杨海静

(贵州大学资源与环境工程学院，贵州贵阳 550025)



平朔露天煤矿原地貌土地利用结构与高程关系研究

杨海静

(贵州大学资源与环境工程学院，贵州贵阳 550025)

近年来，土地时空变化格局与环境因子的关系已成为土地利用/土地覆被变化研究的核心内容之一[1-2]。土地资源的合理利用就是要遵循地带性分异规律，以现状土地结构格局为基础，以景观生态学原理和可持续发展准则为指导，通过恰当的土地利用结构与布局的生态模式与途径，以稳定提高土地系统的生物生产力和保持良好的生态效益，达到土地资源的持续利用[3-5]。露天矿是一个比较特殊的土地利用研究单元，在露天矿开采的过程中伴随着非常剧烈的地表扰动，使得露天矿区的土地景观格局在短时间内发生了剧烈的变化以及土地景观格局的重组[6-7]。从生态破坏方面来看，露天开采将压占大量的原地貌，导致地表的土地利用类型发生巨大的变化，并形成了一种新的排土场地貌景观[8-9]。因此，露天矿区损毁土地的复垦与生态恢复显得至关重要。土地复垦是对生产建设活动和自然灾害损毁的土地，采取整治措施，使其达到可供利用状态的活动[10]。土地复垦的目的是将开采损毁土地复垦为原地貌或者比原地貌更好的状态。因此，原地貌的土地利用结构对矿区土地复垦方向的选择有着重要的意义。

高程是影响土地利用类型分布的一个重要因素，随着海拔的增加，大气温度、湿度都会有明显变化，导致土地利用的方向与方式随高程发生一定规律的变化[11]。土地利用垂直分异规律的研究主要探讨土地利用的分布或区域分异与海拔高度之间的相互关系，是土地利用空间分异规律研究的重要方面[12]。例如，Fahsi[13]通过将数字高程模型与Landsat-TM数据合并，提高了土地覆盖分类的精度；Thompson[14]基于海拔高度的影响，对美国莫哈维沙漠的植被和生物进行了研究；高文彬等[15]通过将高程栅格数据和土地利用栅格数据进行叠加，分析了伊犁河谷土地利用随高程的分布结构，为土地利用规划和农业调整提供了依据；陈秋计等[16]利用DEM研究了复垦区土地的损毁状况，并建立了复垦土地三维景观模型；周伟等[17]将数字高程模型应用于矿区地形演变的研究中，对矿区土地开采前、中、后阶段的地形地貌变化进行了对比。

平朔矿区作为矿业用地方式改革试点，确定了安太堡、安家岭及东露天3个煤矿矿区范围内的采矿用地，采取分期实施、到期归还的做法，以临时用地方式使用农民集体土地。同时，安家岭矿与安太堡矿采坑相继进入背斜影响区，采剥比急剧增大，排土场面积有限，使得排土场堆放高度大大增加，最终排弃高度将比原地貌高出100～200 m。一般来说，温度会随着海拔升高而降低，海拔高度每上升100 m，温度降低约0.6 ℃，而且随着海拔增加，月平均气温降低，日温差变大，从而对植物生长产生影响[18-19]。排土场海拔的增高，将增加矿区土地复垦的难度。因此，笔者通过分析高程对平朔露天煤矿原地貌土地利用分布的影响，找出土地利用空间变化规律，以期为矿区土地利用规划、复垦方向的选择、已复垦土地农业结构调整以及生态环境建设提供理论依据和技术支撑。

1研究区概况

平朔露天煤矿位于山西省背部的朔州市境内，属于黄土低山丘陵地貌，海拔高度1 200～1 500 m，地理坐标为110°53′00″～112°45′58″ E，39°3′45″～39°58′29″ N。平朔矿区属典型的温带半干旱大陆性季风气候，地处丘陵缓坡区。地带性土壤类型为栗钙土与栗褐土的过渡带，地带性植被具有森林干草原过渡的特征。土壤侵蚀具有黄土高原水蚀、风蚀并重的特征[20]。由于自然条件差，耕作粗放，致使土壤贫瘠。该地区生态系统组成结构简单，相对稳定性差，生态过程不稳定。平朔矿区划分为3个矿田，即安太堡露天煤矿、安家岭露天煤矿和东露天煤矿。

