神木凉水井矿区土地利用变化及其对生态服务的影响

尹海静，曹 飞，邵景安,2*

(1.重庆师范大学 地理与旅游学院，重庆 400047； 2.三峡库区地表过程与环境遥感重庆市重点实验室，重庆 400047)

近年来，随着大量煤矿的开发开采，矿区的土地利用结构随之发生显著变化，主要表现在耕地资源减少，而非农业用地，如煤矿临时建设用地增加。在煤矿开采过程中，煤矿采空区塌陷、矿区“三废”排放均对生态环境造成了严重危害[1-3]：破坏优质耕地，污染地下地表水源水系，破坏矿区动植物多样性，引起地面下陷、铁路断裂，使得部分道路和水利设施遭到严重损坏，严重影响当地经济社会生态的可持续性发展。

目前关于煤矿开采和保护的研究较多，但大多集中在煤矿开采对景观格局的影响[4]、煤矿开采区环境保护[5]、煤矿开采区土地适宜性评价[6-7]、煤矿开采对土壤侵蚀的研究[8]等方面，关于矿区土地利用变化对生态服务影响的研究较少。本文选取陕西省榆林市神木县凉水井矿区为研究区，利用2005、2010和2015年3个时相的卫星遥感图像，以及1∶50 000地形图数据，借助GIS技术提取研究区的土地利用信息，并在Matlab 7.0平台上计算得到2005—2015年10 a间土地利用的时空变化情况，以期为该地区土地资源合理利用、后续的煤矿开采和矿区的生态环境保护提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

凉水井矿区位于陕西省榆林市榆神矿区北部，地理坐标为38°47′29″～38°53′24″N、110°14′22″～110°21′24″E，于2005年3月20日开始建设，2007年8月2日投产试运行，2009年4月29日通过竣工验收，设计生产规模为400万t·a-1。榆商高速公路(S20)、榆神府二级公路(S204)和西包神延段铁路从煤矿工业场地南侧通过，各村之间有乡村公路相通，区内交通便利。凉水井煤矿采用斜井多水平开拓方式，布置有主斜井、回风斜井。

1.2 数据来源及预处理

1.2.1 数据来源

本研究所用的数据包括图形数据、统计数据和其他文本资料。其中，图形数据主要由陕西省陕北侏罗纪煤田凉水井矿区项目部提供，包括3期土地利用dwg格式图件、矿区空间分布图、县级行政区划图和1∶10 000分幅地形图。

2012年12月和2016年12月先后2次有针对性地对神木县凉水井矿区所在地区进行实地调研踏勘和拍照，获取土地利用类型及公众意愿等方面的统计与影像资料。问卷内容主要涉及土地利用情况、农户收入情况、农户对生态服务的评价等数据。

1.2.2 数据预处理

首先，将得到的乡镇单元的土地利用变更数据同农业用地质量分等数据、行政区划地图一起进行校正，并统一设置投影坐标系为高斯克里格投影西安1980坐标系，尽量减少图形偏移误差；然后，利用Intersect命令对第二次土地利用变更数据、农业用地质量分等数据进行数据叠合处理；最后，将统计数据和调研数据导入土地利用图层，进行可视化。

1.3 理论方法

1.3.1 土地利用变化分析方法

土地利用变化幅度通过对同一土地利用类型不同时期面积的变化程度进行计算，反映土地利用变化的总体趋势和人类活动对土地资源影响的强弱。借助单一土地利用动态度和综合土地利用动态度指数反映区域土地利用变化的速率[9]。

1.3.2 土地利用结构变化模型

土地利用结构变化可反映并衡量土地利用结构的发展变化和人为活动对其影响的程度。参考相关研究[10]，借助信息熵、均衡度和优势度3个指标衡量土地利用结构变化模型。

1.3.3 土地生态系统服务价值

参考谢高地等[11]、Costanza等[12]成果，结合研究区实际情况，借助中国陆地生态系统服务价值的平均值来刻画生态系统服价值。

2 结果与分析

2.1 土地利用变化

根据卫星影像，通过人机交互解译得到2005、2010、2015年土地利用类型。参考凉水井矿区最初规划报告，凉水井所在区域二级土地利用类型(地类)有7类：耕地、林地、草地、水域、城镇村及工矿用地、交通用地、工矿仓储用地。2005、2010和2015年不同土地利用类型的面积统计详见表1。凉水井矿区主要土地利用类型为草地，城镇村及工矿用地和工矿仓储用地的面积相对较小，二者所占比例合计小于3%。2005年，工矿仓储用地面积最少，仅占矿区面积的0.40%；2010年，工矿仓储用地面积比例增加到1.01%。2015年时，水域面积最小，占比仅为0.03%。

