地形复杂矿区煤炭开采景观扰动研究

邱文玮，侯湖平

（中国矿业大学环境与测绘学院，江苏 徐州221116）

煤炭在我国国民经济发展中起着重要的作用，我国煤炭资源的89%分布在太行山——雪峰山以西的11个省区，而东部省区只占11%，资源分布极不均匀［1］。近几十年我国煤炭资源开发重点主要集中在东部地区，主要的大型矿区有：两淮矿区、徐州矿区和兖州矿区［2］。这些地区地下潜水位较高，地势相对平坦，由煤炭开采引发严重的土地占用、地表塌陷、地表积水、土壤盐渍化等生态环境问题，使矿区生态景观和生态结构发生明显破坏。目前，国内外学者对矿区生态环境治理和生态修复研究已取得了一定的进展，文献［3］分析我国矿山开采的生态环境效应，提出多种典型土地复垦技术；文献［4］对淮南矿区采煤沉陷地生态环境修复的具体战略进行研究；文献［5］基于RS和GIS技术对徐州矿区生态景观修复进行了分析，但大部分研究主要集中在我国东部矿区的土地复垦理论和技术方面，基于景观、生态角度特别是地形复杂的西部矿区相应的研究还比较少。为此，本文以山西省北关矿区为例，采用RS和GIS相结合的方法，研究地形复杂矿区生态景观格局的变化特点，为西部矿区的生态环境修复和改善提供参考。

1 研究区概况

研究区位于山西省陵川县北关矿区，地处北纬35°48′15″～35°49′09″，东经 113°15′57″～113°18′41″，为典型大陆性温带气候区，年平均气温为8.0℃，年日照时数为2604h，日照率为59%，年平均降水量606.5mm，常年主导西南风，平均风速26m／s。因长期的地壳上升和侵蚀切割影响，形成了较为复杂的中低山地貌特征，总体地势表现为东高西低。北关矿区由陵川原北关煤矿、老西沟煤矿、北川煤矿整合而成，矿区井田内基岩大面积裸露，出露基岩地层主要有石炭系中同本溪组、上统太原组、二叠系下统山西组。区域内土壤类型以淋溶褐土为主，土壤相对贫瘠；耕地类型主要为旱地，种植玉米、谷子、高粱等耐旱作物；林地、灌木等木本植被呈现由东南向西北逐渐降低的分布规律，矿区生态系统结构相对稳定，物种多样性较高。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

本文数据来源主要采用轨道号为113－35，日期为 2000／05／07、2007／05／19、2010／06／12 的 三 期TM／ETM遥感影像以及2009年的DEM数据，空间分辨率分别为30m和90m。所有影像数据都经过图像几何校正，首先在ENVI软件上采用监督分类法对土地利用类型进行分类提取生成土地分类图，根据研究区域土地利用特点，将土地类型分为六类用地：工建用地（工矿用地和建筑用地）、有林地、灌木林、草地、旱地、裸地；然后在ArcGIS软件上依据DEM数据依次生成坡度、坡向图；最后将土地分类图和坡度、坡向图叠加进行分类统计分析，并在ArcGIS上依据景观分析工具对研究期间景观格局进行分析研究。

2.2 研究方法

2.2.1 景观格局指数

景观格局通常指大小和形状不一的景观斑块在空间上的排列形式［6－7］，在景观格局研究中常将嵌块体类型视为土地利用类型，即用一定级别的土地利用类型表示景观中的嵌块体类型。因此，本文将研究区景观格局种类的嵌块体类型与土地利用类型视为同义词，景观空间格局亦即为土地利用空间格局［8］，并依据矿区景观特点和研究目的，采用能反映矿区生态景观结构、功能及过程变化的景观指标。

1）破碎度（fragmentation）指数。破碎度是指景观被分割的破碎度，在一定程度上反映了人对景观的干扰程度。计算公式为

式中：Ci为i景观类型的破碎度指数；ni为景观类型i的斑块总数；Ai为i类型斑块面积。

2）分离度（division）指数。分离度是指不同景观个体分布的分离程度，分离度越大，表明景观类型在地域上越分散，景观分布越复杂，其稳定性越差。计算公式为

式中：Fi为i景观类型的分离度指数；Di为景观类型i的距离指数；Si为景观类型面积指数；Ai为景观类型i的面积；A为景观总面积；ni为景观类型i的斑块总数。

3）多样性（diversity）指数。多样性反映景观类型的多少和各景观类型所占比例的变化。各景观类型所占比例差别增大，则景观多样性下降。计算公式为

式中：H为多样性指数；Pi为景观类型i占总景观面积的比例；m为景观类型数。

4）聚集度（contagion）指数。聚集度指数描述景观中不同类型成分的团聚程度，聚集度指数越大表明景观有少数团聚的大斑块组成，越小表明景观由许多分散的小班块组成。计算公式为

