国土资源遥感, 2019, 31(4): 143-150 doi: 10.6046/gtzyyg.2019.04.19

技术应用

海南岛东部滨海锆钛砂矿开发状况遥感监测与生态恢复治理对策研究

赵玉灵1, 杨金中1, 殷亚秋1, 赵航2, 何金宝2, 张汉2

1. 中国自然资源航空物探遥感中心,北京 100083

2. 中国地质大学(北京)地球科学与资源学院,北京 100083

Research on remote sensing monitoring of zirconium-titanium sand mine exploitation and strategies of ecological restoration on the eastern beach of Hainan Island

ZHAO Yuling1, YANG Jinzhong1, YIN Yaqiu1, ZHAO Hang2, HE Jinbao2, ZHANG Han2

1. China Aero Geophysical Survey and Remote Sensing Center for Natural Resources, Beijing 100083, China

2. School of Earth Sciences and Resources, China University of Geosciences (Beijing), Beijing 100083, China

责任编辑: 张仙

收稿日期: 2018-08-29   修回日期: 2018-11-9   网络出版日期: 2019-12-15

基金资助: 中国地质调查局地质调查项目“全国矿产资源开发环境遥感监测”.  DD20160075
自然资源部航空地球物理与遥感地质重点实验室青年创新基金“结合正则化最小二乘的高空间分辨率四波段遥感数据云检测研究”共同资助.  2016YFL09

Received: 2018-08-29   Revised: 2018-11-9   Online: 2019-12-15

作者简介 About authors

赵玉灵(1971-),女,博士,教授级高级工程师,主要从事遥感地质、生态环境遥感调查、矿山开发环境遥感调查等方面的工作。Email:1398991855@qq.com。 。

摘要

海南岛东部滨海区是海南省最具潜力的锆钛砂矿开采区,长期的采矿活动破坏了砂矿区原有的生态环境,导致区域生态环境的整体恶化,故亟待进行采矿区环境的恢复治理。利用高空间分辨率遥感数据开展了2016—2017年间海南岛东部滨海锆钛砂矿开发占损土地及矿山环境恢复治理状况监测,结果表明,2 a间该区锆钛砂矿开发占损土地面积增加了40.65 hm 2,在建/生产矿山开采面数量增加了15个,存在规模减小并分散化的趋势; 矿山环境恢复治理总面积有一定增长,矿山环境状况呈现局部好转趋势。通过年际对比分析,提出了海滨砂矿废弃地的生态修复建议,包括因地制宜地以木麻黄为当家树种,以青梅、相思树、湿地松等为辅助树种来重建/重现矿区森林生态系统,或种植西瓜、番薯、花生等农作物进行典型区域修复试验,或改建成海水养殖场等。

关键词： 锆钛砂矿 ; 开发状况 ; 生态恢复治理 ; 遥感监测

Abstract

With the popularity of the idea that clear waters and green mountains are as valuable as mountains of gold and silver, rehabilitation of mine environment has become an important part of national ecological civilization. The eastern coast of Hainan Island is one of the most potential areas for uhligite exploitation. However, long-term mining activities have destructed the original ecological environment of that area, leading to the fact that the local ecological environment has become poorer and needs to be rebuilt urgently. By using high resolution remote sensing data, exploitation and recovery conditions of beach placers from 2016 to 2017 in the eastern coast of Hainan island were monitored. The results indicate that, from 2016 to 2017, damaged areas of zirconium-titanium sand mine grew by 40.65 hm 2 and the number of exploitation surfaces increased by 15. The exploitation presents a tendency that the scale was reduced and distributed. Besides, during 2016 to 2017, recovery areas of mine ecological environment grew to some extent and the mine environment conditions showed a tendency of improvement. Through annual comparison and analysis, the authors proposed treatment advice for mining wasteland of zirconium-titanium sand mine as follows: Casuarina equisetifolia could be used as the main species, combined with vatican hainanensis, acacia confuse, and slash pine as accessory species, to restore the forest ecosystem of the mining area; in addition, watermelons, sweet potatoes, peanuts and some other crops could be also applied to conducting restoration experiments in some representative regions; furthermore, damaged mining areas may also be rebuilt into seawater farms.

