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Impacts of mining on landscape pattern and primary productivity in the grassland of Inner Mongolia:a case study of Heidaigou open pit coal mining

草原区矿产开发对景观格局和初级生产力的影响——以黑岱沟露天煤矿为例



全 文 :
摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
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摇 摇 第 猿源卷 第 员员期摇 摇 圆园员源年 远月摇 渊半月刊冤
目摇 摇 次
前沿理论与学科综述
土壤大孔隙流研究现状与发展趋势 高朝侠袁徐学选袁赵娇娜袁等 渊圆愿园员冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
能源基地生态修复
我国大型煤炭基地建设的生态恢复技术研究综述 吴摇 钢袁魏摇 东袁周政达袁等 渊圆愿员圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
国家大型煤电基地生态环境监测技术体系研究要要要以内蒙古锡林郭勒盟煤电基地为例
魏摇 东袁全摇 元袁王辰星袁等 渊圆愿圆员冤
噎噎噎噎噎噎噎噎噎
噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
基于 阅孕杂陨砸模型的国家大型煤电基地生态效应评估指标体系 周政达袁王辰星袁付摇 晓袁等 渊圆愿猿园冤噎噎噎噎
西部干旱区煤炭开采环境影响研究 雷少刚袁卞正富 渊圆愿猿苑冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
露天煤矿区生态风险受体分析要要要以内蒙古平庄西露天煤矿为例 高摇 雅袁陆兆华袁魏振宽袁等 渊圆愿源源冤噎噎噎
草原区矿产开发对景观格局和初级生产力的影响要要要以黑岱沟露天煤矿为例
康萨如拉袁牛建明袁张摇 庆袁等 渊圆愿缘缘冤
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噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
三七对土壤中镉尧铬尧铜尧铅的累积特征及健康风险评价 林龙勇袁阎秀兰袁廖晓勇袁等 渊圆愿远愿冤噎噎噎噎噎噎噎
某焦化场地土壤中多环芳烃分布的三维空间插值研究 刘摇 庚袁毕如田袁权摇 腾袁等 渊圆愿苑远冤噎噎噎噎噎噎噎噎
个体与基础生态
杉木人工混交林对土壤铝毒害的缓解作用 雷摇 波袁刘 摇 彬袁罗承德袁等 渊圆愿愿源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
基于 啄员缘晕稳定同位素分析的人工防护林大型土壤动物营养级研究 张淑花袁张雪萍 渊圆愿怨圆冤噎噎噎噎噎噎噎
铅镉抗性菌株 允月员员强化植物对污染土壤中铅镉的吸收 金忠民袁沙摇 伟袁刘丽杰袁等 渊圆怨园园冤噎噎噎噎噎噎噎
陕北地区石油污染土壤中不动杆菌属的筛选尧鉴定及降解性能 王摇 虎袁吴玲玲袁周立辉袁等 渊圆怨园苑冤噎噎噎噎
祁连山高山植物根际土放线菌生物多样性 马爱爱袁徐世健袁敏玉霞袁等 渊圆怨员远冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
新疆沙冬青 粤酝和 阅杂耘真菌的空间分布 姜摇 桥袁贺学礼袁陈伟燕袁等 渊圆怨圆怨冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
聚糠萘水剂对不同积温带玉米花后叶片氮同化的影响 高摇 娇袁董志强袁徐田军袁等 渊圆怨猿愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎
内蒙古河套灌区玉米与向日葵霜冻的关键温度 王海梅袁侯摇 琼袁云文丽袁等 渊圆怨源愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
四种类型栓皮栎栲胶含量 尹艺凝袁张文辉袁何景峰袁等 渊圆怨缘源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
食物胁迫对翅二型丽斗蟋飞行肌和繁殖发育的影响 吴红军袁赵吕权袁曾摇 杨袁等 渊圆怨远猿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎
颜色对梨小食心虫产卵选择性的影响 杨小凡袁马春森袁范摇 凡袁等 渊圆怨苑员冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
缓释单萜类挥发物对落叶松毛虫行为及落叶松主要防御蛋白的影响 林摇 健袁刘文波袁孟昭军袁等 渊圆怨苑愿冤噎噎
种群尧群落和生态系统
黄土丘陵沟壑区不同植被恢复格局下土壤微生物群落结构 胡婵娟 袁郭摇 雷 袁刘国华 渊圆怨愿远冤噎噎噎噎噎噎
刺参池塘底质微生物群落功能多样性的季节变化 闫法军袁田相利袁董双林袁等 渊圆怨怨远冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
基于 阅郧郧耘技术的茯砖茶发花过程细菌群变化分析 刘石泉袁胡治远袁赵运林 渊猿园园苑冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
景观尧区域和全球生态
中国区域间隐含碳排放转移 刘红光袁范晓梅 渊猿园员远冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
西南地区退耕还林工程主要林分 缘园年碳汇潜力 姚摇 平袁 陈先刚袁周永锋袁等 渊猿园圆缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
青海湖流域草地植被动态变化趋势下的物候时空特征 李广泳袁李小雁袁赵国琴袁等 渊猿园猿愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎
黑龙江省温带森林火灾碳排放的计量估算 魏书精袁罗碧珍袁孙摇 龙袁等 渊猿园源愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
三峡库区森林植被气候生产力模拟 潘摇 磊袁肖文发袁唐万鹏袁等 渊猿园远源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
