矿区土地复垦景观格局变化和生态效应.pdf

第 2 8卷 201 2芷 第 3期 2月 农 业 工 程 学 报 T r a n s a c t i o n s o f t h e CS AE Vl0 1 ． 28 No． 3 Fe b ．2 0 1 2 2 5 1 矿 区土地复垦景观格局变化和生态效应 李保杰 ，一，顾和和 2 纪亚洲 ，2 1 ．中国矿业大学江苏省资源环境信息工程重点实验室，徐州 2 2 1 1 1 6 2 ． 徐州师 范大 学城 市与环境 学院，徐州 I 2 2 1 1 1 6 摘要为了揭示矿区土地复垦对项目区景观格局的影响及生态效应，应用 G I S和景观生态学方法，以徐州市九里矿区 土地复垦项 目为例，分析了该区土地利用结构和景观格局变化。结合景观格局优化 目标建立了相应的评价指标体系并利 用层次分析法对各评价因子赋以权重，对矿区复垦的生态效应进行评价。结果表明，矿区土地复垦项 目的实施对区域生 态环境起到一定的改善作用，但部分评价因子呈现出正效应或负效应，如平均斑块面积增加、生态服务价值增加、生 态廊道的密度和面积增大使生物多样性提高等为正效应，但由于生态廊道的建设，宽度的增加和密度的增加，对景观斑 块进行切割，降低了最大斑块面积，使斑块破碎度提高而对矿区生态系统造成负面影响。因此在土地复垦过程中应采取 生物 、工程 、技术措施来进行 生态 补偿 。 关键词土地利用，复垦，地理信息系统，煤矿 区，景观格局 ，生态效应 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 8 ． i s s n ． 1 0 0 2 6 8 1 9 ． 2 0 1 2 ． 0 3 ． 0 4 3 中图分类号 T D 8 2 4 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 2 6 8 1 9 2 0 1 2 一 0 3 0 2 5 卜0 6 李保杰，顾和和，纪亚洲．矿 区土地复垦景观格局变化和生态效应[ J ] ．农业工程学报，2 0 1 2 ，2 8 3 2 5 1 --2 5 6 ． L i B a o j i e ， G u He h e ， J i Y a z h o u ． E v a l u a t i o n o f l a n d s c a p e p a a e m c h a n g e s a n d e c o l o g i c a l e ff e c t s i n l a n d r e c l a ma t i o n p r o j e c t o f mi n i n g a r e a [ J ] ． T r a n s a c t i o n s o f t h e C S AE ， 2 0 1 2 ， 2 8 3 2 5 1 --2 5 6 ． i n C h i n e s e w i t h E n g l i s h a b s t r a c t 0 引 言 随着煤炭资源的大规模开采，煤矿区土地资源和生 态环境 遭受 了全 方位 的破 坏 ，尤其 是 由于地下 开采造 成 了大 面积塌 陷地 ，导致 大量土地 破坏 ，耕地 减少等一系 列 的生态环境 问题 【 l 】 。从而使得矿区成为资源 、 环 境与人 口矛盾相对集 中显现 的区域之一 。如何科 学地开展矿 区 塌陷地综合整治及利用已经成为矿区可持续发展战略研 究 的重要 问题之 一【 2 0 J 。 对于矿 区复垦 的研 究早在 2 0世纪 2 O年代初德 国、 美国等国家就开始对露天开采褐煤区进行复垦；直到 2 0 世纪 6 0年代，许多西方发达国家加速复垦规划的制定和 复垦工程实践活动，从此进入了科学复垦时代【 4 】 。