陜西省榆林市榆神府礦區(qū)土地荒漠化及其景觀格局動態(tài)變化*

馬雄德，范立民，張曉團(tuán)，向茂西，劉海南，張?jiān)品?/p>

（1.長安大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，陜西西安710054；2.陜西省地質(zhì)調(diào)查院，陜西西安710065；3.陜西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，陜西西安710054；4.西北有色地質(zhì)研究院，陜西西安710054）

陜西省榆林市榆神府礦區(qū)土地荒漠化及其景觀格局動態(tài)變化*

馬雄德1，范立民2，3，張曉團(tuán)2，向茂西3，劉海南3，張?jiān)品?

（1.長安大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，陜西西安710054；2.陜西省地質(zhì)調(diào)查院，陜西西安710065；3.陜西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，陜西西安710054；4.西北有色地質(zhì)研究院，陜西西安710054）

為探討陜西省榆林市榆神府礦區(qū)土地荒漠化發(fā)展變化動態(tài)，采用1989、2002、2011年3期TM遙感數(shù)據(jù)，對本區(qū)荒漠化進(jìn)行分類，以此為基礎(chǔ)分析荒漠化景觀格局的變化。結(jié)果表明：①通過構(gòu)建礦區(qū)歸一化植被指數(shù)（NDVI）和地表反射率（Albedo）空間特征下的荒漠化遙感監(jiān)測模型，可以將礦區(qū)荒漠化程度分為5種類型；②礦區(qū)土地荒漠化面積不斷減少，1989-2002年間減少了39.7%，2002-2011年間減少了27.7%，荒漠化程度呈逆轉(zhuǎn)趨勢；③礦區(qū)荒漠化景觀斑塊在研究期趨于規(guī)則化，非荒漠化土地始終是主導(dǎo)景觀類型，其優(yōu)勢度不斷提升，非荒漠化斑塊與其它級別荒漠化斑塊類型的連接性不斷降低。

荒漠化；遙感；保水采煤；景觀格局；榆神府礦區(qū)；陜西榆林

受毛烏素沙漠的影響，榆林地區(qū)土地沙化（荒漠化）較為嚴(yán)重，早在新中國成立初期就被各級政府所重視［1］，并采取了如飛播造林、退耕還林、禁牧封育、三北防護(hù)林建設(shè)等一系列生態(tài)建設(shè)措施，生態(tài)環(huán)境得到了明顯改善。自1990年以后，該地區(qū)石油、天然氣、煤炭等資源的開發(fā)強(qiáng)度逐漸升溫，尤其以煤炭資源開采規(guī)模和強(qiáng)度增加最為顯著，由此造成水資源、土地及生態(tài)資源的破壞［2-4］。人類活動對土地利用影響的深度和廣度的拓展，使礦區(qū)荒漠化土地經(jīng)歷了深刻的變化，也驅(qū)使荒漠化景觀格局發(fā)生了時空演化。

目前對于荒漠化的景觀格局研究一般沿用土地利用／覆被變化統(tǒng)計(jì)方法分析其變化強(qiáng)度，采用景觀生態(tài)學(xué)景觀指標(biāo)的研究分析其時空變化過程和規(guī)律［5］，這對解釋荒漠化發(fā)展變化及其驅(qū)動機(jī)制十分有效。研究區(qū)位于陜西北部榆林市榆陽區(qū)、神木縣和府谷縣（以下簡稱榆神府礦區(qū)），地貌由毛烏素沙地向黃土高原過渡，生態(tài)由農(nóng)牧交錯區(qū)向農(nóng)牧工礦交錯區(qū)拓展，干旱半干旱氣候，水資源短缺，土壤結(jié)構(gòu)疏松，植被覆蓋度低，風(fēng)蝕、水蝕強(qiáng)烈，人類活動不斷加強(qiáng)，環(huán)境承載力低，屬生態(tài)脆弱礦區(qū)。近年來的高強(qiáng)度采煤對本區(qū)土地利用及生態(tài)景觀產(chǎn)生了極大的影響，荒漠化土地也呈現(xiàn)不斷變化趨勢。本文在利用3期遙感數(shù)據(jù)對土地荒漠化動態(tài)進(jìn)行監(jiān)測的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了礦區(qū)歸一化植被指數(shù)（NDVI）和地表反射率（Albedo）空間特征下的荒漠化遙感監(jiān)測模型，分析了礦區(qū)土地荒漠化的時空變化規(guī)律，以此為基礎(chǔ)研究荒漠化景觀動態(tài)變化規(guī)律，為礦區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 礦區(qū)概況

