基于GIS和RS的煤礦區(qū)土地利用景觀格局梯度變化研究

武文一，劉 瑛，楊曉暉

（1.中國電力工程顧問集團(tuán) 中南電力設(shè)計(jì)院，武漢 430071；2.三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002；3.中國林業(yè)科學(xué)研究院 林業(yè)研究所，北京 100091）

基于GIS和RS的煤礦區(qū)土地利用景觀格局梯度變化研究

武文一1，劉 瑛2，楊曉暉3

（1.中國電力工程顧問集團(tuán) 中南電力設(shè)計(jì)院，武漢 430071；2.三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002；3.中國林業(yè)科學(xué)研究院 林業(yè)研究所，北京 100091）

為了揭示煤炭開采驅(qū)動(dòng)力與土地利用景觀格局變化的耦合關(guān)系，應(yīng)用GIS和RS技術(shù)，采用景觀軟件FRAGSTATS，從景觀水平和斑塊水平兩個(gè)層次上對(duì)烏東礦區(qū)及其周邊區(qū)域景觀指數(shù)的變化規(guī)律進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：煤炭資源開采對(duì)區(qū)域影響強(qiáng)度的不同是區(qū)域景觀格局產(chǎn)生梯度變化的主要原因。研究成果有助于探索煤炭開采對(duì)土地利用空間格局的影響，也可為同類地區(qū)土地利用空間格局的研究，提供科學(xué)參考依據(jù)。

景觀格局；梯度變化；煤礦；景觀指數(shù)；土地利用

煤礦集煤炭資源開采、土地資源占用與破壞為一體，是資源、環(huán)境與人口矛盾相對(duì)集中顯現(xiàn)的區(qū)域之一［1］。煤礦的開采不可避免會(huì)導(dǎo)致原有土地利用方式、程度及地表覆被狀況等發(fā)生巨大改變，從而影響礦區(qū)土地資源的存在形式，使礦區(qū)土地利用與景觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。土地利用/覆被變化是導(dǎo)致景觀結(jié)構(gòu)變化的重要因素［2］。近年來景觀格局及其動(dòng)態(tài)變化的研究，已經(jīng)成為景觀生態(tài)學(xué)的研究熱點(diǎn)［3－7］，但煤礦區(qū)景觀格局的研究非常薄弱。本文以烏東礦區(qū)及其周邊地區(qū)為例，從景觀生態(tài)學(xué)的角度，對(duì)距烏東礦區(qū)不同距離區(qū)域的景觀指數(shù)進(jìn)行分析，揭示隨著煤礦開采影響力的逐漸減弱，景觀格局所呈現(xiàn)出的變化規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上探討煤炭開采對(duì)景觀格局的影響。研究成果有助于探討煤炭開采對(duì)土地利用空間格局的影響［8］，也可為同類地區(qū)土地利用空間格局的研究，提供科學(xué)參考數(shù)據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于天山山脈博格達(dá)峰北麓的山前傾斜平原，主要土地利用類型為荒漠草原、耕地和林地。地勢(shì)為西南高，東北低，起伏不大。該區(qū)位于歐亞大陸腹地，遠(yuǎn)離海洋，屬中溫帶大陸性干旱氣候。區(qū)域降水量少，蒸發(fā)旺盛，光照充足，熱量豐富。據(jù)米泉?dú)庀笳举Y料記載，該區(qū)年平均氣溫7.2℃，＞10℃的積溫3 542℃，無霜期190d。年均降水量218.3mm，蒸發(fā)量卻高達(dá)2 448.4mm以上。項(xiàng)目區(qū)土壤類型主要有鹽化灰漠土、棕鈣土、灰灌漠土、灌溉灰漠土及灌漠土。本研究對(duì)象烏東礦區(qū)位于烏魯木齊市區(qū)東北側(cè)米東區(qū)境內(nèi)，烏東煤礦地處鐵廠溝鎮(zhèn)與盧草溝鄉(xiāng)，項(xiàng)目主體所在的鐵廠溝鎮(zhèn)是集煤礦開采、工業(yè)開發(fā)、特色養(yǎng)殖、旅游農(nóng)業(yè)為一體的多種經(jīng)濟(jì)融合的鄉(xiāng)鎮(zhèn)。

