煤炭開(kāi)采對(duì)礦區(qū)土地利用景觀格局變化的影響

徐嘉興，李 鋼，余嘉琦，趙 華，尹鵬程，胡文敏

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煤炭開(kāi)采對(duì)礦區(qū)土地利用景觀格局變化的影響

徐嘉興1,2，李 鋼2,3※，余嘉琦2，趙 華2，尹鵬程3，胡文敏1

（1. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)（感知礦山）研究中心，徐州 221008；2. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)國(guó)土環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測(cè)國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，徐州 221116；3. 徐州市國(guó)土資源局，徐州 221018）

為揭示煤炭資源開(kāi)采對(duì)礦區(qū)土地利用景觀格局變化的影響，以徐州沛北礦區(qū)為例，應(yīng)用GIS、景觀生態(tài)學(xué)和數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，分析了該區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)和景觀格局變化，并從生命周期的角度探討了煤炭開(kāi)采對(duì)景觀格局演變過(guò)程的影響。結(jié)果表明：1994—2014年間沛北礦區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)和景觀格局變化顯著，耕地、林地和未利用地減少，工礦建設(shè)用地和塌陷水體持續(xù)增加；景觀呈破碎化和均勻化趨勢(shì)，景觀分形特征趨于簡(jiǎn)單化和規(guī)則化。進(jìn)一步對(duì)景觀指數(shù)突變檢驗(yàn)分析可知，耕地最大斑塊指數(shù)和集聚度指數(shù)分別在1999年和2001年出現(xiàn)突變點(diǎn)；塌陷水體的最大斑塊指數(shù)自1995年起持續(xù)上升，而集聚度指數(shù)呈顯著上升—變化不顯著—顯著上升的趨勢(shì)。煤炭持續(xù)大規(guī)模開(kāi)采導(dǎo)致地面塌陷、積水，耕地?fù)p毀以及快速城鎮(zhèn)化是景觀格局變化的主要原因，但隨著礦區(qū)土地復(fù)墾，耕地、水體面積增大，景觀破碎化程度減小，對(duì)塌陷地的治理取得了一定成效。研究結(jié)果對(duì)礦區(qū)土地復(fù)墾和受損生態(tài)景觀修復(fù)具有重要的指導(dǎo)作用。

土地利用；復(fù)墾；煤礦；景觀格局；動(dòng)態(tài)變化；生命周期；突變檢驗(yàn)

0 引 言

人類(lèi)活動(dòng)已經(jīng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了廣泛而深遠(yuǎn)的影響[1]，這種影響在地球表層系統(tǒng)中主要表現(xiàn)為土地利用/土地覆蓋變化（land use and land cover change），并與區(qū)域水循環(huán)、養(yǎng)分循環(huán)、能量循環(huán)等生態(tài)過(guò)程密切相關(guān)[2]，成為全球氣候與環(huán)境變化研究的重要課題[3-5]。煤礦區(qū)作為一個(gè)特殊的復(fù)雜地理區(qū)域，長(zhǎng)時(shí)間、大規(guī)模和高強(qiáng)度煤炭開(kāi)采不可避免地破壞原生的礦床地質(zhì)條件，占用和破壞大量土地，引發(fā)植被退化、水土流失及物種減少等一系列嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題[6-7]。據(jù)測(cè)算，僅土地破壞，每開(kāi)采萬(wàn)噸煤炭造成的土地塌陷率平均在0.20～ 0.33 hm2[8]。保守估計(jì)，截止到2013年底中國(guó)由于煤炭資源開(kāi)采累計(jì)塌陷地面積超過(guò)100萬(wàn)hm2，且每年仍以3.0萬(wàn)～4.7萬(wàn)hm2的速度增加[9]。由于人們迄今尚不清楚煤炭資源開(kāi)采對(duì)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的影響機(jī)理，避免礦區(qū)生態(tài)環(huán)境破壞、修復(fù)受損土地、改善礦區(qū)生態(tài)環(huán)境等都是十分復(fù)雜、困難和富有挑戰(zhàn)的工作。因此，了解煤炭資源開(kāi)采所引起的景觀格局變化及其響應(yīng)規(guī)律是協(xié)調(diào)煤炭資源開(kāi)發(fā)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)迫切需要解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題之一。

