稀土開采產(chǎn)生大量堆積尾砂，出現(xiàn)強(qiáng)烈水土流失過程，伴生嚴(yán)重水環(huán)境和地質(zhì)植被修復(fù)是尾砂地災(zāi)害防治的常見手段。評(píng)價(jià)礦區(qū)植被恢復(fù)效果及成因可為尾砂治理措施的規(guī)劃設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

一、引言

稀土開采產(chǎn)生大量堆積尾砂，出現(xiàn)強(qiáng)烈水土流失過程，伴生嚴(yán)重水環(huán)境和地質(zhì)災(zāi)害。采用工程和非工程措施結(jié)合手段開展稀土尾砂地植被修復(fù)是尾砂地災(zāi)害防治的常見手段。評(píng)價(jià)礦區(qū)植被恢復(fù)效果及成因可為尾砂治理措施的規(guī)劃設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。本文以江西省尋烏縣離子型輕稀土尾砂區(qū)為研究區(qū)，收集研究區(qū)1989-2015年Landsat數(shù)據(jù)和尋烏站氣象數(shù)據(jù)，實(shí)地調(diào)查研究區(qū)典型尾砂適生植被和堆積尾砂的地物波譜數(shù)據(jù)，解算典型植被的NDVI值，分析礦區(qū)NDVI的年際和年內(nèi)時(shí)程變化規(guī)律，定量評(píng)價(jià)NDVI時(shí)程變化對礦區(qū)植被恢復(fù)和氣候變化的響應(yīng)，探討響應(yīng)機(jī)理。

二、研究區(qū)概況

本文研究區(qū)為江西省尋烏縣離子型輕稀土尾砂區(qū)，地處江西省東南方，是江西、福建、廣東的交匯處。

圖1研究區(qū)地理位置

研究區(qū)由于稀土礦開采活動(dòng)，自然植被破壞嚴(yán)重，現(xiàn)多以人工植被為主，喬木以桉樹和油茶為主，同時(shí)存有樟樹、馬尾松、竹子和木荷等植被，草本植物有芒萁、芭茅、芒草等。尋烏縣稀土礦區(qū)整體礦區(qū)和雙茶亭礦區(qū)都是采用生物治理和工程治理相結(jié)合的模式，分別種植以油茶、桉樹為主的植被配置模式，林下種植適合稀土尾砂生長的混合草種。

三.NDVI 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

3.1數(shù)據(jù)處理

本文選用的遙感影像數(shù)據(jù)為LandsatTM/OLI 數(shù)據(jù)。根據(jù)遙感數(shù)據(jù)的云量和質(zhì)量情況，共選取1989-2015年共48期影像數(shù)據(jù)，所選擇的遙感影像質(zhì)量良好，研究區(qū)內(nèi)沒有云覆蓋。

表1TM 和OLI波段信息

3.2預(yù)處理

由于遙感影像在成像的過程中，受到眾多其它因素影響，如：電磁波與大氣之間的作用、衛(wèi)星飛行速度的變化等，因此在遙感數(shù)據(jù)獲取過程中會(huì)產(chǎn)生誤差，這些誤差會(huì)降低數(shù)據(jù)的質(zhì)量，從而影響圖像分析的精度。因此本文對LandsatTM/OLI 影像數(shù)據(jù)進(jìn)行的包括輻射定標(biāo)、大氣校正預(yù)處理。

圖2研究區(qū)大氣校正后的光譜

四、地物波譜數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

本文于冬季、夏季兩個(gè)時(shí)期對研究區(qū)內(nèi)的尾砂和植被地物波譜數(shù)據(jù)進(jìn)行觀測，采用萊森光學(xué)生產(chǎn)的iSpecField-WNIR系列便攜式地物波譜儀對研究區(qū)尾砂和植被冠層光譜反射率進(jìn)行測量提取。經(jīng)過預(yù)處理后，各地物地物波譜數(shù)據(jù)見圖3。

