基于3S的礦區景觀格局演變研究：以冷水江市閃星錫礦山為例

索新文，陳 果，卜 璞

(1.湖南城建職業技術學院，湖南 湘潭 411100；2.湖南省第二測繪院，湖南 長沙 410119；3.湖南科技大學，湖南 湘潭 411201)

景觀格局研究是景觀生態學研究的核心之一，如今已成為全球變化研究的熱點[1-3]。景觀格局及其變化是區域生態環境在自然因素和人類活動相互作用下所產生的綜合反映，同時景觀結構的變化又影響著區域的生態過程[4]。因此，運用景觀生態學原理對礦區景觀格局進行研究，是揭示其生態狀況及其空間變異的有效手段[5-6]。區域景觀格局動態變化可以反映自然和人類活動所產生的生態效應，而人類活動的干擾又會引起區域景觀格局的變化，從而影響區域空間生態安全。通過調整人類自身行為，優化資源配置，可以改善生態環境，最終實現區域可持續發展。本文旨在以定量化分析對錫礦山閃星礦區不同時期的景觀格局特征為基礎，精確反映出礦區生態環境變化狀況，以期為礦區生態環境保護、治理及管理提供科學的決策依據。

1 研究區概況

湖南省冷水江市閃星銻業有限公司位于冷水江市礦山鄉錫礦山街道辦事處，是著名的“世界銻都”，其中心位置地理坐標為東經111°42′35″、北緯27°31′53″，研究區內四季分明、夏季多雨，屬亞熱帶季風性氣候，年平均雨量1 288.3 mm。錫礦山礦區范圍寬廣，面積達18 km2，礦區開采歷史超過100年，有著發達的采礦和冶選業，銻產品生產量居全國第一，年產量占全國的1/3。礦區私采與國有礦山開采長期并存，導致礦區土地利用及空間格局發生了劇烈變化，礦區內出現地表沉陷，隨處可見堆放大量砷堿渣，導致植被枯死，土壤重金屬超標及地下水資源嚴重污染，礦區生態系統功能已明顯退化，嚴重影響了當地居民的日常生活，也同樣制約了當地經濟的可持續發展。

2 研究方法

2.1 數據來源及處理

研究數據來源于“全國礦產資源開發區生態環境十年變化調查與評估——湖南省”課題里提供的SPOT5影像，空間分辨率為2.5 m，分別為2005年6月、2010年6月和2015年5月三期影像。由于所獲取的數據已經經過影像校正和大氣校正，因此只需以1∶10 000錫礦山閃星礦區地形圖進行幾何精校正，最后在ArcGIS 10.0下用研究區范圍矢量圖層對3期影像分別進行裁剪，完成數據預處理工作。

根據錫礦山閃星礦區土地利用現狀，結合礦產資源開發過程及其對周邊生態環境造成的影響并參考“錫礦山生態環境遙感調查與評估”項目規范，將礦產資源開發區域地物進行細化分成交通用地、排土場、礦物堆放場、耕地、草地、林地、尾礦庫、居民地、水體和采礦用地共10類(表1)，通過遙感影像建立各景觀類型解譯標志。進行遙感影像解譯時，一般情況下，高分辨率遙感圖像使用目視解譯的方法進行解譯其分類精度一般會高于計算機自動解譯，但工作量大，效率低，不適用于大范圍解譯。考慮到研究區面積不大，且獲取的遙感影像數據分辨率較高，因此對2005年、2010年和2015年遙感影像均采用人工目視解譯的方法進行遙感解譯。解譯結果采用GPS野外實地采集某些特征點的相關數據、照片數據和實地對圖的方法進行檢驗(表2)，結果表明3期遙感影像的總體解譯精度達85%，滿足本研究需求，最終獲得3期景觀分類數據集。

表1 研究區景觀分類

表2 GPS調查數據表

2.2 分析方法

2.2.1 景觀指數選取

景觀格局指數是對景觀和斑塊的大小、邊界、形狀等特征的定量描述，由于本身不具備生態含義，所以必須通過生態學和景觀生態學的原理對其分析并賦予生態學意義[7]。本文通過借鑒一些學者的研究成果[8-10]，主要在類型與景觀水平兩個層次中選取了斑塊數量(NP)、平均斑塊面積(MPS)、斑塊密度(PD)、最大斑塊指數(LPI)、邊界密度(ED)、聚集度指數(CONTAG)、香農多樣性指數(SHDI)和香農均勻度指數(SHEI)八個指標對景觀格局特征變化進行對比分析。具體操作是在ArcGIS環境下，將研究區的兩個時期的遙感解譯結果轉換成GRID格式，再導入Fragstats 3.4軟件中進行各個景觀指數的計算。