礦區(qū)土地利用與景觀格局的時(shí)空變化過(guò)程是采礦活動(dòng)對(duì)礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)影響的綜合反映[10]。在煤炭開(kāi)采的強(qiáng)烈人為干擾下，礦區(qū)景觀結(jié)構(gòu)發(fā)生劇烈變化，景觀功能變化或衰退，生態(tài)環(huán)境不斷惡化，已引起諸多學(xué)者的關(guān)注。Areendran等[11]利用遙感與GIS方法從動(dòng)力學(xué)角度分析印度中央邦辛格勞利煤礦區(qū)土地利用與景觀格局時(shí)空變化；Redondo-Vega等[12]借助多期航空影像分析了近50a西班牙西北部山區(qū)不同類(lèi)型采礦活動(dòng)對(duì)土地利用變化的影響；Antwi等[6]通過(guò)多種土地利用和景觀格局指標(biāo)分析了德國(guó)盧薩蒂亞典型煤炭采空區(qū)對(duì)土地利用變化及生物多樣性的影響。國(guó)內(nèi)卞正富等[10]利用3期遙感影像分析了徐州煤礦區(qū)景觀要素及其景觀格局的演變規(guī)律；李保杰等[13]應(yīng)用GIS和景觀生態(tài)學(xué)方法對(duì)九里礦區(qū)復(fù)墾前后景觀格局變化和生態(tài)效應(yīng)進(jìn)行了評(píng)價(jià)；曹銀貴等[14]利用6期遙感數(shù)據(jù)分析了平朔礦-農(nóng)-城復(fù)合區(qū)近30年土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)換過(guò)程、特征及主要驅(qū)動(dòng)因素。徐嘉興等[15]在分析徐州賈汪礦區(qū)土地利用變化特征基礎(chǔ)上，運(yùn)用多元logistic回歸模型探討了礦區(qū)土地利用演變的驅(qū)動(dòng)力。目前，雖然對(duì)區(qū)域景觀格局演變的驅(qū)動(dòng)力研究較多，但主要從自然因素、政策、人類(lèi)活動(dòng)和空間距離等方面解釋區(qū)域景觀格局變化[14-17]，對(duì)某一驅(qū)動(dòng)因素是如何影響景觀格局變化的過(guò)程，如影響的時(shí)間以及不同時(shí)間段的影響程度等量化和分析的不夠；另外，目前研究主要根據(jù)已有數(shù)據(jù)將景觀格局的演變階段人為進(jìn)行劃分，忽略了景觀格局變化的周期性[18]。本文在分析煤礦開(kāi)采生命周期階段及景觀生態(tài)破壞特征的基礎(chǔ)上，運(yùn)用GIS、景觀生態(tài)學(xué)和數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，定量分析土地利用和景觀格局演變，重點(diǎn)從生命周期的角度分析煤礦開(kāi)采規(guī)模與強(qiáng)度對(duì)礦區(qū)景觀格局變化過(guò)程的影響，并從煤礦開(kāi)采、經(jīng)濟(jì)、城鎮(zhèn)化和土地復(fù)墾政策等方面闡述變化的原因，以期為礦區(qū)土地資源可持續(xù)利用和受損生態(tài)景觀修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于徐州市沛縣北部（圖1），蘇魯2省結(jié)合部，116°41￠～117°09￠E，34°28￠～34°59￠N，為黃淮沖積平原接址地帶，東臨微山湖，地勢(shì)平坦，地面高程為33.6～37.5 m，屬暖溫帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫13.8 ℃，年平均降雨量811.7 mm，覆蓋9個(gè)鎮(zhèn)，1個(gè)新城區(qū)和1個(gè)經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)，163個(gè)行政村，總面積850 km2。

圖1 研究區(qū)地理位置圖

沛北礦區(qū)是江蘇省煤炭生產(chǎn)基地，也是華東地區(qū)最大煤炭工業(yè)基地的重要組成部分，煤礦企業(yè)及因煤而興的鋁加工、煤化工等產(chǎn)業(yè)占全縣經(jīng)濟(jì)總量的55%以上。已探明儲(chǔ)量24億t，從1970年開(kāi)始建礦，1976年投產(chǎn)，現(xiàn)有生產(chǎn)礦井8對(duì)，年產(chǎn)煤炭1 200萬(wàn)t，受煤炭形勢(shì)影響，部分礦井處于關(guān)停狀態(tài)。經(jīng)過(guò)30多年開(kāi)采，累計(jì)塌陷面積約5 000 hm2，塌陷積水現(xiàn)象嚴(yán)重，導(dǎo)致大量土地資源（尤其是耕地）損毀、流失、植被減少、景觀破碎、土壤污染等生態(tài)環(huán)境破壞現(xiàn)象嚴(yán)重，土地生態(tài)質(zhì)量急劇下降，嚴(yán)重影響區(qū)域的生態(tài)安全與糧食安全，形勢(shì)十分嚴(yán)峻。沛縣采煤塌陷區(qū)具有坡地、季節(jié)性積水和常年積水類(lèi)型，與兩淮、兗州、唐山等煤礦塌陷區(qū)相似，在黃淮海礦區(qū)具有典型性和代表性。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