中国矿 区废弃地的复垦工作开始于 2 0世纪 5 0年代末，卞正富 等【 5 】 在分析采矿引起耕地破坏特征及原因的基础上， 提出 了预防及整治塌陷地的 4 类工程措施； 杜培军等[ 6 ] 从工矿 区陆面 演变与空 间信息技术应 用方 面进 行 了研 究 ；郭逍 宇等 J 对安太堡矿区复垦地植被恢复过程多样性变化进 行了研究； 张洪波 8 】 利用自组织映射神经网络的自动分 类 功能对矿 区土地 复垦条件进 行分类 ，为 因地制 宜地采 取复垦措施提供依据；王仰麟等[ 9 】 根据景观生态学原理， 在宏观 上设计 出合 理的景观格 局为矿 区复垦创造 出合适 收稿 日期2 0 1 1 - 0 4 0 5 修订日期2 0 1 1 - 1 2 3 0 基金项 目国土资源部公益基金项目资助 2 0 1 1 1 5 1 0 6 3 1 1 ，2 0 1 2 1 1 0 1 1 ，国 家 自然基金资助项 目 4 1 1 0 1 4 2 8 ，江苏高校优势学科建设工程资助项 目 作者简介李保杰 1 9 7 9 一 ，男，汉族，江苏丰县人，讲师，博士，主要 从事 G I S应用与景观生态方面的研究。徐州 中国矿业大学江苏省资源环 境信息工程重点实验室，2 2 1 1 1 6 。E ma i l l i b o j e 1 2 6 ． c o m 的生态条件； 毕如田等 。 】 利用 3 S技术对大型露天复垦矿 区的景观变化进行 了分析 ；侯湖平 “ ] 利用 R S ，GI S技 术对徐州 市城北矿 区景观生态修 复进行 了研 究。到 目前 为止 ，对矿 区复垦 的研 究虽然取得 了长足 的进 步 ，但对 于矿区土地复垦前、后的景观格局变化和生态效应，生 态系统稳定性如何研究的相对较少。因此文章以徐州市 九里矿 区土地复垦项 目为例 ，应用景观生态学方法和 3 S 技术，结合景观格局优化 目标建立相应的指标体系并结 合层次分析法对评价因子赋以权重，对矿区复垦的生态 效应进行评价，为矿区土地复垦和生态修复提供技术支 撑和理论依据。 1 研究区概况 徐 州市 九 里矿 区位 于 徐州 市 西 北部 ，区 内有 庞庄 矿、张小楼矿、夹河矿、王庄矿、柳新矿、拾屯矿等， 面积约 3 1 ． 0 5 k m2 。在 区域上位 于秦 岭～ 昆仑 纬向构造带 东延分支的交汇部，东临郯庐断裂带，西向华北沉 陷区。 煤矿主要分布在九里 山一敬安复式 向斜含煤盆地及其隆 起带，主采煤层为下二叠系下石盒子组 1 、2 、3层煤， 山西组 7 、9层煤和上石炭系太原组 2 0 、2 1层煤。气候 属于暖温带季风区，年平均气温 1 4 ． 2℃，年平均降水量 8 3 4 ． 7 ton i 。区 内 6个矿 井年产 原煤 3 8 0 t 左右，约 占整个 江苏省煤炭产量的 1 ／ 6 。由于煤炭资源的开采导致采煤塌 陷地约 2 0万 h m2 ，涉及夹河煤矿等 6个采用井工方式开 采所形成的塌陷地，约占徐州矿区塌陷地的 8 5 ％以上， 塌陷深度一般为 2 ． 8 ～7 m不等【 】 2 ] 。2 0 0 0年以来徐州市政 府开展大规模的塌陷地复垦工程，经过 l 0年来的矿区土 地复垦，塌陷地的治理取得了一定成效，塌陷地的治理 2 5 2 农业工程 学报 2 0 1 2芷 率为 3 9 ％，但 由于二 次塌 陷、治理标准低等 原因需要再 次治理 的面积仍 有 1 1 ％。在矿 区复垦过程 中给矿 区景观 格 局和 生态环境 带来 了一 定影 响，因此 ，文 章从景观 生 态学角度定量分析矿区复垦前后的景观格局变化和生态 效应 ，以期为土地 复垦 的进一步开展提供参考 。 2 资料来源与研究方法 2 ． 1 资料来源 文章 数据源主 要是 多时相遥 感影像 ，包括 1 9 9 8 和 2 0 0 8年遥感影像 L a n d s a t T M 轨道号为 1 2 1 ． 3 6 ，附以 2 0 0 0年 1 1万九里矿区地形图、土地利用现状图、2 0 0 7 年矿区 1 5 0 0 0航片和 2 0 0 8年矿区地籍调查数据 。首 先，利用矿区地形图在 E R D AS 9环境下对 2期遥感影像 进行精确配准，然后利用徐州市行政区划矢量图转化成 AO I对九里矿 区进行 裁剪 ， 目视解 译前 ，先采用监 督分 类 中的最 小距离分 类法对 遥感影像进 行预分类 ，结合地 面调查，确定影像训练区。为提高分类精度，采用光谱 信息与纹理信息相结合的方法，在对多种分类方法进行 比较后，以分类精度较高的最大似然法进行分类 ，两期 影像分类结果的Ka p p a系数在 0 ． 