基于3S的平朔礦區(qū)土地利用及景觀格局演變研究

韓武波2，賈 薇，孫泰森

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，山西太谷030801；2.山西省國土資源廳，山西太原030024；3.山西大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，山西太原030006）

煤炭資源作為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展重要的基礎(chǔ)材料與能源工業(yè)，為中國經(jīng)濟(jì)建設(shè)做出了巨大的貢獻(xiàn)，但也造成了嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問題與社會(huì)問題。主要表現(xiàn)為景觀生態(tài)功能喪失或降低，景觀生態(tài)環(huán)境惡化，生態(tài)平衡受到破環(huán)?，F(xiàn)今礦區(qū)生產(chǎn)活動(dòng)引起的土地利用和景觀格局蛻變的現(xiàn)象已受到重視，利用3S技術(shù)對(duì)監(jiān)測土地利用變化，及時(shí)掌握土地演變信息并做出相應(yīng)預(yù)測、優(yōu)化、調(diào)控體系顯得更為必要。為了使礦區(qū)土地利用景觀格局演變這一動(dòng)態(tài)問題處于可持續(xù)、平穩(wěn)狀態(tài)，依據(jù)中國露天礦土地復(fù)墾與生態(tài)重建方法技術(shù)，應(yīng)充分、相對(duì)完整地研究礦區(qū)的土地利用和景觀格局演變規(guī)律，對(duì)開展礦區(qū)人工復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)具有重要的意義。

1 研究區(qū)域概況及區(qū)域景觀類型

1.1 研究區(qū)域概況

平朔礦區(qū)地處黃土高原晉陜蒙接壤的黑三角地帶，山西省北部的朔州市境內(nèi),地理坐標(biāo)為東徑112°10′58"—113°30′，北緯39°23′—39°37′，包括安太堡露天煤礦、安家?guī)X露天煤礦和東露天煤礦三個(gè)大型露天礦田。本文中所指的平朔礦區(qū)是包含平朔礦區(qū)所在的7個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，總面積約為826 km2。

1.2 研究區(qū)域景觀類型

本研究主要參考國土資源部制定的《全國土地分類（試行）》，同時(shí)綜合考慮遙感圖像分辨率和各景觀類型在礦產(chǎn)開采中的功能特征，將研究區(qū)景觀生態(tài)劃分為10種類型：草地、林地、耕地、建設(shè)用地、水域、未利用地、礦坑采掘區(qū)、排土場（已復(fù)墾）、礦坑邊坡、礦坑剝離區(qū)。

2 研究方法

首先從ENVI軟件中的Change Detection功能對(duì)3個(gè)時(shí)相的景觀組分圖進(jìn)行柵格疊加，得到不同年份間景觀類型的轉(zhuǎn)移矩陣，從而定量、定位分析景觀組分在各斑塊類型間地相互轉(zhuǎn)變方向、強(qiáng)度和位置。在此基礎(chǔ)上，采用空間格局指數(shù)法，利用3個(gè)時(shí)相的景觀組分圖和景觀格局指數(shù)分析景觀變化，從斑塊類型水平和景觀水平兩個(gè)各層面上進(jìn)行研究。利用景觀格局分析軟件FRAGSTATS，得出以下具有代表性的指標(biāo)：斑塊類型面積、斑塊密度、最大斑塊指數(shù)、邊緣密度、斑塊平均大小、平均分維數(shù)、散布與并列指數(shù)、景觀形狀指數(shù)、香農(nóng)多樣性指數(shù)、香農(nóng)均勻度指數(shù)、蔓延度指數(shù)。

3 研究結(jié)果分析

3.1 平朔礦區(qū)的土地利用動(dòng)態(tài)分析

通過對(duì)2001年、2004年、2009年3個(gè)時(shí)相的TM遙感影像進(jìn)行處理，利用ArcGIS的統(tǒng)計(jì)工具可獲得礦區(qū)的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣（表1、表2）。這兩個(gè)時(shí)段的土地利用動(dòng)態(tài)變化過程分析如下：

（1）2001—2004年間，整體趨勢是耕地、水域、礦坑剝離區(qū)持續(xù)減少，耕地減少的面積最大，而其余地類都在增加，林地、草地增加的面積較大。從各類轉(zhuǎn)化關(guān)系來看，耕地33.83%轉(zhuǎn)化為草地，12.87%轉(zhuǎn)化為林地，主要原因是礦區(qū)積極開展退耕還林還草。林地、礦坑邊坡、礦坑采掘區(qū)的動(dòng)態(tài)變化最為顯著，礦坑邊坡和礦坑采掘區(qū)的增長趨勢是由于煤炭的不斷生產(chǎn)所引起的。剝離區(qū)雖然減少的面積不大，但是每年的動(dòng)態(tài)變化中下降的最快，是由于礦坑剝離區(qū)有35.78%轉(zhuǎn)化為已復(fù)墾的排土場，主要原因是礦區(qū)采取及時(shí)跟進(jìn)的土地復(fù)墾措施。

