稀土開采產生大量堆積尾砂，出現強烈水土流失過程，伴生嚴重水環境和地質植被修復是尾砂地災害防治的常見手段。評價礦區植被恢復效果及成因可為尾砂治理措施的規劃設計提供理論依據。
一、引言
稀土開采產生大量堆積尾砂，出現強烈水土流失過程，伴生嚴重水環境和地質災害。采用工程和非工程措施結合手段開展稀土尾砂地植被修復是尾砂地災害防治的常見手段。評價礦區植被恢復效果及成因可為尾砂治理措施的規劃設計提供理論依據。本文以江西省尋烏縣離子型輕稀土尾砂區為研究區，收集研究區1989-2015 年 Landsat 數據和尋烏站氣象數據，實地調查研究區典型尾砂適生植被和堆積尾砂的地物波譜數據，解算典型植被的 NDVI 值，分析礦區 NDVI 的年際和年內時程變化規律，定量評價 NDVI 時程變化對礦區植被恢復和氣候變化的響應，探討響應機理。
二、研究區概況
本文研究區為江西省尋烏縣離子型輕稀土尾砂區，地處江西省東南方，是江西、福建、廣東的交匯處。
圖1 研究區地理位置
研究區由于稀土礦開采活動，自然植被破壞嚴重，現多以人工植被為主，喬木以桉樹和油茶為主，同時存有樟樹、馬尾松、竹子和木荷等植被，草本植物有芒萁、芭茅、芒草等。尋烏縣稀土礦區整體礦區和雙茶亭礦區都是采用生物治理和工程治理相結合的模式，分別種植以油茶、桉樹為主的植被配置模式，林下種植適合稀土尾砂生長的混合草種。
（a）桉樹
（b）油茶
圖1 不同礦區植被配置模式
三、NDVI 數據來源與預處理
3.1 數據處理
本文選用的遙感影像數據為 Landsat TM/OLI 數據。根據遙感數據的云量和質量情況，共選取1989-2015 年共 48 期影像數據，所選擇的遙感影像質量良好，研究區內沒有云覆蓋。
表1 TM 和 OLI 波段信息
3.2 預處理
由于遙感影像在成像的過程中，受到眾多其它因素影響，如：電磁波與大氣之間的作用、衛星飛行速度的變化等，因此在遙感數據獲取過程中會產生誤差，這些誤差會降低數據的質量，從而影響圖像分析的精度。因此本文對 Landsat TM/OLI 影像數據進行的包括輻射定標、大氣校正預處理。
圖2 研究區大氣校正后的光譜
四、地物波譜數據來源與預處理
本文于冬季、夏季兩個時期對研究區內的尾砂和植被地物波譜數據進行觀測，采用萊森光學生產的iSpecField-WNIR系列便攜式地物波譜儀對研究區尾砂和植被冠層光譜反射率進行測量提取。經過預處理后，各地物地物波譜數據見圖3。
圖3 十種典型地物光譜曲線
五、基于 Landsat 數據的 NDVI 時程變化
NDVI 是植被指數中運用廣泛的一種，它能很好地反映了植被生長狀態以及植被空間分布情況，與植被分布密度呈線性相關。許多研究表明 NDVI 與植被覆蓋度、葉面積指數（LAI）和光合作用等植被參數有關，NDVI 的時間變化曲線能有效地表現出植被的季節變化、年際變化和人為活動影響變化。因此，在監測廢棄礦區植被恢復情況的過程中 NDVI 起到有效地作用。
研究區 NDVI 時程變化分析分為兩個部分進行，部分為整體礦區 NDVI 時程變化分析，第二部分選取植被修復時間較早的“稀土尾砂試驗區”雙茶亭礦區分析NDVI 時程變化規律。
5.1整體礦區NDVI時程變化
計算 NDVI 平均值，診斷 NDVI 時序趨勢，揭示整體礦區 NDVI 時程變化規律，見圖4。
圖4 整體礦區 NDVI 時程變化
