1980-2015年焦作礦區(qū)景觀格局演變及驅(qū)動(dòng)力分析

陸鳳連, 王新闖, 張合兵, 吳金汝, 焦海明

(河南理工大學(xué) 測(cè)繪與國(guó)土信息工程學(xué)院, 河南 焦作 454000)

景觀格局是指景觀組分的空間分布和組合特征，即大小和形狀不一的景觀元素在空間上的配置[1]。它不僅是各種生態(tài)過程在不同尺度上作用的最終結(jié)果，還是景觀異質(zhì)性的具體表現(xiàn)[2]。景觀格局演變的分析一直是景觀生態(tài)學(xué)研究的熱點(diǎn)問題[3]。景觀格局演變的分析方法主要有景觀指數(shù)分析、轉(zhuǎn)移矩陣分析、數(shù)量統(tǒng)計(jì)分析和以元胞自動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)的景觀動(dòng)態(tài)模擬分析等[4]，其中運(yùn)用景觀指數(shù)定量分析方法來研究景觀格局動(dòng)態(tài)變化特征，已廣泛應(yīng)用于景觀生態(tài)學(xué)的諸多研究中[5]。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于區(qū)域景觀格局變化及其驅(qū)動(dòng)力的研究很多，如Sha等[6]借助GIS技術(shù)對(duì)美國(guó)鳳凰城景觀格局變化進(jìn)行了分析；Caillault等[7]分析了生態(tài)廊道對(duì)區(qū)域景觀格局變化的影響；高翔等[8]對(duì)貴州典型礦區(qū)10年間景觀格局變化及驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行分析，明確煤炭開發(fā)、農(nóng)業(yè)發(fā)展及生態(tài)治理因子是景觀格局變化的主要原因；張敏等[9]對(duì)白洋淀濕地景觀格局演變及驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行分析，得出人口和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展是影響白洋淀景觀格局變化的主要驅(qū)動(dòng)力的結(jié)論。但目前鮮有針對(duì)礦區(qū)較長(zhǎng)時(shí)間尺度上的景觀格局演變特征及其驅(qū)動(dòng)力分析。

由于煤炭和土地空間分布的同位性[10]，煤炭資源的長(zhǎng)時(shí)間開采不可避免地會(huì)對(duì)土地和生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重的破壞，出現(xiàn)一系列諸如地表塌陷、水位下降、耕地破壞、煤矸石壓占的問題[11]，原有的景觀類型發(fā)生了顯著變化，使得礦區(qū)成為景觀格局演變最為劇烈的區(qū)域之一[12]。通過較長(zhǎng)時(shí)間尺度上分析礦區(qū)景觀格局演變及其驅(qū)動(dòng)力，有助于發(fā)現(xiàn)礦區(qū)景觀變化的規(guī)律和機(jī)制、探究煤礦開采等人類活動(dòng)與生態(tài)景觀演變間的關(guān)系，為礦區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)和土地資源的可持續(xù)利用提供理論基礎(chǔ)[13-15]。焦作礦區(qū)位于我國(guó)華北平原，幾十年來一直是華北地區(qū)重要的產(chǎn)煤基地，由于大規(guī)模的開采煤炭，礦區(qū)的景觀格局發(fā)生了劇烈的變化，景觀破碎化嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境問題凸顯。本文以其為研究區(qū)域，以1980—2015年5期遙感影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)信息源，綜合運(yùn)用地理信息技術(shù)、景觀生態(tài)學(xué)方法和數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，對(duì)礦區(qū)35年間的景觀格局演變及其驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行分析，旨在為礦區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)與土地可持續(xù)利用提供一定的理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

焦作礦區(qū)位于河南省焦作市東北部，太行山南麓，區(qū)內(nèi)分布有九里山礦、演馬礦、馮營(yíng)礦、白莊礦、方莊一礦、方莊二礦、古漢山礦、小馬礦、中馬礦、韓王礦10個(gè)礦井，自20世紀(jì)50年代就開始規(guī)模開采煤炭，是豫北重要的產(chǎn)煤基地。研究區(qū)總面積為182 km2，地理位置為113°15′—113°28′E，35°15′—35°25′N。研究區(qū)地貌主要由平原與山區(qū)構(gòu)成，地勢(shì)由西北向東南傾斜，由北向南漸低，海拔85～250 m。區(qū)內(nèi)有沙河、王村河、峪河等季節(jié)性河流，分別匯入衛(wèi)河，南水北調(diào)中線工程穿境而過。屬南溫帶亞濕潤(rùn)氣候，冬季嚴(yán)寒，夏季炎熱。年平均氣溫為14.8℃，氣溫極值-16.9～43.2℃；年平均降雨量624 mm，多集中在6—9月，全年無霜期238 d，夏季多東南風(fēng)，冬季多西北風(fēng)。

