露天煤礦開采對呼倫貝爾草原地類變化研究

劉雪冉，胡振琪，許 濤，朱 琦

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)土地復(fù)墾與生態(tài)重建研究所，北京100083)

綠色礦業(yè)

露天煤礦開采對呼倫貝爾草原地類變化研究

劉雪冉，胡振琪，許 濤，朱 琦

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)土地復(fù)墾與生態(tài)重建研究所，北京100083)

基于2000年、2005年和2010年的三期Landsat4/5 TM遙感影像，運用ArcGIS軟件，制作2000年、2005年和2010年呼倫貝爾草原地類分布圖，定量分析露天煤礦開采對整個呼倫貝爾草原的影響：①整個呼倫貝爾草原地類變化劇烈程度減緩，整體規(guī)模趨于平衡，主要集中在草地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地和未利用土地，草地減少比重為0.38%；②露天煤炭開采加大草地減少面積，草地減少比重為3.09%，地類變化劇烈；③露天煤炭開采區(qū)耕地、林地、濕地、水域變化相對穩(wěn)定，建設(shè)用地和未利用土地不斷增加，主要來源于草地面積的減少。

呼倫貝爾草原；露天煤礦；土地利用；土地地類

呼倫貝爾草原地處生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)，受惡劣氣候環(huán)境和人類過度利用的影響，草原出現(xiàn)了不同程度的破壞，草原生態(tài)環(huán)境惡化逐步加劇[1-3]。呼倫貝爾草原含煤面積達(dá)到2.5×106hm2，目前在全國經(jīng)濟(jì)下行的大背景下，煤礦企業(yè)的虧損面或已超過90%，我國煤炭工業(yè)迅速從輝煌到低迷、從拯救全國到全國拯救的現(xiàn)實考量。但煤炭開采對呼倫貝爾草原的影響還是存在并繼續(xù)的[4-5]。

目前針對呼倫貝爾草原的相關(guān)研究較多，大多集中在運用不同遙感方法計算呼倫貝爾草原退化程度，草地覆蓋變化的某一特定現(xiàn)象[6-8]，以及提出保護(hù)呼倫貝爾草原的各項措施[9-10]。

針對露天煤礦開采對呼倫貝爾草原土地地類的變化研究較少。本文就運用遙感影像，定量分析2000年、2005年和2010年呼倫貝爾草原地類的空間分布格局、時空特征、相互轉(zhuǎn)換及變化趨勢，試圖尋找露天煤礦的開采對草原地類的分布特征及時空變化規(guī)律的影響，為呼倫貝爾草原生態(tài)保護(hù)和草地資源的合理開發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

呼倫貝爾草原地處內(nèi)蒙古草原最北端，介于47°20′～50°15′N，115°30′～121°10′E之間，與大興安嶺草原共同構(gòu)筑了我國北方重要的生態(tài)單元，對維護(hù)我國北方地區(qū)的生態(tài)安全具有重要的戰(zhàn)略意義。呼倫貝爾草原面積為8.33×106hm2，涉及行政區(qū)域主要包括滿洲里市、海拉爾市、新巴爾虎右旗、西巴爾虎左旗大部、鄂溫克自治旗局部、陳巴爾虎旗局部、額爾古納市局部和牙克石市局部。

呼倫貝爾草原是典型的溫帶半干旱、半濕潤地區(qū)；春秋季大風(fēng)少雨，夏季溫涼短促，冬季干旱少雨，旱災(zāi)頻發(fā)；年平均降水量為240～350 mm，年平均氣溫為-1～2 ℃。由東向西地跨草甸草原、典型草原和半荒漠草原三個地帶。植被覆蓋多是中生和旱生耐寒的根莖、叢生禾草及雜草，其中優(yōu)質(zhì)牧草占草群的30%以上，對畜牧業(yè)發(fā)展十分有利。草原上有3 000多條河流，500多個湖泊。

呼倫貝爾草原有25個煤盆地，主要有扎賚諾爾煤田、大雁煤田、陳旗煤田、伊敏煤田、浩勒包煤田、紅花爾基煤田、霍思汗煤田、呼和諾爾煤田、諾門罕煤田、五一牧場、胡列也吐煤田、莫達(dá)木吉煤田、特蘭圖煤田等。含煤盆地總面積占整個呼倫貝爾草原面積的近三分之一。截至2010年底，累計勘查獲得煤炭資源1 156億t，已批復(fù)的礦區(qū)有伊敏、寶日希勒、大雁、伊敏河?xùn)|、伊敏河西等，總的礦區(qū)面積是2.08×105hm2。