表1 2001—2004年土地利用轉(zhuǎn)換矩陣Tab.1 Land use transition matrix from 2001 to 2004

（2）2004—2009年間，耕地、林地、水域、未利用地面積持續(xù)減少，草地、礦坑采掘區(qū)、礦坑邊坡、礦坑剝離區(qū)、排土場的面積都在增加。主要原因是東露天礦的開采建設(shè)，企業(yè)擴(kuò)張兼并其周圍部分村莊；耕地的轉(zhuǎn)出率為42.78%，主要轉(zhuǎn)化為草地，轉(zhuǎn)出率為33.1%，主要原因除了退耕還林還草等保護(hù)措施以外，主要是企業(yè)在開采東露天礦區(qū)時(shí)注重邊開采邊復(fù)墾的保護(hù)措施，將土地復(fù)墾和生態(tài)重建的意識(shí)貫穿于整個(gè)建設(shè)過程。通過以上分析可以看出，2001年到2009年平朔礦區(qū)各土地類型的總轉(zhuǎn)移變化情況為：建設(shè)用地一直保持較高的轉(zhuǎn)入量和極低轉(zhuǎn)出量，說明人類的生產(chǎn)生活活動(dòng)較為頻繁，擴(kuò)大礦區(qū)規(guī)模諸如東露天礦的開采建設(shè)以及城鎮(zhèn)化的步伐加快等。而耕地則相反，草地和林地的轉(zhuǎn)入量較高。這主要是因?yàn)橥烁€林還草政策的推行。因此，對(duì)于東露天礦的開采建設(shè)，今后應(yīng)該更加積極開展土地復(fù)墾措施，以增加耕地的有效面積，將糧食保護(hù)放在安全要位。

3.2 平朔礦區(qū)的土地利用景觀格局演變分析

平朔礦區(qū)景觀格局演變的主要特征景觀破碎度和異質(zhì)性增加，以及隨著東露天礦的建設(shè)發(fā)展，煤炭資源開采量的增加，工礦區(qū)規(guī)模不斷擴(kuò)大，部分村鎮(zhèn)轉(zhuǎn)化為工礦建設(shè)用地。

3.2.1 景觀斑塊類型指數(shù)變化分析 采用FRAGSTATS軟件和EXCEL計(jì)算各時(shí)相景觀水平景觀指數(shù)（圖1—7）。

（1）斑塊數(shù)量和面積變化分析。耕地是最大的斑塊類型，面積呈遞減趨勢，2001—2004年期間減少了30%，同時(shí)耕地的斑塊密度增加，最大斑塊指數(shù)減少，從而表明耕地的破碎化隨著礦產(chǎn)資源的開發(fā)變得加??；以及城鎮(zhèn)和農(nóng)村居民點(diǎn)鑲嵌在廣大的耕地區(qū)域中，城鎮(zhèn)和農(nóng)村居民點(diǎn)的擴(kuò)張，人口增長，這些都會(huì)直接或間接的破壞耕地大斑塊的面積。建設(shè)用地斑塊、最大斑塊指數(shù)、斑塊密度均有所增加，這主要是由于東露天礦的生產(chǎn)建設(shè)，煤炭資源產(chǎn)量增加，引起企業(yè)規(guī)模擴(kuò)大和礦區(qū)工業(yè)廣場建設(shè)面積增加，與此同時(shí)，礦區(qū)的擴(kuò)張對(duì)周邊地區(qū)的征地政策，促使當(dāng)?shù)厥У鼐用窦铀賹?duì)其他土地的使用。這反映了人為開采活動(dòng)的強(qiáng)干擾性，以及礦區(qū)的擴(kuò)張建設(shè)所引發(fā)的土地社會(huì)職能問題。

表2 2004—2009年土地利用轉(zhuǎn)換矩陣Tab.2 Land use transition matrix from 2004 to 2009

（2）斑塊類型空間構(gòu)型特征分析。在邊緣密度變化方面，林地、草地、未利用地的邊緣密度2001—2004年增加到2009年卻減少，說明林地、草地、未利用地的布局先呈分散化趨勢后呈集聚化趨勢，而建設(shè)用地、剝離區(qū)則相反。其中，林地的邊緣密度增加的幅度最為顯著，表明林地的破碎化速度和程度都最大。耕地、水域的邊緣密度呈遞減趨勢，表明耕地的布局逐漸分散，而礦坑采掘區(qū)、礦坑邊坡、排土場的邊緣密度呈增長趨勢，說明礦區(qū)作業(yè)區(qū)集聚化趨勢更加明顯。從各時(shí)相的散布與并列指數(shù)來看，在2001—2009年，排土場的IJI值為最大，說明現(xiàn)今排土場與其他所有類型近乎等量相鄰，亦說明礦區(qū)作業(yè)區(qū)的復(fù)墾狀況良好。

