王 涛，肖 武，王 铮，尹相煜，贾 莉

(1.中国矿业大学(北京)土地复垦与生态重建研究所，北京 100083；2.湖南省国土资源规划院，湖南 长沙 410007)

煤矿开采对景观格局的影响及生态风险分析

王 涛1，2，肖 武1，王 铮1，尹相煜1，贾 莉1

(1.中国矿业大学(北京)土地复垦与生态重建研究所，北京 100083；2.湖南省国土资源规划院，湖南 长沙 410007)

煤矿区的建设与煤炭资源开采造成矿区土地利用与景观的变化，以兖州市东滩煤矿开采前后两期遥感影像为数据源，利用GIS空间分析技术，对煤矿区开采前后的景观格局变化开展深入研究工作，内容包括矿区景观类型转移矩阵分析、景观格局变异分析以及其景观生态风险评估。结果表明：1987～2013年，矿区内耕地和林地的面积减少，其余地物类型的面积都增大；矿区景观格局呈现复杂化，破碎化和均衡化的发展趋势；研究区内高、中风险区的面积不断向外扩张，低风险区的面积比重下降。因此，在矿产资源开发同时，应注重土地复垦过程中的景观格局优化，通过相关治理技术降低矿区景观生态风险，增大景观格局的稳定性。

东滩煤矿；GIS空间分析；景观格局；生态风险

我国已经成为世界第一煤炭大国，煤炭能源对于我国社会经济发展具有非常重要支撑作用，且在今后较长的时间内第一能源的地位不会有根本性改变[1-2]。随着煤炭资源的大规模开采，煤矿区土地资源和生态环境遭受了全方位的破坏，尤其是由于地下开采造成了大面积塌陷地，引起大面积表土破坏、耕地减少等一连串的自然环境问题[3]。

景观格局及其变化能够反映人类活动对生态景观的影响，通过对其进行分析，揭露区域生态景观发展状况及其在空间上的异质性[4]。区域的景观格局受到自然界的驱动力影响，如气候、地质、水文等，也受到人口、经济、城市发展水平等这些社会因素的驱动力影响[5]。矿区是以煤炭开采区为中心的独特的生态系统，其空间范围不仅包括企业职工及当地居民所在地，而且还包括随着采矿业发展而形成的城镇及工业园区[6-7]，其景观格局除受到一般的自然和社会因素的影响外，还受到煤炭资源开采的影响，这种影响成为矿区景观格局的主导驱动力。因此，研究矿区的景观格局演变对全面了解采矿对区域生态系统的影响、辅助矿区生态重建具有重要的意义[8]。高潜水位矿区，由于地势平坦、潜水埋深小，导致开采沉陷后地面积水，彻底的改变了原始的农田地貌景观，转变为水陆两相的生态系统，研究此类地区景观格局的演变规律及其景观生态风险，能为后期的生态修复布局提供借鉴，具有深远的意义[9-10]。

本研究以两个时相的TM影像为基础数据，综合运用Envi和ArcGIS软件平台，选取相应的景观指标探讨东滩煤矿景观格局的变化特征，进而对东滩煤矿景观生态风险进行评价。

1 研究区域概况

东滩煤矿是兖州矿区的重要组成部分，其矿井位于邹城市、兖州市、曲阜市三地交界处，总面积59km2。井田地理位置东经116°50′49″～116°56′56″，北纬35°24′11″～35°31′25″，东滩煤矿属于温带季风区，气候温暖，阳光充足，往年平均温度为14.4℃，平均降雨量为715.54mm，平均风速为2.73m/s。研究区内第四系疏松沉积物较为发育，地貌形态为山前倾斜冲积-洪积平原。受母质、地形、地貌、水文地质等条件的影响，东滩矿区内土壤质地以粘壤土和砂质粘壤土为主，土质较好，主要土壤类型为褐土。矿区内主要河流有白马河、其支流友谊河及泥河，自1989年投产以来，对于3煤层的大量开采，导致地面出现了较多的大面积塌陷区，加之矿区的潜水位较高因而非常容易汇集为大水面。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