2研究方法与数据来源

2.1研究方法于2011～2015年，在平朔矿区的3个露天煤矿矿业用地方式改革试点范围内随机选取100 hm2的正方形区域，每个区域再细分为100个边长为100 m正方形小单元。将选定矩阵区域与研究区高程数据叠加，并以10 m高差进行高程分级，得出每个小单元对应的高程值。通过统计分析法，统计出不同高程的土地利用分布，分析研究区原地貌土地利用结构与高程的相关关系。

2.2数据来源研究使用的数据主要包括山西省平鲁区1∶25 000土地利用现状图和研究区域高程数据。研究区土地利用结构见表1。

表1　研究区土地利用类型面积及比例

2.3数据处理

2.3.1样地地类统计。通过MapGIS6.7软件进行土地利用现状图的统计，具体步骤如下：①以矿业用地方式改革试点范围作为研究区域，通过复制取点，布设10 m×10 m的点矩阵；②使用“自动剪断线”命令，剪断不同ID号的线，在检查拓扑错误后，进行线转弧段的操作； ③拓扑重建完成造区工作(图1)。经过以上3个步骤后，输出各小块区域的土地利用结构数据。

图1　样地地类统计流程图Fig.1　Statistical process of sample plot

2.3.2样地单元高程赋值。对每一个小方块进行编号，将选取区域与高程数据进行叠加，以10 m为高程差，定义每一小块所在的高程段。

3结果与分析

3.1安家岭矿根据高程分级统计，安家岭矿区所选研究区域中，原地貌高程为1 250～1 360 m，其中耕地面积434 174.44 m2，占有比例为43.42%；草地面积543 962.00 m2，占有比例为54.40%；林地面积3 253.49 m2，占有比例为0.33%。可见，耕地和草地分布较多，草地略多于耕地，林地分布很少。根据安家岭矿原始地貌土地利用空间分布与高程的关系(图2)，高程1 290 m是土地利用类型变化的一个分界点，当高程小于1 290 m时，耕地的面积大于草地的面积；而当高程大于1 290 m时，耕地和草地的面积总体上随着高程的增加而减少，并且耕地面积要小于草地面积。

图2　安家岭矿区原地貌土地利用结构分布Fig.2　Distribution of land use structure of original landscape of Anjialing mining area

3.2安太堡矿根据高程分级统计，安太堡矿区所选研究区域中，原地貌高程为1 330～1 470 m，耕地面积387 172.03 m2，占有比例为38.72%；草地面积576 807.03 m2，占有比例为57.68%；林地面积25 183.70 m2，占有比例为2.52%。可见，草地分布最多，其次是耕地，林地分布较少。由图3可知，随着高程逐渐增加，安太堡矿耕地和草地面积逐渐减少。高程1 350 m是耕地、草地面积变化的一个分界点，当高程小于1 350 m时，耕地面积大于草地面积；当高程大于1 350 m时，不同高程分级区的耕地面积都小于草地面积。

图3　安太堡矿区原地貌土地利用结构分布Fig.3　Distribution of land use structure of original landscape of Antaibao mining area

3.3东露天矿根据高程分级统计，东露天矿区所选研究区域中，原地貌高程为1 320～1 420 m，耕地面积352 820.69 m2，占有比例为35.28%；草地面积601 559.33 m2，占有比例为60.16%；林地面积41 397.05 m2，占有比例为4.14%。可见，草地分布最多，其次是耕地，林地分布较少。由图4可知，随着高程的增加，东露天矿耕地面积先增加后减少，而草地面积则呈增加的趋势。高程1 360 m是耕地、草地面积变化的一个分界点，当高程小于1 360 m时，耕地面积基本大于草地面积；当高程大于1 360 m时，各对应高程分区的耕地面积小于草地面积。

图4　东露天矿区原地貌土地利用结构分布Fig.4　Distribution of land use structure of original landscape of Donglutian mining area

