基于MODIS數(shù)據(jù)的潞安礦區(qū)土地覆被變化分析

許傳陽，李華超

（1.河南理工大學(xué)礦山空間信息技術(shù)國家測繪局重點實驗室，河南 焦作 454000；

2.河南理工大學(xué)測繪與國土信息工程學(xué)院，河南 焦作 454000）

自上世紀90年代起，環(huán)境變化已經(jīng)成為最引人注目和關(guān)切的環(huán)境科學(xué)問題之一[1]。陸地生態(tài)系統(tǒng)中的氣候、土壤、植被、水等自然因子或資源之間的相互作用，影響著人類生產(chǎn)甚至生活的可持續(xù)發(fā)展[2]。土地覆被變化是陸地生態(tài)系統(tǒng)最直接、最重要的載體之一[3]，科學(xué)工作者對陸地覆被變化及驅(qū)動機制進行了廣泛研究[4]，但對礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)演變的研究并不多見[5]。

煤炭生產(chǎn)是煤礦區(qū)復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)區(qū)別于一般生態(tài)系統(tǒng)的主要因子之一，其過程可能會擾動原自然生態(tài)系統(tǒng)，也可能會排放各種有害污染物而造成環(huán)境系統(tǒng)受損，二者是礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的主要外在脅迫因素[6－7]。該研究從礦區(qū)陸地植被類型變化特征入手，探索煤炭開采活動對礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的擾動方式及影響程度。

1 研究區(qū)概況

潞安礦區(qū)位于山西省東南部、太行山中段西側(cè)，地理坐標為 112°32′53"～113°16′35"E、35°50′9"～36°33′49"N，南北平均長約 65 km，東西平均寬約60 km，總面積4 015 km2。潞安礦區(qū)主要有山地、丘陵、平原和河谷等4種不同地貌，東南部和西南部地形多為低山、丘陵，中東部為河谷和平原。礦區(qū)的主體部分位于上黨盆地之內(nèi)，盆地底面平坦，海拔900～930m，河漫灘、河流階地、山前傾斜平原、洪積平原面積廣闊，相對高差小，多在50 m以下；中東部濁漳河河谷最低（海拔847m）；最高處為西南部發(fā)鳩山（海拔1 645m）；海拔在1 100m以上、相對高差大于200 m的山地面積僅占潞安礦區(qū)總面積的5%以下；海拔在950～1 100m、相對高度在100～200m的丘陵區(qū)面積約占總面積的15%。潞安礦區(qū)地處內(nèi)陸，屬于暖溫帶半濕潤區(qū)，多年平均活動積溫為2 815.0～3 764.3℃，多年平均降水量為547.78～660.61mm。

2 數(shù)據(jù)來源

遙感數(shù)據(jù)是一種非常重要的地學(xué)信息源，廣泛應(yīng)用于植被生態(tài)、氣候變遷及資源環(huán)境監(jiān)測等研究中[8－9]。該研究數(shù)據(jù)來源于 MODIS（themoderate resolution imaging spectroradiometer，中分辨率成像光譜儀），其產(chǎn)品已在植被生長狀況、生物量的估算、環(huán)境監(jiān)測和全球變化等研究中得到驗證和應(yīng)用。劉惠英等[10]研究了基于MODIS12數(shù)據(jù)的湖面遙感監(jiān)測，夏文韜等[11]對甘南地區(qū)的MODIS土地覆被產(chǎn)品精度進行了詳盡探討。MODIS-MCD12Q1包含5種分類方法合成數(shù)據(jù)，即IGBP、UMD、LAI/FPAR、NPP和PFT。該研究選用LAI/FPAR合成數(shù)據(jù)，其土地覆被類型共分為8種：闊葉林、針葉林、農(nóng)用地、灌叢、稀樹草地、水域、城鎮(zhèn)用地和無植被區(qū)。研究數(shù)據(jù)由美國對地觀測系統(tǒng)（EOS）的LPDAAC（Land Processes Distributed Archive Center）網(wǎng)站免費提供，矢量圖像空間分辨率為500 m，時間序列為2001～2008年。

3 土地覆被時空格局分析

植被類型的形成、分布乃至演替均以植物與太陽輻射、土壤與大氣之間的能量轉(zhuǎn)化和物質(zhì)交換為基礎(chǔ)，這種轉(zhuǎn)換的基本條件是熱量和水分，水熱分布的時空變化以及垂直地帶性的變化，引起植被分布的區(qū)域格局[12]。陸地表層生態(tài)系統(tǒng)植被類型及其變化也有類似的分布規(guī)律，它是地形地貌、土壤性狀、氣候因子、植物種類及人類活動等多因子綜合作用的結(jié)果，該研究主要探尋土地覆被轉(zhuǎn)換的時間異質(zhì)性和空間異質(zhì)性。