Keywords： zirconium-titanium sand mine ; exploitation ; ecological restoration ; remote sensing monitoring

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本文引用格式

赵玉灵, 杨金中, 殷亚秋, 赵航, 何金宝, 张汉. 海南岛东部滨海锆钛砂矿开发状况遥感监测与生态恢复治理对策研究. 国土资源遥感[J], 2019, 31(4): 143-150 doi:10.6046/gtzyyg.2019.04.19

ZHAO Yuling, YANG Jinzhong, YIN Yaqiu, ZHAO Hang, HE Jinbao, ZHANG Han. Research on remote sensing monitoring of zirconium-titanium sand mine exploitation and strategies of ecological restoration on the eastern beach of Hainan Island. REMOTE SENSING FOR LAND & RESOURCES[J], 2019, 31(4): 143-150 doi:10.6046/gtzyyg.2019.04.19

0 引言

滨海砂矿床的形成受地貌、构造、水动力、沉积环境、矿质补给等多种因素控制[1,2,3]。我国沿海岸线上出露有大量变质岩和中生代花岗岩,蕴藏着丰富的砂矿物质,在适宜的地貌环境和良好的水动力搬运堆积条件下,常形成丰富的砂矿床,成矿时代主要为全新世。其中,侵蚀型海岸因构造比较稳定,第四纪以来以上升为主,多形成基岩港湾式砂质海岸; 沿海港湾的顶部、岛屿的后部、河口、沙嘴、砂坝、连岛坝、水下浅滩等部位,多是重砂矿物储集的场所。海南岛东部滨海区就是这样的区域,目前已成为海南省最具潜力的重砂矿矿产资源勘探开采区之一[4]。但长期的采矿活动破坏了这些海滨砂矿区原有的生态环境,导致区域生态环境的整体恶化,故亟待进行采矿区环境的恢复治理。

海南岛东部滨海锆钛砂矿矿山数量多,开采面数量大、采坑变化快,结合遥感数据获取方便快捷、周期短、时效性强的优势,可迅速有效地监测锆钛砂矿的开发状况和恢复治理情况[5]。按照自然资源部的统一部署,本文利用高空间分辨率遥感数据开展了2016—2017年间海南岛东部滨海锆钛砂矿开发占损土地及矿山环境恢复治理状况监测,初步查明了该区近年来的矿山环境现状及年度变化情况; 并对区域矿山环境恢复治理情况进行了调查,提出了区域生态修复治理建议,希冀可以抛砖引玉,促进区域生态系统向良性循环方向发展。

1 研究区概况

海南岛东部滨海地区南起陵水湾北侧的陵水角,北至文昌市的木兰头,隶属于文昌市、琼海市和万宁市3个县级市。区内海岸类型多样,沿岸广泛发育有不同时期的岩浆岩,包括花岗岩、玄武岩等,富含锆英石、钛铁矿、金红石和独居石等副矿物。研究区地处热带和亚热带,沿岸高温多雨,潮湿炎热,在高温和海水共同作用下,岩石基岩易风化,形成大面积的含锆英石、钛铁矿风化壳,经破坏冲刷和地表水的搬运作用,在潮间带和浅海区沉积成为重砂矿床[4]。

海南省滨海锆钛砂矿具有出露地表、矿种多、品位高、储量大、质量好、分布集中、易开采等优点,锆、钛等砂矿储量居全国第一[3]。已有矿产调查表明,全区共有大型滨海砂矿资源基地10个、中型矿25个、小型矿37个、矿点57个,其成因类型为海积、冲积、风积和残坡积[4,5,6]。矿床基本上呈带状与现代海岸线平行展布。其中锆、钛砂矿层产于第四系全新统烟墩组(Qh3y)灰黄-灰绿色粉细砂层中,属滨、浅海相沉积,韵律层特征明显,机械沉积作用清晰。

