锡林浩特市露采煤炭区土地利用的扰动分析

关春竹，张宝林，赵俊灵，李建楠

(内蒙古师范大学化学与环境科学学院， 内蒙古 呼和浩特 010020)

锡林浩特市露采煤炭区土地利用的扰动分析

关春竹，张宝林*，赵俊灵，李建楠

(内蒙古师范大学化学与环境科学学院， 内蒙古 呼和浩特 010020)

利用锡林浩特市周边3个时期(2005，2009和2015年)的Landsat系列遥感影像，采用监督分类及人机交互解译的方法，将研究区土地利用类型分为露天采场、剥离区、排土场、矿山工业场地、农用地、城市建设用地和草地7类，对土地利用和土地覆被变化(Land-Use and Land-Cover Change，LUCC)进行分析。结果表明，草原区露天煤矿开发对草原生态系统扰动剧烈，采矿作业区(露天采场、剥离区、排土场、矿山工业场地)的面积及占比呈上升趋势，草地的面积及占比不断减少；土地利用变化转移矩阵表明，采矿扰动因素中，排土场对LUCC影响较大，对排土场进行有效复垦，可减缓生态环境破坏速度，对保护脆弱的草原生态系统具有重要意义；提出草原露采煤炭区LUCC的遥感监测可以准确反映矿区土地利用变化的动态过程和发展趋势，为矿区生态重建提供科学支持。

露采煤炭区；土地利用和土地覆被变化；遥感；锡林浩特市

土地是人类赖以生存和发展的物质基础。自20世纪90年代以来，土地利用和土地覆被变化(Land-Use and Land-Cover Change，LUCC)成为全球环境变化的重要原因，日益受到国际组织和世界各国的关注，目前已成为全球环境变化研究的前沿和热点课题[1]。

煤炭是我国的主体能源，但环境问题与煤炭开发相伴而生，如林地、耕地和草地侵占[2]，地面沉陷与地质灾害，大气污染[3-5]，水污染与水系破坏[6]，植被破坏[7]，土壤污染与土地退化[8-9]，地表生态系统破坏与水土流失，矸石山与固体废弃物占地[10]，生态系统紊乱[11]，对区域微气候及地表物质生命过程的影响，等等，严重影响了生态系统、人类健康[12]和社会经济的协调发展，其中又以露天采矿对于土地的破坏最为明显和直接。通过对露天矿区的土地利用变化进行研究，了解矿区土地利用状态及各时段的变化情况，进而分析土地利用变化驱动力因素及动态，对于矿区的合理规划、长期开发利用及生态环境的可持续发展都具有重要意义。

由于卫星遥感具有覆盖范围广、时空连续性好等特点，为研究大范围环境变化提供了可靠手段。遥感技术在煤炭资源调查[13]、开采动态监测[14]、开发状况监督[15]、煤炭开发相关环境问题监测[16]以及矿区生态恢复[17]等方面得到了广泛应用，使用了包括Landsat[18]、SPOT[17]、BJ-1[19]、Quickbird[17]等在内的中、高空间分辨率卫星遥感数据。采用遥感技术，利用不同时相遥感影像，提取土地覆盖变化等信息，并结合调查数据进行研究矿产开发活动对生态环境的影响已有一定数量的报导[20-21]。但关于煤炭生产较为集中的内蒙古地区的研究报道较少[8]，尤其是在一些中小城市及草原区开展的煤炭开发对土地利用变化影响的研究更少[22]。

对内蒙古草原煤矿区LUCC 进行系列监测和研究，有助于了解LUCC机制[23]，为干旱、半干旱草原露天煤矿区土地复垦规划和生态补偿计划提供科学依据。

1 数据与方法

1.1 研究区概况

锡林郭勒盟是欧亚大陆草原区的重要组成部分，也是内蒙古天然草地的主体。地处中纬度西风带，属中温带半干旱、干旱大陆性气候，年平均气温为1.7 ℃，≥10 ℃积温为1 600～2 300 ℃，年均降水量294.74 mm，年均蒸发量1 794.64 mm，平均风速3.5 m/s，最大冻土深度2.89 m，无霜期106 d。土壤类型主要为栗钙土，水土流失类型以风力侵蚀为主，间有水力侵蚀[22]。植被类型以典型草原为主，植被覆盖度50 %左右，植被优势种为大针茅(Stipagrandis)、羊草(Leymuschinensis)和克氏针茅(S.krylovii)等。锡林浩特市位于内蒙古自治区锡林郭勒盟，东经115°13′—117°06′，北纬43°02′—44°52′。露采研究区(约7.6万hm2)位于锡林浩特市北部，露天矿井四处分布，分属于锡林郭勒盟乌兰图嘎煤炭有限责任公司、神华北电胜利能源有限公司和内蒙古大唐国际锡林浩特矿业有限公司(图1)。