2 數(shù)據(jù)源及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)獲取與處理

為了準(zhǔn)確地揭示礦區(qū)景觀格局演變特征，每隔5～10 a選取一景遙感影像；為了便于區(qū)分林地與耕地植被，遙感時(shí)相均選擇在農(nóng)作物收割的時(shí)間(5—6月)內(nèi)，最終在1980—2015年劃分出5個(gè)時(shí)間段，分別是1980年、1990年、2000年、2010年和2015年。1980年采用MSS影像，分辨率為80 m；1990年采用Landsat TM遙感數(shù)據(jù)，分辨率為30 m；2000年和2010年選用ETM遙感數(shù)據(jù)，分辨率為15 m，2015年采用OLI遙感數(shù)據(jù)，分辨率為15 m。為了減少分辨率對(duì)景觀格局指數(shù)計(jì)算的影響，本文將各時(shí)期的遙感影像分辨率統(tǒng)一重采樣為30 m。參考《土地利用現(xiàn)狀分類》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)內(nèi)土地利用類型研究成果[16]，并結(jié)合遙感影像分辨率和礦區(qū)實(shí)際景觀類型特點(diǎn)，將焦作礦區(qū)土地利用景觀類型劃分成6種，具體包括：耕地、林地、草地、建設(shè)用地、工礦用地和水域。在確定礦區(qū)景觀分類體系后，結(jié)合實(shí)地調(diào)查、Google Earth軟件等，利用ENVI 5.1對(duì)5期遙感影像作幾何校正、融合、裁剪等預(yù)處理后，采用最大似然監(jiān)督分類方法解譯圖像，利用分類后處理工具消除小斑塊，并結(jié)合2009年研究區(qū)二調(diào)土地利用分類數(shù)據(jù)，手動(dòng)修改明顯錯(cuò)誤的斑塊，最終生成1980—2015年5期景觀類型分布圖。最后對(duì)分類結(jié)果進(jìn)行精度驗(yàn)證，總體分類精度在90%以上，Kappa系數(shù)在0.8以上，滿足本研究對(duì)分類數(shù)據(jù)的精度要求[17]。

2.2 景觀格局指標(biāo)的選擇與計(jì)算

景觀指數(shù)是指能夠高度濃縮景觀格局信息，建立景觀格局與過程的相互聯(lián)系，反映景觀格局某些方面特征的簡(jiǎn)單定量指標(biāo)[18]。本研究綜合考慮礦區(qū)景觀格局特征和分析目的，在斑塊類型水平上選擇了斑塊數(shù)(NP)、最大斑塊指數(shù)(LPI)、平均形狀指數(shù)(SHAPE_MN)、面積周長(zhǎng)分維數(shù)(PAFRAC)和凝聚度指數(shù)(COHESION)，在景觀水平上選擇了斑塊密度(PD)、景觀形狀指數(shù)(LSI)、多樣性指數(shù)(SHDI)，均勻度指數(shù)(SHEI)和蔓延度指數(shù)(CONTAG)。以5期景觀類型數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，使用Fragstats 4.2軟件完成景觀指數(shù)計(jì)算。各種景觀指數(shù)的計(jì)算公式及具體的生態(tài)學(xué)意義參見相關(guān)文獻(xiàn)[19]。