9 l 和 0 ． 9 2之间，精度满 足 分析 的要求 。参 照第二 次全 国土 地调查分类 方法 ，将 复垦区土地景观类型分为耕地／ 园地、林地、城镇／ 工矿用 地 、交通 用地 、水域和未 利用地 ，其 中水域 包括河流 ， 湖 泊和采煤塌 陷地等 。 2 ． 2 研究方法 景观 格局广义 上包括 景观组成 单元 景观斑块 的 类型、数 目以及空间分布与配置【 】 引 ，在复垦矿区生态系 统 中主要 以不 同的景观斑块 如 耕地 、城镇／ 工矿 用地 等组 成 ；而交通道路 、 田埂 、线状沟渠 、河流等 作为 生态廊道具有保护生物多样性和维系整个生态系统物质 和能量流通的作用。在矿区土地复垦过程中必然会引起 构 成矿 区生 态系统 景观斑块 、廊道和 生态 服务价值 的显 著变 化 ，因此文章用 景观指数 变化来描述 矿 区复垦 的生 态效应，用生态服务价值变化来定量表达复垦对矿区生 态 服务价值 的影 响。参考相 关文献 并结合徐州九 里矿 区 土地 复垦 的特 点 ，提 出了如表 1所示 的矿区土地复垦生 态效应评价指标体系。利用该评价指标体系，结合层次 分 析法确 定各评价 因子 的权 重 ，通过 各评价 因子间 的相 对重要性关系构建判断矩阵，计算各评价因子在指标体 系中的权重 表 1 。计算过程如下首先将土地复垦后 各评价因子实际值与复垦实施前该指标值的比率作为评 价因子的量化值，然后各评价因子的量化值与其相对应 的权重相 乘 ，并对 所选入矿 区复垦 评价 目标 中各评价 因 子的计算值进行求和，最后得出复垦区生态评价综合指 数 ，计算公式如下 S ∑W i R i 1 i l 式中， 为复垦区生态综评价合指数； 为指标 f 的量 化值；R 为指标 i 的权重值；m为生态环境评价所选的 指 标数 。 表 1 矿 区土 地复垦生态效应评价指标体系 T a b l e 1 Ev a l u a t i o n i n d i c a t i o n s o f e c o l o g i c a l e f f e c t r e l a t i v e t o l a n d r e c l a ma t i o n o f mi n i n g a r e a 评价 目标 权重 评价指标 评价因子 权重 提高景观类型、斑块类型和格 局多样性等 蔓延度指数 O ．0 3 提高景观多样性提高生物斑块 的平均面积、生 均匀度指数 0 ． 0 5 O ． 2 1 物斑块均匀度和生物多样性等 优势度指数 0 ．0 4 构建斑块一 廊道． 基质的矿区景香农多样性指数 0 ． 0 9 观结构复垦模式 提高景观斑块的连通性 分维数 O ．O 9 维持生态系统稳定 控制对生态系统干扰的程度 破碎度指数 O ．0 8 ∞ 3 蠢 翥 系 统 内 部 结 构 与 功鬟 能 的 协 调 ’“ 扩大生态斑块的面积 维护生物多样性引进外来生物 品种 0 2 6 建立生态廊道 ，增加廊 道的密度和连通性等 最大斑块面积 O ． 0 4 本地生物量 O ． 0 6 廊道长度 、宽度 O ． 0 7 廊 道 密 度 、 连 通 度 0 ． 0 9 提 高 婪 地 毒 O价9值 o．18 和 水 体 等 用 地 的 面 积 等 ■ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 具体操作过程为借助 A r c G I S 9 ． 3软件， 提取不同时 期的生态廊道和各种景观斑块并建立土地利用景观信息 数据库 ，利用 GI S空 间分析 中的叠置分 析得到复垦前后 的景观格局变化，将得到的矢量数据转换成 5 m5 m的 栅格数据， 在F r a g S t a t s 3 ． 3 中计算景观指数。 利用 C o s t a n z a 等[ 】 的生态服务 价值计算 公式并结合修 正后 的九 里矿区 生态服务价值系数计算矿区复垦前后的生态服务价值变 化。评价因子的具体计算过程如下 1 景观多样性指数是度量景观多样性的指标，其值 大 小 反 映景 观元 素 的 多少 和 各 景观 元 素所 占 的 比例 状 况。