基于GIS和RS的煤礦區土地利用景觀格局梯度變化研究

武文一，劉 瑛，楊曉暉

（1.中國電力工程顧問集團 中南電力設計院，武漢 430071；2.三峽大學 水利與環境學院，湖北 宜昌 443002；3.中國林業科學研究院 林業研究所，北京 100091）

基于GIS和RS的煤礦區土地利用景觀格局梯度變化研究

武文一1，劉 瑛2，楊曉暉3

（1.中國電力工程顧問集團 中南電力設計院，武漢 430071；2.三峽大學 水利與環境學院，湖北 宜昌 443002；3.中國林業科學研究院 林業研究所，北京 100091）

為了揭示煤炭開采驅動力與土地利用景觀格局變化的耦合關系，應用GIS和RS技術，采用景觀軟件FRAGSTATS，從景觀水平和斑塊水平兩個層次上對烏東礦區及其周邊區域景觀指數的變化規律進行了研究。結果表明：煤炭資源開采對區域影響強度的不同是區域景觀格局產生梯度變化的主要原因。研究成果有助于探索煤炭開采對土地利用空間格局的影響，也可為同類地區土地利用空間格局的研究，提供科學參考依據。

景觀格局；梯度變化；煤礦；景觀指數；土地利用

煤礦集煤炭資源開采、土地資源占用與破壞為一體，是資源、環境與人口矛盾相對集中顯現的區域之一［1］。煤礦的開采不可避免會導致原有土地利用方式、程度及地表覆被狀況等發生巨大改變，從而影響礦區土地資源的存在形式，使礦區土地利用與景觀結構發生變化。土地利用/覆被變化是導致景觀結構變化的重要因素［2］。近年來景觀格局及其動態變化的研究，已經成為景觀生態學的研究熱點［3－7］，但煤礦區景觀格局的研究非常薄弱。本文以烏東礦區及其周邊地區為例，從景觀生態學的角度，對距烏東礦區不同距離區域的景觀指數進行分析，揭示隨著煤礦開采影響力的逐漸減弱，景觀格局所呈現出的變化規律，并在此基礎上探討煤炭開采對景觀格局的影響。研究成果有助于探討煤炭開采對土地利用空間格局的影響［8］，也可為同類地區土地利用空間格局的研究，提供科學參考數據。

1 研究區概況

研究區位于天山山脈博格達峰北麓的山前傾斜平原，主要土地利用類型為荒漠草原、耕地和林地。地勢為西南高，東北低，起伏不大。該區位于歐亞大陸腹地，遠離海洋，屬中溫帶大陸性干旱氣候。區域降水量少，蒸發旺盛，光照充足，熱量豐富。據米泉氣象站資料記載，該區年平均氣溫7.2℃，＞10℃的積溫3 542℃，無霜期190d。年均降水量218.3mm，蒸發量卻高達2 448.4mm以上。項目區土壤類型主要有鹽化灰漠土、棕鈣土、灰灌漠土、灌溉灰漠土及灌漠土。本研究對象烏東礦區位于烏魯木齊市區東北側米東區境內，烏東煤礦地處鐵廠溝鎮與盧草溝鄉，項目主體所在的鐵廠溝鎮是集煤礦開采、工業開發、特色養殖、旅游農業為一體的多種經濟融合的鄉鎮。