圖3十種典型地物光譜曲線

五、基于Landsat數(shù)據(jù)的NDVI時(shí)程變化

NDVI是植被指數(shù)中運(yùn)用最為廣泛的一種，它能很好地反映了植被生長狀態(tài)以及植被空間分布情況，與植被分布密度呈線性相關(guān)。許多研究表明NDVI與植被覆蓋度、葉面積指數(shù)（LAI）和光合作用等植被參數(shù)有關(guān)，NDVI的時(shí)間變化曲線能有效地表現(xiàn)出植被的季節(jié)變化、年際變化和人為活動(dòng)影響變化。因此，在監(jiān)測廢棄礦區(qū)植被恢復(fù)情況的過程中NDVI起到有效地作用。

研究區(qū)NDVI時(shí)程變化分析分為兩個(gè)部分進(jìn)行，第一部分為整體礦區(qū)NDVI時(shí)程變化分析，第二部分選取植被修復(fù)時(shí)間較早的“稀土尾砂試驗(yàn)區(qū)”雙茶亭礦區(qū)分析NDVI時(shí)程變化規(guī)律。

5.1整體礦區(qū)NDVI時(shí)程變化

計(jì)算NDVI平均值，診斷NDVI時(shí)序趨勢，揭示整體礦區(qū)NDVI時(shí)程變化規(guī)律，見圖4。

圖4整體礦區(qū)NDVI時(shí)程變化

圖4表明：1989-2015年整體礦區(qū)NDVI值曲線表明整體年NDVI值呈顯著性下降趨勢。NDVI時(shí)程變化可分為三個(gè)階段，第一階段為穩(wěn)定期，時(shí)間為1989-2005年，此階段NDVI變化趨勢不顯著，整體稀土礦區(qū)存在一定的開采，但是整體NDVI值未大幅度減小；第二階段為劇烈開采期，時(shí)間為2006-2008年，此階段NDVI呈顯著下降趨勢，稀土礦區(qū)進(jìn)行劇烈的采礦活動(dòng)，人類活動(dòng)對稀土礦區(qū)影響較大，嚴(yán)重破壞了礦區(qū)植被，導(dǎo)致NDVI值迅速下降；第三階段為植被修復(fù)期，時(shí)間為2009-2015年，此階段NDVI呈顯著下降趨勢，整個(gè)時(shí)間段NDVI呈現(xiàn)較低值。尋烏縣2009年對稀土礦區(qū)進(jìn)行植被修復(fù)治理，使研究區(qū)內(nèi)的2009年和2010年的植被數(shù)量有所增加，對于整體礦區(qū)恢復(fù)效果一般。

5.2雙茶亭礦區(qū)NDVI時(shí)程變化

在整體礦區(qū)NDVI影像數(shù)據(jù)中提取以種植桉樹為主的雙茶亭礦區(qū)NDVI，計(jì)算NDVI平均值，診斷NDVI時(shí)序趨勢，揭示雙茶亭礦區(qū)NDVI時(shí)程變化規(guī)律，見圖5

圖5雙茶亭礦區(qū)NDVI時(shí)程變化

按照整體礦區(qū)NDVI變化階段對雙茶亭礦區(qū)NDVI時(shí)程變化進(jìn)行分析，結(jié)果表明：1989-2015年雙茶亭礦區(qū)NDVI值在0.17-0.65間變化，平均值為0.4；穩(wěn)定期NDVI值呈顯著下降趨勢，稀土開采對雙茶亭礦區(qū)內(nèi)植被存在一定影響，植被呈現(xiàn)減少趨勢；劇烈開采期NDVI值NDVI呈顯著下降趨勢，和整體礦區(qū)情況類似，劇烈稀土開采活動(dòng)嚴(yán)重破壞雙茶亭礦區(qū)內(nèi)植被，導(dǎo)致植被迅速減少；植被修復(fù)期NDVI呈顯著上升趨勢，雙茶亭植被修復(fù)效果較好，對比整體礦區(qū)可得，油茶配置模式植被修復(fù)治理效果較差，桉樹配置模式效果較好。