圖4表明：1989-2015 年整體礦區 NDVI 值曲線表明整體年 NDVI 值呈顯著性下降趨勢。NDVI 時程變化可分為三個階段，階段為穩定期，時間為 1989-2005 年，此階段NDVI 變化趨勢不顯著，整體稀土礦區存在一定的開采，但是整體 NDVI 值未大幅度減小；第二階段為劇烈開采期，時間為 2006-2008 年，此階段NDVI 呈顯著下降趨勢，稀土礦區進行劇烈的采礦活動，人類活動對稀土礦區影響較大，嚴重破壞了礦區植被，導致 NDVI 值迅速下降；第三階段為植被修復期，時間為 2009-2015年，此階段 NDVI 呈顯著下降趨勢，整個時間段 NDVI 呈現較低值。尋烏縣 2009 年對稀土礦區進行植被修復治理，使研究區內的 2009 年和2010 年的植被數量有所增加，對于整體礦區恢復效果一般。
5.2雙茶亭礦區 NDVI 時程變化
在整體礦區 NDVI 影像數據中提取以種植桉樹為主的雙茶亭礦區 NDVI，計算NDVI 平均值，診斷 NDVI 時序趨勢，揭示雙茶亭礦區 NDVI 時程變化規律，見圖5
圖5 雙茶亭礦區 NDVI 時程變化
按照整體礦區 NDVI 變化階段對雙茶亭礦區 NDVI 時程變化進行分析，結果表明：1989-2015 年雙茶亭礦區 NDVI 值在 0.17-0.65 間變化，平均值為 0.4；穩定期 NDVI 值呈顯著下降趨勢，稀土開采對雙茶亭礦區內植被存在一定影響，植被呈現減少趨勢；劇烈開采期 NDVI 值NDVI 呈顯著下降趨勢，和整體礦區情況類似，劇烈稀土開采活動嚴重破壞雙茶亭礦區內植被，導致植被迅速減少；植被修復期 NDVI 呈顯著上升趨勢，雙茶亭植被修復效果較好，對比整體礦區可得，油茶配置模式植被修復治理效果較差，桉樹配置模式效果較好。
六、基于地物波譜的典型地物 NDVI 特征值分析
基于研究區各典型地物的地物波譜特性，利用紅光波段和近紅外波段的平均反射率計算相應地物的 NDVI，見圖6。圖6 表明：在研究區典型地物中，尾砂相應NDVI 值為 0.03，芒萁為 0.69，芭茅為 0.53，芒草為 0.52，油茶為 0.69，木荷為 0.8，竹子為 0.79，馬尾松為 0.75，桉樹為 0.6，樟樹為 0.52，其中木荷 NDVI 值，尾砂 NDVI 值最小，尾砂存在一定的背景值。由于研究區地物波譜數采集時間分別屬于冬季和夏季，則獲取各地物波譜特性計算出的 NDVI 會有一定的波動范圍，其中波動范圍較大的為芒萁、芭茅和芒草，這三種植被屬草本類植被，說明對于 NDVI，草本類植被受季節變化影響較大，喬木類植被對相對較小，即草本NDVI 在年內變化更為劇烈，喬木類植被 NDVI 年內較為穩定。
圖6 典型地物 NDVI
七、礦區 NDVI 對氣候變化和植被恢復的響應成效
氣候變化是導致地表植被變化的重要因素之一，而且它對植被產生的影響也是因地而異。本章節通過對尋烏氣象站的降水、氣溫、日照時數、風速和相對濕度等氣象數據的整理，計算潛在蒸散發和干燥度，分析研究區降水、潛在蒸散發和干燥度的時間變化特征，并以干燥度作為氣候變化對 NDVI 變化的評價指標，對 NDVI 變化原因進行分析。
7.1 降水量時程變化
本文基于 1989-2015 年尋烏站日降水數據，計算年降水數據，分析降水年際變化規律，見圖7。
圖7 年降水量變化
為了更加詳細分析降水量的變化，按照 NDVI 變化階段將 1989-2015 年分為三個階段，分別為穩定期、劇烈開采期和植被修復期，并計算各個階段降水量距平值，見表 5.1。
表2 平均降水量距平值
表2 表明：處于穩定期和植被修復期時，降水量和 NDVI 都保持相對穩定的狀態；處于劇烈開采期時，將降水量作為礦區水分輸入因子，礦區水分輸入因子表現為增長狀態，然而 NDVI 表現為劇烈下降狀態。
