露天煤矿草原区植被指数与气象水文要素关系

　　摘要:内蒙古东部草原区某露天煤矿在长期疏排水条件下造成地下水位持续下降，为研究矿区周边植被生长是否受地下水位下降的影响，采用归一化植被指数法(NDVI)分析了研究区2013—2019年植被覆盖度变化趋势，选择气温、降水量和地下水位埋深3个气象水文要素，基于联合熵理论计算NDVI与不同要素之间的互信息，得出植被生长的主要影响因素。研究结果表明：研究区植被覆盖度呈逐年好转趋势，植被指数由2013年的0.10逐渐增加至2019年的0.33，年均增长约为0.03;植被生长与当地气温和降水量关系密切，与地下水位埋深相关性弱;研究区气候变暖和稳定的降水量造成植被返青期提前和生长期延长;在矿区目前疏排水强度下引起的地下水位下降不会造成周边草原植被干枯死亡。研究成果丰富了内蒙古东部草原区植被生长与地下水关系的研究内容，为类似分析评价工作提供技术支撑。

　　关键词：联合熵;互信息;露天煤矿;草原区;归一化植被指数;气象水文要素;地下水

　　研究区为地处内蒙古呼伦贝尔草原区的某露天煤矿，矿坑在开采过程中长期疏排地下水，造成地下水位不断下降。地下水位持续下降对煤矿周边草原区生态植被的改变及生态环境影响程度关系到露天矿的绿色与可持续发展，因此，有必要开展煤矿周边植被生长的主要影响因素及地下水对植被生长的影响程度研究。在我国不同地区，植被生长的主要影响因素不尽相同，国内学者对此开展了大量研究。

　　曹艳萍等[1]认为华北平原植被盖度好转主要受人类活动和降水等因素共同影响;信忠保等[2]认为黄土高原植被盖度变化主要受降水影响;罗敏等[3]认为塔里木河流域平原区和中低山区植被生长受降水和温度共同作用，高山区植被生长主要受温度控制，平原绿洲区植被变化主要受人类活动影响;宋鹏飞等[4]认为黑河流域植被生长受气温影响程度最大;李丽红等[5]认为山西省植被盖度受降水变化影响较大，受温度变化影响较小;梁艳等[6]、穆少杰等[7]认为降水是驱动草地植被年际变化的主要因素;多名学者[8-11]研究认为呼伦贝尔地区30多年的植被盖度呈逐年波动改善趋势，年际间的变化主要受降水影响，但同时也与气候变暖相关，气温回升造成呼伦贝尔草原生长季节延长以及返青期提前。

　　植被生长与地下水关系密切，马玉蕾等[12]研究表明土壤含水量随地下水位埋深增加而减小，土壤盐渍化随地下水位埋深变浅而加重，地下水位埋深过大或过浅，均会造成不同程度的植被退化甚至死亡;陈亚宁等[13]认为随地下水位埋深加大，物种多样性指数降低，植物种类减少，群落结构向简单生态系统退化，地下水位的不断下降和土壤含水率的丧失是引起植被退化的主导因子;马兴旺等[14]认为地下水位埋深小于2m时会造成地表土壤积盐过重;程东会等[15]认为在毛乌素沙漠地区，地下水位埋深不是旱生植被盖度的控制因素，植被生长的水分来自降雨产生的包气带水;范磊等[16]认为以沙蒿为代表的耐干旱植被物种，生长基本不依赖地下水，植被盖度也与潜水位埋深无关，在潜水位埋深较大的情况下也能保持较大盖度。

　　诸多学者还研究了不同区域适合植被生长的生态水位，归纳总结如下：华北平原地区适合植被生长的地下水位埋深为2~10m[17];新疆塔里木河流域、焉耆盆地等地区为4~5m[18-22];甘肃、宁夏、河西走廊等地区为5m以内[23-26];内蒙古鄂尔多斯、乌审旗、呼伦贝尔等地区为6~8m[27-32];青海柴达木盆地为4.5m以内[33];毛乌素沙漠区为6m以内[16];东北地区西部为4m以内[34-35]。地下水位超过上述埋深后，植被以旱生植物为主，其生长将不受地下水位的影响。研究植被盖度通常采用植被指数法，植被指数已广泛用来定性和定量评价植被覆盖及其生长活力，目前已经发布了超过150种植被指数模型，其中归一化植被指数法(NDVI)[36]是应用最广泛的方法。本文利用GIS/RS数据，基于联合熵与互信息技术，采用归一化植被指数法研究2013—2019年研究区植被变化与气象要素的关系，分析了研究区植被生长与地下水的关系。

　　1研究区植被类型与植被指数变化趋势

　　1.1研究区概况和植被类型

　　研究区地处我国内蒙古呼伦贝尔草原区，大兴安岭西侧，气候类型为中温带大陆性草原气候，研究范围南北长7km，东西宽5.5km，面积为38.5km2。露天煤矿自2010年开采以来，地下水位最大降深超过50m，对剥采范围内的植被和生态环境造成一定的破坏，部分区域植被有所退化。根据调研，研究区内植被类型主要包括3大类，即草甸植被、草原植被和沼泽植被。草甸植被主要为低湿地草甸，分布在扎尼河湿地、海拉尔河灌丛外地势较高的阶地上;草原植被主要是草甸草原，广泛分布于研究区内的低山丘陵区和河流阶地区;沼泽植被分布在海拉尔河湿地和扎尼河湿地，有木本沼泽和草本沼泽，在木本沼泽外围还有山荆子与灌丛镶嵌分布;局部有沙地植被，沙地植被主要以针茅、羊草、冷蒿、沙柳等为主。