本文使用的遥感影像的成像时间和轨道号分别为1987-09 (122-35，TM5)，2013-09 (122-35，TM8)，1987年和2013年分别对应煤矿开采前后。运用Envi5.1对2期遥感影像进行数据预处理和解译。根据影像分辨率以及矿区地物类型特点将研究区解译为林地、水域、耕地、交通用地、城镇村及工矿用地、裸地(裸露煤堆)，见图1。两期影像分类结果Kappa系数均大于0.8，精度满足分析的要求，然后将分类后影像导入ArcGIS10.2制作景观分类图。

图1 1987年和2013年东滩煤矿解译图

2.2 研究方法

2.2.1 景观类型转移矩阵

景观类型转移矩阵从定量角度表征期初状态和期末状态研究区各景观类型的转移情况，在转移矩阵中行和列分别对应期初和期末状态的景观类型。转移矩阵不但包括静态的一定区域某时间点的各地类面积数据，而且含有更为丰富的期初各地类面积转出和期末各地类面积转入的信息，通过土地利用转移矩阵可获取研究区景观类型变化特征以及各景观类型的转移去向，因而其在景观格局变化研究中具有重要意义。

2.2.2 景观格局指数的选取

景观格局(Landscape Pattern)是指景观要素在空间上的构造特点，通常涵盖3个方面：组成要素、单元数量及其时空分布[11]。景观格局通常采用景观指数来描述，其含有丰富的景观格局方面信息，并且能从量化角度描述空间格局变化规律，选取恰当的指数能够揭示类型要素在组织构成和空间分布上的特点[12]。在景观格局中常用的指数将近70个，可归类为斑块层次、类型层次和景观层次，然而并非每个指数都可以较好表达景观结构的变化特性，由于本文重点分析矿区的整体景观格局的特征，参考以往的研究成果，在景观水平选取了7个较为全面的指数以定量化表征东滩煤矿景观格局的变化规律。以景观类型图为基础数据，选取与研究目的相关的指数，采用Fragstats4.2软件平台参与计算，从而获得所需的景观指数。

2.2.3 景观格局生态风险评价

从矿区景观生态角度考虑，借助于地物类型面积比重，构建景观格局指数与矿区生态风险两者间的函数关系[13]，来比较研究区样地内整体生态危害的大小关系，其计算公式见下式。

式中：ERI为景观格局生态风险指数；n为景观类型的总数；Fi为景观类型i的脆弱度指数；Ei为景观类型i的干扰度指数；A为景观的总面积；Ai为景观类型i的面积；各景观指数计算方法见表1。

借鉴相关研究结果[14-15]，全面分析景观破碎度、分离度与优势度指数在矿区景观格局中的作用大小，将这三个指数权重依次设置为0.5、0.3和0.2。景观脆弱度指数采用专家咨询法获得[16-17]，将6类景观按脆弱程度由大到小排序并赋值：裸地为6、水域为5、耕地为4、林地为3、交通用地为2、城镇村及工矿用地为1，然后对各数值进行归一化处理，得到各景观类型脆弱度指数分别为0.2857、0.2381、0.1905、0.1429、0.0952、0.0476。

3 结果与分析

3.1 矿区景观格局转移矩阵分析

通过ArcGIS 软件平台，对两期解译后影像进行叠置分析，获得1987～2013年期间东滩矿区景观类型转移矩阵(表2)。

从表2可得1987～2013年间，耕地的转移面积最为明显，主要转变成城镇村及工矿用地(389.340hm2)，其次为水域(264.263hm2)、林地(258.772hm2)、交通用地(149.895hm2)、裸地(51.840hm2)，这主要是由于自1987年东滩煤矿开采以来，随着矿井以及配套设施建设，大量的耕地被破坏，转化为工矿用地、道路以及裸地；水域的增加主要来源于矿区塌陷地积水面积不断扩大，说明在此期间矿区进行了较大程度的开采导致矿区地面塌陷形成积水区；林地减少量中，主要转化为耕地(664.740hm2)，这是因为矿产资源开发破坏了当地生态系统，大量的树林被砍伐，采矿居民为满足物资生活需要，将其开垦为耕地。

