基于RS与GIS的平朔露天矿区土地利用类型与碳汇量的动态变化

第28卷第3期农业工程学报Vol.28No.32302012年2月TransactionsoftheCSAEFeb.2012基于RS与GIS的平朔露天矿区土地利用类型与碳汇量的动态变化张召1，白中科1,2※，贺振伟3，包妮沙1（1.中国地质大学(北京)土地科学技术学院，北京100083；2.国土资源部土地整治重点实验室，北京100035；3.中煤平朔煤业有限责任公司，朔州036006）摘要：为了研究矿区土地复垦与生态重建对陆地生态系统碳素生物地球化学循环的影响，以平朔安太堡露天煤矿为研究对象，通过遥感影像解译，对矿区1976－2009年33a期间的土地利用类型与碳汇量变化进行了研究。结果表明：1）由于采矿活动和土地复垦工程的交互影响，矿区5224.98hm2范围内土地利用类型发生了巨大变化：3346.35hm2的耕地和906.45hm2的林地全部转化为工业广场、剥离区、露天矿坑、未复垦的排土场和已复垦的排土场，其中复垦面积为1167.72hm2；2）矿区生态系统的碳汇量和碳汇价值，分别由1976年的602040.22t和63214.22万元，下降为2009年的351173.50t和36873.22万元；3）1990－1996年和2001－2005年期间，矿区生态系统碳汇量分别有所上升。通过设置研究区域在33a间“全部废弃地未复垦”、“全部废弃地常规复垦”以及“全部废弃地生态复垦”3种情景模拟，得出碳汇量分别为62279.57t、961622.2t和1250108.86t，说明采取科学的土地复垦与生态重建措施，有利于整个矿区生态系统碳汇量的增加。关键词：矿区，土地利用，碳，碳汇价值，土地复垦doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2012.03.040中图分类号：F301.24文献标志码：A文章编号：1002-6819(2012)-03-0230-07张召，白中科，贺振伟，等.基于RS与GIS的平朔露天矿区土地利用类型与碳汇量的动态变化[J].农业工程学报，2012，28(3)：230－236.ZhangZhao,BaiZhongke,HeZhenwei,etal.DynamicchangesoflandusetypeandcarbonsinksbasedonRSandGISinPingshuoopencastcoalmine[J].TransactionsoftheCSAE,2012,28(3):230－236.(inChinesewithEnglishabstract)0引言全球气候变暖及其影响是当前人类所面临的最为严重的环境问题之一。因此准确确定陆地生态系统碳汇变化是缓解其加剧变暖的一个关键。陆地生态系统碳汇与土地利用及土地利用变化的联系，主要体现在植被和土壤碳在土地利用变化中的变化。矿区生态系统是以矿区作业区为核心的一个独特的人工、半人工的特殊生态系统[1]。在陆地生态系统碳素生物地球化学循环中有着重要的作用，其碳贮量变化具有明显的特殊性。它作为一个整体的碳动态系统研究强调的是其碳汇量的动态变化，具有可变性的特点。其可变性使人们能够通过采取一定的措施来提高矿区碳汇潜力，按照有利的方式进行矿区生态系统的恢复和重建，提高矿区复合生态系统的碳汇量。研究成果可进一步为研究全国矿区生态系统碳汇量收稿日期：2010-10-12修订日期：2011-08-22基金项目：国土资源部公益性行业科研专项（200911015）作者简介：张召（1987－），男,河北沧州人,研究方向：土地整理复垦。北京市海淀区学院路29号，中国地质大学（北京）土地科学技术学院，100083。Email:[e-mail]※通信作者：白中科（1963－）,男,山西省运城市人,博士,教授,博士生导师,中国农业工程学会会员（E041200374S）,主要从事土地整理复垦与生态修复、环境影响评价研究工作。