式中：RC为相对聚集度指数（0～100%取值），P（i，j）表示同j类景观相邻的i类景观所占的比例；m为景观类型数；C为复杂性指数；Cmax为C的最大可能值。

2.2.2 地形因素

地形被认为是对山区植被景观格局产生稳定性制约的重要影响因素［9－11］，地形通过地貌过程，对植被景观格局产生直接作用，通过形态（如起伏、坡向等）的变化控制光、热、水和土壤养分等资源的空间再分配［12］。矿区煤炭开采对地表扰动十分明显，特别是丘陵山区，地表起伏较大更易引发水土流失、泥石流、山体滑坡等自然灾害，对矿区周边景观格局产生巨大影响。因此本文考虑地形因素中最基本和常见的坡度、坡向来分析矿区景观格局分布情况，其中坡向主要分为阳坡、半阳坡、阴坡、半阴坡四种类型。

3 结果分析

3.1 景观格局指数变化分析

陵川北关矿区属于典型的半干旱矿区，地形结构较复杂，煤炭开采过程中对周围地区产生明显的地表结构破坏和生态扰动。从表1可以看出，随着矿区煤炭开采的不断深入，研究区内景观格局发生明显变化，其中旱地面积变化最大，2000～2010年间面积减少729.2hm2，其次是有林地面积从2000年的369.47hm2增加到2010年838.71hm2，增加469.25hm2；地类面积变化最小的为工建用地，仅增加49.57hm2，平均面积维持在527.89hm2。这主要是由于煤矿井工开采使地下采空区面积不断增大，逐渐影响到地表土壤、岩层结构，在山区形成地裂缝、塌陷坑、塌陷盆地，对农业耕作产生严重的影响，使部分旱地逐渐丧失耕作能力而成为废弃地或荒草地。而对于分布在低矮山地的林地和灌木林地，由于人类活动影响以及开采造成的山体裂缝、水土流失、山体滑坡等常见的矿区生态破坏，低矮灌木植被面积减少，有林地面积反而有所增加。由此可见，人类采矿活动对地形复杂的半干旱矿区的生态景观格局具有明显的扰动性，并且在很大程度上区别与东部高潜水位矿区形成的塌陷积水等生态景观。

表1 2000～2010年矿区景观格局指数

景观指数中的破碎度指数、分离度指数既有差别又有联系，两者相互结合可以更好的体现景观类型的空间格局分布以及景观的连通性。从矿区2000～2010年各类景观的平均破碎度指数相比较，旱地破碎指数最小为0.04，其次是荒草地0.14，裸地最大1.39。由于旱地属于农业用地在研究区内分布在地势较平坦，集中连片的地区，破碎度指数较小，稳定性较好，而裸地土地利用性不高，零星分布，因此分离度较大，这在很大程度上体现了地区生产、生活用地布局特点。从不同景观类型角度分析，随着采矿活动的进行，同一景观类型格局也发生了一定的改变。其中以有林地、旱地为例，2000～2010年有林地斑块数、平均斑块面积、景观破碎度、分离度指数先增大后减小，反映了有林地在矿区生态景观过程中先后经历扰动性增大和减小的过程，在2010年平均斑块面积达到3.01hm2，破碎度和分离指数分别为0.33和1.38，体现了比2000年较好的景观稳定性；而对于农业生产的旱地其景观的连通性和稳定性则有所减弱，2000～2010年旱地斑块数呈现增加的趋势而平均斑块面积则由29.91hm2减小到17.3hm2，其斑块间的破碎程度增大。由此可以发现，在半干旱矿区煤炭开采对旱地破坏程度较大，景观扰动较明显。

从景观总体性角度评价，生态景观优劣度在很大程度上与各类景观面积比例以及各景观的聚集程度等因素密切相关，在一个自然景观系统中景观类型越丰富，景观团聚性越强，则景观稳定性越高。矿区生态系统因人类采矿活动影响，土地类型结构发生很大变化。从表2可以看出，2000～2010年矿区多样性指数增加，但集聚度指数则减少，其主要原因在于随着采煤活动的进一步深入旱地逐渐转变为草地、裸地、工建用地等用地结构。单从景观类型的均衡度而言，景观多样性增强，但由于各斑块间的分割性加大，集聚性减小，形成大面积分散的小斑块。因此，从矿区生态景观整体性分析，矿区生态质量随着煤炭开采呈现下降趋势，生态功能和生态稳定降低。