三峡水库支流拟多甲藻水华的形成机制 朱爱民袁李嗣新袁胡摇 俊袁等 渊猿园苑员冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
流域库坝工程开发的生物多样性敏感度分区 李亦秋袁鲁春霞袁邓摇 欧袁等 渊猿园愿员冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
城乡与社会生态
基于集对分析的京津冀区域可持续发展协调能力评价 檀菲菲袁张摇 萌袁李浩然袁等 渊猿园怨园冤噎噎噎噎噎噎噎噎
江西省自然保护区发展布局空缺分析 黄志强袁陆摇 林袁 戴年华袁等 渊猿园怨怨冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
鄱阳湖生态经济区生态经济指数评价 黄和平袁彭小琳 袁孔凡斌袁等 渊猿员园苑冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
基于有害干扰的中国省域森林生态安全评价 刘心竹袁米摇 锋袁张摇 爽袁等 渊猿员员缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
期刊基本参数院悦晕 员员鄄圆园猿员 辕 匝鄢员怨愿员鄢皂鄢员远鄢猿圆愿鄢扎澡鄢孕鄢 预 怨园郾 园园鄢员缘员园鄢猿缘鄢圆园员源鄄园远
室室室室室室室室室室室室室室
封面图说院 三峡库区森林植被要要要三峡地区属亚热带区域袁山高坡陡尧地形复杂尧物种丰富袁森林是其最重要的自然资源之一袁
其面积占到库区总面积的 猿苑豫左右袁库区内现有森林可初步分为 圆 个植被型组袁愿 个植被型袁员愿 个群系组袁源源 个群
系袁员园圆个群丛袁主要树种有马尾松尧杉树尧柏树等袁低海拔处多为落叶阔叶林尧常绿阔叶林袁较高海拔分布有针阔混交
林尧针叶混交林尧灌木林等袁人工林主要有经济林尧竹林等遥 对三峡库区森林气候生产力进行模拟袁分析库区森林植
被的生产力并进行预测袁可以为三峡库区的生态建设决策提供科学依据遥
彩图及图说提供院 陈建伟教授摇 北京林业大学摇 耘鄄皂葬蚤造院 糟蚤贼藻泽援糟澡藻灶躁憎岳 员远猿援糟燥皂
第 34 卷第 11 期
2014年 6月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.34,No.11
Jun.,2014
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:环保公益性行业科研专项(200909063);国家自然科学基金(31060320)
收稿日期:2013鄄04鄄04; 摇 摇 网络出版日期:2014鄄03鄄07
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: jmniu2005@ 163.com
DOI: 10.5846 / stxb201304040603
康萨如拉,牛建明,张庆,韩砚君,董建军,张靖.草原区矿产开发对景观格局和初级生产力的影响———以黑岱沟露天煤矿为例.生态学报,2014,34
(11):2855鄄2867.
Kang S R L, Niu J M, Zhang Q, Han Y J, Dong J J, Zhang J.Impacts of mining on landscape pattern and primary productivity in the grassland of Inner
Mongolia: a case study of Heidaigou open pit coal mining.Acta Ecologica Sinica,2014,34(11):2855鄄2867.
草原区矿产开发对景观格局和初级生产力的影响
———以黑岱沟露天煤矿为例
康萨如拉1,牛建明1,2,*,张摇 庆1,韩砚君1,董建军1,张摇 靖1
(1. 内蒙古大学生命科学学院, 呼和浩特摇 010021; 2. 中美生态、能源及可持续性科学研究中心,呼和浩特摇 010021)
摘要:煤炭是我国的主要能源,大型露天煤矿的开发推动了地区经济与社会的发展,但同时也引发了区域生态环境问题。 因此,
探讨矿产开发对区域景观格局的影响,并阐明景观格局动态与生态系统初级生产力的关系,对生态环境的保护具有重要意义。
以内蒙古草原区的黑岱沟露天煤矿为例,利用 3S(RS、GIS和 GPS)技术,在野外实地调查的基础上,分析了 1987年以来矿产开
发导致的土地利用 /覆盖变化、景观格局动态及其与生态系统初级生产力之间的关系,主要结果如下:(1) 提出了界定最适研究
区范围的方法,认为沿矿区边界向外建立 10 km的缓冲区是该研究最适研究区域的大小;(2) 草地和耕地是研究区主要的土地
利用 /覆盖类型,但是在过去 20多年间其面积在逐渐减少,而工矿仓储用地及住宅用地面积在急剧增加;(3) 矿产开发导致景
观格局发生变化,并且在两种不同的空间尺度(研究区和矿区)上表现出总体变化趋势的一致性,但在后期有较大差异;(4)初
级生产力变化呈现下降趋势,并且矿区的降低更为突出;(5)以生长季降水量为控制因子的偏相关分析表明,景观配置(平均斑
块周长面积比、景观形状指数)与初级生产力呈正相关关系,在研究区尺度上尤其显著,但在矿区尺度上,景观结构组成(斑块
密度、均匀度指数和多样性指数)更为重要,与初级生产力呈显著负相关;(6)受复垦规模和演替进程的影响,局限在矿区排土
场上的植被重建尚不能改变研究区尺度景观鄄生态系统初级生产力之间的关系。 可见,景观格局的变化以及景观格局与生态系
统初级生产力之间的关系均存在尺度依赖性。
关键词:景观格局;初级生产力;土地利用 /覆盖;露天煤矿;草原
Impacts of mining on landscape pattern and primary productivity in the grassland
of Inner Mongolia: a case study of Heidaigou open pit coal mining
KANG Sarula1, NIU Jianming1,2,*, ZHANG Qing1, HAN Yanjun1, DONG Jianjun1, ZHANG Jing1
1 School of Life Science of Inner Mongolia University, Hohhot 010021, China
2 Sino鄄US Center for Conservation, Energy and Sustainability Science, Hohhot 010021, China
Abstract: Coal has been the primary energy resource that made rapid economic and social development in China possible.
