抚顺西露天矿区景观格局变化与生态安全格局构建

郭成久，刘宇欣，李海福，孙雨桐，于英臣

（1.沈阳农业大学水利学院，沈阳 110161；2.中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司生态工程中心，沈阳 110015）

随着经济的高速发展，城市化等人类活动通过外部扩张或内部功能重新组合的方式改变了区域景观类型。尤其是矿产资源的开采，会加速改变景观类型及结构。例如，山西大同煤矿在几十年煤炭开采中，水质污染、水土流失、土壤沙化、土地塌陷等生态环境问题非常突出，当地生态景观和生态结构发生了明显破坏[1]。矿区开采导致景观类型发生不同幅度的变化，这种变化引起生态系统波动，造成区域生态格局失稳。社会的快速发展是以牺牲自然环境为代价的，生态景观遭到破坏严重影响人与自然和谐发展。付国臣[2]对霍林河矿区研究表明，大量土地被矿区开采占用，导致植被覆盖率降低，草地退化，景观多样性严重降低。史金丽[3]对高新区土地集约化利用的研究中指出，随着土地利用程度不断上升，建设用地占用大量耕地，导致景观破碎度逐年增加、异质性降低和多样性指数下降。郭少壮等[4]利用GIS空间分析和斑块指数探讨秦岭地区林地和草地的时空变化关系，提出减缓人为活动有助于保护林地和草地景观。李晓青等[5]对比广西全州县喀斯特地区景观格局发现，喀斯特地区景观用地面积减少率高于非喀斯特地区，喀斯特比非喀斯特地区景观更破碎，斑块形状更分散和复杂。冉圣宏等[6]在渔子溪流域的研究显示，近20年灌木林地被开垦为耕地导致景观破碎度指数下降，破坏生态景观格局。以上研究表明，不合理的经济开发活动会对景观格局产生一定影响，而景观格局直接影响生态系统，甚至会加速生态环境的恶化[7]。

为促进区域生态环境的改善，需要有针对性构建景观生态安全格局。FORMAN等[8]最早提出了景观生态安全格局的概念，考虑以景观整体为核心的规划模式。之后有学者在景观格局中融入“源”和“汇”理论，丰富了其内涵[9]。目前相关研究主要通过模型模拟的方式分析优化景观生态安全格局。其中，KNAPPEN等[10]提出的反映空间点与点之间可达性的累积耗费距离模型被广泛应用在生态规划、物种保护等多项领域中，不仅可以准确模拟景观生态过程，确定景观中的“关键局部”，模拟结果还可通过最小阻力累积模型（MCR）来呈现。蒙吉军等[11]通过分析贵阳市生态需求和景观连通性确定生态源地，利用MCR模型得到了生态廊道网络，构建了当地的景观生态安全格局。邱硕等[12]利用MCR模型，引入不同等级源的权重系数，将综合生态安全格局作为阻力因子，分别确定了在生态约束性、经济增长型和生态经济并重型3种不同模式下唐山市的可能发展范围。李泽阳等[13]基于MCR模型以最小路径为依据构成廊道，将生态斑块有机结合，生态孤岛作为过渡斑块，重构大连市金州区生态网络。

抚顺西露天煤矿因开发不规律和开采不节制造成生态环境问题尤为明显，水土流失现象严重，还伴随地质土壤发生次生危害，地下水受到污染，破坏生态结构组分，影响生态稳定，对抚顺西露天矿区的景观格局造成危害[14]。本研究采用最小累积阻力模型的方法构建抚顺西露天矿区景观生态安全格局，改善受损的生态功能，为以矿产资源为主的资源枯竭城市优化景观格局提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

抚顺西露天矿区位于辽宁省和抚顺市望花区，是一个生产煤炭和油母页岩的大型露天矿。该矿历经百年开采，现已形成长6.6km、宽2.2km、平均深度399m、总面积约12.09km2的露天采矿坑。为探讨抚顺西露天矿与周边景观间的生态联系，以抚顺西露天矿为中心，以矿区南侧、西侧、东侧的主干道路和北侧浑河作为研究区域边界。地理坐标位于41°46'40″~41°52'35″N，123°40'7″~124°2'31″S。该区域是典型中温带东亚大陆季风气候，年平均降雨量804.2mm，年平均气温6.6℃，研究区地层属太古界鞍山群、中生界白垩系龙凤坎组、新生界老第三系抚顺群含煤层和第四系松散层，露天排弃物以绿色泥岩为主，另有碳质页岩、油母页岩、凝灰岩等，植物组成有白榆、火炬树、刺槐、忍冬和蒺藜等[15]。