3.2 地形对景观格局的影响分析

根据表3分析，矿区各景观格局由于其生长、生产特性在地形分布上具有不同特征。有林地、草地主要分布在半阴坡，灌木林地主要分布在阴坡，而旱地、裸地和工建用地主要分布在阳坡和半阳坡，并且景观用地中工建用地的坡度最小，旱地次之，灌木林地最大，其用地布局也体现了方便农业生产和工业采矿活动自然规律。随着研究区采矿活动的不断开展，矿区范围内各类用地面积大小及其景观格局发生相应变化，其中以灌木林地、旱地、工建用地为例，2000～2010年灌木林地主要分布在阴坡地带，阴坡比例由50.0%减少到44.4%，平均坡度也由13.3°减小到13.1°，并且考虑到灌木林地面积的减少，可以推断灌木林主要在阴坡坡度较大地带受到破坏。旱地由于其耕作特性主要分布在地势较为平坦地区，从研究中发现2000～2010年旱地分布在平均坡度为7.2°左右的阳坡地带，主坡比例由2000的51.3%减少为2010年的51.0%，旱地分布略变复杂，面积减少729.2hm2。工建用地主要包括工矿用地和建筑用地，分布在地表平坦，平均坡度为6.0°地区，服务于矿业生产、加工、运输等采矿活动，2000～2010年矿区工建用地面积增加49.57hm2，平均坡度由2000年的5.5°上升为2010年的6.6°。由此可见，在矿区建设过程中，部分坡度较大地区因生产需要被改造为工建用地。基于上述分析，矿区景观格局稳定性降低，各类生产性用地坡度、坡向分布复杂度变大，部分优良土地转变为裸地等非生产性用地，不利于矿区健康持续发展。

表2 2000～2010年矿区多样性指数和聚集度指数

表3 2000～2010年矿区景观平均坡度和主要坡向格局

4 结论

煤炭资源开采对矿区生态景观具有很强的扰动性，在干旱半干旱地区常造成地表塌陷、山体滑坡、水土流失等生态破坏。本文以山西北关矿区为例，通过RS、GIS技术相结合，定性分析为基础，定量研究了地形复杂的半干旱矿区煤炭开采引起的景观格局变化特征。分析结果发现：①地形复杂矿区煤炭开采景观扰动十分明显，2000～2010年矿区旱地面积变化最明显，面积减少729.2hm2，其次是有林地，面积增加469.25hm2，面积变化最小的为工建工地。②2000～2010年矿区不同景观类型破碎度、分离度指数具有不同变化特征，在研究区旱地破碎度指数最小为0.04，斑块最完整；裸地零星分布，分离度指数达到3.77，为所有景观类型中分离度最大。③2000～2010年矿区多样性指数增加，但由于矿区人为因素扰动较强，工建用地和裸地并不属于生态用地，矿区整体景观质量呈衰退趋势，景观集聚度指数由2000年的56.1%下降为52.2%，景观稳定性减弱。④矿区景观类型具有不同地形分布特征，其布局特点与农业生产、工业活动所需的坡度、坡向条件密切相关，2000～2010年随煤炭开采各类用地的平均坡度以及主坡向面积比例有着细微变化。

［1］李堂军，王玉浚.煤炭开发西移对环境的影响与对策［J］.煤炭环境保护，2000，14（2）：5－7.

［2］杨本志，卞正富.浅议我国东部矿区的生态重建技术［J］.煤炭环境保护，2000，14（3）：7－10.

［3］彭建，蒋一军，吴健生，等.我国矿山开采的生态环境效应及土地复垦典型技术［J］.地理科学进展，2005，24（2）：38－48.

［4］崔龙鹏.对淮南矿区采煤沉陷地生态环境修复的思考［J］.中国矿业，2007，16（6）：46－52.

［5］侯湖平，张绍良，闫艳，等.基于RS，GIS的徐州城北矿区生态景观修复研究［J］.中国矿业大学学报，2010，39（4）：504－510.

［6］肖笃宁，布仁仓，李秀珍.生态空间理论与景观异质性［J］.生态学报，1997，17（5）：453－461.

［7］张世熔，龚国淑，邓良基，等.川西丘陵区景观空间格局分析［J］.生态学报，2003，23（2）：380－386.

［8］刘立成，吕世海，高吉喜，等.呼伦贝尔森林—草原交错区景观格局时空动态［J］.生态学报，2008，28（10）：4982－4991.

［9］郭晋平，王俊田，李世光.关帝山林区景观要素沿环境梯段分布趋势的研究［J］.植物生态学报，2000，24（2）：135－140.

［10］方炫，李壁成，白小梅，等.基于GIS的黄土高原小流域植被格局与地形关系研究—以固原上黄试区为例［J］.水土保持研究，2010，18（5）：162－165.

［11］张春英，卓德雄，张祖柱，等.植被景观指数随一阶地形因子分异的变化规律［J］.山西农业大学学报：自然科学版，2010，30（6）：536－541.

［12］杨永川，达良俊.丘陵地区地形梯度上植被格局的分异研究概述［J］.植物生态学报，2006，30（3）：504－513.