　　2研究区植被指数与气象水文要素关系

　　选择气温(T)、降水(P)、地下水位埋深(G)作为气象水文要素，基于联合熵理论，分别计算NDVI与上述变量两两组合之间的互信息，即分别计算I(P,T;NDVI)，I(P,G;NDVI)与I(T,G;NDVI)，研究NDVI与气象水文要素的响应关系。

　　2.1气象水文要素信息

　　2.1.1气温变化趋势

　　收集了研究区2013—2019年气温数据。2013—2019年年均气温整体呈增加趋势，增加速度约为0.21℃/a，其中，2015年年均温度最高，为0.48℃。

　　2.1.2降水量变化趋势

　　研究区多年平均降水量为383.7mm，除2013年降水(619.1mm)较多外，2014—2019年降水量整体保持平稳，年平均降水量为370.43mm，降水量年内分布不均匀，主要集中在夏季6~9月份。

　　2.1.3地下水位埋深变化趋势

　　选择研究区水7、抽3、水6这3个水文观测孔，绘制2011—2019年第四系含水层水位埋深变化曲线。3个观测孔的初始水位埋深分别为6.80、9.65、17.80m，受矿坑疏排地下水影响，至2019年初，水位埋深分别为14.20、15.11、72.28m，由于水6孔靠近疏排中心，因此，水位埋深有大幅下降。

　　2.2NDVI与气象水文要素的互信息

　　采用2013—2019年的NDVI序列、降水、气温和地下水位埋深序列数据，计算NDVI与气象水文要素的互信息，考虑到变量为离散值，因此，首先需将序列划分为等间距区间，划分原则为n=1+3.3lg(N/a)，N表示样本长度，n为区间数，所选样本长度为7a(2013—2019年)，n=3.79，在此取值为4。所有变量值都落在4个等间距区间。为计算方便，落在第1区间的值记为1，落在第2区间的值记为2，依次类推，落在第4区间的值记为4，然后利用经验概率公式，计算联合概率。为NDVI与气温和降水量的互信息分布，互信息值均在1.2左右，但在排土场和剥采区的无植被区及西北部的草甸植被和沼泽植被区，互信息值小于0.8，个别区域小于0.5，从中反映出草甸植被和沼泽植被生长受河流水位影响较大，草原区植被受气温和降水影响较大。

　　4研究区植被生长与地下水埋深的关系

　　根据前人研究和对邻近矿区调研结果，在干旱半干旱地区，草地植被适宜生长的地下水位埋深范围为2~6m。目前研究区地下水位埋深均在6m以下，此时地下水无法通过毛细管作用到达植被根系供给植被吸收，植被生长主要依靠由降雨产生的包气带水，植被群落也逐渐过渡为旱生植被类型。研究区每年10月至次年4月，均有积雪覆盖，气温回暖后，积雪融水促进植被初期生长，植被返青期提前，6—9月主要依靠大气降水生长。因此，在研究区特定的气候条件下，植被生长与地下水位埋深关系不密切。

　　草原论文投稿刊物：应用生态学报(月刊)创刊于1990年，是中国科学院主管、中国生态学学会和中国科学院沈阳应用生态研究所联合主办的综合性学术期刊，创刊于1990年，由科学出版社出版。

　　5结论

　　a.内蒙古呼伦贝尔某露天煤矿周边植被盖度呈逐年好转趋势，植被指数由2013年的0.10逐渐增加至2019年的0.33，年均增长约0.03，覆盖级别由稀疏植被过渡到适中植被。b.研究区NDVI与气温和降水量的互信息值基本在1.2左右，与气温和地下水位埋深、降水量和地下水埋深的互信息值均在1.0以下，表明研究区植被生长与气温和降水量关系密切，与地下水位埋深相关性弱。c.研究区气候变暖和稳定的降水量是植被盖度逐渐增加的主要原因;矿区目前疏排水强度下引起的地下水位下降不会造成周边草原植被干枯死亡。d.推测该区植被种群和多样性会随地下水位的变化而逐渐发生改变，鉴于研究区尺度有限，对于该结论还需进一步收集资料开展深入研究。

　　参考文献(References)

　　[1]曹艳萍，秦奋，庞营军，等.2002—2016年华北平原植被生长状况及水文要素时空特征分析[J].生态学报，2019，39(5)：1560–1571.CAOYanping，QINFen，PANGYingjun，etal.SpatiotemporalchangesinvegetationandhydrologicalfactorsintheNorthChinaplainfrom2002to2016[J].ActaEcologicaSinica，2019，39(5)：1560–1571.

　　[2]信忠保，许炯心，郑伟.气候变化和人类活动对黄土高原植被覆盖变化的影响[J].中国科学D辑：地球科学，2007，37(11)：1504–1514.

　　作者：张雁1，黄选明1，陈实2，石炳兴3