1980-2015年焦作礦區景觀格局演變及驅動力分析

陸鳳連, 王新闖, 張合兵, 吳金汝, 焦海明

(河南理工大學 測繪與國土信息工程學院, 河南 焦作 454000)

景觀格局是指景觀組分的空間分布和組合特征，即大小和形狀不一的景觀元素在空間上的配置[1]。它不僅是各種生態過程在不同尺度上作用的最終結果，還是景觀異質性的具體表現[2]。景觀格局演變的分析一直是景觀生態學研究的熱點問題[3]。景觀格局演變的分析方法主要有景觀指數分析、轉移矩陣分析、數量統計分析和以元胞自動機為基礎的景觀動態模擬分析等[4]，其中運用景觀指數定量分析方法來研究景觀格局動態變化特征，已廣泛應用于景觀生態學的諸多研究中[5]。目前國內外關于區域景觀格局變化及其驅動力的研究很多，如Sha等[6]借助GIS技術對美國鳳凰城景觀格局變化進行了分析；Caillault等[7]分析了生態廊道對區域景觀格局變化的影響；高翔等[8]對貴州典型礦區10年間景觀格局變化及驅動力進行分析，明確煤炭開發、農業發展及生態治理因子是景觀格局變化的主要原因；張敏等[9]對白洋淀濕地景觀格局演變及驅動力進行分析，得出人口和社會經濟發展是影響白洋淀景觀格局變化的主要驅動力的結論。但目前鮮有針對礦區較長時間尺度上的景觀格局演變特征及其驅動力分析。

由于煤炭和土地空間分布的同位性[10]，煤炭資源的長時間開采不可避免地會對土地和生態環境造成嚴重的破壞，出現一系列諸如地表塌陷、水位下降、耕地破壞、煤矸石壓占的問題[11]，原有的景觀類型發生了顯著變化，使得礦區成為景觀格局演變最為劇烈的區域之一[12]。通過較長時間尺度上分析礦區景觀格局演變及其驅動力，有助于發現礦區景觀變化的規律和機制、探究煤礦開采等人類活動與生態景觀演變間的關系，為礦區生態環境保護和土地資源的可持續利用提供理論基礎[13-15]。焦作礦區位于我國華北平原，幾十年來一直是華北地區重要的產煤基地，由于大規模的開采煤炭，礦區的景觀格局發生了劇烈的變化，景觀破碎化嚴重，生態環境問題凸顯。本文以其為研究區域，以1980—2015年5期遙感影像數據為基礎信息源，綜合運用地理信息技術、景觀生態學方法和數理統計方法，對礦區35年間的景觀格局演變及其驅動力進行分析，旨在為礦區生態環境建設與土地可持續利用提供一定的理論依據。

1 研究區概況

焦作礦區位于河南省焦作市東北部，太行山南麓，區內分布有九里山礦、演馬礦、馮營礦、白莊礦、方莊一礦、方莊二礦、古漢山礦、小馬礦、中馬礦、韓王礦10個礦井，自20世紀50年代就開始規模開采煤炭，是豫北重要的產煤基地。研究區總面積為182 km2，地理位置為113°15′—113°28′E，35°15′—35°25′N。研究區地貌主要由平原與山區構成，地勢由西北向東南傾斜，由北向南漸低，海拔85～250 m。區內有沙河、王村河、峪河等季節性河流，分別匯入衛河，南水北調中線工程穿境而過。屬南溫帶亞濕潤氣候，冬季嚴寒，夏季炎熱。年平均氣溫為14.8℃，氣溫極值-16.9～43.2℃；年平均降雨量624 mm，多集中在6—9月，全年無霜期238 d，夏季多東南風，冬季多西北風。

2 數據源及研究方法

2.1 數據獲取與處理

為了準確地揭示礦區景觀格局演變特征，每隔5～10 a選取一景遙感影像；為了便于區分林地與耕地植被，遙感時相均選擇在農作物收割的時間(5—6月)內，最終在1980—2015年劃分出5個時間段，分別是1980年、1990年、2000年、2010年和2015年。1980年采用MSS影像，分辨率為80 m；1990年采用Landsat TM遙感數據，分辨率為30 m；2000年和2010年選用ETM遙感數據，分辨率為15 m，2015年采用OLI遙感數據，分辨率為15 m。為了減少分辨率對景觀格局指數計算的影響，本文將各時期的遙感影像分辨率統一重采樣為30 m。參考《土地利用現狀分類》國家標準和國內土地利用類型研究成果[16]，并結合遙感影像分辨率和礦區實際景觀類型特點，將焦作礦區土地利用景觀類型劃分成6種，具體包括：耕地、林地、草地、建設用地、工礦用地和水域。在確定礦區景觀分類體系后，結合實地調查、Google Earth軟件等，利用ENVI 5.1對5期遙感影像作幾何校正、融合、裁剪等預處理后，采用最大似然監督分類方法解譯圖像，利用分類后處理工具消除小斑塊，并結合2009年研究區二調土地利用分類數據，手動修改明顯錯誤的斑塊，最終生成1980—2015年5期景觀類型分布圖。最后對分類結果進行精度驗證，總體分類精度在90%以上，Kappa系數在0.8以上，滿足本研究對分類數據的精度要求[17]。

