神木涼水井礦區(qū)土地利用變化及其對(duì)生態(tài)服務(wù)的影響

尹海靜，曹 飛，邵景安,2*

(1.重慶師范大學(xué) 地理與旅游學(xué)院，重慶 400047； 2.三峽庫(kù)區(qū)地表過(guò)程與環(huán)境遙感重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400047)

近年來(lái)，隨著大量煤礦的開(kāi)發(fā)開(kāi)采，礦區(qū)的土地利用結(jié)構(gòu)隨之發(fā)生顯著變化，主要表現(xiàn)在耕地資源減少，而非農(nóng)業(yè)用地，如煤礦臨時(shí)建設(shè)用地增加。在煤礦開(kāi)采過(guò)程中，煤礦采空區(qū)塌陷、礦區(qū)“三廢”排放均對(duì)生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重危害[1-3]：破壞優(yōu)質(zhì)耕地，污染地下地表水源水系，破壞礦區(qū)動(dòng)植物多樣性，引起地面下陷、鐵路斷裂，使得部分道路和水利設(shè)施遭到嚴(yán)重?fù)p壞，嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會(huì)生態(tài)的可持續(xù)性發(fā)展。

目前關(guān)于煤礦開(kāi)采和保護(hù)的研究較多，但大多集中在煤礦開(kāi)采對(duì)景觀格局的影響[4]、煤礦開(kāi)采區(qū)環(huán)境保護(hù)[5]、煤礦開(kāi)采區(qū)土地適宜性評(píng)價(jià)[6-7]、煤礦開(kāi)采對(duì)土壤侵蝕的研究[8]等方面，關(guān)于礦區(qū)土地利用變化對(duì)生態(tài)服務(wù)影響的研究較少。本文選取陜西省榆林市神木縣涼水井礦區(qū)為研究區(qū)，利用2005、2010和2015年3個(gè)時(shí)相的衛(wèi)星遙感圖像，以及1∶50 000地形圖數(shù)據(jù)，借助GIS技術(shù)提取研究區(qū)的土地利用信息，并在Matlab 7.0平臺(tái)上計(jì)算得到2005—2015年10 a間土地利用的時(shí)空變化情況，以期為該地區(qū)土地資源合理利用、后續(xù)的煤礦開(kāi)采和礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

涼水井礦區(qū)位于陜西省榆林市榆神礦區(qū)北部，地理坐標(biāo)為38°47′29″～38°53′24″N、110°14′22″～110°21′24″E，于2005年3月20日開(kāi)始建設(shè)，2007年8月2日投產(chǎn)試運(yùn)行，2009年4月29日通過(guò)竣工驗(yàn)收，設(shè)計(jì)生產(chǎn)規(guī)模為400萬(wàn)t·a-1。榆商高速公路(S20)、榆神府二級(jí)公路(S204)和西包神延段鐵路從煤礦工業(yè)場(chǎng)地南側(cè)通過(guò)，各村之間有鄉(xiāng)村公路相通，區(qū)內(nèi)交通便利。涼水井煤礦采用斜井多水平開(kāi)拓方式，布置有主斜井、回風(fēng)斜井。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及預(yù)處理

1.2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究所用的數(shù)據(jù)包括圖形數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和其他文本資料。其中，圖形數(shù)據(jù)主要由陜西省陜北侏羅紀(jì)煤田涼水井礦區(qū)項(xiàng)目部提供，包括3期土地利用dwg格式圖件、礦區(qū)空間分布圖、縣級(jí)行政區(qū)劃圖和1∶10 000分幅地形圖。

2012年12月和2016年12月先后2次有針對(duì)性地對(duì)神木縣涼水井礦區(qū)所在地區(qū)進(jìn)行實(shí)地調(diào)研踏勘和拍照，獲取土地利用類(lèi)型及公眾意愿等方面的統(tǒng)計(jì)與影像資料。問(wèn)卷內(nèi)容主要涉及土地利用情況、農(nóng)戶收入情況、農(nóng)戶對(duì)生態(tài)服務(wù)的評(píng)價(jià)等數(shù)據(jù)。

