基于遥感信息的高潜水位煤粮复合区生态系统健康评价与驱动力分析

中国东部高潜水位煤粮复合区（HGT CGCA）面临采矿引发的地表沉陷、土壤盐渍化等生态退化问题。本研究创新性提出压力-状态-响应-需求（PSRD）框架，构建高潜水位煤矿区复合生态系统健康指数（HGT-CEHI），结合偏最小二乘结构方程模型（PLS-SEM）揭示了1985-2020年生态质量时空演变规律及驱动机制。结果表明：HGT-CEHI较传统遥感生态指数（RSEI）更能反映土壤盐渍化等区域特征；生态质量呈"快速下降-逐步改善-趋于稳定"趋势；人类活动与生态因子交互作用是主导驱动力。该研究为协调煤炭开发与耕地保护矛盾提供了新视角。

　　

在中国东部广袤的平原地区，肥沃的农田下蕴藏着丰富的煤炭资源，形成了独特的煤粮复合区（CGCA）。这些区域既是国家粮食安全的"压舱石"，又是能源供应的"动力源"。然而，高潜水位（HGT）条件下的煤炭开采活动引发了一系列连锁反应：地面沉降形成积水洼地，地下水上升导致土壤盐渍化，植被退化加剧景观破碎化。这种"地下采煤、地上损田"的困局，使得区域可持续发展面临严峻挑战。传统生态评价方法难以捕捉此类特殊区域的复合生态效应，亟需建立针对性的评估体系。

针对这一科学问题，中国某高校的研究团队开展了为期35年的系统研究。通过整合Landsat系列遥感数据，创新性地构建了高潜水位煤矿区复合生态系统健康指数（HGT-CEHI），揭示了1985-2020年间生态质量的演变规律及其驱动机制。相关成果发表在环境科学领域权威期刊《Ecological Indicators》上。

研究采用了多学科交叉的技术路线：基于Google Earth Engine（GEE）平台处理Landsat TM/OLI时序数据；采用探索性因子分析（EFA）确定指标权重；运用偏最小二乘结构方程模型（PLS-SEM）解析驱动力；结合吉林一号亚米级影像进行实地验证。研究区域选定为具有145年开采历史的开滦矿区，涵盖5752 km²的典型HGT CGCA。

HGT-CEHI合理化分析
研究团队突破传统RSEI指数局限，在压力-状态-响应（PSR）框架基础上新增"需求"维度，构建包含宽动态范围植被指数（WDRVI）、土壤湿度（WET）、归一化裸土指数（NDBSI）、地表温度（LST）、复合盐度指数（CSI）、景观干扰指数（LDI）和PM2.5差异指数（DI）的七维评价体系。验证显示，HGT-CEHI与RSEI的Pearson相关系数达0.881-0.979，其中CSI的负向相关性（-0.62）凸显了土壤盐渍化的关键影响。纹理特征分析表明，HGT-CEHI的对比度和熵值分别较RSEI提高0.05%-0.16%和6.6%-14.4%，能更敏锐识别矿区盐渍化斑块。

生态质量时空演变特征
时序分析揭示出典型的"三段式"演变轨迹：1985-1995年快速下降期，优质生态区占比从66.08%骤降至34.01%；1995-2010年治理改善期，实施沉陷区综合治理工程后优良区回升11.35%；2010-2020年稳定提升期，产能调控政策使优良区扩展至60.78%。空间上，优质区集中分布于南部粮食主产区，呈现显著的高-高集聚；而劣质区则与城市建成区和采煤沉陷区高度重叠，低-低集聚范围随时间东扩。开滦矿区10个矿井中，唐山矿通过生态工程使HGT-CEHI提升26.68%，而范各庄等矿井仍持续退化。

空间自相关分析
全局Moran's I指数均>0.6（p<0.01），证实生态质量存在显著空间依赖性。LISA聚类图显示，高-高集聚区稳定分布于南部农田，面积占比从1985年的21.3%增至2020年的28.7%；低-低集聚区则随城市扩张向东北方向蔓延，反映出采矿与城镇化的复合胁迫效应。

HGT-CEHI驱动机制
PLS-SEM路径分析揭示了多要素耦合作用机制：人类活动因子（LUCC、夜间灯光指数NL）持续施加负向影响（路径系数-0.43--0.91）；气候因子胁迫效应逐年增强，2020年路径系数达-0.43；地形因子起基础约束作用（系数-0.11-0.22）。值得注意的是，生态因子在2015年后转为正向贡献，反映退矿还田政策的生态效益开始显现。

这项研究在理论和方法层面均有重要突破。提出的PSRD框架将"资源需求"维度显性化，解决了传统模型对人为胁迫机制的表征不足问题；创新的CSI和LDI指标填补了矿区盐渍化与景观干扰的量化空白。实践层面，研究为"采煤-复垦"协同技术提供了科学依据，建议根据北方矿区的土壤水盐运移规律，优选耐盐先锋植物进行生态修复。未来研究可结合无人机高光谱与水文模型，实现厘米级精度的生态过程动态监测。

该成果不仅为高潜水位煤粮复合区的生态安全管理提供了标杆案例，更探索出一条资源型区域绿色转型的科学路径。正如研究者强调的，只有将生态修复进度与采煤计划精准匹配，才能实现"黑色经济"与"绿色生态"的协同发展，这对于占中国耕地40%的矿产重叠区具有重大战略意义。