基于遥感生态指数的矿业城市生态环境时空变异分析.pdf

Series No.567September 2023 金 属 矿 山METAL MINE 总 第567 期2023 年第 9 期收稿日期 2022-03-10基金项目 地理信息工程国家重点实验室、自然资源部测绘科学与地球空间信息技术重点实验室联合基金项目(编号:2021-03-04)作者简介 滕永佳(1998),男,硕士研究生。通信作者 郭 伟(1984),男,讲师,博士,硕士研究生导师。基于遥感生态指数的矿业城市生态环境时空变异分析滕永佳1 阎跃观1 郭 伟1 李 凯1 赵传武2(1.中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院,北京 100083;2.北京师范大学遥感科学与工程研究院,北京 100875)摘 要 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 20132020 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:20132020 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关关系,与灯光指数有较稳定的负相关关系。研究成果可为我国东部矿业城市生态环境分析和协调可持续发展提供科学参考。关键词 遥感 矿业城市 生态环境 景观生态指数 中图分类号P237 文献标志码A 文章编号1001-1250(2023)-09-213-10DOI 10.19614/ki.jsks.202309029Analysis of Spatiao-temporal Variation of Ecological Environment in Mining City Based on Remote Sensing Ecology IndexTENG Yongjia1 YAN Yueguan1 GUO Wei1 LI Kai1 ZHAO Chuanwu2(1.College of Geoscience and Surveying Engineering,China University of Mining and Technology-Beijing,Beijing 100083,China;2.Institute of Remote Sensing Science and Engineering,Beijing Normal University,Beijing 100875,China)Abstract With the depletion of coal resources in the east and the strategic shift of the mining center to the west,the green transformation and development of mining cities in the east has put forward new requirements for the evaluation of ecolog-ical environment quality.At present,most relevant researches focus on the intensive and high-intensity mining areas in the west,and there are few studies on the applicability of relevant methods and experiences to the eastern mining cities.Secondly,the current research on the ecological environment of mining areas based on statistical results cannot provide quantitative analy-sis of spatial heterogeneity.Furthermore,under the relatively small mining intensity,the impact of coal mining itself on the en-vironment is controversial,while the ecological effects of coal storage and transportation have not received much attention.The Landsat remote sensing images from 2013 to 2020 were used,the Fengfeng mining area of the industrial and mining city