六、基于地物波譜的典型地物NDVI特征值分析

基于研究區(qū)各典型地物的地物波譜特性，利用紅光波段和近紅外波段的平均反射率計(jì)算相應(yīng)地物的NDVI，見圖6。圖6表明：在研究區(qū)典型地物中，尾砂相應(yīng)NDVI值為0.03，芒萁為0.69，芭茅為0.53，芒草為0.52，油茶為0.69，木荷為0.8，竹子為0.79，馬尾松為0.75，桉樹為0.6，樟樹為0.52，其中木荷NDVI值最大，尾砂NDVI值最小，尾砂存在一定的背景值。由于研究區(qū)地物波譜數(shù)采集時(shí)間分別屬于冬季和夏季，則獲取各地物波譜特性計(jì)算出的NDVI會(huì)有一定的波動(dòng)范圍，其中波動(dòng)范圍較大的為芒萁、芭茅和芒草，這三種植被屬草本類植被，說明對于NDVI，草本類植被受季節(jié)變化影響較大，喬木類植被對相對較小，即草本NDVI在年內(nèi)變化更為劇烈，喬木類植被NDVI年內(nèi)較為穩(wěn)定。

圖6典型地物NDVI

七、礦區(qū)NDVI對氣候變化和植被恢復(fù)的響應(yīng)成效

氣候變化是導(dǎo)致地表植被變化的重要因素之一，而且它對植被產(chǎn)生的影響也是因地而異。本章節(jié)通過對尋烏氣象站的降水、氣溫、日照時(shí)數(shù)、風(fēng)速和相對濕度等氣象數(shù)據(jù)的整理，計(jì)算潛在蒸散發(fā)和干燥度，分析研究區(qū)降水、潛在蒸散發(fā)和干燥度的時(shí)間變化特征，并以干燥度作為氣候變化對NDVI變化的評(píng)價(jià)指標(biāo)，對NDVI變化原因進(jìn)行分析。

7.1降水量時(shí)程變化

本文基于1989-2015年尋烏站日降水?dāng)?shù)據(jù)，計(jì)算年降水?dāng)?shù)據(jù)，分析降水年際變化規(guī)律，見圖7。

圖7年降水量變化

為了更加詳細(xì)分析降水量的變化，按照NDVI變化階段將1989-2015年分為三個(gè)階段，分別為穩(wěn)定期、劇烈開采期和植被修復(fù)期，并計(jì)算各個(gè)階段降水量距平值，見表5.1。

表2平均降水量距平值

表2表明：處于穩(wěn)定期和植被修復(fù)期時(shí)，降水量和NDVI都保持相對穩(wěn)定的狀態(tài)；處于劇烈開采期時(shí)，將降水量作為礦區(qū)水分輸入因子，礦區(qū)水分輸入因子表現(xiàn)為增長狀態(tài)，然而NDVI表現(xiàn)為劇烈下降狀態(tài)。

7.2潛在蒸散發(fā)時(shí)程變化分析

潛在蒸散發(fā)是指在水分充足條件下的地表和植物表面的蒸散發(fā)能力。本文基于1989-2015年尋烏站氣象數(shù)據(jù)，利用公式計(jì)算潛在蒸散發(fā)量，分析潛在蒸散發(fā)的年際變化過程，見圖8。

圖8年潛在蒸散發(fā)變化

圖8表明：1989-2015年尋烏縣年潛在蒸散發(fā)量波動(dòng)大，增長幅度較大的年段分別為1997-1998年和2002-2004年，下降幅度較大的年段分別為1991-1994年、1996-1997年和2004-2006年。為了更加詳細(xì)分析潛在蒸散發(fā)的變化，按照NDVI變化階段將1989-2015年分為三個(gè)階段，分別為穩(wěn)定期、劇烈開采期和植被修復(fù)期，并計(jì)算各個(gè)階段潛在蒸散發(fā)距平值，見表3。

表3潛在蒸散發(fā)距平值

表3表明在劇烈開采期平均降水量距平值為正且為最大值，年均潛在蒸散發(fā)距平值為負(fù)，即研究區(qū)水分輸入因子大，輸出因子小，而同時(shí)期NDVI出現(xiàn)劇烈下降，那原因在于人類活動(dòng)，即對稀土進(jìn)行開采。

