曹飞飞,付 晓,李嘉珣,汪铭一,吴 钢,*

1 中国科学院生态环境研究中心,城市与区域生态国家重点实验室,北京 100085 2 中国科学院大学,北京 100049

生态环境损害基线是指污染环境、破坏生态行为发生前,评估区域内生态环境、生物要素及其所构成的生态系统服务的本初状态[11]。生态环境损害基线是判断生态环境损害发生的依据,也是确认生态环境损害时空尺度、损害程度、确认生态环境损害修复的重要标准,在生态环境损害鉴定评估工作中发挥着极其关键的作用,在开展生态环境损害鉴定评估与生态修复时,必须选择与确定一个合理的基线[12- 13]。《生态环境损害鉴定评估技术总纲》中对历史数据法界定的基线值为损害行为发生前,过去3年的平均值作为静态基线值。但是,自然资源与生态系统的状态时刻处于变化中,损害事件发生前已存在的人类活动加上生态系统自身演化的动态性与不确定性,导致基线的动态性。损害基线实质是损害未发生前,生态系统的理论演化状态,静态的历史数据难以用于确定损害区域的基线[14- 16]。因此生态环境损害鉴定评估中,不能将损害行为的影响直接叠加在静态基线年上,而应将基线值作为一个动态的数值,采用一定的方法预测损害行为发生后一段时间的基线值,以此基线为标准评价损害行为对生态环境的影响。

损害表征指标的筛选是损害基线判定的基础。不同的损害行为,所作用的损害受体不同,损害的表征亦不同。生态系统损害基线包含了反映评估区域生态系统结构和功能状态的综合性指标集。针对草地生态系统,该指标主要包括环境要素指标(水体、大气、土壤理化指标),生物要素指标(植被的高度、盖度、多度、频度、牧草产量)及固碳释氧、防风固沙、保育土壤、生物多样性等生态系统功能表征指标[17]。但是,由于目前大部分地区没有实现长期的生态环境定位监测,表征损害前生态系统结构、功能状态的历史数据难以获得。净初级生产力(NPP)是指单位时间与单位面积上,绿色植被通过光合作用扣除自养呼吸消耗后所累积的有机物数量[18]。NPP是生态系统中物质与能量运转的基础,直接反映了植被群落在自然环境条件下的生产能力,是表征植被动态和固碳能力的基础和关键指标[19]。生态系统中其他要素的不利变化,最终均可在植被净初级生产力上得以体现,其受损程度能在一定程度上反映生态系统破坏的程度[20- 21],且NPP易于通过遥感数据获得,从而实现时间上的连续性和空间上的全覆盖[22]。本文以NPP作为草地生态系统损害的重要表征指标,以锡林浩特市巴彦宝力格矿区为例,将损害基线看作是一个动态的变量,运用未开发建设前(2000—2008年)的NPP的历史数据所体现出来的特征和变化规律,通过灰色拓扑模型动态预测该矿区开发后2009—2011年NPP的数值,并将预测值作为动态基线值。该基线值能体现损害未发生前,生态系统原有的自然和人类活动下的理论演化状态。通过该动态基线值和静态基线值与开发建设后的实际值进行比较,探讨两种方法在NPP基线确定中的可行性和选择性。

1 研究区概况

巴彦宝力格矿区位于内蒙古自治区锡林郭勒盟锡林浩特市巴彦宝力格苏木境内,南距锡林浩特市38 km,地理坐标为115°55′00″—116°35′00″E,44°20′00″—44°42′54″N,矿区东北—西南走向长55.83 km,倾向宽11.89 km,主要包括巴彦宝力格矿井、朝克乌拉矿井、大梁矿井,总面积为650.03 km2,具体位置如图1。巴彦宝力格矿区属于中温带半干旱大陆性气候,草原夏季炎热,冬季寒冷,寒暑温差较大,昼夜温度变化显著。年平均气温约8℃,年平均降水量294.10 mm,多集中在6—8月份,年平均蒸发量为1788 mm,平均相对湿度57.6%。评价区域地带性土壤为栗钙土,矿区所在地区的草原类型主要为低地草甸草原和典型草原。巴彦宝力格矿区是我国优质褐煤的主要分布区域,地处锡林郭勒盟的中部,是连接“京津唐”、河北北部缺煤地区以及东北经济区域的中心地区。根据《内蒙古锡林郭勒巴彦宝力格矿区总体规划》,该矿区为国家核准煤炭规划矿区,2009年之前矿区内一直未进行过开采活动,也无小煤窑破坏,为整装矿区。巴彦宝力格矿井和朝克乌拉矿井计划2009年开工建设,建设期为2.0年,2011年分别达到8.00 Mt/a,总规模达到16.00 Mt/a。

