煤炭開采對泥河小流域土地利用及景觀格局的影響

王 慧，馮啟言，刁鑫鵬，孟 磊

(1. 中國礦業大學江蘇省老工業基地資源利用與生態修復協同創新中心,江蘇 徐州 221116; 2. 中國礦業大學環境與測繪學院，江蘇 徐州 221116； 3. 中國礦業大學物聯網(感知礦山)研究中心,江蘇 徐州 221116)

土地利用是人類為了達到一定的社會經濟目的，利用和改造土地資源的活動[1]。景觀格局是指景觀組成單元的類型、數目，以及空間分布與配置[2]，反映了土地生態過程的作用結果[3]。煤炭資源的高強度開采嚴重影響了礦區土地資源，易形成塌陷坑積水區[4]，引起土地利用的變化[5]，進而引起景觀格局的變化[6]，導致景觀功能變化或衰退。近年來，如何定量分析景觀格局的變化特征得到國內外學者的關注[7-11]，而針對人類采礦活動下區域土地利用變化與景觀格局演變的研究較少[12-16]。本文利用多源遙感數據，針對煤炭資源蘊藏豐富的淮南泥河流域，從土地利用幅度、速度和轉移方面分析流域土地利用動態變化，從景觀斑塊類型尺度和整體景觀格局尺度對流域景觀格局時空演變進行分析,為今后合理配置其景觀格局和實現礦區土地可持續利用提供依據。

1 研究區概況

泥河發源于安徽省鳳臺縣米集，地處116°37′E—117°5′E，32°41′N—32°56′N，屬淮河支流水系。基于ArcGIS 10.2地表水文分析工具模塊，提取出泥河流域邊界。泥河流域屬淮北平原，地形平坦。流域內已建成6個現代化礦井(如圖1所示)，按照投產時間分別為:潘一礦(1983年)、潘二礦(1989年)、潘三礦(1992年)、丁集礦(2007年)、潘北礦(2008年)和朱集礦(2010年)，其中潘一礦已于2018年9月停產。

2 數據與方法

2.1 遙感數據源及預處理

利用7期多源遙感影像作為數據源，包括Landsat衛星TM(1987、1994、2006、2009年)、ETM+(2000年)和OLI(2013、2017年)3種傳感器，多光譜波段空間分辨率為30 m，下載自地理空間數據云網站。在ENVI 5.1遙感處理平臺下，對圖像進行幾何精校正、融合、裁剪、圖像增強等操作，完成圖像預處理。為了減少時間跨度大、坐標系不統一帶來的誤差，將融合好的2000年的ETM+影像作為基準影像，對TM影像、OLI影像進行配準，總殘差RMS誤差在0.3個像元以內。由于本文只用于圖像分類，未進行輻射校正不影響總體精度。

2.2 土地利用分類

參考《土地利用現狀分類》標準(GB/T 21010—2017)，并結合泥河流域土地利用特征及煤炭開采對當地景觀產生的影響，采用監督分類中支持向量機(SVM)[17]分類方法，結合紋理特征、光譜信息，將流域土地利用類型劃分為耕地、建設用地、自然水體、林地、園地和塌陷水體6種類型，最后對以上6種地類各選取不與訓練樣本重疊的點作為驗證樣本進行精度檢驗，Kappa系數達到0.8以上。塌陷水體是根據分類提取出的水體與礦井采場工作面進行GIS空間疊加，并結合遙感影像的特征進行識別。

2.3 土地利用變化指數

(1) 土地利用變化幅度：主要反映不同土地利用類型面積總量上的變化，可以反映出該區域內土地利用變化的總體趨勢及該時段人類活動對土地資源影響的強弱[18]。其表達式為

(2) 單一土地利用動態度：景觀變化速率的區域差異情況可以用單一土地利用動態度模型來反映[19]。其表達式如下

式中，K為一定時段內某一土地利用類型動態度；Ua和Ub分別為研究初期和研究末期某一土地利用類型的數量；T為研究時段長。當T設為年時，K表示該研究區域土地利用年變化率。