2.2.2 最佳粒度分析

景觀指數具有明顯的尺度效應，因此需要選擇一個最佳的粒度來對景觀格局進行分析，才能最大限度地將區域的景觀格局信息完整表達出來[11-12]。目前對于景觀格局粒度效應研究開展較多，其中根據趙文武等[13]的研究，通過計算各粒度的景觀指數值，找出景觀指數隨粒度變化的第一尺度域(第一尺度域為景觀指數首次發生尺度轉折點至第二個轉折點間的區域)[14]是確定粒度大小、進行景觀格局分析的適宜取值范圍的關鍵。為了確定上述8個景觀指數的景觀格局最佳分析粒度，分別對2005年、2010年、2015年5～100 m間共20個景觀粒度的景觀指數進行計算，以不同粒度為橫坐標軸，以該粒度下對應的景觀指數值為縱坐標軸，建立景觀指數的粒度效應曲線。最后篩選出對粒度變化敏感且有明顯發生尺度轉折現象的指數。

3 結果與分析

3.1 景觀格局最佳分析粒度

分別對2005年、2010年、2015年5～100 m間共20個景觀粒度的景觀指數進行計算，以不同粒度為橫坐標軸，以該粒度下對應的景觀指數值為縱坐標軸，建立景觀指數的粒度效應曲線。篩選出對粒度變化敏感且有明顯發生尺度轉折現象的指數共有6個，分別為斑塊數量(NP)、斑塊密度(PD)、最大斑塊指數(LPI)、平均斑塊面積(MPS)、香農多樣性指數(SHDI)與香農均勻度指數(SHEI)。

對照上述指數的粒度效應圖(圖1)，選取景觀指數的第一尺度域。斑塊數、斑塊密度與平均斑塊面積第一尺度域為10～20 m；最大斑塊指數第一尺度域為45～60 m；香農多樣性指數與香農均勻度指數第一尺度域為20～40 m。一般情況下，在第一尺度域內，選擇中等偏大的粒度既能較好地反映特征信息，又可以避免冗余的計算工作量。本研究大多數景觀指數的第一尺度域在粒度為10～20 m、20～40 m，由于在粒度20 m處都有所交集，因此綜合考慮最終以20 m為研究區景觀格局分析的最佳分析粒度。

圖1 景觀格局指數粒度效應

3.2 礦區景觀格局演變分析

3.2.1 景觀類型指數變化分析

從表3中可知，2005～2010年交通用地斑塊數(NP)從259增加到286，斑塊密度由14.36個/100hm2增加到15.85個/100hm2，說明該礦區交通用地的景觀破碎程度加深，由于道路呈線性，因此道路的擴建使邊界密度(ED)上升；采礦用地、排土場和礦物堆放場最大斑塊指數(LPI)和邊界密度(ED)增加，說明這三類景觀主要是在原有的基礎上擴張發展，排土場和礦物堆放場斑塊數量(NP)增加，說明了除了在原有基礎上的面積擴增，且還通過新建來使面積增加；耕地、林地和草地斑塊數量(NP)、斑塊密度(PD)和邊界密度(ED)呈增加趨勢，而最大斑塊指數(LPI)和平均斑塊面積(MPS)呈降低趨勢，說明礦區的開發占用了大量耕地、草地和林地，導致斑塊破碎化程度加劇；草地最大斑塊指數(LPI)在2005～2010年期間，減少了14.62%，說明草地損失的面積是最大，作為礦區主要景觀的優勢正在逐漸變弱；水體和居民點斑塊數量(NP)及斑塊密度(PD)均有增加，且平均斑塊面積(MPS)減少，主要由于礦區發展進程的加快，缺乏規劃，居民地建設呈“多點式”的擴張模式，同時由于交通設施的不斷完善，割裂了居民地景觀，使破碎化程度加劇，因此整體上居民點的邊界密度(ED)也呈現上升趨勢；水體景觀在礦區主要是以水坑、池塘等形式出現，以點狀形式發展，且分布較分散，因此景觀破碎度較高。

