地形復雜礦區煤炭開采景觀擾動研究

邱文瑋，侯湖平

（中國礦業大學環境與測繪學院，江蘇 徐州221116）

煤炭在我國國民經濟發展中起著重要的作用，我國煤炭資源的89%分布在太行山——雪峰山以西的11個省區，而東部省區只占11%，資源分布極不均勻［1］。近幾十年我國煤炭資源開發重點主要集中在東部地區，主要的大型礦區有：兩淮礦區、徐州礦區和兗州礦區［2］。這些地區地下潛水位較高，地勢相對平坦，由煤炭開采引發嚴重的土地占用、地表塌陷、地表積水、土壤鹽漬化等生態環境問題，使礦區生態景觀和生態結構發生明顯破壞。目前，國內外學者對礦區生態環境治理和生態修復研究已取得了一定的進展，文獻［3］分析我國礦山開采的生態環境效應，提出多種典型土地復墾技術；文獻［4］對淮南礦區采煤沉陷地生態環境修復的具體戰略進行研究；文獻［5］基于RS和GIS技術對徐州礦區生態景觀修復進行了分析，但大部分研究主要集中在我國東部礦區的土地復墾理論和技術方面，基于景觀、生態角度特別是地形復雜的西部礦區相應的研究還比較少。為此，本文以山西省北關礦區為例，采用RS和GIS相結合的方法，研究地形復雜礦區生態景觀格局的變化特點，為西部礦區的生態環境修復和改善提供參考。

1 研究區概況

研究區位于山西省陵川縣北關礦區，地處北緯35°48′15″～35°49′09″，東經 113°15′57″～113°18′41″，為典型大陸性溫帶氣候區，年平均氣溫為8.0℃，年日照時數為2604h，日照率為59%，年平均降水量606.5mm，常年主導西南風，平均風速26m／s。因長期的地殼上升和侵蝕切割影響，形成了較為復雜的中低山地貌特征，總體地勢表現為東高西低。北關礦區由陵川原北關煤礦、老西溝煤礦、北川煤礦整合而成，礦區井田內基巖大面積裸露，出露基巖地層主要有石炭系中同本溪組、上統太原組、二疊系下統山西組。區域內土壤類型以淋溶褐土為主，土壤相對貧瘠；耕地類型主要為旱地，種植玉米、谷子、高粱等耐旱作物；林地、灌木等木本植被呈現由東南向西北逐漸降低的分布規律，礦區生態系統結構相對穩定，物種多樣性較高。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

本文數據來源主要采用軌道號為113－35，日期為 2000／05／07、2007／05／19、2010／06／12 的 三 期TM／ETM遙感影像以及2009年的DEM數據，空間分辨率分別為30m和90m。所有影像數據都經過圖像幾何校正，首先在ENVI軟件上采用監督分類法對土地利用類型進行分類提取生成土地分類圖，根據研究區域土地利用特點，將土地類型分為六類用地：工建用地（工礦用地和建筑用地）、有林地、灌木林、草地、旱地、裸地；然后在ArcGIS軟件上依據DEM數據依次生成坡度、坡向圖；最后將土地分類圖和坡度、坡向圖疊加進行分類統計分析，并在ArcGIS上依據景觀分析工具對研究期間景觀格局進行分析研究。

2.2 研究方法

2.2.1 景觀格局指數

景觀格局通常指大小和形狀不一的景觀斑塊在空間上的排列形式［6－7］，在景觀格局研究中常將嵌塊體類型視為土地利用類型，即用一定級別的土地利用類型表示景觀中的嵌塊體類型。因此，本文將研究區景觀格局種類的嵌塊體類型與土地利用類型視為同義詞，景觀空間格局亦即為土地利用空間格局［8］，并依據礦區景觀特點和研究目的，采用能反映礦區生態景觀結構、功能及過程變化的景觀指標。

