葉 欣， 董 倫， 呂利娜

(黑龍江科技大學 礦業(yè)工程學院， 哈爾濱 150022)

0 引 言

礦業(yè)資源型城市是重要的能源資源戰(zhàn)略保障基地，是國民經(jīng)濟持續(xù)健康發(fā)展的重要支撐[1]。長期以來，部分礦區(qū)開發(fā)強度過大，資源利用率較低，生態(tài)環(huán)境破壞嚴重，新的地質(zhì)災害隱患不斷出現(xiàn)，致使礦業(yè)城市的可持續(xù)發(fā)展面臨重大考驗[2-4]。為了實現(xiàn)礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展，實現(xiàn)城市發(fā)展愿景，礦業(yè)城市景觀格局空間結(jié)構(gòu)的研究，引起了許多科學家的關(guān)注[5-7]。

針對礦業(yè)城市景觀格局的研究主要著眼于采用土地利用/覆被變化的“過程-格局-機理”模式[8-10]，或結(jié)合單一梯度構(gòu)建的分析方法[11]，對礦業(yè)城市土地利用變化趨勢、空間結(jié)構(gòu)演變過程與機理開展研究[12]。礦區(qū)土地景觀格局的變化是一個以資源開采為原動力的動態(tài)時空演變過程[13]，與一般城市相比，礦業(yè)城市在自然環(huán)境、社會經(jīng)濟以及發(fā)展模式等方面都存在明顯差異。通常情況下，礦業(yè)城市的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)單一，城市發(fā)展依托煤炭資源的生產(chǎn)[14]，而城市景觀格局是城市發(fā)展的外在表象，城市發(fā)展變化必然影響著景觀格局的變化[15-18]。此外，煤炭開采造成地下采空區(qū)的出現(xiàn)，進而引發(fā)地表塌陷，使得土地利用結(jié)構(gòu)分散，城市景觀格局整體結(jié)構(gòu)被破壞[19]。為了修復土地功能，土地開墾和植被恢復也使得礦區(qū)景觀格局演變過程更加復雜[20]。因此，研究采礦活動下的礦業(yè)城市景觀格局，有助于構(gòu)建合理的土地生態(tài)系統(tǒng)，對礦業(yè)城市的轉(zhuǎn)型和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。不過，當前研究大多忽視了采礦活動作為關(guān)鍵驅(qū)動力對城市發(fā)展的影響，使得研究結(jié)果難以體現(xiàn)礦業(yè)城市在發(fā)展過程中的形態(tài)特征和分異規(guī)律。

針對上述問題，筆者以雞西市主城區(qū)為研究對象，基于景觀生態(tài)學理論方法，采用RS與GIS技術(shù)，對研究區(qū)不同時期景觀結(jié)構(gòu)、分布和演變特征進行分析，揭示采礦活動及地形梯度影響下的城市景觀格局演變規(guī)律，以期為礦業(yè)城市土地資源的保護、合理開發(fā)及城市轉(zhuǎn)型發(fā)展提供決策支持。

1 研究區(qū)域概況

1.1 概況

雞西市位于中國黑龍江省東南部，共轄9個縣級行政區(qū)，幅員面積2.25萬平方公里。截至2018年，雞西市地區(qū)生產(chǎn)總值為535.2億元，人口172.7萬人。該地區(qū)資源十分豐富，已探明煤炭儲量達到30億t，保有儲量20億t。由于礦區(qū)經(jīng)歷了80多年的煤炭開采，如今已形成114 km2地下采空區(qū)面積，地表采煤沉陷區(qū)高達193 km2。土地的嚴重塌陷及破壞帶來了耕地減少、土地荒漠化與水土流失等問題。同時，受到煤炭資源空間分布和地質(zhì)條件的影響，城市空間結(jié)構(gòu)分散，聚合程度較低，難以形成良好的規(guī)模效應和集聚效應。

