基于3S的礦區(qū)景觀格局演變研究：以冷水江市閃星錫礦山為例

索新文，陳 果，卜 璞

(1.湖南城建職業(yè)技術(shù)學院，湖南 湘潭 411100；2.湖南省第二測繪院，湖南 長沙 410119；3.湖南科技大學，湖南 湘潭 411201)

景觀格局研究是景觀生態(tài)學研究的核心之一，如今已成為全球變化研究的熱點[1-3]。景觀格局及其變化是區(qū)域生態(tài)環(huán)境在自然因素和人類活動相互作用下所產(chǎn)生的綜合反映，同時景觀結(jié)構(gòu)的變化又影響著區(qū)域的生態(tài)過程[4]。因此，運用景觀生態(tài)學原理對礦區(qū)景觀格局進行研究，是揭示其生態(tài)狀況及其空間變異的有效手段[5-6]。區(qū)域景觀格局動態(tài)變化可以反映自然和人類活動所產(chǎn)生的生態(tài)效應，而人類活動的干擾又會引起區(qū)域景觀格局的變化，從而影響區(qū)域空間生態(tài)安全。通過調(diào)整人類自身行為，優(yōu)化資源配置，可以改善生態(tài)環(huán)境，最終實現(xiàn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展。本文旨在以定量化分析對錫礦山閃星礦區(qū)不同時期的景觀格局特征為基礎，精確反映出礦區(qū)生態(tài)環(huán)境變化狀況，以期為礦區(qū)生態(tài)環(huán)境保護、治理及管理提供科學的決策依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

湖南省冷水江市閃星銻業(yè)有限公司位于冷水江市礦山鄉(xiāng)錫礦山街道辦事處，是著名的“世界銻都”，其中心位置地理坐標為東經(jīng)111°42′35″、北緯27°31′53″，研究區(qū)內(nèi)四季分明、夏季多雨，屬亞熱帶季風性氣候，年平均雨量1 288.3 mm。錫礦山礦區(qū)范圍寬廣，面積達18 km2，礦區(qū)開采歷史超過100年，有著發(fā)達的采礦和冶選業(yè)，銻產(chǎn)品生產(chǎn)量居全國第一，年產(chǎn)量占全國的1/3。礦區(qū)私采與國有礦山開采長期并存，導致礦區(qū)土地利用及空間格局發(fā)生了劇烈變化，礦區(qū)內(nèi)出現(xiàn)地表沉陷，隨處可見堆放大量砷堿渣，導致植被枯死，土壤重金屬超標及地下水資源嚴重污染，礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)功能已明顯退化，嚴重影響了當?shù)鼐用竦娜粘Ｉ?，也同樣制約了當?shù)亟?jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及處理

研究數(shù)據(jù)來源于“全國礦產(chǎn)資源開發(fā)區(qū)生態(tài)環(huán)境十年變化調(diào)查與評估——湖南省”課題里提供的SPOT5影像，空間分辨率為2.5 m，分別為2005年6月、2010年6月和2015年5月三期影像。由于所獲取的數(shù)據(jù)已經(jīng)經(jīng)過影像校正和大氣校正，因此只需以1∶10 000錫礦山閃星礦區(qū)地形圖進行幾何精校正，最后在ArcGIS 10.0下用研究區(qū)范圍矢量圖層對3期影像分別進行裁剪，完成數(shù)據(jù)預處理工作。

根據(jù)錫礦山閃星礦區(qū)土地利用現(xiàn)狀，結(jié)合礦產(chǎn)資源開發(fā)過程及其對周邊生態(tài)環(huán)境造成的影響并參考“錫礦山生態(tài)環(huán)境遙感調(diào)查與評估”項目規(guī)范，將礦產(chǎn)資源開發(fā)區(qū)域地物進行細化分成交通用地、排土場、礦物堆放場、耕地、草地、林地、尾礦庫、居民地、水體和采礦用地共10類(表1)，通過遙感影像建立各景觀類型解譯標志。進行遙感影像解譯時，一般情況下，高分辨率遙感圖像使用目視解譯的方法進行解譯其分類精度一般會高于計算機自動解譯，但工作量大，效率低，不適用于大范圍解譯?？紤]到研究區(qū)面積不大，且獲取的遙感影像數(shù)據(jù)分辨率較高，因此對2005年、2010年和2015年遙感影像均采用人工目視解譯的方法進行遙感解譯。解譯結(jié)果采用GPS野外實地采集某些特征點的相關(guān)數(shù)據(jù)、照片數(shù)據(jù)和實地對圖的方法進行檢驗(表2)，結(jié)果表明3期遙感影像的總體解譯精度達85%，滿足本研究需求，最終獲得3期景觀分類數(shù)據(jù)集。