(3) 土地利用綜合動態度：描述整個區域土地覆蓋變化的速度，綜合考慮了研究期內土地覆蓋類型間的轉移[20]。其模型為

式中，LUi為監測起始時間第i類土地利用類型面積；ΔLUi-j為監測時段內第i類土地利用類型轉為非i類土地利用類型面積的絕對值；T為監測時段長度。當T的時段設定為年時，LC的值即為該研究區土地利用年變化率。

2.4 泥河流域景觀格局指數選取

景觀格局反映了景觀斑塊在空間上的分布和排列情況。在SVM監督分類結果的基礎上，利用Fragstats 4.2軟件得到景觀格局指數，從景觀類型和景觀格局水平兩方面對泥河流域30年來景觀格局演變情況進行分析。

選用6個景觀指標分析各景觀類型格局，分別為斑塊數量(NP)、斑塊密度(PD)、面積加權平均形狀因子(SHAPE_AM)、面積加權分維數(FRAC_AM)、最大斑塊指數(LPI)、斑塊類型百分比(PLAND);選用8個指標分析流域整體景觀格局，分別為NP、平均斑塊面積(AREA_MN)、邊緣密度(ED)、景觀形狀指數(LSI)、蔓延度(CONTAG)、斑塊聚集度指數(AI)、香農均勻度指數(SHEI)和香農多樣性指數(SHDI)[21]。

3 結果與分析

利用SVM對泥河流域多時相遙感影像進行監督分類，得到泥河流域1987—2017年7期土地利用分類結果，其中1987、2000、2006、2017年的土地利用變化情況如圖2所示。從圖中可以看出，30年來在煤炭開采影響下，塌陷水體范圍逐漸增大，建設用地擴張明顯，泥河流域土地利用方式發生較大改變。在此基礎上分析泥河流域土地利用和景觀格局的演變情況。

3.1 流域土地利用變化特征

3.1.1 土地利用變化幅度與速度

根據公式計算得出泥河流域土地利用變化指數，見表1。

從表1可以看出，耕地在2000—2006年變化幅度最大，減小速度為2.13%；建設用地變化幅度一直為正，1987—1994年增幅最大，增速為8.84%；塌陷水體變化幅度也一直為正，1987—1994年增幅最大，增速達到了313.48%；自然水體、林地和園地的變化幅度較小；從綜合土地利用動態度來看，2006—2009年和2009—2013年土地利用轉化較劇烈，表明期間地類轉化頻繁。綜合1987—2017年，土地利用增加速度和增幅最快的是塌陷水體，增速為949.25%；建設用地次之，增速為7.8%；林地和園地的增幅較小，增速較慢。土地利用減少幅度最大、速度最快的是自然水體，減小速度為1.25%；耕地次之，減小速度為0.85%。土地利用綜合動態度較小，僅為0.56%。

3.1.2 土地利用轉移分析

在ArcGIS中把1987—2017年7期土地利用圖進行兩兩疊加，并對1987和2017年兩期進行疊加，得到1987—1994、1994—2000、2000—2006、2006—2009、2009—2013、2013—2017、1987—2017不同時期的土地利用轉移矩陣，其中1987—2017年土地利用類型轉移矩陣見表2，分析土地利用轉移情況。

表1 泥河流域1987—2017年土地利用變化指數統計 (%)

表2 1987—2017年泥河流域土地利用轉移矩陣 hm2

由表2可以看出，耕地主要向建設用地、塌陷水體和自然水體轉移，主要轉入源有建設用地和自然水體，分別占耕地轉入面積的56.83%和42.41%；建設用地轉入面積為16 965.81 hm2，有92%的轉入來自耕地；自然水體分別有27.36%和24.63%轉化為耕地和建設用地；塌陷水體主要由耕地轉入，凈增加面積為2 281.05 hm2。林地和園地的保有率較低，不超過0.1%，主要是因為林地與園地自身面積小，轉出率又高。綜合1987—2017年，泥河流域主要的土地利用轉變類型為耕地和建設用地的相互轉變及耕地向塌陷水體的轉變。