景观多样性分析中，可以采用 S h a n n o n ． W e a n e r 指数 来计算景观多样性。计算公式如下 H 一 I n 2 』_ ●■ i 1 式中， 为景观多样性指数 ；m为景观类型总数 ； 为景 观类 型 i 占总面积 的 比例 。 2 蔓延度指数 c o n t a g i o n i n d e x ， C O NT 描述景观 中不 同斑 块类型 的团聚程度或 延展趋 势 ，是 反映景观格 局的最重要指 数之一 。一般来 说 ，C O NT 较大 ，表 明景 观中优势斑块类型形成了良好的连接；反之，则表明景 观具有多种要素的散布格局，景观破碎化程度较高。计 算公式如下 C O NT[ 1 2 1 I 1 ] 1 0 0 3 式 中，C O NT为景观蔓延度指数 ；厶为斑块类 型 i 占景观 面积 的比例 ；g a 为斑块类型 i 与 k 相邻斑块 数 目；i 1 ， 2 ，⋯，m，为斑块类型数；k l ，2 ，⋯，m 为斑块类型 数 ；m 的含义 同上 。 3 景 观 连 通 度 指 数 1 a n d s c a p e c o n n e c t e d n e s s ， C 0 NN E C T 是指景观促进或 阻碍生物体或 某种生态过程 在源斑块间的运动程度，反映了景观的功能特征 。计算 一 腑 一 g ∑ 一 腑 * 一 g ∑ 己 ∑ 心 ∑ 第 3期 李保杰等 矿区土地复垦景观格局变化和 生态效应 2 5 3 公式 如 F ∑∑ ●■⋯一 CO NNE CT 兰 1 0 0 4 I 、 一 1 ／ 2 i 1 式 中，C O N N E C T 为景观连通度指数 ；c 抽为给定距离 内 斑块类型 i 中斑块 ， 与 S 之间的连通度 0表示不连 通 ，G 1表示连通 ；s l ，2 ，⋯ ，n ，为给定距离 内 的斑块数 ；n 为斑块类 型 i 的斑块 数，m、 、i 、 J的含义 同上 。 4 景 观 斑 块 分 维 数 1 a n d s c a p e f r a c t a l d i me n s i o n ， F R AC T用来测定斑块形状的复杂程度，对斑块内部的 生态 过程 ，如 动物迁 移、物质交流 等具有一 定 的影 响 。 对于单个斑块而言，其形状的复杂程度可用分维数来量 度 。计算公式如下 Pk A D 5 D2 l n P／ k ／ l n A 、 6 式中，P是斑块周长 ，m；A是斑块面积 ，m2 ；D 是分维 数；k是常数 。 5 生态服务价值 e c o l o g i c a l s e r v i c e v a l u e ，E S V 是指生态系统与生态过程所形成及所维持人类赖以生存 的 自然环境条件与效用 H ] ，中国学者谢 高地等【 借鉴 C o n s t a n z a等的研究成果 ，在对中 国 2 0 0位生态学者进行 问卷调 查的基础上 ，制定 出中 国不 同陆地生态 系统单位 面积 生 态 服 务价 值表 。用 于 中 国区域 生 态 资产 价值 评 估 。谢 高地等[ 】 确 定的生态服 务价值 系数是针对 全 国平 均状况 ，而生态系统服务价值系数随其所处区域的不同 而有所 差异 ，全 国尺度 的通 用系数应 用到 区域 尺度时 需 要进行修正【 】 。针对 C o s t a n z a和谢高地等对生态系统服 务价值 系数估 算的不足 并参考其可靠 部分 ，结 合复垦项 目区的特点作出修正，如考虑到九里区林地主要集中 在九里 山区 主要树种为侧柏，其次是行政村周围小 片林地 主要树种为杨树、刺槐等，根据谢高地等I 1 5 J 研究森林生态服务价值系数的平均值作为该区林地生态 服务价值系数；区内耕地主要以单季稻田和旱 田为主， 旱 田主 要 以玉米 ，大豆和 花生为主 ，利用旱 田和水 田种 植面积 比重和谢 高地等制 定的生态价 值系数表 进行加权 计算取 为 8 3 0 1 3元／ h m a 。 考虑到城镇／ 工矿用地在水分 供应和 污染物 处理方面对 生态 系统 的负面影 响 ，并根据 相关 学者进行 问卷调查 的基础上得 出其生态服 务价值 系 数为- 5 3 7 2 ． 