榆神府礦區(qū)主要包括神木北部礦區(qū)（含神東陜西境內(nèi)部分）、新民礦區(qū)、榆神礦區(qū)，面積8 369.1 km2（圖1）。區(qū)內(nèi)侏羅紀(jì)煤田延安組（J2y）含煤8層，可采和局部可采煤3～7層。其中最上部的1-2、2-2、3-1、4-2煤層埋藏淺、厚度大，單層厚度2～12.49 m，平均3～5 m，是目前的主要開采對象。經(jīng)2010年資源整合后，榆林市2014年有生產(chǎn)煤礦254處，實(shí)際生產(chǎn)能力規(guī)模3.87億t。

圖1 礦區(qū)位置及概況示意圖

2 研究數(shù)據(jù)與方法

2.1 研究數(shù)據(jù)

選用的遙感數(shù)據(jù)主要為1989年、2002年及2011年的TM數(shù)據(jù)。影像成像時間為6-9月，基本無云層，影像質(zhì)量較好。各時期影像的預(yù)處理包括輻射定標(biāo)、大氣校正、幾何精校正（誤差控制在0.5個像元）、圖像組合和裁剪等。

2.2 研究方法

2.2.1 荒漠化信息提取

研究表明［6-7］，通過建立反照率（Albedo）-植被指數(shù)（NDVI）特征空間可以實(shí)現(xiàn)荒漠化定量監(jiān)測，其二元線性多項(xiàng)式表達(dá)為：

式中：DDI為荒漠化差值指數(shù)；k為相關(guān)系數(shù)，由式（2）求得；NDVI為正規(guī)化后的植被指數(shù)；Albedo為正規(guī)化后的地表反照率。

式中：a為回歸方程的斜率；b為回歸方程在縱坐標(biāo)上的截距。

用式（1）計(jì)算出礦區(qū)每個像元上的DDI，即可表征該像元地表荒漠化信息。

2.2.2 荒漠化分類定級

根據(jù)地表反照率與植被指數(shù)組成的二維特征空間，反演出荒漠化差值指數(shù)DDI，結(jié)合野外調(diào)查與典型影像樣區(qū)分析，確定荒漠化程度與DDI之間的關(guān)聯(lián)，參照《第四次全國土地荒漠化和沙化監(jiān)測技術(shù)規(guī)定》（20090415）［8］，利用密度分割法將DDI指標(biāo)數(shù)據(jù)分為5個閾值區(qū)間，確定礦區(qū)的5級荒漠化的DDI取值區(qū)間（表1）。

表1 荒漠化程度與DDI值關(guān)系表

2.2.3 荒漠化景觀格局

景觀格局一般是指景觀空間格局，即各類景觀要素在空間上的排列和組合方式，是景觀異質(zhì)性在空間上的綜合表現(xiàn)［9］。通過景觀格局指數(shù)的研究可以表征荒漠化結(jié)構(gòu)組成與空間分配的變化信息，從地理景觀的角度反映荒漠化的時空演化規(guī)律［10-12］。基于本文的研究目的，從景觀類型水平和景觀格局水平兩個層面選取代表性的指數(shù)進(jìn)行計(jì)算和分析。各類計(jì)算通過FRAGSTATS3.4軟件完成。

3 礦區(qū)土地荒漠化變化

3.1 荒漠化面積動態(tài)變化

利用各期遙感數(shù)據(jù)反演的礦區(qū)土地荒漠化分布圖見圖2，利用荒漠化面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果求出荒漠化面積變化指標(biāo)，見表2。