3.4平朔矿区原地貌高程为1 200～1 470 m，草地面积最大，为1 722 328.36 m2，占有比例为57.41%；其次是耕地，面积1 174 167.16 m2，占有比例为39.14%；林地分布较少，面积69 834.24 m2，占有比例为2.33%。由图5可知，研究区域高程主要分布在1 300～1 400 m之间，随着高程增加，草地和耕地面积先增加后减少，草地面积大于耕地面积。耕地主要分布在高程1 270～1 410 m之间，最大值出现在1 350～1 370 m高程分区；草地主要分布在高程1 290～1 450 m之间，草地面积最大值则出现在1 370～1 390 m高程分区。同时，耕地面积达到峰值的对应高程要小于草地。林地面积很少，只在高程1 350～1 440 m之间零散分布。

图5　平朔矿区原地貌土地利用结构分布Fig.5　Distribution of land use structure of original landscape of Pingshuo mining area

通过对比各土地利用类型在不同高程的分布比例(图6)可以发现，高程1 290 m是耕地和草地面积所占比例的转折点，在高程小于1 290 m的原地貌，耕地面积所占比例大于草地；在高程大于1 290 m的原地貌，草地则占据着明显的优势。通过分析原地貌土地利用结构与高程线性相关关系(图7)可知，高程为1 250～1 470 m时，耕地面积所占比例呈逐渐减小的趋势，耕地分布与高程呈负相关关系；草地面积所占比例则呈增加趋势，草地分布与高程呈正相关；林地面积很少，说明林地在该高程区间不具有优势。

图6　平朔矿区原地貌土地利用结构比例Fig.6　Proportion of land use structure of original landscape of Pingshuo mining area

图7　平塑矿区原地貌土地利用结构与高程线性相关关系Fig.7　Linear relationship between elevation and land use structure of original landscape

4讨论

随着海拔升高，气温下降，大气压及CO2分压降低，光强增加，植物的生态和生理特性将产生巨大变化，可能影响到植物种类在海拔梯度上的分布、植物群落的结构组成[21]。通过分析，平朔矿区内草地占有比例最大，其次为耕地，林地所占比例最小。其中，在高程低于1 290 m的地区，耕地面积所占比例最大，说明研究区域内耕地主要集中在地势比较低的区域。这是因为低海拔地区的地理环境和水土资源条件更有利于人类生活和从事各种生产活动[22]，同时低海拔地区具有较好的水热条件，有利于作物的生长，适宜耕作[23]。原地貌中林地分布较少而且相对集中，与高程变化之间没有明显的相关性，说明研究区地处黄土高原区，水土流失比较严重，降水较少，普遍不适合乔木的生长。当高程大于1 290 m时，草地的分布占有绝对优势，海拔较高区域天然草地较多。草地具有明显的生长优势，草地可以跟随降水情况随时进行自我调节，何时有水何时长，遇到干旱亦不死亡，充分利用降水资源，适应本地区多变的半干旱环境特点[24]。可见，相对耕地和林地，草地更适合黄土高原，发展草地生态系统更有利于黄土高原露天煤矿排土场的生态恢复。

露天煤矿土地利用变化与矿区“采剥-排弃-复垦”的生产模式密切相关，露天开采剥离岩土量直接要求排土场排弃规模，排弃的面积又决定了排土场的最终高度。因此，在进行复垦规划时需要考虑排土场的海拔高度。平朔矿区中安家岭矿与安太堡矿采坑相继进入背斜影响区，采剥比急剧增大，在矿区排土面积有限的条件下，规划排土场的排弃高度将达1 450～1 500 m，需要进行复垦的排土场高度将大大增加，复垦为耕地的难度较大。将高海拔地区复垦草地，具有更加明显的生态效益。同时，平朔作为矿业用地方式改革试点矿区，对于临时使用的耕地到期需要及时归还，这就决定了还需要保证一定的耕地复垦面积。因此，在平朔矿区在制定复垦规划时应依据矿山的采剥、排弃、矿业用地计划等，结合重塑地貌排土场的面积和高程，合理安排耕地和草地的比例，优化土地利用结构。在高程低于1 350 m的排土场，应加大耕地的复垦比例；在高程大于1 350 m的排土场，应逐渐降低耕地的复垦比例，更多地选择适宜的草本植物进行复垦，以达到最佳的经济、社会和生态效益。

