摘要:內(nèi)蒙古東部草原區(qū)某露天煤礦在長期疏排水條件下造成地下水位持續(xù)下降，為研究礦區(qū)周邊植被生長是否受地下水位下降的影響，采用歸一化植被指數(shù)法(NDVI)分析了研究區(qū)2013—2019年植被覆蓋度變化趨勢，選擇氣溫、降水量和地下水位埋深3個(gè)氣象水文要素，基于聯(lián)合熵理論計(jì)算NDVI與不同要素之間的互信息，得出植被生長的主要影響因素。研究結(jié)果表明：研究區(qū)植被覆蓋度呈逐年好轉(zhuǎn)趨勢，植被指數(shù)由2013年的0.10逐漸增加至2019年的0.33，年均增長約為0.03;植被生長與當(dāng)?shù)貧鉁睾徒邓�量關(guān)系密切，與地下水位埋深相關(guān)性弱;研究區(qū)氣候變暖和穩(wěn)定的降水量造成植被返青期提前和生長期延長;在礦區(qū)目前疏排水強(qiáng)度下引起的地下水位下降不會造成周邊草原植被干枯死亡。研究成果豐富了內(nèi)蒙古東部草原區(qū)植被生長與地下水關(guān)系的研究內(nèi)容，為類似分析評價(jià)工作提供技術(shù)支撐。

　　關(guān)鍵詞：聯(lián)合熵;互信息;露天煤礦;草原區(qū);歸一化植被指數(shù);氣象水文要素;地下水

　　研究區(qū)為地處內(nèi)蒙古呼倫貝爾草原區(qū)的某露天煤礦，礦坑在開采過程中長期疏排地下水，造成地下水位不斷下降。地下水位持續(xù)下降對煤礦周邊草原區(qū)生態(tài)植被的改變及生態(tài)環(huán)境影響程度關(guān)系到露天礦的綠色與可持續(xù)發(fā)展，因此，有必要開展煤礦周邊植被生長的主要影響因素及地下水對植被生長的影響程度研究。在我國不同地區(qū)，植被生長的主要影響因素不盡相同，國內(nèi)學(xué)者對此開展了大量研究。

　　曹艷萍等[1]認(rèn)為華北平原植被蓋度好轉(zhuǎn)主要受人類活動和降水等因素共同影響;信忠保等[2]認(rèn)為黃土高原植被蓋度變化主要受降水影響;羅敏等[3]認(rèn)為塔里木河流域平原區(qū)和中低山區(qū)植被生長受降水和溫度共同作用，高山區(qū)植被生長主要受溫度控制，平原綠洲區(qū)植被變化主要受人類活動影響;宋鵬飛等[4]認(rèn)為黑河流域植被生長受氣溫影響程度最大;李麗紅等[5]認(rèn)為山西省植被蓋度受降水變化影響較大，受溫度變化影響較小;梁艷等[6]、穆少杰等[7]認(rèn)為降水是驅(qū)動草地植被年際變化的主要因素;多名學(xué)者[8-11]研究認(rèn)為呼倫貝爾地區(qū)30多年的植被蓋度呈逐年波動改善趨勢，年際間的變化主要受降水影響，但同時(shí)也與氣候變暖相關(guān)，氣溫回升造成呼倫貝爾草原生長季節(jié)延長以及返青期提前。

　　植被生長與地下水關(guān)系密切，馬玉蕾等[12]研究表明土壤含水量隨地下水位埋深增加而減小，土壤鹽漬化隨地下水位埋深變淺而加重，地下水位埋深過大或過淺，均會造成不同程度的植被退化甚至死亡;陳亞寧等[13]認(rèn)為隨地下水位埋深加大，物種多樣性指數(shù)降低，植物種類減少，群落結(jié)構(gòu)向簡單生態(tài)系統(tǒng)退化，地下水位的不斷下降和土壤含水率的喪失是引起植被退化的主導(dǎo)因子;馬興旺等[14]認(rèn)為地下水位埋深小于2m時(shí)會造成地表土壤積鹽過重;程東會等[15]認(rèn)為在毛烏素沙漠地區(qū)，地下水位埋深不是旱生植被蓋度的控制因素，植被生長的水分來自降雨產(chǎn)生的包氣帶水;范磊等[16]認(rèn)為以沙蒿為代表的耐干旱植被物種，生長基本不依賴地下水，植被蓋度也與潛水位埋深無關(guān)，在潛水位埋深較大的情況下也能保持較大蓋度。