2.3 景觀格局演變的驅(qū)動(dòng)力分析

景觀格局變化的驅(qū)動(dòng)力包括自然驅(qū)動(dòng)力和人為驅(qū)動(dòng)力，其中，自然驅(qū)動(dòng)力主要從較大的時(shí)空尺度上作用于景觀，人為驅(qū)動(dòng)力則是從中小時(shí)空尺度上影響景觀[4]。焦作礦區(qū)屬中小尺度區(qū)域，自然驅(qū)動(dòng)因子影響相對(duì)較小，人為驅(qū)動(dòng)力占據(jù)相對(duì)優(yōu)勢(shì)地位，對(duì)于驅(qū)動(dòng)力分析則以人為因素選取驅(qū)動(dòng)因子進(jìn)行分析為主，以自然驅(qū)動(dòng)因子分析為輔。人為驅(qū)動(dòng)因子選?。航Y(jié)合礦區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)[20]及前人研究經(jīng)驗(yàn)[21-23]，以礦區(qū)耕地面積作為因變量，以1995年、2000年、2005年、2010年和2014年礦區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)作為選取自變量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，用相關(guān)分析法篩選出總?cè)丝?、第一產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值、第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值、第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值、農(nóng)業(yè)人口、煤礦年產(chǎn)量、糧食產(chǎn)量、農(nóng)民人均純收入8個(gè)驅(qū)動(dòng)因子。再運(yùn)用SPSS軟件對(duì)選取的驅(qū)動(dòng)因子進(jìn)行主成分分析，識(shí)別和分析影響景觀格局變化的主要人為驅(qū)動(dòng)因子；自然驅(qū)動(dòng)因子選取：根據(jù)焦作礦區(qū)地形地貌條件，選取對(duì)景觀格局影響較大的坡度因子進(jìn)行分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 焦作礦區(qū)各景觀類型面積、分布及變化

利用ArcGIS 10.1軟件，統(tǒng)計(jì)獲得焦作礦區(qū)1980—2015年5期景觀類型面積及變化趨勢(shì)(圖1)以及1980—2015年焦作礦區(qū)景觀類型面積轉(zhuǎn)移情況(表1)。焦作礦區(qū)的總面積為18 203.40 hm2。由圖1可知，礦區(qū)景觀類型以耕地、林地和建設(shè)用地為主，這3種景觀類型始終占研究區(qū)總面積的83%以上，其中耕地面積比重最大，占研究區(qū)總面積43%以上，林地和建設(shè)用地次之。從面積變化來看，1980—2015年的35年間，礦區(qū)耕地面積呈持續(xù)減少趨勢(shì)，共減少了2 704 hm2，減少幅度達(dá)到25.64%，其中2000—2010年減幅最大。工礦用地和建設(shè)用地增長(zhǎng)迅速，分別增長(zhǎng)了748.96，1 696.59 hm2，增長(zhǎng)幅度分別為72.29%，87.11%，其中建設(shè)用地是所有景觀類型中增幅最大的。35年間林地和水域總體呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，林地面積增加了4.32 hm2，增加幅度較小，水域面積增加了284.96 hm2，增幅較大；草地面積減少了30.38 hm2，減幅不大，呈現(xiàn)出“先增加—再減少”的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)。

圖11980-2015年焦作礦區(qū)各景觀類型面積及變化

從表1中可以看出，礦區(qū)35年間有66%的圖斑景觀類型未發(fā)生變化，在發(fā)生變化的區(qū)域中最明顯的景觀類型轉(zhuǎn)化發(fā)生在耕地和建設(shè)用地之間，其中耕地有1 566.54 hm2轉(zhuǎn)化成建設(shè)用地，占耕地面積的14.85%；建設(shè)用地有117.25 hm2轉(zhuǎn)回耕地，占建設(shè)用地面積的6.02%。另外，亦有部分耕地向林地和工礦用地轉(zhuǎn)化，部分林地向工礦用地轉(zhuǎn)化，其中耕地有899.28 hm2轉(zhuǎn)化成林地，占1980年耕地面積的8.53%；有568.13 hm2轉(zhuǎn)化成工礦用地，占1980年耕地面積的5.38%；林地有510.32 hm2轉(zhuǎn)化成工礦用地，占1980年林地面積的14.17%。其他各景觀類型間亦有少量轉(zhuǎn)化。

表1 1980-2015年焦作礦區(qū)景觀類型面積轉(zhuǎn)移矩陣 hm2

焦作礦區(qū)1980—2015年5期景觀類型空間分布見圖2。結(jié)果顯示35年間焦作礦區(qū)景觀類型空間上發(fā)生了顯著變化，耕地面積逐漸減少，并向東南平原區(qū)域轉(zhuǎn)移，減少區(qū)域主要集中在礦區(qū)西北部山區(qū)及西南部靠近市區(qū)區(qū)域。水域在2010年前面積變化不大，主要集中在境內(nèi)的幾條河流上，2010年后隨著南水北調(diào)中線工程穿境而過，水域面積顯著增加。林地主要分布在西部、北部山區(qū)及村莊附近，1980—2000年，由于頻繁的人類活動(dòng)，西部、北部山區(qū)部分林地轉(zhuǎn)為耕地和工礦用地，其面積不斷減少；2000—2015年，隨著山區(qū)退耕還林、植樹造林等生態(tài)活動(dòng)的開展，西部、北部山區(qū)耕地重新轉(zhuǎn)為林地，林地面積逐漸恢復(fù)。草地面積35年間變化不大，主要集中在林地與耕地之間的過渡帶及沿河兩岸。建設(shè)用地35年間顯著增加，零散村莊減少，向西南部市區(qū)和中北部城鎮(zhèn)區(qū)域集中。