Yet, its extraction in the form of open鄄field mining operations changed landscape patterns considerably and created a suite of
environmental and ecological problems. Therefore, it is very important to understand these landscape pattern dynamics and
their effects on ecosystem processes. While open pit coal mining is one of the fast growing human modifications of the Earth忆
s surface which transforms landscapes and ecological functioning, studies in applied ecology and restoration ecology
examining the effects of this human activities have been lacking. We conducted a field study in the 10 km buffer around the
landscape of Zhungger Heidaigou in Inner Mongolia where large open mine operations are presently underway. Within this
landscape land use / land cover changed substantially between 1987 and 2010. We related these human transformed
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landscape patterns to primary productivity and found the relationship to be highly scale dependent. Our results are
summarized as follows. First, the 10 km buffer was found to be the optimum size of this study area, although we seek
expanding the scale domain of our study because the size of the mining area is expected to increase. Second, grassland and
agricultural areas, the two main land uses that preceded coal mining, have both decreased in the past 20 years. Grassland
area decreased from 71.18% (45 199.73 hm2 ) in 1987 to 60. 71% (38 550.76 hm2 ) in 2010,while agricultural area
decreased from 25.76% (16 360.24 hm2) in 1987 to 20.48% (13 002.40 hm2) in 2010. On the other hand, industrial and
residentia lareas increased between 1987 and 2010. Particularly, mining operations occupied only 0.01% (3.12 hm2) in
1987, but increased to 3. 16% (2 007. 04 hm2 ) in 2000, which corresponds to 10. 05% (6 385. 04 hm2 ) in 2010,
respectively. Third, although landscape structure in the area has experienced overall consistent trend of change dynamics of
landscape pattern at later stages were very different at two spatial scales鄄the scale of the mining area and the whole
landscape. The number of introduced and disturbance patches increased at the expense of dominant resource patches, which
resulted in severe landscape fragmentation. At the fine scale, previously dominant grassland patches characterized by higher
pattern complexity and irregular shapes were replaced by simpler and more regular patches of coal mining operations and
accompanying infrastructures. Fourth, primary productivity in the landscape as a whole and mining area in particular
decreased with time since mining operations started. Areas affected by mining experienced more significant decrease of
primary productivity. Partial correlation analysis of landscape patterns and primary productivity, with growing season
precipitation as the controlling factor, showed that primary productivity was positively correlated with landscape
configuration landscape pattern indices( perimeter鄄area ratio average, PARA; landscape shape index, LSI),especially at
the whole landscape level. Primary productivity was negatively correlated with landscape composition indices ( patch
density, PD; shannon鄄weaver diversity index, SHDI; and shannon evenness index, SHEI) in the mining area. We
conclude that vegetation restoration cannot change the relationship between landscape patterns and primary productivity at
the large scale because of current limitations of available potential habitat areas and long term successions.We believe the
success of restoration of damaged ecosystems in the study area is heavily dependent upon the realization of the importance of
natural ecosystems.
Key Words: landscape pattern; primary productivity; land use / land cover; large open pit coal mining; grassland
摇 摇 对自然资源的长期开发活动会导致自然生态系
统的退化[1鄄2]。 连续不断的干扰及破碎化显著地改
变着植被的组成及结构[3],大面积的植被破坏不仅
重塑着区域景观格局,还会带来严重的环境问题,加
剧水土流失,加速生态系统的进一步退化。 因此,恢
复退化生态系统,提高良性土地利用 /覆盖类型的比
重是生态系统的重要保护措施[4],也是景观设计的
主要内容。 长期以来,在矿区废弃地等受损生态系
统中,大面积的植被重建一直被视为生态恢复的主
体[5]。 然而,这些活动大多是独立和分散的,它们对
区域生态系统结构和功能产生了哪些重要影响,其
景观效应如何等问题,均需要进一步明确,其结果不
仅有利于深入探讨重要的生态学理论[6],也有助于
促进区域生态环境恢复与重建[5]。 景观生态学重视
探讨人类活动、景观结构与生态系统功能三者之间
的关系[6],其主要问题之一就是基于特定区域景观
特征,在时间与空间两种尺度上解释生态系统过程
与景观格局之间的相互作用[7鄄13]。 研究表明,生态
系统结构及功能不可避免地要受到景观空间格局的
制约,而景观空间格局的演变常常是区域土地利用
变化的结果,因而直接受到人类活动的影响[14鄄17]。
煤炭作为主要的能源,在国民经济建设中具有
不可替代的作用[18鄄19],煤炭的开发在推动地区经济
与社会发展的同时也带来了严重的生态环境问
题[20]。 我国是全球五大无烟煤(硬煤)开采国家(中
国、美国、印度、澳大利亚和南非)之一[21],并且我国
的大型露天煤矿大多分布在生态环境脆弱的干旱、
半干旱地区。 其中以内蒙古草原区为主,例如黑岱
沟露天煤矿、霍林河露天煤矿、伊敏露天煤矿、神府
东胜及大唐露天煤矿等[18, 22],对干旱、半干旱区的
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生态环境造成了威胁。 内蒙古草原区大型露天煤矿
的开发面积达到了甚至远远超过了一些中小型城镇
的规模[23]。 而大型露天煤矿的开采通过大面积采
挖和填土,导致地表植被消失,增加水土流失、滑坡、
泥石流、河道阻塞、地表和地下水系紊乱、土地沙化、
盐渍化等的发生率[24鄄25]。 并且,随着矿产的不断开
发,矿区交通网络逐渐形成、人为活动越来越频繁,
使矿区及周边景观结构组成与配置发生了极大的改
变,导致生境斑块逐渐破碎化,面积不断减小,从而
影响到生物个体、种群、群落、生态系统等各个组织
水平的生态过程[26鄄27]。
本文以内蒙古准格尔黑岱沟露天煤矿为例,以
景观生态学和恢复生态学理论为指导,利用 3S 技
术,从空间、时间两个维度,探讨露天煤矿开采导致
的区域景观格局的变化对生态系统初级生产力的影
响,旨在回答以下两个问题:(1)矿区土地利用特征
与动态是如何影响景观格局变化的? (2)矿区景观
格局动态对区域生态系统初级生产力产生的影响及
其尺度依赖性是什么?