本文采用6期遙感影像作為數(shù)據(jù)源，分別為1994年的SPOT-2全色影像和Landsat TM，1998年SPOT-4多光譜影像，2002、2006、2010年的SPOT-5多光譜影像和2014年GF-1號(hào)多光譜影像，成像季節(jié)均為秋季，成像質(zhì)量和成像時(shí)的天氣狀況都較為理想；利用ERDAS IMAGE9.3圖像處理軟件和1∶10 000地形圖對(duì)2010年影像幾何校正后作為參考影像，采用二次多項(xiàng)式轉(zhuǎn)換方程對(duì)其他影像進(jìn)行幾何校正，幾何糾正的誤差控制在0.5個(gè)像元以?xún)?nèi)，滿(mǎn)足糾正精度要求。利用1994年TM影像與同期10 m分辨率的SPOT-2全色波段融合以提高影像分辨率。為了使各期不同分辨率影像具有可比性，將6期影像都重采樣到分辨率為10 m′10 m。參照全國(guó)土地利用分類(lèi)體系，結(jié)合東部平原礦區(qū)景觀特征，兼顧圖像解譯的可能性，將沛北礦區(qū)的土地景觀類(lèi)型分為8類(lèi)：耕地（旱地、水田）、林地、園地、河流水體、塌陷水體、工礦建設(shè)用地、交通用地、未利用地?；贗DL8.4平臺(tái)，采用隨機(jī)森林分類(lèi)方法，結(jié)合影像紋理特征、光譜特征等信息對(duì)各期影像進(jìn)行解譯，其中塌陷水體是輔助開(kāi)采沉陷預(yù)計(jì)結(jié)果進(jìn)行獲取。通過(guò)同期土地調(diào)查資料驗(yàn)證、高分辨率影像對(duì)比、GPS采點(diǎn)及當(dāng)?shù)鼐用裨L談等方法對(duì)各期景觀分類(lèi)精度進(jìn)行評(píng)價(jià)（表1）。

表1 土地覆被類(lèi)型精度評(píng)價(jià)

2.2 方法與模型

2.2.1 景觀動(dòng)態(tài)變化模型

景觀動(dòng)態(tài)變化可通過(guò)各景觀類(lèi)型的變化幅度和年平均變化速度表示[19]，計(jì)算公式為：

2.2.2 景觀格局指數(shù)

基于景觀格局指數(shù)的生態(tài)意義，本文從景觀水平和斑塊類(lèi)型水平2方面選取景觀形狀、分維數(shù)、聚集度、最大斑塊指數(shù)等來(lái)分析礦區(qū)景觀格局的變化特征。

1）景觀形狀指數(shù)（landscape shape index，LSI）與面積加權(quán)斑塊分維指數(shù)（area-weighted mean patch fractal dimension，AWMPFD）描述土地利用變化過(guò)程中景觀形狀和分形特征，揭示景觀形狀變化的復(fù)雜程度，可通過(guò)Fragstats3.3軟件計(jì)算。

2）最大斑塊指數(shù)（largest patch index，LPI）用于描述景觀的基質(zhì)或優(yōu)勢(shì)類(lèi)型，其值的變化可以改變干擾的強(qiáng)度和頻率，反映人類(lèi)活動(dòng)的方向和強(qiáng)弱[20]，計(jì)算公式為：

式中LPI為最大斑塊指數(shù)，%，取值范圍：（0, 100），Max12…n表示某景觀中最大斑塊面積，m2，為景觀類(lèi)型的總面積，m2。

3）斑塊聚集度指數(shù)（aggregation index，AI）是描述不同斑塊類(lèi)型空間分布特征及其混合狀況，反映斑塊類(lèi)型在空間上聚合的趨勢(shì)[21]，計(jì)算公式為：

