韩 琳，李永峰，巫长悦，韩斐雪

(中国矿业大学公共管理学院，江苏 徐州 221116)

0 引 言

目前，我国的能源消费结构仍以传统化石能源为主，煤炭消费量居高不下，且短期内煤矿依然会维持高强度开采现状。内蒙古东部地区地下埋藏着超过1 500亿t褐煤，是我国煤炭主产区和主要输出区[1]。受煤田埋深位置、地层构造、储存条件等影响，蒙东地区煤炭资源以露天开采为主，生产率高且成本低，但开采过程中会占用大量土地资源，破坏地形地貌，造成大气污染、水土流失等一系列生态环境问题。财政部自然资源和生态环境司统计数据显示，为响应我国生态文明建设与高质量发展要求，“十三五”期间中央财政累计安排生态保护修复相关转移支付资金8 770亿元，投入大量人力、物力、财力推进矿区生态修复，目前已初见成效。因此，通过监测矿区生态环境质量的变化，对已开展生态修复的矿山进行成果评估，有助于具有针对性地制定下一步修复计划。

20世纪90年代，我国开始进行生态环境质量评估工作，主要通过碳足迹和生态足迹分析生态承载力状况，间接反映其生态环境质量[2]。2006年，原国家环境保护总局发布《生态环境状况评价技术规范(试行)》(HJ 192—2006)，正式将生态环境状况指数(EI)作为生态环境评价的标准。徐涵秋[3]基于EI指数提出了遥感生态指数(RSEI)，利用遥感影像更直观地对区域生态环境变化进行可视化分析。宝日希勒露天矿作为典型的蒙东草原露天矿，自1998年9月开工建设，2010年完成扩建并开展治理矿山生态环境工作，生产能力30 Mt/a。本文利用该矿区多时相Landsat系列遥感数据，通过分析矿区开采前、开采中、开采后不同阶段的RSEI值，反映矿山建设和生态修复过程中生态环境质量的时空分异情况，对已进行的生态修复工作效果开展评估，明确下一步生态修复的目标，助推绿色矿山建设。

1 研究区概况

宝日希勒露天矿位于内蒙古自治区呼伦贝尔市陈巴尔虎旗境内，东经119°41′56″～119°49′23″，北纬49°20′24″～49°27′31″，东南距宝日希勒镇10.5 km，南距呼伦贝尔市海拉尔区20 km。矿区属亚寒带大陆性季风气候，降水量315 mm/a，蒸发量1 344.8 mm/a。矿区地势东北高西南低，海拔标高在667～684 m之间，矿区内地形起伏平缓[4]。截至2016年底，矿区内因煤炭开采占用和破坏的土地总面积为2 243.36 hm2，排放矿坑水超过2 617.75万t/a和固体废弃物19 011.1万t[5]，连续高强度的资源开采对周围的生态环境造成了严重破坏。

2 数据与方法

2.1 数据来源及预处理

本文选取宝日希勒露天矿区1996年6月30日、1996年7月16日、1996年9月2日的Landsat 5遥感影像，2010年7月23日、2010年8月24日、2010年9月9日、2019年7月16日、2019年8月1日、2019年9月18日的Landsat 8遥感影像，影像资料均来自美国地质调查局(USGS)官网。所选取影像空间分辨率为30 m，行列号123/026，云量较少，画质清晰且成像时间均处于植被生长期，适宜计算遥感生态指数。对所选取的遥感影像预处理包括辐射定标、大气校正和地理配准等，对所选取的遥感影像进行分析运算后，取该年植被生长季均值代表当年的生态环境水平，尽可能减少由于数据选取造成的误差。

2.2 遥感生态指数(RSEI)模型

遥感生态指数(RSEI)是基于遥感技术提出的一种以自然因素为驱动快速检测和评价区域生态环境状况的指标。RSEI指数耦合了植被指数、湿度分量、地表温度和裸土指数4个评价指标，分别对应该区域的绿度、湿度、热度和干度4大生态要素，能够直观且全面地反映该区域生态条件的优劣，表达式见式(1)[3]。

RSEI=f(NDVI，NDBSI，WET，LST)

(1)

