1980-2015年焦作矿区景观格局演变及驱动力分析

陆凤连, 王新闯, 张合兵, 吴金汝, 焦海明

(河南理工大学 测绘与国土信息工程学院, 河南 焦作 454000)

景观格局是指景观组分的空间分布和组合特征，即大小和形状不一的景观元素在空间上的配置[1]。它不仅是各种生态过程在不同尺度上作用的最终结果，还是景观异质性的具体表现[2]。景观格局演变的分析一直是景观生态学研究的热点问题[3]。景观格局演变的分析方法主要有景观指数分析、转移矩阵分析、数量统计分析和以元胞自动机为基础的景观动态模拟分析等[4]，其中运用景观指数定量分析方法来研究景观格局动态变化特征，已广泛应用于景观生态学的诸多研究中[5]。目前国内外关于区域景观格局变化及其驱动力的研究很多，如Sha等[6]借助GIS技术对美国凤凰城景观格局变化进行了分析；Caillault等[7]分析了生态廊道对区域景观格局变化的影响；高翔等[8]对贵州典型矿区10年间景观格局变化及驱动力进行分析，明确煤炭开发、农业发展及生态治理因子是景观格局变化的主要原因；张敏等[9]对白洋淀湿地景观格局演变及驱动力进行分析，得出人口和社会经济发展是影响白洋淀景观格局变化的主要驱动力的结论。但目前鲜有针对矿区较长时间尺度上的景观格局演变特征及其驱动力分析。

由于煤炭和土地空间分布的同位性[10]，煤炭资源的长时间开采不可避免地会对土地和生态环境造成严重的破坏，出现一系列诸如地表塌陷、水位下降、耕地破坏、煤矸石压占的问题[11]，原有的景观类型发生了显著变化，使得矿区成为景观格局演变最为剧烈的区域之一[12]。通过较长时间尺度上分析矿区景观格局演变及其驱动力，有助于发现矿区景观变化的规律和机制、探究煤矿开采等人类活动与生态景观演变间的关系，为矿区生态环境保护和土地资源的可持续利用提供理论基础[13-15]。焦作矿区位于我国华北平原，几十年来一直是华北地区重要的产煤基地，由于大规模的开采煤炭，矿区的景观格局发生了剧烈的变化，景观破碎化严重，生态环境问题凸显。本文以其为研究区域，以1980—2015年5期遥感影像数据为基础信息源，综合运用地理信息技术、景观生态学方法和数理统计方法，对矿区35年间的景观格局演变及其驱动力进行分析，旨在为矿区生态环境建设与土地可持续利用提供一定的理论依据。

1 研究区概况

焦作矿区位于河南省焦作市东北部，太行山南麓，区内分布有九里山矿、演马矿、冯营矿、白庄矿、方庄一矿、方庄二矿、古汉山矿、小马矿、中马矿、韩王矿10个矿井，自20世纪50年代就开始规模开采煤炭，是豫北重要的产煤基地。研究区总面积为182 km2，地理位置为113°15′—113°28′E，35°15′—35°25′N。研究区地貌主要由平原与山区构成，地势由西北向东南倾斜，由北向南渐低，海拔85～250 m。区内有沙河、王村河、峪河等季节性河流，分别汇入卫河，南水北调中线工程穿境而过。属南温带亚湿润气候，冬季严寒，夏季炎热。年平均气温为14.8℃，气温极值-16.9～43.2℃；年平均降雨量624 mm，多集中在6—9月，全年无霜期238 d，夏季多东南风，冬季多西北风。