1 ； ／ h m 2 a 1 等 。复垦矿 区的生态服务价值计 算采用 修正后 的矿 区生态服务价值系 数，套用 C o s t a n z a 的 E S V 计算 公式 来计算 。具体计算公式为 E S V ∑A x V C r 7 _ 式中，E S V是生态系统服务价值，元； 是研究区 k类 土地利用类型的面积，h m2 ；V C k 为生态系统服务功能的 价值系数，即单位面积生态系统服务价值，元／ h m2 ． a 。其 他景观指数 的含义及 计算方 法参考 相关文献[ 1 。 3 结果与讨论 徐 州市人 民政府 自 2 0 0 0 年前后开始对九里矿区进行 复垦，复垦前后的景观格局变化见图 1 、景观指标变化见 表 2 ， 比较分析土地复垦项 目实施前后景观指数的变化可 知耕地 的面 积变化最大 ，由原来 的 5 5 ．2 0 ％减少到 3 1 ． 5 7 ％，其次 是城镇／ 7 - 矿用地增加 了 1 2 ． 9 7 ％，水体增加 了 6 ． 8 9 ％，其次是交通用地，增加了4 ． 4 ％；水域和耕地 a ． 复照前 b 复星后 图 1 九里矿区土地复垦前后的景观格局 Fi g ． 1 L a n d s c a p e p a t t e m b e f o r e an d a f t e r l a n d r e c l a ma t i o n i n J i u l i mi ni n g a r e a 表 2 复垦矿区主要景观指标变化 Ta b l e 2 La n d s c a p e c l a s s me t r i c s c h an g e s b e f o r e an d a f t e r l a n d c o n s o l i d a t i o n 景观类型 面积百分比／ ％ 斑块个数 分维数 景观形状指数 复垦前 复垦后 复垦前 复垦后 复垦前 复垦后 复垦前 复垦后 耕地／ 园地 5 5 ．2 0 3 1 ． 5 7 7 0 7 4 5 9 1 ． 2 2 1 ． 1 0 3 8 ． 3 4 2 3 ． 5 6 林地 2 ．5 3 2 ． 8 8 9 2 7 1 1 ． 1 0 1 ． 1 0 1 9 ． 0 2 2 6 ． 1 1 城镇工矿用地 2 3 _ 3 1 3 6 ． 2 8 7 3 0 5 3 7 1 ． 2 3 1 ． 2 3 2 8 ． 0 4 3 5 ． 1 9 交通用地 5 ．4 8 9 ． 8 8 1 4 0 7 2 0 2 3 1 ． 1 2 1 ． 1 3 2 2 ． 1 7 4 8 ．4 9 水 域 1 0 ．5 4 1 7 ． 4 3 1 4 9 9 7 4 3 1 ．2 3 1 ． 0 7 4 3 ． 3 9 1 0 ． 3 6 未利用地 2 ．9 5 1 ． 9 6 1 3 4 1 4 0 1 ． 1 0 1 ． O 3 1 2 ． 1 4 1 2 ． 1 1 2 5 4 农业工程学报 2 0 1 2住 的形状 指数均有不 同程度 的减少 ，分别减 少 了 7 6 ． 1 2 ％和 3 8 ． 5 5 ％，说明矿区复垦使耕地和水体的形状变得更加简 单 、规 则。 3 ． 1 提高景观多样性 景 观 多样 性是指不 同类型 的景观在 空间结构 ，功能 机 制和 时间动态方面 的多样化 和变异性 ，景观要 素可分 为斑 块 、廊 道和基质 。斑块是 景观尺度 上最小 的均 质单 元 ，它 的大 小，数量 ，形态和起 源等对 景观多样性有 重 要 意义 。 由于煤炭 资源 的开采 导致 区域 景观多样 性指数 呈现 明显的下降趋势，表明大规模的资源开发活动导致 区域景观向单一化趋势转变，从而使得区域景观多样性 降低；从 2 0 0 0 年起，当地政府结合徐州市土地利用总体 规划，因地 制宜，将整个项 目区域划 分为 “ 四区两 园”， 即城 郊特色 农业 区、深 水景观 生态建设 区、挖深 垫浅粮 基鱼塘复垦区、粉煤灰复垦造林区等 4个土地利用功能 区，以及现代高效水产示范园和特种蔬菜种植园 2个精 品工程园区，使复垦区景观类型得到了提高 ，均匀度指数 由复垦前的 0 ． 