式中：NDVI为归一化植被指数；NDBSI为干度指数；WET为湿度指数；LST为热度指数。

2.2.1 绿度指数

本文用NDVI指数作为衡量区域植被密度和覆盖度的重要指标来表征绿度指数，表达式见式(2)[3]。

(2)

式中，ρNir和ρRed分别为Landsat 5和Landsat 8的近红外波段和红光波段。

2.2.2 干度指数

矿区NDBSI指数由裸土指数(SI)和建筑指数(IBI)构成，表达式见式(3)～式(5)[3]。

(3)

(4)

(5)

式中，ρBlue、ρGreen、ρSwir1分别为Landsat 5和Landsat 8的蓝光波段、绿光波段、红光波段以及中红外波段1。

2.2.3 湿度指数

本文用缨帽变换所得的湿度分量表征WET指数，Landsat 5 TM影像和Landsat 8 OLI影像湿度分量的计算参数有所不同，分别见式(6)和式(7)[6]。

WET=0.031 5ρBlue+0.202 1ρGreen+0.310 2ρRed+

0.159 4ρNir-0.680 6ρSwir1-0.610 9ρSwir2

(6)

WET=0.151 1ρBlue+0.197 3ρGreen+0.328 3ρRed+

0.340 7ρNir-0.711 7ρSwir1-0.455 9ρSwir2

(7)

式中，ρSwir2为Landsat 5和Landsat 8中的中红外波段2。

2.2.4 热度指数

本文采用大气校正法反演地表温度用以表征LST指数，表达式见式(8)～式(10)。

(8)

P(TS)=[Lγ-L↑-τ(1-ε)L↓]/τε

(9)

Lγ=[εP(TS)+(1-ε)L↓]τ+L↑

(10)

式中：LST为地表真实温度，℃；K1、K2为定标参数；P(TS)为黑体热辐射亮度；Lγ为热红外辐射亮度值；ε为地表比辐射率；τ为大气在热红外波段的透过率；L↑为大气向上辐射亮度；L↓为大气向下辐射亮度。

2.3 RSEI综合指标构建

本文采用主成分分析法将分量指标降维处理，并耦合构建RSEI综合指标用于生态环境质量空间分异性分析。根据主成分分析的原则，特征值累计贡献度达85%以上的视为有效数据，本文仅选取第一主成分不能包含全部有效信息，因此，采用第一主成分和第二主成分结合的方式综合有效信息，计算初始生态指数RSEI0。为使RSEI0能够最大程度反映该区域的生态环境状况，可用1减去计算出的PC1综合值和PC2综合值，计算表达式见式(11)[7]。

RSEI0=1-

{M×PC1[f(NDVI,NDBSI,WET,LST)]+

N×PC2[f(NDVI,NDBSI,WET,LST)]}

(11)

为便于指标度量、比较以及可视化处理，需要对RSEI0进行标准化处理，见式(12)。

(12)

式中：RSEImax为区域初始生态指数的最大值；RSEImin为区域初始生态指数的最小值。经过处理的RSEI值介于[0，1]之间，RSEI值越大代表该区域的生态环境质量越优。

3 结果分析

按照上述方法可计算宝日希勒露天矿区的绿度、干度、湿度和热度各分量指标，并进行标准化处理以及主成分分析，得到1996—2019年各分量指标(表1)以及RSEI影像，并逐一对其进行时空变化分析，综合反映矿区生态环境质量变化和已修复区域的生态修复效果。

表1 宝日希勒露天矿区各分量指标统计Table 1 Sub-indexes statistics of Baorixile Open-pit Mining Area

3.1 绿度指标时空变化特征分析

本文通过矿区NDVI指数的变化情况反映绿度指标的变化(表1)。1996—2019年期间，矿区NDVI指数整体呈下降趋势，从0.582 07减低至0.413 72，说明矿区范围内植被退化情况严重，即便在雨水充沛的夏季植被指数也相对较低。