2 数据源及研究方法

2.1 数据获取与处理

为了准确地揭示矿区景观格局演变特征，每隔5～10 a选取一景遥感影像；为了便于区分林地与耕地植被，遥感时相均选择在农作物收割的时间(5—6月)内，最终在1980—2015年划分出5个时间段，分别是1980年、1990年、2000年、2010年和2015年。1980年采用MSS影像，分辨率为80 m；1990年采用Landsat TM遥感数据，分辨率为30 m；2000年和2010年选用ETM遥感数据，分辨率为15 m，2015年采用OLI遥感数据，分辨率为15 m。为了减少分辨率对景观格局指数计算的影响，本文将各时期的遥感影像分辨率统一重采样为30 m。参考《土地利用现状分类》国家标准和国内土地利用类型研究成果[16]，并结合遥感影像分辨率和矿区实际景观类型特点，将焦作矿区土地利用景观类型划分成6种，具体包括：耕地、林地、草地、建设用地、工矿用地和水域。在确定矿区景观分类体系后，结合实地调查、Google Earth软件等，利用ENVI 5.1对5期遥感影像作几何校正、融合、裁剪等预处理后，采用最大似然监督分类方法解译图像，利用分类后处理工具消除小斑块，并结合2009年研究区二调土地利用分类数据，手动修改明显错误的斑块，最终生成1980—2015年5期景观类型分布图。最后对分类结果进行精度验证，总体分类精度在90%以上，Kappa系数在0.8以上，满足本研究对分类数据的精度要求[17]。

2.2 景观格局指标的选择与计算

景观指数是指能够高度浓缩景观格局信息，建立景观格局与过程的相互联系，反映景观格局某些方面特征的简单定量指标[18]。本研究综合考虑矿区景观格局特征和分析目的，在斑块类型水平上选择了斑块数(NP)、最大斑块指数(LPI)、平均形状指数(SHAPE_MN)、面积周长分维数(PAFRAC)和凝聚度指数(COHESION)，在景观水平上选择了斑块密度(PD)、景观形状指数(LSI)、多样性指数(SHDI)，均匀度指数(SHEI)和蔓延度指数(CONTAG)。以5期景观类型数据为基础，使用Fragstats 4.2软件完成景观指数计算。各种景观指数的计算公式及具体的生态学意义参见相关文献[19]。

2.3 景观格局演变的驱动力分析

景观格局变化的驱动力包括自然驱动力和人为驱动力，其中，自然驱动力主要从较大的时空尺度上作用于景观，人为驱动力则是从中小时空尺度上影响景观[4]。焦作矿区属中小尺度区域，自然驱动因子影响相对较小，人为驱动力占据相对优势地位，对于驱动力分析则以人为因素选取驱动因子进行分析为主，以自然驱动因子分析为辅。人为驱动因子选取：结合矿区社会经济数据[20]及前人研究经验[21-23]，以矿区耕地面积作为因变量，以1995年、2000年、2005年、2010年和2014年矿区社会经济数据作为选取自变量的基础数据，用相关分析法筛选出总人口、第一产业产值、第二产业产值、第三产业产值、农业人口、煤矿年产量、粮食产量、农民人均纯收入8个驱动因子。再运用SPSS软件对选取的驱动因子进行主成分分析，识别和分析影响景观格局变化的主要人为驱动因子；自然驱动因子选取：根据焦作矿区地形地貌条件，选取对景观格局影响较大的坡度因子进行分析。

3 结果与分析

3.1 焦作矿区各景观类型面积、分布及变化

利用ArcGIS 10.1软件，统计获得焦作矿区1980—2015年5期景观类型面积及变化趋势(图1)以及1980—2015年焦作矿区景观类型面积转移情况(表1)。焦作矿区的总面积为18 203.40 hm2。由图1可知，矿区景观类型以耕地、林地和建设用地为主，这3种景观类型始终占研究区总面积的83%以上，其中耕地面积比重最大，占研究区总面积43%以上，林地和建设用地次之。从面积变化来看，1980—2015年的35年间，矿区耕地面积呈持续减少趋势，共减少了2 704 hm2，减少幅度达到25.64%，其中2000—2010年减幅最大。工矿用地和建设用地增长迅速，分别增长了748.96，1 696.59 hm2，增长幅度分别为72.29%，87.11%，其中建设用地是所有景观类型中增幅最大的。35年间林地和水域总体呈增长趋势，林地面积增加了4.32 hm2，增加幅度较小，水域面积增加了284.96 hm2，增幅较大；草地面积减少了30.38 hm2，减幅不大，呈现出“先增加—再减少”的动态变化趋势。

图11980-2015年焦作矿区各景观类型面积及变化

从表1中可以看出，矿区35年间有66%的图斑景观类型未发生变化，在发生变化的区域中最明显的景观类型转化发生在耕地和建设用地之间，其中耕地有1 566.54 hm2转化成建设用地，占耕地面积的14.85%；建设用地有117.25 hm2转回耕地，占建设用地面积的6.02%。另外，亦有部分耕地向林地和工矿用地转化，部分林地向工矿用地转化，其中耕地有899.28 hm2转化成林地，占1980年耕地面积的8.53%；有568.13 hm2转化成工矿用地，占1980年耕地面积的5.38%；林地有510.32 hm2转化成工矿用地，占1980年林地面积的14.17%。其他各景观类型间亦有少量转化。