3.2 流域景觀格局演變

3.2.1 流域各景觀類型格局演變

基于Fragstats 4.2軟件計算結果，得出流域各景觀類型指數變化(如圖3所示)，從表征景觀破碎度的指數(NP、PD)、表征景觀形狀的指數(SHAPE_AM、FRAC_AM)和表征景觀優勢度的指數(PLAND、LPI)3方面對泥河流域30年間各景觀類型演變特征進行分析。

(1) 破碎度分析。由圖3可知，1987—2017年，建設用地斑塊數量和斑塊密度呈先上升后下降趨勢，2000年達到最大值；耕地和塌陷水體的斑塊數量和斑塊密度先上升后下降，2006年達到最大值，2013年又有上升趨勢。這說明建設用地、耕地和塌陷水體經歷了不斷破碎化到景觀逐漸完善的過程，主要是因為前期城市化建設的加快占用了大片耕地，破壞了原有的景觀結構，將大面積的連續生境分割成面積較小的斑塊，并且隨著礦井開采數量的增加，所形成的塌陷水體斑塊數量也在增大。2006年之后，塌陷地周圍自然村搬遷形成了集中的城市化新鄉鎮，礦區修復治理工作也在進行，使得礦區的景觀逐漸完善。林地、園地的斑塊數量和斑塊密度始終較小，呈小幅度上下擺動，自然水體波動較大。

(2) 形狀指數分析。由圖3可知,耕地、建設用地和自然水體的分維數較高，說明其斑塊形狀較為復雜，主要是因為耕地在人為活動下形狀變得不規則，建設用地和自然水體多呈條帶狀，相互滲透交錯，形狀結構復雜。林地、園地和塌陷水體分維數較低，說明其形狀規則，受人為干擾較大，由于采煤導致地面塌陷形成的水體，多呈圓形、橢圓形的坑狀分布，形狀較為簡單。1987—2017年間，建設用地面積加權平均形狀因子處于上升趨勢，由1987年的5.424 6上升到2017年的22.010 3，說明建設用地的邊緣效應增大，隨著礦井的相繼投入生產，工礦用地增加，建設用地呈現形狀的多樣化。耕地、園地面積加權平均形狀因子先上升后下降，說明其形狀經歷了由趨于復雜到趨于簡單的變化，主要是因為礦區復墾使耕地集中規劃，許多小斑塊連接在一起，形狀由不規則慢慢向規則化轉變。其他3類面積加權平均形狀因子隨時間上下波動，自然水體和塌陷水體于2006年達到最大值，分別為8.814 7和4.605 2，林地波動較小，2006年達到最小值1.273 6。

(3) 優勢度分析。由圖3可知,景觀百分比和最大斑塊指數可以近似表征某類景觀的優勢度。30年來，耕地一直處于優勢地位，但處于不斷減小的狀態。與此同時，建設用地的最大斑塊指數與百分比呈上升趨勢。1987—2017年，耕地最大斑塊指數由79.706 0降為38.745 5，建設用地由0.854 0上升為13.420 4，說明流域耕地的優勢性在減弱，建設用地的優勢性在增強。這是因為城鎮化進程不斷加快，加上煤炭開采力度加強及工業廣場的擴建，耕地被大量占用。自然水體的最大斑塊指數和百分比總體在減小，表明其優勢性減弱。塌陷水體最大斑塊指數一直上升，前期上升緩慢，2009年之后上升速度加快。林地和園地最大斑塊指數和百分比較小，且變化也較小。

3.2.2 流域整體景觀演變特征

基于Fragstats 4.2軟件計算得出景觀格局指數變化，從景觀破碎化(NP、AREA_MN)、景觀邊緣效應(ED、LSI)、景觀異質化(SHDI、SHEI)和景觀連通性(AI、CONTAG)4個方面對泥河流域30年間整體景觀格局演變特征進行分析。

(1) 景觀破碎化分析。從表征破碎化的斑塊數量(NP)和平均斑塊面積(AREA_MN)(如圖4所示)來看，1987—2000年，斑塊數量逐年增加，由14 684上升到20 567，平均斑塊面積逐年減小，說明期間景觀破碎化加劇；2000—2017年，斑塊數量呈下降趨勢，由20 567減小到6699，平均斑塊面積則呈上升趨勢，說明期間景觀破碎化程度減緩。綜合來看，泥河流域景觀格局前期破碎化，2006年之后由于礦區修復工作的進行，景觀逐漸完善，連續性增強。