圖2 不同時期荒漠化土地分布圖

表2 荒漠化面積及變化表

由表2可知，輕度和中度荒漠化是主要的荒漠化類型，各級荒漠化土地面積減少和非荒漠化面積增加是荒漠化變化的主要特征。1989-2002年，中度和極重度荒漠化分別減少了12.4%和48.5%，變化率分別為2.5%和9.7%，輕度和重度荒漠化分別增加了1.5%和52.7%，變化率分別為0.3%和10.5%。2002-2011年，各類荒漠化均呈減少趨勢，輕度、中度、重度和極重度荒漠化分別減少了15.7%、61.3%、46.5%和33.4%，年變化率分別為3.1%、12.3%、9.3%和6.7%。

采用GIS疊加分析和統(tǒng)計(jì)，即可得到荒漠化轉(zhuǎn)移矩陣（表3）。結(jié)果表明，對角線上的數(shù)值在相應(yīng)行、相應(yīng)列中較大，荒漠化級別不變的土地面積大于變化的荒漠化面積，而對角線元素的上下兩個數(shù)值也較大，說明相鄰荒漠化程度之間的轉(zhuǎn)換更為頻繁。對角線以上的數(shù)值表示荒漠化逆轉(zhuǎn)，而對角線以下的數(shù)值表示荒漠化發(fā)展，統(tǒng)計(jì)表明1989-2002年逆轉(zhuǎn)區(qū)面積840.6 km2，發(fā)展區(qū)面積387.2 km2，2002-2011年逆轉(zhuǎn)區(qū)面積1 835.4 km2，發(fā)展區(qū)面積195.9 km2，各時段逆轉(zhuǎn)區(qū)面積大于發(fā)展區(qū)面積，說明礦區(qū)荒漠化總體上呈現(xiàn)了逆轉(zhuǎn)趨勢。

表3 荒漠化轉(zhuǎn)移矩陣表

3.2 荒漠化景觀格局變化

3.2.1 景觀類型水平上荒漠化景觀格局變化分析

選擇5個指標(biāo)進(jìn)行景觀類型水平上荒漠化景觀格局的變化分析：斑塊密度（PD），最大斑塊指數(shù)（LPI），景觀百分比（PLAND），評價形狀指數(shù)（SHAPE＿M(jìn)N）和面積加權(quán)分維數(shù)（FRAC＿AM）。三期土地荒漠化景觀類型指標(biāo)計(jì)算結(jié)果見表4。

（1）形狀特征

荒漠化平均形狀及面積加權(quán)分維指標(biāo)中，非荒漠化及極重度荒漠化持續(xù)降低呈降低趨勢，表明非荒漠化和極重度荒漠化土地的形狀趨于簡單。而輕度、中度及重度荒漠化呈先急劇上升后緩慢下降趨勢，表明輕度、中度及重度荒漠化土地平均形狀變化復(fù)雜。說明2002年之前，礦區(qū)建設(shè)進(jìn)程加快，而生態(tài)環(huán)境建設(shè)主要集中在重度荒漠化的治理上，使輕度、中度及重度荒漠化土地之間變化頻繁，斑塊形狀趨于復(fù)雜。2002年以后礦區(qū)建設(shè)進(jìn)入秩序化發(fā)展，禁牧封育、退耕還林等政策大力推進(jìn)，從整體上改善了荒漠化變化，斑塊形狀更加規(guī)則。

（2）優(yōu)勢度

采用景觀百分比和最大斑塊指數(shù)來表征各級荒漠化的優(yōu)勢度。從表4中可以看出，非荒漠化土地在各年處于絕對的優(yōu)勢地位，中度荒漠化次之，二者優(yōu)勢度有所提升，優(yōu)勢度說明礦區(qū)荒漠化整體呈現(xiàn)逆轉(zhuǎn)趨勢。除此之外，輕度、重度和極重度荒漠化優(yōu)勢度出現(xiàn)了大幅下降，說明礦區(qū)荒漠化向非荒漠化及中度荒漠化逆轉(zhuǎn)的比例明顯占優(yōu)。

