基于MODIS数据的潞安矿区土地覆被变化分析

许传阳，李华超

（1.河南理工大学矿山空间信息技术国家测绘局重点实验室，河南 焦作 454000；

2.河南理工大学测绘与国土信息工程学院，河南 焦作 454000）

自上世纪90年代起，环境变化已经成为最引人注目和关切的环境科学问题之一[1]。陆地生态系统中的气候、土壤、植被、水等自然因子或资源之间的相互作用，影响着人类生产甚至生活的可持续发展[2]。土地覆被变化是陆地生态系统最直接、最重要的载体之一[3]，科学工作者对陆地覆被变化及驱动机制进行了广泛研究[4]，但对矿区生态系统演变的研究并不多见[5]。

煤炭生产是煤矿区复合生态系统区别于一般生态系统的主要因子之一，其过程可能会扰动原自然生态系统，也可能会排放各种有害污染物而造成环境系统受损，二者是矿区生态系统的主要外在胁迫因素[6－7]。该研究从矿区陆地植被类型变化特征入手，探索煤炭开采活动对矿区生态系统的扰动方式及影响程度。

1 研究区概况

潞安矿区位于山西省东南部、太行山中段西侧，地理坐标为 112°32′53"～113°16′35"E、35°50′9"～36°33′49"N，南北平均长约 65 km，东西平均宽约60 km，总面积4 015 km2。潞安矿区主要有山地、丘陵、平原和河谷等4种不同地貌，东南部和西南部地形多为低山、丘陵，中东部为河谷和平原。矿区的主体部分位于上党盆地之内，盆地底面平坦，海拔900～930m，河漫滩、河流阶地、山前倾斜平原、洪积平原面积广阔，相对高差小，多在50 m以下；中东部浊漳河河谷最低（海拔847m）；最高处为西南部发鸠山（海拔1 645m）；海拔在1 100m以上、相对高差大于200 m的山地面积仅占潞安矿区总面积的5%以下；海拔在950～1 100m、相对高度在100～200m的丘陵区面积约占总面积的15%。潞安矿区地处内陆，属于暖温带半湿润区，多年平均活动积温为2 815.0～3 764.3℃，多年平均降水量为547.78～660.61mm。

2 数据来源

遥感数据是一种非常重要的地学信息源，广泛应用于植被生态、气候变迁及资源环境监测等研究中[8－9]。该研究数据来源于 MODIS（themoderate resolution imaging spectroradiometer，中分辨率成像光谱仪），其产品已在植被生长状况、生物量的估算、环境监测和全球变化等研究中得到验证和应用。刘惠英等[10]研究了基于MODIS12数据的湖面遥感监测，夏文韬等[11]对甘南地区的MODIS土地覆被产品精度进行了详尽探讨。MODIS-MCD12Q1包含5种分类方法合成数据，即IGBP、UMD、LAI/FPAR、NPP和PFT。该研究选用LAI/FPAR合成数据，其土地覆被类型共分为8种：阔叶林、针叶林、农用地、灌丛、稀树草地、水域、城镇用地和无植被区。研究数据由美国对地观测系统（EOS）的LPDAAC（Land Processes Distributed Archive Center）网站免费提供，矢量图像空间分辨率为500 m，时间序列为2001～2008年。

3 土地覆被时空格局分析

植被类型的形成、分布乃至演替均以植物与太阳辐射、土壤与大气之间的能量转化和物质交换为基础，这种转换的基本条件是热量和水分，水热分布的时空变化以及垂直地带性的变化，引起植被分布的区域格局[12]。陆地表层生态系统植被类型及其变化也有类似的分布规律，它是地形地貌、土壤性状、气候因子、植物种类及人类活动等多因子综合作用的结果，该研究主要探寻土地覆被转换的时间异质性和空间异质性。

