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中国，山西省矿山农业城市典型复合区景观类型特征分析与格局演变

曹银贵^1,2 bull;白中科^1,2 bull; 周伟^1,2 bull; 张晓然¹

摘 要

矿山农业城市复合区是一个资源、经济和社会共同体。本研究以山西省朔州市平鲁区矿山农业城市复合区为研究对象，探讨1986-2013年我国矿山农业城市复合区景观类型变化特征与格局，分析其驱动力。我们发现：（1）虽然农田是主要景观类型，但建设用地明显增加，破坏用地也呈线性增加；（2）耕地减少主要受退耕、建设占用和采矿破坏的影响；（3）景观变化类型在不同时期差异显著，但总体上呈上升趋势，主要表现为从双向农田转换到双向农田转换共存、农田转换为建设用地、农田转换为破坏用地。最后，提出了指导景观类型变化的管理措施。

关键词：景观类型·格局演变·土地利用·驱动因素·矿山农业城市复合区

介绍

景观类型的特征分析和模式演化已成为全球气候与环境变化研究的重要内容。在景观类型模式变化过程中，材料被循环利用，能量在人类活动和生态环境之间流动。景观类型特征通常反映景观的状态和质量，并告知规划人员如何管理和维护景观。景观类型模式的研究内容已从时空特征转变为潜在机制、生态环境效应以及过程模拟越来越系统化，准确，定量和简明。

以往对景观类型格局变化的研究主要集中在典型区域，特别是生态脆弱区的空间格局、特征变化和生态环境响应，郊区和农村地区。目前，景观类型格局的变化也成为矿区研究的热点。首先，矿区规模小，受开挖、占用、塌陷等土地破坏的严重干扰，导致景观类型变化非常迅速，驱动因素易于识别。其次，矿区景观类型格局变化一般是资源开发驱动的时空演化，是矿区对生态环境影响的综合反映。在地表结构、资源可利用性和沉降结构方面，采后景观类型模式与采前景观类型模式存在显著差异。第三，矿区过去是农田，除开采矿区矿产资源外，还可能受其他因素的影响，如地方政府的土地利用政策、土地复垦工程等。

研究矿区景观类型格局变化具有重要意义。首先，这些研究可以获取景观分布、时空特征和变化过程，开发景观类型模式模拟技术，在了解潜在驱动机制的基础上，改进景观类型结构优化决策，旨在规范景观类型格局变化的方向、过程和影响，管理景观类型格局变化，科学保护生态环境。其次，这些研究可以发现景观复杂性和结构稳定性的时空变化规律，为土地复垦和生态重建提供参考。对于大型露天矿，景观类型变化的研究有助于我们快速准确地获得从采前到采后、从采后到采后的景观时空结构。同时，这些研究可以帮助我们分析采矿过程中不同时期景观类型格局变化的情况和趋势。这些结果可以为人工复杂生态系统的建设和生态重建的决策提供支持，使生态修复方案切实可行、生态化、不受干扰。

随着遥感技术和土地信息系统的发展，矿区景观类型格局变化研究取得了很大进展。重点是使用一系列定量模型和方法来呈现景观类型模式的根本干扰，特别是在地形复杂的地区。采矿导致耕地减少，景观严重破碎以及降低景观质量和稳定性。在平原地区，特别是矿山农业的综合区，景观类型模式变化迅速，变化频繁，主要表现为工矿用地增加、地表沉降扩大、耕地减少、生态系统平衡严重受损。

露天矿区在开采过程中，原有的景观格局遭到严重破坏。采矿后的地形、土壤和植被等景观要素形成了一个新的综合景观系统。这个系统不能很好地适应周围未受损的景观系统，看起来不自然。这种情况可能会加速景观转化。因此，露天矿区的景观类型模式在恢复过程中应是可接受和可持续的。本文以山西平朔露天矿区为例。曹和白等人以总量和年变化率揭示了1990～2004年的景观类型格局变化过程，突出了各种景观类型的时空演变，反映了矿区景观类型格局变化的特征（快速转化和严重破坏）。叶等人表明平朔露天矿区景观类型由1976年的4个增加到2006年的12个，景观类型格局受到严重破坏。毕等人结果表明，平朔矿区1990～2005年原始地貌总体上每年减少1平方公里，而露天开采面积稳定在7平方公里，剥离面积和复垦面积有所扩大，但前者要快于后者。

现有的研究大多集中于矿区核心区景观类型格局的变化，主要分析了采矿活动和土地复垦引起的景观类型格局变化。很少有研究探索大矿区，包括周边地区，特别是矿山农业城市的复合区。矿山农业城市复合区是以农业生产和生物资源利用为第一产业的矿产资源开发、加工和服务业，在生产和发展过程中存在物质循环和能量流动的资源、经济和社会共同体。在矿山-农业-城市复合区，以景观类型变化为载体，以资源开采、农业生产、城乡建设为载体，物质和能源循环流动。矿山农业城市复合区虽然投入了大量的工作和努力，但矿山农业城市复合区的采矿活动与可持续发展的协调性较差。采矿活动必然会影响景观类型格局，在某些情况下甚至是灾难性的。