2.2 景觀格局指標的選擇與計算

景觀指數是指能夠高度濃縮景觀格局信息，建立景觀格局與過程的相互聯系，反映景觀格局某些方面特征的簡單定量指標[18]。本研究綜合考慮礦區景觀格局特征和分析目的，在斑塊類型水平上選擇了斑塊數(NP)、最大斑塊指數(LPI)、平均形狀指數(SHAPE_MN)、面積周長分維數(PAFRAC)和凝聚度指數(COHESION)，在景觀水平上選擇了斑塊密度(PD)、景觀形狀指數(LSI)、多樣性指數(SHDI)，均勻度指數(SHEI)和蔓延度指數(CONTAG)。以5期景觀類型數據為基礎，使用Fragstats 4.2軟件完成景觀指數計算。各種景觀指數的計算公式及具體的生態學意義參見相關文獻[19]。

2.3 景觀格局演變的驅動力分析

景觀格局變化的驅動力包括自然驅動力和人為驅動力，其中，自然驅動力主要從較大的時空尺度上作用于景觀，人為驅動力則是從中小時空尺度上影響景觀[4]。焦作礦區屬中小尺度區域，自然驅動因子影響相對較小，人為驅動力占據相對優勢地位，對于驅動力分析則以人為因素選取驅動因子進行分析為主，以自然驅動因子分析為輔。人為驅動因子選取：結合礦區社會經濟數據[20]及前人研究經驗[21-23]，以礦區耕地面積作為因變量，以1995年、2000年、2005年、2010年和2014年礦區社會經濟數據作為選取自變量的基礎數據，用相關分析法篩選出總人口、第一產業產值、第二產業產值、第三產業產值、農業人口、煤礦年產量、糧食產量、農民人均純收入8個驅動因子。再運用SPSS軟件對選取的驅動因子進行主成分分析，識別和分析影響景觀格局變化的主要人為驅動因子；自然驅動因子選取：根據焦作礦區地形地貌條件，選取對景觀格局影響較大的坡度因子進行分析。

3 結果與分析

3.1 焦作礦區各景觀類型面積、分布及變化

利用ArcGIS 10.1軟件，統計獲得焦作礦區1980—2015年5期景觀類型面積及變化趨勢(圖1)以及1980—2015年焦作礦區景觀類型面積轉移情況(表1)。焦作礦區的總面積為18 203.40 hm2。由圖1可知，礦區景觀類型以耕地、林地和建設用地為主，這3種景觀類型始終占研究區總面積的83%以上，其中耕地面積比重最大，占研究區總面積43%以上，林地和建設用地次之。從面積變化來看，1980—2015年的35年間，礦區耕地面積呈持續減少趨勢，共減少了2 704 hm2，減少幅度達到25.64%，其中2000—2010年減幅最大。工礦用地和建設用地增長迅速，分別增長了748.96，1 696.59 hm2，增長幅度分別為72.29%，87.11%，其中建設用地是所有景觀類型中增幅最大的。35年間林地和水域總體呈增長趨勢，林地面積增加了4.32 hm2，增加幅度較小，水域面積增加了284.96 hm2，增幅較大；草地面積減少了30.38 hm2，減幅不大，呈現出“先增加—再減少”的動態變化趨勢。

圖11980-2015年焦作礦區各景觀類型面積及變化

從表1中可以看出，礦區35年間有66%的圖斑景觀類型未發生變化，在發生變化的區域中最明顯的景觀類型轉化發生在耕地和建設用地之間，其中耕地有1 566.54 hm2轉化成建設用地，占耕地面積的14.85%；建設用地有117.25 hm2轉回耕地，占建設用地面積的6.02%。另外，亦有部分耕地向林地和工礦用地轉化，部分林地向工礦用地轉化，其中耕地有899.28 hm2轉化成林地，占1980年耕地面積的8.53%；有568.13 hm2轉化成工礦用地，占1980年耕地面積的5.38%；林地有510.32 hm2轉化成工礦用地，占1980年林地面積的14.17%。其他各景觀類型間亦有少量轉化。