3.2 矿区景观格局指数分析

景观指数反映了整个矿区内的景观格局特点[18-19]，选择以下7个景观水平指标，分别为斑块数量(NP)、斑块平均大小(MPS)、最大斑块(LPI)、Shannon多样性(SHDI)、Shannon均匀度(SHEI)、蔓延度(CONTAG)和散布与并列(IJI)，对矿产资源开发前后整个矿区内的景观格局变化进行研究，各指数值见表3。

表1 景观格局指数计算方法

表2 东滩煤矿转移矩阵(单位：hm2)

表3 东滩矿区景观格局指数

从表3可知，研究区景观类型斑块总数从1987年的177个增加到2013年的306个，整个景观破碎化程度提高。斑块的平均大小由1987年33.81hm2下降到2013年19.56hm2，以往的研究通常认为斑块平均面积越小说明该地物类型分布越破碎化[20]，这与斑块数量得到的结论具有一致性。这说明伴随煤炭开采规模的扩大，较大的耕地斑块内部逐渐出现其他地类斑块，促使矿区景观格局呈现破碎化、多样化的趋势发展。最大斑块指数直接反映矿区景观格局优势度，东滩矿区的优势景观类型为耕地，LPI在研究期间表现为下降趋势，说明耕地面积比例在资源开发下逐年减少，受外界的干扰越来越大。1987～2013年期间SHDI和SHEI指数均有所增加，说明在人类活动干扰下，东滩矿区内各地物类型之间发生较大规模的转移，造成矿区整体景观格局的异质性增加，各地物斑块呈现均衡化发展趋向，矿区景观格局正朝着均匀化方向发展；蔓延度指数自1987年到2013年呈现减少趋势，反映区域内优势度景观(耕地)斑块间的连接性不断下降；散布与并列指数自1987年到2013年呈现增大趋势，表明矿区景观各斑块之间相邻的边长趋于均匀化分布，破碎化程度增大。

3.3 矿区景观格局生态风险评价

本文将研究区划分为格网单元，每个格网单元大小为150m×150m，通过矿区景观生态风险评价模型计算出每个格网单元的风险值，然后利用ArcGIS中Natural breaks将东滩矿区目标单元的风险值归类为3个级别，分别为低生态风险区、中生态风险区、高生态风险区，结果如图2所示。同时，为了便于比较研究期间矿区生态风险的差异，运用ArcGIS统计分析功能获取矿区各级别生态风险区的面积及其百分比(表4)。

表4 矿区各级别生态风险区统计

从图2和表4可知，1987年研究区以低生态风险为主，占总面积的64.43%，主要分布在矿区的东北部和中部，景观类型为以耕地为主，还包括部分林地和城镇村，主要是由于该区域耕地和林地的面积较大且分布集中；其次，由于城镇村内部建成区无外扩风险，促使以上地区的风险较低。中生态风险区占总面积的33.81%，主要位于矿区的中部和南部城镇村外围区域，由于城镇村外围区域具有不断向外扩张趋势，使得区域的风险偏高。高生态风险区占总面积1.76%，分布于矿区中部河流区域，主要是由于河流的脆弱度指数较大，致使该区域的生态风险相对较高。2013年东滩煤矿内高生态风险区的面积增加至425.54hm2，占研究区面积的7.11%，主要位于矿区中部，且趋于集中分布，景观类型为水域和裸地，由于采矿规模越来越大，导致采煤塌陷地和裸露煤堆数量增加，使得高风险区的面积增加。中生态风险区的面积上升至2284.51hm2，占总面积的38.17%，分布于城镇村和采煤塌陷地的外围以及河流区域，主要是因为城镇村和采煤塌陷地不断蚕食周围邻接斑块，导致该区域的生态风险增大。低生态风险区面积减少至3275.04hm2，占总面积的54.72%，集中分布于矿区的东北部和南部，由于较大斑块的耕地和林地面积减少，从而使得低风险区的面积下降。