从矿山-农业-城市复合区一体化发展的角度，分析了1986-2013年矿山-农业复合区景观类型的数量特征、空间分布及景观类型格局变化特征，分析了造成景观类型格局变化的根本原因，并提出了一些对策。引导景观类型变化的综合措施。

研究领域

研究区位于中国山西省北部朔州市平鲁区（图1）。其特点是生态脆弱，耕地面积有限，坡耕地面积大。近年来，实施“粮食换绿”生态政策，减少耕地面积。因此，矿区周围有许多重新造林的地区。此外，由于煤炭资源的开采，资源依赖型城市正围绕核心区域崛起。煤村搬迁也为新农村建设注入了新的活力。因此，研究区是典型的矿山农业城市复合区，景观类型是矿山农业城市综合发展的重要载体和直观表现。总体而言，研究该地区景观类型格局变化具有重要意义。

研究区涉及井平、向阳堡、白塘、玉岭、陶村、下面高6个行政镇，其中露天矿3个，平朔公司中国煤炭分公司地下矿3个，以及当地的一些地下矿（图1）。矿区面积占整个研究区域（517平方公里）的70%。研究区属于半干旱暖温带大陆性季风气候区，年平均气温4.8～7.8℃，年降雨量428.2～449.0 mm，地形海拔1300～1400m，属草原植被类型，属黄土丘陵地貌。地带性土壤为板栗土，土壤有机质含量低，结构差，抗性弱，侵蚀严重。

2013年，全区耕地面积4.209104 hm²，建设用地面积0.379104 hm²，破坏用地面积0.609104 hm²，分别占总面积的81.33%、7.06%和11.67%。

图1 研究区位置

数据与方法

数据源

我们在1986、1996、2000、2004、2009和2013年使用了六幅遥感图像。图像参数如表1所示。现场图像来自北京的世宝卫星图像公司。TM图像来自美国陆地卫星资源共享平台。

表1 研究区遥感影像参数

数据处理

参照矿区地理图（比例尺1:10000），利用ENVI5.0软件对6幅图像进行了校正。在高精度校正过程中，平均选取12个地面控制点，采用二次多项式和相邻的重采样方法。最后，校正数据以UTM投影和WGS-84椭球为参考。

建立了景观类型分类体系。根据景观类型特征或景观功能对景观类型进行分类。由于矿区是研究区的一部分，分类系统应反映每种景观类型的功能特征和土地破坏特征。根据《土地利用现状分类》（SAC 2007）和露天矿区景观类型特征，将露天矿区的景观类型分为农田、建设用地、破坏用地三大类，耕地、林地、草地、城市、农村聚落、露天开采区、剥离区、弃土场、工业场地、交通运输用地等十大类。其中，耕地包括耕地、林地和草地，建设用地包括城市、农村安置和交通运输用地，破坏用地包括露天开采区、剥离区、弃土场和工业用地。

利用图像上每种景观类型的纹理特征建立解释标志。遥感影像解释标志见表2。采用ENVI5.0软件对景观类型进行监测分类。Kappa系数检验用于检测分类的准确性。1986年、1996年和2000年景观分类的kappa系数大于0.90，2004年、2009年和2013年的 kappa系数大于0.80。高等人认为 0.75以上的kappa系数可以满足分类精度要求。我们在研究区域抽取了60个点，并比较了实地和地图之间的景观类型。准确率高达90%。当地图与实地不一致时，我们对其景观类型进行了修改。

表2 遥感影像判读标志

方法

我们运用重要价值观来发现景观类型变化的关系，确定其数量特征。利用重要性值确定景观类型的变化方向，选择景观变化的主要类型。重要性值越高，景观类型变化越明显。公式如下：

式中，C_i是i型景观类型变化的重要值，A_i是i型景观类型变化（增减）面积。

结果与分析

景观类型变化的定量特征

景观类型变化的定量特征可以客观地反映矿区采矿活动与生态系统之间最直接、最密切的关系。在初级景观类型层面，农田是研究区的初级景观类型。区内安太堡露天矿1987年开工建设，安家岭露天矿2000年开工建设，东露天矿2009年开工建设，露天矿分为基础设施建设期、过渡期、输出期三个阶段。土地破坏主要表现为基础设施建设期的土地占用、过渡期初的土地剥离和占用。过渡期后期，由于外弃土场向内弃土场转移，土地破坏逐渐减少。2013年，安太堡露天矿和安家岭露天矿处于输出期，两个矿山共有0.42times;10⁴hm²的土地遭到破坏。同时，东露天矿处于过渡期，有0.18times;10^{4 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料}

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