2 研究方法

本研究解譯使用的信息源主要為LANDSAT 5－TM美國陸地衛星5遙感影像，數據獲取時間為2006年9月3日。首先對TM影像進行了必要的輻射校正和增強處理，然后結合DEM、土壤圖、植被圖及野外調查結果，采用監督分類和目視解譯相結合的方法對土地利用/覆蓋進行解譯。土地利用分類系統采用新頒布的《土地利用現狀分類》標準［9］。利用ArcMAP 9.2和景觀指數計算軟件Fragstats 3.3，對研究區不同地類的景觀指數進行計算，以揭示距礦區不同距離土地利用景觀格局所呈現的變化規律。研究范圍即烏東礦區邊界基礎上每隔500m做一條緩沖帶，共做4條緩沖帶。對于景觀指數的選取，考慮到各指數的相關性和局限性，在參考相關文獻的基礎上［10－11］，景觀尺度上選擇了斑塊密度（PD）、最大斑塊指數（LPI）、周長－面積分維數指數（PAFRAC）、蔓延度指數（CONTAG）和Shannon均勻度指數（SHEI）5個景觀指數；斑塊尺度上則選用景觀比例（PLAND）、斑塊密度（PD）、平均斑塊面積（AREA＿MN）、周長－面積分維數指數（PAFRAC）4個景觀指數，來評價煤炭開采對土地利用景觀格局的影響。

3 結果與分析

3.1 斑塊水平上不同景觀指數的空間梯度變化及驅動力分析

隨著緩沖區逐漸遠離井田開采區，煤炭開采對土地利用景觀格局的影響逐漸減弱，各土地利用類型的景觀指數呈現不同的變化趨勢。隨著緩沖區逐漸遠離井田開采區，草地的景觀比例、周長－面積分維數、平均斑塊面積都呈減少的趨勢，斑塊密度的變化趨勢則相反。林地和耕地的變化趨勢則隨著緩沖帶向外延伸，景觀比例和斑塊密度不斷提高。其它用地的景觀比例在井田及與其相鄰緩沖區內相對較高，最高達到了11.07%。工礦建筑用地和住宅用地集中在礦區及附近的緩沖區，其景觀比例和斑塊密度在這個區域達到最大，分別為4.27%和11.09個/100hm2（圖1）。

圖1 不同景觀指數梯度變化

不同景觀要素的空間格局變化與煤炭開采密切相關，煤炭資源的開采對研究區特別是井田及其附近區域的景觀要素影響較大。煤炭開采改變了部分土地的利用方式，地下煤層開采造成的沉陷導致部分樹木根系斷裂和地下水位下降，使林地發生退化，林地面積減少；另外地表沉陷還可能導致部分耕地棄耕。林地和耕地的不斷退化，導致井田內林地、耕地景觀比例低于其它緩沖區。煤炭開采促進了草地向周圍景觀的滲透，使得草地大面積連片存在，這是井田區草地景觀比例、周長分維數和平均斑塊面積均高于其它緩沖區，而斑塊密度小于其他緩沖區的主要原因。

研究區煤礦主要為鄉鎮煤礦，規模較小，多位于村鎮附近。工礦用地和住宅用地集中分布在礦區及與其相鄰的緩沖區內；小煤礦開采產生的廢棄礦坑和排矸場未能及時復墾造成的荒地也集中在井田區及其周邊區域，使得其他用地的景觀比例、斑塊密度、周長分維數均在礦區及其相鄰緩沖區內達到最大。

3.2 景觀水平上研究區景觀格局的空間變化

由表1可知，景觀層次而言，隨著逐漸遠離煤炭開采區，最大斑塊指數、周長－面積分維數指數、蔓延度均呈降低趨勢。斑塊密度指數雖然變化規律不明顯，但所有緩沖區的斑塊密度指數均大于井田的斑塊密度指數。以上指數變化表明：煤炭開采改變了礦區部分土地的利用方式。開采造成地表沉陷和地下水位下降，使部分林地退化、耕地棄耕，客觀上促進了草地向周邊其它景觀擴散，使礦區草地面積增加，草地斑塊連片分布。這是井田內最大斑塊指數、蔓延度、周長分維數均高于其它緩沖區，而斑塊密度小于其它緩沖區的主要原因。隨著逐漸遠離開采區，草地所占的比例有所減少，草地景觀趨于破碎，這一點可以在最大斑塊指數中得到印證。

