基于MODIS數據的潞安礦區土地覆被變化分析

許傳陽，李華超

（1.河南理工大學礦山空間信息技術國家測繪局重點實驗室，河南 焦作 454000；

2.河南理工大學測繪與國土信息工程學院，河南 焦作 454000）

自上世紀90年代起，環境變化已經成為最引人注目和關切的環境科學問題之一[1]。陸地生態系統中的氣候、土壤、植被、水等自然因子或資源之間的相互作用，影響著人類生產甚至生活的可持續發展[2]。土地覆被變化是陸地生態系統最直接、最重要的載體之一[3]，科學工作者對陸地覆被變化及驅動機制進行了廣泛研究[4]，但對礦區生態系統演變的研究并不多見[5]。

煤炭生產是煤礦區復合生態系統區別于一般生態系統的主要因子之一，其過程可能會擾動原自然生態系統，也可能會排放各種有害污染物而造成環境系統受損，二者是礦區生態系統的主要外在脅迫因素[6－7]。該研究從礦區陸地植被類型變化特征入手，探索煤炭開采活動對礦區生態系統的擾動方式及影響程度。

1 研究區概況

潞安礦區位于山西省東南部、太行山中段西側，地理坐標為 112°32′53"～113°16′35"E、35°50′9"～36°33′49"N，南北平均長約 65 km，東西平均寬約60 km，總面積4 015 km2。潞安礦區主要有山地、丘陵、平原和河谷等4種不同地貌，東南部和西南部地形多為低山、丘陵，中東部為河谷和平原。礦區的主體部分位于上黨盆地之內，盆地底面平坦，海拔900～930m，河漫灘、河流階地、山前傾斜平原、洪積平原面積廣闊，相對高差小，多在50 m以下；中東部濁漳河河谷最低（海拔847m）；最高處為西南部發鳩山（海拔1 645m）；海拔在1 100m以上、相對高差大于200 m的山地面積僅占潞安礦區總面積的5%以下；海拔在950～1 100m、相對高度在100～200m的丘陵區面積約占總面積的15%。潞安礦區地處內陸，屬于暖溫帶半濕潤區，多年平均活動積溫為2 815.0～3 764.3℃，多年平均降水量為547.78～660.61mm。

2 數據來源

遙感數據是一種非常重要的地學信息源，廣泛應用于植被生態、氣候變遷及資源環境監測等研究中[8－9]。該研究數據來源于 MODIS（themoderate resolution imaging spectroradiometer，中分辨率成像光譜儀），其產品已在植被生長狀況、生物量的估算、環境監測和全球變化等研究中得到驗證和應用。劉惠英等[10]研究了基于MODIS12數據的湖面遙感監測，夏文韜等[11]對甘南地區的MODIS土地覆被產品精度進行了詳盡探討。MODIS-MCD12Q1包含5種分類方法合成數據，即IGBP、UMD、LAI/FPAR、NPP和PFT。該研究選用LAI/FPAR合成數據，其土地覆被類型共分為8種：闊葉林、針葉林、農用地、灌叢、稀樹草地、水域、城鎮用地和無植被區。研究數據由美國對地觀測系統（EOS）的LPDAAC（Land Processes Distributed Archive Center）網站免費提供，矢量圖像空間分辨率為500 m，時間序列為2001～2008年。

3 土地覆被時空格局分析

植被類型的形成、分布乃至演替均以植物與太陽輻射、土壤與大氣之間的能量轉化和物質交換為基礎，這種轉換的基本條件是熱量和水分，水熱分布的時空變化以及垂直地帶性的變化，引起植被分布的區域格局[12]。陸地表層生態系統植被類型及其變化也有類似的分布規律，它是地形地貌、土壤性狀、氣候因子、植物種類及人類活動等多因子綜合作用的結果，該研究主要探尋土地覆被轉換的時間異質性和空間異質性。

3.1 時間異質性

2001～2008年研究區土地覆被變化過程見圖1，利用ArcGIS9.3統計與分析模塊列出8種土地覆被類型面積（見表1）。由表1可知，主要土地覆被類型中灌叢和稀樹草地的面積變化顯著，2001～2003年與2004～2008年形成鮮明對比：灌叢面積前3 a平均為296.7 km2，后5 a平均面積為69.4 km2，呈大幅減少的趨勢，主要轉變為了稀樹草地；稀樹草地8 a間總體上呈現遞增趨勢，由2001～2003年的平均139.6 km2增加到2004～2008年的平均358.1 km2，其中2006年、2007年的面積分別大于500 km2、400 km2，但近3 a有減少的趨勢，絕大部分都轉化為了農用地。

