神東礦區(qū)植被覆蓋和土壤侵蝕時空動態(tài)分析

王小燕，王麗云，馬 寧

（黃河水利委員會 黃河上中游管理局，陜西 西安 710021）

神東礦區(qū)是我國西北地區(qū)最大的煤炭生產(chǎn)基地［1］，煤炭資源開采在帶動當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展的同時曾導(dǎo)致區(qū)域土地荒漠化、土地沉陷和生態(tài)環(huán)境惡化［2］。筆者基于衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型和經(jīng)驗性土壤侵蝕模型［3-4］，對神東礦區(qū)土地利用、植被覆蓋度和土壤侵蝕時空動態(tài)變化情況進(jìn)行了分析，以期為神東礦區(qū)煤炭資源合理開發(fā)和水土流失防治提供參考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

神東礦區(qū)地處黃河中游多沙粗沙區(qū)黃河一級支流窟野河中上游，涉及陜西省神木縣、府谷縣及內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市東勝區(qū)、伊金霍洛旗，是中國目前已探明儲量最大的煤田和煤炭開采基地之一。煤炭開采是當(dāng)?shù)厣鐣?jīng)濟(jì)高速發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)，也是生態(tài)環(huán)境惡化的主要因素之一，曾造成植被覆蓋度降低、水土流失加劇、土地沙化干化［5-6］。近年來，礦區(qū)植被覆蓋度大幅度提高，脆弱生態(tài)環(huán)境實(shí)現(xiàn)正向演替。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究所用數(shù)據(jù)包括神東礦區(qū)2005年SPOT衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)（分辨率為5 m）、2010年航測影像數(shù)據(jù)、2015年和2018年GF-1衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)（分辨率為2 m）、數(shù)字高程模型（DEM，分辨率為5 m），數(shù)據(jù)來源及用途見表1。

表1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源及用途

2 研究方法

2.1 土地利用分類和植被覆蓋度計算

（1）土地利用分類。在ArcGIS軟件支持下，根據(jù)土壤侵蝕計算的需要和礦區(qū)實(shí)際情況，將土地利用類型分為耕地、園地、林地、草地、居民點(diǎn)及工礦、交通、水域及水利設(shè)施、其他等8類。

（2）植被覆蓋度計算。采用像元二分模型法計算植被覆蓋度，輔以GF-1影像、外業(yè)調(diào)查等對植被覆蓋度進(jìn)行校正。像元二分模型［7］公式為

式中：FVC為植被覆蓋度；NDVI為歸一化植被指數(shù)；NDVImin、NDVImax分別為NDVI最小值、最大值，其值采取累計頻率法計算得到，將從小到大累計頻率為0.5%的NDVI值作為NDVImin、累計頻率為99.5%的NDVI值作為NDVImax［8］。

2.2 土壤侵蝕模數(shù)計算

（1）水力侵蝕。采用中國土壤流失方程（CSLE）［9-10］，計算神東礦區(qū)土壤侵蝕（水力侵蝕）模數(shù)，公式為

式中：A為土壤侵蝕模數(shù)，t／（hm2·a）；R為降雨侵蝕力因子，MJ·mm／（hm2·h·a）；K為土壤可蝕性因子，t·hm2·h／（hm2·MJ·mm）；L為坡長因子；S為坡度因子；B為植物措施因子；E為工程措施因子；T為耕作措施因子。

（2）風(fēng)力侵蝕。風(fēng)力侵蝕地區(qū)土壤侵蝕模數(shù)按各種土地利用類型分別計算［11-12］。耕地風(fēng)力侵蝕模數(shù)計算公式為

式中：Qfa每半個月的耕地風(fēng)力侵蝕模數(shù)，t／hm2；W為每半個月的表土濕度因子，介于0～1之間；Tj為每半個月第j級風(fēng)速的累計時間，min；j為風(fēng)速等級序號，把風(fēng)速5～40 m／s劃分為35個等級，序號分別為1、2、…、35；Z0為地表粗糙度，cm；Uj為第j級風(fēng)速平均值，m／s，如1級風(fēng)速為5～6 m／s，其均值為U1=5.5 m／s。

草（灌木林）地風(fēng)力侵蝕模數(shù)計算公式為

式中：Qfg為每半個月的草（灌木林）地風(fēng)力侵蝕模數(shù)，t／hm2；V為植被覆蓋度，%。

沙地（荒漠）風(fēng)力侵蝕模數(shù)計算公式為

式中：Qfs為每半個月的沙地（荒漠）風(fēng)力侵蝕模數(shù)，t／hm2。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用變化情況

不同時期各土地利用類型面積統(tǒng)計分析表明，神東礦區(qū)2005—2018年土地利用變化特征主要體現(xiàn)在：耕地、其他、水域及水利設(shè)施用地面積減少，耕地面積從2005年的153.47 km2減少到2018年的81.54 km2，其他土地面積從2005年的163.45 km2減少到2018年的24.29 km2，水域及水利設(shè)施用地面積從2005年的24.41 km2減少到2018年的15.33 km2；林地、草地、居民點(diǎn)及工礦用地面積增加，林地面積從2005年的237.85 km2增加到2018年的349.25 km2，草地面積從2005年的453.08 km2增加到2018年的486.91 km2，居民點(diǎn)及工礦用地面積從2005年的24.14 km2增加到2018年的91.23 km2。從各土地利用類型相互轉(zhuǎn)化情況（見表2）來看，2005—2018年神東礦區(qū)土地利用類型轉(zhuǎn)化主要表現(xiàn)在：耕地轉(zhuǎn)出主要轉(zhuǎn)化為草地、林地、居民點(diǎn)及工礦用地，轉(zhuǎn)化面積分別為36.21、28.75、9.41 km2；林地轉(zhuǎn)出主要轉(zhuǎn)化為居民點(diǎn)及工礦用地、草地，轉(zhuǎn)化面積分別為22.93、16.40 km2；草地轉(zhuǎn)出主要轉(zhuǎn)化為林地、居民點(diǎn)及工礦用地，轉(zhuǎn)移面積分別為74.93、29.34 km2；其他用地轉(zhuǎn)出主要轉(zhuǎn)化為草地、林地，轉(zhuǎn)化面積分別為84.47、46.95 km2。

