基于GIS的霍林河南露天矿区景观格局动态变化研究

2017-10-17张武文

草原与草业 2017年3期

关键词：指数值土地利用矿区

战甜，包亮，张武文

(内蒙古农业大学沙漠治理学院，内蒙古呼和浩特 010019)

基于GIS的霍林河南露天矿区景观格局动态变化研究

战甜，包亮，张武文

(内蒙古农业大学沙漠治理学院，内蒙古呼和浩特 010019)

本文以霍林河南露天矿为研究区，利用该区1986年、1996年、2008年、2013年四期遥感影像，在ArcGis10.0及Fragstasts4.0软件支持下，分析矿区近27年的景观格局变化，进而研究开矿导致的景观生态风险变化情况，结果表明：(1)从景观水平对研究区景观格局进行分析，研究结果得出由于矿产资源开发活动的影响，研究区内斑块总量增多，联接度提高，相对应的景观破碎性、景观多样性呈现增加的趋势，景观格局的稳定性逐渐下降。(2)通过计算得到的各时期景观生态风险指数表明，在人类活动的干扰作用下，研究区内景观生态风险呈现持续增加的趋势，由1986年的1.1999增加到2013年的1.4599，但土地复垦面积的增加在一定程度上降低了生态风险指数增加的速度。

GIS;景观格局；动态变化；霍林河露天煤矿

Abstract：Under the support of geographic information system software technology, the Huolinhe south open-pit mine as the research area, the study area in 1986, 1996, 2008 and 2013 four period remote sensing image as the data source, in ENVI5.0, ArcGis10.0 and Fragstasts4.0 software support, to analysis the land use and landscape pattern change in recent 27 years. And then reaearch the changes of landscape ecological risk caused by mining, the main conclusions are as follows: (1)T The plate number, fragmentation, diversity was increased. The landscape pattern stability decreased.(2) The landscape ecological risk was increased, its index from 1.1999 in 1986 to 1.4599 in 2013, but the increase of land reclamation area cut down the increased speed of the ecological risk index.

Keywords:GIS; landscape; landscape ecological risk; Huolinhe opencast coal mine

引言

矿区土地利用变化是以资源开采为原动力的动态变化过程，在时间与空间尺度上综合反映采矿对区域生态系统的影响程度〔1-2〕。随着社会的发展，对矿产资源的需求呈上升趋势，大规模地开采矿产资源对土地利用和生态环境造成了巨大的影响，其中露天采矿对土地的破坏最为明显和直接，带来严重的生态环境问题〔3-5〕。霍林河南露天矿位于内蒙古自治区霍林郭勒市，西北毗邻锡林郭勒盟东乌珠穆沁旗，南邻通辽市扎鲁特旗，东北与兴安盟科尔沁右翼中旗相连，交通便捷。该矿矿产资源丰富，为繁荣国家与地方经济做出了重要的贡献。建矿以来在矿产资源开发活动的影响下，霍林河南露天矿区内土地景观格局发生了巨大变化，因此，有必要对研究区内露天采矿扰动土地的景观及风险情况进行研究〔6-8〕，以期为矿区土地资源可持续利用提供依据〔9-12〕。

1 数据来源与研究方法

1.1研究区范围和研究时段的确定

研究区范围的确定是在划定采矿权范围的基础上，综合考虑了矿区的自然环境特征、矿产资源开发活动与周围人类活动的关系及其他相关的影响因素，在采矿权范围内适当扩大或缩小研究区的范围，最终确定的研究区范围面积为5453.37hm2。

霍林河一号露天矿始建于1979年，1984年正式投产，收集到的与开矿前最接近的、符合解译精度要求的存档影像年份为1986年，所以研究初始年设定为1986年，间隔10年，取1996年为一个研究节点，由于矿区2007年进行了矿山地质环境治理，获取的高分影像年份为2008年，将2008年作为一个研究时间点，项目截止年份为2014年，故研究终止年为2013年。