1.2 数据来源与处理

以抚顺市2010，2014，2018年3期多光谱遥感影像为基础，图像分辨率为30m×30m，4个光谱波段。使用ENVI 5.3软件确定大气模型、气溶胶类型、气溶胶反演等多项指标进行大气校正，后进行影像融合和裁剪。对遥感影像进行配准，根据第三次全国土地调查分类体系划分为7大类：耕地、林地、草地、交通用地、建设用地、其他用地和水域。景观类型分布如图1。

图1 2010~2018年抚顺西露天矿区景观类型Figure 1 Landscape types of west open pit of Fushun mine 2010-2018

1.3 研究方法

1.3.1 景观格局速度变化根据周厚侠等[16]对土地利用与覆盖变化的研究，采用以下方法分析景观速度变化。

式中：LSI为某种景观类型在某段时间内的发展度指数；LUa和LUb分别为某段时间开始和结束时的斑块面积；IDL为研究期内景观综合动态度；LUi为时间段内初始景观类型i的面积；LUi-k为时间段内景观类型i与转化为非景观类型i的差值；T为某段时间的年份长度。

1.3.2 景观格局结构变化土地利用转移矩阵表示某时间段内变化初期和变化末期景观类型相互转移类型和数量：

式中：S为面积；n为转移前后的景观类型数量；i，j（i，j=1，2，…n）分别为转移前与转移后的景观类型。

1.3.3 景观格局破碎度变化景观斑块破碎度变化，分为景观格局的破碎度指数和景观类型的破碎度指数[17]。

式中：Nt为斑块总数；Nc为总面积与最小斑块面积的比值；LFI1为景观格局的破碎度指数；Ni为第i类斑块的数量；Mi为第i类斑块平均面积；LFI2为景观类型的破碎度指数。

1.3.4 最小累积阻力模型（MCR）1992年由KNAPPEN提出最小累积阻力模型（MCR），是计算景观中的物质迁移过程中克服阻力消耗代价的模型。国内学者对公式进行了修改[18]：

式中：MCR为最小累积阻力值；f为阻力对运动距离的函数关系；Dij为物种从源j到i的空间距离；Ri为景观单元i对某物种运动的阻力；Σ为i位置与源j之间运动产生的所有阻力之和[19-20]。

1.3.5 生态源地的识别生态源地对构建整个生态安全格局极其重要，是物种扩散和维持的源点，在维持景观格局的完整和满足人类生态需求等方面具有重要作用[21]。

1.3.5.1 斑块评价指标和计算权重本研究选取了斑块规模大小、斑块维数、斑块分离度、植被覆盖、人工控制程度5项指标进行景观斑块综合质量评价，具体见表1。

表1 抚顺西露天矿区景观斑块综合质量评价体系Table 1 Evaluation index of landscape patch quality in west open pit of Fushun mine

参考景观生态学理论中景观斑块的质量评价，借鉴指标间的相对重要性比重关系，利用层次分析法（AHP），构建抚顺西露天矿区斑块质量评价矩阵[22]（表2），确定指标层权重。

表2 抚顺西露天矿区斑块质量评价矩阵Table 2 Relative importance judgment matrix of evaluation index in west open pit of Fushun mine

1.3.5.2 评价指标计算与标准化处理使用Fragstats 4.2软件计算斑块景观类指标。植被覆盖采用ENVI 5.3软件计算，公式为：

式中：NIR为近红外波段的反射值；R为红光波段的反射值。

人工控制程度指标属于定性指标，不同景观类型受到不同的人工控制。查找相关文章[24]，获得各景观类型的控制程度分级赋分。标准化方法有很多，归一化法是比较常用的一种。

指标权重和标准化数据处理后，利用ArcGIS进行叠加计算，斑块分值越高，斑块质量越好。根据评价指标分级标准，斑块综合质量分值≥75的斑块为Ⅰ级斑块，作为生态源地。

1.3.6 生态廊道的构建生态廊道有保护生物多样性，增强景观内部能量交流等多样生态服务功能。阻力面是识别生态廊道的重要一步，需要根据实际情况选择合适的阻力因子。

1.3.6.1构建阻力面生态系统中物质在不同景观类型之间流动会受到阻碍[23]，由于景观组分在流动过程中受到的阻力不同，选取了景观自身因子和邻近景观干扰因子（表3）。根据不同指标设定不同阻力等级，在Arc⁃GIS中进行赋值，阻力因子进行叠加，生成阻力面[24]。

