關(guān)春竹，張寶林，趙俊靈，李建楠

(內(nèi)蒙古師范大學化學與環(huán)境科學學院， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020)

錫林浩特市露采煤炭區(qū)土地利用的擾動分析

關(guān)春竹，張寶林*，趙俊靈，李建楠

(內(nèi)蒙古師范大學化學與環(huán)境科學學院， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020)

利用錫林浩特市周邊3個時期(2005，2009和2015年)的Landsat系列遙感影像，采用監(jiān)督分類及人機交互解譯的方法，將研究區(qū)土地利用類型分為露天采場、剝離區(qū)、排土場、礦山工業(yè)場地、農(nóng)用地、城市建設(shè)用地和草地7類，對土地利用和土地覆被變化(Land-Use and Land-Cover Change，LUCC)進行分析。結(jié)果表明，草原區(qū)露天煤礦開發(fā)對草原生態(tài)系統(tǒng)擾動劇烈，采礦作業(yè)區(qū)(露天采場、剝離區(qū)、排土場、礦山工業(yè)場地)的面積及占比呈上升趨勢，草地的面積及占比不斷減少；土地利用變化轉(zhuǎn)移矩陣表明，采礦擾動因素中，排土場對LUCC影響較大，對排土場進行有效復墾，可減緩生態(tài)環(huán)境破壞速度，對保護脆弱的草原生態(tài)系統(tǒng)具有重要意義；提出草原露采煤炭區(qū)LUCC的遙感監(jiān)測可以準確反映礦區(qū)土地利用變化的動態(tài)過程和發(fā)展趨勢，為礦區(qū)生態(tài)重建提供科學支持。

露采煤炭區(qū)；土地利用和土地覆被變化；遙感；錫林浩特市

土地是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。自20世紀90年代以來，土地利用和土地覆被變化(Land-Use and Land-Cover Change，LUCC)成為全球環(huán)境變化的重要原因，日益受到國際組織和世界各國的關(guān)注，目前已成為全球環(huán)境變化研究的前沿和熱點課題[1]。

煤炭是我國的主體能源，但環(huán)境問題與煤炭開發(fā)相伴而生，如林地、耕地和草地侵占[2]，地面沉陷與地質(zhì)災(zāi)害，大氣污染[3-5]，水污染與水系破壞[6]，植被破壞[7]，土壤污染與土地退化[8-9]，地表生態(tài)系統(tǒng)破壞與水土流失，矸石山與固體廢棄物占地[10]，生態(tài)系統(tǒng)紊亂[11]，對區(qū)域微氣候及地表物質(zhì)生命過程的影響，等等，嚴重影響了生態(tài)系統(tǒng)、人類健康[12]和社會經(jīng)濟的協(xié)調(diào)發(fā)展，其中又以露天采礦對于土地的破壞最為明顯和直接。通過對露天礦區(qū)的土地利用變化進行研究，了解礦區(qū)土地利用狀態(tài)及各時段的變化情況，進而分析土地利用變化驅(qū)動力因素及動態(tài)，對于礦區(qū)的合理規(guī)劃、長期開發(fā)利用及生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展都具有重要意義。

由于衛(wèi)星遙感具有覆蓋范圍廣、時空連續(xù)性好等特點，為研究大范圍環(huán)境變化提供了可靠手段。遙感技術(shù)在煤炭資源調(diào)查[13]、開采動態(tài)監(jiān)測[14]、開發(fā)狀況監(jiān)督[15]、煤炭開發(fā)相關(guān)環(huán)境問題監(jiān)測[16]以及礦區(qū)生態(tài)恢復[17]等方面得到了廣泛應(yīng)用，使用了包括Landsat[18]、SPOT[17]、BJ-1[19]、Quickbird[17]等在內(nèi)的中、高空間分辨率衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)。采用遙感技術(shù)，利用不同時相遙感影像，提取土地覆蓋變化等信息，并結(jié)合調(diào)查數(shù)據(jù)進行研究礦產(chǎn)開發(fā)活動對生態(tài)環(huán)境的影響已有一定數(shù)量的報導[20-21]。但關(guān)于煤炭生產(chǎn)較為集中的內(nèi)蒙古地區(qū)的研究報道較少[8]，尤其是在一些中小城市及草原區(qū)開展的煤炭開發(fā)對土地利用變化影響的研究更少[22]。