3.1 時間異質(zhì)性

2001～2008年研究區(qū)土地覆被變化過程見圖1，利用ArcGIS9.3統(tǒng)計與分析模塊列出8種土地覆被類型面積（見表1）。由表1可知，主要土地覆被類型中灌叢和稀樹草地的面積變化顯著，2001～2003年與2004～2008年形成鮮明對比：灌叢面積前3 a平均為296.7 km2，后5 a平均面積為69.4 km2，呈大幅減少的趨勢，主要轉(zhuǎn)變?yōu)榱讼洳莸?；稀樹草? a間總體上呈現(xiàn)遞增趨勢，由2001～2003年的平均139.6 km2增加到2004～2008年的平均358.1 km2，其中2006年、2007年的面積分別大于500 km2、400 km2，但近3 a有減少的趨勢，絕大部分都轉(zhuǎn)化為了農(nóng)用地。

表1 2001～2008年潞安礦區(qū)8種土地覆被類型面積（km2）

另一方面，地表水體向無植被區(qū)域的轉(zhuǎn)化較明顯：水域和無植被區(qū)域前3 a的面積均值分別為38.3 km2和18.7 km2，2004～2008年面積均值分別為26.5 km2和38.6 km2，二者的轉(zhuǎn)化主要與全球變暖背景下的降水減少和氣溫升高導(dǎo)致蒸發(fā)量增大有關(guān)[13]。其他土地覆被類型如闊葉林、針葉林和城鎮(zhèn)用地面積均變動不大。

研究區(qū)土地覆被時間異質(zhì)性的產(chǎn)生是由于研究期間煤炭價格上漲和原煤開采量遞增所致（見表2）。2000～2002年，受計劃經(jīng)濟控制，潞安礦業(yè)集團煤炭價格數(shù)值較低，時有小幅波動。從2003年開始，國家放開煤炭價格體系，實行市場定價，2003～2007年的原煤價格直線飆升，相對于其上一年的價格增幅分別達到：20.63%、43.42%、47.71%、3.73%和23.35%；由此導(dǎo)致原煤產(chǎn)量的增幅分別達到：20.40%、16.94%、22.05%、26.30%和17.66%。因此，潞安礦區(qū)2004年以后煤炭開采活動加劇，這使得灌叢大面積轉(zhuǎn)化為稀樹草地。

表2 2000～2007年潞安礦業(yè)集團原煤價格和年產(chǎn)量

3.2 空間異質(zhì)性

該研究還分析了2001～2008年主要土地覆被類型及變化的空間分布狀態(tài)，結(jié)果表明：第一，以2001～2008年的平均數(shù)值度量，農(nóng)用地主要分布于研究區(qū)中部，面積年平均值為3 305.3 km2，約占總面積的82.3%；稀樹草地主要分布于西南部和東南局部地區(qū)，面積年平均數(shù)值為276.1 km2，約占總面積的6.9%；城鎮(zhèn)用地主要分布于潞安集團和長治市之間，灌叢主要分布于研究區(qū)西南部、東北部和東南部，二者面積年均值分別為156.05 km2、154.65 km2，均約占總面積的3.9%；針葉林僅分布于研究區(qū)西南山地，面積年均值為60.11 km2，約占總面積的1.5%；而無植被區(qū)、地表水體和闊葉林所占面積均小于1%。第二，在2001～2008年主要土地覆被類型的轉(zhuǎn)化中，有兩類轉(zhuǎn)換顯而易見：①稀樹草地面積增大與灌叢面積減少相輔相成，伴隨著煤炭開采活動的加劇，灌叢逐步轉(zhuǎn)換為稀樹草地，進而部分稀樹草地被開墾為農(nóng)用地，這是近3 a農(nóng)用地增多的原因，其轉(zhuǎn)化過程主要發(fā)生于研究區(qū)西南和東南山地。②地表水域和無植被區(qū)域的轉(zhuǎn)換，主要原因是以降水量減少、氣溫升高等為主要特征的氣候變化造成了漳澤水庫、許村“七一”水庫、屯絳“八一”水庫等水面收縮，引起無植被區(qū)域面積增多。其他土地覆被類型轉(zhuǎn)化相對較少。

4 主要結(jié)論

該研究以潞安礦區(qū)土地覆被類型為研究對象，以其時空變化格局為研究內(nèi)容，主要結(jié)論如下。

4.1 時間異質(zhì)性

覆被類型變化較顯著的階段為：2004～2008年的稀樹草地、灌叢年均面積各約占總面積的8.9%和1.7%，而2001～2003年各約占3.5%和7.4%，灌叢轉(zhuǎn)化為稀樹草地顯而易見；地表水域面積呈現(xiàn)縮減趨勢，而無植被區(qū)域面積有所增多，相比2001～2003年，2004～2008年的地表水域和無植被面積分別減少30.81%和增多106.42%。

4.2 空間異質(zhì)性

在主要土地覆被類型轉(zhuǎn)換中，以灌叢向稀樹草地、稀樹草地向農(nóng)用地轉(zhuǎn)變?yōu)橹?，分別約為150～200 km2和100～150 km2，主要分布于研究區(qū)西南和東南山地；地表水域和無植被區(qū)域之間的轉(zhuǎn)換面積也較大，約為10 km2，主要是由研究區(qū)中北部漳澤、許村“七一”、屯絳“八一”等大型水庫的水面收縮引起的。

4.3 植被類型轉(zhuǎn)換原因

一是煤炭開采、農(nóng)用地開墾等各種人類活動；二是以氣候變暖、降水量減少為特征的氣候變化等自然因子影響。

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