式中g為基于單倍法的斑塊類(lèi)型像元之間的節(jié)點(diǎn)數(shù)，maxg為基于單倍法的斑塊類(lèi)型像元之間的最大節(jié)點(diǎn)數(shù)。AI越小表示斑塊類(lèi)型的破碎程度越大，反之則表明斑塊聚集程度越高。

2.2.3 景觀變化趨勢(shì)檢驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

Mann-Kendall分析是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)法，該方法具有檢測(cè)范圍寬，定量化程度高，不受樣本分布的影響等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛用于水文、氣候、植被、污染物監(jiān)測(cè)等長(zhǎng)時(shí)間序列分析中[22-24]，其定義為：

對(duì)于具有個(gè)樣本的時(shí)間序列，構(gòu)造一秩序列：

式中S是第時(shí)刻數(shù)值大于時(shí)刻數(shù)值個(gè)數(shù)的累計(jì)數(shù)，在時(shí)間序列隨機(jī)獨(dú)立的假定下，定義統(tǒng)計(jì)量：

式中E(S)，Var(S)是累積數(shù)S的均值和方差，在1,2,…,x相互獨(dú)立，且有相同連續(xù)分布時(shí)：

UF為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，1=0；按逆序x,x1,…,1,重復(fù)上述過(guò)程，則反序列的UB由式（8）給出：

其中1=0。給顯著性水平=0.05，則0.05=±1.96，將UF、UB繪制成曲線，若UF>0，表示序列呈上升趨勢(shì)，反之則為下降趨勢(shì)；當(dāng)它們超過(guò)臨界線時(shí)，表明上升或下降趨勢(shì)顯著；如果曲線有交點(diǎn)且位于臨界值內(nèi)，則交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)間為突變開(kāi)始的時(shí)間。

3 結(jié)果與分析

3.1 沛北礦區(qū)生命周期階段特征分析

由于煤炭是不可再生資源，其賦存條件和有限性決定了礦區(qū)發(fā)展必然要經(jīng)歷著形成、發(fā)展、穩(wěn)定、衰退等生命周期過(guò)程[25]，處于生命周期不同階段的礦井，對(duì)景觀格局的擾動(dòng)特征亦不同。發(fā)展初期，煤炭產(chǎn)量較小，礦區(qū)植被覆蓋基本沒(méi)發(fā)生變化；發(fā)展期，礦井建設(shè)不斷加大，煤炭開(kāi)采量不斷增加，礦區(qū)土地利用、植被覆蓋等均發(fā)生較大變化；穩(wěn)定期，煤炭持續(xù)大規(guī)模開(kāi)采，礦區(qū)地表塌陷、耕地?fù)p毀，景觀破碎化加劇，生態(tài)系統(tǒng)惡化；衰退期，煤炭開(kāi)采量下降，對(duì)景觀格局的影響減弱，由于生態(tài)環(huán)境損壞的累積效應(yīng)和滯后性，礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境繼續(xù)惡化[26-27]。

沛北礦區(qū)生命周期曲線與歷年煤炭產(chǎn)量如圖2所示。根據(jù)礦區(qū)生命周期階段劃分[28-29]，目前沛北礦區(qū)處于開(kāi)采的穩(wěn)定期（2000年以來(lái)），即煤炭持續(xù)大規(guī)模開(kāi)采，礦區(qū)原有的生態(tài)平衡狀態(tài)被打破，地面塌陷加快，土地利用、植被覆蓋等均發(fā)生劇烈變化，生態(tài)系統(tǒng)由穩(wěn)定轉(zhuǎn)向脆弱。

圖2 沛北礦區(qū)歷年煤炭開(kāi)采量與煤礦生命周期曲線

3.2 礦區(qū)景觀動(dòng)態(tài)變化分析

利用1994－2014年的景觀分類(lèi)數(shù)據(jù)，按不同景觀類(lèi)型面積的統(tǒng)計(jì)結(jié)果及年均變化速度如圖3、表2所示。

由圖3可看出，各景觀類(lèi)型中，耕地占整個(gè)區(qū)域的比例最大，均在40%以上；工礦建設(shè)用地次之，從1994年的15 035.2 hm2增加到2014年26 923.5 hm2；第三為自然水體，包括湖泊、河流及坑塘水面，主要受降雨量影響，變化不大；未利用地集中在微山湖周?chē)安擅核輩^(qū)內(nèi)，略有增加；園地與交通用地比例不大，變化緩慢；塌陷水體比例最小，但增加較快，從1994年的56.38 hm2增加到2014年的1 254.31 hm2，增加了約22倍。近20a土地利用景觀變化顯著，主要表現(xiàn)為耕地、林地和未利用地減少，凈減少面積分別為6 752.99、2 560.13和 2 422.12 hm2，而工礦建設(shè)用地和塌陷地卻迅速增加，凈增加面積分別為11 888.30和1 188.93 hm2。