2 研究方法

本研究的數(shù)據(jù)源是2000年、2005年和2010年的三期Landsat4/5 TM遙感影像，下載于地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站。空間分辨率均為30m。每期選取了 15 景 Landsat4/5 TM遙感影像用于遙感監(jiān)測。按呼倫貝爾草原生長季節(jié)，影像以6～9月為主。由于部分TM影像質(zhì)量問題，數(shù)據(jù)源選取見表1。

表1 呼倫貝爾草原區(qū)Landsat4/5 TM遙感影像獲取時間及軌道號

首先對采用的影像進(jìn)行預(yù)處理，主要步驟包括：大氣校正、去條帶、去云和陰影處理、圖像拼接、圖像習(xí)色、幾何校正、圖像裁切、圖像增強。運用ENVI 5.0軟件的ISODATA算法進(jìn)行非監(jiān)督分類，初步將影像分為草地、耕地、林地、濕地、建設(shè)用地、水域和未利用土地(沙地、裸土、鹽堿地)7類植被覆蓋類型。借助Google Earth平臺提供的高分辨率衛(wèi)星影像及實地照片，應(yīng)用 ENVI 5.0軟件的AOI 繪圖工具依據(jù)地物的光譜特征和樣區(qū)土地利用特征建立解譯標(biāo)志，選取各種地類的樣本，每類訓(xùn)練樣本個數(shù)不少于15個。通過反復(fù)編輯和重選樣本，實現(xiàn)各地類樣本可分離性參數(shù)均大于1.9，確定最終用于分類的合格訓(xùn)練。在ENVI 5.0軟件的支持下采用最大似然法(MLH)對2000年、2005年和2010年三期遙感影像執(zhí)行監(jiān)督分類，得到各時期的土地利用初圖。

接著進(jìn)行精度評價，隨機選取500多個樣本點，將分類結(jié)果與Google Earth平臺提供的高分辨率衛(wèi)星影像、實地照片及研究區(qū)內(nèi)部分區(qū)域土地利用地圖資料進(jìn)行比較，制作混淆矩陣，計算每幅土地利用類型分布圖的總體精度和Kappa系數(shù)(表2)。結(jié)果顯示，研究區(qū)土地利用類型分類的總體精度在84%～90%之間，Kappa系數(shù)均在0.778以上，滿足精度要求，可以利用分類結(jié)果圖進(jìn)行下一步的研究。

最后進(jìn)行圖像分類后處理：利用ENVI+IDL去除分類結(jié)果中出現(xiàn)的一些面積很小的圖斑；利用ENVI Classic的Interactive Class Tool面板上的兩個工具手動修改局部錯分、漏分的像元；修改圖斑的顏色；利用ENVI提供的Classification to Vector工具將去除小圖斑后的圖形矢量化，得到滿足要求的三時期呼倫貝爾草原地類分布圖。

表2 研究區(qū)土地利用分布圖精度評價結(jié)果

3 結(jié)果與分析

3.1 呼倫貝爾草原露天煤礦礦區(qū)與非礦區(qū)地類變化分析

由圖1可以看出，呼倫貝爾草原內(nèi)的草地覆蓋主要分布在中西部平坦地帶，分布較穩(wěn)定。由表3可以發(fā)現(xiàn)，2000～2005年間，非礦區(qū)草地增加了943.81 hm2，而礦區(qū)草地面積減少2 851.54 hm2，從而使整個草原區(qū)草地減少1 907.33 hm2。2005～2010年間，非礦區(qū)草地的面積減少25 165.31 hm2，草地減少面積占非礦區(qū)總面積的0.41%；礦區(qū)內(nèi)草地減少面積3 557.70 hm2，減少草地面積占礦區(qū)總面積的1.71%，遠(yuǎn)高于非礦區(qū)內(nèi)草地減少比重。2000～2010年間，非礦區(qū)內(nèi)草地減少速度是2 422.14 hm2/a，年均減少草地面積占非礦區(qū)總面積的0.039%；礦區(qū)內(nèi)減少草地速度是640.89 hm2/a，年均減少草地面積占礦區(qū)總面積的0.309%，是非礦區(qū)草地減少速度的7.9倍?？傮w來說，呼倫貝爾草原草地面積發(fā)生減少，主要原因是氣候干旱少雨，風(fēng)沙較大，加上牧民過度放牧，煤礦開采，最終造成土地沙化加重，大量的草地轉(zhuǎn)換成了未利用土地中的沙地；由于該區(qū)域雨季的季節(jié)性降雨，造成部分草地轉(zhuǎn)換成水域和濕地。草地與耕地轉(zhuǎn)換多的區(qū)域在呼倫貝爾草原的東北部，草地與未利用土地轉(zhuǎn)換多的區(qū)域分布在兩條沙漠帶，與濕地發(fā)生頻繁轉(zhuǎn)換的區(qū)域在海拉爾河和伊敏河流域的兩側(cè)。