2 海滨砂矿开发状况遥感监测

2.1 数据源及信息提取

本次监测使用的遥感影像主要为2016—2017年间的海南岛土地变更调查遥感数据。在该类数据空间分辨率低于2.5 m的区域,使用当年的高分一号、高分二号或资源三号等国产高空间分辨率数据进行了补充和替换。因此,本次监测使用的遥感数据的空间分辨率均优于2.5 m。

本文首先建立了专题信息提取标志(表1); 然后利用ArcGIS软件平台,通过人机交互解译方式,在2期影像上对滨海砂矿开采信息和恢复治理信息进行了提取[7](图1),解译成果的成图和统计分析均借助ArcGIS软件完成; 通过对2016—2017年间2期遥感影像、遥感解译的砂矿开发状况矢量数据的对比,判定生产矿山和废弃矿山; 对生产矿山,参照2016年和2017年的海南省采矿权和探矿权矢量数据,依据其是否在采矿权、探矿权所划定的范围内来判别其是否违法,进而圈定在建/生产矿山、疑似违法矿山。信息提取的最小图斑面积为图上面积4 mm2。

表1   海南岛东部滨海地区锆钛砂矿解译标志

Tab.1  Interpretation marks of zirconium-titanium sand mine at the eastern beach of Hainan Island

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图1

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图1   2016—2017年间滨海锆钛砂矿的开采状况遥感调查

Fig.1   Mining status remote sensing investigation of zirconium-titanium sand mine during 2016 to 2017


2.2 滨海砂矿的开发状况

2016—2017年间滨海锆钛砂矿开发数量及占损土地面积(包括开采面面积和中转场地面积)如表2所示。

表2   海南岛东部滨海锆钛砂矿2016—2017年开采状况统计表

Tab.2  Mining status statistics of zirconium-titanium sand mine at the eastern land of Hainan during 2016 to 2017

行政区年份合法矿山疑似违法矿山暂停开采矿山废弃矿山合计
开采
面数
量/个		开采面
面积/
hm2		中转场
地面积/
hm2		开采
面数
量/个		开采面
面积/
hm2		中转场
地面积/
hm2		开采
面数
量/个		开采面
面积/
hm2		中转场
地面积/
hm2		开采
面数
量/个		开采面
面积/
hm2		中转场
地面积/
hm2		开采
面数
量/个		矿山占损
土地总面
积/hm2
文昌市2016年28665.0006119.222.31830.38031357.2510.70731 184.86
2017年31837.712.3118126.580683.0810.7131217.140861 277.53
琼海市2016年00000055.381.0100056.39
2017年00000000010.821.0011.82
万宁市2016年125.400000231.960131.230488.59
2017年125.400000000115.740241.14
合计2016年29690.4006119.222.311567.721.0132388.4810.70821 279.84
2017年32863.112.3118126.580683.0810.7133233.701.00891 320.49

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2016年海南岛东部滨海锆钛砂矿矿山占损总面积为1 279.84 hm2,在建/生产矿山(包括合法矿山和疑似违法矿山)占地面积为811.93 hm2,其中合法矿山占损土地面积为690.40 hm2,疑似违法矿山占损土地面积为121.53 hm2; 暂停开采矿山占损土地面积为68.73 hm2; 废弃矿山占损土地面积为399.18 hm2。2017年海南岛东部滨海砂矿占损土地总面积为1 320.49 hm2,在建/生产矿山占损土地面积为992.00 hm2,比2016年增加了180.07 hm2,其中合法开采矿山占损土地面积为865.42 hm2,疑似违法矿山占损土地面积为126.58 hm2; 暂停开采矿山占损土地面积为93.78 hm2; 废弃矿山占损土地面积为234.70 hm2。