對內(nèi)蒙古草原煤礦區(qū)LUCC 進行系列監(jiān)測和研究，有助于了解LUCC機制[23]，為干旱、半干旱草原露天煤礦區(qū)土地復墾規(guī)劃和生態(tài)補償計劃提供科學依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

錫林郭勒盟是歐亞大陸草原區(qū)的重要組成部分，也是內(nèi)蒙古天然草地的主體。地處中緯度西風帶，屬中溫帶半干旱、干旱大陸性氣候，年平均氣溫為1.7 ℃，≥10 ℃積溫為1 600～2 300 ℃，年均降水量294.74 mm，年均蒸發(fā)量1 794.64 mm，平均風速3.5 m/s，最大凍土深度2.89 m，無霜期106 d。土壤類型主要為栗鈣土，水土流失類型以風力侵蝕為主，間有水力侵蝕[22]。植被類型以典型草原為主，植被覆蓋度50 %左右，植被優(yōu)勢種為大針茅(Stipagrandis)、羊草(Leymuschinensis)和克氏針茅(S.krylovii)等。錫林浩特市位于內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟，東經(jīng)115°13′—117°06′，北緯43°02′—44°52′。露采研究區(qū)(約7.6萬hm2)位于錫林浩特市北部，露天礦井四處分布，分屬于錫林郭勒盟烏蘭圖嘎煤炭有限責任公司、神華北電勝利能源有限公司和內(nèi)蒙古大唐國際錫林浩特礦業(yè)有限公司(圖1)。

圖1 2015年7月12日Landsat 8近紅外、紅、 綠波段假彩色合成影像

1.2 數(shù)據(jù)來源與技術(shù)方法

研究所用數(shù)據(jù)源于美國地質(zhì)勘探局(United States Geological Survey，USGS)陸地資源系列衛(wèi)星(Landsat)，傳感器包括TM (Thematic Mapper)和OLI (Operational Land Imager)。數(shù)據(jù)獲取時間為2005年9月2日、2009年8月12日和2015年7月12日。采用遙感圖像處理軟件ENVI進行影像處理，預(yù)處理包括輻射定標、大氣校正、影像增強等。

利用3S技術(shù)對露天煤礦區(qū)LUCC狀況進行監(jiān)測與分析，采用監(jiān)督式的基于分類后比較的變化檢測法。為了保證分類精度，以實地調(diào)查GPS樣點為輔助數(shù)據(jù)，通過線性拉伸、直方圖均衡等圖像增強技術(shù)輔助圖像判讀，設(shè)定土地利用判讀標識，并結(jié)合影像紋理信息和外業(yè)調(diào)查檢驗工作，采用支持向量機法及人機交互解譯相結(jié)合，將土地利用類型分為露天采場、剝離區(qū)、排土場、礦山工業(yè)場地、農(nóng)用地、城市建設(shè)用地和草地7類，獲得3個時期的土地利用信息。以驗證樣本為參考源，對分類結(jié)果進行精度驗證，3個時期分類結(jié)果的總體分類精度分別為97.72 %，98.43 %和96.73 %，Kappa系數(shù)分別為0.95，0.97和0.95，分類效果較好。研究通過地物面積變化率探究礦區(qū)時空LUCC變化規(guī)律，并采用土地利用轉(zhuǎn)移矩陣刻畫土地利用變化的結(jié)構(gòu)特征與變化方向[24]。

年平均變化率指數(shù)用于描述各類型用地面積的變化幅度、速度及土地利用變化中的類型差異。土地利用類型年平均變化率指數(shù)計算公式為：

式中：K——某種類型的年平均變化率；Ua、Ub——研究時段開始與結(jié)束時該土地利用類型的面積；T——研究時段，當設(shè)定為年時，模型結(jié)果表示該區(qū)域此類土地利用類型的年變化率。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用動態(tài)變化分析

圖2(a)(b)(c)為2005，2009和2015年研究區(qū)域土地利用變化遙感影像。根據(jù)該圖可獲得土地利用基本格局變化動態(tài)、面積變化和年均變化率(表1)。