3.2 焦作礦區(qū)景觀格局變化

3.2.1 斑塊類型水平上景觀格局變化 根據(jù)表2中1980—2015年5期斑塊類型水平上的景觀指數(shù)，可以明晰各景觀類型景觀格局指數(shù)的變化情況。從斑塊數(shù)(NP)來看，各景觀類型均呈現(xiàn)不同程度的破碎化，其中水域的NP最少，受人類活動(dòng)干擾最小，景觀最為完整；林地的NP最多，表明林地景觀分散，破碎化嚴(yán)重；耕地、工礦用地和草地的NP持續(xù)增加，表明35年來其景觀破碎化程度不斷加劇，建設(shè)用地由于道路的連通，破碎化較低。從最大斑塊指數(shù)(LPI)來看，1980年耕地的LPI最高，卻呈不斷減小趨勢(shì)，2015年建設(shè)用地的LPI最高，且呈不斷上升趨勢(shì)，說明礦區(qū)的優(yōu)勢(shì)類型由耕地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地，且這種差距在不斷擴(kuò)大，這可能是隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，建設(shè)用地呈“攤大餅”和“集中式”的擴(kuò)張，部分耕地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地所產(chǎn)生的后果。水域、工礦用地和草地的LPI始終較小，且變化幅度較小。同時(shí)由于西部、北部是山區(qū)的原因，林地的LPI亦變化較小。

圖21980-2015年焦作礦區(qū)景觀類型空間分布

周長(zhǎng)面積分維數(shù)(PAFRAC)在一定程度上反映了斑塊的形狀復(fù)雜性。由表2可知，水域的PAFRAC最高，表明水域形狀最復(fù)雜。其次為耕地，呈現(xiàn)先增后減趨勢(shì)，這是由于改革開放初期部分山林被開墾成耕地造成耕地形狀趨于不規(guī)則，在21世紀(jì)初，隨著退耕還林政策的實(shí)施，耕地形狀趨于規(guī)則。與早期相比，林地、建設(shè)用地、工礦用地和草地的PAFRAC均呈現(xiàn)不同程度的增加，說明受到人類活動(dòng)的影響，這幾類景觀的形狀越來越不規(guī)則。

散布與并列指數(shù)(IJI)是反映景觀聚集程度及與其他類型鄰接關(guān)系的指標(biāo)。從表2中看出，耕地的IJI最高，始終在85以上，顯示出很強(qiáng)的聚集性，同時(shí)表明耕地與其他景觀類型近乎等量鄰接，為基質(zhì)斑塊。水域、草地和林地的IJI呈持續(xù)增加趨勢(shì)，這可能是由于人類活動(dòng)使其周邊景觀要素不斷增多所致。建設(shè)用地的IJI相對(duì)較低，表明與建設(shè)用地鄰接要素較少，早期建設(shè)用地以村莊形式存在，現(xiàn)在城鎮(zhèn)化進(jìn)程中建設(shè)用地集中建成均是導(dǎo)致建設(shè)用地IJI低的原因。

3.2.2 景觀水平上景觀格局變化 由圖3可知礦區(qū)整體景觀指數(shù)變化情況，1980—2015年，斑塊密度PD和景觀形狀指數(shù)LSI呈不斷上升趨勢(shì)，2015年達(dá)到最大，表明礦區(qū)整體景觀破碎化程度加劇，礦區(qū)斑塊形狀趨于復(fù)雜化、不規(guī)則化，這可能是由于礦區(qū)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，人類活動(dòng)頻繁所致。1980—2015年景觀聚集度指數(shù)CONTAG呈先迅速降低再緩慢減少至平穩(wěn)趨勢(shì)，1980年最大為59.48，2015年最小為50.33，說明焦作礦區(qū)景觀連通性在1980年達(dá)到最大值，空間格局分布均勻，隨后到2015年，景觀連通性持續(xù)下降。1980—2015年香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)與香農(nóng)均勻度指數(shù)(SHEI)均先迅速上升再到平穩(wěn)趨勢(shì)，其波動(dòng)過程與景觀聚集度指數(shù)相反，這表明，35年間各景觀類型面積差異減小，景觀優(yōu)勢(shì)度下降，景觀優(yōu)勢(shì)類別對(duì)景觀的控制作用減弱，景觀異質(zhì)性增強(qiáng)。