2017年海南岛东部滨海锆钛砂矿开采面数量比2016年增加明显,2016年在建/生产矿山开采面有35个,2017年在建/生产矿山开采面增至50个,增加的矿山开采面主要位于文昌市: 合法矿山开采面由2016年的28个提高至2017年的31个; 疑似违法矿山开采面由2016年的6个上升至2017年的18个。3市暂停开采矿山开采面数量大幅降低; 废弃矿山开采面由32个增至33个,变化不大。

2016—2017年间,滨海锆钛砂矿在矿山占损土地总面积上略有增加,在文昌市矿山开发占损土地面积增加明显,而其他区域锆钛砂矿占损土地面积下降明显。锆钛砂矿开采面在数量上也有明显增加。这体现了锆钛砂矿开采活动呈现规模减小且分散化的趋势。

2.3 滨海锆钛砂矿的恢复治理状况

2016—2017年间滨海砂矿的矿山环境恢复治理状况如表3所示。截至2016年,海南岛东部滨海锆钛砂矿矿山环境恢复治理面积累计达6 998.79 hm2,其中文昌市为6 637.31 hm2,万宁市为361.48 hm2。

表3   海南岛东部陆域滨海锆钛砂矿截至2016年和2017年恢复治理统计表

Tab.3  Recovery status statistics of zirconium-titanium sand mine at the eastern land of Hainan up to 2016 and 2017

行政区截至2016年锆钛砂
矿恢复治理状况		截至2017年锆钛砂
矿恢复治理状况
数量/个治理面积/hm2数量/个治理面积/hm2
文昌市2046 637.312166 743.89
琼海市0055.38
万宁市2361.482408.93
合计2066 998.792237 158.20

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截至2017年,海南岛东部滨海锆钛砂矿环境恢复治理面积累计为7 158.20 hm2,其中文昌市为6 743.89 hm2,琼海市为5.38 hm2,万宁市为408.93 hm2。总体来看,全区矿山环境恢复治理率(已恢复治理面积/(现有锆钛砂矿占损土地面积+已恢复治理面积))达到84.43%,近2 a间矿山环境恢复治理面积呈增加的趋势,“绿水青山就是金山银山”的生态文明思想正在得到贯彻实施。近年来海南岛东部滨海锆钛砂矿被恢复治理的实地照片如图2所示。

图2

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图2   滨海锆钛砂矿恢复治理实地照片

Fig.2   Photos of zirconium-titanium sand mine taken by fieldwork


2.4 海南岛东部滨海锆钛砂矿的恢复治理变化及土地类型转换情况

2016—2017年间,海南岛东部滨海锆钛砂矿开采面、中转场地等随着恢复治理或开采面的增扩,土地利用类型发生了转换; 而固体废弃物、矿山建筑等几乎没有变化。2016—2017年间滨海锆钛砂矿矿山占地类型之间的转换遥感解译结果如图3所示。开采面变化情况为,文昌市2016年滨海锆钛砂矿开采面总面积为1 171.85 hm2,至2017年时,2016年原有滨海锆钛砂矿开采面占损土地面积仍占1 065.26 hm2; 被恢复治理的面积达106.58 hm2,其中恢复治理后变成耕地的面积有66.84 hm2; 2.48 hm2的锆钛砂矿被恢复治理成灌木林地; 37.26 hm2的锆钛砂矿被恢复治理成其他林地。同时,2017年文昌市滨海锆钛砂矿有新增开采面199.24 hm2,其中10.89 hm2由耕地转换而成、156.31 hm2由灌木林地转换而成、32.04 hm2由其他林地转换而成。琼海市2016年滨海砂矿开采面的总面积为5.38 hm2,至2017年,2016年原有的滨海砂矿开采面全被恢复治理,恢复治理总面积5.38 hm2,其中有1.52 hm2恢复治理成为灌木林地; 2.91 hm2恢复治理成仓储用地; 0.95 hm2恢复治理成坑塘水面。同时,2017年琼海市滨海砂矿有新增开采面0.82 hm2,均由灌木林地转换而来。万宁市2016年滨海砂矿开采面总面积为88.59 hm2,至2017年时,2016年原有的滨海砂矿开采面还有41.14 hm2,被恢复治理了47.45 hm2,均恢复治理成为其他林地。2017年万宁市滨海砂矿没有新增开采面。中转场地变化情况为,2016年文昌市中转场地面积13.01 hm2,没有进行恢复治理。琼海市2016年中转场地面积为1.00 hm2,没有进行恢复治理。万宁市无中转场地。