表1 2005、2010和2015年研究区土地利用现状

基于人机交互解译得到的土地利用类型面积计算研究区土地利用结构变化(表2)。2005—2015年，城镇村及工矿用地和工矿仓储用地的地类面积所占比例明显增加，合计占比由1.20%增加到2.37%，增加面积0.844 hm2。同时，林地面积亦呈增长趋势，2005—2015年增加了3.983 hm2。这与国家在矿区实施的植树造林、森林抚育等工程密切相关。此外，交通用地也略有增加。相反，草地、耕地和水域面积均有所减小，但变化幅度不大。

从单一动态度来看，2005—2010年工矿仓储用地的变化最大，城镇村及工矿用地次之。这是由于该时期正值矿区创建，为适应发展需要，工矿仓储用地、建设用地增加较快，加之该地区煤层较厚，随着煤矿开采，工矿用地面积增加也较快。同期水域的面积大幅减小，单一动态度达到-38.26%。2010—2015年，各个地类面积变化程度较2005—2010年有所减小，其中，变化最大的为水域，单一动态度达到-93.66%。其余地类单一动态度均小于13%。这是由于这一时期矿区的各项工作已经完全开展，相比建设初期，不再大面积修建厂房、仓库等，所以各个地类的面积变化较小。2005—2010年土地利用综合动态度较大，说明土地利用类型转变较为频繁，土地利用变化较快。

由表3可见，2005—2015年的土地利用信息熵和土地利用均衡度均呈现出先减小后增大的趋势，而土地利用优势度则呈现先增加后减小的趋势，说明研究区在这10 a土地利用类型先朝着有序状态演变，之后又朝着无序状态演变。究其原因，主要是凉水井矿区于2005年开始建设，土地利用类型开始改变，工矿用地和工矿仓储用地面积大大增加，水域和草地的面积大大减小，部分劣质耕地被开发为建设用地。至2008年，矿区土地利用类型已趋于稳定。因此，2005—2010年研究区的土地利用类型整体朝着有序状态演变。2010年后，随着改革开放的深入和经济发展方式转变、产业结构调整，神木县的社会经济飞速发展，煤矿开采成为该地区的主导产业，致使草地、耕地和水域的面积持续减少，工矿仓储用地和林地面积增加较多，土地利用类型开始增加，熵值变大，土地利用类型开始向无序状态演变。

表2 凉水井矿区2005—2015年土地利用类型 变化幅度

表3 凉水井矿区2005—2015年土地利用结构变化

2.2 生态服务价值评价

借助MapGIS 6.7平台的空间分析模块，将实地调研确定的矿区废弃地和闲置地借助1∶5 000地形图进行矢量化，将该图层与矿区的2015年土地利用图进行叠加分析，得到未充分利用的地类及面积(表4)。

表4 矿区未利用及废弃地类面积

根据表4的矿区未利用及废弃地类面积数据，计算得到研究区由于煤矿开采过程、制度等问题导致的生态服务价值损失为51 394.76元。可以看出，煤矿开采过程所带来的经济损失比较严重，对此问题，煤矿的后续开采过程中应给予重视。对于已征收但并未利用的限制耕地和矿区搬迁后废弃的建设用地应及时处理：未利用的土地及时还田或者还林，废弃的建设用地及时复垦为耕地或林地，以满足耕地需要或者生态环境保护需要。

3 小结

本研究通过对2005、2010和2015年凉水井卫星影像进行解译和人机交互处理，获取3期土地利用基础数据，分析表明，凉水井矿区的工矿仓储用地和城镇村及工矿用地面积增加明显，2005—2015年土地利用信息熵和土地利用均衡度均呈现先减小后增加的格局，而土地利用结构经历了先向有序状态发展后向无序状态发展的态势。初步测算表明，由于煤矿开采，造成部分耕地、林地、草地和水域闲置或废弃，直接经济损失超过5万元，煤矿后续的开采中应重视这一问题，及时对废弃建设用地进行复垦，对征收未利用的地类及时还田或还林。