葉 欣， 董 倫， 呂利娜

(黑龍江科技大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)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(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)健康發(fā)展的重要支撐[1]。長(zhǎng)期以來(lái)，部分礦區(qū)開(kāi)發(fā)強(qiáng)度過(guò)大，資源利用率較低，生態(tài)環(huán)境破壞嚴(yán)重，新的地質(zhì)災(zāi)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(yàn)[2-4]。為了實(shí)現(xiàn)礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展，實(shí)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(xué)家的關(guān)注[5-7]。

針對(duì)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(guò)程-格局-機(jī)理”模式[8-10]，或結(jié)合單一梯度構(gòu)建的分析方法[11]，對(duì)礦業(yè)城市土地利用變化趨勢(shì)、空間結(jié)構(gòu)演變過(guò)程與機(jī)理開(kāi)展研究[12]。礦區(qū)土地景觀格局的變化是一個(gè)以資源開(kāi)采為原動(dòng)力的動(dòng)態(tài)時(shí)空演變過(guò)程[13]，與一般城市相比，礦業(yè)城市在自然環(huán)境、社會(huì)經(jīng)濟(jì)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(kāi)采造成地下采空區(qū)的出現(xiàn)，進(jìn)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(fù)土地功能，土地開(kāi)墾和植被恢復(fù)也使得礦區(qū)景觀格局演變過(guò)程更加復(fù)雜[20]。因此，研究采礦活動(dòng)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(duì)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(guò)，當(dāng)前研究大多忽視了采礦活動(dòng)作為關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力對(duì)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(guò)程中的形態(tài)特征和分異規(guī)律。

針對(duì)上述問(wèn)題，筆者以雞西市主城區(qū)為研究對(duì)象，基于景觀生態(tài)學(xué)理論方法，采用RS與GIS技術(shù)，對(duì)研究區(qū)不同時(shí)期景觀結(jié)構(gòu)、分布和演變特征進(jìn)行分析，揭示采礦活動(dòng)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(hù)、合理開(kāi)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(guó)黑龍江省東南部，共轄9個(gè)縣級(jí)行政區(qū)，幅員面積2.25萬(wàn)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(wàn)人。該地區(qū)資源十分豐富，已探明煤炭?jī)?chǔ)量達(dá)到30億t，保有儲(chǔ)量20億t。由于礦區(qū)經(jīng)歷了80多年的煤炭開(kāi)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(dá)193 km2。土地的嚴(yán)重塌陷及破壞帶來(lái)了耕地減少、土地荒漠化與水土流失等問(wèn)題。同時(shí)，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(yīng)和集聚效應(yīng)。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

文中通過(guò)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(guò)目視解譯將研究區(qū)景觀類(lèi)型劃分為建設(shè)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(jì)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(dòng)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(dòng)態(tài)變化過(guò)程[21]。研究選取描述景觀組成和空間構(gòu)型兩類(lèi)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(duì)景觀格局分布的綜合影響，將高程與坡度兩個(gè)因子組合為地形位指數(shù)[22]，以此來(lái)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(duì)景觀格局的影響可簡(jiǎn)化為不同等級(jí)梯度上各種景觀類(lèi)型的分布頻率。為了消除不同梯度下各類(lèi)景觀類(lèi)型的面積比例各不相同所帶來(lái)的量綱差異，可利用分布指數(shù)來(lái)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(jí)梯度上景觀類(lèi)型i的分布面積；

Si、Se——景觀類(lèi)型i和e級(jí)梯度在研究區(qū)內(nèi)的總面積；

S——研究區(qū)總面積。

當(dāng)P<1時(shí)，表示景觀類(lèi)型i在e級(jí)梯度上分布頻率較低；當(dāng)P>1時(shí)，表示景觀類(lèi)型i在e級(jí)梯度上分布頻率較高。P值越大，表示分布的偏好性越強(qiáng)。

3 結(jié)果與分析

3.1 景觀格局

Fragstats是美國(guó)俄勒岡州立大學(xué)的Kevin Mcgarigal和Eduard Ene開(kāi)發(fā)的計(jì)算景觀指數(shù)的經(jīng)典軟件。由于其功能強(qiáng)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(jì)算出景觀指數(shù)如表2所示。

從景觀破碎化角度看，由于長(zhǎng)期的煤炭開(kāi)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(gè)獨(dú)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(shuō)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(lái)看，塌陷水體作為相對(duì)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(lèi)型異質(zhì)化程度呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。從景觀邊緣效應(yīng)上來(lái)看，邊緣長(zhǎng)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(dòng)強(qiáng)度的加劇對(duì)區(qū)域景觀斑塊的切割作用，使景觀類(lèi)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(fù)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(jí)的分布來(lái)看(表3)，研究區(qū)內(nèi)地形梯度以中低(1～7級(jí))等級(jí)為主，1～5級(jí)面積占比為76.41%，其中4級(jí)和5級(jí)面積占比為最高，分別達(dá)到22.19%和21.52%；6～7級(jí)地形梯度面積占比為21.84%，8～10級(jí)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(shì)呈現(xiàn)北高南低的分布趨勢(shì)(圖1)，且低等級(jí)地勢(shì)(1～3級(jí))集中在研究區(qū)東北部，覆蓋了大部分建設(shè)用地區(qū)域。地形梯度上各景觀類(lèi)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(lèi)型的分布指數(shù)Fig. 2 Distribution index of landscape types on terrain gradients