(2) 景觀邊緣效應演變分析。從表征景觀邊緣效應的邊緣密度(ED)和景觀形狀指數(LSI)(如圖5所示)來看，1987—2006年ED和LSI逐漸升高，表明邊緣形狀越來越復雜，2006年以后ED和LSI呈下降趨勢，景觀形狀趨于規則。這主要是因為前期煤礦開采新增了工礦用地并形成一定數量的塌陷水體，使景觀形狀趨于復雜，之后由于自然村莊統一搬遷使居民用地更加集中，使得邊緣形狀趨于規則。

(3) 景觀異質化演變分析。從表征景觀異質化程度的香農多樣性指數(SHDI)和香農均勻度指數(SHEI)(如圖6所示)來看，1987—2006年，SHDI和SHEI呈快速上升趨勢，SHDI由0.570 5上升至0.881 5，說明在此期間流域可能受到人為活動特別是采煤的干擾，增加了景觀的多樣性，各斑塊均勻分布。2006—2017年，兩者在2009年小幅下降后又呈緩慢上升趨勢。綜合1987—2017年，多樣性指數由0.570 5上升到0.922 2，均勻度指數由0.318 4上升到0.514 7，說明研究區各景觀類型異質化程度在降低，趨于均衡化。

(4) 景觀連通性分析。從描述景觀斑塊凝聚程度的指數斑塊聚集度指數(AI)和蔓延度(CONTAG)(如圖7所示)來看，1987—2006年，CONTAG和AI呈下降趨勢，表明研究區這一時期斑塊分布逐漸離散，景觀內斑塊之間連通性較差。2006—2017年，前期蔓延度和斑塊聚集度逐年升高，說明這一時期隨著礦區復墾工作及城鎮建設的集中，使得斑塊聚集度升高，連通性也升高。2013—2017年有小幅度下降，斑塊聚集度有所降低。綜合1987—2017年來看，蔓延度和斑塊聚集度都呈先降低后增加的趨勢，說明流域經歷了由逐漸離散到逐漸集中的過程。

4 結 語

利用Landsat遙感影像，分別從土地利用幅度、速度、轉移情況、景觀類型和整體景觀尺度對采煤影響下淮南泥河小流域土地利用與景觀格局演變規律進行了分析。結果表明：煤炭開采影響下，塌陷水體范圍逐漸增大，耕地被大量占用，建設用地擴張明顯，30年間塌陷水體和建設用地分別增加了2 281.05、14 741.73 hm2，耕地減少了15 044.67 hm2。泥河流域主要的土地利用轉變類型為耕地和建設用地的相互轉變及耕地向塌陷水體的轉變。采煤驅動下近30年來，建設用地、耕地和塌陷水體經歷了不斷破碎化到景觀逐漸完善的過程。建設用地的邊緣效應增大，林地形狀規則，園地、耕地斑塊形狀經歷了由復雜到簡單的變化。耕地一直處于優勢地位，塌陷水體和建設用地的優勢性在增強，自然水體優勢性減弱。流域整體景觀格局以2006年為轉折點，前期呈現破碎化、不規則化、異質化和低連通性變化的特征，后期呈現連續化、規則化、均衡化及高連通性變化的特征。這主要是因為隨著礦井相繼投產，煤炭開采力度加強，工礦用地占用了耕地，景觀被阻隔，并且形成大量塌陷水體，使得景觀破碎，形狀多樣化；2006年之后隨著礦區塌陷地附近自然村莊搬遷至集中的城鎮化新村鎮及礦區治理工作的進行，使得礦區生態有所恢復，朝著景觀連續化方向發展。

隨著礦區煤炭資源的不斷開采，區域土地利用方式會繼續改變，塌陷水體面積還會持續擴大。筆者認為可以通過發展水產養殖或建成人工濕地公園、平原水庫對塌陷水體進行治理，進一步合理規劃景觀空間布局，優化礦區生態環境，促進礦區的可持續發展。