7.2 潛在蒸散發時程變化分析
潛在蒸散發是指在水分充足條件下的地表和植物表面的蒸散發能力。本文基于 1989-2015 年尋烏站氣象數據，利用公式計算潛在蒸散發量，分析潛在蒸散發的年際變化過程，見圖8。
圖8 年潛在蒸散發變化
圖8 表明：1989-2015 年尋烏縣年潛在蒸散發量波動大，增長幅度較大的年段分別為1997-1998 年和 2002-2004 年，下降幅度較大的年段分別為 1991-1994 年、1996-1997年和 2004-2006 年。為了更加詳細分析潛在蒸散發的變化，按照 NDVI 變化階段將 1989-2015 年分為三個階段，分別為穩定期、劇烈開采期和植被修復期，并計算各個階段潛在蒸散發距平值，見表3。
表3 潛在蒸散發距平值
表3 表明在劇烈開采期平均降水量距平值為正且為值，年均潛在蒸散發距平值為負，即研究區水分輸入因子大，輸出因子小，而同時期 NDVI 出現劇烈下降，那原因在于人類活動，即對稀土進行開采。
7.3 NDVI 時程變化對氣候變化和植被恢復的響應及成因
7.3.1 干燥度時程變化
干燥度（K）用于表示區域內干濕程度的指標，其定義為潛在蒸散發與降水量的比值。
圖9 干燥度變化
圖9 表明：1989-2015 年尋烏縣干燥度整體較為穩定。2001 年內變化較大，呈現迅速上升的趨勢，之后 2002-2005 年迅速下降，整體變化幅度為 1.56；對應穩定期、劇烈開采期和植被修復期的平均干燥度分別為 1.29、1.26 和 1.22。
7.3.2 整體礦區 NDVI 時程變化對氣候變化和植被恢復的響應
為了更好地分析干燥度和 NDVI 的變化關系，將此干燥度數據和整體礦區 NDVI組合分析，繪制干燥度-NDVI 雙累積曲線，見圖10。
圖10 整體礦區干燥度與 NDVI 雙累積曲線
與上文分析過程一致，以 NDVI 變化的三個階段為基礎，分析整體礦區 NDVI 與干燥度的關系，見表4。
表4 整體礦區不同時期雙累積曲線分析
（1）在穩定期時，NDVI 較干燥度的變化率為 0.323，在進入劇烈開采期后平均干燥度減小了 0.03，因此干燥度對 NDVI 的影響為-0.0097，而實際上 NDVI 由穩定期進入劇烈開采期，平均 NDVI 減小了 0.14，因此人類活動帶來的 NDVI 指數減小總計為 0.1303。
（2）在劇烈開采期時，NDVI指數較干燥度的變化率為 0.187，在進入植被修復期后平均干燥度減小了 0.04，因此干燥度對 NDVI 指數的影響為-0.0075，而實際上 NDVI 由劇烈開采期進入植被修復期，平均 NDVI 減小了 0.1，因此人類活動帶來的 NDVI 減小總計為0.0925。
7.3.3 雙茶亭礦區 NDVI 時程變化對氣候變化和植被恢復的響應
雙茶亭礦區干燥度-NDVI 雙累積曲線見圖11。
圖11 雙茶亭礦區干燥度與 NDVI 雙累積曲線
以 NDVI 變化的三個階段為基礎，分析雙茶亭礦區 NDVI 與干燥度的關系，見表5。
表5 雙茶亭礦區不同時期雙累積曲線分析
（1）穩定期 NDVI 較干燥度的變化率為 0.321，在進入劇烈開采期后平均干燥度減小了 0.03，因此干燥度對 NDVI 的影響為-0.0096，而實際上 NDVI由穩定期進入劇烈開采期，平均 NDVI 減小了 0.16，因此人類活動帶來的 NDVI 指數減小總計為 0.1504。
