基于四象限模型煤粮复合区景观生态质量时空变化及影响因素

马守臣，谢放放，丁 翠,2，张合兵

基于四象限模型煤粮复合区景观生态质量时空变化及影响因素

马守臣1，谢放放1，丁 翠1,2，张合兵1

（1. 河南理工大学测绘与国土信息工程学院，焦作 454000；2. 河南省地质物探测绘技术有限公司，郑州 450000）

在煤粮复合区，煤炭开采通过影响区域的景观格局，不断地冲击着原有农业景观生态系统的功能和过程，对该区域的景观生态质量及其影响因素进行分析对于矿区生态治理具有重要的理论意义和实践价值。该研究以河南省辉县市赵固煤矿为例，以行政村为评价单元，采用四象限模型对研究区景观生态质量进行了综合评价。结果表明：1）受煤炭开采活动和土地生态整治的影响，2008—2016年，研究区耕地面积总体上呈现先减少后增加的变化趋势，耕地主要向建设用地和水域转移。建设用地呈现先增加后减少的变化趋势，建设用地主要向水域和耕地转移。2）研究区的景观稳定性指数呈现先减少后增加的变化趋势，而景观干扰性指数呈现先增加后减少的变化特征。3）研究区景观生态质量在时间尺度上呈现“良好—较差—较好”的变化特征。2008年，矿井建设及开采初期研究区景观生态质量整体上较好。随着开采活动增强，到2011年研究区景观干扰程度增加和稳定程度降低，造成区域景观生态质量下降。2014年后大规模土地复垦使研究区土地利用率增加，大面积沉陷水域改善了区域景观结构，景观系统稳定性增加。4）在空间尺度上，受开采活动和土地生态整治的影响，矿区采点附近村庄景观生态质量呈现先变差后好转的变化趋势，远离矿区开采点的村庄有略微变差的趋势。总体上，与2011年相比，2016年质量为优的村庄数量和面积增加，质量为差的村庄数量和面积减少，但与2008年相比，2016年质量为优的村庄数量和面积仍是减少，质量为差的区域的村庄数量和面积仍是增加，表明研究区景观生态质量虽有所改善，但仍未恢复到受扰动前的景观生态质量水平。

土地利用；景观；生态；煤粮复合区；四象限模型；景观稳定性；景观干扰

0 引 言

中国煤炭生产大省中有12个是粮食主产区，煤炭与粮食复合生产区（简称“煤粮复合区”）是国家安全战略体系中的重要区域，它关系国家的粮食安全、能源安全和生态安全[1]。矿区建设和开采活动不但会改变原有的土地利用方式，也将对区域景观格局将产生重要影响[2-3]。在煤粮复合区，煤炭开采活动不断的冲击着原有农业景观生态系统，改变着生态系统的功能和过程，从而造成植被覆盖度降低、生物多样性下降、土地质量退化、环境恶化等严重的生态问题[4-5]。此外，开采沉陷不但改变了区域地形、地貌，而且对矿区耕地和居民点造成严重破坏[6]。耕地遭到破坏无疑会影响到耕地的生产功能，从而造成大量耕地弃耕荒芜，而居民点的破坏则造成大量村庄废弃地，从而对区域农业景观造成严重干扰，使矿区原有农业景观生态系统组分及其结构遭到严重破坏，造成景观破碎化程度加大，景观稳定性降低、景观生态质量严重下降[7-8]。这些环境问题的存在，使矿区成为资源、环境与人口矛盾相对集中显现的区域。因此，对煤粮复合区的景观生态质量及其影响因素进行分析对于矿区生态治理具有重要的理论意义和实践价值。