1.2数据来源

霍林河南露天矿开发建设历史较长，且大兴安岭地区遥感影像稀缺，综合考虑矿山建设发展阶段特征、矿山环境治理方案实施年限等实际状况，采用的卫星影像数据为美国Landsat5TM影像(1986年)、法国spot影像(1996年)、日本Alos影像(2008年)与我国高分一号遥感影像(2013年)。其中landsat5TM影像分辨率为30m，其余三期影像均在ENVI5.0平台下通过2.5m分辨率的全色波段与10m分辨率的多光谱影像融合成2.5m分辨率的真彩色影像。

1.3研究方法

本文借助ENVI5.0软件对获取的遥感数据进行影像镶嵌、正射矫正、影像融合等预处理，使影像符合精度要求，在地理信息系统软件平台ArcGis10.0下，根据研究区范围边界对影像进行裁剪，同时对各期影像进行投影变换。然后选用2013年的影像，通过ARCGIS软件运用人机交互解译方法对影像进行信息提取，并结合野外实地调查对提取结果、现状土地利用类型进行验证，建立解译标志。在此基础上分别对其他影像进行解译(其中1986年的遥感影像解译过程中结合矿区地形图等资料)，土地利用类型按耕地、林地、草地、交通运输用地、工矿仓储用地、水域进行分类，将解译结果在ARCGIS下进行矢量化编辑，获得四个时期土地利用现状图及研究所需数据。采用Fragstats4景观格局指数计算软件，从景观水平研究分析霍林河南露天矿区的景观格局变化，通过景观生态风险指数计算模型，获取研究区各时期风险指数，对研究区内的景观生态风险变化趋势进行研究。

(1)景观格局指标的确定

表1 景观格局指数公式及意义

(2)景观生态风险评价指数计算

①景观干扰度指数计算

景观干扰度指数是衡量各景观类型表征的生态系统所受到外部干扰的程度，景观生态风险与景观干扰度指数的关系是正相关的。由于景观干扰度的变化可以在一定程度上表示出不同的景观类型受到外界干扰的剧烈程度，本文通过建立景观破碎度指数(Ci)与景观分离度指数(Di)和景观分维指数(Fi)的复合信息模型来构建干扰度指数Ei。

Ei=a×Ci+b×Di+c×Ni

(1)

式中：a、b、c分别为干扰度指数中的景观破碎度、景观分离度、景观分维指数的权重值，结合前人的研究成果，通过熵值法对各景观指数权重分别赋值0.501、0.302、0.197〔13〕。

②景观脆弱度指数计算

一般用景观脆弱度(Fi)来表示研究区域所代表的生态系统的易损性的指标，以反映不同的景观类型对外界干扰的抵抗能力。综合各类景观易损性的特点〔14、15〕并考虑到研究区域土地利用的特点，借鉴众多学者研究方法，同时通过向专家请教，最终判断，本研究区域内7类景观类型中，脆弱度由高到低排序依次为:工矿用地6、草地5、耕地4、林地3、道路2、水域1，经归一化得到各类型景观要素脆弱度指数Fi的值分别为：0.2857、0.2381、0.1905、0.1429、0.0952、0.0476。

③景观生态风险指数计算

景观生态风险指数可以定量的衡量研究区内的生态风险程度，它可以通过景观干扰度指数、景观脆弱度指数计算获得〔16〕，表的式如下：

(2)

式中：n—景观类型的总数量；Ai为研究区内第i种景观类型面积；A为研究区域的总面积；Ei为景观类型i的景观破碎度指数；Fi为景观类型i的景观脆弱度指数。

2 矿区景观格局动态分析

2.1景观格局变化分析

如表2为各时期景观水平下的景观指数统计表：

表2 各时期景观水平景观格局指数

(1)景观数量及形状指数

由表2、图1分析各研究期景观水平下的数量、形状指数NP、LSI可知：四个时期的斑块数量分别为76、47、206、363，斑块数量在1996年最少，通过分析是由于在这一期间内，对工矿仓储用地内的零散道路进行了大规模的规整，大大降低了工矿道路对斑块的切割作用，使得斑块数量在这一时期内降低，随着矿产资源开发活动的进行，新增地类斑块增多，原始的较大斑块的地类被大范围开发，使得斑块数量在这一时期大量增加，后期由于研究区内的恢复治理措施的实施，使得斑块数量稍有减少。四个时期的景观形状指数值分别为7.22、6.71、11.74、15.28，在1986-1996年小幅度降低，后大幅度增加，说明在1996年时，研究区内的斑块形状较其他时期规则，在后期向不规则化方向发展。