（2）在劇烈開采期時，NDVI 指數較干燥度的變化率為 0.176，在進入植被修復期后平均干燥度減小了 0.04，因此干燥度對 NDVI 指數的影響為-0.007，而實際上 NDVI 由劇烈開采期進入植被修復期，平均 NDVI 增加了 0.11，因此人類活動帶來的 NDVI 增加總計為 0.117。
7.3.4 NDVI 時程變化對氣候變化和植被恢復的響應成因
影響 NDVI 指數的關鍵因素是人類活動（稀土開采、修復措施）和氣候因素（干燥度），雙累積曲線分析結果可得人類活動為影響 NDVI 的主要因素，稀土尾砂修復治理效果使劇烈開采稀土對植被產生的破壞性影響減弱，整體礦區 NDVI 受尾砂修復治理效果的影響為 0.0378，雙茶亭礦區 NDVI 受尾砂修復治理效果的影響為 0.2674。
對比整體礦區和雙茶亭礦區人類活動對 NDVI 的影響差異，表明整體礦區工程性措施和油茶配置模式植被修復措施的尾砂修復治理效果較差，桉樹配置模式修復效果較好，在之后尾砂治理過程中，整體礦區應采用以桉樹為主的植被配置模式進行植被修復措施更為科學合理。
八、結論
（1）1989-2015 年整體礦區 NDVI 值呈現顯著性下降趨勢。整體 NDVI 可分為三個階段，穩定期（1989-2005 年）、劇烈開采期（2006-2008 年）和植被修復期（2009-2015 年）。在穩定期，整體礦區 NDVI 變化趨勢不顯著，呈波動變化，平均 NDVI 為 0.43，雙茶亭礦區 NDVI 呈顯著下降趨勢，平均 NDVI 為 0.44。在劇烈開采期，整體礦區 NDVI 呈顯著下降趨勢，平均 NDVI 為 0.29，雙茶亭礦區 NDVI 呈顯著下降趨勢，平均 NDVI 為 0.28。在植被修復期，整體礦區 NDVI 呈顯著下降趨勢，平均 NDVI 為 0.19，雙茶亭礦區呈顯著上升趨勢，平均 NDVI 為 0.39。
（2）實測尾砂、芒萁、芭茅、芒草、油茶、木荷、竹子、馬尾松、桉樹和樟樹的地物波譜特性計算相應地物 NDVI 值，結果分別為：0.03，0.69，0.53，0.52，0.69，0.8，0.79，0.75，0.6，0.52，其中木荷 NDVI 值，尾砂 NDVI 值最小，尾砂存在一定的背景值；草本植物芒萁、芭茅和芒草 NDVI 年內變化范圍較大，說明相對于喬木類植被，草本植物受季節影響大。
（3）1989-2015 年降水量變化趨勢不顯著，呈波動變化。結合 NDVI 在各自時期的變化情況分析可得，NDVI 下降原因為水分輸出因子（潛在蒸散發）過大和人類活動對植被的破壞過于嚴重。
（5）1989-2015 年潛在蒸散發變化趨勢不顯著，呈現波動變化。結合 NDVI 和降水量在各自時期的變化情況分析可得，人類活動在劇烈開采期對植被的影響大。
（6）1989-2015 年干燥度整體較穩定。由數據此可得人類活動為影響 NDVI 的主要因素；稀土尾砂修復治理效果使劇烈開采稀土對植被產生的破壞性影響減弱，整體礦區NDVI 受尾砂修復治理效果的影響為 0.0378，雙茶亭礦區 NDVI 受尾砂修復治理效果的影響為 0.2674。對比整體礦區和雙茶亭礦區人類活動對 NDVI 的影響差異，表明整體礦區工程性措施和油茶配置模式植被修復措施的尾砂修復治理效果較差，桉樹配置模式修復效果較好，在之后尾砂治理過程中，整體礦區應采用以桉樹為主的植被配置模式進行植被修復措施更為科學合理。
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