7.3NDVI 時(shí)程變化對氣候變化和植被恢復(fù)的響應(yīng)及成因

7.3.1干燥度時(shí)程變化

干燥度（K）用于表示區(qū)域內(nèi)干濕程度的指標(biāo)，其定義為潛在蒸散發(fā)與降水量的比值。

圖9干燥度變化

圖9表明：1989-2015年尋烏縣干燥度整體較為穩(wěn)定。2001年內(nèi)變化較大，呈現(xiàn)迅速上升的趨勢，之后2002-2005年迅速下降，整體變化幅度為1.56；對應(yīng)穩(wěn)定期、劇烈開采期和植被修復(fù)期的平均干燥度分別為1.29、1.26和1.22。

7.3.2整體礦區(qū)NDVI時(shí)程變化對氣候變化和植被恢復(fù)的響應(yīng)

為了更好地分析干燥度和NDVI的變化關(guān)系，將此干燥度數(shù)據(jù)和整體礦區(qū)NDVI組合分析，繪制干燥度-NDVI雙累積曲線，見圖10。

圖10整體礦區(qū)干燥度與NDVI雙累積曲線

與上文分析過程一致，以NDVI變化的三個(gè)階段為基礎(chǔ)，分析整體礦區(qū)NDVI與干燥度的關(guān)系，見表4。

表4整體礦區(qū)不同時(shí)期雙累積曲線分析

在穩(wěn)定期時(shí)，NDVI 較干燥度的變化率為 0.323，在進(jìn)入劇烈開采期后平均干燥度減小了 0.03，因此干燥度對 NDVI 的影響為-0.0097，而實(shí)際上 NDVI 由穩(wěn)定期進(jìn)入劇烈開采期，平均 NDVI 減小了 0.14，因此人類活動(dòng)帶來的 NDVI 指數(shù)減小總計(jì)為 0.1303。

在劇烈開采期時(shí)，NDVI指數(shù)較干燥度的變化率為 0.187，在進(jìn)入植被修復(fù)期后平均干燥度減小了 0.04，因此干燥度對 NDVI 指數(shù)的影響為-0.0075，而實(shí)際上 NDVI 由劇烈開采期進(jìn)入植被修復(fù)期，平均 NDVI 減小了 0.1，因此人類活動(dòng)帶來的 NDVI 減小總計(jì)為0.0925。

7.3.3雙茶亭礦區(qū)NDVI時(shí)程變化對氣候變化和植被恢復(fù)的響應(yīng)

雙茶亭礦區(qū)干燥度-NDVI雙累積曲線見圖11。

圖11雙茶亭礦區(qū)干燥度與NDVI雙累積曲線

以NDVI變化的三個(gè)階段為基礎(chǔ)，分析雙茶亭礦區(qū)NDVI與干燥度的關(guān)系，見表5。

表5雙茶亭礦區(qū)不同時(shí)期雙累積曲線分析

穩(wěn)定期 NDVI 較干燥度的變化率為 0.321，在進(jìn)入劇烈開采期后平均干燥度減小了 0.03，因此干燥度對 NDVI 的影響為-0.0096，而實(shí)際上 NDVI由穩(wěn)定期進(jìn)入劇烈開采期，平均 NDVI 減小了 0.16，因此人類活動(dòng)帶來的 NDVI 指數(shù)減小總計(jì)為 0.1504。

在劇烈開采期時(shí)，NDVI 指數(shù)較干燥度的變化率為 0.176，在進(jìn)入植被修復(fù)期后平均干燥度減小了 0.04，因此干燥度對 NDVI 指數(shù)的影響為-0.007，而實(shí)際上 NDVI 由劇烈開采期進(jìn)入植被修復(fù)期，平均 NDVI 增加了 0.11，因此人類活動(dòng)帶來的 NDVI 增加總計(jì)為 0.117。

