礦業(yè)城市景觀格局時空演變分析
——以淮南市潘集區(qū)為例

于偉宣，毛 亞，劉 樾，林 萌，肖 銳

(1. 武漢大學遙感信息工程學院，湖北 武漢 430079； 2. 中國礦業(yè)大學環(huán)境與測繪學院，江蘇 徐州 221116)

人類進行煤炭資源開發(fā)利用過程中會對區(qū)域生態(tài)和景觀產(chǎn)生干擾和破壞[1]。伴隨著礦產(chǎn)資源的大量開采，產(chǎn)生了大面積的地下采空區(qū)，引發(fā)土地沉陷，極大影響著區(qū)域地表景觀格局[2]。采空區(qū)沉陷導致整個區(qū)域景觀類型的組成和結構發(fā)生相應的變化，使得礦業(yè)城市成為資源、環(huán)境與人口矛盾相對集中顯現(xiàn)的區(qū)域之一；同時各礦區(qū)為實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展相繼開展了土地復墾等修復性工作，使得區(qū)域景觀格局變得更為復雜。景觀格局分析是景觀生態(tài)學基本理論研究的重要組成部分，也是景觀生態(tài)評價、規(guī)劃、管理及建設等應用方向的基礎[3]。通過對景觀格局指數(shù)的變化分析可以將區(qū)域景觀的空間特征與時間過程聯(lián)系起來，進一步挖掘人類活動強度與景觀結構演變的潛在規(guī)律，從區(qū)域尺度上探究兩者之間的關系。近年來，如何定量探究人類采礦活動下區(qū)域景觀格局演變成為國內外學者關注的研究熱點[4-5]。

淮南市作為我國重要的能源基地，是一座以煤炭開采利用為主的資源型城市，區(qū)域發(fā)展與環(huán)境保護之間矛盾較為突出，生態(tài)問題日益凸顯[6]。潘集區(qū)作為淮南市重要的煤炭開采區(qū)域，轄區(qū)內原煤儲量豐富，煤炭資源開發(fā)是潘集區(qū)主要的經(jīng)濟支柱，研究其區(qū)域內景觀格局時空變化規(guī)律，揭示人類采礦活動與其景觀內在變化的關系，對潘集區(qū)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。本文試圖通過對研究區(qū)內土地利用動態(tài)變化及景觀格局指數(shù)的時空變化分析，探討礦業(yè)城市人類活動影響下景觀格局變化的一般規(guī)律，為相關研究提供一種新的思考方式，為該地區(qū)生態(tài)環(huán)境評估以及景觀格局優(yōu)化提供理論和技術支持。

1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

潘集區(qū)位于安徽省淮南市北部，東與懷遠縣相鄰，西與鳳臺縣毗鄰，瀕臨淮河，總面積為600 km2，是淮南國土面積最大的區(qū)，下轄1個街道、9個鎮(zhèn)、1個民族鄉(xiāng)。研究區(qū)屬于淮北平原，全區(qū)地勢特征為西北高東南低，平均海拔22 m。屬暖溫帶季風氣候，四季分明，雨量充沛。同時，由于季風氣候的影響，使研究區(qū)降雨和高溫均出現(xiàn)在同一季節(jié)，區(qū)域內土壤含水豐富，并具有較豐富的古地理沉積資源。境內原煤探明儲量37億噸，有七大煤礦、三大電廠，被譽為“華東第一煤電大區(qū)”。

1.2 數(shù)據(jù)來源與預處理

以2期(2005/05/02、2009/05/03)Landsat TM影像、1期(2013/05/13)Landsat8 OLI影像(分辨率30 m×30 m)共3期Landsat衛(wèi)星系列遙感影像和ASTER GDEM V2數(shù)字高程模為基礎數(shù)據(jù)，參考淮南市統(tǒng)計年鑒，結合野外調查成果進行景觀類型劃分。利用ENVI5.1及ArcGIS10.1軟件對影像數(shù)據(jù)進行預處理及裁剪，將景觀類型劃分為耕地、建設用地、林地、水體4大類，并利用最大似然分類器進行分類(如圖1所示)。利用Google Earth進行精度評估，結果顯示，2005、2009和2013年景觀分類圖的總體分類精度分別為95.69%、88.06%和91.24%，Kappa系數(shù)分別為0.93、0.82、0.86，符合分類精度要求。