1.2 數(shù)據(jù)來源

文中通過地理空間數(shù)據(jù)云下載了2005、2010和2015年的Landsat遙感影像作為數(shù)據(jù)源，空間分辨率為30 m，通過目視解譯將研究區(qū)景觀類型劃分為建設用地、耕地、草地、林地、和水域。此外，文中收集了DEM數(shù)據(jù)，用于計算研究區(qū)的高程和坡度。

2 研究方法

2.1 景觀格局指數(shù)

景觀格局指數(shù)是高度濃縮的景觀格局和景觀動態(tài)信息，被廣泛用于了解景觀格局的組成成分、空間配置和動態(tài)變化過程[21]。研究選取描述景觀組成和空間構(gòu)型兩類景觀水平指數(shù)，如表1所示。

表1 選取的景觀水平指數(shù)

2.2 地形位指數(shù)

為體現(xiàn)出地形高度與坡度對景觀格局分布的綜合影響，將高程與坡度兩個因子組合為地形位指數(shù)[22]，以此來表現(xiàn)地形梯度的差異。

(1)

式中：T——地形位指數(shù)；

E——高程；

S——坡度；

從式(1)中可以看出，高程和坡度與地形位指數(shù)呈正相關(guān)，即高程和坡度越大，則地形位指數(shù)越大，反之地形位指數(shù)越小。

2.3 分布指數(shù)

梯度對景觀格局的影響可簡化為不同等級梯度上各種景觀類型的分布頻率。為了消除不同梯度下各類景觀類型的面積比例各不相同所帶來的量綱差異，可利用分布指數(shù)來探討景觀格局的梯度分布特征[23]。

(2)

式中：P——分布指數(shù)；

Sie——e級梯度上景觀類型i的分布面積；

Si、Se——景觀類型i和e級梯度在研究區(qū)內(nèi)的總面積；

S——研究區(qū)總面積。

當P<1時，表示景觀類型i在e級梯度上分布頻率較低；當P>1時，表示景觀類型i在e級梯度上分布頻率較高。P值越大，表示分布的偏好性越強。

3 結(jié)果與分析

3.1 景觀格局

Fragstats是美國俄勒岡州立大學的Kevin Mcgarigal和Eduard Ene開發(fā)的計算景觀指數(shù)的經(jīng)典軟件。由于其功能強大，現(xiàn)已成為景觀格局研究的常用工具[24-25]。文中利用Fragstats4.2軟件計算出景觀指數(shù)如表2所示。

從景觀破碎化角度看，由于長期的煤炭開采產(chǎn)生了大面積沉陷區(qū)。地面塌陷改變了原有的地形地貌，產(chǎn)生了大量的塌陷坑和積水濕地。在這些新的景觀不斷出現(xiàn)和采礦用地的分散布局共同影響下，形成了多個獨立的斑塊，使斑塊數(shù)量nNP、斑塊密度γPD逐年增加。最大斑塊指數(shù)kLPI逐年下降說明原有集中的自然景觀斑塊面積也隨著采煤沉陷區(qū)的出現(xiàn)而變小。蔓延度指數(shù)kC逐年下降體現(xiàn)了景觀斑塊連通性降低，綜合反映出景觀破碎化程度逐年加深。從景觀異質(zhì)性上來看，塌陷水體作為相對孤立的斑塊出現(xiàn)，使水路交界帶增多，香濃多樣性指數(shù)ηSHDI和香濃均勻度指數(shù)ηSHEI指數(shù)的逐年上升，綜合體現(xiàn)了研究區(qū)景觀類型異質(zhì)化程度呈現(xiàn)增加的趨勢。從景觀邊緣效應上來看，邊緣長度lTE、邊緣密度γED和景觀形狀指數(shù)kLSI逐漸升高，反映出采煤活動強度的加劇對區(qū)域景觀斑塊的切割作用，使景觀類型趨于零散，形狀也越趨于不規(guī)則，邊緣數(shù)量增大，景觀的形狀也更加復雜化。