7.3.4NDVI 時(shí)程變化對氣候變化和植被恢復(fù)的響應(yīng)成因

影響NDVI指數(shù)的關(guān)鍵因素是人類活動(dòng)（稀土開采、修復(fù)措施）和氣候因素（干燥度），雙累積曲線分析結(jié)果可得人類活動(dòng)為影響NDVI的主要因素，稀土尾砂修復(fù)治理效果使劇烈開采稀土對植被產(chǎn)生的破壞性影響減弱，整體礦區(qū)NDVI受尾砂修復(fù)治理效果的影響為0.0378，雙茶亭礦區(qū)NDVI受尾砂修復(fù)治理效果的影響為0.2674。

對比整體礦區(qū)和雙茶亭礦區(qū)人類活動(dòng)對NDVI的影響差異，表明整體礦區(qū)工程性措施和油茶配置模式植被修復(fù)措施的尾砂修復(fù)治理效果較差，桉樹配置模式修復(fù)效果較好，在之后尾砂治理過程中，整體礦區(qū)應(yīng)采用以桉樹為主的植被配置模式進(jìn)行植被修復(fù)措施更為科學(xué)合理。

八、結(jié)論

（1）1989-2015年整體礦區(qū)NDVI值呈現(xiàn)顯著性下降趨勢。整體NDVI可分為三個(gè)階段，穩(wěn)定期（1989-2005年）、劇烈開采期（2006-2008年）和植被修復(fù)期（2009-2015年）。在穩(wěn)定期，整體礦區(qū)NDVI變化趨勢不顯著，呈波動(dòng)變化，平均NDVI為0.43，雙茶亭礦區(qū)NDVI呈顯著下降趨勢，平均NDVI為0.44。在劇烈開采期，整體礦區(qū)NDVI呈顯著下降趨勢，平均NDVI為0.29，雙茶亭礦區(qū)NDVI呈顯著下降趨勢，平均NDVI為0.28。在植被修復(fù)期，整體礦區(qū)NDVI呈顯著下降趨勢，平均NDVI為0.19，雙茶亭礦區(qū)呈顯著上升趨勢，平均NDVI為0.39。

（2）實(shí)測尾砂、芒萁、芭茅、芒草、油茶、木荷、竹子、馬尾松、桉樹和樟樹的地物波譜特性計(jì)算相應(yīng)地物NDVI值，結(jié)果分別為：0.03，0.69，0.53，0.52，0.69，0.8，0.79，0.75，0.6，0.52，其中木荷NDVI值最大，尾砂NDVI值最小，尾砂存在一定的背景值；草本植物芒萁、芭茅和芒草NDVI年內(nèi)變化范圍較大，說明相對于喬木類植被，草本植物受季節(jié)影響大。

（3）1989-2015年降水量變化趨勢不顯著，呈波動(dòng)變化。結(jié)合NDVI在各自時(shí)期的變化情況分析可得，NDVI下降原因?yàn)樗州敵鲆蜃樱撛谡羯l(fā)）過大和人類活動(dòng)對植被的破壞過于嚴(yán)重。

（5）1989-2015年潛在蒸散發(fā)變化趨勢不顯著，呈現(xiàn)波動(dòng)變化。結(jié)合NDVI和降水量在各自時(shí)期的變化情況分析可得，人類活動(dòng)在劇烈開采期對植被的影響大。

（6）1989-2015年干燥度整體較穩(wěn)定。由數(shù)據(jù)此可得人類活動(dòng)為影響NDVI的主要因素；稀土尾砂修復(fù)治理效果使劇烈開采稀土對植被產(chǎn)生的破壞性影響減弱，整體礦區(qū)NDVI受尾砂修復(fù)治理效果的影響為0.0378，雙茶亭礦區(qū)NDVI受尾砂修復(fù)治理效果的影響為0.2674。對比整體礦區(qū)和雙茶亭礦區(qū)人類活動(dòng)對NDVI的影響差異，表明整體礦區(qū)工程性措施和油茶配置模式植被修復(fù)措施的尾砂修復(fù)治理效果較差，桉樹配置模式修復(fù)效果較好，在之后尾砂治理過程中，整體礦區(qū)應(yīng)采用以桉樹為主的植被配置模式進(jìn)行植被修復(fù)措施更為科學(xué)合理。

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審核編輯 黃宇