圖1 2005、2009、2013年潘集區(qū)景觀類型

2 研究方法

景觀格局(landscape pattern)一般指景觀的空間格局，反映景觀斑塊在空間上的分布和排列情況[7]。景觀格局與生態(tài)過程是景觀生態(tài)學研究的重要內容，在景觀生態(tài)學中，常采用景觀指數(shù)法來定量研究景觀格局的異質性[8-10]。景觀指數(shù)高度概括景觀格局信息，通過單個或多個指數(shù)組合，將格局與過程聯(lián)系起來，具體的數(shù)值通過其表征的生態(tài)學意義來描述區(qū)域景觀格局及其變化。景觀格局指數(shù)分為斑塊水平指數(shù)(patch-level index)、斑塊類型水平指數(shù)(class-level index)及景觀水平指數(shù)(landscape-level index)[11]。本文根據(jù)景觀指數(shù)的相關性，結合潘集礦區(qū)的特點，從斑塊類型水平指數(shù)和景觀水平指數(shù)入手，分析研究區(qū)在不同尺度上的景觀格局變化，具體指標體系見表1。

3 結果分析

3.1 潘集區(qū)土地利用變化分析

耕地是研究區(qū)內景觀基質，而建設用地、水體和林地則以斑塊或廊道的形式鑲嵌其中(如圖1、圖2所示)。從圖2可以看出，研究期內潘集區(qū)耕地、水體和林地面積以相近的速率減少，而建設用地所占比重急劇增加，已由2005年的22.3%增長到2013年的32.2%。為了更加清晰地分析2005—2013年潘集區(qū)各景觀類型變化的特征及方向，計算出研究區(qū)內景觀類型轉移矩陣(見表2)。由表2可知，2005—2013年近10年內潘集區(qū)耕地轉出面積總量達3 577.32 hm2，為轉出量最多的景觀類型。其中，耕地轉化為建設用地的面積最大，為3 168.81 hm2，占耕地轉出總面積的88.6%。同時發(fā)現(xiàn)研究期內潘集區(qū)水體在持續(xù)減少，這與礦區(qū)土地復墾有著密切的關系，將在下文中繼續(xù)討論。

表1 景觀格局指標體系

圖2 潘集區(qū)景觀類型特征

3.2 潘集區(qū)景觀格局時空演變分析

3.2.1 斑塊類型水平指數(shù)變化分析

本文選取斑塊個數(shù)(NP)、斑塊密度(PD)、斑塊所占景觀面積的比例(PLAND)、散布與并列指數(shù)(IJI)、最大斑塊所占景觀面積的比例(LPI)、聚合度指數(shù)(AI)6個景觀斑塊類型指標進行計算與分析。由圖3可以看出，2005—2013年間，區(qū)域內耕地、建設用地及林地斑塊數(shù)量整體呈先增后降的趨勢，且建設用地的斑塊個數(shù)較其他景觀類型占主導優(yōu)勢。ED的變化與NP變化趨勢總體相似，但林地的邊界密度在逐漸下降。從PLAND的變化可以看出，2005—2013年各景觀類型所占面積比例均有一定的變化，研究區(qū)內耕地占主導地位，但隨著時間推移面積在持續(xù)減少，建設用地面積大幅增加。在研究期內各景觀類型的IJI整體呈下降趨勢且AI總體無明顯變化，表明各景觀類型變得較為集中。LPI反映出2005—2009年耕地是潘集區(qū)的絕對優(yōu)勢景觀，隨著城鎮(zhèn)化的擴張和人類采礦活動的影響，建設用地最大斑塊所占景觀面積的比例在2013年最為突出，為24.2%，成為潘集區(qū)的優(yōu)勢景觀。

表2 2005—2013年潘集區(qū)景觀類型轉移矩陣

圖3 景觀斑塊類型水平指數(shù)變化

3.2.2 景觀水平指數(shù)變化分析

表3為研究區(qū)2005、2009和2013年3個年份的景觀水平特征指數(shù)變化情況?？梢钥闯?，該區(qū)的景觀斑塊總數(shù)NP呈先增后減的趨勢，表明破碎化程度變化不具備傳統(tǒng)城市的規(guī)律性[12-14]，主要由于礦區(qū)的土地利用變化情況較為復雜，采礦活動所導致的采空區(qū)沉陷及人類主動進行的土地復墾等修復性工作影響著區(qū)域景觀斑塊總數(shù)變化。LPI呈下降趨勢，由2005年的53.46%降為2013年的24.28%，最大斑塊在區(qū)域內逐漸弱化，反映了人類的活動對各種土地類型利用方式的影響在逐漸深入。CONTAG與SPLIT指數(shù)呈上升趨勢，表明區(qū)域內景觀均勻性增大，且景觀呈聚集式發(fā)展。SHDI和SHEI略有下降，主要由于研究時段內建設用地面積比例上升，且受到城鎮(zhèn)化及礦業(yè)生產(chǎn)的影響，使得總體的景觀類別所占比例差異大，受人為影響顯著。