图1 巴彦宝力格矿区位置图Fig.1 Location of the Bayanbaolige mining area

2 数据与方法

2.1 数据来源及其预处理

本文所用的遥感数据为来自美国NASA EOS/LPDAAC的2000—2011年的MOD17A3数据(https://lpdaac.usgs.gov/data_access/data_pool),空间分辨率为1000 m。该数据参考BIOME-BGC模型与光能利用率模型模拟得到陆地生态系统年均NPP,已被广泛用于区域植物生长状况及生物量的监测[23-24]。该数据采用Sinusoidal投影并已进行去云、辐射校正、大气校正等处理,利用MODLAND提供的MRT(MODIS REPROJECTION TOOL)投影转换工具,对数据进行拼接和投影转换,投影为Albers投影,坐标系为WGS- 1984,并利用锡林浩特市巴彦宝力格矿区边界进行了研究范围的裁剪。

2.2 研究方法

1982年,我国学者邓聚龙提出的灰色系统理论,是一种研究少数据,贫信息不确定性问题的新方法。该理论自创立以来,尤其是灰色预测理论,在环境质量和生态安全领域得到广泛的应用[25-26]。GM(1, 1) 模型作为灰色预测理论的一种预测手段,是将随机的原始时间序列进行累积叠加,得到规律性较强的以指数形式为基础的新的时间序列,然后将新的时间序列转化为微分方程,建立发展变化模型并进行预测[27]。GM(1, 1) 模型要求原始时间序列光滑平稳,是一特定的指数曲线,该模型对波动幅度较大的时间序列的预测精度较低,不能反映不规则的波形[28-29]。而净初级生产力(NPP)受诸多因素影响,数据波动性大,波动规律性又较差,采用基本的GM(1, 1) 预测方法很难对其进行准确预测。灰色拓扑预测是对一段时间内系统行为特征数据波形的预测。它从给定的一系列阈值出发,一个模型对应一个阈值,建立多个GM(1, 1) 群,利用多个GM(1, 1) 模型对未来的时刻进行预测,从而得到未来发展的总体趋势预测图[30-31]。灰色拓扑预测能弥补单一GM(1, 1) 模型的不足,对摆动幅度较大且频繁的序列的预测有很大的优势。灰色拓扑预测模型群建立的步骤如下:

(1)等高线的选取与等高时刻序列计算

首先,本实验进行了单因素分析,即不同电流大小、乳化剂用量、引发剂用量对聚甲基丙烯酸甲酯的分子量和分子量分布的影响,然后得到最小分子量分布指数的聚甲基丙烯酸甲酯的制备条件如下:引发剂3 g,乳化剂4 g,电流0.2 A,反应时间8 h,反应温度30°C,分布指数1.946 86.

对于原始序列X=(x(1),x(2), …,x(n)),设maxX为序列的最大数据,minX为序列的最小数据。对于∀ξ∈[minX,maxX],称X=ξ为ξ-等高线。称方程组：

(1)

(2)对等高时刻序列Q(0)建立GM(1, 1) 模型

对不同的等高点ξj的等高时刻序列,建立一系列的 GM(1, 1) 模型分别进行预测。灰色系统 GM(1, 1) 预测是对随机的原始时间序列以一次累加转化为具有指数变化规律的新的时间序列来确定积分常数,将时间序列转化为微分方程,其数学表达式为[33]：

(2)

(3)对模型群进行精度检验,判别模型等级

(4)利用GM(1, 1) 模型得到等高时刻序列ξj的预测值

对符合精度检验的ξj等高时刻序列进行GM(1, 1) 预测,将所有等高时刻序列中的元素从小到大重新排序。按照精度高的模型预测值作为预测结果的原则,本文主要依据后验差比值C较小的模型预测值作为预测最终结果。模型的预测结果大多会存在矛盾点的问题,即预测的时间点大多不是整点,且每个整点附近可能存在多个非整点的时间预测值,每一个非整点预测值又对应不同的阈值,本文采用张琼楠等[29]的优化处理方法。最后将筛选确定后的预测时刻相应的阈值点绘在平面上并连结成曲线,即得目标拓扑预测曲线。

3 结果

3.1 NPP年际时空变化

2000—2008年巴彦宝力格矿区植被净初级生产力(NPP)年均统计值见图2。2000—2008年间,单位面积NPP年均值呈波动变化状态,总体呈上升趋势。变化范围为94.72—151.33 g C m-2a-1,平均值为125.15 g C m-2a-1。其中,年均最高值出现在2008年,年均值为151.33 g C m-2a-1。另外,2003、2005年的年均NPP较高,年均值均超过140 g C m-2a-1。年最低值出现在2000年,年均值为94.72 g C m-2a-1。