was taken as the study area,and the RSEI(Remote Sensing Ecology Index),coupled with the landscape ecological index,were constructed to the study area.Heterogeneity was quantitatively analyzed,the ecological effects of the local coal mining-storage-transportation process were studied,and the driving factors were analyzed.The results showed that:from 2013 to 2020,the habitat quality of the Fengfeng mining area showed a small fluctuation,but the structure configuration was obviously optimized;The landscape index analysis showed that the spatial heterogeneity of each grade of RSEI was strengthened,and the non-equi-librium distribution phenomenon was more obvious;The process of coal mining-storage-transportation had a certain disturbing effect on the ecological environment and its stability,the effect of coal mining was not strong,and the ecological impact of stor-age and transportation present a gradient effect;RSEI had a relatively stable positive correlation with elevation,slope,and vege-tation cover,and a relatively stable negative correlation with light index.The study results can provide scientific reference for 312the coordinated sustainable development of mining cities.Keywords remote sensing,mining city,ecological environment,landscape ecological index 过去几十年我国经济高速发展,其环境负面效应也愈发凸显1。我国是矿业大国,煤炭将在未来相当长时期内保持其能源结构基石的作用,但煤炭开采会直接或间接引起地表变形、地下水位变化、植被退化、温度异常、区域生态恶化等一系列影响2。当前,我国生态承载能力接近上限,随着人民群众对于美好生态环境需求的不断提高,煤炭工业的绿色发展引起了广泛关注3。近年来,诸多学者对矿区土壤理化性质4、地表热环境5、植被覆盖6、土地利用7等关键生态要素进行了深入研究。总体上,此类研究多集中于西部干旱半干旱条件下的高强度采区,研究对象多为单一环境因子,研究方法以样地调查为主。而东部矿业城市资源禀赋情况与西部大型矿区差异较大。矿业城市是原始生态景观受城市建设、矿产开采等活动综合影响而形成的一种特殊的城市生态系统,既区别于西部矿区,又区别于一般城市8。随着东部矿产资源日渐枯竭,矿业城市的绿色转型已经成为当前的关键任务。因此,应寻求一种全面、低成本且能快速反映地区生态环境状态及时空变化的方法和范式,为矿业城市的生态环境评价提供参考。近年来,随着计算机、传感器、影像处理算法、云平台等技术的不断发展,为生态环境评价提供了软硬件支撑。遥感技术以其多尺度、长时序、多分辨率、全球覆盖、包含多光谱信息和数据易获取等优势,已成为环境监测与评价(林业工程9,水体识别10,气溶胶反演11)的关键技术,在矿区也获得了一定的应用。成少平等12利用随机森林算法进行遥感影像分类,进行了迁安市矿区信息的提取与演变研究;刘英等13基于 Landsat 影像构建尺度化土壤湿度监测指数,研究了神东矿区土壤湿度的时空变化及影响因素。该类研究虽然取得了一定的成效,但仅注重单个环境因子的时空变化。针对该问题,徐涵秋提出了基于 4 种人类最易感知的环境变量 绿度、湿度、热度、干度分量,经主成分分析(Principal Component A-nalysis,PCA)构建了综合遥感生态指数(Remote Sensing Ecology Index,RSEI),该指数所包含的信息完全来自遥感影像,可保证结果的客观性,目前已在海岛型城市14、城市群15取得较好应用。