北京市海淀区学院路29号，中国地质大学（北京）土地科学技术学院，100083。Email:[e-mail]变化提供借鉴意义。由于平朔矿区（以露天开采为主）在开采的过程中160km2的原地形地貌、植被、土壤将在100a内消失[2]，导致地表的土地利用类型产生了巨大的变化，进而引起其碳贮量的变化。本文以安太堡露天煤矿为研究区域，选择1976、1987、1990、1996、2001、2005、2009年7～8月遥感影像为数据源，根据目前国内外林地、草地和耕地碳汇量估算和碳汇价值评估的方法，参考王效科等提出的植被碳密度值[3]，对安太堡露天煤矿1976－2009年碳汇量进行估算，以及对其碳汇价值进行估算和分析。旨在全面、科学的评价安太堡露天煤矿碳汇量和碳汇价值的动态变化，进一步为矿区生态恢复与重建提供基础理论依据。1研究区概况安太堡露天煤矿（以下简称ATB矿）是平朔矿区开发最早的大型露天煤矿，地处黄土高原晋陕蒙接壤的黑三角地带，山西省北部的朔州市境内，地理坐标为：E112°10′58″－113°30′，N39°07′－39°37′，面积约为60km2。ATB矿的地理位置如图1所示。ATB矿属宁武煤田北部区域，是中国首批煤炭国家规划矿区之一，矿田规模年产为1500万t。ATB矿是平朔矿区第一个开发建设的国家大型煤矿，服务年限为92a（1985－2077年）。矿区生态系统是一类与人类关系密切、脆弱的生态·土地整理工程·第3期张召等：基于RS与GIS的平朔露天矿区土地利用类型与碳汇量的动态变化231系统类型，同时伴随着物质能量的输入输出，碳循环强度大。特别是ATB矿自1985年投产以来，大量林地、草地和耕地被损毁和压占，使生态系统中植被和土壤碳贮量大大降低。因此本文选择ATB矿5224.98hm2为研究区域，估算其在1976－2009年碳汇量和碳汇价值的动态变化。图1安太堡露天煤矿地理位置示意图Fig.1LocationofAntaibaoopen-pitcoalmine2计算方法2.1数据处理基于遥感技术，在ATB矿区域内根据卫星观测的视场范围，绘制土地利用覆盖变化图。利用2009年HJ-1卫星影像（30m）确定ATB矿研究区域（5224.98hm2）的边界线。对卫星数据源的选取具有以下几点要求：1）提供长时间序列的遥感影像；2）最好选取7－8月份的遥感影像，因为在这个时期植被正处于生长高峰期；3）云层覆盖面积小于20%的遥感影像。在本文研究中采用的是Landsat和HJ-1数据，其中Landsat数据分别为MSS数据（1976-07-25）、TM数据（1987-07-12、1990-08-22、1996-07-21、2001-08-21、2005-07-30）；以及选用HJ-1卫星数据（2009-06-22）。所选上述7张影像图均在采矿活动密集的33a期间。本文结合ATB矿1976、1987、1990、1996、2001、2005和2009年7－8月期间的遥感影像图，以矿区内1∶5万地形图为底图，结合矿区内的社会经济统计资料进行分析。用ERDAS和ArcGIS软件对地形图进行校正，用校正好的地形图对七期的遥感影像进行镶嵌处理。在本文中，根据矿区的土地利用和土地覆盖的实际情况，以及各类用地在遥感影像图的特征的差异性，将土地利用类型进行二级分类，一级分类包括四大类，二级分类包括十一小类，如表1所示。在ArcGIS软件平台上，通过目视解译（解译标志如表2所示）对影像图进行矢量化处理，然后进行数据转换、Coverage生成、差错、邻斑同码融合等，生成七期土地利用现状图。