表1 1980-2015年焦作礦區景觀類型面積轉移矩陣 hm2

焦作礦區1980—2015年5期景觀類型空間分布見圖2。結果顯示35年間焦作礦區景觀類型空間上發生了顯著變化，耕地面積逐漸減少，并向東南平原區域轉移，減少區域主要集中在礦區西北部山區及西南部靠近市區區域。水域在2010年前面積變化不大，主要集中在境內的幾條河流上，2010年后隨著南水北調中線工程穿境而過，水域面積顯著增加。林地主要分布在西部、北部山區及村莊附近，1980—2000年，由于頻繁的人類活動，西部、北部山區部分林地轉為耕地和工礦用地，其面積不斷減少；2000—2015年，隨著山區退耕還林、植樹造林等生態活動的開展，西部、北部山區耕地重新轉為林地，林地面積逐漸恢復。草地面積35年間變化不大，主要集中在林地與耕地之間的過渡帶及沿河兩岸。建設用地35年間顯著增加，零散村莊減少，向西南部市區和中北部城鎮區域集中。

3.2 焦作礦區景觀格局變化

3.2.1 斑塊類型水平上景觀格局變化 根據表2中1980—2015年5期斑塊類型水平上的景觀指數，可以明晰各景觀類型景觀格局指數的變化情況。從斑塊數(NP)來看，各景觀類型均呈現不同程度的破碎化，其中水域的NP最少，受人類活動干擾最小，景觀最為完整；林地的NP最多，表明林地景觀分散，破碎化嚴重；耕地、工礦用地和草地的NP持續增加，表明35年來其景觀破碎化程度不斷加劇，建設用地由于道路的連通，破碎化較低。從最大斑塊指數(LPI)來看，1980年耕地的LPI最高，卻呈不斷減小趨勢，2015年建設用地的LPI最高，且呈不斷上升趨勢，說明礦區的優勢類型由耕地轉為建設用地，且這種差距在不斷擴大，這可能是隨著城鎮化進程的加快，建設用地呈“攤大餅”和“集中式”的擴張，部分耕地轉為建設用地所產生的后果。水域、工礦用地和草地的LPI始終較小，且變化幅度較小。同時由于西部、北部是山區的原因，林地的LPI亦變化較小。

圖21980-2015年焦作礦區景觀類型空間分布

周長面積分維數(PAFRAC)在一定程度上反映了斑塊的形狀復雜性。由表2可知，水域的PAFRAC最高，表明水域形狀最復雜。其次為耕地，呈現先增后減趨勢，這是由于改革開放初期部分山林被開墾成耕地造成耕地形狀趨于不規則，在21世紀初，隨著退耕還林政策的實施，耕地形狀趨于規則。與早期相比，林地、建設用地、工礦用地和草地的PAFRAC均呈現不同程度的增加，說明受到人類活動的影響，這幾類景觀的形狀越來越不規則。

散布與并列指數(IJI)是反映景觀聚集程度及與其他類型鄰接關系的指標。從表2中看出，耕地的IJI最高，始終在85以上，顯示出很強的聚集性，同時表明耕地與其他景觀類型近乎等量鄰接，為基質斑塊。水域、草地和林地的IJI呈持續增加趨勢，這可能是由于人類活動使其周邊景觀要素不斷增多所致。建設用地的IJI相對較低，表明與建設用地鄰接要素較少，早期建設用地以村莊形式存在，現在城鎮化進程中建設用地集中建成均是導致建設用地IJI低的原因。

3.2.2 景觀水平上景觀格局變化 由圖3可知礦區整體景觀指數變化情況，1980—2015年，斑塊密度PD和景觀形狀指數LSI呈不斷上升趨勢，2015年達到最大，表明礦區整體景觀破碎化程度加劇，礦區斑塊形狀趨于復雜化、不規則化，這可能是由于礦區經濟快速發展，人類活動頻繁所致。1980—2015年景觀聚集度指數CONTAG呈先迅速降低再緩慢減少至平穩趨勢，1980年最大為59.48，2015年最小為50.33，說明焦作礦區景觀連通性在1980年達到最大值，空間格局分布均勻，隨后到2015年，景觀連通性持續下降。1980—2015年香農多樣性指數(SHDI)與香農均勻度指數(SHEI)均先迅速上升再到平穩趨勢，其波動過程與景觀聚集度指數相反，這表明，35年間各景觀類型面積差異減小，景觀優勢度下降，景觀優勢類別對景觀的控制作用減弱，景觀異質性增強。

