基于3S的平朔矿区土地利用及景观格局演变研究

韩武波2，贾 薇，孙泰森

（1.山西农业大学资源环境学院，山西太谷030801；2.山西省国土资源厅，山西太原030024；3.山西大学环境与资源学院，山西太原030006）

煤炭资源作为社会经济发展重要的基础材料与能源工业，为中国经济建设做出了巨大的贡献，但也造成了严重的生态环境问题与社会问题。主要表现为景观生态功能丧失或降低，景观生态环境恶化，生态平衡受到破环。现今矿区生产活动引起的土地利用和景观格局蜕变的现象已受到重视，利用3S技术对监测土地利用变化，及时掌握土地演变信息并做出相应预测、优化、调控体系显得更为必要。为了使矿区土地利用景观格局演变这一动态问题处于可持续、平稳状态，依据中国露天矿土地复垦与生态重建方法技术，应充分、相对完整地研究矿区的土地利用和景观格局演变规律，对开展矿区人工复合生态系统建设具有重要的意义。

1 研究区域概况及区域景观类型

1.1 研究区域概况

平朔矿区地处黄土高原晋陕蒙接壤的黑三角地带，山西省北部的朔州市境内,地理坐标为东径112°10′58"—113°30′，北纬39°23′—39°37′，包括安太堡露天煤矿、安家岭露天煤矿和东露天煤矿三个大型露天矿田。本文中所指的平朔矿区是包含平朔矿区所在的7个乡镇，总面积约为826 km2。

1.2 研究区域景观类型

本研究主要参考国土资源部制定的《全国土地分类（试行）》，同时综合考虑遥感图像分辨率和各景观类型在矿产开采中的功能特征，将研究区景观生态划分为10种类型：草地、林地、耕地、建设用地、水域、未利用地、矿坑采掘区、排土场（已复垦）、矿坑边坡、矿坑剥离区。

2 研究方法

首先从ENVI软件中的Change Detection功能对3个时相的景观组分图进行栅格叠加，得到不同年份间景观类型的转移矩阵，从而定量、定位分析景观组分在各斑块类型间地相互转变方向、强度和位置。在此基础上，采用空间格局指数法，利用3个时相的景观组分图和景观格局指数分析景观变化，从斑块类型水平和景观水平两个各层面上进行研究。利用景观格局分析软件FRAGSTATS，得出以下具有代表性的指标：斑块类型面积、斑块密度、最大斑块指数、边缘密度、斑块平均大小、平均分维数、散布与并列指数、景观形状指数、香农多样性指数、香农均匀度指数、蔓延度指数。

3 研究结果分析

3.1 平朔矿区的土地利用动态分析

通过对2001年、2004年、2009年3个时相的TM遥感影像进行处理，利用ArcGIS的统计工具可获得矿区的土地利用转移矩阵（表1、表2）。这两个时段的土地利用动态变化过程分析如下：

（1）2001—2004年间，整体趋势是耕地、水域、矿坑剥离区持续减少，耕地减少的面积最大，而其余地类都在增加，林地、草地增加的面积较大。从各类转化关系来看，耕地33.83%转化为草地，12.87%转化为林地，主要原因是矿区积极开展退耕还林还草。林地、矿坑边坡、矿坑采掘区的动态变化最为显著，矿坑边坡和矿坑采掘区的增长趋势是由于煤炭的不断生产所引起的。剥离区虽然减少的面积不大，但是每年的动态变化中下降的最快，是由于矿坑剥离区有35.78%转化为已复垦的排土场，主要原因是矿区采取及时跟进的土地复垦措施。

表1 2001—2004年土地利用转换矩阵Tab.1 Land use transition matrix from 2001 to 2004

（2）2004—2009年间，耕地、林地、水域、未利用地面积持续减少，草地、矿坑采掘区、矿坑边坡、矿坑剥离区、排土场的面积都在增加。主要原因是东露天矿的开采建设，企业扩张兼并其周围部分村庄；耕地的转出率为42.78%，主要转化为草地，转出率为33.1%，主要原因除了退耕还林还草等保护措施以外，主要是企业在开采东露天矿区时注重边开采边复垦的保护措施，将土地复垦和生态重建的意识贯穿于整个建设过程。通过以上分析可以看出，2001年到2009年平朔矿区各土地类型的总转移变化情况为：建设用地一直保持较高的转入量和极低转出量，说明人类的生产生活活动较为频繁，扩大矿区规模诸如东露天矿的开采建设以及城镇化的步伐加快等。而耕地则相反，草地和林地的转入量较高。这主要是因为退耕还林还草政策的推行。因此，对于东露天矿的开采建设，今后应该更加积极开展土地复垦措施，以增加耕地的有效面积，将粮食保护放在安全要位。