表1基于遥感影像的露天煤矿土地利用分类Table1Landuseclassificationofopen-aircoalminebasedonremotesensingimages一级分类二级分类描述农业用地耕地主要指通过农业生产获得粮食或产品的土地原地貌林地主要指研究区域内原有林地林地复垦排土场主要指复垦为林地的排土场工业广场主要指矿山采集点、道路等剥离区主要指露天矿剥离表土的地方露天矿主要指从地球表面获取岩石或矿物的地方未复垦排土场主要指堆放采矿废弃物的地方退化土地主要指复垦排土场二次退化的土地地方煤矿主要指面积在5～10hm2的地方煤矿建设用地居民点用地主要指居住房屋聚集的地方未利用地未利用地主要指裸土壤、岩石、稀疏草地表2遥感影像解译标志Table2Remotesensingimageinterpretationsigns一级分类二级分类形态色调纹理农业用地耕地形状规则，易于与其他类型土地区分影像色调多样，一般成淡绿色影像结构细腻，有纹理状原地貌林地受地形影响，形状不规则深绿色影像结构粗糙，成团状或絮状林地复垦排土场形状规则浅绿或深绿色影像结构细腻，有纹理工业广场边界清晰，形状规则，成斑块状或线状带状灰色、白色、灰白色、杂色影纹不均一剥离区几何特征明显，形状规则灰色、灰白色影像结构粗糙露天矿边界清晰，形状较规则深色、呈黑色影纹均一未复垦排土场几何特征明显，形状呈圆形，较规则灰色影纹较均一退化土地几何特征明显，形状呈圆形，较规则灰白色、白色影纹不均一地方煤矿边界清晰，形状较规则深色，呈黑色影纹均一建设用地居民点用地边界清晰，形状规则，几何特征明显，色调混合，多种颜色混合，比较斑杂影像结构粗糙未利用地未利用地边界不清晰，形状不规则呈白色，或浅灰色影纹不均一2.2碳汇量估算矿区生态系统的碳汇主要是指该系统的碳净吸收量，其主要通过2个途径进行估算：一部分是该生态系统植被和土壤的碳吸收量，即来自林地、草地和耕地光农业工程学报2012年232合作用产生的有机质，也是该系统光合作用带来的碳吸收，这是矿区生态系统碳吸收的主要方面；另一部分是土地复垦人工向该矿区投入的碳，因为这一部分数据难以获取，并且不占主要内容，因此在本文中忽略不计。在矿区生态系统中，林地存储了绝大部分的碳量，不仅以生物量的形式（树干、树枝、树叶、根等），而且以土壤有机质的形式存储。在多年的时间尺度上，大部分林地靠树木的生长积累碳，并增加土壤碳含量；草地的大部分碳量被储存于土壤中。这些碳存贮量在长时间内是稳定的，但是超过一定的放牧强度或发生火灾，都将导致碳量的损失；耕地中碳存储基本上是地下植物有机物或土壤有机质进行存储。由于耕地中植被生长期较长，所以有较高的碳吸收率，但是大量有机碳以农产品和相关的植物残体形式输出，很快释放到大气中。所以耕地中的碳贮量主要存在于土壤中。其中耕地不仅是矿区生态系统的重要组成部分，也是其中最活跃的部分。耕地主要受人为因素控制。必须不断地从事播种、施肥、灌溉、除草和治虫等活动，才能使耕地朝着对人有益的方面发展。所以，耕地不仅具有较高的生物生产量，同时，伴随着大量能量和物质的开放流通。因此，伴随着各种物质和能量的输入输出，耕地生产过程也是碳物质输入输出，即碳循环的过程。其中，增加耕地土壤固碳的主要途径是提高土壤有机碳（soilorganiccarbon,SOC）含量来修复和改善土壤质量。采用少耕、免耕或轮耕等保护性耕作活动，也可以减缓耕地碳贮量大量损失的趋势。近几年，国外学者Lal[4]，Bellamy等[5]，Magnani等[6]，Whitford等[7]，Hyun-KilJo[8]，Brack[9]；国内学者李怒云等[10]，方精云等[11]，马钦彦等[12]，魏殿生等[13]，周正荣等[14]，聂道平等[15]，李忠佩等[16]对碳汇方面做了进一步的研究，另外王蕾等[17]对人工林幼林生态系统碳汇能力进行了研究。其中植被碳汇量估算的方法有：生物量法、蓄积量法、生物量清单法、涡度相关法、箱式法等；土壤碳汇量估算方法有：土壤类型法、生命带类型法、GIS估算法、相关关系统计法。根据遥感影像解译得到的ATB矿各种土地利用类型数据，本文参考前人的研究成果，取矿区各土地利用类型植被和土壤碳密度值见表3，采用公式（1）来估算矿区生态系统的碳汇量。PC=S×(CC植被+CC土壤)（1）式中，PC表示单一土地利用类型的碳汇量，t；S表示某一土地利用类型的面积，hm2；CC表示某