表2 1980-2015年斑塊類型水平上的景觀指數變化

3.2.3 景觀格局變化的生態過程響應 格局、過程和尺度之間的相互關系一直是景觀生態學研究的核心內容，在一定的尺度上格局決定過程，而過程作用于格局[24]。根據焦作礦區1980—2015年土地利用及景觀格局動態變化，來分析研究區景觀生態過程及變化趨勢。在1980—2015年，區域景觀破碎化程度不斷加劇，景觀異質性增強，景觀中處于核心地位的耕地面積比重不斷下降，斑塊數卻不斷增加，平均斑塊面積持續減少，說明耕地景觀被不斷分割，耕地的連通性下降，從而影響區域景觀生態系統的物質循環和能量流動，造成區域景觀生態系統的不穩定。景觀類型間轉移過程頻繁，尤其是耕地和林地、建設用地及工礦用地之間。1980—2000年西部、北部山區部分林地轉向耕地，林地面積不斷減少，而林地斑塊數仍不斷增加，表明林地景觀類型破碎化程度不斷加強，西部、北部山區生物多樣性受到威脅，生態環境出現不同程度的失衡；2000—2015年隨著退耕還林政策的實施，山區耕地重新轉回林地，林地面積不斷恢復，西部、北部山區生態系統趨于穩定，生態功能不斷恢復。南部平原地區，35年間耕地不斷向建設用地及工礦用地轉移，建設用地及工礦用地面積不斷增加，同時隨著諸如公路、鐵路等各類線狀基礎設施的建設，建設用地及工礦用地景觀的連通性不斷提升，同時其周長面積分維數亦不斷增加，表明城鎮在不斷擴張，并有集中連片分布趨勢。但建設用地及工礦用地景觀面積的增加，導致研究區南部平原區域的土地利用格局不合理、生態環境趨于惡化。

圖31980-2015年景觀水平上景觀指數變化

3.3 焦作礦區景觀格局演變的驅動力分析

35年來焦作礦區的景觀類型發生了顯著的變化，這種變化是自然因素和人為因素綜合作用的結果，具有很強的地域性。自然因素是各景觀類型分布的基礎條件，往往在較大時空范圍內影響著景觀格局的變化[8]。通過對焦作礦區的DEM數據進行處理，得到研究區坡度分布圖(圖4)。由圖4可知，焦作礦區西部和北部地區坡度較陡，為山地丘陵區，其決定了該區域的景觀類型以林地、草地為主，耕地為輔；中部和東部地區坡度平緩，為平原區，適宜人類活動，決定了該區域的景觀類型以耕地、建設用地為主。1980—2015年，礦區地形坡度變化不大，對景觀格局變化影響較小，意味著人口、社會經濟發展等諸多人為因素是35年間景觀格局變化的主要原因。

本研究將篩選的8個人為驅動因子在SPSS軟件中進行主成分分析，計算出它們的特征值及主成分貢獻率(表3)。由表3可知，有2個特征值大于1，分別為6.275，1.002，其對應的第一主成分與第二主成分累積貢獻率達到90.957%，滿足大于85%的要求，可以解釋導致景觀格局變化的驅動因子。故只需進一步求出第一主成分、第二主成分與各驅動因子的相關性即可。

表4為主成分載荷矩陣，代表了各主成分與驅動因子的相關系數。由表4可以看出，第一主成分與農業人口、糧食總產量、總人口、第一產業產值的相關系數較大；第二主成分與煤炭年產量，第二產業產值的相關系數較大。總結上述驅動因子，可以將焦作礦區景觀格局演變的驅動因子分為人口與農業發展因子和工業發展因子兩個方面。