圖2 研究區(qū)域土地利用變化遙感影像 表1 研究區(qū)2005—2015年不同土地利用類型面積、比例及動態(tài)變化

土地利用類型2005年2009年2015年2005—2009年2005—2015年面積/hm2比例/%面積/hm2比例/%面積/hm2比例/%變化面積/hm2年變化率/%變化面積/hm2年變化率/%露天采場22.320.03130.500.17341.730.45108.1896.94319.41130.10剝離區(qū)187.170.25756.181.001474.291.95569.0160.801287.1262.52排土場461.340.601860.842.453644.824.821399.560.673183.4862.73礦山工業(yè)場地0.000.00981.001.291261.351.67981.001261.35農(nóng)用地3036.243.982060.552.711851.482.45-975.69-6.43-1184.76-3.55城市建設(shè)用地3904.925.114843.896.377362.369.73938.974.813457.448.05草地68418.2789.5965059.1185.5759757.1278.91-3359.16-0.98-8661.15-1.15

由圖2(a)(b)(c)并結(jié)合實地調(diào)查可知，內(nèi)蒙古大唐國際錫林浩特礦業(yè)有限公司煤礦開采較快，占地面積增加幅度較大；農(nóng)業(yè)集約化程度增加，灌溉方式轉(zhuǎn)變?yōu)橐源笮蛧姽嘞到y(tǒng)為主；城鎮(zhèn)化程度加劇，城市建設(shè)用地向東、西方向大幅擴張。

由表1可知，2005—2015年10年間露天采場、剝離區(qū)、排土場、礦山工業(yè)場地4類采礦作業(yè)區(qū)的面積及占比呈上升趨勢。排土場10 年間面積增加了3 183.48 hm2，增幅較快。露天采場的總面積占比從2005年的0.03 %增長到了2015年的0.45%，增長速度較快。城市建設(shè)用地10 年間面積增加了3 457.44 hm2，增長幅度較大，表明城市化進程加快。在采礦作業(yè)區(qū)和城市建設(shè)用地面積增加的同時，農(nóng)用地和草地的面積不斷減少。10 年間農(nóng)用地面積減少了1 184.76 hm2，草地面積減少了8 661.15 hm2。由年均變化率可以看出，草地面積呈加速減少的趨勢，采礦作業(yè)區(qū)(露天采場、剝離區(qū)、排土場)和城市建設(shè)用地呈加速擴張的趨勢。

2.2 土地利用結(jié)構(gòu)變化分析

基于圖2(a)(b)(c)，構(gòu)建不同土地利用類型變化轉(zhuǎn)移矩陣(表2)，土地利用結(jié)構(gòu)變化及不同土地類型之間的轉(zhuǎn)移情況見圖3(a)(b)。

表2 2005—2015年研究區(qū)土地利用變化轉(zhuǎn)移矩陣 hm2

續(xù)表

(a) 2005年 (b) 2015年 圖3 研究區(qū)2005—2015年土地利用結(jié)構(gòu)變化

由表2及圖3(a)(b)可知，從草地轉(zhuǎn)為城市建設(shè)用地和排土場的面積最多，分別為3 637.89及3 479.04 hm2；從草地轉(zhuǎn)為剝離區(qū)和礦山工業(yè)場地的土地面積也都達到了1 000 hm2以上，表明草地主要的轉(zhuǎn)移去向是采礦作業(yè)區(qū)(露天采場、剝離區(qū)、排土場、礦山工業(yè)場地)和城市建設(shè)用地等人工用地。

3 結(jié)論

(1) 以資源開采為原動力的錫林浩特市露采煤炭區(qū)土地利用擾動劇烈。采礦作業(yè)區(qū)的面積及占比呈顯著上升趨勢，且增幅較大：2005年采礦作業(yè)區(qū)面積僅為670.80 hm2，2009年為3 728.52 hm2，2015年達6 722.19 hm2；2005年采礦作業(yè)區(qū)占總面積的0.88 %，2009年占4.91 %，2015年占8.89 %。2005—2015年間露天采場年變化率為130.10 %。與此同時，草地面積及占比不斷減少，且面積呈加速減少趨勢，2005—2015年間草地年變化率為-1.15%。

(2) 草原露采煤炭區(qū)對草地生態(tài)系統(tǒng)的劇烈擾動將導致自然生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的受損，并與城市化的快速推進一起對地區(qū)環(huán)境質(zhì)量、景觀生態(tài)和農(nóng)用地等產(chǎn)生重大影響。2005—2015年土地利用的變化表明，露采煤炭區(qū)草原景觀破碎化嚴重，高度破碎化意味著較高的環(huán)境風險和自然生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的破壞[25]。不同土地利用類型的轉(zhuǎn)移矩陣顯示，草地主要的轉(zhuǎn)移去向是采礦作業(yè)區(qū)和城市建設(shè)用地等人工用地。因此，亟需開展露采煤炭區(qū)土地利用擾動引發(fā)的自然生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能受損、環(huán)境質(zhì)量變化等研究[26]，因為草原生態(tài)環(huán)境遭到破壞，生態(tài)恢復難度大、費用高、周期長，處理不當將影響區(qū)域經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。