3.2 平朔矿区的土地利用景观格局演变分析

平朔矿区景观格局演变的主要特征景观破碎度和异质性增加，以及随着东露天矿的建设发展，煤炭资源开采量的增加，工矿区规模不断扩大，部分村镇转化为工矿建设用地。

3.2.1 景观斑块类型指数变化分析 采用FRAGSTATS软件和EXCEL计算各时相景观水平景观指数（图1—7）。

（1）斑块数量和面积变化分析。耕地是最大的斑块类型，面积呈递减趋势，2001—2004年期间减少了30%，同时耕地的斑块密度增加，最大斑块指数减少，从而表明耕地的破碎化随着矿产资源的开发变得加剧；以及城镇和农村居民点镶嵌在广大的耕地区域中，城镇和农村居民点的扩张，人口增长，这些都会直接或间接的破坏耕地大斑块的面积。建设用地斑块、最大斑块指数、斑块密度均有所增加，这主要是由于东露天矿的生产建设，煤炭资源产量增加，引起企业规模扩大和矿区工业广场建设面积增加，与此同时，矿区的扩张对周边地区的征地政策，促使当地失地居民加速对其他土地的使用。这反映了人为开采活动的强干扰性，以及矿区的扩张建设所引发的土地社会职能问题。

表2 2004—2009年土地利用转换矩阵Tab.2 Land use transition matrix from 2004 to 2009

（2）斑块类型空间构型特征分析。在边缘密度变化方面，林地、草地、未利用地的边缘密度2001—2004年增加到2009年却减少，说明林地、草地、未利用地的布局先呈分散化趋势后呈集聚化趋势，而建设用地、剥离区则相反。其中，林地的边缘密度增加的幅度最为显著，表明林地的破碎化速度和程度都最大。耕地、水域的边缘密度呈递减趋势，表明耕地的布局逐渐分散，而矿坑采掘区、矿坑边坡、排土场的边缘密度呈增长趋势，说明矿区作业区集聚化趋势更加明显。从各时相的散布与并列指数来看，在2001—2009年，排土场的IJI值为最大，说明现今排土场与其他所有类型近乎等量相邻，亦说明矿区作业区的复垦状况良好。

（3）斑块形状特征变化分析。从2001年到2009年，林地、草地、耕地、未利用地的平均分维数均有所增加，水域、矿坑采掘区是从2001年到2009年先减少后增加，说明斑块形状变的越来越复杂，景观受人类的生产和生活的影响，稳定性变差。水域的平均分维数最大，说明其形状最不规则。矿坑边坡、矿坑剥离区是从2001—2009年先增加后减少，建设用地、排土场是呈递减趋势，说明随着矿区采取的土地复垦措施，其形状变得较为规则，景观的稳定性较好。

图1 2001—2009年斑块类型面积指数Fig.1 The indices of CA in different years from 2001 to 2009

图2 2001—2009年斑块密度指数Fig.2 The indices of PD in different years from 2001 to 2009

图3 2001—2009年最大斑块指数Fig.3 The indices of LPI in different years from 2001 to 2009

图4 2001—2009年边缘密度指数Fig.4 The indices of ED in different years from 2001 to 2009

图5 2001—2009年斑块平均大小指数Fig.5 The indices of AREA_MN in different years from 2001 to 2009

图6 2001—2009年平均分维数指数Fig.6 The indices of FRAC_MN in different years from 2001 to 2009

图7 2001—2009年散布与并列指数Fig.7 The indices of IJI in different years from 2001 to 2009

3.2.2 景观水平景观指数变化分析 采用FRAGSTATS软件和数据库软件计算各时相景观水平景观指数（表3）。

表3 2001—2009年各时相景观水平指数Tab.3 The indices of landscape types in different years from 2001 to 2009

从表3得出：在研究期，景观形状指数先增后减，表明斑块在自然与人为的干扰下，形状先变得复杂化而后变得相对规整；香农多样性指数增大，说明斑块类型增加或各斑块类型在景观格局中的空间分布更加均衡化；香农均匀度指数增大，表明各景观斑块类型在空间上分布的均匀程度有所增加；散布与并列指数增大，说明景观斑块各类型间相邻的类型有增大的趋势，接壤的景观类型丰富度有所增加；蔓延度指数减少，表明研究区小斑块个数较多或优势斑块连接度低，景观的破碎化较大，呈破碎化和异质化趋势。

产生这些变化的原因主要为：矿区在脆弱的黄土高原生态环境气候下，采取土地复垦和生态重建措施，土地利用多样化和均匀化发展，而且近年来的退耕还林还草措施政策以及平朔煤矿的工业旅游规划的建设等。

4 结论

平朔矿区整个景观向着复杂化、多样性、破碎化、边界不规则化的方向发展，其主要原因为人类开采活动的强干扰性，但研究得出在此不断的干扰演变中，土地复垦措施为矿区的生态重建奠定了重要基础，有效地指引矿区的可持续规划并且防止由于矿区生产生活活动引起的土地利用和景观的过度蜕变。

本研究将工矿区的情况置身于当地社会、经济、生态环境等各个方面，以追求一种长远的、稳定的、可持续的状态。生态建设目标的多元性和动态性，决定了矿区土地复垦内容和标准应随其不断调整优化。因此，随着煤矿生产活动的推进，必须要综合考虑矿区的开采活动对土地和植被等生态环境的影响，也要注重矿山开采活动对当地人口迁徙、村镇搬迁以及生产生活方式的影响变化，加强以人口迁徙布局为核心内容对动态调控理论、技术和整体方案的研究，实施有效的恢复治理措施和政策，促进矿区生产生活环境的和谐发展。

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