图1 1986-2013年各时期景观面积与形状指数变化趋势折线图

(2)景观优势度指数

分析表2、图2可知，在景观水平下各时期最大斑块指数分别为33.19、18.93、24.23、22.94，在1986年，景观的斑块优势程度最大，最明显，在人类活动的干扰下，这种优势度大幅度下降，在2008年后又开始增加，景观的优势效果逐渐明显，这时一种斑块类型已经取代另一种斑块类型成为新的景观本底类型。各时期的景观均匀度指数分别为0.45、0.63、0.69、0.68，可见在1986年研究区内的景观分布不均匀，即景观中有明显的优势类型，景观中由一种或几种优势类型所支配，到2008年，这种优势轻度减弱，2013年优势强度又稍有增加。

图2 1986-2013年各时期景观优势度指数变化趋势折线图

(3)景观多样性指数

由表2、图3可以分析出：四个时期的景观香农多样性指标值分别为0.94、1.30、1.44、1.41，可见1986-2008年香农多样性指数在增加，这表明在这一期间内景观的多样性以及丰富度都在增加，在2008年香农多样性指数达到最大，说明在这一时期斑块在景观中的分布呈现均衡化趋势。

图3 1986-2013年各时期景观多样性指数变化趋势折线图

(4)景观聚散性指数

通过分析表2、图4可以得出：景观水平下四个时期的蔓延度指数值分别为76.77，68.03、64.11、64.55，在1986年景观的蔓延度指数值较高，说明在这一时期景观内有较高的联接性，后呈现降低趋势。四个时期的景观凝聚度指数值分别为99.88、99.88、99.82、99.74，在2008年之前几乎无变化，到2013年有所降低，单从这一指标的变化上分析景观内的连接度在2008年之前较稳定，到后期稍有降低。1986年的景观分离度指数为0.85，1996、2008年和2013年的景观分离度指数都约为0.90，在整个研究期内景观分离度呈增加趋势，且景观内的联接程度提高，抗干扰能力下降，说明随着矿产资源开发活动的进行，景观的稳定程度趋于下降趋势。

图4 1986-2013年各时期景观聚散性指数变化趋势折线图

2.2景观生态风险评价分析

2.2.1 土地利用变化率分析

通过公式(1)、(2)计算得出各时期各景观类型的景观生态风险指数值，如表3所示，1986-2013年研究区各景观类型风险指数变化趋势图如图5所示，总体景观风险指数年变化率趋势如图6所示。通过分析可得：

(1)单一景观类型生态风险分析

各景观类型中，草地的生态风险指数值在研究初期相对最大，随着矿产资源开发活动的进行，草地的面积被更多地挖损、压占、占用，使得草地面积锐减，导致草地的生态风险指数也呈现降低趋势，由1986年的0.8319降低到2013年的0.3479，其实，本研究中的降低趋势是指剩余的未被破坏的草地总风险值随面积的锐减而降低，但草地依然呈现高风险水平。耕地的风险指数呈现先增加后减少的趋势，由1986年的0.0243增加到2008年的最高风险值0.0891，后降低到2013年的0.0495，随着当地经济的发展，人口的增长使得研究区内的耕地面积不断增加，耕地面积的这种增加趋势持续到2008年，后由于研究区内践行退耕护岸林、还草的政策，使得耕地风险值有所降低，但依然高于开发初期的风险值。林地的风险值呈现降低趋势，到后期风险值稳定，分析导致这种变化趋势的原因依然是其面积的不断减少，四个时期风险指数值分别为0.0145、0.0062、0.0031、0.0035，在研究中后期防护林面积几乎变化，相对应的其风险值趋于稳定趋势；交通用地的景观生态风险持续增加，由研究初期的0.0019增加到研究末期的0.0048，其面积增加的同时交通用地整体的生态风险也提高了。研究区内水域面积较少，致使其生态风险值也较小，但其随着人类的干扰，生态风险值在研究区初期呈现提高趋势，后由于面积的减少风险值稍有降低。