李晶等16基于 RSEI 构建了改进的像素级生态服务价值计算模型,评价了兖州矿区 30 a 间的生态累积效应;刘虎等17利用 RSEI 监测南四湖地区生态环境时空变化特征,发现湖区生态环境因受到地下采煤活动的扰动而变差。上述研究成效显著,但目前基于遥感影像构建综合生态评价指数时,仍存在的问题有:大多数研究的数据源选择了等间隔年份的单景影像,单景影像获得的地面信息易受降水、气温变化影响,其生态状况稳定性较差;分析方法限于统计分析,未对研究区生态环境的空间异质性进行定量研究;较低采掘强度下煤炭开采的生态环境效应存在争议,而对煤炭储存、运输过程的生态效应关注较少。本研究以 20132020 年 Landsat 遥感影像为主要数 据 源,耦 合 RSEI 模 型 与 景 观 生 态 指 数 模型18-19,实现生态环境时空变化和空间异质性的定量分析;结合实例,研究煤矿开采对当地生态环境影响;建立缓冲区,分析煤炭采储运空间格局的生态影响特征,并从自然和社会角度进行驱动力分析。研究成果可以为资源型城市经济与生态环境协调可持续发展提供理论依据。1 研究区概况峰峰矿区位于河北省南部,山西、河南、河北三省交界处,如图 1 所示。矿区地势中部高、两侧低,西与太行山脉相接,东侧向华北平原过渡;气候上属于暖温带半湿润大陆性季风气候;境内已探明煤、石灰石、瓷土等多种矿产资源。峰峰矿区作为典型的资源型矿业城市,研究该区的生态环境质量时空格局,对于同类型城市转型发展具有较好的参考意义。2 数据源与研究方法研究流程如图 2 所示。基于遥感生态指数 RSEI与景观指数模型,通过缓冲区分析、实例分析及多因素相关性分析,研究峰峰矿区生态环境时空变化和煤炭采储运空间格局的生态影响,并分析生态环境变化的驱动机制。2.1 数据源与预处理在美国地质勘探局网站(https:www.usgs.gov/landsat-missions/landsat-collection-1)获取了 Landsat8 地表反射率产品(Landsat 8 Surface Reflectance Tier 1),该产品已经过辐射定标和大气校正20;在美国国家海洋和大气管理局网站(https:ngdc.noaa.gov/eog/viirs)获取了 VIIRS 夜光遥感影像;从 LP DAAC实验室发布的 NASA DEM 数据集(https:search.asf.alaska.edu)中提取 12.5 m 分辨率数字高程模型;参考相关研究21及卫星影像,得到研究区部分矸石山位置。412总第 567 期 金 属 矿 山 2023 年第 9 期图 1 研究区概况Fig.1 Overview of the study area图 2 研究流程Fig.2 Study process 对经过去云、裁剪后的 Landsat8 影像进行年度均值合成,得到 20132020 年地表反射率时序数据。将裁剪后的 Landsat、VIIRS 影像、DEM、矢量数据投影到 CGCS2000 坐标系中。512 滕永佳等:基于遥感生态指数的矿业城市生态环境时空变异分析 2023 年第 9 期2.2 遥感生态指数 RSEI遥感生态指数是根据人类感知最明显的绿度、湿度、温度和干度 4 种环境指标经主成分分析法加权计算所得14。RSEI 的表达式为RSEI=f(G,W,H,D),(1)式中,G 为绿度分量,使用 NDVI 表达;W 为湿度分量,选取遥感影像缨帽变换后的湿度分量22;H 为热度分量,选取地表温度(Land Surface Temperature,LST)23进行表征;D 为干度分量,选取建筑裸土指数(Normalized Difference Build-up and Soil Index,NDB-SI)14进行表达。对各分量进行 PCA 分析,并对第一主成分进行归一化处理,即得到 RSEI,其值越接近 1,表明生态环境越好;反之,表明生态环境越差15。为便于统计分析生态环境的空间分布和时序变化,使用自然断点法将 RSEI 分为(0.81.0)、(0.60.8)、(0.40.6)、(0.20.4)、(00.2)5 个等级。2.3 生态环境空间异质性定量分析景观指数包含了高度精练的景观格局信息,是分析研究对象组成与配置、分布与变化的有效手段,已在土地利用变化研究中得到广泛应用24-28。为定量研究生态环境的空间异质性,耦合 RSEI 与景观指数模型,基于 Fragstats 软件,在景观水平上选取 8 个指标(表 1),探究生态环境斑块破碎度、各等级聚集性及其变化特征。