图1为宝日希勒露天矿区NDVI指数时空分布图。由图1可知，1996年和2019年矿区内NDVI指数都呈现西北方向较低、东北方向较高的时空分布，且离矿坑越近，NDVI指数下降越明显，植被覆盖度越低。随着开采工作不断推进，露天矿采坑位置随之不断变动，矿坑中心位置从西到东平移2.6 km，采坑面积不断扩大，由7.029 km2增至11.262 km2。按照《矿山生态环境保护与恢复治理技术规范(试行)》(HJ 651—2013)的要求，需要及时对采矿活动造成的土壤、植被和景观破坏进行治理，以恢复其原有的生态功能。宝日希勒露天矿区已开展生态修复工作近10年，开采过后的矿坑位置已基本完成回填覆土和绿化，现作为矿区内排土场。随着对矿区生态修复工作的推进，该区域整体NDVI指数平稳上升，从0.14升至0.42。距离矿坑较远的对照组，NDVI指数基本维持在0.57～0.58之间，较为稳定，较矿区范围内整体水平略优。由此可知，经过人工干预和修复治理，矿坑位置的NDVI指数已有明显改善，基本恢复至该区域的平均水平，但仍低于该区域未开采前和对照区的生态环境状态。

图1 宝日希勒露天矿区NDVI指数时空分布图Fig.1 Spatial distribution map of NDVI index in Baorixile Open-pit Mining Area

3.2 干度指数时空变化特征分析

本文用裸土指数(SI)和建筑指数(IBI)综合形成的NDBSI指数反映区域土地干燥程度，NDBSI指数越大表示土地植被覆盖率越低或已遭受损毁，地表裸露范围越大，NDBSI指数一般在[-1，1]之间波动。由表1可知，矿区内平均NDBSI指数呈逐年上升趋势，1996—2019年期间，NDBSI指数从-0.012 61增加至0.039 66，地表裸露或土地损毁的范围不断扩大。

图2为宝日希勒露天矿区NDBSI指数时空分布。由图2可知，NDBSI指数总体呈现西北地区高、东部地区低的时空分布特征，离矿坑位置越远的区域NDBSI指数越低，表明该区域植被覆盖情况较好，人为开发利用的痕迹和造成的土地损毁也越少。经过矿区的环境治理和生态修复，已经基本完成开采工作的采区所形成的矿坑，恢复成为内排土场，其NDBSI指数有所下降，从0.090 31减少至0.011 74，低于2019年矿区整体范围内的平均水平。这表明随着生态修复工作的推进，已经进行恢复治理区域土壤的干燥程度下降，生态环境质量稳步提升，已初步完成生态恢复目标，但仍未恢复至未开采前的自然状态。

图2 宝日希勒露天矿区NDBSI指数时空分布图Fig.2 Spatial distribution of NDBSI index in Baorixile Open-pit Mining Area

3.3 湿度指数时空变化特征

WET指数关系着地表植被生长所需水分能否正常供应[8]。本文采用遥感图像缨帽变换所得的湿度分量WET指数作为反映土壤湿度的指标，其数值在[-1，1]之间波动。宝日希勒露天矿区地处干旱半干旱地区，因此水是影响区域地表植被生长的关键因素，土壤的湿度分量WET指数越高，能为植被正常生长提供的水分和养分也就也越充足，植被的长势就相对更好。由表1可知，1996—2019年期间，矿区整体平均WET指数轻微震荡，呈现先降后升的趋势，整体波动不大，维持-0.17～-0.12之间。WET指数与区域降水量密切相关，1996年、2010年以及2019年陈巴尔虎旗夏季平均降水量分别为340.0 mm、130.0 mm和361.5 mm[9]，与WET指数呈现同样的变化趋势。

图3为宝日希勒露天矿区WET指数时空分布图。由图3可知，离矿坑位置越远，WET指数越高，代表该地区土壤水分含量高，有利于植被生长。2010年矿坑位置平均WET指数约为-0.161，属于较低水平，2019年增长至-0.102 162，高于该时期区域平均值和1996年未开采时该区域的平均湿度指数，所选取对照区WET指数同样呈现先降后升的趋势，已恢复成内排土场的区域WET指数高于对照区，由此可以看出，经过生态修复，矿区整体土壤含水量增高，且内排土场作为重点修复对象，WET指数已经恢复至本地生态状况，适合矿区植被生长发育，修复效果较好。

图3 宝日希勒露天矿区WET指数时空分布图Fig.3 Spatial distribution of WET index in Baorixile Open-pit Mining Area