1摇 研究方法
1.1摇 研究区概况
黑岱沟露天煤矿位于内蒙古自治区鄂尔多斯市
准格尔旗(东经 111毅06忆—111毅24忆,北纬 39毅38忆—39毅
52忆)(图 1),该矿于 1990 年开工建设,至今已有 20
年历史。 矿区地处黄土丘陵沟壑区,年平均气温
5郾 0—8.0 益,最热月 7 月平均气温 20—30 益,最冷
月 1月平均气温-11—-15 益,逸10 益积温 2700—
3200 益。 年平均降水量 350—450 mm。 从植被地带
上看,该矿处于暖温性典型草原地带,本氏针茅
(Stipa bungeana)草原为地带性植被类型,但是由于
频繁的人为活动与地表侵蚀的作用,导致百里香
(Thymus serpyllum)草原的广泛分布。 研究区域主要
的土壤类型为栗钙土,零星分布有黄绵土和黑垆土。
由于北部与库不齐沙地相邻,部分地区有风沙土
分布[28]。
图 1摇 研究区地理位置和不同时期矿区边界
Fig.1摇 The location of study area and outline of mining area in different times
1.2摇 数据获取
1.2.1摇 植被调查和测定
2010年 8月,对矿区人工排土场及周边天然植
被进行了实地调查。 在矿区人工排土场,根据植被
类型的差异,每个排土场设置调查样地 1—3 个,共
21个样地;在周边天然草地设置 40个样地。 合计调
查样地 61个,获取植物群落样方 183 个。 样方大小
为 1 m伊1 m,记录样方内每一物种的株丛高度和株
丛数,分种齐地剪取,称取鲜重后带回实验室,置于
65 益烘箱内烘干至恒重(约 24 h),得到每个样方的
地上现存生物量,代表样地初级生产力。 使用 GPS
记录每个样地的位置,作为参照数据,支持卫星遥感
图像的专题解译。
1.2.2摇 气象数据
收集准格尔旗气象站(东经 110毅 52忆12义,北纬
39毅40忆02义)1990—2010年每隔 1a 逐月降水数据,用
于统计该地区生长季降水量。
1.2.3摇 卫星遥感图像数据
遥感图像均为 Landsat TM(空间分辨率为 30
m),共 12 景,分别为 1987 年 8 月 (1 景),1990—
7582摇 11期 摇 摇 摇 康萨如拉摇 等:草原区矿产开发对景观格局和初级生产力的影响———以黑岱沟露天煤矿为例 摇
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2010年每隔 1年取 1景(均为 8月成像,共 11景)。
1.3摇 数据处理
1.3.1摇 计算 NDVI
首先利用 ERDAS 及 PCI 等遥感图像处理软件,
对遥感图像进行大气校正、几何校正、图像增强等预
处理。 然后在 PCI 图像处理软件支持下,用 1990—
2010年的 11期 TM反射率图像,获得相应年份研究
区域 NDVI ( normalized difference vegetation index,
NDVI)的空间分布图。 计算公式为:
NDVI =
DNIR - DNR
DNIR + DNR
(1)
式中,DNIR、DNR分别为 TM 图像在近红外波段( IR)
和红光波段(R)的像元反射值。
1.3.2摇 确定研究区范围
就本项研究而言,矿区及周边地区都应该成为
具体的分析对象,但应该包括多大范围的周边地区,
需要提出一种客观的界定方法。 首先依据 Landsat
TM图像,确定 2010年矿区界限。 利用 GIS 工具,基
于矿区中心点,建立最接近矿区外围边界的方形区
域,视为矿区;然后,根据矿区边界,分别向外建立 1、
2.5、5、10、20、30、40、50 km 的缓冲区,作为敏感区,
它包含了矿区与不同面积大小的毗邻区域;接着,依
据 1990—2010 年 NDVI 图像,计算矿区与敏感区
NDVI逐像元的加和比值的百分数,定义为指标 k,k
值越高,表明矿区植被生产力越高,对周边生态系统
初级生产力的影响越大;指标 k的计算方法为:
k =
移 ni = oDN
移mj = 0DN
伊 100% (2)
式中,i为矿区范围内第 i 个像元(矿区 i = 1,2,3,
…,n);j为研究区范围内第 j 个像元(研究区 j = 1,
2,3,…,m)。 最后,通过对矿区和不同敏感区范围
内 NDVI 逐像元的加和(n = 11,11 期图像)之间进
行 Pearson相关性分析,进而确定受矿区影响的敏感
范围。 本文以 10 km缓冲区的敏感区作为本文专题
解译和景观指数计算的研究区域范围(10 km 范围
的选取依据见内容 2.1)。
1.3.3摇 生物量估算
生物量是表征净初级生产力等生态系统功能的
重要参数[29]。 本文利用 NDVI 估测植被生物量,并
将其作为反映生态系统初级生产力的指标。 将 2010
年实地调查的样方干重数据与同期 NDVI结合,利用
回归分析建立生物量遥感估测模型,并应用于其他
10期(1990—2009年)的生物量估算:
生物量 = 81 .672e2.049NDVI ,R2 = 0.57 (3)
依据 2010 年同期野外调查数据[30]对以上模型
进行验证,验证结果标明,观测值 = 1. 05 伊模拟值
(R2 = 0.81,P< 0.001)。
1.3.4摇 专题解译
依据 2007年国土资源部发布的《土地利用现状
分类》国家标准(GB / T21010—2007),结合地面调查
数据和 TM图像的可解译性,制定土地利用 /覆盖分
类系统。 利用 eCognition 面向对象的图像自动分类
软件,对 1987 年 (开矿前)、1990 年 (开矿初期)、
2000年(开矿中期)及 2010 年(开矿后期)四期图像
的土地利用 /覆盖进行相同尺度的自动分割。 此方
法避免了手工勾画过程中斑块划分、最小斑块界定