图3

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图3   2016—2017年滨海锆钛砂矿矿山占地类型转换遥感解译

Fig.3   Geological map interpreted through remote sensing image of mining conversion status of zirconium-titanium sand mine during 2016 to 2017


总体来看,海南岛东部滨海砂矿恢复治理成效显著。

3 矿山环境恢复治理对策研究

生态修复是指停止(或减少)对生态系统的人为干扰,以减轻其负荷压力,依靠生态系统的自我调节能力与自组织能力,使其向有序的方向演化,或者利用生态系统的自我恢复能力,辅以人工措施,使遭到破坏的生态系统逐步恢复或使生态系统向良性循环方向发展的过程。矿山环境恢复治理是生态修复的重要内容之一,应因地制宜,采用适宜的生态修复方法,才能取得很好的工作成效 [8,9,10,11,12]。

海南岛文昌市至三亚市的砂质海岸线上分布着丰富的第四纪钛铁矿和锆石资源。长期的采矿活动破坏了海南岛东部海滨砂矿区原有的生态环境。以万宁市为例,在开采钛锆矿之前,该市滨海地带生长有木麻黄乔木、灌木和草本植物等,覆盖率达60%~70%; 采矿后,地表植被均被破坏,大面积的防护林被砍伐,导致严重的水土流失,加剧了生态系统退化。更为严重的是,海南岛东部海滨砂矿开采区是每年7—10月间台风登陆的主要地点(据历史记录,1950—2011年的62 a间,全海南岛台风登陆共145次,其中在海南岛东部登陆的116次(占80%[13])中,在文昌市登陆48次,占全岛台风登陆总次数的33.1%; 在琼海市登陆27次,占18.62%; 在万宁市登陆41次,占28.27%)。随台风产生大量的风沙流,会使林地土地的养分流失,使本已贫瘠的砂土中的养分进一步流失,从而导致区域生态环境恶化的加剧。因此,海南岛东部海滨砂矿开采区的生态环境亟待恢复。本次遥感监测发现,研究区内正在实施种植西瓜、花生、木麻黄、青梅等生态修复措施。

海南岛东部沿海防护林主要是以木麻黄海岸防护林为主,木麻黄具有抗台风、耐盐碱、耐干旱、耐贫瘠等优良特性,在防风固沙、改善区域生态环境方面起着不可替代的作用[8]。海岸防护林是以木麻黄纯林为主,由于长期的纯林经营和严重的人为干扰,林带破碎、土壤养分失调和病虫害频发等问题逐渐出现,严重影响了防护林的稳定性。海南是岛屿生态,其土壤的成土母质主要是岩浆岩,以各种花岗岩分布最广,其次为新生代喷出的玄武岩,还有第三纪浅海沉积物和第四纪沉积物,主要土壤类型为砖红壤,其他还有滨海砂土、滨海盐土、赤红壤、山地黄壤和水稻土等。土壤的养分循环具有强烈的养分生物积聚,土壤有机质快速分解周转,强烈的风化淋溶和土壤侵蚀引起的养分快速释放和淋失等特点。在进行生态修复时,应鼓励农民采用双膜栽培法(沙地覆膜有集雨、保墒、增温、防冻、防杂草、促进早熟和提高品质等多种作用),先种植西瓜、花生,在山岗、平原、沙荒地包括砂质、砂壤、黏土等各类土质中种植番薯,给待治理土地积累、补充必要的养分; 然后再进行造林,这样不但省去整地平整等费用,大大降低造林成本,还有效促进木麻黄的生长和提高植被覆盖率,使砂矿废弃地的生态得以逐渐恢复[14,15,16,17,18,19,20]。