3.4 热度指数时空变化特征

本文采用遥感影像地表温度反演所得的实际地表温度表示该区域的LST指数，LST指数值越高，表示地表温度越高，在较大程度上影响区域内动植物正常生存和繁育。由表1可知，1996—2019年期间，宝日希勒露天矿区夏季平均地表温度呈现先增后减趋势，1996年地表温度约为29.18 ℃，2010年升高至31.38 ℃，2019年又降至30.32 ℃，与该区域夏季降水呈现相同趋势。研究表明，LST指数与NDVI指数呈负相关关系，由于地面在裸露的状态下，吸收太阳辐射的能力增强，地表温度相对较高；植被的热辐射能力小于裸露的地面和建筑表面，地面植被生长越茂盛，地表温度的降低越明显[10]。由此可见，该区域经过生态修复，地表温度下降，更适合动植物生存，利于生态系统正向演替。

图4为宝日希勒露天矿区LST指数时空分布图。由图4可知，2019—2010年开采的矿坑区域平均地表温度由33.03 ℃降低至28.89 ℃，低于1996年未开采时的地表平均温度。离矿坑较远的对照区，平均地表温度也呈现出先升后降的趋势，由26.57 ℃升高至31.30 ℃后又降至29.00 ℃，矿坑接近区域平均值。从地表温度的变化趋势可以看出，经过长时间的生态环境治理和修复工作，原矿坑位置的植被生长环境得到改善，生态修复效果明显。

图4 宝日希勒露天矿区LST指数时空分布图Fig.4 Spatial distribution of LST index in Baorixile Open-pit Mining Area

3.5 遥感生态指数(RSEI)时空变化特征

对NDVI指数、WET指数、NDSI指数、LST指数进行主成分分析并计算矿区RSEI指数，具体结果见表2。由表2可知，各年份PC1的主成分贡献度均小于70%，PC1和PC2的累计贡献度均大于85%，说明只选取PC1确实难以包含全部所需信息，必须将贡献率作为权重计算PC1和PC2构建综合指标初始RSEI0，才能更好地反映该地区的生态环境状况。

表2 各分量指标主成分分析结果Table 2 Principal component analysis results of sub-indexes

4个分量指标的主成分载荷结果见表3。由表3可知，WET指数和NDVI指数均呈现正值，说明绿度和湿度在生态环境影响中起正面促进作用，而NDBSI指数和LST指数均为负值，说明其在生态环境影响中起反向抑制作用。同时，可以看出WET指数和NDVI指数的总体主成分载荷较高，且NDVI指数的载荷高于WET指数，也就是说NDVI指数对RSEI指数的贡献最高，影响最大，WET指数次之。在负向指标中LST指数的载荷高于NDBSI指数，也就是说LST指数对生态环境的负面影响更显著。由此可知，可以通过提高植被覆盖度增大土壤湿度，从而降低地表温度，提升区域的生态环境质量。

对主成分结果进行分析和计算得到初始压遥感生态指数RSEI0，通过计算和标准化处理得到宝日希勒露天矿区1996年、2010年、2019年开采前、开采中、修复后的RSEI指数影像(图5)。由图5可知，矿坑所在位置RSEI指数平均值在整体中处于最低水平，随着离矿坑位置越来越远，RSEI指数平均值随之升高，说明受开采影响越小，该区域生态环境质量越好，矿区RSEI指数平均值见表3。

图5 宝日希勒露天矿区RSEI指数时空分布图Fig.5 Spatial distribution of RSEI index in Baorixile Open-pit Mining Area