表3 抚顺露天矿区景观阻力因子及其权重和相对阻力值Table 3 Landscape resistance factors and weights and relative resistance values in west open pit of Fushun mine

1.3.6.2 廊道的提取需要用到ArcGIS10.2距离分析模块中的成本距离，先将阻力面添加到成本距离中，依次将每个生态源地作为起点，生成最小累积耗费距离表面。后将最小累积耗费距离表面添加到成本路径中从而确定生态廊道的位置[25]。

1.3.7 生态节点生态节点通常位于生态廊道上，建立生态节点可以对整体景观起到管理作用，促进景观生态流运行。由于生态节点是生态廊道内比较脆弱的点，所以保护生态节点对于生态廊道的结合与稳定性至关重要。利用ArcGIS水文分析中在最小累积耗费距离表面提取山脊线，其与生态廊道的交点即生态节点[26]。

2 结果与分析

2.1 景观格局分析

结合图1与动态度公式、景观类型转移矩阵和破碎度公式揭示景观格局速度变化、景观格局结构变化和景观格局破碎度变化，具体见表4~表7。

2.1.1 景观格局速度变化 由表4可知，不同时间段内单一景观动态度，2010~2018年间林地单一动态度( 5.36%∙a-1)最高，增加速率最大。水域单一动态度( -3.15%∙a-1)最低，减少速率最大。其中2010~2014年间其他用地的单一动态度( 2.95%∙a-1)最高，水域的单一动态度( -4.65%∙a-1)最低。2014~2018年间林地的正单一动态度( 1.81%∙a-1)最高，其他用地的单一动态度( -1.62%∙a-1)最低。2010~2018年内，景观组分增加速率依次为：林地>草地>耕地>其他用地，景观组分减小速率依次为：水域>建设用地>交通用地。

表4 抚顺西露天矿区单一景观动态度Table 4 The development rate of single landscape in west open pit of Fushun mine

由表5可知，抚顺西露天矿区从2010~2018年综合动态度达到( 12.8%∙a-1)，且2014~2018年综合动态度( 9.1%∙a-1)明显高于2010~2014年( 6.7%∙a-1)，特点是景观变化速度快，受人为影响严重，景观斑块稳定性差。

表5 抚顺西露天矿区景观综合动态度Table 5 Development sped of comprehensive landscape in west open pit of Fushun

2.1.2 景观格局结构变化由表6可知，2010~2018年间，建设用地面积减少最大，达到12.89km2，占2010年建设用地面积的9.02%。林地面积增加最大，达到6.63km2，占2010年林地面积的3.23%。建设用地面积转化为林地面积为4.61km2。其次是耕地面积转化为林地面积为3.62km2。特点是景观结构变化频繁，建设用地面积减小，林地面积增加。各景观类型面积差距缩小，建设用地和耕地转化为林地面积较大，还林效果明显。

表6 2010~2018年抚顺西露天矿区景观类型转移矩阵Table 6 Landscape transfer matrix in west pit of Fushun 2010-2018

2.1.3 景观格局破碎度变化斑块层面破碎度分为破碎度上升、持平与下降3大类。破碎度上升的有2小类：林地和水域。破碎度持平的有2小类：建设用地和交通用地。破碎度下降的有3小类：耕地、草地和其他用地。由表7可知，总体景观破碎度从2010年的0.0676到2018年的0.0585，呈现小幅度下降，主要源于大部分斑块破碎度的降低。说明斑块数量在减少，斑块的平均面积有所增加，景观破碎度有所好转，但仍较高。

表7 2010~2018年抚顺西露天矿区破碎度分析Table 7 Fragmentation analysis in west pit of Fushun 2010~2018

2.2 生态安全格局的构建

2.2.1 生态源地的构建由图2可知，抚顺西露天矿区生态安全景观格局空间分布上看，生态源地集中分布在矿区中部和东部，只有一处位于浑河附近。说明中部和东部斑块质量偏高，生态安全级别较高。从景观类型上看，生态源地包括草地和林地2种类型。林地植被覆盖率高，生物多样性丰富，而草地生态源地位于浑河旁边，有更好的水分条件。其中6处林地生态源地均在抚顺西露天矿附近，这是因为近年针对西露天矿进行了大规模生态修复，在周边种植了大面积的植被，提高了归一化植被指数，人工种植的林地形状较为规整。因此这7块斑块综合质量分值较高，可作为生态源地。

