陕西省榆林市榆神府矿区土地荒漠化及其景观格局动态变化*

马雄德，范立民，张晓团，向茂西，刘海南，张云峰

（1.长安大学环境科学与工程学院，陕西西安710054；2.陕西省地质调查院，陕西西安710065；3.陕西省地质环境监测总站，陕西西安710054；4.西北有色地质研究院，陕西西安710054）

陕西省榆林市榆神府矿区土地荒漠化及其景观格局动态变化*

马雄德1，范立民2，3，张晓团2，向茂西3，刘海南3，张云峰4

（1.长安大学环境科学与工程学院，陕西西安710054；2.陕西省地质调查院，陕西西安710065；3.陕西省地质环境监测总站，陕西西安710054；4.西北有色地质研究院，陕西西安710054）

为探讨陕西省榆林市榆神府矿区土地荒漠化发展变化动态，采用1989、2002、2011年3期TM遥感数据，对本区荒漠化进行分类，以此为基础分析荒漠化景观格局的变化。结果表明：①通过构建矿区归一化植被指数（NDVI）和地表反射率（Albedo）空间特征下的荒漠化遥感监测模型，可以将矿区荒漠化程度分为5种类型；②矿区土地荒漠化面积不断减少，1989-2002年间减少了39.7%，2002-2011年间减少了27.7%，荒漠化程度呈逆转趋势；③矿区荒漠化景观斑块在研究期趋于规则化，非荒漠化土地始终是主导景观类型，其优势度不断提升，非荒漠化斑块与其它级别荒漠化斑块类型的连接性不断降低。

荒漠化；遥感；保水采煤；景观格局；榆神府矿区；陕西榆林

受毛乌素沙漠的影响，榆林地区土地沙化（荒漠化）较为严重，早在新中国成立初期就被各级政府所重视［1］，并采取了如飞播造林、退耕还林、禁牧封育、三北防护林建设等一系列生态建设措施，生态环境得到了明显改善。自1990年以后，该地区石油、天然气、煤炭等资源的开发强度逐渐升温，尤其以煤炭资源开采规模和强度增加最为显著，由此造成水资源、土地及生态资源的破坏［2-4］。人类活动对土地利用影响的深度和广度的拓展，使矿区荒漠化土地经历了深刻的变化，也驱使荒漠化景观格局发生了时空演化。

目前对于荒漠化的景观格局研究一般沿用土地利用／覆被变化统计方法分析其变化强度，采用景观生态学景观指标的研究分析其时空变化过程和规律［5］，这对解释荒漠化发展变化及其驱动机制十分有效。研究区位于陕西北部榆林市榆阳区、神木县和府谷县（以下简称榆神府矿区），地貌由毛乌素沙地向黄土高原过渡，生态由农牧交错区向农牧工矿交错区拓展，干旱半干旱气候，水资源短缺，土壤结构疏松，植被覆盖度低，风蚀、水蚀强烈，人类活动不断加强，环境承载力低，属生态脆弱矿区。近年来的高强度采煤对本区土地利用及生态景观产生了极大的影响，荒漠化土地也呈现不断变化趋势。本文在利用3期遥感数据对土地荒漠化动态进行监测的基础上，构建了矿区归一化植被指数（NDVI）和地表反射率（Albedo）空间特征下的荒漠化遥感监测模型，分析了矿区土地荒漠化的时空变化规律，以此为基础研究荒漠化景观动态变化规律，为矿区生态环境建设提供科学依据。

1 矿区概况

榆神府矿区主要包括神木北部矿区（含神东陕西境内部分）、新民矿区、榆神矿区，面积8 369.1 km2（图1）。区内侏罗纪煤田延安组（J2y）含煤8层，可采和局部可采煤3～7层。其中最上部的1-2、2-2、3-1、4-2煤层埋藏浅、厚度大，单层厚度2～12.49 m，平均3～5 m，是目前的主要开采对象。经2010年资源整合后，榆林市2014年有生产煤矿254处，实际生产能力规模3.87亿t。

图1 矿区位置及概况示意图

2 研究数据与方法

2.1 研究数据

选用的遥感数据主要为1989年、2002年及2011年的TM数据。影像成像时间为6-9月，基本无云层，影像质量较好。各时期影像的预处理包括辐射定标、大气校正、几何精校正（误差控制在0.5个像元）、图像组合和裁剪等。