(2)工矿仓储用地生态风险分析

分析三类工矿仓储用地可以发现，采矿挖损土地、采矿压占土地、采矿占用土地在研究初期的景观生态风险指数值相对较低，在人类开采活动的影响下，风险值不断增加。其中，采矿挖损土地的生态风险指数值于四个时期分别为0.2220、0.2117、0.4016、0.4068，其风险指数值在1996-2008年增长最快，到后期基本稳定；采矿压占土地的景观生态风险指数于1986年、1996年、2008年、2013年值分别为0.0523、0.3966、0.5272、0.5560，其生态风险不断提高，且呈现大幅度变化趋势，研究初期增加幅度最大，在1996年超过挖损土地的风险值，对工矿仓储用地总体的景观生态风险值贡献率最高；采矿占用土地的景观生态风险呈现先降低后增加趋势，具体数值变化由1986年的0.0524降低到1996年的0.0519，后增加到2008年的0.0429，到研究后期持续增加，于2013年的风险指数值为0.0908，远大于研究初期的风险值。

综合三类工矿用地的指数值可知，工矿仓储用地的总景观生态风险指数于四个时期分别为0.3266、0.6601、0.9717、1.0536，其对总的生态系统风险指数的贡献率随着矿产资源开发活动的进行是不断增大的，并且于2008年后其占总ERI值的50%以上，可见矿产资源开发活动对土地资源的破坏作用是及其明显的，其大大提高了研究区的景观生态风险。

(3)矿区总体景观生态风险分析

由表3可知，四个研究时期的景观风险指数分别为1.1999、1.3198、1.4200、1.4599，可见霍林河南露天矿景观生态风险在1986-2013年期间呈现持续增加的趋势，并且风险值均处于较高水平。研究区地处草原腹地，大面积的脆弱度较高的草地使得ERI值总体水平较高，但由于研究初期高脆弱度的工矿仓储用地面积相对较少，故ERI值在整个研究期内相对较低；由于开发前、中期模式较粗放，使得大面积草地被工矿用地利用，到中、后期随着工矿仓储用地规模的不断扩大，导致生态风险值大幅度增加，远远超过了由草地的大面积减少而引起的减少的景观生态风险值。由图6可知，于1996年、2008年、2013年三个研究时期的景观风险指数累计年增长率分别为0.96%、0.77%、0.73%，相对应的在1986-1996年、1986-2008年、1986年-2013年土地累计复垦面积分别为225.91hm2、479.51hm2，1986-2013年土地复垦面积为563.98hm2，可见对矿区内土地恢复治理等能在一定程度上降低景观生态风险值的增长速度，且复垦土地面积增加速度越快越大，景观生态风险增长速度降低得越快。

由于各土地利用类型面积在很大程度上会影响总的ERI值，所以确定的研究区域范围直接决定了总体的景观生态风险值高低水平，但通过研究可以确定的是随着矿产资源开发活动的进行，研究区域内的景观生态风险是呈现持续增加的趋势，因此应对霍林河南露天矿区因煤矿资源开发活动引发的影响和破坏所带来的景观生态安全隐患的变化给予足够的重视。

表3 景观生态风险指数

图5 景观生态风险指数变化趋势图

图6 景观生态风险指数变化率趋势图

3 结论与建议

3.1结论

(1)从景观水平对研究区景观格局进行分析，研究结果表明由于矿产资源开发活动的影响，研究区内斑块数量增加，斑块间的联接程度提高，景观破碎性、多样性增加，景观优势度先下降后增加，景观格局趋于稳定性降低的发展态势。