表1 研究區(qū)景觀分類

表2 GPS調(diào)查數(shù)據(jù)表

2.2 分析方法

2.2.1 景觀指數(shù)選取

景觀格局指數(shù)是對景觀和斑塊的大小、邊界、形狀等特征的定量描述，由于本身不具備生態(tài)含義，所以必須通過生態(tài)學和景觀生態(tài)學的原理對其分析并賦予生態(tài)學意義[7]。本文通過借鑒一些學者的研究成果[8-10]，主要在類型與景觀水平兩個層次中選取了斑塊數(shù)量(NP)、平均斑塊面積(MPS)、斑塊密度(PD)、最大斑塊指數(shù)(LPI)、邊界密度(ED)、聚集度指數(shù)(CONTAG)、香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)和香農(nóng)均勻度指數(shù)(SHEI)八個指標對景觀格局特征變化進行對比分析。具體操作是在ArcGIS環(huán)境下，將研究區(qū)的兩個時期的遙感解譯結(jié)果轉(zhuǎn)換成GRID格式，再導入Fragstats 3.4軟件中進行各個景觀指數(shù)的計算。

2.2.2 最佳粒度分析

景觀指數(shù)具有明顯的尺度效應，因此需要選擇一個最佳的粒度來對景觀格局進行分析，才能最大限度地將區(qū)域的景觀格局信息完整表達出來[11-12]。目前對于景觀格局粒度效應研究開展較多，其中根據(jù)趙文武等[13]的研究，通過計算各粒度的景觀指數(shù)值，找出景觀指數(shù)隨粒度變化的第一尺度域(第一尺度域為景觀指數(shù)首次發(fā)生尺度轉(zhuǎn)折點至第二個轉(zhuǎn)折點間的區(qū)域)[14]是確定粒度大小、進行景觀格局分析的適宜取值范圍的關(guān)鍵。為了確定上述8個景觀指數(shù)的景觀格局最佳分析粒度，分別對2005年、2010年、2015年5～100 m間共20個景觀粒度的景觀指數(shù)進行計算，以不同粒度為橫坐標軸，以該粒度下對應的景觀指數(shù)值為縱坐標軸，建立景觀指數(shù)的粒度效應曲線。最后篩選出對粒度變化敏感且有明顯發(fā)生尺度轉(zhuǎn)折現(xiàn)象的指數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 景觀格局最佳分析粒度

分別對2005年、2010年、2015年5～100 m間共20個景觀粒度的景觀指數(shù)進行計算，以不同粒度為橫坐標軸，以該粒度下對應的景觀指數(shù)值為縱坐標軸，建立景觀指數(shù)的粒度效應曲線。篩選出對粒度變化敏感且有明顯發(fā)生尺度轉(zhuǎn)折現(xiàn)象的指數(shù)共有6個，分別為斑塊數(shù)量(NP)、斑塊密度(PD)、最大斑塊指數(shù)(LPI)、平均斑塊面積(MPS)、香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)與香農(nóng)均勻度指數(shù)(SHEI)。

對照上述指數(shù)的粒度效應圖(圖1)，選取景觀指數(shù)的第一尺度域。斑塊數(shù)、斑塊密度與平均斑塊面積第一尺度域為10～20 m；最大斑塊指數(shù)第一尺度域為45～60 m；香農(nóng)多樣性指數(shù)與香農(nóng)均勻度指數(shù)第一尺度域為20～40 m。一般情況下，在第一尺度域內(nèi)，選擇中等偏大的粒度既能較好地反映特征信息，又可以避免冗余的計算工作量。本研究大多數(shù)景觀指數(shù)的第一尺度域在粒度為10～20 m、20～40 m，由于在粒度20 m處都有所交集，因此綜合考慮最終以20 m為研究區(qū)景觀格局分析的最佳分析粒度。