2000—2008年NPP年平均值空间分布见图3,空间分布差异明显,变化范围为0—250.29 g C m-2a-1。2000—2008年巴彦宝力格矿区NPP年平均值为123.75 g C m-2a-1,大部分区域NPP年均值范围为120—140 g C m-2a-1,面积占比57.28%,研究区中北部的巴彦宝力格矿井区域及水库周边区域NPP值较低,分布范围在0—100 g C m-2a-1,东北顶部与西南底部NPP值较高,大于160 g C m-2a-1。

图2 2000—2008年巴彦宝力格矿区NPP年际变化 Fig.2 Inter-annual variations of NPP in Bayanbaolige mining area from 2000 to 2008

图3 2000—2008年巴彦宝力格矿区年均NPP空间分布 Fig.3 Spatial pattern of mean annual NPP in Bayanbaolige mining area from 2000 to 2008

3.2 灰色拓扑模型预测结果

因为数据的有限性,结合GM(1, 1) 模型有效预测的精度,时间越远的数据预测精度越低,预测偏差越大,因此本文以巴彦宝力格矿区未开发建设前2000—2008年的NPP历史数据,根据上述灰色拓扑预测理论,仅对2009—2011年的年均NPP进行预测,将预测值作为动态基线值。根据2000—2008年NPP数据,选取7条等间隔的等高线,ξj为(94.72, 104.15, 113.59, 123.03, 132.46, 141.90, 151.33),按照时间先后顺序确定的7个等高线的等高时刻序列如下表示：

表2 GM(1, 1) 预测模型及精度检验结果

对各阈值的矛盾点,首先采取离预测点最近且精度最高的模型对应的阈值,若精度相同,则采用线性插值作为该预测点的阈值。表3显示了巴彦宝力格矿区2000—2008年NPP的实际值、预测值、绝对误差、相对误差情况。模型的相对误差最大为12.34%,平均相对误差为2.88%。

表3 2000—2008年灰色拓扑模型预测结果及误差

2000—2011年NPP实际值,拓扑预测拟合值,及以2006—2008年实际NPP的3年均值作为静态基线值的比较见图4。灰色拓扑拟合曲线与实际变化趋势相一致。用该模型进行巴彦宝力格矿区2009—2011年的年均动态NPP基线值预测,结果分别为123.03 g C m-2a-1、151.33 g C m-2a-1、130.02 g C m-2a-1。以矿区开发建设前3年的年均值作为静态基线值,基线值为130.73 g C m-2a-1。

图4 巴彦宝力格矿区年均NPP实际值、拓扑预测值和静态基线值Fig.4 Actual values, topological predictions, and static baseline of annual average NPP in Bayanbaolige mining area

3.3 基线判定结果

运用灰色拓扑理论预测巴彦宝力格矿区2009—2011年的动态NPP年均基线值。以矿区开发建设前三年的年均值作为静态基线值,两者相比结果发现,2009—2011年动态基线与实际NPP变化趋势保持一致,均是先增加再降低,能反映矿区植被NPP的动态变化(表4)。2009—2011年NPP实际值与动态基线相比,由于2009、2010年为巴彦宝力格矿区建设的基建期,导致2009、2010年NPP单位面积年均损失为17.69 g C m-2a-1、4.83 g C m-2a-1,年损失总量为11.49 Gg C、3.14 Gg C(1Gg C=109g C),2011年NPP单位面积年均增加值为5.20 g C m-2a-1,年增加总量为3.38 Gg C。与静态基线相比,由于巴彦宝力格矿区基建建设,导致2009年NPP单位面积年均损失为25.39 g C m-2a-1,年损失总量为16.50 Gg C, 2010、2011年单位面积年均增加分别为15.77 g C m-2a-1,4.49 g C m-2a-1,年增加总量分别为10.25 Gg C、2.92 Gg C。

表4 2009—2011年巴彦宝力格矿区不同NPP基线值及与实际值比较结果

差值1：实际值与动态基线值的差异；差值2：实际值与静态基线值的差异

图5 2000—2011年锡林浩特市年降水、牲畜总量变化 Fig.5 Inter-annual variations of annual total precipitation and total livestock in Xilinhot from 2000 to 2011