图1 2015年7月12日Landsat 8近红外、红、 绿波段假彩色合成影像

1.2 数据来源与技术方法

研究所用数据源于美国地质勘探局(United States Geological Survey，USGS)陆地资源系列卫星(Landsat)，传感器包括TM (Thematic Mapper)和OLI (Operational Land Imager)。数据获取时间为2005年9月2日、2009年8月12日和2015年7月12日。采用遥感图像处理软件ENVI进行影像处理，预处理包括辐射定标、大气校正、影像增强等。

利用3S技术对露天煤矿区LUCC状况进行监测与分析，采用监督式的基于分类后比较的变化检测法。为了保证分类精度，以实地调查GPS样点为辅助数据，通过线性拉伸、直方图均衡等图像增强技术辅助图像判读，设定土地利用判读标识，并结合影像纹理信息和外业调查检验工作，采用支持向量机法及人机交互解译相结合，将土地利用类型分为露天采场、剥离区、排土场、矿山工业场地、农用地、城市建设用地和草地7类，获得3个时期的土地利用信息。以验证样本为参考源，对分类结果进行精度验证，3个时期分类结果的总体分类精度分别为97.72 %，98.43 %和96.73 %，Kappa系数分别为0.95，0.97和0.95，分类效果较好。研究通过地物面积变化率探究矿区时空LUCC变化规律，并采用土地利用转移矩阵刻画土地利用变化的结构特征与变化方向[24]。

年平均变化率指数用于描述各类型用地面积的变化幅度、速度及土地利用变化中的类型差异。土地利用类型年平均变化率指数计算公式为：

式中：K——某种类型的年平均变化率；Ua、Ub——研究时段开始与结束时该土地利用类型的面积；T——研究时段，当设定为年时，模型结果表示该区域此类土地利用类型的年变化率。

2 结果与分析

2.1 土地利用动态变化分析

图2(a)(b)(c)为2005，2009和2015年研究区域土地利用变化遥感影像。根据该图可获得土地利用基本格局变化动态、面积变化和年均变化率(表1)。

图2 研究区域土地利用变化遥感影像 表1 研究区2005—2015年不同土地利用类型面积、比例及动态变化

土地利用类型2005年2009年2015年2005—2009年2005—2015年面积/hm2比例/%面积/hm2比例/%面积/hm2比例/%变化面积/hm2年变化率/%变化面积/hm2年变化率/%露天采场22.320.03130.500.17341.730.45108.1896.94319.41130.10剥离区187.170.25756.181.001474.291.95569.0160.801287.1262.52排土场461.340.601860.842.453644.824.821399.560.673183.4862.73矿山工业场地0.000.00981.001.291261.351.67981.001261.35农用地3036.243.982060.552.711851.482.45-975.69-6.43-1184.76-3.55城市建设用地3904.925.114843.896.377362.369.73938.974.813457.448.05草地68418.2789.5965059.1185.5759757.1278.91-3359.16-0.98-8661.15-1.15

由图2(a)(b)(c)并结合实地调查可知，内蒙古大唐国际锡林浩特矿业有限公司煤矿开采较快，占地面积增加幅度较大；农业集约化程度增加，灌溉方式转变为以大型喷灌系统为主；城镇化程度加剧，城市建设用地向东、西方向大幅扩张。

由表1可知，2005—2015年10年间露天采场、剥离区、排土场、矿山工业场地4类采矿作业区的面积及占比呈上升趋势。排土场10 年间面积增加了3 183.48 hm2，增幅较快。露天采场的总面积占比从2005年的0.03 %增长到了2015年的0.45%，增长速度较快。城市建设用地10 年间面积增加了3 457.44 hm2，增长幅度较大，表明城市化进程加快。在采矿作业区和城市建设用地面积增加的同时，农用地和草地的面积不断减少。10 年间农用地面积减少了1 184.76 hm2，草地面积减少了8 661.15 hm2。由年均变化率可以看出，草地面积呈加速减少的趋势，采矿作业区(露天采场、剥离区、排土场)和城市建设用地呈加速扩张的趋势。

