王小燕，王丽云，马 宁

（黄河水利委员会 黄河上中游管理局，陕西 西安 710021）

神东矿区是我国西北地区最大的煤炭生产基地［1］，煤炭资源开采在带动当地经济发展的同时曾导致区域土地荒漠化、土地沉陷和生态环境恶化［2］。笔者基于卫星遥感影像数据、数字高程模型和经验性土壤侵蚀模型［3-4］，对神东矿区土地利用、植被覆盖度和土壤侵蚀时空动态变化情况进行了分析，以期为神东矿区煤炭资源合理开发和水土流失防治提供参考。

1 研究区概况与数据源

1.1 研究区概况

神东矿区地处黄河中游多沙粗沙区黄河一级支流窟野河中上游，涉及陕西省神木县、府谷县及内蒙古自治区鄂尔多斯市东胜区、伊金霍洛旗，是中国目前已探明储量最大的煤田和煤炭开采基地之一。煤炭开采是当地社会经济高速发展的支柱产业，也是生态环境恶化的主要因素之一，曾造成植被覆盖度降低、水土流失加剧、土地沙化干化［5-6］。近年来，矿区植被覆盖度大幅度提高，脆弱生态环境实现正向演替。

1.2 数据来源

本研究所用数据包括神东矿区2005年SPOT卫星遥感影像数据（分辨率为5 m）、2010年航测影像数据、2015年和2018年GF-1卫星遥感影像数据（分辨率为2 m）、数字高程模型（DEM，分辨率为5 m），数据来源及用途见表1。

表1 基础数据来源及用途

2 研究方法

2.1 土地利用分类和植被覆盖度计算

（1）土地利用分类。在ArcGIS软件支持下，根据土壤侵蚀计算的需要和矿区实际情况，将土地利用类型分为耕地、园地、林地、草地、居民点及工矿、交通、水域及水利设施、其他等8类。

（2）植被覆盖度计算。采用像元二分模型法计算植被覆盖度，辅以GF-1影像、外业调查等对植被覆盖度进行校正。像元二分模型［7］公式为

式中：FVC为植被覆盖度；NDVI为归一化植被指数；NDVImin、NDVImax分别为NDVI最小值、最大值，其值采取累计频率法计算得到，将从小到大累计频率为0.5%的NDVI值作为NDVImin、累计频率为99.5%的NDVI值作为NDVImax［8］。

2.2 土壤侵蚀模数计算

（1）水力侵蚀。采用中国土壤流失方程（CSLE）［9-10］，计算神东矿区土壤侵蚀（水力侵蚀）模数，公式为

式中：A为土壤侵蚀模数，t／（hm2·a）；R为降雨侵蚀力因子，MJ·mm／（hm2·h·a）；K为土壤可蚀性因子，t·hm2·h／（hm2·MJ·mm）；L为坡长因子；S为坡度因子；B为植物措施因子；E为工程措施因子；T为耕作措施因子。

（2）风力侵蚀。风力侵蚀地区土壤侵蚀模数按各种土地利用类型分别计算［11-12］。耕地风力侵蚀模数计算公式为

式中：Qfa每半个月的耕地风力侵蚀模数，t／hm2；W为每半个月的表土湿度因子，介于0～1之间；Tj为每半个月第j级风速的累计时间，min；j为风速等级序号，把风速5～40 m／s划分为35个等级，序号分别为1、2、…、35；Z0为地表粗糙度，cm；Uj为第j级风速平均值，m／s，如1级风速为5～6 m／s，其均值为U1=5.5 m／s。

草（灌木林）地风力侵蚀模数计算公式为

式中：Qfg为每半个月的草（灌木林）地风力侵蚀模数，t／hm2；V为植被覆盖度，%。

沙地（荒漠）风力侵蚀模数计算公式为

式中：Qfs为每半个月的沙地（荒漠）风力侵蚀模数，t／hm2。

3 结果与分析

3.1 土地利用变化情况

不同时期各土地利用类型面积统计分析表明，神东矿区2005—2018年土地利用变化特征主要体现在：耕地、其他、水域及水利设施用地面积减少，耕地面积从2005年的153.47 km2减少到2018年的81.54 km2，其他土地面积从2005年的163.45 km2减少到2018年的24.29 km2，水域及水利设施用地面积从2005年的24.41 km2减少到2018年的15.33 km2；林地、草地、居民点及工矿用地面积增加，林地面积从2005年的237.85 km2增加到2018年的349.25 km2，草地面积从2005年的453.08 km2增加到2018年的486.91 km2，居民点及工矿用地面积从2005年的24.14 km2增加到2018年的91.23 km2。从各土地利用类型相互转化情况（见表2）来看，2005—2018年神东矿区土地利用类型转化主要表现在：耕地转出主要转化为草地、林地、居民点及工矿用地，转化面积分别为36.21、28.75、9.41 km2；林地转出主要转化为居民点及工矿用地、草地，转化面积分别为22.93、16.40 km2；草地转出主要转化为林地、居民点及工矿用地，转移面积分别为74.93、29.34 km2；其他用地转出主要转化为草地、林地，转化面积分别为84.47、46.95 km2。