1）破碎度（fragmentation）指數。破碎度是指景觀被分割的破碎度，在一定程度上反映了人對景觀的干擾程度。計算公式為

式中：Ci為i景觀類型的破碎度指數；ni為景觀類型i的斑塊總數；Ai為i類型斑塊面積。

2）分離度（division）指數。分離度是指不同景觀個體分布的分離程度，分離度越大，表明景觀類型在地域上越分散，景觀分布越復雜，其穩定性越差。計算公式為

式中：Fi為i景觀類型的分離度指數；Di為景觀類型i的距離指數；Si為景觀類型面積指數；Ai為景觀類型i的面積；A為景觀總面積；ni為景觀類型i的斑塊總數。

3）多樣性（diversity）指數。多樣性反映景觀類型的多少和各景觀類型所占比例的變化。各景觀類型所占比例差別增大，則景觀多樣性下降。計算公式為

式中：H為多樣性指數；Pi為景觀類型i占總景觀面積的比例；m為景觀類型數。

4）聚集度（contagion）指數。聚集度指數描述景觀中不同類型成分的團聚程度，聚集度指數越大表明景觀有少數團聚的大斑塊組成，越小表明景觀由許多分散的小班塊組成。計算公式為

式中：RC為相對聚集度指數（0～100%取值），P（i，j）表示同j類景觀相鄰的i類景觀所占的比例；m為景觀類型數；C為復雜性指數；Cmax為C的最大可能值。

2.2.2 地形因素

地形被認為是對山區植被景觀格局產生穩定性制約的重要影響因素［9－11］，地形通過地貌過程，對植被景觀格局產生直接作用，通過形態（如起伏、坡向等）的變化控制光、熱、水和土壤養分等資源的空間再分配［12］。礦區煤炭開采對地表擾動十分明顯，特別是丘陵山區，地表起伏較大更易引發水土流失、泥石流、山體滑坡等自然災害，對礦區周邊景觀格局產生巨大影響。因此本文考慮地形因素中最基本和常見的坡度、坡向來分析礦區景觀格局分布情況，其中坡向主要分為陽坡、半陽坡、陰坡、半陰坡四種類型。

3 結果分析

3.1 景觀格局指數變化分析

陵川北關礦區屬于典型的半干旱礦區，地形結構較復雜，煤炭開采過程中對周圍地區產生明顯的地表結構破壞和生態擾動。從表1可以看出，隨著礦區煤炭開采的不斷深入，研究區內景觀格局發生明顯變化，其中旱地面積變化最大，2000～2010年間面積減少729.2hm2，其次是有林地面積從2000年的369.47hm2增加到2010年838.71hm2，增加469.25hm2；地類面積變化最小的為工建用地，僅增加49.57hm2，平均面積維持在527.89hm2。這主要是由于煤礦井工開采使地下采空區面積不斷增大，逐漸影響到地表土壤、巖層結構，在山區形成地裂縫、塌陷坑、塌陷盆地，對農業耕作產生嚴重的影響，使部分旱地逐漸喪失耕作能力而成為廢棄地或荒草地。而對于分布在低矮山地的林地和灌木林地，由于人類活動影響以及開采造成的山體裂縫、水土流失、山體滑坡等常見的礦區生態破壞，低矮灌木植被面積減少，有林地面積反而有所增加。由此可見，人類采礦活動對地形復雜的半干旱礦區的生態景觀格局具有明顯的擾動性，并且在很大程度上區別與東部高潛水位礦區形成的塌陷積水等生態景觀。

表1 2000～2010年礦區景觀格局指數

景觀指數中的破碎度指數、分離度指數既有差別又有聯系，兩者相互結合可以更好的體現景觀類型的空間格局分布以及景觀的連通性。從礦區2000～2010年各類景觀的平均破碎度指數相比較，旱地破碎指數最小為0.04，其次是荒草地0.14，裸地最大1.39。由于旱地屬于農業用地在研究區內分布在地勢較平坦，集中連片的地區，破碎度指數較小，穩定性較好，而裸地土地利用性不高，零星分布，因此分離度較大，這在很大程度上體現了地區生產、生活用地布局特點。從不同景觀類型角度分析，隨著采礦活動的進行，同一景觀類型格局也發生了一定的改變。其中以有林地、旱地為例，2000～2010年有林地斑塊數、平均斑塊面積、景觀破碎度、分離度指數先增大后減小，反映了有林地在礦區生態景觀過程中先后經歷擾動性增大和減小的過程，在2010年平均斑塊面積達到3.01hm2，破碎度和分離指數分別為0.33和1.38，體現了比2000年較好的景觀穩定性；而對于農業生產的旱地其景觀的連通性和穩定性則有所減弱，2000～2010年旱地斑塊數呈現增加的趨勢而平均斑塊面積則由29.91hm2減小到17.3hm2，其斑塊間的破碎程度增大。由此可以發現，在半干旱礦區煤炭開采對旱地破壞程度較大，景觀擾動較明顯。