5 8增至 0 ． 8 3 ，优势度指数 由原来 的 0 ． 3 1下 降至 0 ． 2 0 ，香农多向性指数由复垦前的 1 ． 2 7 上升为 1 ． 3 4 。 由这些景观指标可以看出，经过土地复垦，矿区景观朝多 样化发展。分析其原因，通过土地复垦 ，矿 山开采破坏 的 土地复垦成农用地 、采煤塌 陷地复垦 为水 田、鱼塘和旅游 观光用地等，使区域景观 多样性得到一定的提高，但是 由 于矿区土地复垦 ，使矿区水体面积增幅较大 ，牺牲 了其他 用地，则对景观多样性起到一定的抑制作用。 3 ． 2 维持生 态系统稳定性 生态 系统 具有保持 或恢复 自身结构和 功能相对稳 定 的能力，即生态系统稳定性。生态系统稳定性与系统内 斑块密度、连通度和分维数关系密切。复垦后矿区的景 观分维 数 由复垦前的 1 ． 1 7下 降到 1 ． 1 1 ，说 明土地复垦使 斑块的形状变得更加规则并趋于简单，生态系统趋于稳 定。边缘密度指景观中单位面积的边缘长度，反映景观 的破碎程度 。从 定量分析 可以看 出，边 缘密度 呈减少趋 势的景观类型有耕地／ 园地和水域，其中耕地／ 园地的减幅 最 大，其次是水域 ，分别减少 了 2 3 ． 9 2 ％* I 8 ． 7 6 ％；城镇／ 工矿 用地和 交通用地 的边缘密 度趋于增 大 ，分别 增加 了 3 4 ． 2 7和 l 5 ． 9 2 m／ h m 2 ， 由于煤炭资源的开采 占用 了大量耕 地，使得原本规整的耕地变得支离破碎并形成规模、形 状不一的塌陷地，使耕地和水域的破碎度和边缘密度增 加 ，但 是经过矿 区土地复垦 使得水体 、耕地斑 块 的面积 增 大，边缘密度减 少；城镇／ X i 矿用地和 交通用地 的边缘 密度增 加主要是 由于城市 化进 程 的加快 ，区内人 口数量 的增加 ，导致 城镇／ 工矿用地 的面 积增大 ，同时由于政府 加大交通基础设施的建设力度，区内交通用地的边缘密 度 大幅提 高使 区 内斑块 的连 通度提 高，交通用 地作为 生 态系统的重要廊道，增加了斑块 内部的物质和能量交 换 ，维 护 了生态 系统 的稳定性 。复垦矿 区斑块 平均密度 减少 了 1 6 ． 4 2 ％，说 明矿区复垦使景观 的破碎度 下降，主 要由于采矿造成周边乡村居民地沉陷、塌方等 ，迫使村 民搬迁 到合理规 划的村落 和政府集 中安置 区；此外 ，对 于高潜水位采煤塌陷区建成人工湿地 ，大大地降低了塌 陷地等的数量等 。 表 3 复垦前后景观类型各项指数变化 T a b l e 3 La n d s c a p e c l a s s i n d e x c h an g e b e f o r e an d a Re r r e c l a ma t i o n 最大斑块 聚集度 斑块密度 边缘密度／ 斑块连 景观 面积／ h m 指数 ／ 个-k m“ 。 m．h m。 通度／ ％ 类型 复垦复垦复垦 复垦复垦复垦复垦复垦复垦复垦 前 后 前 后 前 后 前 后 前 后 耕地／ 园地 1 6 ． 5 4 3 1 ． 5 7 9 6 ． 8 6 9 4 ． 4 3 7 ．3 6 4 ．7 8 6 7 ． 5 1 5 1 ． 3 6 9 6 ． 8 O 9 8 -3 1 林地 1 ． 2 0 2 ． 8 8 9 2 ． 6 4 9 6 ． 6 4 0 ． 9 6 0 ．7 4 4 ． 1 6 5 ． 1 7 9 7 ． 5 6 9 8 ． 9 9 城 矿1 ． 1 6 3 6 _ 2 8 9 7 ．2 9 9 6 ． 5 8 7 -6 0 5 _ 5 9 3 7 _ 8 9 7 2 ． 1 6 9 8 ． 1 5 9 8 ． 8 5 1 叶 j 础 交通用地4 ．4 2 9 ． 8 8 9 5 ． 6 8 8 4 ． 3 8 1 4 ． 6 6 2 1 ． 0 7 1 7 ．5 1 3 3 ．4 3 9 8 ． 7 3 9 9 ． 6 7 水域0 ． 3 1 l 7 ．4 3 9 4 ． 9 l 9 0 ． 1 4 2 0 ． 4 7 7．7 4 4 2．5 6 3 8 ． 8 3 9 7 ． 0 8 9 8 ． 