表3 2005—2013年潘集區(qū)景觀尺度指數(shù)變化

3.3 討 論

礦業(yè)城市是城市的特殊類型，由于產(chǎn)業(yè)結構單一，礦產(chǎn)資源分布的剛性約束，自身發(fā)展類型有別于傳統(tǒng)城市[15]。由于地下煤層采空，地面沉降成為礦業(yè)城市發(fā)展中不可避免的問題，采煤塌陷區(qū)的產(chǎn)生帶來了地表耕地、建筑設施、水體的破壞，使得區(qū)域景觀格局發(fā)生改變，區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)隨之發(fā)生變化。本研究所涉及的淮南市潘集區(qū)正是“因煤而興”的典型區(qū)域，轄區(qū)內共有7大煤礦廠，原煤探明儲量達37億噸，長期面臨著煤層采空區(qū)塌陷與生態(tài)環(huán)境不斷惡化的問題。結合遙感影像及相關調研資料(如圖4所示)，可以看出潘集區(qū)處在塌陷與復墾交織的復雜過程，造成了區(qū)域景觀格局的演變較為復雜。隨著區(qū)域內采礦業(yè)的迅猛發(fā)展，礦產(chǎn)資源的大量開采，使得土地資源結構被破壞，生態(tài)系統(tǒng)退化、景觀破碎化日趨凸顯，而政府引導的土地復墾可以改善礦區(qū)土地利用結構，提高土地利用效益，改善人居環(huán)境，促進區(qū)域生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展，兩者的共同作用使得區(qū)域內景觀格局演變較為復雜；同時研究區(qū)內水體除正常流經(jīng)轄區(qū)的河流外，還包含采煤塌陷積水區(qū)(如圖5所示)，使得研究區(qū)景觀異質性更加凸顯。近年來，隨著當?shù)貐^(qū)政府的重視，持續(xù)推進煤礦采空區(qū)塌陷土地復墾工作，使得轄區(qū)內采空區(qū)得到一定的治理，進一步使得區(qū)域景觀格局發(fā)生微妙的轉變，生態(tài)系統(tǒng)的結構和功能也隨著改變。經(jīng)濟效益驅使下的礦業(yè)城市，如何實現(xiàn)生態(tài)環(huán)境保護與區(qū)域經(jīng)濟協(xié)調發(fā)展是區(qū)域政府部門關注的重點，關于礦業(yè)城市的景觀格局時空演變研究仍處在探索階段，應結合當?shù)貙嶋H情況，進行深入的實地調研，為相關部門的合理規(guī)劃提供科學依據(jù)。

圖4 礦區(qū)沉陷與復墾示意圖

圖5 潘集區(qū)水體變化

4 結 語

本研究依據(jù)礦業(yè)城市的生態(tài)特征，結合遙感解譯、野外調研及年鑒統(tǒng)計等多源數(shù)據(jù)，以景觀生態(tài)學為理論基礎，通過景觀格局分析，構建礦業(yè)城市景觀格局演變指標體系，對淮南市潘集區(qū)近10年來土地利用及景觀格局變化進行分析。研究表明：耕地是研究區(qū)內景觀基質，而建設用地、水體和林地則以斑塊或廊道的形式鑲嵌其中，且隨著時間推移建設用地所占比重急劇增加。通過對區(qū)域景觀格局的時空分析，得出研究區(qū)在時間尺度上景觀格局變化較小，景觀多樣性隨時間推移整體呈下降趨勢，景觀類型呈聚集式發(fā)展。本文討論了煤礦采空區(qū)塌陷及土地復墾對礦業(yè)城市景觀格局的影響，認為經(jīng)濟效益驅使下的礦業(yè)城市應著力實現(xiàn)生態(tài)環(huán)境保護與區(qū)域經(jīng)濟協(xié)調發(fā)展。關于礦業(yè)城市的景觀格局演變研究仍處在探索階段，在評價指標等基本問題上尚未達成共識[16]。總的來說，礦業(yè)城市景觀格局時空演變研究應結合當?shù)貙嶋H情況，進行深入的實地調研，使得規(guī)律結果更有說服力，進而為相關政府部門生態(tài)規(guī)劃及區(qū)域經(jīng)濟協(xié)調發(fā)展提供科學有益的幫助。

致謝：本研究在數(shù)據(jù)收集及論文撰寫過程中得到安徽理工大學趙明松老師、王世航老師、余珂同學、趙明君同學、張平同學及中國礦業(yè)大學劉春陽博士的幫助，在此表示感謝!

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