2 研究方法

本研究解譯使用的信息源主要為LANDSAT 5－TM美國陸地衛(wèi)星5遙感影像，數(shù)據(jù)獲取時(shí)間為2006年9月3日。首先對(duì)TM影像進(jìn)行了必要的輻射校正和增強(qiáng)處理，然后結(jié)合DEM、土壤圖、植被圖及野外調(diào)查結(jié)果，采用監(jiān)督分類和目視解譯相結(jié)合的方法對(duì)土地利用/覆蓋進(jìn)行解譯。土地利用分類系統(tǒng)采用新頒布的《土地利用現(xiàn)狀分類》標(biāo)準(zhǔn)［9］。利用ArcMAP 9.2和景觀指數(shù)計(jì)算軟件Fragstats 3.3，對(duì)研究區(qū)不同地類的景觀指數(shù)進(jìn)行計(jì)算，以揭示距礦區(qū)不同距離土地利用景觀格局所呈現(xiàn)的變化規(guī)律。研究范圍即烏東礦區(qū)邊界基礎(chǔ)上每隔500m做一條緩沖帶，共做4條緩沖帶。對(duì)于景觀指數(shù)的選取，考慮到各指數(shù)的相關(guān)性和局限性，在參考相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上［10－11］，景觀尺度上選擇了斑塊密度（PD）、最大斑塊指數(shù)（LPI）、周長－面積分維數(shù)指數(shù)（PAFRAC）、蔓延度指數(shù)（CONTAG）和Shannon均勻度指數(shù)（SHEI）5個(gè)景觀指數(shù)；斑塊尺度上則選用景觀比例（PLAND）、斑塊密度（PD）、平均斑塊面積（AREA＿M(jìn)N）、周長－面積分維數(shù)指數(shù)（PAFRAC）4個(gè)景觀指數(shù)，來評(píng)價(jià)煤炭開采對(duì)土地利用景觀格局的影響。

3 結(jié)果與分析

3.1 斑塊水平上不同景觀指數(shù)的空間梯度變化及驅(qū)動(dòng)力分析

隨著緩沖區(qū)逐漸遠(yuǎn)離井田開采區(qū)，煤炭開采對(duì)土地利用景觀格局的影響逐漸減弱，各土地利用類型的景觀指數(shù)呈現(xiàn)不同的變化趨勢(shì)。隨著緩沖區(qū)逐漸遠(yuǎn)離井田開采區(qū)，草地的景觀比例、周長－面積分維數(shù)、平均斑塊面積都呈減少的趨勢(shì)，斑塊密度的變化趨勢(shì)則相反。林地和耕地的變化趨勢(shì)則隨著緩沖帶向外延伸，景觀比例和斑塊密度不斷提高。其它用地的景觀比例在井田及與其相鄰緩沖區(qū)內(nèi)相對(duì)較高，最高達(dá)到了11.07%。工礦建筑用地和住宅用地集中在礦區(qū)及附近的緩沖區(qū)，其景觀比例和斑塊密度在這個(gè)區(qū)域達(dá)到最大，分別為4.27%和11.09個(gè)/100hm2（圖1）。

圖1 不同景觀指數(shù)梯度變化

不同景觀要素的空間格局變化與煤炭開采密切相關(guān)，煤炭資源的開采對(duì)研究區(qū)特別是井田及其附近區(qū)域的景觀要素影響較大。煤炭開采改變了部分土地的利用方式，地下煤層開采造成的沉陷導(dǎo)致部分樹木根系斷裂和地下水位下降，使林地發(fā)生退化，林地面積減少；另外地表沉陷還可能導(dǎo)致部分耕地棄耕。林地和耕地的不斷退化，導(dǎo)致井田內(nèi)林地、耕地景觀比例低于其它緩沖區(qū)。煤炭開采促進(jìn)了草地向周圍景觀的滲透，使得草地大面積連片存在，這是井田區(qū)草地景觀比例、周長分維數(shù)和平均斑塊面積均高于其它緩沖區(qū)，而斑塊密度小于其他緩沖區(qū)的主要原因。

研究區(qū)煤礦主要為鄉(xiāng)鎮(zhèn)煤礦，規(guī)模較小，多位于村鎮(zhèn)附近。工礦用地和住宅用地集中分布在礦區(qū)及與其相鄰的緩沖區(qū)內(nèi)；小煤礦開采產(chǎn)生的廢棄礦坑和排矸場未能及時(shí)復(fù)墾造成的荒地也集中在井田區(qū)及其周邊區(qū)域，使得其他用地的景觀比例、斑塊密度、周長分維數(shù)均在礦區(qū)及其相鄰緩沖區(qū)內(nèi)達(dá)到最大。

