时空变化和空间异质性进行了定量分析,研究了当地煤炭采—储—运过程的生态效应,并分析了驱动因素。结果表明:2013—2020年峰峰矿区生境质量呈现小幅度波动变化,但结构配置明显优化;景观指数分析表明,RSEI各等级空间异质性加强,非均衡分布现象更为明显;煤炭采—储—运过程对生态环境及其稳定性具有一定的扰动作用,煤炭开采的环境效应不强,储存与运输过程的生态影响呈现梯度特征;峰峰矿区RSEI与高程、坡度、植被覆盖有较稳定的正相...     

基于时间分割算法的半干旱矿区植被动态特征分析

分析半干旱矿区植被扰动与恢复动态特征,对矿区生态环境保护具有指导意义。以大柳塔煤矿为例,利用时间轨迹分割算法提取1994-2014年植被扰动与恢复时间及幅度特征,分析大柳塔煤矿各用地类型区植被空间分异及植被对煤炭开采响应特征。结果表明：① 各类型区植被扰动/恢复发生的时间集中,各区域均于1995年发生大面积扰动与恢复;露天开采区第2次大面积植被扰动与恢复时间分别为2006和2009年,而工作面、重建区和小窑为2010年。幅度方面,建成区及工业广场植被扰动与恢复平均幅度最大,小窑扰动幅度与恢复幅度间差值最高。各类型区植被最大扰动持续时长均低于最大恢复持续时长。② 工作面尺度,植被对煤炭开采扰动响应具有滞后性。工作面采后2 a植被扰动发生面积最大,而植被恢复面积随采后时长逐渐扩大。植被平均扰动幅度高于平均恢复幅度。时长方面,平均扰动持续时长为1.54~2.40 a,平均恢复持续时长为4.06~7.18 a。     

神东矿区现代煤炭开采技术下地表生态自修复规律研究

 本文通过对神东矿区现代煤炭开采（超大工作面）不同扰动程度下地表变形和裂缝、地形、地表水、地表植被的持续动态监测,揭示了地表动态裂缝宽度自修复周期以及裂缝周边土壤水分恢复周期规律。研究表明,超大工作面显著增加了开采造成的地表稳定下沉区的面积和范围,显著提高了地表生态自修复能力。植被自修复能力草本＞灌木＞乔木,草本基本恢复到开采前状态,为解决矿区水环境改善、水资源供需矛盾以及区域经济可持续发展等提供了科技支撑。