表2 1980-2015年斑塊類型水平上的景觀指數(shù)變化

3.2.3 景觀格局變化的生態(tài)過程響應(yīng) 格局、過程和尺度之間的相互關(guān)系一直是景觀生態(tài)學(xué)研究的核心內(nèi)容，在一定的尺度上格局決定過程，而過程作用于格局[24]。根據(jù)焦作礦區(qū)1980—2015年土地利用及景觀格局動(dòng)態(tài)變化，來分析研究區(qū)景觀生態(tài)過程及變化趨勢(shì)。在1980—2015年，區(qū)域景觀破碎化程度不斷加劇，景觀異質(zhì)性增強(qiáng)，景觀中處于核心地位的耕地面積比重不斷下降，斑塊數(shù)卻不斷增加，平均斑塊面積持續(xù)減少，說明耕地景觀被不斷分割，耕地的連通性下降，從而影響區(qū)域景觀生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)，造成區(qū)域景觀生態(tài)系統(tǒng)的不穩(wěn)定。景觀類型間轉(zhuǎn)移過程頻繁，尤其是耕地和林地、建設(shè)用地及工礦用地之間。1980—2000年西部、北部山區(qū)部分林地轉(zhuǎn)向耕地，林地面積不斷減少，而林地斑塊數(shù)仍不斷增加，表明林地景觀類型破碎化程度不斷加強(qiáng)，西部、北部山區(qū)生物多樣性受到威脅，生態(tài)環(huán)境出現(xiàn)不同程度的失衡；2000—2015年隨著退耕還林政策的實(shí)施，山區(qū)耕地重新轉(zhuǎn)回林地，林地面積不斷恢復(fù)，西部、北部山區(qū)生態(tài)系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，生態(tài)功能不斷恢復(fù)。南部平原地區(qū)，35年間耕地不斷向建設(shè)用地及工礦用地轉(zhuǎn)移，建設(shè)用地及工礦用地面積不斷增加，同時(shí)隨著諸如公路、鐵路等各類線狀基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，建設(shè)用地及工礦用地景觀的連通性不斷提升，同時(shí)其周長(zhǎng)面積分維數(shù)亦不斷增加，表明城鎮(zhèn)在不斷擴(kuò)張，并有集中連片分布趨勢(shì)。但建設(shè)用地及工礦用地景觀面積的增加，導(dǎo)致研究區(qū)南部平原區(qū)域的土地利用格局不合理、生態(tài)環(huán)境趨于惡化。

圖31980-2015年景觀水平上景觀指數(shù)變化

3.3 焦作礦區(qū)景觀格局演變的驅(qū)動(dòng)力分析

35年來焦作礦區(qū)的景觀類型發(fā)生了顯著的變化，這種變化是自然因素和人為因素綜合作用的結(jié)果，具有很強(qiáng)的地域性。自然因素是各景觀類型分布的基礎(chǔ)條件，往往在較大時(shí)空范圍內(nèi)影響著景觀格局的變化[8]。通過對(duì)焦作礦區(qū)的DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到研究區(qū)坡度分布圖(圖4)。由圖4可知，焦作礦區(qū)西部和北部地區(qū)坡度較陡，為山地丘陵區(qū)，其決定了該區(qū)域的景觀類型以林地、草地為主，耕地為輔；中部和東部地區(qū)坡度平緩，為平原區(qū)，適宜人類活動(dòng)，決定了該區(qū)域的景觀類型以耕地、建設(shè)用地為主。1980—2015年，礦區(qū)地形坡度變化不大，對(duì)景觀格局變化影響較小，意味著人口、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展等諸多人為因素是35年間景觀格局變化的主要原因。