3.2 景觀水平上研究區(qū)景觀格局的空間變化

由表1可知，景觀層次而言，隨著逐漸遠(yuǎn)離煤炭開采區(qū)，最大斑塊指數(shù)、周長－面積分維數(shù)指數(shù)、蔓延度均呈降低趨勢(shì)。斑塊密度指數(shù)雖然變化規(guī)律不明顯，但所有緩沖區(qū)的斑塊密度指數(shù)均大于井田的斑塊密度指數(shù)。以上指數(shù)變化表明：煤炭開采改變了礦區(qū)部分土地的利用方式。開采造成地表沉陷和地下水位下降，使部分林地退化、耕地棄耕，客觀上促進(jìn)了草地向周邊其它景觀擴(kuò)散，使礦區(qū)草地面積增加，草地斑塊連片分布。這是井田內(nèi)最大斑塊指數(shù)、蔓延度、周長分維數(shù)均高于其它緩沖區(qū)，而斑塊密度小于其它緩沖區(qū)的主要原因。隨著逐漸遠(yuǎn)離開采區(qū)，草地所占的比例有所減少，草地景觀趨于破碎，這一點(diǎn)可以在最大斑塊指數(shù)中得到印證。

表1 不同區(qū)域的景觀指數(shù)

均勻度指數(shù)與其它指數(shù)不同，隨著緩沖區(qū)逐漸遠(yuǎn)離開采區(qū)呈先增加后減少的變化規(guī)律。隨著研究區(qū)逐漸遠(yuǎn)離礦區(qū)，煤炭開采導(dǎo)致的地表沉陷影響逐漸減弱。農(nóng)業(yè)用地所占比例大幅增加，削弱了草地的優(yōu)勢(shì)地位，研究區(qū)景觀格局的異質(zhì)性得到了提高。整體來看，各緩沖區(qū)均勻度均高于井田區(qū)，說明井田區(qū)的空間異質(zhì)性較低，草地占主導(dǎo)地位。雖然隨著緩沖區(qū)逐漸遠(yuǎn)離井田區(qū)，草地作為景觀基質(zhì)的地位沒有改變，但是草地對(duì)景觀的控制作用有所下降［5］，區(qū)域景觀的均勻度有所提高。

4 結(jié)論與討論

隨著煤炭開采影響的逐漸減弱，研究區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出了顯著的空間格局變化規(guī)律。從斑塊水平來看，草地的景觀比例、周長分維數(shù)、平均斑塊面積都隨著緩沖區(qū)向外延伸呈減少的趨勢(shì)，斑塊密度的變化趨勢(shì)則相反。林地、耕地的景觀比例和斑塊密度則不斷提高，而分維數(shù)和平均斑塊面積則不斷減少。從景觀水平來看，緩沖區(qū)向外延伸，最大斑塊指數(shù)、周長－面積分維數(shù)指數(shù)、蔓延度均呈降低趨勢(shì)，而斑塊密度指數(shù)雖變化規(guī)律不太明顯，但所有緩沖區(qū)的斑塊密度指數(shù)均大于井田內(nèi)的斑塊密度指數(shù)。

煤炭資源開采對(duì)區(qū)域影響強(qiáng)度的不同，是研究區(qū)景觀指數(shù)變化的主要因素。煤炭資源開采對(duì)環(huán)境的影響主要表現(xiàn)在土地占?jí)?、地表植被破壞、地表沉陷?2］以及大量疏矸水排泄導(dǎo)致的地下水位下降等方面。煤炭資源開采對(duì)礦區(qū)及其附近區(qū)域景觀要素影響較大：一方面，煤炭開采使得圍繞煤炭生產(chǎn)和加工的企業(yè)在礦區(qū)附近不斷聚集；另一方面，由于塌陷面積的增加，一些居民點(diǎn)和工礦被迫遷移［13］，進(jìn)行集中安置。上述原因共同導(dǎo)致了工礦建筑用地、住宅用地呈集中分布；受煤炭開采和地表沉陷的影響，造成了大量土地的塌陷，形成沉陷積水區(qū)，使得井田及其附近區(qū)域的林地和耕地發(fā)生退化［14］；同時(shí)，部分土地由于地表沉陷修復(fù)措施的應(yīng)用，使得原有的土地利用方式無法得以延續(xù)，絕大部分轉(zhuǎn)化為人工促進(jìn)的半天然草地，特別是礦區(qū)內(nèi)分布的旱田基本上也轉(zhuǎn)化為草地。煤炭開采促進(jìn)了草地向周圍景觀的滲透，使得井田區(qū)草地大面積連片存在。

［1］卞正富.國內(nèi)外煤礦區(qū)土地復(fù)墾研究綜述［J］.中國土地科學(xué)，2000，14（1）：6－11.