的主观性,增加了时间序列数据动态分析的一致性,
有效地克服了由于主观因素所造成的结果偏差,提
高了景观格局分析的科学性与准确性。 最后,利用
ArcGIS,依据野外调查获得的参照数据,确定水浇
地、旱地、有林地、天然草地、人工牧草地、工业场地、
采矿用地、仓储用地、城镇住宅用地、农村宅基地、河
流水面、坑塘水面和裸地等 13 个土地利用二级类
型,并按类型归为耕地、林地、草地、工矿仓储用地、
住宅用地、水域及水利设施用地和其它土地 7类。
以 2.3 km伊2.3 km的距离,采用随机采样法在研
究区进行采样(共计 100 个采样点),依据解译者对
研究区的了解程度和实地调查的样地对土地利用二
级类型进行精度验证(准确度 = 91%),其中,共 9
个采样点的人工牧草地被分为天然草地中,共 1 个
采样点的仓储用地被分为采矿用地中,从而导致 9%
的错误率。 由于人工牧草地和天然草地均属于土地
利用一级类型中的草地,仓储用地和采矿用地均属
于土地利用一级类型中的工矿仓储用地,因此,该部
分误差并不影响以下景观格局的分析研究。
1.3.5摇 景观指数
选用一组相互独立的景观指数描述景观格局非
常必要[31鄄32]。 本文选取了以下景观指数(表 1),有
代表景观结构组成的斑块密度指数(PD)、多样性指
数(SHDI)、均匀度指数(SHEI),也有代表景观配置
8582 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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特征的最大斑块指数(LPI)、平均斑块周长面积比
(PARA)和景观形状指数(LSI) [33鄄34]。 斑块密度指
数、平均斑块周长面积比的增大及最大斑块指数的
降低,表明景观的破碎化[34];景观形状指数越小,表
明景观几何形状越简单而又紧凑[6];景观多样性指
数的增加不仅取决于斑块类型丰富度的增加,还随
着景观结构组成复杂性的增加而上升[6];均匀度指
数表示景观斑块分布的均匀程度,值越小反映该景
观受到一种或少数几种优势斑块所支配[33]。
一个特定的景观具有空间异质性,并且这种异
质性具有尺度效应[6]。 本文在研究区和矿区两种景
观尺度,依据上述四期土地利用 /覆盖一级类型解译
结果,采用 Fragstats 3.3 软件计算上述景观指数。 一
方面,比较分析研究区与矿区景观水平指数的变化
特征;另一方面,重点对研究区范围内的草地和工矿
仓储用地两种类型,比较分析类型水平指数的变化
特征。
表 1摇 景观水平及类型水平上选取的景观指数[33]
Table 1摇 Landscape metrics selected in landscape level and class level
不同水平
Different levels
结构组成指数 Compositional indices
斑块密度
Patch density
最大斑块指数
Largest patch
index
多样性指数
Shannon鄄weaver
diversity index
均匀度指数
Shannon鄄weaver
evenness index
空间配置指数 Configurational indices
平均斑块
周长面积比
perimeter鄄area
ratio average
景观形状指数
Landscape
shape index
景观水平 Landscape level + + + + + +
类型水平 Class level + + + +
摇 摇 +: 本文所选择的景观指数 Landscape index used in different level analysis
1.3.6摇 偏相关分析
在干旱、半干旱地区,陆地生态系统植物生物量
或初级生产力的高低,除了决定于生态系统自身的
结构和特征外,还深受水分供应的影响,年际间的波
动尤为如此。 本文以生长季降水作为控制因子,通
过研究区及矿区平均生物量(11 期)与景观指数(4
期)之间的偏相关分析,在消除降水影响的前提下,
定量化阐述景观格局与初级生产力的关系。
2摇 研究结果
图 2摇 指标 k随年份的动态
Fig.2摇 Dynamics of k value
2.1摇 研究区范围的确定
图 2显示出不同时期、不同大小敏感区下指标 k
的变化趋势。 敏感区范围越小,k 值越高,表明矿区
对周边区域生态系统的影响就越大。 而对相同大小
的敏感区而言,随着矿区开发年限的增加,k 值越低,
表明矿区范围内植被复垦效果显现,矿区对周边生
态系统的影响有逐渐降低的趋势。 然而,当敏感区
范围增大到一定程度时,这种年际间的变化则十分
微弱。
Pearson相关性分析发现(表 2),在 1—2.5 km
的敏感区范围内,矿区和敏感区 NDVI加和随年份的
动态变化具有极显著相关性 (P < 0. 01, n = 11);
2郾 5—10 km的敏感区范围内,二者具有显著相关性
(P< 0.05,n = 11);当敏感区范围大于 10 km时,二
者则不存在显著相关关系。 为此,确定围绕矿区向
外 10 km 建立缓冲区,并作为本项研究中专题数据
提取、景观分析等的区域(图 3)。
2.2摇 不同时期研究区土地利用 /覆盖及其变化
研究区域 4期数据(1987年、1990年、2000 年及
2010年)土地利用 /覆盖空间分布见图 4,面积统计
见表 3。 可以看出,作为研究区主要土地利用 /覆盖
类型的草地面积逐渐减少,其比重从 1987的 71.18%
(45199.73 hm2)减少到 2010 年的 60.71%(38550.76
hm2) 。研究区第二大类型耕地的面积也呈现逐渐
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表 2摇 矿区与敏感区 NDVI随年份动态的相关性