2.2 研究方法

2.2.1 荒漠化信息提取

研究表明［6-7］，通过建立反照率（Albedo）-植被指数（NDVI）特征空间可以实现荒漠化定量监测，其二元线性多项式表达为：

式中：DDI为荒漠化差值指数；k为相关系数，由式（2）求得；NDVI为正规化后的植被指数；Albedo为正规化后的地表反照率。

式中：a为回归方程的斜率；b为回归方程在纵坐标上的截距。

用式（1）计算出矿区每个像元上的DDI，即可表征该像元地表荒漠化信息。

2.2.2 荒漠化分类定级

根据地表反照率与植被指数组成的二维特征空间，反演出荒漠化差值指数DDI，结合野外调查与典型影像样区分析，确定荒漠化程度与DDI之间的关联，参照《第四次全国土地荒漠化和沙化监测技术规定》（20090415）［8］，利用密度分割法将DDI指标数据分为5个阈值区间，确定矿区的5级荒漠化的DDI取值区间（表1）。

表1 荒漠化程度与DDI值关系表

2.2.3 荒漠化景观格局

景观格局一般是指景观空间格局，即各类景观要素在空间上的排列和组合方式，是景观异质性在空间上的综合表现［9］。通过景观格局指数的研究可以表征荒漠化结构组成与空间分配的变化信息，从地理景观的角度反映荒漠化的时空演化规律［10-12］。基于本文的研究目的，从景观类型水平和景观格局水平两个层面选取代表性的指数进行计算和分析。各类计算通过FRAGSTATS3.4软件完成。

3 矿区土地荒漠化变化

3.1 荒漠化面积动态变化

利用各期遥感数据反演的矿区土地荒漠化分布图见图2，利用荒漠化面积统计结果求出荒漠化面积变化指标，见表2。

图2 不同时期荒漠化土地分布图

表2 荒漠化面积及变化表

由表2可知，轻度和中度荒漠化是主要的荒漠化类型，各级荒漠化土地面积减少和非荒漠化面积增加是荒漠化变化的主要特征。1989-2002年，中度和极重度荒漠化分别减少了12.4%和48.5%，变化率分别为2.5%和9.7%，轻度和重度荒漠化分别增加了1.5%和52.7%，变化率分别为0.3%和10.5%。2002-2011年，各类荒漠化均呈减少趋势，轻度、中度、重度和极重度荒漠化分别减少了15.7%、61.3%、46.5%和33.4%，年变化率分别为3.1%、12.3%、9.3%和6.7%。

采用GIS叠加分析和统计，即可得到荒漠化转移矩阵（表3）。结果表明，对角线上的数值在相应行、相应列中较大，荒漠化级别不变的土地面积大于变化的荒漠化面积，而对角线元素的上下两个数值也较大，说明相邻荒漠化程度之间的转换更为频繁。对角线以上的数值表示荒漠化逆转，而对角线以下的数值表示荒漠化发展，统计表明1989-2002年逆转区面积840.6 km2，发展区面积387.2 km2，2002-2011年逆转区面积1 835.4 km2，发展区面积195.9 km2，各时段逆转区面积大于发展区面积，说明矿区荒漠化总体上呈现了逆转趋势。

表3 荒漠化转移矩阵表

3.2 荒漠化景观格局变化

3.2.1 景观类型水平上荒漠化景观格局变化分析

选择5个指标进行景观类型水平上荒漠化景观格局的变化分析：斑块密度（PD），最大斑块指数（LPI），景观百分比（PLAND），评价形状指数（SHAPE＿MN）和面积加权分维数（FRAC＿AM）。三期土地荒漠化景观类型指标计算结果见表4。

（1）形状特征

荒漠化平均形状及面积加权分维指标中，非荒漠化及极重度荒漠化持续降低呈降低趋势，表明非荒漠化和极重度荒漠化土地的形状趋于简单。而轻度、中度及重度荒漠化呈先急剧上升后缓慢下降趋势，表明轻度、中度及重度荒漠化土地平均形状变化复杂。说明2002年之前，矿区建设进程加快，而生态环境建设主要集中在重度荒漠化的治理上，使轻度、中度及重度荒漠化土地之间变化频繁，斑块形状趋于复杂。2002年以后矿区建设进入秩序化发展，禁牧封育、退耕还林等政策大力推进，从整体上改善了荒漠化变化，斑块形状更加规则。

（2）优势度

采用景观百分比和最大斑块指数来表征各级荒漠化的优势度。从表4中可以看出，非荒漠化土地在各年处于绝对的优势地位，中度荒漠化次之，二者优势度有所提升，优势度说明矿区荒漠化整体呈现逆转趋势。除此之外，轻度、重度和极重度荒漠化优势度出现了大幅下降，说明矿区荒漠化向非荒漠化及中度荒漠化逆转的比例明显占优。

（3）破碎度

密度指数在1989、2002和2011年呈现连续下降，表明景观破碎度在下降。

3.2.2 景观格局水平上荒漠化景观格局变化分析

采用景观级别的景观格局指数标准整个矿区的景观格局，选择以下5个指标：最大板块指数（LPI）、均匀度指数（SHEI）、多样性指数（SHDI）、蔓延度指数（CONTAG）和散列度指数（IJI）。计算结果见表5。