圖3 1994—2014年沛北礦區(qū)土地利用景觀變化狀況

表2 1994－2014年沛北礦區(qū)各景觀類(lèi)型年平均變化率

從年平均變化速度來(lái)看（表2），1994－2014年塌陷水體面積變化速度最快，其次是林地和未利用地；耕地和工礦建設(shè)用地的凈變化速度雖大，由于基數(shù)較大，因此年均動(dòng)態(tài)度不顯著；研究期內(nèi)工礦建設(shè)用地的動(dòng)態(tài)度持續(xù)增加，最大值為2002－2006年的6.74%。從動(dòng)態(tài)度變化程度來(lái)看，近20 a來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)、社會(huì)及城市化快速發(fā)展，研究區(qū)土地利用程度加快，尤其是進(jìn)入煤礦開(kāi)采穩(wěn)定期（2000年以來(lái)），煤炭開(kāi)采加劇了工礦用地、塌陷地等變化，土地流轉(zhuǎn)較為頻繁。

3.3 礦區(qū)景觀格局變化分析

利用Fragstats3.3軟件計(jì)算得出研究區(qū)景觀格局指數(shù)變化狀況（圖4和表3）。由圖4可知，近20 a景觀形狀指數(shù)（LSI）呈先降后升趨勢(shì)，特別是1998年處于低谷，之后持續(xù)上升，主要原因受亞洲經(jīng)濟(jì)危機(jī)及嚴(yán)重水害的影響，縣域經(jīng)濟(jì)不景氣，煤炭行業(yè)發(fā)展進(jìn)入下行周期，之后又迅速增長(zhǎng)；2006－2014年LSI值僅在小范圍波動(dòng)，主要是受到土地復(fù)墾、生態(tài)修復(fù)等影響，景觀類(lèi)型趨于穩(wěn)定；面積加權(quán)平均斑塊分形指數(shù)（AWMPFD）呈現(xiàn)波動(dòng)上升趨勢(shì)，且均低于1.30，表明景觀分形特征邊緣周長(zhǎng)比較簡(jiǎn)單，景觀面積變化對(duì)景觀幾何形狀復(fù)雜程度影響不明顯，而在2010年出現(xiàn)低谷，表明受人為活動(dòng)影響增大。

圖4 1994—2014年沛北礦區(qū)景觀類(lèi)型指數(shù)變化

表3 沛北礦區(qū)1994－2014年斑塊類(lèi)型指數(shù)變化

由表3可以看出，1994－1998年耕地的最大斑塊指數(shù)（LPI）分別為19.57和26.91，由于這一階段處于煤礦發(fā)展期，耕地景觀開(kāi)始遭到破壞，但在景觀類(lèi)型中還處于優(yōu)勢(shì)地位，2002－2006年處于開(kāi)采穩(wěn)定期，高強(qiáng)度煤炭開(kāi)采與城市擴(kuò)張，耕地銳減，LPI持續(xù)下降，優(yōu)勢(shì)性大大降低；2010－2014年，由于礦區(qū)村莊搬遷、土地復(fù)墾等工程實(shí)施，塌陷區(qū)治理取得了一定成效，增加了耕地面積，LPI持續(xù)上升，景觀優(yōu)勢(shì)度逐漸加強(qiáng)。工礦建設(shè)用地的LPI呈現(xiàn)波動(dòng)性增加趨勢(shì)，主要是由于城鎮(zhèn)擴(kuò)張及工礦企業(yè)增多，建設(shè)用地優(yōu)勢(shì)度在逐漸增加；從斑塊集聚度指數(shù)（AI）來(lái)看，耕地的AI先升后降，總體呈下降趨勢(shì)，工礦建設(shè)用地的AI呈波動(dòng)增加的趨勢(shì)。