Table 2摇 Correlation between mineral area NDVI and sensitive area NDVI
敏感区 Sensitive area
1 km 2.5 km 5 km 10 km 20 km 30 km 40 km 50 km
矿区 Mineral area 0.946** 0.917** 0.878* 0.843* 0.754 0.752 0.699 0.696
摇 摇 **表示在 0.01水平(双侧)上显著相关;*表示在 0.05水平(双侧)上显著相关
图 3摇 研究区及矿区范围示意图
Fig.3摇 Study area and mineral area
由最接近矿区外围边界的方形区域为矿区;由矿区范围向外建
立的 10 km缓冲区为研究区;虚线表示矿区在 2010 年的外围边

下降的趋势,从 1987年的 25.76%(16360.24 hm2)减
少到 2010年的 20.48%(13002.40 hm2)。 与此同时,
工矿仓储用地及住宅用地面积逐渐增加。 其中,工
矿仓储用地的面积从 1987年的 0.01%(3.12 hm2)增
加到 1990 年的 0.29%(186.17 hm2)、再到 2000 的
3郾 16%(2007.04 hm2),最后到 2010 年,其面积迅速
增加到 10.05%(6385.04 hm2)。
图 4摇 研究区不同时期土地利用 /覆盖图
Fig.4摇 Land use / cover maps of study area in different years
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表 3摇 研究区土地利用 /覆盖动态
Table 3摇 Land use / cover changes in study area
土地利用 /覆盖类型
Land use / cover type
1987年 Year
面积 / hm2
Area
%
1990年 Year
面积 / hm2
Area
%
2000年 Year
面积 / hm2
Area
%
2010年 Year
面积 / hm2
Area
%
耕地 Farm Land 16 360.24 25.76 16 331.42 25.72 14 459.95 22.77 13 002.40 20.48
林地 Forest 311.56 0.49 311.56 0.49 821.34 1.29 1 082.57 1.70
草地 Rangeland 45 199.73 71.18 44 064.09 69.39 42 929.81 67.60 38 550.76 60.71
工矿仓储用地 Mineral Area 3.12 0.00 186.17 0.29 2 007.04 3.16 6 385.04 10.05
住宅用地 Residential Area 37.85 0.06 349.36 0.55 1 308.19 2.06 2 172.02 3.42
水域及水利设施用地
Water Body 1 016.19 1.60 1 113.51 1.75 950.36 1.50 1 023.99 1.61
其它土地 Others 574.56 0.90 1 147.14 1.81 1 026.57 1.62 1 286.48 2.03
2.3摇 不同时期景观格局及其动态
基于上述四期土地利用 /覆盖图,获得景观水平
上的景观指数(图 5)。 就研究区而言,随着矿区开
发时间的延长,研究区最大斑块指数逐渐减少,斑块
密度指数、景观多样性指数、景观形状指数和均匀度
指数逐渐增加,表明新的斑块和类型不断在增加,使
原始的优势斑块面积逐渐减小,形成越来越多的小
斑块,即研究区景观越来越趋于破碎化。
图 5摇 不同空间尺度景观格局动态
Fig.5摇 Changes in landscape patterns at the two different spatial scales
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摇 摇 然而在矿区,景观格局则表现出与研究区不同
的变化趋势。 自 1987年以来,矿区景观形状指数逐
渐减少,表明在矿区景观中,景观形状指数的大小主
要取决于斑块边界形状的复杂程度,而在研究区景
观中,景观形状指数不仅受到斑块边界的影响,还取
决于景观中斑块数量的变化。 多数其他指数在最近
10多年呈现出与研究区总体变化趋势的一致性,但
在后期有差异。 例如,斑块密度指数、景观多样性指
数和均匀度指数在后期下降。
从类型水平上看,研究区草地及工矿仓储用地
的景观格局动态具有不同的变化趋势(图 6)。 两种
类型的斑块密度指数及形状指数均随着时间逐渐增
加;工矿仓储用地的最大斑块指数逐渐增加,而草地
类型的该指数却逐渐下降;工矿仓储用地的平均斑
块周长面积比呈现逐渐减小的趋势,而草地的该指
数没有明显的变化,表明工矿仓储用地的面积在不
断增加,边界失去复杂性,而草地正逐渐失去优势
地位。
图 6摇 两种土地利用 /覆盖类型景观格局动态
Fig.6摇 Changes in landscape patterns for two land use / cover types
2.4摇 不同时期植被生产力及其动态变化
就初级生产力区域平均而言,在研究区及矿区
两个不同空间尺度上,初级生产力均呈现出随时间
逐渐减小的趋势(图 7a)。 然而,从研究区与矿区平
均初级生产力差值的年际间动态能够看出(图 7b),
在矿区开发早期,初级生产力差值变化不明显,但随
后的 10a尽管波动较大,但总体呈增加趋势,即矿区
周边植被的初级生产力越来越高于矿区,近年来,上