表 1 景观指数选取及说明Table 1 Selection and description of landscape index表征对象景观指数取值范围说明景观斑块特征斑块个数 NP/个NP1景观的斑块总数,与破碎度有较高的正相关性斑块密度 PD/(个/km2)PD0斑块个数与景观总面积之比景观异质性蔓延度 CONTAG/%0CONTAG100景观中不同斑块类型的团聚程度和延展趋势散布与并列指数 IJI/%0IJI100表征各个斑块类型间的总体散布与并列状况景观空间关系香农多样性指数 SHDISHDI0基于信息论,对斑块类型的非均衡分布较敏感聚集性指数 AI/%0AI100描述地类斑块间的聚集性特征分离度指数 SPLIT/%0SPLIT100描述斑块的分离程度景观分割指数 DIVISION/%0DIVISION100不同斑块之间的分散情况 注:NPNumber of Patches;PDPatch Density;CONTAGContagion Index;IJIInterspersion and Juxtaposition Index;SHDIShannons Diversity Index;AIAggregation Index;SPLITSplitting Index;DIVISIONLandscape Division Index。2.4 煤炭采储运空间格局的生态影响分析煤炭生产涉及开采、储存和运输过程,在矿区城市内部,3 个环节共同组成了煤炭采储运的空间格局,共同影响邻域的生态环境。缓冲区分析即在点、线等实体周边不同宽度范围内建立与目标图层的叠加关系,已成为研究人类活动生态效应的重要方法。本研究基于 ArcGIS 平台,以矸石山和铁路要素为中心,划分多环缓冲区,统计各缓冲区的 RSEI 均值,探究煤炭采储运过程的生态环境效应及其时间变化特性。2.5 相关性分析为了解研究区生态环境的影响因素,有必要进行驱动力分析。当地生态环境除了受气候条件、煤炭开采、存储和运输的影响外,还与地形、植被覆盖、土壤湿度等自然因素和经济建设等社会因素有一定关联。相关性是评价不同要素间关联度的重要指标,是判断不同因子间耦合协同关系的主要方法之一。相关性分析已在探讨环境变化的驱动因素中得到应用13,计算方法公式为C A,B()=EA-A()-B-B()AB,(2)式中,C(A,B)为指标 A、B 间的相关系数,其绝对值越接近 1,说明两者之间的相关性越强。选取高程和坡度作为地形影响因子,年度最大值合成的 NDVI28作为植被影响因子,SMMI 为土壤湿度影响因子(SMMI 值越大,土壤湿度越低),灯光数据作为经济建设影响因子。通过计算 RSEI 与各因子间的相关系数,分析不同驱动因素的环境影响。3 结果与讨论3.1 生态环境时空变化本研究通过 RSEI 均值、频率直方图统计及变化分析,定量研究生态环境空间分布及变化。3.1.1 生态环境时序变化20132020 年峰峰矿区 RSEI 的时序变化统计结果如图 3 所示。由图 3 可知:研究区年度 RSEI 均值呈“20132015 年增大,至 2017 年减小,至 2018年增大,最终在 2021 年减小至 0.492”的变化特征,总体增大。表明 20132020 年峰峰矿区生态环境质612总第 567 期 金 属 矿 山 2023 年第 9 期量呈现波动性变化,其中 2013、2015、2017、2018 和2020 年为 RSEI 均值的变化节点年份。图 3 峰峰矿区 RSEI 时序变化特征Fig.3 Temporal variation characteristics of RSEI in Fengfeng mining area图 4 为 RSEI 的频率直方图,统计分析了变化节点年份的 RSEI 分布情况。分析可知:一方面从各等级变化看,级和级无明显变化,级频率在 2018年达到最大,但总体未发生明显变化,级频率总体减小,级频率总体增大;另一方面从各年份 RSEI 直方图变化看,频率分布的期望正向 RSEI 较大的方向移动。说明尽管 RSEI 均值未发生明显变化,但其组成与结构改善明显,反映出峰峰矿区采取的一系列环保措施取得了阶段性成效。图 4 峰峰矿区 RSEI 频率直方图Fig.4 Frequency histogram of RSEI in Fengfeng mining area3.1.2 生态环境空间分布对变化节点年份 RSEI 的空间分布情况进行了分析27,结果如图 5 所示。由图 5 可知:在不同等级空间分布上,级分布最广泛,东北部、中北部、西北端、西南部生态环境较好,除了 2013 年级生态质量在中西部呈连片分布外,其余年份、级在中部地区分布较多,在滏阳河流域较为聚集,在其余地区较为破碎。在不同等级分布的变化上,与 2013 年相比,级的面积逐渐扩大,有向内外扩张和连通趋势,级地区有沿中部鼓山形成一种“V”形分布的趋势。研究区西北端、西南部和中部山区植被覆盖较多,相关部门发展第三产业,在此建设了多个旅游景观,保持了当地的生态结构和功能;东北部地处平原地区,且有湿地分布,水源充足,第一产业占比较大,生态环境总体较好。