　　諸多學(xué)者還研究了不同區(qū)域適合植被生長的生態(tài)水位，歸納總結(jié)如下：華北平原地區(qū)適合植被生長的地下水位埋深為2~10m[17];新疆塔里木河流域、焉耆盆地等地區(qū)為4~5m[18-22];甘肅、寧夏、河西走廊等地區(qū)為5m以內(nèi)[23-26];內(nèi)蒙古鄂爾多斯、烏審旗、呼倫貝爾等地區(qū)為6~8m[27-32];青海柴達(dá)木盆地為4.5m以內(nèi)[33];毛烏素沙漠區(qū)為6m以內(nèi)[16];東北地區(qū)西部為4m以內(nèi)[34-35]。地下水位超過上述埋深后，植被以旱生植物為主，其生長將不受地下水位的影響。研究植被蓋度通常采用植被指數(shù)法，植被指數(shù)已廣泛用來定性和定量評價(jià)植被覆蓋及其生長活力，目前已經(jīng)發(fā)布了超過150種植被指數(shù)模型，其中歸一化植被指數(shù)法(NDVI)[36]是應(yīng)用最廣泛的方法。本文利用GIS/RS數(shù)據(jù)，基于聯(lián)合熵與互信息技術(shù)，采用歸一化植被指數(shù)法研究2013—2019年研究區(qū)植被變化與氣象要素的關(guān)系，分析了研究區(qū)植被生長與地下水的關(guān)系。

　　1研究區(qū)植被類型與植被指數(shù)變化趨勢

　　1.1研究區(qū)概況和植被類型

　　研究區(qū)地處我國內(nèi)蒙古呼倫貝爾草原區(qū)，大興安嶺西側(cè)，氣候類型為中溫帶大陸性草原氣候，研究范圍南北長7km，東西寬5.5km，面積為38.5km2。露天煤礦自2010年開采以來，地下水位最大降深超過50m，對剝采范圍內(nèi)的植被和生態(tài)環(huán)境造成一定的破壞，部分區(qū)域植被有所退化。根據(jù)調(diào)研，研究區(qū)內(nèi)植被類型主要包括3大類，即草甸植被、草原植被和沼澤植被。草甸植被主要為低濕地草甸，分布在扎尼河濕地、海拉爾河灌叢外地勢較高的階地上;草原植被主要是草甸草原，廣泛分布于研究區(qū)內(nèi)的低山丘陵區(qū)和河流階地區(qū);沼澤植被分布在海拉爾河濕地和扎尼河濕地，有木本沼澤和草本沼澤，在木本沼澤外圍還有山荊子與灌叢鑲嵌分布;局部有沙地植被，沙地植被主要以針茅、羊草、冷蒿、沙柳等為主。

　　2研究區(qū)植被指數(shù)與氣象水文要素關(guān)系

　　選擇氣溫(T)、降水(P)、地下水位埋深(G)作為氣象水文要素，基于聯(lián)合熵理論，分別計(jì)算NDVI與上述變量兩兩組合之間的互信息，即分別計(jì)算I(P,T;NDVI)，I(P,G;NDVI)與I(T,G;NDVI)，研究NDVI與氣象水文要素的響應(yīng)關(guān)系。

　　2.1氣象水文要素信息

　　2.1.1氣溫變化趨勢

　　收集了研究區(qū)2013—2019年氣溫?cái)?shù)據(jù)。2013—2019年年均氣溫整體呈增加趨勢，增加速度約為0.21℃/a，其中，2015年年均溫度最高，為0.48℃。

　　2.1.2降水量變化趨勢

　　研究區(qū)多年平均降水量為383.7mm，除2013年降水(619.1mm)較多外，2014—2019年降水量整體保持平穩(wěn)，年平均降水量為370.43mm，降水量年內(nèi)分布不均勻，主要集中在夏季6~9月份。

　　2.1.3地下水位埋深變化趨勢

　　選擇研究區(qū)水7、抽3、水6這3個(gè)水文觀測孔，繪制2011—2019年第四系含水層水位埋深變化曲線。3個(gè)觀測孔的初始水位埋深分別為6.80、9.65、17.80m，受礦坑疏排地下水影響，至2019年初，水位埋深分別為14.20、15.11、72.28m，由于水6孔靠近疏排中心，因此，水位埋深有大幅下降。