表3 地形位分級(jí)區(qū)間和面積統(tǒng)計(jì)

由圖2可以看出，耕地分布指數(shù)在3個(gè)研究時(shí)段中曲線形態(tài)基本相似，在1級(jí)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(shì)，體現(xiàn)出耕地集中分布于低地勢(shì)區(qū)域。低海拔且地勢(shì)平坦地區(qū)較適宜耕作，研究區(qū)實(shí)際情況與土地適宜性理論相符。林地對(duì)高地形區(qū)域具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，在高等級(jí)梯度上分布優(yōu)勢(shì)明顯，但在高地勢(shì)區(qū)林地的數(shù)量逐年下降。建設(shè)用地分布指數(shù)總體呈逐漸降低趨勢(shì)，表明在研究區(qū)內(nèi)建設(shè)用地適宜在低地勢(shì)上發(fā)展，其分布嚴(yán)格受地形的限制，但隨著城市化進(jìn)程的加快，城市規(guī)模的不斷擴(kuò)張，低地勢(shì)上的建設(shè)用地面積降低，為了滿足城市發(fā)展的擴(kuò)張需求，建設(shè)用地的發(fā)展向高地勢(shì)區(qū)域拓展。草地主要分布于中高地勢(shì)區(qū)域，分布情況在研究時(shí)段中波動(dòng)復(fù)雜，但大體都呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)。其中，2015年在高地勢(shì)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(shì)區(qū)域上，分布指數(shù)呈下降趨勢(shì)。

3.3 景觀格局演變

通過(guò)分析景觀指數(shù)在不同地形梯度下的變化，進(jìn)一步研究采礦活動(dòng)對(duì)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(jí)地形梯度上達(dá)到最大值，并隨著地勢(shì)的增加逐漸減少。斑塊密度在1級(jí)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(shì)，9、10級(jí)地形梯度面積較小且斑塊種類(lèi)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(shì)呈現(xiàn)先下降后上升趨勢(shì)，2005—2015年在低等級(jí)梯度上的數(shù)值逐年降低，反映出低等級(jí)梯度上的連通性較低。城市建設(shè)用地主要分布于低地形梯度上，且城市建設(shè)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(jìn)一步造成了礦區(qū)景觀的破碎化，程度在逐漸加強(qiáng)，且在低地形梯度上破碎化嚴(yán)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(shì)，優(yōu)勢(shì)區(qū)段為1～4級(jí)，在3級(jí)梯度達(dá)到最高值。2005—2015年間，指數(shù)在低地勢(shì)區(qū)段逐年升高，在中高地勢(shì)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(jí)地形梯度上隨著城市建設(shè)用地及工礦用地的減少，景觀異質(zhì)性逐漸減小。采礦活動(dòng)在低等級(jí)地形梯度上造成的景觀破碎化是導(dǎo)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(yīng)表征指數(shù)可以看出，邊緣長(zhǎng)度和景觀形狀指數(shù)的整體趨勢(shì)相似，均呈現(xiàn)先快速上升后快速下降的趨勢(shì)，并且在4級(jí)梯度等級(jí)上達(dá)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(shì)。采礦活動(dòng)造成的景觀破碎化，切割區(qū)域景觀斑塊，導(dǎo)致景觀類(lèi)型分布更加分散且形狀趨于復(fù)雜。這種作用在低地形梯度上更加明顯，對(duì)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(yīng)表征指數(shù)Fig. 5 Landscape edge effect index on terrain gradient

4 討 論

采礦活動(dòng)具有時(shí)間持續(xù)性、空間擴(kuò)展性和強(qiáng)干擾性，使得礦業(yè)城市景觀生態(tài)系統(tǒng)受到嚴(yán)重影響。這種影響具有時(shí)間和空間上的累積效應(yīng)[26]。研究發(fā)現(xiàn)，采礦活動(dòng)對(duì)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(yīng)3個(gè)方面。具體來(lái)說(shuō)：研究區(qū)工礦用地在建設(shè)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(shí)長(zhǎng)期的采礦活動(dòng)造成了大面積的采煤沉陷區(qū)，導(dǎo)致區(qū)域的整體景觀破碎程度較高；露天開(kāi)采造成表土剝離毀壞，并壓占大量土地，導(dǎo)致煤礦用地與周邊的土地類(lèi)型產(chǎn)生巨大差異，形成了一個(gè)個(gè)獨(dú)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(kāi)采引起地面沉降和裂縫，破壞了原有的砂頁(yè)巖地層含水、隔水系統(tǒng)，形成的塌陷水體作為相對(duì)孤立的斑塊出現(xiàn)，使水陸交界帶增多，根據(jù)生態(tài)學(xué)中的邊緣效應(yīng)理論，斑塊邊緣地帶往往具有較高物種豐富度和初級(jí)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(shì)。

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(qiáng)、邊緣數(shù)量增加且邊緣形狀復(fù)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(yīng)在低地勢(shì)區(qū)域變化明顯，反映出采礦活動(dòng)對(duì)低地勢(shì)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(dòng)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(lái)了一定困難。推進(jìn)綠色開(kāi)采、土地復(fù)墾與修復(fù)工程的實(shí)施，持續(xù)、充分挖掘雞西市城鎮(zhèn)建設(shè)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。