表4 景观类型水平荒漠化景观格局指数表

表5 格局水平荒漠化景观格局指数统计

由表5可得出以下结论：

（1）最大斑块指数反应了矿区荒漠化的优势度。1989-2011年之间矿区荒漠化最大斑块指数持续增加，说明非荒漠化土地的优势度持续攀升，这也是矿区荒漠化逆转，整体植被盖度提升的表现。

（2）均匀度指数和多样性指数在研究期均呈现下降趋势，暗示景观斑块均匀度和空间异质性在减弱。说明在有利的气候条件和人为改善植被盖度的过程中，各级荒漠化均有所逆转，非荒漠化土地面积增加，荒漠化景观朝着良性发展的方向发展。

（3）散布与并列指数在研究期持续减少，但速度变缓，表明非荒漠化斑块与其它级别荒漠化斑块类型的连接性不断降低，减轻自然灾害［13］，也说明荒漠化土地面积不断逆转。

4 结论

（1）通过建立荒漠化指数（DDI）与归一化植被指数NDVI和地表反射率（Albedo）的统计关系，结合野外调查与典型影像样区分析，确定荒漠化程度与DDI之间的关系，可以将矿区荒漠化程度分为5个类型。

（2）矿区荒漠化程度在不断逆转和发展的变化中总体上呈逆转趋势。其中1989-2002年以极重度、轻度荒漠化土地逆转为主，2002-2011年，以中度及轻度荒漠化土地逆转为主。

（3）矿区荒漠化景观斑块在研究期趋于规则化，非荒漠化土地始终是主导景观类型，其优势度不断提升，非荒漠化斑块与其他级别荒漠化斑块类型的连接性不断降低。

（4）持续的生态环境建设及矿区土地复垦是减少本区土地荒漠化最主要的方法手段，必须采取强有力的措施提高植被盖度，降低自然灾害风险，才能从根本上遏制本区荒漠化发展。

［1］ 刘志仁.陕西榆林荒漠化防治的困境与路径选择［J］.西北大学学报：自然科学版，2007，37（4）：657-660.

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Dynam ic Changes of Desertification Landscape Pattern at Yushenfu M ining Area in Yulin City of Shaanxi Province

Ma Xiongde1，Fan Limin2，3，Zhang Xiaotuan2，Xiang Maoxi3，Liu Hainan3and Zhang Yunfeng4
（1．College of Environmental Science and Engineering，Chang’an University，Xi’an 710054，China；2．Shaanxi Institute of Geo-Environment Monitoring，Xi’an 710054，China；3．Shaanxi Geological Environment Monitoring Station，Xi’an 710054，China；4．Northwest Geological Institute of NonferrousMetals，Xi’an 710054，China）

The distribution and changes of desertification landscape pattern at Yushenfumining area are investigated by using the data sources from five periods TM remote sensing image，i.e.1989，2002 and 2011.The results show that：①A remote sensingmonitoringmodel based on NDVIand Albedo is founded to demonstrate the information about current status aswell as dynamic changes of land desertification，on thisway，it can be divided into 5 levels of desertification in the study area.②Land desertification area decreased 36.7%and 27.7%during 1989-2002 and 2002-2011，respectively，making desertification degree showed a reversal trend.③Desertification landscape patches had becamemore rules，and the non-desertification land had been dominant landscape types in the study period，the connectivity of each levels of desertification types also decreased.

land desertification；remote sensing；water holding coal；landscape pattern；Yushenfumining area；Yulin city in Shaanxi

X43

A

1000-811X（2015）04-0126-04

10.3969／j.issn.1000-811X.2015.04.024

马雄德，范立民，张晓团，等.陕西省榆林市榆神府矿区土地荒漠化及其景观格局动态变化［J］.灾害学，2015，30（4）：126-129.［Ma Xiongde，Fan Limin，Zhang Xiaotuan，etal.Dynamic changes of desertification landscape pattern at Yushenfu mining area in Yulin city of Shaanxi province.［J］.Journal of Catastrophology，2015，30（4）：126-129.］

2015-04-16

2015-05-15

国家重点基础研究发展（九七三）计划（2013CB227901）；陕西省科学技术推广计划（2011TG-01）；陕西省公益性地质调查项目（2013020101）

马雄德（1978-），男，青海互助人，工程师，从事矿山地质环境研究.E-mail：59759423＠qq.com

范立民（1965-），男，山西曲沃人，教授级高级工程师，主要从事煤田地质、矿区水文地质环境地质方面的研究.

E-mail：498518851＠qq.com