神木涼水井礦區土地利用變化及其對生態服務的影響

尹海靜，曹 飛，邵景安,2*

(1.重慶師范大學 地理與旅游學院，重慶 400047； 2.三峽庫區地表過程與環境遙感重慶市重點實驗室，重慶 400047)

近年來，隨著大量煤礦的開發開采，礦區的土地利用結構隨之發生顯著變化，主要表現在耕地資源減少，而非農業用地，如煤礦臨時建設用地增加。在煤礦開采過程中，煤礦采空區塌陷、礦區“三廢”排放均對生態環境造成了嚴重危害[1-3]：破壞優質耕地，污染地下地表水源水系，破壞礦區動植物多樣性，引起地面下陷、鐵路斷裂，使得部分道路和水利設施遭到嚴重損壞，嚴重影響當地經濟社會生態的可持續性發展。

目前關于煤礦開采和保護的研究較多，但大多集中在煤礦開采對景觀格局的影響[4]、煤礦開采區環境保護[5]、煤礦開采區土地適宜性評價[6-7]、煤礦開采對土壤侵蝕的研究[8]等方面，關于礦區土地利用變化對生態服務影響的研究較少。本文選取陜西省榆林市神木縣涼水井礦區為研究區，利用2005、2010和2015年3個時相的衛星遙感圖像，以及1∶50 000地形圖數據，借助GIS技術提取研究區的土地利用信息，并在Matlab 7.0平臺上計算得到2005—2015年10 a間土地利用的時空變化情況，以期為該地區土地資源合理利用、后續的煤礦開采和礦區的生態環境保護提供科學參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

涼水井礦區位于陜西省榆林市榆神礦區北部，地理坐標為38°47′29″～38°53′24″N、110°14′22″～110°21′24″E，于2005年3月20日開始建設，2007年8月2日投產試運行，2009年4月29日通過竣工驗收，設計生產規模為400萬t·a-1。榆商高速公路(S20)、榆神府二級公路(S204)和西包神延段鐵路從煤礦工業場地南側通過，各村之間有鄉村公路相通，區內交通便利。涼水井煤礦采用斜井多水平開拓方式，布置有主斜井、回風斜井。

1.2 數據來源及預處理

1.2.1 數據來源

本研究所用的數據包括圖形數據、統計數據和其他文本資料。其中，圖形數據主要由陜西省陜北侏羅紀煤田涼水井礦區項目部提供，包括3期土地利用dwg格式圖件、礦區空間分布圖、縣級行政區劃圖和1∶10 000分幅地形圖。

2012年12月和2016年12月先后2次有針對性地對神木縣涼水井礦區所在地區進行實地調研踏勘和拍照，獲取土地利用類型及公眾意愿等方面的統計與影像資料。問卷內容主要涉及土地利用情況、農戶收入情況、農戶對生態服務的評價等數據。

1.2.2 數據預處理

首先，將得到的鄉鎮單元的土地利用變更數據同農業用地質量分等數據、行政區劃地圖一起進行校正，并統一設置投影坐標系為高斯克里格投影西安1980坐標系，盡量減少圖形偏移誤差；然后，利用Intersect命令對第二次土地利用變更數據、農業用地質量分等數據進行數據疊合處理；最后，將統計數據和調研數據導入土地利用圖層，進行可視化。

1.3 理論方法

1.3.1 土地利用變化分析方法

土地利用變化幅度通過對同一土地利用類型不同時期面積的變化程度進行計算，反映土地利用變化的總體趨勢和人類活動對土地資源影響的強弱。借助單一土地利用動態度和綜合土地利用動態度指數反映區域土地利用變化的速率[9]。

1.3.2 土地利用結構變化模型

土地利用結構變化可反映并衡量土地利用結構的發展變化和人為活動對其影響的程度。參考相關研究[10]，借助信息熵、均衡度和優勢度3個指標衡量土地利用結構變化模型。

1.3.3 土地生態系統服務價值

參考謝高地等[11]、Costanza等[12]成果，結合研究區實際情況，借助中國陸地生態系統服務價值的平均值來刻畫生態系統服價值。

2 結果與分析

2.1 土地利用變化

根據衛星影像，通過人機交互解譯得到2005、2010、2015年土地利用類型。參考涼水井礦區最初規劃報告，涼水井所在區域二級土地利用類型(地類)有7類：耕地、林地、草地、水域、城鎮村及工礦用地、交通用地、工礦倉儲用地。2005、2010和2015年不同土地利用類型的面積統計詳見表1。涼水井礦區主要土地利用類型為草地，城鎮村及工礦用地和工礦倉儲用地的面積相對較小，二者所占比例合計小于3%。2005年，工礦倉儲用地面積最少，僅占礦區面積的0.40%；2010年，工礦倉儲用地面積比例增加到1.01%。2015年時，水域面積最小，占比僅為0.03%。