述差距被进一步拉大,并在 2008年达到最大值。
图 7摇 两种尺度下植被初级生产力的动态
Fig.7摇 Primary productivity changes (a) and primary productivity difference between two spatial scales (b)
a: 研究区和矿区初级生产力的时间动态,空心圆为研究区,实心圆为矿区;b: 研究区和矿区初级生产力差值的时间动态
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2.5摇 景观格局动态与植被生产力的关系
初级生产力与景观指数的偏相关分析结果见表
4。 不难发现,在研究区及矿区两种空间尺度上初级
生产力与景观格局之间具有不同的关系特征。 在研
究区,初级生产力与景观配置紧密相关,表现为初级
生产力与平均斑块周长面积比呈现显著正相关,与
景观形状指数也具有正相关关系。
而在矿区,初级生产力则与景观结构组成的关
系更为密切,初级生产力与斑块密度呈显著负相关
(表 4),与多样性指数和均匀度指数也具有负相关
关系;同时,初级生产力也和景观配置有关,表现为
与平均斑块周长面积比指数正相关。
3摇 结论与讨论
分析矿区指标 k发现,自 1990至 2010年矿区开
发的 20年间,k值表现出随时间减小的趋势,并且具
有尺度依赖性,这种结果也证实了矿区景观的空间
自相关性。 这种影响在小尺度敏感区内较为明显,
随着敏感区范围的增大,矿产开发对区域生态系统
初级生产力的影响逐渐减弱。 由此也可推断,虽然
10 km缓冲区为本项研究的最适研究区域大小,然
而,如果矿区开采范围不断扩大,矿区周边敏感区的
范围也逐步增加,最适研究区也将需要相应的扩大
范围。
表 4摇 植被初级生产力与景观指数的偏相关分析
Table 4摇 Partial analysis between primary productivity and landscape metrics
不同尺度 Different scales
结构组成 Compositional
PD
n= 4
LPI
n= 4
SHDI
n= 4
SHEI
n= 4
配置 Configurational
PARA
n= 4
LSI
n= 4
初级生产力 Primary productivity(研究区 Study area),n= 11 -0.549 0.218 -0.572 -0.572 0.999* 0.938
初级生产力 Primary productivity(矿区 Mineral area),n= 11 -0.998* 0.354 -0.854 -0.883 0.957 0.693
摇 摇 降水因子为控制因子;*表示在 0.05水平上显著相关(双侧);PD: 斑块密度 Patch density,LAI: 最大斑块指数 Largest patch index,SHDI:
Shannon鄄weaver多样性指数 Shannon鄄weaver index,SHEI: Shannon鄄weaver均匀度指数 Shannon鄄weaver evenness index,PARA: 平均斑块周长面积比
指数 Perimeter鄄area ratio average,LSI: 景观形状指数 Landscape shape index
摇 摇 景观指数的计算受到研究空间粒度、幅度、遥感
数据质量和不同数据处理方法的影响而使数据产生
一定的误差。 然而,景观指数随空间尺度和时间的
动态能够在一定程度上有效的、定量的刻画景观格
局的变化。 就本研究而言,景观指数在研究区和矿
区两种空间尺度上随开采时间的表现并不一致。 在
研究区,新的斑块和类型不断在增加,使原始的优势
斑块面积逐渐减小,形成越来越多的小斑块,即研究
区景观越来越趋于破碎化。 相比较而言,矿区尺度
上的斑块类型在开采后期逐渐减少,其结果使矿区
中逐渐失去复杂的斑块类型,形状简单的斑块成为
构成矿区内景观格局的主体。
环境资源型斑块(如草地)破碎化后向残存斑
块、干扰斑块和引进斑块等的转变并不一定会引起
大尺度景观中生态系统初级生产力的降低,例如草
原区草地向人工林的转变[6]。 在本文研究中,矿产
开采初期,研究区和矿区尺度初级生产力变化没有
显著差异,但在后期,两种空间尺度初级生产力差距
逐渐拉大。 究其原因,一方面,矿区内非植被覆盖类
型的面积显著增加,降低了矿区的初级生产力;另一
方面,近年来鄂尔多斯严格实施了禁牧、退牧还草、
退耕还草等措施,加强了生态保护与建设,从而有效
地保护了草原植被,增加了植被覆盖和初级生产力,
因此矿区周边的初级生产力得以明显的增加。
传统生态系统的研究认为,自然和非自然因素
是决定生态系统生产力的主要驱动因子[35鄄39]。 然
而,近年来景观水平上的大量研究表明,生态系统结
构和功能与景观空间格局之间也具有密切的关
系[6, 14],如景观多样性的增加可提高生态系统对环
境波动、干扰以及极端事件的抵抗能力,有利于增强
生态系统功能的稳定性[40]。 人为活动的加剧促进
景观破碎化的不断发展,影响系统内能量流动及养
分循环,导致生态系统生产力的降低,使生态系统功
能稳定性丧失[41鄄43],例如,城市扩展、矿产开发等人
为活动改变着景观格局[44],直接影响物种、资源和
人为干扰在景观中的分配与传播,从而影响生态系
统的生物多样性和生产力,在区域景观功能及生态
系统过程中起到重要的控制作用[15, 45]。 因此,景观
格局的变化对生态系统功能的影响是复杂多样的,
景观多样性的增加和异质性的提高不一定引起生态
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系统功能单一方向的提高或减少,进而深入探讨景
观格局动态与生态系统过程之间关系的内在机制是
必不可少的。
由于空间异质性,同一区域、相同粒度下的不同