(3) 草原露采煤炭區(qū)的擾動因素中，排土場和剝離區(qū)對土地利用類型的影響較大，其面積、占比和增幅較快，因此對排土場進行有效復墾，可減緩生態(tài)環(huán)境破壞速度，對保護原本就脆弱的草原生態(tài)系統(tǒng)具有重要意義。LUCC遙感監(jiān)測可以準確反映礦區(qū)土地利用變化的動態(tài)過程和發(fā)展趨勢，為露天礦區(qū)生態(tài)重建規(guī)劃提供科學支持。在歐洲，50%以上的礦區(qū)土地復墾為草地或林地；而在中國，70 %以上礦區(qū)復墾為農(nóng)業(yè)用地[27]。研究區(qū)域的土地利用變化轉(zhuǎn)移矩陣表明，目前我國植被恢復治理工作進展緩慢。

[1] 陳佑啟， 楊鵬. 國際上土地利用/土地覆蓋變化研究的新進展[J]. 經(jīng)濟地理， 2001，21(1)：95-100.

[2] 翟孟源， 徐新良， 江東， 等. 1979—2010年烏海市煤礦開采對生態(tài)環(huán)境影響的遙感監(jiān)測[J]. 遙感技術(shù)與應(yīng)用， 2012，27(6)：933-940.

[3] ANEJA V P， ISHERWOOD A， MORGAN P. Characterization of particulate matter (PM10) related to surface coal mining operations in Appalachia[J]. Atmospheric Environment， 2012，54：496-501.

[4] WANG S， LUO K， WANG X， et al. Estimate of sulfur， arsenic， mercury， fluorine emissions due to spontaneous combustion of coal gangue： An important part of Chinese emission inventories[J]. Environmental Pollution， 2016，209：107-113.

[5] PERGAL M M， TESIC Z L， POPOVIC A R. Influence of Anthropogenic and Environmental Conditions on Polycyclic Aromatic Hydrocarbon Pollution Originating from Coal Ash Dumps[J]. Water， Air， & Soil Pollution， 2015，226(3)：1-10.

[6] BEMNHARDT E S， PALMER M A. The environmental costs of mountaintop mining valley fill operations for aquatic ecosystems of the Central Appalachians[J]. Annals of the New York Academy of Sciences， 2011，1223(1)：39-57.

[7] 葉瑤， 全占軍， 肖能文， 等. 采煤塌陷對地表植物群落特征的影響[J]. 環(huán)境科學研究， 2015，28(5)：736-744.

[8] 王廣軍， 胡振琪， 杜海清， 等. 采礦擾動下草地荒漠化的遙感分析——以霍林河露天煤礦區(qū)為例[J]. 遙感學報， 2006，10(6)：917-925.

[9] 胡振琪， 楊玲， 王廣軍. 草原露天礦區(qū)草地沙化的遙感分析——以霍林河礦區(qū)為例[J]. 中國礦業(yè)大學學報， 2005，34(1)：9-13.

[10] BIAN Z， MIAO X， LEI S， et al. The challenges of reusing mining and mineral-processing wastes[J]. Science， 2012，337(6095)：702-703.

[11] 徐占軍， 侯湖平， 張紹良， 等. 采礦活動和氣候變化對煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)境損失的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報， 2012，28(5)：232-240.

[12] PALMER M A， BERNHARDT E S， SCHLESINGER W H， et al. Mountaintop mining consequences[J]. Science， 2010，327(5962)：148-149.

[13] 李聰聰， 孫順新， 王新民， 等. 遙感技術(shù)在云南省昭通地區(qū)煤炭資源調(diào)查評價中的應(yīng)用[J]. 中國煤炭地質(zhì)， 2010，22(10)：17-21.

[14] 梁暉， 楊士道. 遙感技術(shù)在薊縣北部礦山開采動態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用[J]. 地質(zhì)調(diào)查與研究， 2005，28(3)：180-186.