圖1 景觀格局指數(shù)粒度效應

3.2 礦區(qū)景觀格局演變分析

3.2.1 景觀類型指數(shù)變化分析

從表3中可知，2005～2010年交通用地斑塊數(shù)(NP)從259增加到286，斑塊密度由14.36個/100hm2增加到15.85個/100hm2，說明該礦區(qū)交通用地的景觀破碎程度加深，由于道路呈線性，因此道路的擴建使邊界密度(ED)上升；采礦用地、排土場和礦物堆放場最大斑塊指數(shù)(LPI)和邊界密度(ED)增加，說明這三類景觀主要是在原有的基礎上擴張發(fā)展，排土場和礦物堆放場斑塊數(shù)量(NP)增加，說明了除了在原有基礎上的面積擴增，且還通過新建來使面積增加；耕地、林地和草地斑塊數(shù)量(NP)、斑塊密度(PD)和邊界密度(ED)呈增加趨勢，而最大斑塊指數(shù)(LPI)和平均斑塊面積(MPS)呈降低趨勢，說明礦區(qū)的開發(fā)占用了大量耕地、草地和林地，導致斑塊破碎化程度加劇；草地最大斑塊指數(shù)(LPI)在2005～2010年期間，減少了14.62%，說明草地損失的面積是最大，作為礦區(qū)主要景觀的優(yōu)勢正在逐漸變?nèi)?；水體和居民點斑塊數(shù)量(NP)及斑塊密度(PD)均有增加，且平均斑塊面積(MPS)減少，主要由于礦區(qū)發(fā)展進程的加快，缺乏規(guī)劃，居民地建設呈“多點式”的擴張模式，同時由于交通設施的不斷完善，割裂了居民地景觀，使破碎化程度加劇，因此整體上居民點的邊界密度(ED)也呈現(xiàn)上升趨勢；水體景觀在礦區(qū)主要是以水坑、池塘等形式出現(xiàn)，以點狀形式發(fā)展，且分布較分散，因此景觀破碎度較高。

2010～2015年，交通用地、排土場、礦物堆放場和采礦用地景觀的斑塊數(shù)量(NP)、斑塊密度(PD)均呈減少的趨勢，主要原因是冷水江政府從2011年開始對礦區(qū)濫采亂開現(xiàn)象進行整治，關(guān)停取締了多家采礦企業(yè)，對污染嚴重的區(qū)域進行土地復墾與生態(tài)修復工作，因此包括采礦用地以及與配套的其他礦山設施用地逐漸轉(zhuǎn)化其他類型用地，與采礦用地相連的交通道路也逐漸廢棄而轉(zhuǎn)化成草地，導致最大斑塊指數(shù)(LPI)與平均斑塊面積(MPS)也呈降低的趨勢；邊界密度(ED)均有小幅度降低，說明這4類景觀呈聚集化趨勢發(fā)展，破碎化程度降低。耕地、林地景觀的斑塊數(shù)量(NP)、斑塊密度(PD)減少，平均斑塊面積(MPS)增加，礦區(qū)土地復墾與生態(tài)修復工程改善了區(qū)域生態(tài)環(huán)境，受損的耕地、草地和林地景觀得到恢復，使景觀由分散朝聚集化發(fā)展，景觀趨于完整穩(wěn)定；草地依然是所占礦區(qū)面積最大的景觀，其邊界密度(ED)增大，說明景觀連通性增強，邊緣效應加強。隨著居民建設用地的不斷擴展，居民地景觀趨于連片發(fā)展，導致斑塊數(shù)量(NP)減少、最大斑塊指數(shù)(LPI)增大，同時由于土地利用規(guī)劃等的約束，使得居民地景觀趨于規(guī)則化，斑塊間的連通性增大，破碎化程度降低。水體在礦區(qū)中屬于較脆弱的景觀，易受人類開采活動干擾下消失，導致斑塊數(shù)量(NP)和斑塊面積減少。