2010～2015年，交通用地、排土場、礦物堆放場和采礦用地景觀的斑塊數量(NP)、斑塊密度(PD)均呈減少的趨勢，主要原因是冷水江政府從2011年開始對礦區濫采亂開現象進行整治，關停取締了多家采礦企業，對污染嚴重的區域進行土地復墾與生態修復工作，因此包括采礦用地以及與配套的其他礦山設施用地逐漸轉化其他類型用地，與采礦用地相連的交通道路也逐漸廢棄而轉化成草地，導致最大斑塊指數(LPI)與平均斑塊面積(MPS)也呈降低的趨勢；邊界密度(ED)均有小幅度降低，說明這4類景觀呈聚集化趨勢發展，破碎化程度降低。耕地、林地景觀的斑塊數量(NP)、斑塊密度(PD)減少，平均斑塊面積(MPS)增加，礦區土地復墾與生態修復工程改善了區域生態環境，受損的耕地、草地和林地景觀得到恢復，使景觀由分散朝聚集化發展，景觀趨于完整穩定；草地依然是所占礦區面積最大的景觀，其邊界密度(ED)增大，說明景觀連通性增強，邊緣效應加強。隨著居民建設用地的不斷擴展，居民地景觀趨于連片發展，導致斑塊數量(NP)減少、最大斑塊指數(LPI)增大，同時由于土地利用規劃等的約束，使得居民地景觀趨于規則化，斑塊間的連通性增大，破碎化程度降低。水體在礦區中屬于較脆弱的景觀，易受人類開采活動干擾下消失，導致斑塊數量(NP)和斑塊面積減少。

3.2.2 景觀水平指數變化分析

1) 景觀聚集度分析。聚集度指數(CONTAG)是描述景觀各類型斑塊聚集程度的量，根據研究區景觀水平指數分析(表4)，2005年、2010年和2015年聚集度指數分別為53.99%、51.70%、54.34%，呈先降低，而后增大的趨勢，說明景觀破碎程度也是同樣的變化趨勢。2005～2010年間，聚集度指數呈降低的趨勢，表明研究區部分景觀破碎化程度加劇，導致整體景觀類型的聚集程度降低。2010～2015年間，聚集度指數呈小幅增加趨勢，且聚集度水平要高于2005年，表明研究區在這段時間內，斑塊之間的連通性與聚集程度有所增加，使得整體景觀聚集度增加。研究區多年聚集度指數普遍不高，主要原因是草地作為研究區域優勢景觀，分布較散并沒有形成很好的連通性，景觀完整性較差。

表3 礦區各景觀類型水平指數

表4 礦區景觀整體水平指數

2)景觀多樣性分析。香農多樣性指數(SHDI)與香農均勻度指數(SHEI)是在景觀生態學中應用較廣泛的指數之一，2005～2015年呈先增高后緩慢降低的趨勢。2005～2010年間，SHDI與SHEI均呈先緩慢增長，表明研究區內的不同景觀斑塊類型分布趨于均勻分布，景觀多樣性增大，破碎化程度也逐漸加劇；2010～2015年間，SHDI與SHEI均有所降低，表明研究區破碎化程度有所減緩，也能反映出某種景觀類型趨于優勢地位。整體上來看，2005～2015年間，SHDI與SHEI變化幅度不大，反映出研究區內各景觀類型斑塊變化幅度也相對不大。

綜合上述景觀水平類型指數的變化規律可以看出，錫礦山閃星礦區景觀格局變化可分為兩個階段。第一階段為2005～2010年，人類對礦產資源的開發強度逐漸增強，導致區域景觀格局呈破碎化和復雜化的變化趨勢；第二階段為2010～2015年，由于礦區通過實施土地復墾與生態恢復工程，使得礦區整體景觀格局水平朝規則化和均衡化的趨勢發展。

4 結 論

1)研究區最佳景觀格局分析粒度為20 m。

2)景觀水平上，2005～2010年，礦區的開發強度增強，導致區域景觀格局呈破碎化和復雜化的變化趨勢；2010～2015年，由于礦區土地復墾與生態恢復工程項目的實施，使得礦區整體景觀格局水平朝規則化和均衡化的趨勢發展。

3)類型水平上，2005～2010年，礦區擴張開發導致耕地、草地和林地景觀斑塊破碎化程度加劇；草地作為區域優勢景觀其優勢程度正在逐漸變弱；居民地呈“多點式”的擴張以及交通設施的不斷完善，使破碎化程度加劇；水體景觀以水坑、水塘形式分散式發展，破碎化加劇。2010～2015年，由于礦區生態環境治理工作的開展，受損的耕地、草地和林地景觀得到恢復，使景觀由分散朝聚集化發展；居民地景觀隨著發展逐漸趨于連片發展，使得居民地景觀斑塊間的連通性增大，破碎化程度降低。

本研究在3S技術的支持下，從景觀格局變化角度出發，定量化分析對錫礦山閃星礦區不同時期的景觀格局特征，以此來反映礦區生態環境變化狀況，以期為礦區生態環境保護、治理及管理提供科學的決策依據。通過構建礦區景觀綜合生態風險指數對礦區景觀生態風險進行評價，為錫礦山閃星礦區風險管理及未來規劃工作提供科學依據，對于改善當地整體形象、環境保護、促進生態文明具有重要意義，對于當地經濟持續快速增長、改善生活環境、提高居民身體健康等方面具有長遠意義。

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