表2 神东矿区2005—2018年土地利用类型转移矩阵

3.2 植被覆盖度变化情况

不同时期各级植被覆盖度面积统计分析表明，神东矿区2005—2018年植被覆盖度变化特征主要体现在中高覆盖度及高覆盖度面积增加，而中低覆盖度及低覆盖度面积减少。其中：高覆盖度面积从2005年的6.05 km2增加到2018年的205.96 km2，中高覆盖度面积从2005年的51.92 km2增加到2018年的293.69 km2，中低覆盖度面积从2005年的261.44 km2减少到2018年的72.11 km2，低覆盖度从2005年的69.04 km2减少到2018年的1.24 km2。从植被覆盖度等级相互转化情况（见表3、表4，其中“其他”指非植被地类）来看，2005—2018年神东矿区植被覆盖度等级转化主要体现在：2018年风蚀区高覆盖度面积主要由2005年的中覆盖度、其他、中高覆盖度和中低覆盖度转化而来（转化面积分别为86.96、39.13、22.76、13.76 km2），中高覆盖度面积主要由中覆盖度、中低覆盖度、其他转化而来（转化面积分别为100.86、48.14、45.42 km2），中覆盖度面积中有45.15 km2由中低覆盖度转化而来；水蚀区2005年中低覆盖度转出主要转化为中覆盖度、中高覆盖度、高覆盖度，转移面积分别为44.20、40.35、15.77 km2，中覆盖度转出主要转化为中高覆盖度，转移面积为10.18 km2，低覆盖度转出主要转化为中覆盖度，转移面积为9.48 km2。总体来看，2005—2018年神东矿区植被覆盖度整体向好发展。

表3 神东矿区2005—2018年风蚀区植被覆盖度转移矩阵

表4 神东矿区2005—2018年水蚀区植被覆盖度转移矩阵

3.3 土壤侵蚀变化分析

神东矿区2005—2018年土壤侵蚀强度变化特征主要体现在微度侵蚀面积逐年增加、轻度以上侵蚀面积逐年减小，其中：微度侵蚀面积由2005年的121.64 km2增加到2018年的475.59 km2，中度侵蚀面积由2005年的387.76 km2减少到2018年的41.27 km2，强烈侵蚀面积由2005年的185.14 km2减少到2018年的14.56 km2。从各级土壤侵蚀强度相互转化情况（见表5、表6）来看，2005—2018年神东矿区土壤侵蚀类型变化特征主要表现为从较高侵蚀强度向较低侵蚀强度转化。在风蚀区，轻度侵蚀有211.43 km2转化为微度侵蚀，中度侵蚀有237.60 km2转化为轻度侵蚀，强烈侵蚀有100.65 km2转化为轻度侵蚀；在水蚀区，轻度侵蚀有66.00 km2转化为微度侵蚀，中度侵蚀有71.61 km2转化为轻度侵蚀，强烈侵蚀有29.25 km2转化为轻度侵蚀。

表5 神东矿区2005—2018年风蚀区土壤侵蚀强度转移矩阵

表6 神东矿区2005—2018年水蚀区土壤侵蚀强度转移矩阵

4 结 论

研究结果表明，2005—2018年神东矿区土地利用方式日趋合理、植被覆盖度总体向好发展、土壤侵蚀强度逐渐减弱：林地、居民点及工矿用地、草地面积增加，耕地和其他土地利用类型面积减少，林地主要由草地、其他土地利用类型转化而来，草地主要由耕地和其他土地利用类型转化而来；高覆盖度和中高覆盖度面积增幅较大，主要由中覆盖度和中低覆盖度转化而来；中度以上土壤侵蚀面积减少，较高强度侵蚀向较低强度侵蚀转化，轻度侵蚀主要向微度侵蚀转化，中度侵蚀主要向轻度侵蚀转化，剧烈侵蚀主要向中度侵蚀和轻度侵蚀转化。