本次遥感监测及前人资料发现,在万宁市礼记镇石梅湾滨海沙滩上自然生长着一片清一色的原始青梅林(又名青皮林)[21,22,23,24],从九曲岭的海田起始,至陵水县交界的小牛岭为止,宽约400 m,绵亘25 km。为了克服木麻黄海岸防护林的弊端,可采用树种更替、多树种引种造林、选育良种以及加强林地凋落物保护等造林和地力维护措施。青梅林的土壤是以海砂为母质的热带滨海白砂土,没有层次结构,贫瘠且干燥,在该地区森林群落中占绝对优势,在灌木层和草本层中都有青梅的幼树和幼苗生长。如果人为引导单一木麻黄人工群落向青梅林群落的演替成功,将取得一举多得的效果。幼年的青梅林需要在隐蔽生境下生长,而木麻黄生长迅速。时空上,木麻黄与青梅的生态位不同,至40龄,青梅才进入快速生长期,而40龄的木麻黄已进入老龄。混交种植2种树木,若在40龄左右伐去木麻黄,由青梅取而代之,这样的防护林可长期维护数百年。青梅林可自然更新,虽然生长缓慢,长远看,这无疑将节约大量人工更新木麻黄林的成本,经济效益可观。且青梅材质优异,是高档家俱的良材,非木麻黄可比。建议海边50 m内的滨海林带应采取永久性保留措施,将生态效益、环境效益放在首位。

花生喜光热,以耕作层疏松的沙质土壤最为适宜。海南省向来具有种植花生的传统习惯,一般1 a可种植2造(分为春种和秋种),以春种为主[16,18]。番薯宜选择土质疏松肥沃的壤土,或土壤厚、土质疏松、通气性好的沙土、壤土进行深耕晒白。采用高畦栽培,扩大根系活动范围,增大昼夜温差,可为番薯生长创造良好的土壤环境。覆盖地膜能够优化番薯生态环境,克服早春低温、干旱等不利因素影响,促进番薯生长发育[15,18-20]。

4 结论与建议

本文利用遥感技术对海南岛东部滨海锆钛砂矿开发状况及矿山环境恢复治理情况进行了信息提取及监测,充分发挥了遥感技术宏观、快速、更新周期短等优势,且能直观、客观地反映地表信息的特点,节省了大量的人力、物力成本。监测结果表明,海南岛东部滨海砂矿区的砂矿开采存在规模减小且分散化的趋势; 滨海砂矿区的生态修复工作取得了较好的成效,84.32%的矿山废弃地正在恢复中,“金山银山就是绿水青山”的生态文明思想得到了有效的贯彻执行。

养分对植被的恢复起着极重要的作用。而土法采矿加快了本已贫瘠的砂土的养分流失,导致生态环境恶化的加剧。因此,大面积植被破坏引起的严重水土流失是加剧生态系统退化的主要原因。为此,本文建议对海滨砂矿的化学成分、肥力、土壤pH值,含盐量等进行全面分析,利用“测土配方施肥技术,全面改良砂矿废弃地; 因地制宜地选择合理的恢复治理措施,包括以木麻黄为当家树种,以青梅、相思树、湿地松等为辅助树种,重建/重现矿区森林生态系统; 或种植西瓜、番薯、花生等农作物,发展生态农业、或改建成海水养殖场或休闲游览场所等,发展多种经营。

志谢: 感谢中国自然资源航空物探遥感中心对本次工作的支持,感谢韩子夜,熊盛青,葛晓立,刘琼,孙娅琴,荆青青,王海庆,王晓红,王彦佐,安娜,姚维岭,王昊,汪洁,李丽,周英杰等同志给予的帮助。

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