從林地、園地、交通用地的LPI和AI可以看出，林地、園地和交通用地比例較小，但受人為擾動(dòng)影響較大，集聚程度逐漸下降，破碎化嚴(yán)重；塌陷水體的LPI持續(xù)增加，AI呈波動(dòng)式增加，主要原因是隨著煤炭持續(xù)高強(qiáng)度開(kāi)采，塌陷積水面積逐漸增大，同時(shí)隨著復(fù)墾工程的實(shí)施，塌陷水體也因地制宜地合并或改造成各類(lèi)濕地景觀，其集聚度不斷增加。1994—2010年間，未利用地的LPI和AI總體呈不斷下降趨勢(shì)，表明未利用地逐步得到開(kāi)發(fā)與利用，其面積不斷減少，到2014年LPI和AI的值有所增加，可能的原因是開(kāi)采導(dǎo)致塌陷區(qū)由陸地生態(tài)景觀逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樗鷳B(tài)景觀，內(nèi)陸灘涂面積隨之增加。

3.4 礦區(qū)景觀突變檢驗(yàn)分析

通過(guò)上面分析可知，研究區(qū)內(nèi)耕地和塌陷水體的變化最為顯著，因此本文選取耕地和塌陷水體的景觀指數(shù)變化進(jìn)行Mann-Kendall分析。由于只有6a非連續(xù)景觀指數(shù)數(shù)據(jù)，本文采用灰色模型（gray model，GM）中一階單變量GM（1，1）模型獲取各指標(biāo)的擬合曲線，再進(jìn)行內(nèi)插得到21a連續(xù)數(shù)列，進(jìn)行相關(guān)檢驗(yàn)分析[30]。先將耕地和塌陷水體的LPI和AI指數(shù)分別與歷年煤炭產(chǎn)量進(jìn)行相關(guān)性分析，其相關(guān)系數(shù)分別為-0.634，-0.748、0.911和0.191，表明耕地和塌陷水體的景觀指數(shù)與煤炭產(chǎn)量具有較高的相關(guān)性，尤其是塌陷水體的LPI指數(shù)相關(guān)性最高；由于塌陷水體分別處于各煤礦塌陷區(qū)內(nèi)，同時(shí)受煤炭開(kāi)采與土地復(fù)墾、整理等活動(dòng)的影響，因此其AI指數(shù)與煤炭產(chǎn)量的相關(guān)性不強(qiáng)。

分別對(duì)耕地和塌陷水體的LPI和AI指數(shù)進(jìn)行Mann- Kendall突變檢驗(yàn)分析，并給出顯著性水平=0.05曲線（圖5）。由圖5a可以看出，在置信區(qū)間內(nèi)UF和UB有一個(gè)交點(diǎn)，即在2001年前后該序列出現(xiàn)突變點(diǎn)，這表明從2001年前后礦區(qū)耕地集聚度開(kāi)始出現(xiàn)突變，并在2003年之后下降趨勢(shì)顯著，表現(xiàn)出景觀破碎化趨勢(shì)。根據(jù)煤礦生命周期階段劃分，2001年前后是各礦井開(kāi)采量提速初次達(dá)到最大，此時(shí)耕地受到較大擾動(dòng)，聚集度迅速下降，到了2010年，除了姚橋煤礦開(kāi)采強(qiáng)度增大，其他煤礦開(kāi)采保持平穩(wěn)，三河尖煤礦已經(jīng)閉礦，地面塌陷趨于穩(wěn)定；同時(shí)土地復(fù)墾工作落實(shí)到位，增加了耕地面積，耕地破壞狀況得到有效緩解，聚集度增加。由耕地LPI指數(shù)突變檢驗(yàn)結(jié)果可知（圖5b），UF和UB曲線交點(diǎn)出現(xiàn)在1999年前后，表明耕地景觀的優(yōu)勢(shì)度在1999年就開(kāi)始發(fā)生突變，之后持續(xù)下降，直到2010年左右才有所改善，但變化不顯著。研究結(jié)果表明煤炭資源開(kāi)采先影響耕地景觀優(yōu)勢(shì)度，隨著開(kāi)采強(qiáng)度加大，耕地聚集度開(kāi)始受到影響，進(jìn)而影響整個(gè)景觀格局。這與耕地AI指數(shù)的變化趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果一致。