［2］魏建兵，肖篤寧，李秀珍，等.東北黑土區(qū)小流域農(nóng)業(yè)景觀結(jié)構(gòu)與土壤侵蝕的關(guān)系［J］.生態(tài)學(xué)報(bào)，2006，26（8）：2608－2615.

［3］田光進(jìn)，張?jiān)鱿?，張國平，?基于遙感與GIS的海口市景觀格局動(dòng)態(tài)演化［J］.生態(tài)學(xué)報(bào)，2002，22（7）：1028－1034.

［4］楊曉暉，張克斌，慈龍駿.半干旱農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)近20年來景觀格局時(shí)空變化分析：以內(nèi)蒙古伊金霍洛旗為例［J］.北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，27（5）：81－86.

［5］高小紅，王一謀，楊國靖.基于RS與GIS的榆林地區(qū)景觀格局動(dòng)態(tài)變化研究［J］.水土保持學(xué)報(bào)，2004，18（1）：168－171.

［6］張銀輝，羅毅，劉紀(jì)遠(yuǎn)，等.內(nèi)蒙古河套灌區(qū)土地利用與景觀格局變化研究［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2005，21（1）：61－65.

［7］吳波，慈龍駿.毛烏素沙地景觀格局變化研究［J］.生態(tài)學(xué)報(bào)，2001，21（2）：191－196.

［8］肖篤寧.景觀生態(tài)學(xué)理論方法與應(yīng)用［M］.北京：中國林業(yè)出版社，1991：92－98.

［9］中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB/T21010－－2007土地利用現(xiàn)狀分類（S）.

［10］Riitters K H，Neill R V O，Hunsaker C T.et al.A factor analysis of landscape pattern and structure metrics［J］.Landscape Ecology，1995，10：23－39.

［11］李秀珍，布仁倉，常禹，等.景觀格局指標(biāo)對(duì)不同景觀格局的反應(yīng)［J］.生態(tài)學(xué)報(bào)，2004，24（1）：123－134.

［12］張成梁，黃藝.山西省煤礦區(qū)土地退化成因分析及生態(tài)恢復(fù)對(duì)策［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2006，25（增刊）：711－715.

［13］徐躍通，楊燕杰，丁娟.基于GIS和RS的煤礦區(qū)土地利用變化分析［J］.礦業(yè)研究與開發(fā)，2009：29（3）：35－37，46.

［14］卞正富，張燕平.徐州煤礦區(qū)土地利用格局演變分析［J］.地理學(xué)報(bào)，2006，61（4）：349－358.

Study on the Gradient Changes in Landscape Pattern of Land Use in Coal Mining Area Based on GIS and RS Technology

WU Wen－yi1，LIU Ying2，YANG Xiao－h(huán)ui3
（1.Central Southern China Electric Power Design Institute of China Power Electric Engineering Consulting Group，Wuhan430071，China；2.College of Hydraulic ＆Environmental Engineering，Three Gorges University，Yichang，Hubei443002，China；3.Research Institute of Forestry，Chinese Academy of Forestry，Beijing100091，China）

In order to determine coupling relationship between coal mining driving force and landscape pattern of land use，GIS and RS technology combined with landscape pattern analysis software FRAGSTATS were applied to analyze the change of landscape spatial pattern in Wudong mining area and its surrounding regions at the landscape level and patch level.The results showed that：the various effects of coal resources exploitation on the regions were the main reason that caused the change of landscape spatial pattern in the study area.The results will be helpful to explore the effects of coal exploitation on the landscape spatial pattern and can also apply a basement for the similar areas.

landscape pattern；gradient variation；coal mine；landscape index；land use

F301.24；TP79

A

1005－3409（2011）06－0177－03

2011－03－28

2011－05－23

國家科技支撐計(jì)劃課題（2006BAD26B05）

武文一（1982－），男，山西榆次人，碩士研究生，工程師，研究方向：水土保持與荒漠化防治。E－mail：wuwenyi011＠163.com

楊曉暉（1968－），男，內(nèi)蒙古赤峰人，博士，研究員，主要研究方向：景觀生態(tài)學(xué)與荒漠化防治。E－mail：yangxh＠forestry.ac.cn