采矿活动作用下矿业城市景观格局的演变特征

叶 欣， 董 伦， 吕利娜

(黑龙江科技大学 矿业工程学院， 哈尔滨 150022)

0 引 言

矿业资源型城市是重要的能源资源战略保障基地，是国民经济持续健康发展的重要支撑[1]。长期以来，部分矿区开发强度过大，资源利用率较低，生态环境破坏严重，新的地质灾害隐患不断出现，致使矿业城市的可持续发展面临重大考验[2-4]。为了实现矿区可持续发展，实现城市发展愿景，矿业城市景观格局空间结构的研究，引起了许多科学家的关注[5-7]。

针对矿业城市景观格局的研究主要着眼于采用土地利用/覆被变化的“过程-格局-机理”模式[8-10]，或结合单一梯度构建的分析方法[11]，对矿业城市土地利用变化趋势、空间结构演变过程与机理开展研究[12]。矿区土地景观格局的变化是一个以资源开采为原动力的动态时空演变过程[13]，与一般城市相比，矿业城市在自然环境、社会经济以及发展模式等方面都存在明显差异。通常情况下，矿业城市的产业结构单一，城市发展依托煤炭资源的生产[14]，而城市景观格局是城市发展的外在表象，城市发展变化必然影响着景观格局的变化[15-18]。此外，煤炭开采造成地下采空区的出现，进而引发地表塌陷，使得土地利用结构分散，城市景观格局整体结构被破坏[19]。为了修复土地功能，土地开垦和植被恢复也使得矿区景观格局演变过程更加复杂[20]。因此，研究采矿活动下的矿业城市景观格局，有助于构建合理的土地生态系统，对矿业城市的转型和可持续发展具有重要意义。不过，当前研究大多忽视了采矿活动作为关键驱动力对城市发展的影响，使得研究结果难以体现矿业城市在发展过程中的形态特征和分异规律。

针对上述问题，笔者以鸡西市主城区为研究对象，基于景观生态学理论方法，采用RS与GIS技术，对研究区不同时期景观结构、分布和演变特征进行分析，揭示采矿活动及地形梯度影响下的城市景观格局演变规律，以期为矿业城市土地资源的保护、合理开发及城市转型发展提供决策支持。

1 研究区域概况

1.1 概况

鸡西市位于中国黑龙江省东南部，共辖9个县级行政区，幅员面积2.25万平方公里。截至2018年，鸡西市地区生产总值为535.2亿元，人口172.7万人。该地区资源十分丰富，已探明煤炭储量达到30亿t，保有储量20亿t。由于矿区经历了80多年的煤炭开采，如今已形成114 km2地下采空区面积，地表采煤沉陷区高达193 km2。土地的严重塌陷及破坏带来了耕地减少、土地荒漠化与水土流失等问题。同时，受到煤炭资源空间分布和地质条件的影响，城市空间结构分散，聚合程度较低，难以形成良好的规模效应和集聚效应。

1.2 数据来源

文中通过地理空间数据云下载了2005、2010和2015年的Landsat遥感影像作为数据源，空间分辨率为30 m，通过目视解译将研究区景观类型划分为建设用地、耕地、草地、林地、和水域。此外，文中收集了DEM数据，用于计算研究区的高程和坡度。

2 研究方法

2.1 景观格局指数

景观格局指数是高度浓缩的景观格局和景观动态信息，被广泛用于了解景观格局的组成成分、空间配置和动态变化过程[21]。研究选取描述景观组成和空间构型两类景观水平指数，如表1所示。

表1 选取的景观水平指数

2.2 地形位指数

为体现出地形高度与坡度对景观格局分布的综合影响，将高程与坡度两个因子组合为地形位指数[22]，以此来表现地形梯度的差异。

(1)

式中：T——地形位指数；

E——高程；

S——坡度；

从式(1)中可以看出，高程和坡度与地形位指数呈正相关，即高程和坡度越大，则地形位指数越大，反之地形位指数越小。

2.3 分布指数

梯度对景观格局的影响可简化为不同等级梯度上各种景观类型的分布频率。为了消除不同梯度下各类景观类型的面积比例各不相同所带来的量纲差异，可利用分布指数来探讨景观格局的梯度分布特征[23]。