2000～2005年期間，非礦區(qū)內(nèi)耕地的面積減少1 679.61 hm2，主要是轉(zhuǎn)換成草地和建設(shè)用地；礦區(qū)內(nèi)耕地增加35.57 hm2，主要是通過礦區(qū)土地復(fù)墾轉(zhuǎn)換成耕地。而在2005～2010年非礦區(qū)內(nèi)耕地實現(xiàn)了增加，增加5 350.18 hm2，而礦區(qū)內(nèi)耕地減少26.16 hm2。總體來說2000～2010年間，非礦區(qū)內(nèi)耕地實現(xiàn)增加，年均增速度是367.06 hm2/a；礦區(qū)內(nèi)耕地年均增加速度是0.94 hm2/a。

隨著礦區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，建設(shè)用地面積不斷增加，2000年建設(shè)用地占礦區(qū)總面積的4.48%，2005年增加到4.97%，2010年猛增到6.60%，與整個呼倫貝爾草原非礦區(qū)建設(shè)用地變化趨勢相一致。

整個呼倫貝爾草原林地面積比較大且變化穩(wěn)定，保持在占整個草原面積的10.05%。

礦區(qū)內(nèi)林地面積較小，2000年林地面積占礦區(qū)總面積的0.61%，林地變化面積變化也比較小，2000～2010年間，林地面積只有小幅度的增加，平均增加速度只有6.82 hm2/a，到2010年林地占礦區(qū)總面積的0.63%，凈變化是34.08 hm2，相對變化率是2.69%。

礦區(qū)內(nèi)濕地面積比較大，變化比較穩(wěn)定，2000年濕地占礦區(qū)總面積的16.94%，2005年增加到17.29%，2010年減少到16.39%。該時期整個呼倫

圖1 呼倫貝爾草原2000～2010年土地地類分布圖

貝爾草原非礦區(qū)濕地的面積穩(wěn)步增加，由2000年占整個呼倫貝爾草原總面積的5.37%，增加到2005年的5.38%，增加到2010年的5.39%。礦區(qū)內(nèi)水域面積較小，2005年水域面積占礦區(qū)總面積的0.85%，2005年下降到0.81%，2010年又猛增到1.85%；與整個呼倫貝爾草原非礦區(qū)內(nèi)水域變化不一致。

2000年，呼倫貝爾草原露天煤礦開采區(qū)內(nèi)未利用土地的面積占礦區(qū)總面積的1.51%，在2000～2005年間不斷的增加，年增加速度是228.34 hm2/a，占礦區(qū)的面積增加到2.06%，而整個呼倫貝爾草原非礦區(qū)未利用土地的相對變化率只有14.17%，變化相對穩(wěn)定，未利用土地的面積占整個草原的面積的比重一直在2.14%左右。

表3 2000～2010年呼倫貝爾草原非礦區(qū)地類面積變化表

表4 2000～2010年呼倫貝爾草原礦區(qū)地類面積變化表

3.2 露天煤礦開采區(qū)地類變化分析

2000～2005年間，露天煤礦開采區(qū)草地和水域的面積有所減少，草地減少速度較快為570.23 hm2/a，共減少2 851.14 hm2；未利用土地增加面積最大為1 141.70 hm2，增速為228.34 hm2；其次是建設(shè)用地增加速度為203.95 hm2/a。2005～2010年間，草地、耕地、濕地、未利用土地的面積減少，草地減少速度達(dá)到了711.54 hm2/a，建設(shè)用地速度最大為674.88 hm2/a，耕地和林地變化較小。總體來說2000～2010年間，草地減少面積最大是6 408.85 hm2，年平均速度是640.89 hm2/a，建設(shè)用地增加面積是4 394.14 hm2，耕地和林地變化最小。

通過表5可以看出，隨著礦區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，工業(yè)廣場內(nèi)草地面積不斷減少，2010年草地面積比2000年草地面積減少2 475.17 hm2；建設(shè)用地的面積不斷增加，共計增加2 655.58 hm2，轉(zhuǎn)入地類主要是草地；林地和水域的面積有小幅度增加，源于工業(yè)廣場內(nèi)綠化左右；同時濕地和未利用土地面積不斷減少。