1.2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

首先，將得到的鄉(xiāng)鎮(zhèn)單元的土地利用變更數(shù)據(jù)同農(nóng)業(yè)用地質(zhì)量分等數(shù)據(jù)、行政區(qū)劃地圖一起進(jìn)行校正，并統(tǒng)一設(shè)置投影坐標(biāo)系為高斯克里格投影西安1980坐標(biāo)系，盡量減少圖形偏移誤差；然后，利用Intersect命令對(duì)第二次土地利用變更數(shù)據(jù)、農(nóng)業(yè)用地質(zhì)量分等數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)疊合處理；最后，將統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和調(diào)研數(shù)據(jù)導(dǎo)入土地利用圖層，進(jìn)行可視化。

1.3 理論方法

1.3.1 土地利用變化分析方法

土地利用變化幅度通過(guò)對(duì)同一土地利用類(lèi)型不同時(shí)期面積的變化程度進(jìn)行計(jì)算，反映土地利用變化的總體趨勢(shì)和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)土地資源影響的強(qiáng)弱。借助單一土地利用動(dòng)態(tài)度和綜合土地利用動(dòng)態(tài)度指數(shù)反映區(qū)域土地利用變化的速率[9]。

1.3.2 土地利用結(jié)構(gòu)變化模型

土地利用結(jié)構(gòu)變化可反映并衡量土地利用結(jié)構(gòu)的發(fā)展變化和人為活動(dòng)對(duì)其影響的程度。參考相關(guān)研究[10]，借助信息熵、均衡度和優(yōu)勢(shì)度3個(gè)指標(biāo)衡量土地利用結(jié)構(gòu)變化模型。

1.3.3 土地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值

參考謝高地等[11]、Costanza等[12]成果，結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況，借助中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的平均值來(lái)刻畫(huà)生態(tài)系統(tǒng)服價(jià)值。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用變化

根據(jù)衛(wèi)星影像，通過(guò)人機(jī)交互解譯得到2005、2010、2015年土地利用類(lèi)型。參考涼水井礦區(qū)最初規(guī)劃報(bào)告，涼水井所在區(qū)域二級(jí)土地利用類(lèi)型(地類(lèi))有7類(lèi)：耕地、林地、草地、水域、城鎮(zhèn)村及工礦用地、交通用地、工礦倉(cāng)儲(chǔ)用地。2005、2010和2015年不同土地利用類(lèi)型的面積統(tǒng)計(jì)詳見(jiàn)表1。涼水井礦區(qū)主要土地利用類(lèi)型為草地，城鎮(zhèn)村及工礦用地和工礦倉(cāng)儲(chǔ)用地的面積相對(duì)較小，二者所占比例合計(jì)小于3%。2005年，工礦倉(cāng)儲(chǔ)用地面積最少，僅占礦區(qū)面積的0.40%；2010年，工礦倉(cāng)儲(chǔ)用地面積比例增加到1.01%。2015年時(shí)，水域面積最小，占比僅為0.03%。

表1 2005、2010和2015年研究區(qū)土地利用現(xiàn)狀

基于人機(jī)交互解譯得到的土地利用類(lèi)型面積計(jì)算研究區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)變化(表2)。2005—2015年，城鎮(zhèn)村及工礦用地和工礦倉(cāng)儲(chǔ)用地的地類(lèi)面積所占比例明顯增加，合計(jì)占比由1.20%增加到2.37%，增加面積0.844 hm2。同時(shí)，林地面積亦呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，2005—2015年增加了3.983 hm2。這與國(guó)家在礦區(qū)實(shí)施的植樹(shù)造林、森林撫育等工程密切相關(guān)。此外，交通用地也略有增加。相反，草地、耕地和水域面積均有所減小，但變化幅度不大。

從單一動(dòng)態(tài)度來(lái)看，2005—2010年工礦倉(cāng)儲(chǔ)用地的變化最大，城鎮(zhèn)村及工礦用地次之。這是由于該時(shí)期正值礦區(qū)創(chuàng)建，為適應(yīng)發(fā)展需要，工礦倉(cāng)儲(chǔ)用地、建設(shè)用地增加較快，加之該地區(qū)煤層較厚，隨著煤礦開(kāi)采，工礦用地面積增加也較快。同期水域的面積大幅減小，單一動(dòng)態(tài)度達(dá)到-38.26%。2010—2015年，各個(gè)地類(lèi)面積變化程度較2005—2010年有所減小，其中，變化最大的為水域，單一動(dòng)態(tài)度達(dá)到-93.66%。其余地類(lèi)單一動(dòng)態(tài)度均小于13%。這是由于這一時(shí)期礦區(qū)的各項(xiàng)工作已經(jīng)完全開(kāi)展，相比建設(shè)初期，不再大面積修建廠房、倉(cāng)庫(kù)等，所以各個(gè)地類(lèi)的面積變化較小。2005—2010年土地利用綜合動(dòng)態(tài)度較大，說(shuō)明土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)變較為頻繁，土地利用變化較快。