表1 2005、2010和2015年研究區土地利用現狀

基于人機交互解譯得到的土地利用類型面積計算研究區土地利用結構變化(表2)。2005—2015年，城鎮村及工礦用地和工礦倉儲用地的地類面積所占比例明顯增加，合計占比由1.20%增加到2.37%，增加面積0.844 hm2。同時，林地面積亦呈增長趨勢，2005—2015年增加了3.983 hm2。這與國家在礦區實施的植樹造林、森林撫育等工程密切相關。此外，交通用地也略有增加。相反，草地、耕地和水域面積均有所減小，但變化幅度不大。

從單一動態度來看，2005—2010年工礦倉儲用地的變化最大，城鎮村及工礦用地次之。這是由于該時期正值礦區創建，為適應發展需要，工礦倉儲用地、建設用地增加較快，加之該地區煤層較厚，隨著煤礦開采，工礦用地面積增加也較快。同期水域的面積大幅減小，單一動態度達到-38.26%。2010—2015年，各個地類面積變化程度較2005—2010年有所減小，其中，變化最大的為水域，單一動態度達到-93.66%。其余地類單一動態度均小于13%。這是由于這一時期礦區的各項工作已經完全開展，相比建設初期，不再大面積修建廠房、倉庫等，所以各個地類的面積變化較小。2005—2010年土地利用綜合動態度較大，說明土地利用類型轉變較為頻繁，土地利用變化較快。

由表3可見，2005—2015年的土地利用信息熵和土地利用均衡度均呈現出先減小后增大的趨勢，而土地利用優勢度則呈現先增加后減小的趨勢，說明研究區在這10 a土地利用類型先朝著有序狀態演變，之后又朝著無序狀態演變。究其原因，主要是涼水井礦區于2005年開始建設，土地利用類型開始改變，工礦用地和工礦倉儲用地面積大大增加，水域和草地的面積大大減小，部分劣質耕地被開發為建設用地。至2008年，礦區土地利用類型已趨于穩定。因此，2005—2010年研究區的土地利用類型整體朝著有序狀態演變。2010年后，隨著改革開放的深入和經濟發展方式轉變、產業結構調整，神木縣的社會經濟飛速發展，煤礦開采成為該地區的主導產業，致使草地、耕地和水域的面積持續減少，工礦倉儲用地和林地面積增加較多，土地利用類型開始增加，熵值變大，土地利用類型開始向無序狀態演變。

表2 涼水井礦區2005—2015年土地利用類型 變化幅度

表3 涼水井礦區2005—2015年土地利用結構變化

2.2 生態服務價值評價

借助MapGIS 6.7平臺的空間分析模塊，將實地調研確定的礦區廢棄地和閑置地借助1∶5 000地形圖進行矢量化，將該圖層與礦區的2015年土地利用圖進行疊加分析，得到未充分利用的地類及面積(表4)。

表4 礦區未利用及廢棄地類面積

根據表4的礦區未利用及廢棄地類面積數據，計算得到研究區由于煤礦開采過程、制度等問題導致的生態服務價值損失為51 394.76元。可以看出，煤礦開采過程所帶來的經濟損失比較嚴重，對此問題，煤礦的后續開采過程中應給予重視。對于已征收但并未利用的限制耕地和礦區搬遷后廢棄的建設用地應及時處理：未利用的土地及時還田或者還林，廢棄的建設用地及時復墾為耕地或林地，以滿足耕地需要或者生態環境保護需要。

3 小結

本研究通過對2005、2010和2015年涼水井衛星影像進行解譯和人機交互處理，獲取3期土地利用基礎數據，分析表明，涼水井礦區的工礦倉儲用地和城鎮村及工礦用地面積增加明顯，2005—2015年土地利用信息熵和土地利用均衡度均呈現先減小后增加的格局，而土地利用結構經歷了先向有序狀態發展后向無序狀態發展的態勢。初步測算表明，由于煤礦開采，造成部分耕地、林地、草地和水域閑置或廢棄，直接經濟損失超過5萬元，煤礦后續的開采中應重視這一問題，及時對廢棄建設用地進行復墾，對征收未利用的地類及時還田或還林。