(2)通过各时期风险指数值分析矿区内景观生态风险水平及变化情况发现，在人类活动的干扰作用下，研究区内任何一个时期的生态风险指数值都处于一个较高的水平，并且其景观生态风险呈现持续增加的趋势，四个研究时期的景观生态风险指数分别为1.20、1.32、1.42、1.56。

(3)随着复垦土地面积的增加，三个研究时间段的风险值变化率分别为0.96%、0.77%、0.73%，生态风险指数增速减缓。

3.2建议

霍林河南露天矿地处科尔沁草原腹地，景观生态风险高、景观生态脆弱度较高。现针对改善矿区周边的生态环境、实现矿山资源的合理开发利用等方面提出以下建议，以促进地方经济发展，达到人类经济活动与自然环境和谐发展的目标。

(1)控制工矿用地规模。科学合理地规划矿区内的土地利用布局，严格控制矿区内工矿仓储用地规模的扩张，调整各类用地规模。改善矿区采掘工艺，减少成本。

(2)加大矿区内土地复垦力度。经现场勘查、影像分析发现，矿区内排土场面积大，应选取耐旱、耐瘠薄、繁殖容易、根系发达、抗逆性强的植被，对研究区内的排土场、矿区内零散分布的道路、废弃厂房进行植被恢复，以改善矿区环境，降低景观生态风险。同时要对排土场边坡进行治理，以减少研究区内的风沙、粉尘，降低不稳定边坡的潜在危害。

(3)加强对复垦土地的维护。对已经恢复治理的草地进行维护。恢复治理区的土壤相对贫瘠，要对人工草地进行浇灌、修剪、施肥等流程，必要的时候要进行围栏建设，以达到预期的治理效果。

〔1〕刘军,张武文,蓝登明,等.牙克石市五九煤矿土地利用及景观格局变化研究〔J〕.内蒙古农业大学学报(自然科学版),2015,36(3):70-77.

〔2〕毕如田,白中科,李华,等.基于RS和GIS技术的露天矿区土地利用变化分析〔J〕.农业工程学报,2008,24(12):201-204.

〔3〕Yuri G, Andrew V, Matthew R and Erica M. Prioritizing abandoned coal mine reclamation projects within the contiguous United States using Geographic information system extrapolation 〔J〕. Environmental Management,2003(32):527-534.

〔4〕刘正纲.基于RS和GIS的矿区土地利用变化研究〔D〕.辽宁工程技术大学,2007.

〔5〕孙瑞.基于RS的矿山开发监测与土地利用变化研究.中国地质大学(北京),2010.

〔6〕卢艳艳.基于GIS的煤矿区景观格局时空变化及生态重建研究〔D〕.山东农业大学，2012：24-31.

〔7〕张小松.西宁市土地利用景观格局演变及预测研究.中国地质大学，2014.

〔8〕肖笃宁，赵羿，孙中伟.沈阳西郊景观格局变化的研究.应用生态学报〔J〕.1990，1(1):75-84.

〔9〕封建民,王黎,文琦.榆神府矿区土地利用变化及合理性分析〔J〕.水土保持研究,2015,22(1):189-191.

〔10〕张召,白中科,贺振伟,等.基于RS与GIS的平朔露天矿区土地利用类型与碳汇量的动态变化〔A〕.农业工程学报,2012,28(03):230-236.

〔11〕曹银贵,白中科,刘泽民,等.安太堡露天矿区土地类型变化研究〔A〕.西北林学院学报,2007,22(2):44-48.

〔12〕于颂,王飞红,杨爱民.平朔露天煤矿土地利用变化的遥感监测〔B〕.测绘通报,2014(4):86-90.

〔13〕程建龙，陆兆华，范英宏.露天煤矿区生态风险评价方法.生态学报，2004，24(12):2945-2950.

〔14〕胡和兵，刘红玉，郝敬锋，安静.流域景观结构的城市化影响与生态风险评价.生态学报，2011，31(12):3432-3440.

〔15〕李谢辉，李景宜.基于GIS的区域景观生态风险分析——以渭河下游河流沿线区域为例.干旱区研究.2008.25(6):899-903.