(2)

式中：P——分布指数；

Sie——e级梯度上景观类型i的分布面积；

Si、Se——景观类型i和e级梯度在研究区内的总面积；

S——研究区总面积。

当P<1时，表示景观类型i在e级梯度上分布频率较低；当P>1时，表示景观类型i在e级梯度上分布频率较高。P值越大，表示分布的偏好性越强。

3 结果与分析

3.1 景观格局

Fragstats是美国俄勒冈州立大学的Kevin Mcgarigal和Eduard Ene开发的计算景观指数的经典软件。由于其功能强大，现已成为景观格局研究的常用工具[24-25]。文中利用Fragstats4.2软件计算出景观指数如表2所示。

从景观破碎化角度看，由于长期的煤炭开采产生了大面积沉陷区。地面塌陷改变了原有的地形地貌，产生了大量的塌陷坑和积水湿地。在这些新的景观不断出现和采矿用地的分散布局共同影响下，形成了多个独立的斑块，使斑块数量nNP、斑块密度γPD逐年增加。最大斑块指数kLPI逐年下降说明原有集中的自然景观斑块面积也随着采煤沉陷区的出现而变小。蔓延度指数kC逐年下降体现了景观斑块连通性降低，综合反映出景观破碎化程度逐年加深。从景观异质性上来看，塌陷水体作为相对孤立的斑块出现，使水路交界带增多，香浓多样性指数ηSHDI和香浓均匀度指数ηSHEI指数的逐年上升，综合体现了研究区景观类型异质化程度呈现增加的趋势。从景观边缘效应上来看，边缘长度lTE、边缘密度γED和景观形状指数kLSI逐渐升高，反映出采煤活动强度的加剧对区域景观斑块的切割作用，使景观类型趋于零散，形状也越趋于不规则，边缘数量增大，景观的形状也更加复杂化。

表2 研究区2005-2015年景观指数变化

3.2 景观分布

从地形位指数等级的分布来看(表3)，研究区内地形梯度以中低(1～7级)等级为主，1～5级面积占比为76.41%，其中4级和5级面积占比为最高，分别达到22.19%和21.52%；6～7级地形梯度面积占比为21.84%，8～10级地形梯度面积占比最小，仅为1.75%。随着地形梯度的增加，景观分布面积占比依次先增大后减小。

研究区地势呈现北高南低的分布趋势(图1)，且低等级地势(1～3级)集中在研究区东北部，覆盖了大部分建设用地区域。地形梯度上各景观类型的分布指数如图2所示。

图1 研究区地形梯度的空间分布Fig. 1 Spatial distribution of TG in study area

图2 地形梯度上各景观类型的分布指数Fig. 2 Distribution index of landscape types on terrain gradients

表3 地形位分级区间和面积统计

由图2可以看出，耕地分布指数在3个研究时段中曲线形态基本相似，在1级地形梯度上数值最高，并呈现随着梯度的增加逐渐下降的趋势，体现出耕地集中分布于低地势区域。低海拔且地势平坦地区较适宜耕作，研究区实际情况与土地适宜性理论相符。林地对高地形区域具有较强的适应性，在高等级梯度上分布优势明显，但在高地势区林地的数量逐年下降。建设用地分布指数总体呈逐渐降低趋势，表明在研究区内建设用地适宜在低地势上发展，其分布严格受地形的限制，但随着城市化进程的加快，城市规模的不断扩张，低地势上的建设用地面积降低，为了满足城市发展的扩张需求，建设用地的发展向高地势区域拓展。草地主要分布于中高地势区域，分布情况在研究时段中波动复杂，但大体都呈现先增加后降低的趋势。其中，2015年在高地势区域分布指数下降较快，主要是受到耕地和林地侵占的影响。水域主要分布在低地势区域上，分布指数呈下降趋势。