滏阳河位于中南部,是该地区水图 5 峰峰矿区生态环境空间分布Fig.5 Ecological environment spatial distribution in Fengfeng mining area源地之一,因此沿岸开展了城市建设活动,对生态环境产生了较强的扰动;鼓山两侧矿产资源丰富,因此研究区内第二产业多分布于此,与之相应,交通、经济也在此处取得较好的发展,但此类活动的生态负效应较强。3.1.3 生态环境空间变化为监测生态环境空间变化,将 2020 年与 2013 年RSEI 图像进行叠加分析,计算其变化值及变化率,结果如图 6 所示。RSEI 的变化范围为-0.70.6,变化率范围为-100%200%。生态环境轻微改善的占比最大,为 35.8%;其次为轻微退化部分,主要分布在东部地区且有明显的纹理特征,占比为 33.3%;而环境明显改善的区域主要分布在西南部平原地区,占22%;最后为环境明显退化的区域,主要位于东部和东南部且分布集中。研究区中部鼓山、元宝山为生态保护区,环境未发生明显变化,反映出在现行环保措施下可以较好地保持此处生态功能。环境恶化区域有明显的纹理特征,城镇不透水面、交通路线周边的生态环境退化严重,由于城镇建设重心东移,东部大量耕地转变为城镇用地,导致生态环境变差,这与郑子豪等27的研究结论一致。将生态环境退化严重部分与 2013 年、2020 年的卫星影像的纹理特征进行对比发现,生态退化的主要原因是新建工业场地、煤矸石堆和城镇交通建设。由此可见,城镇化发展重心转移、工业发展、矿产采运和路网建设会影响周边的生态环境,这与陈晓辉等25的研究结论一致。3.2 生态环境空间聚集与破碎性分析2013、2015、2017、2018、2020 年几个 RSEI 变化节点年份的景观指数取值见表 2。由表 2 可知:从斑块角度看,NP与PD先增大后减小,2020年相比 2013712 滕永佳等:基于遥感生态指数的矿业城市生态环境时空变异分析 2023 年第 9 期图 6 峰峰矿区生态环境空间变化Fig.6 Spatial change of ecological environment in Fengfeng District年增大了 17%,说明研究区内斑块数量增大,平均面积减小,斑块的破碎程度增强;从景观异质性指数上看,CONTAG 和 IJI 变化规律一致,先增大再减小,后增大,2020 年相比 2013 年分别增大了 3.7%、4.3%;从景观空间关系上看,SHDI 减小约 10%,表明各环境等级的非均衡分布现象更为明显,而 AI 出现轻微减小,SPLIT 从 6.4%降至 3.1%,DIVISION 从 84.5%降至 68.2%,表明斑块间的聚集性降低。表 2 峰峰矿区 RSEI 景观指数计算结果Table 2 Calculation results of landscape index of RSEI in Fengfeng mining area年份NP/个PD/(个/km2)CONTAG/%IJI/%SHDIAI/%SPLIT/%DIVISION/%2013 5 01315.4057.07 32.44 1.07 85.686.4084.402015 5 06715.5760.36 32.96 0.97 86.352.9365.902017 5 87418.0459.05 32.86 0.98 84.442.9466.002018 7 35222.8955.48 35.19 1.04 81.823.8874.202020 5 88718.0959.20 33.84 0.98 84.763.1568.203.3 煤炭采储运过程的生态影响分析3.3.1 煤炭开采生态影响现阶段,对矿山开采沉陷区生态环境影响的研究大多基于西部集约化高强度采区,当地受城市建设、土地利用变化等人为因素影响较少。而东部城市矿区煤炭开采方式以井工矿“三下”采煤为主,为探究其对生态环境的影响,以研究区某矿为例分析矿山开采对采动影响区的生态效应。该矿于 20162017 年在村庄下进行回采作业,煤层平均开采深度为 600 m,平均采厚 4.2 m,工作面分布如图 7 所示。根据20152020 年水准测量和概率积分法预计结果26,自工作面向北划定了采动影响范围并向外扩展 100 m,以其外接矩形为试验区,由于遥感影像水体掩膜造成工作面以南数据缺失,因此并未向南延伸。根据矿区采掘工作规划,试验区以北未进行开采作业,因此选取试验区北部为对照区。根据工作面开采时间按影像云层覆盖量筛选出的2015 年8 月13 日、2016 年7 月30 日、2018 年7 月20 日、2020 年 8 月 10 日共 4 景生长季 Landsat 8 遥感影像,构建的试验区和对照区的遥感生态指数如图 7 煤矿采区示意Fig.7 Schematic of coal mining area图 8 所示。总体上,试验区生态质量变化较小,而对照区生态质量变化较大。试验区南端水库区域生态环境发生较明显变化。