（3）斑塊形狀特征變化分析。從2001年到2009年，林地、草地、耕地、未利用地的平均分維數(shù)均有所增加，水域、礦坑采掘區(qū)是從2001年到2009年先減少后增加，說明斑塊形狀變的越來越復(fù)雜，景觀受人類的生產(chǎn)和生活的影響，穩(wěn)定性變差。水域的平均分維數(shù)最大，說明其形狀最不規(guī)則。礦坑邊坡、礦坑剝離區(qū)是從2001—2009年先增加后減少，建設(shè)用地、排土場是呈遞減趨勢，說明隨著礦區(qū)采取的土地復(fù)墾措施，其形狀變得較為規(guī)則，景觀的穩(wěn)定性較好。

圖1 2001—2009年斑塊類型面積指數(shù)Fig.1 The indices of CA in different years from 2001 to 2009

圖2 2001—2009年斑塊密度指數(shù)Fig.2 The indices of PD in different years from 2001 to 2009

圖3 2001—2009年最大斑塊指數(shù)Fig.3 The indices of LPI in different years from 2001 to 2009

圖4 2001—2009年邊緣密度指數(shù)Fig.4 The indices of ED in different years from 2001 to 2009

圖5 2001—2009年斑塊平均大小指數(shù)Fig.5 The indices of AREA_MN in different years from 2001 to 2009

圖6 2001—2009年平均分維數(shù)指數(shù)Fig.6 The indices of FRAC_MN in different years from 2001 to 2009

圖7 2001—2009年散布與并列指數(shù)Fig.7 The indices of IJI in different years from 2001 to 2009

3.2.2 景觀水平景觀指數(shù)變化分析 采用FRAGSTATS軟件和數(shù)據(jù)庫軟件計(jì)算各時(shí)相景觀水平景觀指數(shù)（表3）。

表3 2001—2009年各時(shí)相景觀水平指數(shù)Tab.3 The indices of landscape types in different years from 2001 to 2009

從表3得出：在研究期，景觀形狀指數(shù)先增后減，表明斑塊在自然與人為的干擾下，形狀先變得復(fù)雜化而后變得相對(duì)規(guī)整；香農(nóng)多樣性指數(shù)增大，說明斑塊類型增加或各斑塊類型在景觀格局中的空間分布更加均衡化；香農(nóng)均勻度指數(shù)增大，表明各景觀斑塊類型在空間上分布的均勻程度有所增加；散布與并列指數(shù)增大，說明景觀斑塊各類型間相鄰的類型有增大的趨勢，接壤的景觀類型豐富度有所增加；蔓延度指數(shù)減少，表明研究區(qū)小斑塊個(gè)數(shù)較多或優(yōu)勢斑塊連接度低，景觀的破碎化較大，呈破碎化和異質(zhì)化趨勢。

產(chǎn)生這些變化的原因主要為：礦區(qū)在脆弱的黃土高原生態(tài)環(huán)境氣候下，采取土地復(fù)墾和生態(tài)重建措施，土地利用多樣化和均勻化發(fā)展，而且近年來的退耕還林還草措施政策以及平朔煤礦的工業(yè)旅游規(guī)劃的建設(shè)等。

4 結(jié)論

平朔礦區(qū)整個(gè)景觀向著復(fù)雜化、多樣性、破碎化、邊界不規(guī)則化的方向發(fā)展，其主要原因?yàn)槿祟愰_采活動(dòng)的強(qiáng)干擾性，但研究得出在此不斷的干擾演變中，土地復(fù)墾措施為礦區(qū)的生態(tài)重建奠定了重要基礎(chǔ)，有效地指引礦區(qū)的可持續(xù)規(guī)劃并且防止由于礦區(qū)生產(chǎn)生活活動(dòng)引起的土地利用和景觀的過度蛻變。

本研究將工礦區(qū)的情況置身于當(dāng)?shù)厣鐣?huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境等各個(gè)方面，以追求一種長遠(yuǎn)的、穩(wěn)定的、可持續(xù)的狀態(tài)。生態(tài)建設(shè)目標(biāo)的多元性和動(dòng)態(tài)性，決定了礦區(qū)土地復(fù)墾內(nèi)容和標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)隨其不斷調(diào)整優(yōu)化。因此，隨著煤礦生產(chǎn)活動(dòng)的推進(jìn)，必須要綜合考慮礦區(qū)的開采活動(dòng)對(duì)土地和植被等生態(tài)環(huán)境的影響，也要注重礦山開采活動(dòng)對(duì)當(dāng)?shù)厝丝谶w徙、村鎮(zhèn)搬遷以及生產(chǎn)生活方式的影響變化，加強(qiáng)以人口遷徙布局為核心內(nèi)容對(duì)動(dòng)態(tài)調(diào)控理論、技術(shù)和整體方案的研究，實(shí)施有效的恢復(fù)治理措施和政策，促進(jìn)礦區(qū)生產(chǎn)生活環(huán)境的和諧發(fā)展。

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