图2 1987年和2013年矿区生态风险分布图

4 结 论

本文以TM遥感影像为基础数据，借助于ArcGIS和Envi软件平台，对东滩煤矿的景观格局变化及其生态风险评价进行研究，得出以下结论。

1)研究期间矿区内耕地和林地的面积均减少，其余地物类型的面积明显增多，研究区主要发生的景观转移类型是耕地和林地转移为城镇村、工矿用地及水域。

2)随着矿产资源开采，矿区景观类型的破碎化程度增加，景观的连接性降低，优势景观所占面积逐渐减少，矿区景观朝着多样性和均匀性的方向发展。

3)煤炭开采前后东滩矿区景观生态风险发生了较大的变化，开采前(1987年)矿区的高生态风区面积比重为1.76%，主要分布在河流区域；中生态风险区面积比重为33.81%，主要分布在林地和城镇村及工矿用地斑块的边缘区域；开采后(2013年)矿区的高生态风险区面积比重为7.11%，主要分布在塌陷水面和裸地；中生态风险区面积比重为38.17%，大部分位于城镇村及采煤塌陷地的外围以及河流区域。

总体而言，煤炭开采对研究区生态景观产生了极大地影响，为了东滩煤矿的可持续发展，该矿区应开展相应的景观生态风险防范工作。首先，针对高风险区，利用煤矸石充填或挖深垫浅等技术，将塌陷积水区恢复为耕地和林地；其次，对于中风险区，应合理规划矿区的建设用地范围，促进人口向主城区和重点镇转移，引导工矿企业集中布局与聚集发展；最后，针对低风险区，加强农田基础设施的建设，完善农田生态廊道的建设，在耕地中引入生态缓冲区和防护林体系，增强耕地的抗干扰能力。

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Analysis of the influence of coal mining on landscape pattern and ecological risk

WANG Tao1，2，XIAO Wu1，WANG Zheng1，YIN Xiangyu1，JIA Li1

(1.Institute of Land Reclamation and Ecological Restoration，China University of Mining and Technology (Beijing)，Beijing 100083，China；2.Hunan Planning Institute of Land and Resources，Changsha 410007，China)

Land use and landscape changed severely in mining areas，because of the construction of coal mines and exploitation of coal resources.The changes of landscape pattern were analyzed pre-mining and post mining in Dongtan coal of Yanzhou city，by utilizing remote sensing and GIS spatial analysis technologies，which includes the transfer matrix of the mining area landscape pattern，landscape pattern index and ecological risk of landscape pattern.The results show that the area of farmland and woodland were decreased，and other landscape types increased from 1987 to 2013.It is concluded that the trend of landscape pattern transformation in the study area is fragmentation，equalization and complicate.The high and intermediate risk areas in the study area is expanding constantly，and the low risk areas is decreasing.Therefore，more attention should be paid to the landscape pattern optimization in the process of land reclamation，and through the related technology to reduce the ecological risk，increase the stability of the landscape pattern during mineral resources development.

Dongtan coal；GIS spatial analysis；landscape pattern；ecological risk

2016-07-28

国家自然科学基金项目资助(编号：41401609)；中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室开放基金项目资助(编号：SKLCRSM13KFB07)

王涛(1991-)，男，湖南衡阳人，硕士研究生，主要从事3S技术及其运用研究，E-mail：wt36743@163.com。

肖武(1983-)，男，湖南涟源人，博士，副教授，主要从事土地复垦与生态修复研究，E-mail：xiaowuwx@126.com。

TD88

A

1004-4051(2016)12-0071-05