3.2.2 景觀水平指數(shù)變化分析

1) 景觀聚集度分析。聚集度指數(shù)(CONTAG)是描述景觀各類型斑塊聚集程度的量，根據(jù)研究區(qū)景觀水平指數(shù)分析(表4)，2005年、2010年和2015年聚集度指數(shù)分別為53.99%、51.70%、54.34%，呈先降低，而后增大的趨勢，說明景觀破碎程度也是同樣的變化趨勢。2005～2010年間，聚集度指數(shù)呈降低的趨勢，表明研究區(qū)部分景觀破碎化程度加劇，導致整體景觀類型的聚集程度降低。2010～2015年間，聚集度指數(shù)呈小幅增加趨勢，且聚集度水平要高于2005年，表明研究區(qū)在這段時間內(nèi)，斑塊之間的連通性與聚集程度有所增加，使得整體景觀聚集度增加。研究區(qū)多年聚集度指數(shù)普遍不高，主要原因是草地作為研究區(qū)域優(yōu)勢景觀，分布較散并沒有形成很好的連通性，景觀完整性較差。

表3 礦區(qū)各景觀類型水平指數(shù)

表4 礦區(qū)景觀整體水平指數(shù)

2)景觀多樣性分析。香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)與香農(nóng)均勻度指數(shù)(SHEI)是在景觀生態(tài)學中應用較廣泛的指數(shù)之一，2005～2015年呈先增高后緩慢降低的趨勢。2005～2010年間，SHDI與SHEI均呈先緩慢增長，表明研究區(qū)內(nèi)的不同景觀斑塊類型分布趨于均勻分布，景觀多樣性增大，破碎化程度也逐漸加??；2010～2015年間，SHDI與SHEI均有所降低，表明研究區(qū)破碎化程度有所減緩，也能反映出某種景觀類型趨于優(yōu)勢地位。整體上來看，2005～2015年間，SHDI與SHEI變化幅度不大，反映出研究區(qū)內(nèi)各景觀類型斑塊變化幅度也相對不大。

綜合上述景觀水平類型指數(shù)的變化規(guī)律可以看出，錫礦山閃星礦區(qū)景觀格局變化可分為兩個階段。第一階段為2005～2010年，人類對礦產(chǎn)資源的開發(fā)強度逐漸增強，導致區(qū)域景觀格局呈破碎化和復雜化的變化趨勢；第二階段為2010～2015年，由于礦區(qū)通過實施土地復墾與生態(tài)恢復工程，使得礦區(qū)整體景觀格局水平朝規(guī)則化和均衡化的趨勢發(fā)展。

4 結(jié) 論

1)研究區(qū)最佳景觀格局分析粒度為20 m。

2)景觀水平上，2005～2010年，礦區(qū)的開發(fā)強度增強，導致區(qū)域景觀格局呈破碎化和復雜化的變化趨勢；2010～2015年，由于礦區(qū)土地復墾與生態(tài)恢復工程項目的實施，使得礦區(qū)整體景觀格局水平朝規(guī)則化和均衡化的趨勢發(fā)展。

3)類型水平上，2005～2010年，礦區(qū)擴張開發(fā)導致耕地、草地和林地景觀斑塊破碎化程度加??；草地作為區(qū)域優(yōu)勢景觀其優(yōu)勢程度正在逐漸變?nèi)?；居民地呈“多點式”的擴張以及交通設施的不斷完善，使破碎化程度加??；水體景觀以水坑、水塘形式分散式發(fā)展，破碎化加劇。2010～2015年，由于礦區(qū)生態(tài)環(huán)境治理工作的開展，受損的耕地、草地和林地景觀得到恢復，使景觀由分散朝聚集化發(fā)展；居民地景觀隨著發(fā)展逐漸趨于連片發(fā)展，使得居民地景觀斑塊間的連通性增大，破碎化程度降低。

本研究在3S技術(shù)的支持下，從景觀格局變化角度出發(fā)，定量化分析對錫礦山閃星礦區(qū)不同時期的景觀格局特征，以此來反映礦區(qū)生態(tài)環(huán)境變化狀況，以期為礦區(qū)生態(tài)環(huán)境保護、治理及管理提供科學的決策依據(jù)。通過構(gòu)建礦區(qū)景觀綜合生態(tài)風險指數(shù)對礦區(qū)景觀生態(tài)風險進行評價，為錫礦山閃星礦區(qū)風險管理及未來規(guī)劃工作提供科學依據(jù)，對于改善當?shù)卣w形象、環(huán)境保護、促進生態(tài)文明具有重要意義，對于當?shù)亟?jīng)濟持續(xù)快速增長、改善生活環(huán)境、提高居民身體健康等方面具有長遠意義。

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