4 讨论

4.1 NPP时空格局变化

气候变化与人类活动是引起NPP变化的主要因素。很多研究表明在干旱半干旱气候带降水因素是NPP变化的主要因素[34-35]。在时间序列上,巴彦宝力格矿区NPP年均值波动较大,总体呈上升趋势。巴彦宝力格矿区位于锡林浩特市,根据锡林浩特气象局资料,锡林浩特市年总降水量也呈波动中上升趋势,图5所示。另一方面,2000年后国家实施了京津风沙源治理、退耕还林还草、退牧还草、围封转移等一系列生态恢复工程,2000—2011年整个锡林浩特的牲畜总量总体呈下降趋势,年均减少28616头(图5)。2008年锡林浩特降水量丰富,年均降水量高达228.6 mm,并且放牧压力有所缓解,双重因素使得2008年NPP年均值较高。2000年降水量为191.92 mm,相对干旱,由于矿区统计数据相对缺乏,根据锡林郭勒盟统计年鉴,2000年锡林浩特市6月末家畜量(大牲畜、羊、生猪)为153.71万头(只),气候干旱与持续过度放牧导致2000年NPP值较低。在空间分布上,2009年之前矿区所在区域主要为天然草地,居民较少,无工业活动,矿区主要是典型草原,所以矿区大部分区域NPP值均高于120 g C m-2a-1,仅仅在巴彦宝力格矿井及水库周边区域,由于靠近水库,放牧强度大,在巴彦宝力格矿井区域虽无开采,但一直在进行矿区开发的地质勘查与前期工作,人类活动比较密集,导致NPP值较低。

4.2 基线判定结果比较

损害行为发生前3年即2006—2008年的年均NPP平均值作为静态基线值,2009—2011年的静态基线值为130.73 g C m-2a-1。根据开发建设前2000—2008年的NPP变化趋势,利用灰色拓扑理论预测出的2009—2011年的动态基线值分别为123.03 g C m-2a-1、151.33 g C m-2a-1、130.02 g C m-2a-1。2009—2011年动态基线值均值为134.79 g C m-2a-1,比静态基线均值高4.06 g C m-2a-1,主要是因为2009—2011年相较于2006—2008年,摒除矿区开发建设因素,锡林浩特降水量持续增加,降水较为丰沛,而牲畜总量持续减少,放牧压力持续降低,使得2009—2011年NPP年均值要高于2006—2008年年均值。可见,动态基线能够反映矿区未开发建设前气候变化和人类活动导致的NPP的动态变化,且与2009—2011年NPP实际变化曲线相一致。与动态基线值相比,2009、2010、2011年NPP变化量分别为-17.69 g C m-2a-1、-4.83 g C m-2a-1、5.20 g C m-2a-1。与动态基线相比较,2009、2010年矿区NPP一直处于损失状态,且损失有减小趋势。由于2009年的基建建设,规划建设的煤矿工业场地、铁路专用线、运煤道路、灰场、矿区辅助附属企业等永久占地及施工过程中平整土地、开挖地表、材料堆放等临时占地,都需要占用大量的天然草地,导致NPP损失量较大,高达-17.69 g C m-2a-1,随着工程的进行,生态修复开始实施,损失量就会相应减少,2010年损失量减少至-4.83 g C m-2a-1,且2011年后植被状态完全恢复,且NPP略有增长。可知,灰色拓扑模型预测动态基线不仅能反映损害前原有的人类活动和气候变化导致的NPP的变化趋势,而且比静态基线值更为可靠与反映现实情况。

5 结论

本文探讨了生态环境损害鉴定评估中动态基线的概念,动态基线即损害未发生前,原有的生产生活活动及生态系统自身演化所形成的理论演化状态。并探讨了动态基线的预测方法——灰色拓扑预测模型,以净初级生产力(NPP)为草地生态系统损害表征指标,对巴彦宝力格矿区进行2009—2011年NPP动态基线预测。结果表明：

从时间序列看,2000—2008年巴彦宝力格矿区NPP年均值呈波动中缓慢增加趋势,变化范围为94.72—151.33 g C m-2a-1,平均值为125.15 g C m-2a-1。从空间分布看,矿区NPP空间分布差异明显,大部分区域NPP年均值范围为120—140 g C m-2a-1,面积占比57.28%,研究区中北部的巴彦宝力格矿井区域及水库周边区域NPP值较低。

灰色拓扑模型预测巴彦宝力格矿区2009—2011年的动态基线NPP,分别为123.03 g C m-2a-1、151.33 g C m-2a-1、130.02 g C m-2a-1。以损害行为发生前3年的年均值作为静态基线值,基线值130.73 g C m-2a-1。灰色拓扑预测对于波动性大,规律性差的数据,预测误差范围小,预测精度高。该模型预测平均相对误差为2.88%,且拟合曲线与实际变化曲线相一致,将灰色拓扑预测值作为动态基线值,比静态基线值更能反映现实情况。目前,草地生态系统损害基线的表征指标和判定方法仍处在探索阶段,本研究根据数据的可获取性和损害表征性选取NPP指标,对损害基线进行动态预测,是一个方法性的探索,NPP指标对草地生态系统损害全面表征存在一定的局限性,未来的研究会探讨更为全面和有效的草地生态系统损害表征指标和判定方法。