图2 抚顺西露天矿区生态安全格局Figure 2 Landscape ecological security pattern in west open pit of Fushun mine

2.2.2 生态廊道的构建由图3可知，从抚顺西露天矿区景观阻力面空间分布上看，中部和东部阻力值较小，西部和南部阻力值偏大。从景观类型上看建设用地处最大，林地景观处阻力值最小。这也与抚顺西露天矿区景观斑块质量评价相吻合，建设用地植被覆盖率低，受人为影响较大；林地植被覆盖率大，受人为影响较轻。

图3 抚顺西露天矿区阻力面Figure 3 Resistance surface of west open pit of Fushun mine

结合最小累积耗费距离表面（图4）及生态源地分布情况可知，7个生态源地中每个源地之间产生一条生态廊道，共构建21条生态廊道（图2）。从空间分布上看，生态廊道主要位于西露天矿区中部和东部。其中西露天矿区中部的生态廊道比东部密集。这是因为中部廊道位于西露天矿附近，周边生态源地较多，同时附近阻力值较高，需要更多的廊道分担周边景观的压力。

图4 抚顺西露天矿区最小累积耗费距离表面Figure 4 Minimum accumulative cost distance surface in west open pit of Fushun mine

2.2.3 生态节点的构建基于ArcGIS水文分析结果共选取19个生态节点（图2），生态节点主要位于西露天矿附近，这是因为西露天矿附近阻力值较高。生态节点可以提高生态廊道稳定性，促进整个生态网络的连通性，保障生态系统平衡稳定[27]。

3 讨论与结论

王政通等[28]对白云鄂博矿区进行景观格局变化研究中，发现不同景观类型间面积差距进一步减小，与本研究结果一致。采矿场会因开采问题造成水土流失，或者地质灾害等问题对周围景观产生影响，造成景观格局变化。居民活动范围的扩大，也会对周围景观进行开发利用。人类活动和矿区开采共同影响下，改变景观格局致使不同景观类型间面积差距进一步缩小。2010~2018年间，林草地景观增长速度加快，与李芹等[29]对赣南稀土矿的研究结果相一致。有大量耕地和废弃的工业用地转化为复垦植被，说明退耕还林、退地环林政策逐渐落实。从保护和改善生态环境角度出发，因地制宜植树造林，恢复森林植被，对防风固沙和防止水土流失等问题起到了很好的作用。在黄鑫等[30]对内蒙古胜利煤田的景观生态安全格局构建中，生态源地主要集中在采矿场附近的林地，与本研究结果一致。林地具有较高的景观生物量，生物多样性丰富，较强的生态功能。采矿场周边为人工绿化林，斑块形状较其他林地斑块规整，质量评价比其他林地斑块评分更高。同时需要继续加强周边的人工绿化，增加生态源地面积，提高生态源地质量。张亚丽[31]对东山岛构建空间网格中，也采用最小累积阻力模型构建生态安全格局。确定阻力值相同的区域，根据阻力面构建生态廊道。铺设生态廊道，构建生态节点，实现生物间物质流通的连续性，丰富生态源地，提高生态网络的完整度和连通度，改善受损的生态功能，达到优化景观格局的目的。

本研究对2010~2018年抚顺西露天矿区景观特征分析表明，景观组分增加速率依次为：林地>草地>耕地>其他用地；景观组分减小速率依次为：水域>建设用地>交通用地。2010~2018年综合动态度达到( 12.8%∙a-1)，特点是景观变化速度快，景观斑块稳定性差。2010~2018年间景观结构转移频繁，各景观类型面积差距缩小，建设用地面积减少，林地面积增加，还林效果明显。总体景观破碎度从2010年的0.0676降到2018年的0.0585，呈现小幅下降。构建抚顺西露天矿区景观生态安全格局过程中，对景观斑块进行综合质量评价体系，选取7处斑块综合评价分值≥75的斑块作生态源地，面积10.28km2，占研究区总面积4.6%。在生态系统中发挥核心作用，主要集中在西露天矿中部和东部，以林地类型为主。为保障各生态源地间能量流动的畅通性，须构建21条生态廊道，19个生态节点，与生态源地共同构成生态安全格局，形成生态网络，主要分布在矿区中部和东部。