由塌陷水體的Mann-Kendall檢驗(yàn)結(jié)果（圖5c）可知，塌陷水體的AI指數(shù)并未出現(xiàn)異常突變點(diǎn)，但在1997－2006、2011－2013年間有顯著的上升趨勢(shì)；LPI指數(shù)正反序列曲線雖然存在交叉點(diǎn)，卻位于置信區(qū)間之外，但LPI指數(shù)的正序列曲線超過(guò)=0.05顯著水平的信度線，向正方向變化（圖5d），表明從1995年之后塌陷積水區(qū)域呈持續(xù)擴(kuò)大的趨勢(shì)。結(jié)合煤炭開(kāi)采強(qiáng)度及塌陷水體變化情況，表明煤炭開(kāi)采是造成地面塌陷的直接原因，隨著開(kāi)采強(qiáng)度的持續(xù)，塌陷范圍也不斷增大，塌陷區(qū)積水?dāng)U展的方向即是煤礦開(kāi)采的方向。另外，塌陷水體的AI指數(shù)曲線在2006－2011年間變化不顯著，其主要原因是隨著土地復(fù)墾、生態(tài)修復(fù)等工程實(shí)施，對(duì)塌陷水體的治理取得了顯著成效。

圖5 沛北礦區(qū)耕地與塌陷水體景觀格局指數(shù)序列Mann-Kendall突變檢驗(yàn)圖

4 討 論

煤炭資源開(kāi)采所固有的時(shí)間持續(xù)性、空間擴(kuò)展性和強(qiáng)干擾性，使得礦區(qū)景觀生態(tài)系統(tǒng)受到嚴(yán)重影響，這種影響具有時(shí)間和空間上的累積效應(yīng)[25]。本文對(duì)景觀指數(shù)突變檢驗(yàn)分析可知，耕地的LPI指數(shù)和AI指數(shù)分別在1999年和2001年出現(xiàn)突變點(diǎn)，之后均呈顯著下降趨勢(shì)，符合景觀生態(tài)累積效應(yīng)的滯后性特征[25]。隨著老采空區(qū)地表逐步穩(wěn)沉，新采空區(qū)實(shí)施矸石充填、離層注漿充填[31]等措施，塌陷水體增加的速度減緩。目前沛北礦區(qū)正處于開(kāi)采的穩(wěn)定期，煤炭開(kāi)采對(duì)土地利用與景觀格局的影響仍在持續(xù)；隨著綠色開(kāi)采理念、土地復(fù)墾與修復(fù)工程的實(shí)施，礦區(qū)土地整治與景觀生態(tài)格局有所好轉(zhuǎn)，研究結(jié)果與實(shí)際情況基本吻合。

本研究的數(shù)據(jù)來(lái)源于不同衛(wèi)星傳感器，其空間分辨率及光譜信息不一致，雖然通過(guò)影像融合、重采樣和實(shí)地調(diào)查驗(yàn)證等，試圖盡可能地減少分類(lèi)誤差，但由于多源遙感數(shù)據(jù)間存在本質(zhì)差異性，致使景觀格局變化特征上存在著一定誤差。此外，礦區(qū)景觀格局演變是一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的過(guò)程，不僅受采礦干擾，也與本地區(qū)經(jīng)濟(jì)、人口、城鎮(zhèn)化等因素相關(guān)，本文僅從煤炭開(kāi)采角度分析對(duì)礦區(qū)景觀格局演變過(guò)程的影響，今后還需進(jìn)一步深入研究景觀格局演變的驅(qū)動(dòng)機(jī)制。

5 結(jié) 論

基于1994－2014年6期遙感影像，利用GIS、景觀生態(tài)學(xué)與數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，分析了煤炭資源開(kāi)采對(duì)沛北礦區(qū)土地利用與景觀格局變化的影響。結(jié)果表明，近20a來(lái)，沛北礦區(qū)土地利用景觀變化顯著，耕地、林地和未利用地分別減少了6 752.99、2 560.13和2 422.12 hm2；工礦建設(shè)用地和塌陷水體迅速增加，尤其是塌陷水體增加了近22倍。進(jìn)入開(kāi)采穩(wěn)定期（2000年以來(lái)），耕地與建設(shè)用地、塌陷水體間的轉(zhuǎn)化過(guò)程劇烈且頻繁。

近20a的景觀類(lèi)型變化直接影響著礦區(qū)的景觀格局，主要表現(xiàn)為景觀類(lèi)型指數(shù)呈現(xiàn)波動(dòng)性上升，后趨于穩(wěn)定，景觀分形特征趨于簡(jiǎn)單化和規(guī)則化；耕地、林地、園地等斑塊類(lèi)型指數(shù)總體呈下降趨勢(shì)，而工礦建設(shè)用地和塌陷水體的斑塊指數(shù)則持續(xù)增加，斑塊類(lèi)型趨于破碎化和均勻化。