3.1 时间异质性

2001～2008年研究区土地覆被变化过程见图1，利用ArcGIS9.3统计与分析模块列出8种土地覆被类型面积（见表1）。由表1可知，主要土地覆被类型中灌丛和稀树草地的面积变化显著，2001～2003年与2004～2008年形成鲜明对比：灌丛面积前3 a平均为296.7 km2，后5 a平均面积为69.4 km2，呈大幅减少的趋势，主要转变为了稀树草地；稀树草地8 a间总体上呈现递增趋势，由2001～2003年的平均139.6 km2增加到2004～2008年的平均358.1 km2，其中2006年、2007年的面积分别大于500 km2、400 km2，但近3 a有减少的趋势，绝大部分都转化为了农用地。

表1 2001～2008年潞安矿区8种土地覆被类型面积（km2）

另一方面，地表水体向无植被区域的转化较明显：水域和无植被区域前3 a的面积均值分别为38.3 km2和18.7 km2，2004～2008年面积均值分别为26.5 km2和38.6 km2，二者的转化主要与全球变暖背景下的降水减少和气温升高导致蒸发量增大有关[13]。其他土地覆被类型如阔叶林、针叶林和城镇用地面积均变动不大。

研究区土地覆被时间异质性的产生是由于研究期间煤炭价格上涨和原煤开采量递增所致（见表2）。2000～2002年，受计划经济控制，潞安矿业集团煤炭价格数值较低，时有小幅波动。从2003年开始，国家放开煤炭价格体系，实行市场定价，2003～2007年的原煤价格直线飙升，相对于其上一年的价格增幅分别达到：20.63%、43.42%、47.71%、3.73%和23.35%；由此导致原煤产量的增幅分别达到：20.40%、16.94%、22.05%、26.30%和17.66%。因此，潞安矿区2004年以后煤炭开采活动加剧，这使得灌丛大面积转化为稀树草地。

表2 2000～2007年潞安矿业集团原煤价格和年产量

3.2 空间异质性

该研究还分析了2001～2008年主要土地覆被类型及变化的空间分布状态，结果表明：第一，以2001～2008年的平均数值度量，农用地主要分布于研究区中部，面积年平均值为3 305.3 km2，约占总面积的82.3%；稀树草地主要分布于西南部和东南局部地区，面积年平均数值为276.1 km2，约占总面积的6.9%；城镇用地主要分布于潞安集团和长治市之间，灌丛主要分布于研究区西南部、东北部和东南部，二者面积年均值分别为156.05 km2、154.65 km2，均约占总面积的3.9%；针叶林仅分布于研究区西南山地，面积年均值为60.11 km2，约占总面积的1.5%；而无植被区、地表水体和阔叶林所占面积均小于1%。第二，在2001～2008年主要土地覆被类型的转化中，有两类转换显而易见：①稀树草地面积增大与灌丛面积减少相辅相成，伴随着煤炭开采活动的加剧，灌丛逐步转换为稀树草地，进而部分稀树草地被开垦为农用地，这是近3 a农用地增多的原因，其转化过程主要发生于研究区西南和东南山地。②地表水域和无植被区域的转换，主要原因是以降水量减少、气温升高等为主要特征的气候变化造成了漳泽水库、许村“七一”水库、屯绛“八一”水库等水面收缩，引起无植被区域面积增多。其他土地覆被类型转化相对较少。

4 主要结论

该研究以潞安矿区土地覆被类型为研究对象，以其时空变化格局为研究内容，主要结论如下。

4.1 时间异质性

覆被类型变化较显著的阶段为：2004～2008年的稀树草地、灌丛年均面积各约占总面积的8.9%和1.7%，而2001～2003年各约占3.5%和7.4%，灌丛转化为稀树草地显而易见；地表水域面积呈现缩减趋势，而无植被区域面积有所增多，相比2001～2003年，2004～2008年的地表水域和无植被面积分别减少30.81%和增多106.42%。

4.2 空间异质性

在主要土地覆被类型转换中，以灌丛向稀树草地、稀树草地向农用地转变为主，分别约为150～200 km2和100～150 km2，主要分布于研究区西南和东南山地；地表水域和无植被区域之间的转换面积也较大，约为10 km2，主要是由研究区中北部漳泽、许村“七一”、屯绛“八一”等大型水库的水面收缩引起的。

4.3 植被类型转换原因

一是煤炭开采、农用地开垦等各种人类活动；二是以气候变暖、降水量减少为特征的气候变化等自然因子影响。

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