從景觀總體性角度評價，生態景觀優劣度在很大程度上與各類景觀面積比例以及各景觀的聚集程度等因素密切相關，在一個自然景觀系統中景觀類型越豐富，景觀團聚性越強，則景觀穩定性越高。礦區生態系統因人類采礦活動影響，土地類型結構發生很大變化。從表2可以看出，2000～2010年礦區多樣性指數增加，但集聚度指數則減少，其主要原因在于隨著采煤活動的進一步深入旱地逐漸轉變為草地、裸地、工建用地等用地結構。單從景觀類型的均衡度而言，景觀多樣性增強，但由于各斑塊間的分割性加大，集聚性減小，形成大面積分散的小斑塊。因此，從礦區生態景觀整體性分析，礦區生態質量隨著煤炭開采呈現下降趨勢，生態功能和生態穩定降低。

3.2 地形對景觀格局的影響分析

根據表3分析，礦區各景觀格局由于其生長、生產特性在地形分布上具有不同特征。有林地、草地主要分布在半陰坡，灌木林地主要分布在陰坡，而旱地、裸地和工建用地主要分布在陽坡和半陽坡，并且景觀用地中工建用地的坡度最小，旱地次之，灌木林地最大，其用地布局也體現了方便農業生產和工業采礦活動自然規律。隨著研究區采礦活動的不斷開展，礦區范圍內各類用地面積大小及其景觀格局發生相應變化，其中以灌木林地、旱地、工建用地為例，2000～2010年灌木林地主要分布在陰坡地帶，陰坡比例由50.0%減少到44.4%，平均坡度也由13.3°減小到13.1°，并且考慮到灌木林地面積的減少，可以推斷灌木林主要在陰坡坡度較大地帶受到破壞。旱地由于其耕作特性主要分布在地勢較為平坦地區，從研究中發現2000～2010年旱地分布在平均坡度為7.2°左右的陽坡地帶，主坡比例由2000的51.3%減少為2010年的51.0%，旱地分布略變復雜，面積減少729.2hm2。工建用地主要包括工礦用地和建筑用地，分布在地表平坦，平均坡度為6.0°地區，服務于礦業生產、加工、運輸等采礦活動，2000～2010年礦區工建用地面積增加49.57hm2，平均坡度由2000年的5.5°上升為2010年的6.6°。由此可見，在礦區建設過程中，部分坡度較大地區因生產需要被改造為工建用地。基于上述分析，礦區景觀格局穩定性降低，各類生產性用地坡度、坡向分布復雜度變大，部分優良土地轉變為裸地等非生產性用地，不利于礦區健康持續發展。

表2 2000～2010年礦區多樣性指數和聚集度指數

表3 2000～2010年礦區景觀平均坡度和主要坡向格局

4 結論

煤炭資源開采對礦區生態景觀具有很強的擾動性，在干旱半干旱地區常造成地表塌陷、山體滑坡、水土流失等生態破壞。本文以山西北關礦區為例，通過RS、GIS技術相結合，定性分析為基礎，定量研究了地形復雜的半干旱礦區煤炭開采引起的景觀格局變化特征。分析結果發現：①地形復雜礦區煤炭開采景觀擾動十分明顯，2000～2010年礦區旱地面積變化最明顯，面積減少729.2hm2，其次是有林地，面積增加469.25hm2，面積變化最小的為工建工地。②2000～2010年礦區不同景觀類型破碎度、分離度指數具有不同變化特征，在研究區旱地破碎度指數最小為0.04，斑塊最完整；裸地零星分布，分離度指數達到3.77，為所有景觀類型中分離度最大。③2000～2010年礦區多樣性指數增加，但由于礦區人為因素擾動較強，工建用地和裸地并不屬于生態用地，礦區整體景觀質量呈衰退趨勢，景觀集聚度指數由2000年的56.1%下降為52.2%，景觀穩定性減弱。④礦區景觀類型具有不同地形分布特征，其布局特點與農業生產、工業活動所需的坡度、坡向條件密切相關，2000～2010年隨煤炭開采各類用地的平均坡度以及主坡向面積比例有著細微變化。

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