（3）破碎度

密度指數(shù)在1989、2002和2011年呈現(xiàn)連續(xù)下降，表明景觀破碎度在下降。

3.2.2 景觀格局水平上荒漠化景觀格局變化分析

采用景觀級別的景觀格局指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)整個礦區(qū)的景觀格局，選擇以下5個指標(biāo)：最大板塊指數(shù)（LPI）、均勻度指數(shù)（SHEI）、多樣性指數(shù)（SHDI）、蔓延度指數(shù)（CONTAG）和散列度指數(shù)（IJI）。計(jì)算結(jié)果見表5。

表4 景觀類型水平荒漠化景觀格局指數(shù)表

表5 格局水平荒漠化景觀格局指數(shù)統(tǒng)計(jì)

由表5可得出以下結(jié)論：

（1）最大斑塊指數(shù)反應(yīng)了礦區(qū)荒漠化的優(yōu)勢度。1989-2011年之間礦區(qū)荒漠化最大斑塊指數(shù)持續(xù)增加，說明非荒漠化土地的優(yōu)勢度持續(xù)攀升，這也是礦區(qū)荒漠化逆轉(zhuǎn)，整體植被蓋度提升的表現(xiàn)。

（2）均勻度指數(shù)和多樣性指數(shù)在研究期均呈現(xiàn)下降趨勢，暗示景觀斑塊均勻度和空間異質(zhì)性在減弱。說明在有利的氣候條件和人為改善植被蓋度的過程中，各級荒漠化均有所逆轉(zhuǎn)，非荒漠化土地面積增加，荒漠化景觀朝著良性發(fā)展的方向發(fā)展。

（3）散布與并列指數(shù)在研究期持續(xù)減少，但速度變緩，表明非荒漠化斑塊與其它級別荒漠化斑塊類型的連接性不斷降低，減輕自然災(zāi)害［13］，也說明荒漠化土地面積不斷逆轉(zhuǎn)。

4 結(jié)論

（1）通過建立荒漠化指數(shù)（DDI）與歸一化植被指數(shù)NDVI和地表反射率（Albedo）的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，結(jié)合野外調(diào)查與典型影像樣區(qū)分析，確定荒漠化程度與DDI之間的關(guān)系，可以將礦區(qū)荒漠化程度分為5個類型。

（2）礦區(qū)荒漠化程度在不斷逆轉(zhuǎn)和發(fā)展的變化中總體上呈逆轉(zhuǎn)趨勢。其中1989-2002年以極重度、輕度荒漠化土地逆轉(zhuǎn)為主，2002-2011年，以中度及輕度荒漠化土地逆轉(zhuǎn)為主。

（3）礦區(qū)荒漠化景觀斑塊在研究期趨于規(guī)則化，非荒漠化土地始終是主導(dǎo)景觀類型，其優(yōu)勢度不斷提升，非荒漠化斑塊與其他級別荒漠化斑塊類型的連接性不斷降低。

（4）持續(xù)的生態(tài)環(huán)境建設(shè)及礦區(qū)土地復(fù)墾是減少本區(qū)土地荒漠化最主要的方法手段，必須采取強(qiáng)有力的措施提高植被蓋度，降低自然災(zāi)害風(fēng)險，才能從根本上遏制本區(qū)荒漠化發(fā)展。

［1］ 劉志仁.陜西榆林荒漠化防治的困境與路徑選擇［J］.西北大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2007，37（4）：657-660.

［2］ 范立民.論保水采煤問題［J］.煤田地質(zhì)與勘探，2005，33（5）：50-53.

［3］ 王雙明，黃慶享，范立民，等.生態(tài)脆弱礦區(qū)含（隔）水層特征及保水開采分區(qū)研究［J］.煤炭學(xué)報，2010，35（1）：7 -14.

［4］ 馬雄德，范立民，張曉團(tuán)，等.榆神府礦區(qū)水體濕地演化驅(qū)動力分析［J］.煤炭學(xué)報，2015，40（5）：1126-1133.

［5］ 朱麗，李金霞，秦富倉，等.鄂托克旗風(fēng)蝕荒漠化景觀格局動態(tài)變化研究［J］.中國沙漠，2009，29（6）：1063-1068.