表2 神東礦區(qū)2005—2018年土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣

3.2 植被覆蓋度變化情況

不同時期各級植被覆蓋度面積統(tǒng)計分析表明，神東礦區(qū)2005—2018年植被覆蓋度變化特征主要體現(xiàn)在中高覆蓋度及高覆蓋度面積增加，而中低覆蓋度及低覆蓋度面積減少。其中：高覆蓋度面積從2005年的6.05 km2增加到2018年的205.96 km2，中高覆蓋度面積從2005年的51.92 km2增加到2018年的293.69 km2，中低覆蓋度面積從2005年的261.44 km2減少到2018年的72.11 km2，低覆蓋度從2005年的69.04 km2減少到2018年的1.24 km2。從植被覆蓋度等級相互轉(zhuǎn)化情況（見表3、表4，其中“其他”指非植被地類）來看，2005—2018年神東礦區(qū)植被覆蓋度等級轉(zhuǎn)化主要體現(xiàn)在：2018年風(fēng)蝕區(qū)高覆蓋度面積主要由2005年的中覆蓋度、其他、中高覆蓋度和中低覆蓋度轉(zhuǎn)化而來（轉(zhuǎn)化面積分別為86.96、39.13、22.76、13.76 km2），中高覆蓋度面積主要由中覆蓋度、中低覆蓋度、其他轉(zhuǎn)化而來（轉(zhuǎn)化面積分別為100.86、48.14、45.42 km2），中覆蓋度面積中有45.15 km2由中低覆蓋度轉(zhuǎn)化而來；水蝕區(qū)2005年中低覆蓋度轉(zhuǎn)出主要轉(zhuǎn)化為中覆蓋度、中高覆蓋度、高覆蓋度，轉(zhuǎn)移面積分別為44.20、40.35、15.77 km2，中覆蓋度轉(zhuǎn)出主要轉(zhuǎn)化為中高覆蓋度，轉(zhuǎn)移面積為10.18 km2，低覆蓋度轉(zhuǎn)出主要轉(zhuǎn)化為中覆蓋度，轉(zhuǎn)移面積為9.48 km2?？傮w來看，2005—2018年神東礦區(qū)植被覆蓋度整體向好發(fā)展。

表3 神東礦區(qū)2005—2018年風(fēng)蝕區(qū)植被覆蓋度轉(zhuǎn)移矩陣

表4 神東礦區(qū)2005—2018年水蝕區(qū)植被覆蓋度轉(zhuǎn)移矩陣

3.3 土壤侵蝕變化分析

神東礦區(qū)2005—2018年土壤侵蝕強(qiáng)度變化特征主要體現(xiàn)在微度侵蝕面積逐年增加、輕度以上侵蝕面積逐年減小，其中：微度侵蝕面積由2005年的121.64 km2增加到2018年的475.59 km2，中度侵蝕面積由2005年的387.76 km2減少到2018年的41.27 km2，強(qiáng)烈侵蝕面積由2005年的185.14 km2減少到2018年的14.56 km2。從各級土壤侵蝕強(qiáng)度相互轉(zhuǎn)化情況（見表5、表6）來看，2005—2018年神東礦區(qū)土壤侵蝕類型變化特征主要表現(xiàn)為從較高侵蝕強(qiáng)度向較低侵蝕強(qiáng)度轉(zhuǎn)化。在風(fēng)蝕區(qū)，輕度侵蝕有211.43 km2轉(zhuǎn)化為微度侵蝕，中度侵蝕有237.60 km2轉(zhuǎn)化為輕度侵蝕，強(qiáng)烈侵蝕有100.65 km2轉(zhuǎn)化為輕度侵蝕；在水蝕區(qū)，輕度侵蝕有66.00 km2轉(zhuǎn)化為微度侵蝕，中度侵蝕有71.61 km2轉(zhuǎn)化為輕度侵蝕，強(qiáng)烈侵蝕有29.25 km2轉(zhuǎn)化為輕度侵蝕。

表5 神東礦區(qū)2005—2018年風(fēng)蝕區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度轉(zhuǎn)移矩陣

表6 神東礦區(qū)2005—2018年水蝕區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度轉(zhuǎn)移矩陣

4 結(jié) 論

研究結(jié)果表明，2005—2018年神東礦區(qū)土地利用方式日趨合理、植被覆蓋度總體向好發(fā)展、土壤侵蝕強(qiáng)度逐漸減弱：林地、居民點(diǎn)及工礦用地、草地面積增加，耕地和其他土地利用類型面積減少，林地主要由草地、其他土地利用類型轉(zhuǎn)化而來，草地主要由耕地和其他土地利用類型轉(zhuǎn)化而來；高覆蓋度和中高覆蓋度面積增幅較大，主要由中覆蓋度和中低覆蓋度轉(zhuǎn)化而來；中度以上土壤侵蝕面積減少，較高強(qiáng)度侵蝕向較低強(qiáng)度侵蝕轉(zhuǎn)化，輕度侵蝕主要向微度侵蝕轉(zhuǎn)化，中度侵蝕主要向輕度侵蝕轉(zhuǎn)化，劇烈侵蝕主要向中度侵蝕和輕度侵蝕轉(zhuǎn)化。