　　2.2NDVI與氣象水文要素的互信息

　　采用2013—2019年的NDVI序列、降水、氣溫和地下水位埋深序列數(shù)據(jù)，計(jì)算NDVI與氣象水文要素的互信息，考慮到變量為離散值，因此，首先需將序列劃分為等間距區(qū)間，劃分原則為n=1+3.3lg(N/a)，N表示樣本長度，n為區(qū)間數(shù)，所選樣本長度為7a(2013—2019年)，n=3.79，在此取值為4。所有變量值都落在4個(gè)等間距區(qū)間。為計(jì)算方便，落在第1區(qū)間的值記為1，落在第2區(qū)間的值記為2，依次類推，落在第4區(qū)間的值記為4，然后利用經(jīng)驗(yàn)概率公式，計(jì)算聯(lián)合概率。為NDVI與氣溫和降水量的互信息分布，互信息值均在1.2左右，但在排土場和剝采區(qū)的無植被區(qū)及西北部的草甸植被和沼澤植被區(qū)，互信息值小于0.8，個(gè)別區(qū)域小于0.5，從中反映出草甸植被和沼澤植被生長受河流水位影響較大，草原區(qū)植被受氣溫和降水影響較大。

　　4研究區(qū)植被生長與地下水埋深的關(guān)系

　　根據(jù)前人研究和對鄰近礦區(qū)調(diào)研結(jié)果，在干旱半干旱地區(qū)，草地植被適宜生長的地下水位埋深范圍為2~6m。目前研究區(qū)地下水位埋深均在6m以下，此時(shí)地下水無法通過毛細(xì)管作用到達(dá)植被根系供給植被吸收，植被生長主要依靠由降雨產(chǎn)生的包氣帶水，植被群落也逐漸過渡為旱生植被類型。研究區(qū)每年10月至次年4月，均有積雪覆蓋，氣溫回暖后，積雪融水促進(jìn)植被初期生長，植被返青期提前，6—9月主要依靠大氣降水生長。因此，在研究區(qū)特定的氣候條件下，植被生長與地下水位埋深關(guān)系不密切。

　　草原論文投稿刊物：應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)(月刊)創(chuàng)刊于1990年，是中國科學(xué)院主管、中國生態(tài)學(xué)學(xué)會和中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所聯(lián)合主辦的綜合性學(xué)術(shù)期刊，創(chuàng)刊于1990年，由科學(xué)出版社出版。

　　5結(jié)論

　　a.內(nèi)蒙古呼倫貝爾某露天煤礦周邊植被蓋度呈逐年好轉(zhuǎn)趨勢，植被指數(shù)由2013年的0.10逐漸增加至2019年的0.33，年均增長約0.03，覆蓋級別由稀疏植被過渡到適中植被。b.研究區(qū)NDVI與氣溫和降水量的互信息值基本在1.2左右，與氣溫和地下水位埋深、降水量和地下水埋深的互信息值均在1.0以下，表明研究區(qū)植被生長與氣溫和降水量關(guān)系密切，與地下水位埋深相關(guān)性弱。c.研究區(qū)氣候變暖和穩(wěn)定的降水量是植被蓋度逐漸增加的主要原因;礦區(qū)目前疏排水強(qiáng)度下引起的地下水位下降不會造成周邊草原植被干枯死亡。d.推測該區(qū)植被種群和多樣性會隨地下水位的變化而逐漸發(fā)生改變，鑒于研究區(qū)尺度有限，對于該結(jié)論還需進(jìn)一步收集資料開展深入研究。

　　參考文獻(xiàn)(References)

　　[1]曹艷萍，秦奮，龐營軍，等.2002—2016年華北平原植被生長狀況及水文要素時(shí)空特征分析[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2019，39(5)：1560–1571.CAOYanping，QINFen，PANGYingjun，etal.SpatiotemporalchangesinvegetationandhydrologicalfactorsintheNorthChinaplainfrom2002to2016[J].ActaEcologicaSinica，2019，39(5)：1560–1571.

　　[2]信忠保，許炯心，鄭偉.氣候變化和人類活動對黃土高原植被覆蓋變化的影響[J].中國科學(xué)D輯：地球科學(xué)，2007，37(11)：1504–1514.

　　作者：張雁1，黃選明1，陳實(shí)2，石炳興3