表1 1980-2015年焦作矿区景观类型面积转移矩阵 hm2

焦作矿区1980—2015年5期景观类型空间分布见图2。结果显示35年间焦作矿区景观类型空间上发生了显著变化，耕地面积逐渐减少，并向东南平原区域转移，减少区域主要集中在矿区西北部山区及西南部靠近市区区域。水域在2010年前面积变化不大，主要集中在境内的几条河流上，2010年后随着南水北调中线工程穿境而过，水域面积显著增加。林地主要分布在西部、北部山区及村庄附近，1980—2000年，由于频繁的人类活动，西部、北部山区部分林地转为耕地和工矿用地，其面积不断减少；2000—2015年，随着山区退耕还林、植树造林等生态活动的开展，西部、北部山区耕地重新转为林地，林地面积逐渐恢复。草地面积35年间变化不大，主要集中在林地与耕地之间的过渡带及沿河两岸。建设用地35年间显著增加，零散村庄减少，向西南部市区和中北部城镇区域集中。

3.2 焦作矿区景观格局变化

3.2.1 斑块类型水平上景观格局变化 根据表2中1980—2015年5期斑块类型水平上的景观指数，可以明晰各景观类型景观格局指数的变化情况。从斑块数(NP)来看，各景观类型均呈现不同程度的破碎化，其中水域的NP最少，受人类活动干扰最小，景观最为完整；林地的NP最多，表明林地景观分散，破碎化严重；耕地、工矿用地和草地的NP持续增加，表明35年来其景观破碎化程度不断加剧，建设用地由于道路的连通，破碎化较低。从最大斑块指数(LPI)来看，1980年耕地的LPI最高，却呈不断减小趋势，2015年建设用地的LPI最高，且呈不断上升趋势，说明矿区的优势类型由耕地转为建设用地，且这种差距在不断扩大，这可能是随着城镇化进程的加快，建设用地呈“摊大饼”和“集中式”的扩张，部分耕地转为建设用地所产生的后果。水域、工矿用地和草地的LPI始终较小，且变化幅度较小。同时由于西部、北部是山区的原因，林地的LPI亦变化较小。

图21980-2015年焦作矿区景观类型空间分布

周长面积分维数(PAFRAC)在一定程度上反映了斑块的形状复杂性。由表2可知，水域的PAFRAC最高，表明水域形状最复杂。其次为耕地，呈现先增后减趋势，这是由于改革开放初期部分山林被开垦成耕地造成耕地形状趋于不规则，在21世纪初，随着退耕还林政策的实施，耕地形状趋于规则。与早期相比，林地、建设用地、工矿用地和草地的PAFRAC均呈现不同程度的增加，说明受到人类活动的影响，这几类景观的形状越来越不规则。

散布与并列指数(IJI)是反映景观聚集程度及与其他类型邻接关系的指标。从表2中看出，耕地的IJI最高，始终在85以上，显示出很强的聚集性，同时表明耕地与其他景观类型近乎等量邻接，为基质斑块。水域、草地和林地的IJI呈持续增加趋势，这可能是由于人类活动使其周边景观要素不断增多所致。建设用地的IJI相对较低，表明与建设用地邻接要素较少，早期建设用地以村庄形式存在，现在城镇化进程中建设用地集中建成均是导致建设用地IJI低的原因。

3.2.2 景观水平上景观格局变化 由图3可知矿区整体景观指数变化情况，1980—2015年，斑块密度PD和景观形状指数LSI呈不断上升趋势，2015年达到最大，表明矿区整体景观破碎化程度加剧，矿区斑块形状趋于复杂化、不规则化，这可能是由于矿区经济快速发展，人类活动频繁所致。1980—2015年景观聚集度指数CONTAG呈先迅速降低再缓慢减少至平稳趋势，1980年最大为59.48，2015年最小为50.33，说明焦作矿区景观连通性在1980年达到最大值，空间格局分布均匀，随后到2015年，景观连通性持续下降。1980—2015年香农多样性指数(SHDI)与香农均匀度指数(SHEI)均先迅速上升再到平稳趋势，其波动过程与景观聚集度指数相反，这表明，35年间各景观类型面积差异减小，景观优势度下降，景观优势类别对景观的控制作用减弱，景观异质性增强。