進(jìn)一步對(duì)景觀指數(shù)進(jìn)行相關(guān)性與突變檢驗(yàn)分析可知，煤炭資源開(kāi)采與景觀指數(shù)變化具有較強(qiáng)的相關(guān)性，耕地的LPI和AI指數(shù)分別在1998年和2001年出現(xiàn)下降的突變點(diǎn)，塌陷水體的LPI指數(shù)從1995年開(kāi)始持續(xù)上升，而AI指數(shù)呈顯著上升—變化不顯著—顯著上升的趨勢(shì)。隨著礦區(qū)生態(tài)修復(fù)與土地復(fù)墾，耕地、水體面積增加，景觀破碎化程度得到緩解。

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Effects of coal exploitation on land use and landscape pattern change in coal mining area

Xu Jiaxing1,2, Li Gang2,3※, Yu Jiaqi2, Zhao Hua2, Yin Pengcheng3, Hu Wenmin1

(1.221008,; 2.221116,;3.221018,)

Mining areas with intensive resources exploitation and utilization have undergone different kinds of environmental influences, such as water pollution and land use and land cover change (LUCC). The extensive coal mining in China has led to significant regional land use change resulting in major ecological damage. In order to research the impact of coal exploitation on landscape pattern change in coal mining area, taking Peibei mining area in Xuzhou City, Jiangsu Provinces, China as an example, the changes in land use and landscape pattern were analyzed quantitatively based on remote sensing (RS), geographic information system (GIS), landscape ecology and mathematical statistics. Influence of the scale and intensity of coal mining on variation process of land use structure and landscape pattern was mainly studied from the perspective of coal industry life cycle. At the same time, the driving factors of land use and landscape pattern change were analyzed from coal mining, economy, urbanization and land reclamation policy. The results were as follows: 1) Over the last 20 years the landscape structure and landscape pattern of land use in the mining area have changed significantly with the continuous exploitation of coal resources, which were mainly manifested by the decrease of cultivated land, forest land and unused land and the rapid increase of industrial and mining construction land and. In particular, the subsidence water increased from 56.38 hm2in 1994 to 1254.31 hm2in 2014, and increased by about 22 times. The process of farmland transformed into construction land and subsidence water has become intense and frequent since 2000, in which the coal mining area has been in stable exploitation period. 2) Landscape type index showed a rising trend in fluctuation and landscape fractal characteristics tended to be simplified and regularized. The patch type index of cultivated land, forest land and garden plot overall declined, but that of industrial and mining construction land and the subsidence water increased continuously, which indicates the landscape of mining area tended to be simple and uniform. 3) Furthermore, correlation analysis and Mann-Kendall abrupt change test show that there is a strong correlation between coal resources exploitation and landscape index change. The abrupt changes of largest patch index (LPI) and aggregation index (AI) of cultivated land occurred in 1999 and 2001 respectively, and showed a rapid downward trend in 2003, which shows that the coal resource exploitation first affects the landscape dominance of cultivated land and then influences the aggregation degree of cultivated land patches with the increase of coal mining intensity. The AI of subsidence water area had a significantly rising trend in 2 periods, 1997-2006 and 2011-2013, but no significant change in 2006-2011, and the LPI of subsidence water area was increasing gradually over the whole period. The main reason is that continuous large-scale exploitation of coal resources seriously resulted in ground subsidence, damage and loss of arable land, vegetation field reduction and landscape fragmentation, and that the management of subsidence area got some effects through land reclamation and landscape restoration in mining area, which were showed as the increase of cultivated land and water area, and the decrease of landscape fragmentation. These results provide an important guide for land reclamation and ecological restoration of damaged landscape in coal mining areas.

land use; reclamation; coal mines; landscape pattern; dynamic change; life cycle; abrupt change test

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.23.033

TD88

A

1002-6819(2017)-23-0252-07

2017-08-16

2017-11-06

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41401610，41601500）；江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（BK20140186）；國(guó)土環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測(cè)國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金項(xiàng)目（LEDM2014B06）。

徐嘉興，江蘇邳州人，博士，講師，主要從事遙感、GIS與礦山生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)方面研究。Email: xujx@cumt.edu.cn

李 鋼，河北張家口人，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)閲?guó)土資源管理、土地利用與規(guī)劃。Email: cumtlig@263.net