本研究將篩選的8個(gè)人為驅(qū)動(dòng)因子在SPSS軟件中進(jìn)行主成分分析，計(jì)算出它們的特征值及主成分貢獻(xiàn)率(表3)。由表3可知，有2個(gè)特征值大于1，分別為6.275，1.002，其對(duì)應(yīng)的第一主成分與第二主成分累積貢獻(xiàn)率達(dá)到90.957%，滿足大于85%的要求，可以解釋導(dǎo)致景觀格局變化的驅(qū)動(dòng)因子。故只需進(jìn)一步求出第一主成分、第二主成分與各驅(qū)動(dòng)因子的相關(guān)性即可。

表4為主成分載荷矩陣，代表了各主成分與驅(qū)動(dòng)因子的相關(guān)系數(shù)。由表4可以看出，第一主成分與農(nóng)業(yè)人口、糧食總產(chǎn)量、總?cè)丝?、第一產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值的相關(guān)系數(shù)較大；第二主成分與煤炭年產(chǎn)量，第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值的相關(guān)系數(shù)較大。總結(jié)上述驅(qū)動(dòng)因子，可以將焦作礦區(qū)景觀格局演變的驅(qū)動(dòng)因子分為人口與農(nóng)業(yè)發(fā)展因子和工業(yè)發(fā)展因子兩個(gè)方面。

圖4焦作礦區(qū)坡度分布

3.3.1 人口與農(nóng)業(yè)發(fā)展因子分析 由圖5可知，1995—2014年焦作礦區(qū)所在的馬村區(qū)總?cè)丝谟?995年的13.16萬人增加到2014年的14.31萬人，增加了1.15萬人，年均增長(zhǎng)率為0.44%。其中農(nóng)業(yè)人口由6.59萬人減少到6.15萬人，減少了0.44萬人，年均減少率為0.33%。礦區(qū)總?cè)丝诘脑黾訉?dǎo)致人們對(duì)住房需求增大，同時(shí)隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人民生活水平的提高，礦區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施不斷完善、城鎮(zhèn)建設(shè)用地不斷擴(kuò)張，1995—2015年礦區(qū)建設(shè)用地(含交通用地)面積呈不斷增長(zhǎng)趨勢(shì)(圖1)正是其作用的結(jié)果。礦區(qū)農(nóng)業(yè)人口減少的同時(shí)，非農(nóng)業(yè)人口不斷增加，越來越多的人從事第二、第三產(chǎn)業(yè)，促使工礦用地建設(shè)力度加大，這與1995—2015年礦區(qū)工礦用地面積變化(圖1)相一致。同時(shí)迫于人口壓力，農(nóng)民為了生存及提高糧食產(chǎn)量，對(duì)土地資源的不合理利用，產(chǎn)生一系列生態(tài)環(huán)境問題。尤其是1980—2000年礦區(qū)西部山區(qū)林地被大量開墾成耕地，造成嚴(yán)重的水土流失，礦區(qū)景觀格局發(fā)生顯著變化，2000年以后，響應(yīng)國(guó)家退耕還林政策，保證耕地質(zhì)量，礦區(qū)西部山區(qū)低產(chǎn)耕地重新轉(zhuǎn)化成人工林地或果園。此結(jié)果與1990—2015年林地景觀面積先減后增的變化情況一致。因此，人口與農(nóng)業(yè)發(fā)展因子是景觀格局變化的主要驅(qū)動(dòng)因子。

圖51995-2014年馬村區(qū)總?cè)丝诩稗r(nóng)業(yè)人口變化

3.3.2 工業(yè)發(fā)展因子分析 1995—2014年，第二產(chǎn)業(yè)在礦區(qū)三大產(chǎn)業(yè)中占據(jù)主導(dǎo)地位，產(chǎn)值比重始終在50%以上，而在第二產(chǎn)業(yè)中，煤炭開采是其主要方面。隨著城市化進(jìn)程加快，能源需求激增，煤炭開采速度加快，礦區(qū)采空區(qū)范圍越來越大，地表出現(xiàn)大面積下沉塌陷，形成塌陷地[25]，同時(shí)煤山、矸石山壓占周圍耕地，導(dǎo)致礦區(qū)周圍耕地逐漸荒廢形成荒草地，與礦區(qū)1990—2015年草地面積變化趨勢(shì)相一致，所以第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值與煤炭開采是景觀格局變化的主要驅(qū)動(dòng)力之一。2000年以來，礦區(qū)生態(tài)問題引起社會(huì)的強(qiáng)烈關(guān)注，隨著政府對(duì)礦區(qū)生態(tài)重建、土地復(fù)墾的開展[26]，礦區(qū)許多不達(dá)標(biāo)的小礦井被關(guān)閉，大型礦井嚴(yán)格按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)開采煤炭，礦區(qū)周圍部分荒草地、塌陷地重新復(fù)墾成耕地，因此2000年以來礦區(qū)草地面積持續(xù)減少，而耕地面積減少變緩。此結(jié)果與郝成元[27]對(duì)焦作礦區(qū)廢棄土地復(fù)墾與生態(tài)重建的研究結(jié)果相一致，說明工業(yè)發(fā)展因子是礦區(qū)景觀格局變化的主要驅(qū)動(dòng)因子。