表1 2001～2008年潞安礦區8種土地覆被類型面積（km2）

另一方面，地表水體向無植被區域的轉化較明顯：水域和無植被區域前3 a的面積均值分別為38.3 km2和18.7 km2，2004～2008年面積均值分別為26.5 km2和38.6 km2，二者的轉化主要與全球變暖背景下的降水減少和氣溫升高導致蒸發量增大有關[13]。其他土地覆被類型如闊葉林、針葉林和城鎮用地面積均變動不大。

研究區土地覆被時間異質性的產生是由于研究期間煤炭價格上漲和原煤開采量遞增所致（見表2）。2000～2002年，受計劃經濟控制，潞安礦業集團煤炭價格數值較低，時有小幅波動。從2003年開始，國家放開煤炭價格體系，實行市場定價，2003～2007年的原煤價格直線飆升，相對于其上一年的價格增幅分別達到：20.63%、43.42%、47.71%、3.73%和23.35%；由此導致原煤產量的增幅分別達到：20.40%、16.94%、22.05%、26.30%和17.66%。因此，潞安礦區2004年以后煤炭開采活動加劇，這使得灌叢大面積轉化為稀樹草地。

表2 2000～2007年潞安礦業集團原煤價格和年產量

3.2 空間異質性

該研究還分析了2001～2008年主要土地覆被類型及變化的空間分布狀態，結果表明：第一，以2001～2008年的平均數值度量，農用地主要分布于研究區中部，面積年平均值為3 305.3 km2，約占總面積的82.3%；稀樹草地主要分布于西南部和東南局部地區，面積年平均數值為276.1 km2，約占總面積的6.9%；城鎮用地主要分布于潞安集團和長治市之間，灌叢主要分布于研究區西南部、東北部和東南部，二者面積年均值分別為156.05 km2、154.65 km2，均約占總面積的3.9%；針葉林僅分布于研究區西南山地，面積年均值為60.11 km2，約占總面積的1.5%；而無植被區、地表水體和闊葉林所占面積均小于1%。第二，在2001～2008年主要土地覆被類型的轉化中，有兩類轉換顯而易見：①稀樹草地面積增大與灌叢面積減少相輔相成，伴隨著煤炭開采活動的加劇，灌叢逐步轉換為稀樹草地，進而部分稀樹草地被開墾為農用地，這是近3 a農用地增多的原因，其轉化過程主要發生于研究區西南和東南山地。②地表水域和無植被區域的轉換，主要原因是以降水量減少、氣溫升高等為主要特征的氣候變化造成了漳澤水庫、許村“七一”水庫、屯絳“八一”水庫等水面收縮，引起無植被區域面積增多。其他土地覆被類型轉化相對較少。

4 主要結論

該研究以潞安礦區土地覆被類型為研究對象，以其時空變化格局為研究內容，主要結論如下。

4.1 時間異質性

覆被類型變化較顯著的階段為：2004～2008年的稀樹草地、灌叢年均面積各約占總面積的8.9%和1.7%，而2001～2003年各約占3.5%和7.4%，灌叢轉化為稀樹草地顯而易見；地表水域面積呈現縮減趨勢，而無植被區域面積有所增多，相比2001～2003年，2004～2008年的地表水域和無植被面積分別減少30.81%和增多106.42%。

4.2 空間異質性

在主要土地覆被類型轉換中，以灌叢向稀樹草地、稀樹草地向農用地轉變為主，分別約為150～200 km2和100～150 km2，主要分布于研究區西南和東南山地；地表水域和無植被區域之間的轉換面積也較大，約為10 km2，主要是由研究區中北部漳澤、許村“七一”、屯絳“八一”等大型水庫的水面收縮引起的。

4.3 植被類型轉換原因

一是煤炭開采、農用地開墾等各種人類活動；二是以氣候變暖、降水量減少為特征的氣候變化等自然因子影響。

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