5结论

(1)平朔露天煤矿区原地貌土地利用结构与高程存在着一定的相关性，研究区内草地的总面积大于耕地的总面积。耕地面积最大值对应的高程分区为1 350～1 370 m，草地面积最大值对应的高程分区为1 370～1 390 m，在较高海拔地区，草地面积要比耕地面积多。耕地的面积随着高程的增加而减少，两者呈负相关；草地的面积则随着高程的增加而增加，两者呈正相关；林地面积较少，不具有优势。

(2)草地生态系统比耕地和林地更适应黄土高原区。在复垦土地利用布局上，耕地应该尽可能安置在高程相对较低的区域，适宜作物生长和方便农户耕作；草地安置在海拔较高地区，草地的环境效益明显，可大幅度减少水土流失，提高降水利用率。

(3)结合平朔矿区采矿用地计划，在保证复垦区域耕地数量要求的前提下，应该适当减小耕地的复垦比例，鼓励复垦草地，恢复草地生态系统。

(4)该研究在重视植被演替规律和生态系统自我修复的规律下，考虑矿区土地高程对土地利用结构的影响，结合采矿用地复垦要求，对研究区土地利用类型的合理布局具有指导意义，有助于优化该区的土地利用结构，为研究区土地复垦规划提供科学依据。

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摘要[目的]探讨平朔露天煤矿原地貌土地利用结构的空间变化规律。[方法]以地处黄土高原区的平朔特大型露天煤矿为例，利用土地利用现状图和高程信息数据，应用MapGIS6.7软件，对高程影响下矿区原地貌土地利用结构进行分析，研究土地利用结构与高程的相关关系。在此基础上，结合露天煤矿“采剥-排弃-复垦”模式，分析排土场排弃高度对土地复垦需求的影响。[结果]平朔露天煤矿原地貌土地利用结构与高程具有明显的相关性，随着高程的增加，草地的分布比例增大，耕地的分布比例减小，林地所占比例很小；草地生态系统比耕地和林地更适应黄土高原生态脆弱区，在复垦土地利用布局上，耕地应该尽可能安置在高程相对较低的区域，高海拔地区适合恢复草地生态系统；同时，针对平朔矿区的采矿用地计划，在保证复垦区域耕地数量要求的前提下，应该适当降低耕地的复垦比例，鼓励复垦草地。[结论]该研究可为矿区土地复垦规划提供理论依据，以实现矿区土地利用类型的合理布局。

关键词露天煤矿；土地利用结构；高程；土地复垦

Relationship between Land Use Structure and Elevation of Original Landform in Pingshuo Open-Cast Coal Mine

YANG Hai-jing(College of Resource and Environmental Engineering,Guizhou University, Guiyang, Guizhou 550025)

Abstract[Objective] The aim was to discuss the changes in land use structure of original landform in Pingshuo open-cast coal mine with elevation. [Method] Based on the land utilization map and elevation data, the relationship between land use structure and elevation of original landform in Pingshuo open-cast coal mine was analyzed with the aid of the software MapGIS6.7. Combined with the “Stripping-Dumping-Reclamation” pattern of the study area, the influence of dumping height on land reclamation requirements also was analyzed. [Result] In the original landform of Pingshuo mining area,land use structure had remarkable correlation with elevation. With the rise of elevation, the proportion of grassland increased, while that of cultivated land reduced. The forest land was distributed rarely. Compared with the cultivated land and forest land, grassland ecosystem was better adapted to the ecological fragile region in the Loess Plateau. For the reclamation land use structure, cultivated land should be arranged at low altitudes as grassland should be distributed at high altitudes.Meanwhile, according to the planning of mining land use, the quantity of cultivated land should be ensured first, and then it is needed to reduce the proportion of cultivated land reclaimed and increase the proportion of reclaimed grassland. [Conclusion] This research can provide theoretical foundation for land reclamation planning and rational distribution of land use types in a mining area.

Key wordsOpen-cast coal mine; Land use structure; Elevation; Land reclamation

收稿日期2015-12-14

作者简介杨海静(1993- )，女，内蒙古赤峰人，本科生，专业：勘查技术与工程。

中图分类号S 181；TD 164

文献标识码A

文章编号0517-6611(2016)01-138-04