结合研究区历史卫星影像(图 9)和实地调研发现,当地拓宽耕地侵占了大量原有滩涂和水域,水库界线向东移动,而其余区域未发生明显变化。开采沉陷对周边区域生态环境影响较小,可能的原因是在该地区工作面深厚比条件下,开采强度较小,煤炭开采对环境的影响未达到自然环境自修复能力的“阈值”。对照区中部环境较差区域的范围逐年缩减,则与当地将原本荒地开垦为耕地并进行边坡治理有关(图 9)。此外,2020 年贯穿研究区东西方向的主干道建设完毕,对道路及周边地区的生态环境造成了一定的影响。3.3.2 煤炭储运生态影响梯度特征除了煤炭开采外,煤炭储存和运输是煤矿生产的重要环节,同样对生态环境有一定的影响。以矸石山、铁路要素为中心,建立多环缓冲区,统计 RSEI 随距离的变化。在缓冲区大小选取上,参考相关研究成果25,确保在发现 RSEI 变化规律的同时避免多个缓冲区复合影响,通过多次试验,确定在矸石山 2 600 m 范围、铁路 1 000 m 范围内分别建立多环缓冲区,如图 10 所示。由图 10 可知:煤炭堆积对生态环境的影响呈现梯度特征,大致分为 4 级,各年份中,第 1 级梯度的距离阈值均为 200,第 2 级梯度的距离阈值由600 m(20132017 年)缩减为 400 m,第 3 级梯度的距离阈值均为 1 000 m,第 4 级梯度的距离阈值由1 800 m(20132015 年)缩减到 1 600 m;铁路作为812总第 567 期 金 属 矿 山 2023 年第 9 期图 8 试验区与对照区 RSEI 空间分布Fig.8 Spatial distribution of RSEI in test area and control area图 9 对照区典型土地利用变化Fig.9 Typical change of land use in control area煤炭运输的主要路线,在空间位置上与煤炭堆积有较强的相关性,观察曲线变化可以发现,曲线斜率变化较大的距离出现在两处,分别为200 m 和700800 m。结合两者统计结果可知:煤堆缓冲区的第 2 级梯度阈值与铁路缓冲区的第 2 个 RSEI 斜率零点位置相吻合,说明两种地物对于生态环境的影响有复合效应,复合影响的距离阈值从 800 m 缩减为 700 m 左右。总体来看,煤堆和铁路的生态影响范围正在缩小,煤炭采运过程的复合生态影响范围缩减,说明生态治理取得一定成效。除了 2013 年外,其余年份RSEI 均值高于 2020 年,说明影响范围在缩减的同时,其影响程度加深。原因可能是在能源紧缺的背景下,煤炭开采进度加快,采煤、堆煤、运煤量增加,产生更多的粉煤灰、重金属等污染物,增大了对周边植被、土壤、地表水的污染程度。图 10 缓冲区内 RSEI 随距离的变化Fig.10 Variation of RSEI in buffer zone with distance3.3.3 煤炭采储运区域与其他区域 RSEI 对比分析 为对比煤炭采储运区域与其他区域 RSEI 的差异性,结合 3.3.2 节分析结论,对矸石山 1 800 m、铁路要素 800 m 范围的缓冲区进行合并,因矸石山与煤矿采区通常具有空间毗邻关系,因此缓冲区范围内912 滕永佳等:基于遥感生态指数的矿业城市生态环境时空变异分析 2023 年第 9 期已基本包含煤矿采区。研究区煤炭采储运的空间格局信息提取结果如图 11 所示。图 11 峰峰矿区煤炭采储运区域示意Fig.11 Schematic of coal mining-storage-transportation area in Fengfeng District 采储运区域 RSEI 均值为 0.45,标准差为0.13,其他区域均值为 0.51,标准差为 0.10。在各等级生态质量占比上,由表 3 可知:两区域生态质量各等级的占比情况类似,均为级最多,V 级最少,二者的主要差异在于,采储运区域级和级占比高于其他区域,而级、级占比略低。对比 2020 年与2013 年各等级占比,两区域级分别减少了 11.08%和 22.1%,级分别增加了 14.04%和 25.43%。RSEI 均值与标准差的差异表明,煤炭工业对研究区生态环境及其稳定性造成了一定的扰动。二者生态环境等级的差异主要在于较差环境占比上,主要由于环境较差区域生态调节能力较差,对人为扰动的敏感性更强。级面积减少、级面积增加,反映出两类区域生态环境结构均得到优化。表 3 煤炭采储运区域与其他区域生态环境差异Table 3 Difference in ecological quality between the coal mining-storage-transportation and other areas%生态质量等级生态质量等级占比采储运区域20132015201720182020其他区域201320152017201820201.670.232.722.671.751.660.951.441.360.8114.0317.6811.2627.9210.6312.9721.609.2827.7310.4640.4057.7856.3751.8254.4440.4265.6365.8460.8965.8543.7223.9229.5517.4232.6544.9011.7523.409.9922.800.180.390.100.170.530.060.070.040.040.083.4 驱动力分析从表 4 中可以看出:RSEI 与高程、坡度、NDVI 有较稳定的正相关关系,与灯光指数有较稳定的负相关关系,与 SMMI 的相关关系不稳定,总体呈较弱的负相关性。