由表3可知，宝日希勒露天矿区内RSEI指数平均值整体呈现下降趋势。1996—2010年，RSEI指数平均值由0.848 60下降至0.557 51，下降幅度明显，主要由于此时矿区正处于建设期和达产期，对周边生态环境破坏和扰动较大，导致环境质量下降明显；2019年RSEI指数平均值下降至0.532 74，整体下降幅度较小，主要是由于此时随着生态修复工作稳步推进，矿区更重视对存在的生态环境污染和破坏进行综合整治，矿区内部及周边生态环境有所改善，尤其是内排土场区域，作为原矿坑所在地，经过修复和治理，该区域由裸露的矿坑变为有植被覆盖的地表，通过计算可知，RSEI指数平均值也有明显变化，从0.326 918增长至0.492 416。同时，将矿区内未开采区域作为对照区查看其RSEI平均值变化，1996年、2010年和2019年对照区的RSEI指数平均值计算结果分别为0.630 29，0.604 60和0.614 70，说明对照区生态环境质量整体变化较小，并且优于矿坑采区以及内排土场。由此可知，虽然针对已开采区域的生态修复工作已经取得一定成效，但由于矿坑开采面积逐年扩大，且开采对于周边环境的影响范围与采坑面积呈正相关，影响范围也逐年扩大，所以整体上RSEI指数仍呈现下降趋势，需要继续对已经破坏的区域进行修复直至生态环境恢复至未开采时水平。

表3 主成分载荷值及RSEI指数Table 3 Principal component load value and RSEI index

为更直观地观察生态环境的变化情况，将矿区各年份RSEI指数按照0.2的间隔分成5个等级(表4)[11]，分别统计面积。宝日希勒露天矿区总面积50.700 6 km2，生态环境各等级面积的分布以及在总面积占比见表5。

表4 RSEI指数分级Table 4 Classification of RSEI index

表5 宝日希勒露天矿区生态环境分级面积统计Table 5 Statistics of ecological environment classification area in Baorixile Open-pit Mining Area

1996年生态环境中等以下(1～3级)面积占矿区总面积的58.50%，生态环境较优以上(4～5级)的面积占矿区总面积的41.50%，其中，矿区内生态环境为中等级别(3级)的面积占比最高，达54.99%；较优级别(4级)的次之，占比达41.21%，总体生态环境状况较好。2010年矿区生态环境状况较优以上级别(4～5级)的面积占矿区总面积的80.51%，中等以下(1～3级)面积占矿区总面积的19.49%，其中，生态环境差及较差等级的面积占矿区总面积的13.69%，是1996年生态环境差及较差等级面积的3.9倍。该时间段内矿区内部生态环境较优等级的土地增多，但整体生态环境质量却有所下降，主要由于矿坑面积扩大导致周边生态环境等级下降。2019年矿区生态环境状况中等以下(1～3级)面积占矿区总面积的32.31%，生态环境较优以上(4～5级)的面积占矿区总面积的67.69%，其中，生态环境优(5级)的面积为1996年生态环境优(5级)面积的137.3倍，主要集中在离矿坑较远的矿区外围。2019年生态环境差及较差状态的面积占矿区总面积的22.15%，比1996年和2010年有所增加。这表明，虽然在已经进行针对性修复的区域生态环境状况有大幅提升，但矿区整体生态环境仍旧需要进行持续治理，直至恢复生态本底水平。

4 结 论

基于多时相Landsat遥感影像和RSEI指数对宝日希勒露天矿区不同建设阶段的生态修复效果以及生态环境质量状况进行监测和评估，得到结论如下所述。

1)遥感生态指数(RSEI)应用于生态修复效果评估和生态环境质量监测，可以较好反映矿区内生态环境的变化情况。从RSEI指数各分量指标以及综合指标的空间分布来看，由于矿区内矿坑面积不断扩大，裸土面积增多，导致矿区内生态质量差的土地面积增加；矿区内生态环境等级较差的区域主要集中于正在开采煤炭资源的矿坑，周边区域的生态环境则是区域逐渐变好良性发展，尤其是已经进行系统恢复的内排土场，生态环境状况已经达到未开采前的水平，生态修复效果良好。由于变好的区域面积略少于变坏的区域面积，目前矿区整体生态环境还未达到未开采前的水平，还需要持续的生态修复工作，尤其是需要针对正在进行资源开采的区域，通过研究“采-排-复”一体化技术[12]，实现边开采边修复，在最大程度上保护矿区及周边区域的生态环境良性发展。

2)地方政府和矿区开发企业对生态环境的重视程度和经费投入是生态修复区生态环境逐渐好转的主要原因。未来的煤炭资源开采过程中，矿区应当持续秉承对生态环境修复当地重视态度，加强矿区开采后的生态修复，尤其是针对性地对矿坑及周边区域进行综合修复和治理，努力实践“既要金山银山，也要绿水青山”的绿色发展思想。