在礦區(qū)內(nèi)的采掘場，由于復(fù)墾速度跟不上采煤破壞速度，造成草地的面積大幅度減少，10年間，草地面積減少3 487.02 hm2，占2000年采掘場內(nèi)草地面積的4.03%；耕地面積變化與草地面積變化趨勢一致，不斷的減少；建設(shè)用地面積逐步增加，2010年達(dá)到3 879.87 hm2，占采掘場總面積的3.84%；林地面積保持相對穩(wěn)定；濕地和未利用土地面積不斷增加，與工業(yè)廣場內(nèi)地類面積變化趨勢完全相反；2005年水域面積比2000年水域面積大幅減少，減少247.80 hm2,2010年增加到752.87 hm2。

表5 2000～2010年呼倫貝爾草原礦區(qū)地類面積統(tǒng)計表

在礦區(qū)排土場上，草地面積基本保持穩(wěn)定，占排土場總面積的65.10%左右；耕地面積不斷增加，10年間共增加耕地1 161.82 hm2；建設(shè)用地不斷增加，2005年比2000年建設(shè)用地面積增加613.42 hm2,占2000年建設(shè)用地總面積的61.51%，主要是由于排土場道路修建；林地、濕地和未利用土地面積不斷減少；水域面積出現(xiàn)大幅度增加，2010年水域面積比2000年水域面積增加2 016.53 hm2，主要源于濕地轉(zhuǎn)為水域。

4 結(jié)論

2000～2010年間，呼倫貝爾草原礦區(qū)內(nèi)草原減少速度是非礦區(qū)內(nèi)草原減少速度的7.9倍，大量草地轉(zhuǎn)為未利用土地中的沙地，引起礦區(qū)內(nèi)未利用土地迅猛增加，而非礦區(qū)內(nèi)未利用土地相對變化穩(wěn)定，比重維持在2.14%。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及對礦區(qū)土地復(fù)墾，實現(xiàn)礦區(qū)內(nèi)耕地與非礦區(qū)內(nèi)耕地的同步增加；建設(shè)用地同步迅猛增加。整個呼倫貝爾草原非礦區(qū)林地面積比重較大，變化相對穩(wěn)定；礦區(qū)內(nèi)林地面積較小，同時變化較小。非礦區(qū)內(nèi)濕地面積占總面積比重較小，有小幅度增加；礦區(qū)內(nèi)濕地面積比重較大，變化相對穩(wěn)定。

對于呼倫貝爾草原礦區(qū)內(nèi)，隨著礦區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，工業(yè)廣場內(nèi)草地、濕地和未利用土地面積不斷減少，建設(shè)用地不斷增加，林地和水域有小幅度增加。采掘場內(nèi)草地不斷減少，建設(shè)用地、濕地和未利用土地不斷增加，林地保持穩(wěn)定，水域先減少后增加。排土場草地保持穩(wěn)定，耕地、建設(shè)用地、水域都不斷增加，而林地、濕地和未利用土地面積不斷減少。

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The influence of open-cut mining to Hulunbuir grassland land classification

LIU Xueran, HU Zhenqi, XU Tao, ZHU Qi

(Institute of Land Reclamation and Ecological Restoration, China University of Mining and Technology(Beijing), Beijing 100083, China)

Based on the imagery interpretation of Landsat4/5 TM in 2000, 2005 and 2010. Using ArcGISsoftware, I made the vegetation distribution of Hulunbuir grassland and quantitatively analyzed the influence of open cut mining to the Hulunbuir grassland: ①The Hulunbuir grassland vegetation intensity change retarded. The overall scale approached equilibrium and major concentrated in the grassland turning into construction lands and unused lands. The ratio of the reducing grassland is 0.38%. ② The open cut mining increase the grassland reducing area. The ratio of the reducing grassland is 3.09%. Vegetation change dramatically. ③ In the area of the open cut mining, the changes of the arable land, forest land, wetland and water are relatively stable. The increasing of the construction lands and unused lands are mainly from the reducing grassland.

Hulunbuir grassland；open-pit coal mine；land utilization; land classification

2016-10-13

國家重點研發(fā)計劃項目“露天礦復(fù)墾區(qū)土壤重構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)”資助(編號：2016YFC0501103-4)

劉雪冉，博士后，主要從事土地復(fù)墾與生態(tài)重建、土地整理方面的研究，E-mail: liuxueran1221@163.com。

胡振琪，教授，博士生導(dǎo)師。

TF79

A

1004-4051(2017)05-0069-05