2 8 未利用地O ． 5 9 1 ． 9 6 9 5 ． 0 8 9 5 ． 1 0 1 ． 4 O 1 ．4 6 8 ． 1 9 7 ． 5 1 9 7 ． 5 6 9 7 ． 5 8 3 ． 3 维 护生物多样性 生物 多 样 性是 指 一 定 范 围 内多 种活 的有机 体 动 物、植物、微生物有规律地结合所构成稳定的生态综 合体。这种多样性包括动物、植物、物种多样性、物种 的遗传与变 异的多样 性及生态 系统多样性 。土地 复垦是 人类 对土地 生态系统 的强烈干预 ，不适 当的土地 复垦将 会导致不 良的生态后果，诸如导致生态系统中物种数量 减少、抗外界干扰能力下降、动植物物种灭绝。栖息地 破碎化是生物多样性降低的主要诱因 】 ，斑块面积 、廊 道 长度 、宽度、廊道 密度 、连通度 等景观 指标在 维护和 提高生态系统多样性中起到重要作用。 根据 景观 生态 学原理 ，生物 多样性与 景观斑块 的面 积呈正相关关系。斑块面积越大，物种多样性越高。由 表 4可以看出复垦前后斑块平均面积增加了 9 7 ． 4 7 ％。 在 6种景观类型 中，水域 的平 均斑块 面积增幅最大 ，增 加 了 2 7 6 ． 5 8 ％， 主要是 由于采煤 塌陷区有深水区和零星坑 塘 ，复垦 时根据塌 陷地深度 、水系特 点 以及不 同植物群 落 的适应性 ，把采煤 塌陷地 复垦 为不 同的植物景观 区 ， 如湿地周边林木带，浅水养殖区，挺水植物区和沉水 植物 区等 【 】 ，极大地丰 富了该 区的物种数量 ；通过复垦 使得原本由于煤炭开采导致破碎的土地复垦为旱田、水田 纵横交错 的格局，并对原有的农 田基础设施 沟渠、 田埂 和道路 进 行完善 ，使得农 用地连通 性得到 了极大地提 高，为大 多数物种最低 限度 的栖息地面积提供 了保障。 表 4 复垦前后景观整体格局 变化 Ta b l e 4 L a n d s c a p e p a e m c h an g e s b e f o r e an d a f t e r r e c l a m a t i o n 廊道 的生态功 能取决于 其 内部 结构 、长度 、宽度 和 目标种的生物学特性等因素。廊道有着双重性质，一方 面 将 景观 不 同部 分 隔 开 ，对 被 隔开 的 景观 是 一个 障碍 物 ；另一方面 又将景观 中不 同部分 连接起来 ，是一 个通 道 ，最显著 的作用是运输 ，它还可 以起到保 护生态 系统 的作用。在复垦区修建了大量的道路、沟渠、农 田防护 第 3期 李保杰等矿区土地复垦景观格局变化和生态效应 2 5 5 林 带和 堤 坝等 ，每平 方 千 米 内 的廊 道长 度 由复 垦 前 的 2 0 6 5 1 1 “1 增加到复垦后的 4 3 1 8 1 T I ，廊道平均宽度由原来 的 2 ～3 1T I 增至 3 ～4 1 T I ， 连通度提高了 1 ． 0 7 ％。 廊道宽度、 长度、密度和连通度均有显著的提高，增加了生态系统 的整体连通性，对维持生物多样性起到积极作用。 3 ． 4 提高生态服务价值 矿区土地复垦的生态效应可以用生态服务价值变化 来衡量 。生态系统服务价值是指通过生态系统的结构、 过 程和功 能直接或 问接得到 的生命支持产 品和服务 。依 据 C o s t a n z a的生态服务价值计算公式，结合修正后的九 里矿区生态系统服务价值系数，计算出复垦前后生态服 务价值 的变化 表 5 。 表 5 复垦前后矿区生态 E S V及价值构成变化 Ta b l e 5 Ch a n g e s o f ES V a n d v a l u e s t r u c t u r e b e f o r e a n d a f t e r r e c l a ma t i o n 由表 5可以看 出，矿区复垦项 目实施后 ，区域生态 系 统服务价值增加 了 6 ． 8 2 ％， 其 中单项生态服务价值呈现 增 加趋势 的景观类 型有水域 、交通用地 和林地 ，水 域 的 单 项生态服务价值增幅最大 ，增加 了 4 9 ． 