4 討論與結(jié)論

(1) 1980—2015年焦作礦區(qū)以耕地、林地和建設(shè)用地為主，其中耕地面積比重最大，始終占研究區(qū)總面積43%以上。各類型中耕地、草地總體呈減少趨勢(shì)，林地、建設(shè)用地、工礦用地和水域總體呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，期間景觀類型轉(zhuǎn)化主要發(fā)生在耕地和建設(shè)用地之間，其他景觀類型之間亦有少量轉(zhuǎn)化；各景觀類型空間上亦發(fā)生顯著變化，其中耕地向東南平原區(qū)域轉(zhuǎn)移，林地趨向西部、北部山區(qū)，建設(shè)用地則向西南市區(qū)及礦區(qū)主要道路附近集中。

(2) 1980—2015年焦作礦區(qū)各景觀類型均呈不同程度的破碎化，林地破碎化最高，水域表現(xiàn)最為完整。礦區(qū)優(yōu)勢(shì)類別由耕地逐步轉(zhuǎn)為建設(shè)用地，且這種差距在不斷擴(kuò)大。耕地斑塊形狀趨于規(guī)則，水域、建設(shè)用地、工礦用地和草地斑塊形狀越發(fā)不規(guī)則，其中水域斑塊形狀最為復(fù)雜。耕地聚集程度最大，與其他類型均鄰接，為基質(zhì)斑塊。

(3) 1980—2015年焦作礦區(qū)整體景觀指數(shù)發(fā)生顯著變化：斑塊密度、景觀形狀指數(shù)、香農(nóng)多樣性指數(shù)和香農(nóng)均勻度指數(shù)均呈不斷上升趨勢(shì)，景觀聚集度指數(shù)正好相反，呈不斷下降趨勢(shì)。這表明礦區(qū)景觀破碎化程度加劇，斑塊形狀趨于復(fù)雜化，景觀優(yōu)勢(shì)類別控制作用減弱，景觀異質(zhì)性增強(qiáng)。

(4) 1980—2015年，由于自然因素和人為因素的影響，焦作礦區(qū)的土地利用景觀格局和生態(tài)環(huán)境發(fā)生了顯著的變化，尤其是南部平原地區(qū)，耕地面積大量減少，取而代之的建設(shè)用地和工礦用地大面積增加，導(dǎo)致礦區(qū)景觀破碎化增加，異質(zhì)性增強(qiáng)，土地利用結(jié)構(gòu)不合理，生態(tài)系統(tǒng)功能下降。其中人為因素是礦區(qū)35年來土地利用景觀格局變化的主要原因，農(nóng)業(yè)人口、糧食總產(chǎn)量、總?cè)丝凇⒚禾磕戤a(chǎn)量和第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值等因子起主要驅(qū)動(dòng)作用。為此，未來焦作礦區(qū)應(yīng)繼續(xù)在北部山區(qū)實(shí)施退耕還林政策，將低產(chǎn)耕地向人工林地轉(zhuǎn)化，減少山區(qū)水土流失；在南部平原地區(qū)加快城鎮(zhèn)化進(jìn)程，嚴(yán)格控制建設(shè)用地面積，關(guān)閉低產(chǎn)高能耗的礦井，復(fù)墾廢棄地?cái)U(kuò)大耕地、林地面積。通過協(xié)調(diào)人口增長(zhǎng)，經(jīng)濟(jì)發(fā)展，煤炭開采與環(huán)境保護(hù)之間的關(guān)系，優(yōu)化礦區(qū)土地利用景觀格局，實(shí)現(xiàn)礦區(qū)土地的可持續(xù)利用，保障礦區(qū)生態(tài)安全。

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