表2 研究區(qū)2005-2015年景觀指數(shù)變化

3.2 景觀分布

從地形位指數(shù)等級的分布來看(表3)，研究區(qū)內(nèi)地形梯度以中低(1～7級)等級為主，1～5級面積占比為76.41%，其中4級和5級面積占比為最高，分別達到22.19%和21.52%；6～7級地形梯度面積占比為21.84%，8～10級地形梯度面積占比最小，僅為1.75%。隨著地形梯度的增加，景觀分布面積占比依次先增大后減小。

研究區(qū)地勢呈現(xiàn)北高南低的分布趨勢(圖1)，且低等級地勢(1～3級)集中在研究區(qū)東北部，覆蓋了大部分建設用地區(qū)域。地形梯度上各景觀類型的分布指數(shù)如圖2所示。

圖1 研究區(qū)地形梯度的空間分布Fig. 1 Spatial distribution of TG in study area

圖2 地形梯度上各景觀類型的分布指數(shù)Fig. 2 Distribution index of landscape types on terrain gradients

表3 地形位分級區(qū)間和面積統(tǒng)計

由圖2可以看出，耕地分布指數(shù)在3個研究時段中曲線形態(tài)基本相似，在1級地形梯度上數(shù)值最高，并呈現(xiàn)隨著梯度的增加逐漸下降的趨勢，體現(xiàn)出耕地集中分布于低地勢區(qū)域。低海拔且地勢平坦地區(qū)較適宜耕作，研究區(qū)實際情況與土地適宜性理論相符。林地對高地形區(qū)域具有較強的適應性，在高等級梯度上分布優(yōu)勢明顯，但在高地勢區(qū)林地的數(shù)量逐年下降。建設用地分布指數(shù)總體呈逐漸降低趨勢，表明在研究區(qū)內(nèi)建設用地適宜在低地勢上發(fā)展，其分布嚴格受地形的限制，但隨著城市化進程的加快，城市規(guī)模的不斷擴張，低地勢上的建設用地面積降低，為了滿足城市發(fā)展的擴張需求，建設用地的發(fā)展向高地勢區(qū)域拓展。草地主要分布于中高地勢區(qū)域，分布情況在研究時段中波動復雜，但大體都呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。其中，2015年在高地勢區(qū)域分布指數(shù)下降較快，主要是受到耕地和林地侵占的影響。水域主要分布在低地勢區(qū)域上，分布指數(shù)呈下降趨勢。

3.3 景觀格局演變

通過分析景觀指數(shù)在不同地形梯度下的變化，進一步研究采礦活動對景觀格局演變的影響及規(guī)律。圖3為地形梯度上景觀破碎化表征指數(shù)。

由圖3可知，斑塊數(shù)量在3級地形梯度上達到最大值，并隨著地勢的增加逐漸減少。斑塊密度在1級地形梯度上數(shù)值較高，在中低梯度上呈現(xiàn)斑塊密度逐漸下降的趨勢，9、10級地形梯度面積較小且斑塊種類單一，造成該高地形梯度上γPD明顯升高。蔓延度指數(shù)總體走勢呈現(xiàn)先下降后上升趨勢，2005—2015年在低等級梯度上的數(shù)值逐年降低，反映出低等級梯度上的連通性較低。城市建設用地主要分布于低地形梯度上，且城市建設多依礦而建，受煤炭分布的影響，城市格局比較分散，而采煤形成的塌陷坑和積水濕地進一步造成了礦區(qū)景觀的破碎化，程度在逐漸加強，且在低地形梯度上破碎化嚴重。

圖3 地形梯度上景觀破碎化表征指數(shù)Fig. 3 Landscape fragmentation characterization index on terrain gradient