9 5 ％，其主要原 因是矿区土地复垦过程 中，采煤塌陷地复垦为大面积的 水 体 、湿地 和水 田等 ，导致水 体面积增加 ；其次是 水体 的单项生态服 务价值 比其他各景观 类型 的单项生态服 务 价值大得多；城镇／ 7 - 矿用地和耕地／ 园地的生态服务价值 均 呈减 少的趋势，分别减少 了 9 7 3 ． 1 6 ，6 5 1 ． 5 1万元 ，主 要是由于近 1 0年徐州城市化进程加快，复垦得到的耕地 数量小于城镇／ 工矿扩展的用地数量，使耕地的生态服务 价值减少。1 7类单项生态系统服务功能中水分调节、 水供应、废物处理、娱乐、大气调节、扰动调节、土壤 的形成 与保护 、食物生产等 8类功 能呈上 升趋势，其主 要原因是在煤炭开采和煤矿区土地复垦过程中，水体面 积大量增加所致 。 3 ． 5 复垦矿 区综 合生态效应评价 利用生态评价综合指数计算公式，对表 1中各评价 因子进行量化，以复垦前各评价因子的值为基准 取其 量化值为 1 ，然后结合表 1中各评价因子的权重，对复 垦后 各评价 因子的量化值 进行计算 并累加 ，复垦后矿 区 生态综合指数为 1 ． 2 7 6 大于复垦前的综合指数 1 。结 果表明，矿区复垦项 目的实施对区域生态环境起到一定 的改善 作用 ，但评 价指标 体系 中部 分评价 因子呈现 出正 效应和负效应， 1 4 个评价因子中有 1 1 个因子呈现正效应， 3 个因子呈现负效应。其中呈现出正效应的因子有 蔓延 度指数、均匀度指数、斑块连通度、最大斑块面积、廊 道长度、宽度和密度等因子，量化值分别增加了0 ． 0 1 ， 0 ． 4 3 ，0 ． 0 2 ，3 ． 1 2 ，0 ． 9 7 ，0 ． 1 I和 0 ． 2 2 ；呈现 出负效应 的 因子有优势度指数、分维数、斑块密度等，量化值分 别减少 了 0 ． 3 5 ，0 ． 0 5 ，0 ． 2 1 等 。 4 结论 结合 景观格局优 化 目标建 立 了复垦矿 区生态评价 指 标体系 ，并利用层次分析法对评价指标中各因子赋以权 重，对徐州市九里矿区土地复垦的景观格局变化和生态 效应进 行 了评价 。结果表 明，复垦后项 目区的生态评 价 综合指数为 1 ． 2 7 6 大于复垦前 的综合指数 1 ，从总体 上看，说明复垦项目的实施对区域生态环境起到了一定 的改善作用，但对于各评价因子而言1 4个评价因子中， 1 1个 评价因子呈现 出正效应，如平均 斑块面 积增加 了 9 7 ．4 7 ％，生态 服务价值增加 了 6 ． 8 1 ％，廊道密度增 加了 2 1 ． 8 5 ％等；3 个评价因子呈现出负效应，如 优势度指数 下 降了 3 5 ． 4 8 ％，斑块密度下降 了 2 1 ． 1 1 ％等 ，从而削弱 了 土地整理的生态效应。总体而言，通过矿区的土地复垦， 使采矿塌陷区的景观格局和生态环境发生了改变，成为 一 个 新 的相对 稳定 的区域 生态 系统 ，区域的生态功 能得 到了一定的提升。生态评价是对矿区土地复垦生态效应 的定量评价，评价结果为矿区的土地复垦提供理论依据， 同时也为其他 同类 矿区土地 复垦 的生态 评价提供个案 ， 相关部门应制定和完善矿区土地复垦相关技术规程 ，从 而实现矿区土地复垦的可持续发展。 [ 参考文献] [ 1 ] 师 学义 ，杨 玉敏 ，孟 繁华．五阳矿 区采煤 塌陷地混推和剥 离复垦比较研究[ J ] ．煤炭学报，2 0 0 3 ，2 8 4 3 8 5 --3 8 8 ． S h i Xu e y i ， Ya n g Yu mi n ， Me n g F a n h u a ． Re c l a i me d c o mp a r i s o n o f mi x e d p u s h i n g wi t h t o p s o i l s t r i p p i n g o f mi n i n g s u b s i d e d l and a t Wu y a n g mi n i n g a r e a [ J ] ． J o u rna l o f C h i n a C o a l S o c 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