由表3可見(jiàn)，2005—2015年的土地利用信息熵和土地利用均衡度均呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)，而土地利用優(yōu)勢(shì)度則呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，說(shuō)明研究區(qū)在這10 a土地利用類(lèi)型先朝著有序狀態(tài)演變，之后又朝著無(wú)序狀態(tài)演變。究其原因，主要是涼水井礦區(qū)于2005年開(kāi)始建設(shè)，土地利用類(lèi)型開(kāi)始改變，工礦用地和工礦倉(cāng)儲(chǔ)用地面積大大增加，水域和草地的面積大大減小，部分劣質(zhì)耕地被開(kāi)發(fā)為建設(shè)用地。至2008年，礦區(qū)土地利用類(lèi)型已趨于穩(wěn)定。因此，2005—2010年研究區(qū)的土地利用類(lèi)型整體朝著有序狀態(tài)演變。2010年后，隨著改革開(kāi)放的深入和經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式轉(zhuǎn)變、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，神木縣的社會(huì)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，煤礦開(kāi)采成為該地區(qū)的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，致使草地、耕地和水域的面積持續(xù)減少，工礦倉(cāng)儲(chǔ)用地和林地面積增加較多，土地利用類(lèi)型開(kāi)始增加，熵值變大，土地利用類(lèi)型開(kāi)始向無(wú)序狀態(tài)演變。

表2 涼水井礦區(qū)2005—2015年土地利用類(lèi)型 變化幅度

表3 涼水井礦區(qū)2005—2015年土地利用結(jié)構(gòu)變化

2.2 生態(tài)服務(wù)價(jià)值評(píng)價(jià)

借助MapGIS 6.7平臺(tái)的空間分析模塊，將實(shí)地調(diào)研確定的礦區(qū)廢棄地和閑置地借助1∶5 000地形圖進(jìn)行矢量化，將該圖層與礦區(qū)的2015年土地利用圖進(jìn)行疊加分析，得到未充分利用的地類(lèi)及面積(表4)。

表4 礦區(qū)未利用及廢棄地類(lèi)面積

根據(jù)表4的礦區(qū)未利用及廢棄地類(lèi)面積數(shù)據(jù)，計(jì)算得到研究區(qū)由于煤礦開(kāi)采過(guò)程、制度等問(wèn)題導(dǎo)致的生態(tài)服務(wù)價(jià)值損失為51 394.76元?？梢钥闯?，煤礦開(kāi)采過(guò)程所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失比較嚴(yán)重，對(duì)此問(wèn)題，煤礦的后續(xù)開(kāi)采過(guò)程中應(yīng)給予重視。對(duì)于已征收但并未利用的限制耕地和礦區(qū)搬遷后廢棄的建設(shè)用地應(yīng)及時(shí)處理：未利用的土地及時(shí)還田或者還林，廢棄的建設(shè)用地及時(shí)復(fù)墾為耕地或林地，以滿足耕地需要或者生態(tài)環(huán)境保護(hù)需要。

3 小結(jié)

本研究通過(guò)對(duì)2005、2010和2015年涼水井衛(wèi)星影像進(jìn)行解譯和人機(jī)交互處理，獲取3期土地利用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，分析表明，涼水井礦區(qū)的工礦倉(cāng)儲(chǔ)用地和城鎮(zhèn)村及工礦用地面積增加明顯，2005—2015年土地利用信息熵和土地利用均衡度均呈現(xiàn)先減小后增加的格局，而土地利用結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了先向有序狀態(tài)發(fā)展后向無(wú)序狀態(tài)發(fā)展的態(tài)勢(shì)。初步測(cè)算表明，由于煤礦開(kāi)采，造成部分耕地、林地、草地和水域閑置或廢棄，直接經(jīng)濟(jì)損失超過(guò)5萬(wàn)元，煤礦后續(xù)的開(kāi)采中應(yīng)重視這一問(wèn)題，及時(shí)對(duì)廢棄建設(shè)用地進(jìn)行復(fù)墾，對(duì)征收未利用的地類(lèi)及時(shí)還田或還林。