[15] 康高峰， 盧中正， 李社， 等. 遙感技術(shù)在煤炭資源開發(fā)狀況監(jiān)督管理中的應(yīng)用研究[J]. 中國煤炭地質(zhì)， 2008，20(1)：13-16.

[16] 盧中正， 強建華. 煤炭資源開發(fā)破壞和占用土地遙感監(jiān)測研究[J]. 地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護， 2008，19(4)：114-117.

[17] 劉建軍. 蒼山縣礦產(chǎn)資源開發(fā)遙感動態(tài)監(jiān)測與景觀生態(tài)重建潛力研究[D]. 濟南：山東師范大學， 2008.

[18] 胡振琪， 謝宏全. 基于遙感圖像的煤礦區(qū)土地利用/覆蓋變化[J]. 煤炭學報， 2005，30(1)：44-48.

[19] 陳宇， 杜培軍， 唐偉成， 等. 基于BJ-1小衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的礦區(qū)土地覆蓋變化檢測[J]. 國土資源遙感， 2011(3)：146-150.

[20] 童桂鳳，陳志芳，范瑩，等.應(yīng)用遙感監(jiān)測技術(shù)分析揚州市五年植被覆蓋狀況[J].環(huán)境監(jiān)控與預(yù)警，2012，4(2)：30-33.

[21] 趙小健，馬萬泉，張景明.揚州市土地利用與覆蓋的遙感監(jiān)測[J].環(huán)境監(jiān)控與預(yù)警，2014，6(6)：45-47.

[22] 全占軍， 李遠， 李俊生， 等. 采煤礦區(qū)的生態(tài)脆弱性——以內(nèi)蒙古錫林郭勒草原勝利煤田為例[J]. 應(yīng)用生態(tài)學報， 2013，24(6)：1729-1738.

[23] 龍花樓， 李秀彬. 長江沿線樣帶土地利用格局及其影響因子分析[J]. 地理學報， 2001，56(4)：417-425.

[24] 朱會義， 李秀彬. 關(guān)于區(qū)域土地利用變化指數(shù)模型方法的討論[J]. 地理學報， 2003，58(5)：643-650.

[25] SARMA K. Impact of coal mining on vegetation a case study in Jaintia Hills District of Meghalaya， India[D]. The Netherlands：The International Institute for Geo-information Science and Earth Observation， 2005.

[26] WICKHAM J， WOOD P B， NICHOLSON M C， et al. The overlooked terrestrial impacts of mountaintop mining[J]. Bioscience， 2013，63(5)：335-348.

[27] BIAN Z， INYANG H I， DANIELS J L， et al. Environmental issues from coal mining and their solutions[J]. Mining Science and Technology (China)， 2010，20(2)：215-223.

欄目編輯 周立平

Analysis on Land Use Disturbances of Surface Coal Mining in Xilinhot

GUAN Chun-zhu， ZHANG Bao-lin*， ZHAO Jun-ling， LI Jian-nan

(CollegeofChemistry&EnvironmentalSciences，InnerMongoliaNormalUniversity，Hohhot，Neimenggu010020，China)

According to Landsat images over Xilinhot acquired in 2005， 2009 and 2015， using supervised classification and human-computer interactive interpretation， the land use type was divided into seven classes， i. e.， open stope， stripping area， waste-dump area， mine industrial area， farmland， urban area and the original landscape. Dynamic analysis on LUCC showed that open-pit coal mine in the grassland disturbed grassland ecosystem violently. The coverage and proportion of mining operation areas (open stope， stripping area， waste-dump area， mine industrial field) increased， while those of the original landscape decreased continuously. The transfer matrix of land use change showed that waste-dump had the largest impacts in the mining disturbance， and that the effective reclamation of waste-dump areas would slow down the eco-environment destruction， as would be of great significance in protecting the fragile grassland eco-system. Remote sensing monitoring of open-pit coal mining in grassland would accurately reflect the dynamics and trend of LUCC， as would provide scientific support for ecological reconstruction in open-pit mining area.

Coal surface mining； Land-Use and Land-Cover Change； Remote sensing； Xilinhot

10.3969/j.issn.1674-6732.2017.02.004

2016-11-11；

2016-12-07

國家自然科學基金資助項目(D0104/41261048)

關(guān)春竹(1991—)，女，碩士，研究方向為3S技術(shù)應(yīng)用。

*通訊作者：張寶林 E-mail：nmzhangbaolin@hotmail.com

X508

A

1674-6732(2017)02-004-05