圖4焦作礦區坡度分布

3.3.1 人口與農業發展因子分析 由圖5可知，1995—2014年焦作礦區所在的馬村區總人口由1995年的13.16萬人增加到2014年的14.31萬人，增加了1.15萬人，年均增長率為0.44%。其中農業人口由6.59萬人減少到6.15萬人，減少了0.44萬人，年均減少率為0.33%。礦區總人口的增加導致人們對住房需求增大，同時隨著經濟的發展，人民生活水平的提高，礦區基礎設施不斷完善、城鎮建設用地不斷擴張，1995—2015年礦區建設用地(含交通用地)面積呈不斷增長趨勢(圖1)正是其作用的結果。礦區農業人口減少的同時，非農業人口不斷增加，越來越多的人從事第二、第三產業，促使工礦用地建設力度加大，這與1995—2015年礦區工礦用地面積變化(圖1)相一致。同時迫于人口壓力，農民為了生存及提高糧食產量，對土地資源的不合理利用，產生一系列生態環境問題。尤其是1980—2000年礦區西部山區林地被大量開墾成耕地，造成嚴重的水土流失，礦區景觀格局發生顯著變化，2000年以后，響應國家退耕還林政策，保證耕地質量，礦區西部山區低產耕地重新轉化成人工林地或果園。此結果與1990—2015年林地景觀面積先減后增的變化情況一致。因此，人口與農業發展因子是景觀格局變化的主要驅動因子。

圖51995-2014年馬村區總人口及農業人口變化

3.3.2 工業發展因子分析 1995—2014年，第二產業在礦區三大產業中占據主導地位，產值比重始終在50%以上，而在第二產業中，煤炭開采是其主要方面。隨著城市化進程加快，能源需求激增，煤炭開采速度加快，礦區采空區范圍越來越大，地表出現大面積下沉塌陷，形成塌陷地[25]，同時煤山、矸石山壓占周圍耕地，導致礦區周圍耕地逐漸荒廢形成荒草地，與礦區1990—2015年草地面積變化趨勢相一致，所以第二產業產值與煤炭開采是景觀格局變化的主要驅動力之一。2000年以來，礦區生態問題引起社會的強烈關注，隨著政府對礦區生態重建、土地復墾的開展[26]，礦區許多不達標的小礦井被關閉，大型礦井嚴格按照國家標準開采煤炭，礦區周圍部分荒草地、塌陷地重新復墾成耕地，因此2000年以來礦區草地面積持續減少，而耕地面積減少變緩。此結果與郝成元[27]對焦作礦區廢棄土地復墾與生態重建的研究結果相一致，說明工業發展因子是礦區景觀格局變化的主要驅動因子。

4 討論與結論

(1) 1980—2015年焦作礦區以耕地、林地和建設用地為主，其中耕地面積比重最大，始終占研究區總面積43%以上。各類型中耕地、草地總體呈減少趨勢，林地、建設用地、工礦用地和水域總體呈增長趨勢，期間景觀類型轉化主要發生在耕地和建設用地之間，其他景觀類型之間亦有少量轉化；各景觀類型空間上亦發生顯著變化，其中耕地向東南平原區域轉移，林地趨向西部、北部山區，建設用地則向西南市區及礦區主要道路附近集中。

(2) 1980—2015年焦作礦區各景觀類型均呈不同程度的破碎化，林地破碎化最高，水域表現最為完整。礦區優勢類別由耕地逐步轉為建設用地，且這種差距在不斷擴大。耕地斑塊形狀趨于規則，水域、建設用地、工礦用地和草地斑塊形狀越發不規則，其中水域斑塊形狀最為復雜。耕地聚集程度最大，與其他類型均鄰接，為基質斑塊。

(3) 1980—2015年焦作礦區整體景觀指數發生顯著變化：斑塊密度、景觀形狀指數、香農多樣性指數和香農均勻度指數均呈不斷上升趨勢，景觀聚集度指數正好相反，呈不斷下降趨勢。這表明礦區景觀破碎化程度加劇，斑塊形狀趨于復雜化，景觀優勢類別控制作用減弱，景觀異質性增強。

(4) 1980—2015年，由于自然因素和人為因素的影響，焦作礦區的土地利用景觀格局和生態環境發生了顯著的變化，尤其是南部平原地區，耕地面積大量減少，取而代之的建設用地和工礦用地大面積增加，導致礦區景觀破碎化增加，異質性增強，土地利用結構不合理，生態系統功能下降。其中人為因素是礦區35年來土地利用景觀格局變化的主要原因，農業人口、糧食總產量、總人口、煤炭年產量和第二產業產值等因子起主要驅動作用。為此，未來焦作礦區應繼續在北部山區實施退耕還林政策，將低產耕地向人工林地轉化，減少山區水土流失；在南部平原地區加快城鎮化進程，嚴格控制建設用地面積，關閉低產高能耗的礦井，復墾廢棄地擴大耕地、林地面積。通過協調人口增長，經濟發展，煤炭開采與環境保護之間的關系，優化礦區土地利用景觀格局，實現礦區土地的可持續利用，保障礦區生態安全。

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