圖4反映了研究區(qū)景觀異質(zhì)化特征，香濃多樣性指數(shù)與香濃均勻度指數(shù)都呈現(xiàn)出先緩慢升高再快速下降的趨勢，優(yōu)勢區(qū)段為1～4級，在3級梯度達到最高值。2005—2015年間，指數(shù)在低地勢區(qū)段逐年升高，在中高地勢區(qū)段略有下降，反映出在城區(qū)景觀異質(zhì)性較大，高等級地形梯度上隨著城市建設用地及工礦用地的減少，景觀異質(zhì)性逐漸減小。采礦活動在低等級地形梯度上造成的景觀破碎化是導致景觀異質(zhì)性呈現(xiàn)該特征的主要原因。

圖4 地形梯度上景觀異質(zhì)性表征指數(shù)Fig. 4 Landscape heterogeneity index on terrain gradient

從圖5景觀邊緣效應表征指數(shù)可以看出，邊緣長度和景觀形狀指數(shù)的整體趨勢相似，均呈現(xiàn)先快速上升后快速下降的趨勢，并且在4級梯度等級上達到最大值；邊緣密度隨著地形梯度的增加呈現(xiàn)出先緩慢下降再快速下降的趨勢。采礦活動造成的景觀破碎化，切割區(qū)域景觀斑塊，導致景觀類型分布更加分散且形狀趨于復雜。這種作用在低地形梯度上更加明顯，對這些區(qū)域的生物多樣性影響更加劇烈。

圖5 地形梯度上景觀邊緣效應表征指數(shù)Fig. 5 Landscape edge effect index on terrain gradient

4 討 論

采礦活動具有時間持續(xù)性、空間擴展性和強干擾性，使得礦業(yè)城市景觀生態(tài)系統(tǒng)受到嚴重影響。這種影響具有時間和空間上的累積效應[26]。研究發(fā)現(xiàn)，采礦活動對礦業(yè)城市景觀格局的影響主要表現(xiàn)在景觀破碎化、景觀異質(zhì)化和邊緣效應3個方面。具體來說：研究區(qū)工礦用地在建設用地中比重較大，呈分散狀布局，使整體景觀連通性下降，同時長期的采礦活動造成了大面積的采煤沉陷區(qū)，導致區(qū)域的整體景觀破碎程度較高；露天開采造成表土剝離毀壞，并壓占大量土地，導致煤礦用地與周邊的土地類型產(chǎn)生巨大差異，形成了一個個獨立的斑塊，增加了研究區(qū)內(nèi)的斑塊破碎化程度和景觀異質(zhì)化程度；煤炭開采引起地面沉降和裂縫，破壞了原有的砂頁巖地層含水、隔水系統(tǒng)，形成的塌陷水體作為相對孤立的斑塊出現(xiàn)，使水陸交界帶增多，根據(jù)生態(tài)學中的邊緣效應理論，斑塊邊緣地帶往往具有較高物種豐富度和初級生產(chǎn)力[27]，因此塌陷水體邊緣區(qū)的物種多樣性具有增加的趨勢。

5 結(jié) 論

(1)2005—2015年，雞西市主城區(qū)景觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了巨大的變化，呈現(xiàn)出景觀破碎度升高、景觀多樣性和均勻性程度加強、邊緣數(shù)量增加且邊緣形狀復雜化的特征。

(2)雞西市景觀格局在梯度上呈現(xiàn)顯著的分布差異特征，城市破碎化、異質(zhì)化程度及邊緣效應在低地勢區(qū)域變化明顯，反映出采礦活動對低地勢區(qū)域的景觀格局影響更加劇烈。

(3)多年的煤炭生產(chǎn)活動產(chǎn)生了大量的工礦廢棄地和采煤塌陷地，給雞西市土地利用帶來了一定困難。推進綠色開采、土地復墾與修復工程的實施，持續(xù)、充分挖掘雞西市城鎮(zhèn)建設用地現(xiàn)有土地潛力，提高土地利用集約度，將有利于礦區(qū)土地整治與景觀生態(tài)格局的優(yōu)化。