表2 1980-2015年斑块类型水平上的景观指数变化

3.2.3 景观格局变化的生态过程响应 格局、过程和尺度之间的相互关系一直是景观生态学研究的核心内容，在一定的尺度上格局决定过程，而过程作用于格局[24]。根据焦作矿区1980—2015年土地利用及景观格局动态变化，来分析研究区景观生态过程及变化趋势。在1980—2015年，区域景观破碎化程度不断加剧，景观异质性增强，景观中处于核心地位的耕地面积比重不断下降，斑块数却不断增加，平均斑块面积持续减少，说明耕地景观被不断分割，耕地的连通性下降，从而影响区域景观生态系统的物质循环和能量流动，造成区域景观生态系统的不稳定。景观类型间转移过程频繁，尤其是耕地和林地、建设用地及工矿用地之间。1980—2000年西部、北部山区部分林地转向耕地，林地面积不断减少，而林地斑块数仍不断增加，表明林地景观类型破碎化程度不断加强，西部、北部山区生物多样性受到威胁，生态环境出现不同程度的失衡；2000—2015年随着退耕还林政策的实施，山区耕地重新转回林地，林地面积不断恢复，西部、北部山区生态系统趋于稳定，生态功能不断恢复。南部平原地区，35年间耕地不断向建设用地及工矿用地转移，建设用地及工矿用地面积不断增加，同时随着诸如公路、铁路等各类线状基础设施的建设，建设用地及工矿用地景观的连通性不断提升，同时其周长面积分维数亦不断增加，表明城镇在不断扩张，并有集中连片分布趋势。但建设用地及工矿用地景观面积的增加，导致研究区南部平原区域的土地利用格局不合理、生态环境趋于恶化。

图31980-2015年景观水平上景观指数变化

3.3 焦作矿区景观格局演变的驱动力分析

35年来焦作矿区的景观类型发生了显著的变化，这种变化是自然因素和人为因素综合作用的结果，具有很强的地域性。自然因素是各景观类型分布的基础条件，往往在较大时空范围内影响着景观格局的变化[8]。通过对焦作矿区的DEM数据进行处理，得到研究区坡度分布图(图4)。由图4可知，焦作矿区西部和北部地区坡度较陡，为山地丘陵区，其决定了该区域的景观类型以林地、草地为主，耕地为辅；中部和东部地区坡度平缓，为平原区，适宜人类活动，决定了该区域的景观类型以耕地、建设用地为主。1980—2015年，矿区地形坡度变化不大，对景观格局变化影响较小，意味着人口、社会经济发展等诸多人为因素是35年间景观格局变化的主要原因。

本研究将筛选的8个人为驱动因子在SPSS软件中进行主成分分析，计算出它们的特征值及主成分贡献率(表3)。由表3可知，有2个特征值大于1，分别为6.275，1.002，其对应的第一主成分与第二主成分累积贡献率达到90.957%，满足大于85%的要求，可以解释导致景观格局变化的驱动因子。故只需进一步求出第一主成分、第二主成分与各驱动因子的相关性即可。

表4为主成分载荷矩阵，代表了各主成分与驱动因子的相关系数。由表4可以看出，第一主成分与农业人口、粮食总产量、总人口、第一产业产值的相关系数较大；第二主成分与煤炭年产量，第二产业产值的相关系数较大。总结上述驱动因子，可以将焦作矿区景观格局演变的驱动因子分为人口与农业发展因子和工业发展因子两个方面。