幅度景观,其结构和动态往往表现出不同特征,因此
决定了不同的生态学过程[46]。 本文研究表明,矿产
开发对两种空间尺度景观格局具有不同的影响表
现,并且对两者的生态系统初级生产力均带来不利
影响。 在较大的空间尺度上,景观配置比景观结构
组成更能决定区域生态系统生产力。 究其原因,矿
产开发导致处于基底地位的草地生态系统不断地被
分割、破碎,使景观配置发生显著改变,使生境斑块
之间逐渐失去物质交换与能量流动的能力,进而影
响到生态系统初级生产力。 而在小尺度景观,生态
系统初级生产力的降低主要取决于景观结构与组成
的变化,尤其是由于优势斑块类型发生转变,原有的
环境资源斑块被非植被覆盖的干扰斑块所替代,并
且其面积在不断增加所致。 此外,上述现象还说明,
受人类剧烈干扰的景观对区域生态系统初级生产力
的影响在矿区更为明显。 并且,随着时间的推移,在
周边自然生态系统保持良好状态的前提下,如果受
损生态系统没有得到及时有效地恢复,那么对局地
生态系统初级生产力的不利影响仍然会很突出。
矿区植被的恢复,可有效地改变土壤的结构和
质地,增加土壤的肥力和保水能力,进而增强控制水
土流失的能力,改善局地生态环境问题,带来可观的
经济效益、社会效益和生态效益[47]。 黑岱沟的植被
复垦始于 1992 年,到 2006 年就已产生明显效果,如
本土野生多年生植物成功定居人工生态系统中,并
且具有很强的忍耐性和可塑性,它们与复垦植被组
成多层次的植物群落,推动了演替进程,形成结构复
杂的生态系统[23]。 然而,在景观水平上,无论是矿
区尺度还是研究区尺度,其初级生产力的变化均不
能体现出局地、良好的植被重建所发挥的积极作用。
显然,这种变化与矿区不断加大开发力度有关。 随
着矿区建设与发展,废弃地面等非植被覆盖的面积
快速增加,而植被恢复重建因自然因素的制约难以
同步,从而降低了区域植被覆盖与生物量的积累。
究其原因,一方面主要是因为生态系统的重建与修
复规模远远不及加速开采所形成的矿坑等裸露土地
的增长;另一方面,新形成的生境与原生境相比,其
地貌形态趋于简单、固相岩土结构松散、地层层序紊
乱、地表物质更趋复杂、土壤性质更趋恶化,加之区
域性气候干旱,天然植被恢复无法有效地使受损生
态系统发生顺向演替[48]。 受演替过程的控制,大量
的复垦土地需要更长的时间才能达到相对稳定的状
态,因此,重建的植被斑块对景观格局的构建作用也
将非常微弱。
目前,景观生态学被应用于生态系统恢复当
中[49鄄50]。 在生态系统恢复过程中,充分阐明景观要
素与恢复区的空间关系是恢复活动成功的必要条
件。 Bell Susan等明确提出并详细分析了景观生态
学在人类社会经济活动、生态恢复等工作中的作用,
认为景观生态学可以作为矿产开发等活动的重要理
论之一,通过制定适宜的恢复目标等途径,指导矿区
生态恢复工作[49]。 但是就具体理论而言,学者们的
观点存在诸多的争议,如有些学者认为,生态恢复的
成效与恢复区的面积有关,其面积越大越有利于生
态系统的修复和重建,有利于动植物找到适宜的栖
息地[51鄄52]。 相比恢复面积的大小, Gary Huxel 和
Alan Hastings[53]则认为,生态恢复的成效与恢复斑
块的格局有关,确定哪些斑块被恢复比多少斑块被
恢复更为重要。 Lewis[54]等的研究也更加注重恢复
斑块的布局,认为把空间过程考虑到恢复管理当中,
可以成功的抵消或减少栖息地消失及破碎化带来的
影响。 后来,Tilman[55]等为了证实 Lewis 的观点,建
立了精确的空间模型,并结合景观生态学原理进行
人工控制实验,发现植被在几种不同斑块格局的恢
复策略下,具有不同的恢复效果。 本文研究区,经过
矿产开采之后,其景观格局发生了极大的改变,其主
导斑块类型趋于破碎化,草地为主的环境资源型斑
块逐渐转变为残存斑块,工矿仓储用地、废弃地、复
垦地等干扰斑块和引进斑块越来越多,整体景观逐
渐由自然和半自然景观转变成托管景观。 因此,在
今后越来越多的人工景观的空间布局和配置需要人
们深入研究和精心设计,这就需要景观生态学的理
论来指导实践工作。 Wu等认为,一方面景观是研究
社会、经济与生态环境协调发展的最适空间单元,即
可持续性科学研究的最理想的空间单元。 另一方
面,景观生态学可为可持续性科学提供了可靠的理
论和有效研究途径。 不难看出,今后在受损生态系
统恢复和重建、可持续性科学的理论研究与实践领
4682 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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域,景观生态学将发挥越来越重要的作用。
致谢:感谢美国亚利桑那州立大学 Alexander Buyentuyev
教授对英文摘要的修改和润色,感谢姚虹、张树礼等
为本文提供数据。
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叶生态学报曳圆园员源年征订启事
叶生态学报曳是由中国科学技术协会主管袁中国生态学学会尧中国科学院生态环境研究中心主办的生态学
高级专业学术期刊袁创刊于 员怨愿员年袁报道生态学领域前沿理论和原始创新性研究成果遥 坚持野百花齐放袁百家
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叶生态学报曳主要报道生态学及各分支学科的重要基础理论和应用研究的原始创新性科研成果遥 特别欢
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编辑部主任摇 孔红梅摇 摇 摇 执行编辑摇 刘天星摇 段摇 靖
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