表1 不同區域的景觀指數

均勻度指數與其它指數不同，隨著緩沖區逐漸遠離開采區呈先增加后減少的變化規律。隨著研究區逐漸遠離礦區，煤炭開采導致的地表沉陷影響逐漸減弱。農業用地所占比例大幅增加，削弱了草地的優勢地位，研究區景觀格局的異質性得到了提高。整體來看，各緩沖區均勻度均高于井田區，說明井田區的空間異質性較低，草地占主導地位。雖然隨著緩沖區逐漸遠離井田區，草地作為景觀基質的地位沒有改變，但是草地對景觀的控制作用有所下降［5］，區域景觀的均勻度有所提高。

4 結論與討論

隨著煤炭開采影響的逐漸減弱，研究區土地利用結構表現出了顯著的空間格局變化規律。從斑塊水平來看，草地的景觀比例、周長分維數、平均斑塊面積都隨著緩沖區向外延伸呈減少的趨勢，斑塊密度的變化趨勢則相反。林地、耕地的景觀比例和斑塊密度則不斷提高，而分維數和平均斑塊面積則不斷減少。從景觀水平來看，緩沖區向外延伸，最大斑塊指數、周長－面積分維數指數、蔓延度均呈降低趨勢，而斑塊密度指數雖變化規律不太明顯，但所有緩沖區的斑塊密度指數均大于井田內的斑塊密度指數。

煤炭資源開采對區域影響強度的不同，是研究區景觀指數變化的主要因素。煤炭資源開采對環境的影響主要表現在土地占壓、地表植被破壞、地表沉陷［12］以及大量疏矸水排泄導致的地下水位下降等方面。煤炭資源開采對礦區及其附近區域景觀要素影響較大：一方面，煤炭開采使得圍繞煤炭生產和加工的企業在礦區附近不斷聚集；另一方面，由于塌陷面積的增加，一些居民點和工礦被迫遷移［13］，進行集中安置。上述原因共同導致了工礦建筑用地、住宅用地呈集中分布；受煤炭開采和地表沉陷的影響，造成了大量土地的塌陷，形成沉陷積水區，使得井田及其附近區域的林地和耕地發生退化［14］；同時，部分土地由于地表沉陷修復措施的應用，使得原有的土地利用方式無法得以延續，絕大部分轉化為人工促進的半天然草地，特別是礦區內分布的旱田基本上也轉化為草地。煤炭開采促進了草地向周圍景觀的滲透，使得井田區草地大面積連片存在。

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Study on the Gradient Changes in Landscape Pattern of Land Use in Coal Mining Area Based on GIS and RS Technology

WU Wen－yi1，LIU Ying2，YANG Xiao－hui3
（1.Central Southern China Electric Power Design Institute of China Power Electric Engineering Consulting Group，Wuhan430071，China；2.College of Hydraulic ＆Environmental Engineering，Three Gorges University，Yichang，Hubei443002，China；3.Research Institute of Forestry，Chinese Academy of Forestry，Beijing100091，China）

In order to determine coupling relationship between coal mining driving force and landscape pattern of land use，GIS and RS technology combined with landscape pattern analysis software FRAGSTATS were applied to analyze the change of landscape spatial pattern in Wudong mining area and its surrounding regions at the landscape level and patch level.The results showed that：the various effects of coal resources exploitation on the regions were the main reason that caused the change of landscape spatial pattern in the study area.The results will be helpful to explore the effects of coal exploitation on the landscape spatial pattern and can also apply a basement for the similar areas.

landscape pattern；gradient variation；coal mine；landscape index；land use

F301.24；TP79

A

1005－3409（2011）06－0177－03

2011－03－28

2011－05－23

國家科技支撐計劃課題（2006BAD26B05）

武文一（1982－），男，山西榆次人，碩士研究生，工程師，研究方向：水土保持與荒漠化防治。E－mail：wuwenyi011＠163.com

楊曉暉（1968－），男，內蒙古赤峰人，博士，研究員，主要研究方向：景觀生態學與荒漠化防治。E－mail：yangxh＠forestry.ac.cn