2.2 土地利用结构变化分析

基于图2(a)(b)(c)，构建不同土地利用类型变化转移矩阵(表2)，土地利用结构变化及不同土地类型之间的转移情况见图3(a)(b)。

表2 2005—2015年研究区土地利用变化转移矩阵 hm2

续表

(a) 2005年 (b) 2015年 图3 研究区2005—2015年土地利用结构变化

由表2及图3(a)(b)可知，从草地转为城市建设用地和排土场的面积最多，分别为3 637.89及3 479.04 hm2；从草地转为剥离区和矿山工业场地的土地面积也都达到了1 000 hm2以上，表明草地主要的转移去向是采矿作业区(露天采场、剥离区、排土场、矿山工业场地)和城市建设用地等人工用地。

3 结论

(1) 以资源开采为原动力的锡林浩特市露采煤炭区土地利用扰动剧烈。采矿作业区的面积及占比呈显著上升趋势，且增幅较大：2005年采矿作业区面积仅为670.80 hm2，2009年为3 728.52 hm2，2015年达6 722.19 hm2；2005年采矿作业区占总面积的0.88 %，2009年占4.91 %，2015年占8.89 %。2005—2015年间露天采场年变化率为130.10 %。与此同时，草地面积及占比不断减少，且面积呈加速减少趋势，2005—2015年间草地年变化率为-1.15%。

(2) 草原露采煤炭区对草地生态系统的剧烈扰动将导致自然生态系统结构和功能的受损，并与城市化的快速推进一起对地区环境质量、景观生态和农用地等产生重大影响。2005—2015年土地利用的变化表明，露采煤炭区草原景观破碎化严重，高度破碎化意味着较高的环境风险和自然生态系统结构的破坏[25]。不同土地利用类型的转移矩阵显示，草地主要的转移去向是采矿作业区和城市建设用地等人工用地。因此，亟需开展露采煤炭区土地利用扰动引发的自然生态系统结构和功能受损、环境质量变化等研究[26]，因为草原生态环境遭到破坏，生态恢复难度大、费用高、周期长，处理不当将影响区域经济的可持续发展。

(3) 草原露采煤炭区的扰动因素中，排土场和剥离区对土地利用类型的影响较大，其面积、占比和增幅较快，因此对排土场进行有效复垦，可减缓生态环境破坏速度，对保护原本就脆弱的草原生态系统具有重要意义。LUCC遥感监测可以准确反映矿区土地利用变化的动态过程和发展趋势，为露天矿区生态重建规划提供科学支持。在欧洲，50%以上的矿区土地复垦为草地或林地；而在中国，70 %以上矿区复垦为农业用地[27]。研究区域的土地利用变化转移矩阵表明，目前我国植被恢复治理工作进展缓慢。

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栏目编辑 周立平

Analysis on Land Use Disturbances of Surface Coal Mining in Xilinhot

GUAN Chun-zhu， ZHANG Bao-lin*， ZHAO Jun-ling， LI Jian-nan

(CollegeofChemistry&EnvironmentalSciences，InnerMongoliaNormalUniversity，Hohhot，Neimenggu010020，China)

According to Landsat images over Xilinhot acquired in 2005， 2009 and 2015， using supervised classification and human-computer interactive interpretation， the land use type was divided into seven classes， i. e.， open stope， stripping area， waste-dump area， mine industrial area， farmland， urban area and the original landscape. Dynamic analysis on LUCC showed that open-pit coal mine in the grassland disturbed grassland ecosystem violently. The coverage and proportion of mining operation areas (open stope， stripping area， waste-dump area， mine industrial field) increased， while those of the original landscape decreased continuously. The transfer matrix of land use change showed that waste-dump had the largest impacts in the mining disturbance， and that the effective reclamation of waste-dump areas would slow down the eco-environment destruction， as would be of great significance in protecting the fragile grassland eco-system. Remote sensing monitoring of open-pit coal mining in grassland would accurately reflect the dynamics and trend of LUCC， as would provide scientific support for ecological reconstruction in open-pit mining area.

Coal surface mining； Land-Use and Land-Cover Change； Remote sensing； Xilinhot

10.3969/j.issn.1674-6732.2017.02.004

2016-11-11；

2016-12-07

国家自然科学基金资助项目(D0104/41261048)

关春竹(1991—)，女，硕士，研究方向为3S技术应用。

*通讯作者：张宝林 E-mail：nmzhangbaolin@hotmail.com

X508

A

1674-6732(2017)02-004-05