图4焦作矿区坡度分布

3.3.1 人口与农业发展因子分析 由图5可知，1995—2014年焦作矿区所在的马村区总人口由1995年的13.16万人增加到2014年的14.31万人，增加了1.15万人，年均增长率为0.44%。其中农业人口由6.59万人减少到6.15万人，减少了0.44万人，年均减少率为0.33%。矿区总人口的增加导致人们对住房需求增大，同时随着经济的发展，人民生活水平的提高，矿区基础设施不断完善、城镇建设用地不断扩张，1995—2015年矿区建设用地(含交通用地)面积呈不断增长趋势(图1)正是其作用的结果。矿区农业人口减少的同时，非农业人口不断增加，越来越多的人从事第二、第三产业，促使工矿用地建设力度加大，这与1995—2015年矿区工矿用地面积变化(图1)相一致。同时迫于人口压力，农民为了生存及提高粮食产量，对土地资源的不合理利用，产生一系列生态环境问题。尤其是1980—2000年矿区西部山区林地被大量开垦成耕地，造成严重的水土流失，矿区景观格局发生显著变化，2000年以后，响应国家退耕还林政策，保证耕地质量，矿区西部山区低产耕地重新转化成人工林地或果园。此结果与1990—2015年林地景观面积先减后增的变化情况一致。因此，人口与农业发展因子是景观格局变化的主要驱动因子。

图51995-2014年马村区总人口及农业人口变化

3.3.2 工业发展因子分析 1995—2014年，第二产业在矿区三大产业中占据主导地位，产值比重始终在50%以上，而在第二产业中，煤炭开采是其主要方面。随着城市化进程加快，能源需求激增，煤炭开采速度加快，矿区采空区范围越来越大，地表出现大面积下沉塌陷，形成塌陷地[25]，同时煤山、矸石山压占周围耕地，导致矿区周围耕地逐渐荒废形成荒草地，与矿区1990—2015年草地面积变化趋势相一致，所以第二产业产值与煤炭开采是景观格局变化的主要驱动力之一。2000年以来，矿区生态问题引起社会的强烈关注，随着政府对矿区生态重建、土地复垦的开展[26]，矿区许多不达标的小矿井被关闭，大型矿井严格按照国家标准开采煤炭，矿区周围部分荒草地、塌陷地重新复垦成耕地，因此2000年以来矿区草地面积持续减少，而耕地面积减少变缓。此结果与郝成元[27]对焦作矿区废弃土地复垦与生态重建的研究结果相一致，说明工业发展因子是矿区景观格局变化的主要驱动因子。

4 讨论与结论

(1) 1980—2015年焦作矿区以耕地、林地和建设用地为主，其中耕地面积比重最大，始终占研究区总面积43%以上。各类型中耕地、草地总体呈减少趋势，林地、建设用地、工矿用地和水域总体呈增长趋势，期间景观类型转化主要发生在耕地和建设用地之间，其他景观类型之间亦有少量转化；各景观类型空间上亦发生显著变化，其中耕地向东南平原区域转移，林地趋向西部、北部山区，建设用地则向西南市区及矿区主要道路附近集中。

(2) 1980—2015年焦作矿区各景观类型均呈不同程度的破碎化，林地破碎化最高，水域表现最为完整。矿区优势类别由耕地逐步转为建设用地，且这种差距在不断扩大。耕地斑块形状趋于规则，水域、建设用地、工矿用地和草地斑块形状越发不规则，其中水域斑块形状最为复杂。耕地聚集程度最大，与其他类型均邻接，为基质斑块。

(3) 1980—2015年焦作矿区整体景观指数发生显著变化：斑块密度、景观形状指数、香农多样性指数和香农均匀度指数均呈不断上升趋势，景观聚集度指数正好相反，呈不断下降趋势。这表明矿区景观破碎化程度加剧，斑块形状趋于复杂化，景观优势类别控制作用减弱，景观异质性增强。

(4) 1980—2015年，由于自然因素和人为因素的影响，焦作矿区的土地利用景观格局和生态环境发生了显著的变化，尤其是南部平原地区，耕地面积大量减少，取而代之的建设用地和工矿用地大面积增加，导致矿区景观破碎化增加，异质性增强，土地利用结构不合理，生态系统功能下降。其中人为因素是矿区35年来土地利用景观格局变化的主要原因，农业人口、粮食总产量、总人口、煤炭年产量和第二产业产值等因子起主要驱动作用。为此，未来焦作矿区应继续在北部山区实施退耕还林政策，将低产耕地向人工林地转化，减少山区水土流失；在南部平原地区加快城镇化进程，严格控制建设用地面积，关闭低产高能耗的矿井，复垦废弃地扩大耕地、林地面积。通过协调人口增长，经济发展，煤炭开采与环境保护之间的关系，优化矿区土地利用景观格局，实现矿区土地的可持续利用，保障矿区生态安全。

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