3.3 景观格局演变

通过分析景观指数在不同地形梯度下的变化，进一步研究采矿活动对景观格局演变的影响及规律。图3为地形梯度上景观破碎化表征指数。

由图3可知，斑块数量在3级地形梯度上达到最大值，并随着地势的增加逐渐减少。斑块密度在1级地形梯度上数值较高，在中低梯度上呈现斑块密度逐渐下降的趋势，9、10级地形梯度面积较小且斑块种类单一，造成该高地形梯度上γPD明显升高。蔓延度指数总体走势呈现先下降后上升趋势，2005—2015年在低等级梯度上的数值逐年降低，反映出低等级梯度上的连通性较低。城市建设用地主要分布于低地形梯度上，且城市建设多依矿而建，受煤炭分布的影响，城市格局比较分散，而采煤形成的塌陷坑和积水湿地进一步造成了矿区景观的破碎化，程度在逐渐加强，且在低地形梯度上破碎化严重。

图3 地形梯度上景观破碎化表征指数Fig. 3 Landscape fragmentation characterization index on terrain gradient

图4反映了研究区景观异质化特征，香浓多样性指数与香浓均匀度指数都呈现出先缓慢升高再快速下降的趋势，优势区段为1～4级，在3级梯度达到最高值。2005—2015年间，指数在低地势区段逐年升高，在中高地势区段略有下降，反映出在城区景观异质性较大，高等级地形梯度上随着城市建设用地及工矿用地的减少，景观异质性逐渐减小。采矿活动在低等级地形梯度上造成的景观破碎化是导致景观异质性呈现该特征的主要原因。

图4 地形梯度上景观异质性表征指数Fig. 4 Landscape heterogeneity index on terrain gradient

从图5景观边缘效应表征指数可以看出，边缘长度和景观形状指数的整体趋势相似，均呈现先快速上升后快速下降的趋势，并且在4级梯度等级上达到最大值；边缘密度随着地形梯度的增加呈现出先缓慢下降再快速下降的趋势。采矿活动造成的景观破碎化，切割区域景观斑块，导致景观类型分布更加分散且形状趋于复杂。这种作用在低地形梯度上更加明显，对这些区域的生物多样性影响更加剧烈。

图5 地形梯度上景观边缘效应表征指数Fig. 5 Landscape edge effect index on terrain gradient

4 讨 论

采矿活动具有时间持续性、空间扩展性和强干扰性，使得矿业城市景观生态系统受到严重影响。这种影响具有时间和空间上的累积效应[26]。研究发现，采矿活动对矿业城市景观格局的影响主要表现在景观破碎化、景观异质化和边缘效应3个方面。具体来说：研究区工矿用地在建设用地中比重较大，呈分散状布局，使整体景观连通性下降，同时长期的采矿活动造成了大面积的采煤沉陷区，导致区域的整体景观破碎程度较高；露天开采造成表土剥离毁坏，并压占大量土地，导致煤矿用地与周边的土地类型产生巨大差异，形成了一个个独立的斑块，增加了研究区内的斑块破碎化程度和景观异质化程度；煤炭开采引起地面沉降和裂缝，破坏了原有的砂页岩地层含水、隔水系统，形成的塌陷水体作为相对孤立的斑块出现，使水陆交界带增多，根据生态学中的边缘效应理论，斑块边缘地带往往具有较高物种丰富度和初级生产力[27]，因此塌陷水体边缘区的物种多样性具有增加的趋势。

5 结 论

(1)2005—2015年，鸡西市主城区景观结构发生了巨大的变化，呈现出景观破碎度升高、景观多样性和均匀性程度加强、边缘数量增加且边缘形状复杂化的特征。

(2)鸡西市景观格局在梯度上呈现显著的分布差异特征，城市破碎化、异质化程度及边缘效应在低地势区域变化明显，反映出采矿活动对低地势区域的景观格局影响更加剧烈。

(3)多年的煤炭生产活动产生了大量的工矿废弃地和采煤塌陷地，给鸡西市土地利用带来了一定困难。推进绿色开采、土地复垦与修复工程的实施，持续、充分挖掘鸡西市城镇建设用地现有土地潜力，提高土地利用集约度，将有利于矿区土地整治与景观生态格局的优化。