表 4 相关系数计算结果Table 4 Calculation results of correlation coefficients年份高程坡度NDVISMMI灯光指数20140.2130.2900.388-0.068-0.18520150.1920.2250.621-0.015-0.30320160.1970.2160.6180.049-0.27120170.0010.1000.600-0.194-0.17120180.0730.1130.6090.094-0.19520190.1910.2530.620-0.159-0.19120200.1520.1980.5460.006-0.200均值0.1460.2000.572-0.041-0.217 生态环境与高程和坡度呈正相关关系,是因为绝大多数人类活动处于地势较低且地形平坦处,地势高的区域主要用于开发旅游业,植被覆盖率高,植被防风固土、涵养水源的能力又反过来对该区域环境起到改良作用,结合 3.1.2 节的结论来看,以中部山区为代表区域形成了较稳定的生态系统。RSEI 与 SMMI相关性较差,这与刘英等13的研究结论有区别,可能原因有:首先,以往研究区多位于西部干旱、半干旱区域,而本研究区位于华北地区,影响研究区环境的生物物理因素不同;其次,采煤沉陷造成农作物无法正常生长,间接影响周边环境,将采煤塌陷地改为鱼塘29,可能是导致环境质量与土壤湿度相关性不明显的原因之一。根据以上结论,在制定环保政策时,应采取差异化治理措施,因地制宜进行生态治理。在城镇建成区,面对生态环境景观斑块破碎化日渐明显的问题,应注意通过城市周边绿化带阻隔较差生态环境斑块向周边较好地区连通;在耕地区域,在保证粮食作物充足供应下,适当种植常绿树木,改善农业用地生态环境季节性差异大的不足;维持生态保护区和生态风景区的植被覆盖现状,在改善山区交通状况的同时注意道路网络建设对环境的影响;在煤炭开采过程中,贯彻“防微杜渐”的思想,采取充填开采、条带开采30-31等环境友好型开采方式,采取边采边复32的土地复垦措施,充分利用矿区生态调节功能和自修复能力33;同时,煤炭存储与运输过程的环境负效应不容忽视,建立矿区生态环境影响的生态红线,采取洒022总第 567 期 金 属 矿 山 2023 年第 9 期水降尘、边坡治理等措施控制影响范围,降低煤炭开采、存储、运输的生态危害。4 结 论通过耦合 RSEI 和景观生态指数模型,定量研究了峰峰矿区 20132020 年生态环境的时空格局和空间异质性变化特征;结合某矿开采工作面实例,研究了开采沉陷对生态环境的影响;构建缓冲区,对煤炭储存、运输过程的生态效应进行了探索;根据相关系数探究了峰峰矿区生境质量与驱动因素间的协同关系。所得结论如下:(1)20132020 年峰峰矿区生态环境质量呈现波动性变化,年度 RSEI 均值变化较小,但生态环境组成和配置明显改善。(2)峰峰矿区生态环境空间异质性增强。从斑块特征和景观异质性上看,峰峰矿区斑块数量增大,平均面积减小,CONTAG、IJI 增大,斑块的破碎程度加剧;从景观空间关系上看,SHDI、AI、DIVISION 发生不同程度减小,生态环境等级非均衡分布现象更为明显,斑块间的集聚性降低。(3)煤炭采储运空间格局对生态环境质量及其稳定性具有一定的扰动作用。煤炭开采对采动影响区的环境影响较弱,煤炭储运过程的生态效应具有一定的梯度特征。复合生态影响范围缩减和生态环境结构优化,反映出当地生态治理取得了一定的成效;土地利用变化是驱动峰峰矿区生态环境变化的重要原因。(4)在驱动力上,峰峰矿区生态环境质量与高程、坡度、植被覆盖有较稳定的正相关关系,与灯光指数有较稳定的负相关关系,与土壤湿度的相关关系不稳定,总体呈较弱的负相关性。参 考 文 献1 CHAPLIN-KRAMER R,SHARP R P,WEIL C,et al.Global model-ing of nature s contributions to People J.Science,2019,366(6462):255-258.2 张成业,李军,雷少刚,等.矿区生态环境定量遥感监测研究进展与展望J.金属矿山,2022(3):1-27.ZHANG Chengye,LI Jun,LEI Shaogang,et al.Progress and prospect of the quantitative rem