［6］ 曾永年，向南平，馮兆東，等.Albedo-NDVI特征空間及沙漠化遙感監(jiān)測指數(shù)研究［J］.地理科學(xué)，2006，26（1）：75-81.

［7］ 閆娜，杜繼穩(wěn)，李登科，等.干旱遙感監(jiān)測方法研究應(yīng)用進(jìn)展［J］.災(zāi)害學(xué)，2008，23（4）：117-121.

［8］ 國家林業(yè)局.第四次全國土地荒漠化和沙化監(jiān)測技術(shù)規(guī)定［Z］.2008.

［9］ 鄔建國.景觀生態(tài)學(xué)—格局、過程、尺度與等級［M］.北京：高等教育出版社，2000.

［10］吳春花，杜培軍，譚琨.煤礦區(qū)土地覆蓋與景觀格局變化研究［J］.煤炭學(xué)報，2012，37（6）：1026-1033.

［11］譚春萍，楊建平，李曼，等.干旱變化、影響及適應(yīng)調(diào)查與分析——以寧夏回族自治區(qū)為例［J］.災(zāi)害學(xué)，2014，29（2）：84-89.

［12］譚春萍，楊建平，楊園，等.寧夏回族自治區(qū)干旱致災(zāi)危險性時空變化特征［J］.災(zāi)害學(xué)，2015，30（2）：89-93.

［13］黃崇福.自然災(zāi)害動態(tài)風(fēng)險分析基本原理的探討［J］.災(zāi)害學(xué)，2015，30（2）：1-7.

Dynam ic Changes of Desertification Landscape Pattern at Yushenfu M ining Area in Yulin City of Shaanxi Province

Ma Xiongde1，F(xiàn)an Limin2，3，Zhang Xiaotuan2，Xiang Maoxi3，Liu Hainan3and Zhang Yunfeng4
（1．College of Environmental Science and Engineering，Chang’an University，Xi’an 710054，China；2．Shaanxi Institute of Geo-Environment Monitoring，Xi’an 710054，China；3．Shaanxi Geological Environment Monitoring Station，Xi’an 710054，China；4．Northwest Geological Institute of NonferrousMetals，Xi’an 710054，China）

The distribution and changes of desertification landscape pattern at Yushenfumining area are investigated by using the data sources from five periods TM remote sensing image，i.e.1989，2002 and 2011.The results show that：①A remote sensingmonitoringmodel based on NDVIand Albedo is founded to demonstrate the information about current status aswell as dynamic changes of land desertification，on thisway，it can be divided into 5 levels of desertification in the study area.②Land desertification area decreased 36.7%and 27.7%during 1989-2002 and 2002-2011，respectively，making desertification degree showed a reversal trend.③Desertification landscape patches had becamemore rules，and the non-desertification land had been dominant landscape types in the study period，the connectivity of each levels of desertification types also decreased.

land desertification；remote sensing；water holding coal；landscape pattern；Yushenfumining area；Yulin city in Shaanxi

X43

A

1000-811X（2015）04-0126-04

10.3969／j.issn.1000-811X.2015.04.024

馬雄德，范立民，張曉團(tuán)，等.陜西省榆林市榆神府礦區(qū)土地荒漠化及其景觀格局動態(tài)變化［J］.災(zāi)害學(xué)，2015，30（4）：126-129.［Ma Xiongde，F(xiàn)an Limin，Zhang Xiaotuan，etal.Dynamic changes of desertification landscape pattern at Yushenfu mining area in Yulin city of Shaanxi province.［J］.Journal of Catastrophology，2015，30（4）：126-129.］

2015-04-16

2015-05-15

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展（九七三）計(jì)劃（2013CB227901）；陜西省科學(xué)技術(shù)推廣計(jì)劃（2011TG-01）；陜西省公益性地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目（2013020101）

馬雄德（1978-），男，青海互助人，工程師，從事礦山地質(zhì)環(huán)境研究.E-mail：59759423＠qq.com

范立民（1965-），男，山西曲沃人，教授級高級工程師，主要從事煤田地質(zhì)、礦區(qū)水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)方面的研究.

E-mail：498518851＠qq.com