景观生态质量是指景观尺度生态系统维持自身结构与功能稳定性和抵御外界干扰的能力，景观生态系统的稳定性主要取决于景观生态系统受干扰程度和稳定程度[9]。当前国内外学者对景观生态质量的研究主要集中于在评价指标体系[10]、空间格局和时空变化[11-12]等方面，且多是进行景观生态质量的定性描述。近年来不同学者从静态或动态角度对不同区域景观生态质量进行了研究。在静态方面，周利军等[13]运用ArcGIS的空间分析工具，从植被覆盖度、生物丰富度、外界干扰指数、土壤侵蚀度和景观破碎度等方面研究了绥化市生态环境质量状况。唐乐乐[14]从景观生态功能、生态结构、生态效应之间的协调性出发，对开封市景观生态质量进行了评价。张晖等[15]选取干旱指数、植被类型、降水侵蚀力值、地形等评价指标，对水土流失严重的黑河流域的景观生态进行了评价。孟伟[16]选取边缘密度、斑块密度、草地超载率、受保护区域面积比例等指标，对黄河源区的景观生态质量进行了评价。在动态研究方面，安静等[17]利用遥感、地理信息技术从景观稳定和干扰程度方面建立评价模型，评价了南京仙林新市区城市化进程中的景观生态质量的时空变化。许洛源等[18]基于土地利用角度从景观受干扰度、景观稳定性和产出功能三方面构建评价指标体系对福建海坛岛景观生态进行了评定。此外，一些学者也将景观生态质量评价方法应用于土地整理项目区的生态效应研究中，如Bonfanti等[19]选用斑块密度、平均斑块面积大小、景观多样性指数以及各土地利用类型的百分比等指标研究了意大利北部的土地整理区景观生态质量变化；Sklenicka等[20]选取了斑块面积、边缘密度、异质性和连通性等景观指数，对捷克土地整理区的景观生态质量进行了评价。安晨[21]运用网络分析、空间分析、景观格局分析等方法，研究贵州道真县土地整理区整理前后景观生态效应的变化情况。可见，针对不同的评价区域，不同研究者采用了不同的指标与方法对区域的景观生态质量进行评价，从而为区域的生态治理提供了重要指导作用。

在煤粮复合区，农业景观和矿区景观并存且相互影响，煤炭开采沉陷会使区域景观斑块发生显著变化，从而影响区域的景观生态效应。然而，当前针对煤粮复合区景观生态质量时空变化及其影响因素方面的研究较少。近年来，一些学者从矿区尺度对景观格局变化、景观生态评价[22-23]以及土地复垦前后土地利用景观格局变化[11]和复垦景观的生态质量[8]进行了研究，且取得了较好的研究成果，但这些研究大都以空间宏观尺度定性分析为主导，而忽视影响因素的时空变化分析，从而造成评价结果科学性不高。在煤粮复合区，村庄密集开采活动造成的村庄塌陷和搬迁导致村域之间景观要素呈现不同状态，进而在村域间呈现出景观生态质量时空差异。区域景观生态质量的主要衡量标准为景观生态系统稳定性，它取决于生态系统本身的稳定程度与外部干扰程度[10]。因此，本研究以河南省焦煤集团赵固煤矿的煤粮复合区为研究区，从景观稳定程度、干扰程度两个方面构建研究区景观生态质量评价指标体系，基于四象限模型以行政村为评价单元对研究区景观生态质量进行评价，不仅可为区域土地生态整治和生态景观规划提供切实可行的理论依据，而且对区域未来农业可持续发展也具有重要的指导意义。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

河南省焦作煤业集团赵固煤矿位于新乡市辉县市南部（35°23′～35°28′ N，113°33′～113°57′ E），图1为研究区示意图。矿区影响范围涉及赵固乡、占城镇、北云门镇、冀屯镇、峪河镇、大块镇和孟庄镇7个乡镇，1个街道办事处，共95个村庄，面积18 547.85 hm2。研究区属暖温带大陆性季风气候，年平均气温14 ℃，年平均降水量603～713 mm，年均蒸发量2 039 mm。该区域的主要土壤类型为褐土，土壤以壤土为主。2018年开始建矿，赵固一矿平均煤层厚度5.29 m，赵固二矿平均煤层厚度6.16 m。矿区潜水位较高，地表沉陷后，会迅速出现积水区。近年来，大规模的煤炭开采严重破坏了当地的耕地资源，大量耕地出现了地表沉降。已造成塌陷区面积约2 000 hm2，其中稳定塌陷区约1 200 hm2，动态塌陷区约800 hm2。为了改善矿区生态状况，当地政府自2013年来对部分沉陷区和村庄废弃地进行了土地充填复垦，并对沉陷水域进行了生态整治，其中赵固一矿采煤沉陷区，一期、二期生态治理工程已达200 hm2以上，赵固二矿采煤沉陷区，生态治理工程已达350 hm2以上。复垦后土地主要用于农业生产，整治后水域主要用于水产养殖和休闲观光。

1.2 数据来源

文章数据主要来源于多时相遥感影像，根据赵固煤矿开采时间及生产周期，选择2008年、2011年、2014年和2016年的4期遥感影像数据作为数据源（数据源类型及获取时间见表1），利用ENVI5.1对影像进行辐射定标、大气校正和几何校正等预处理，采用监督分类将研究区景观类型分为耕地、建设用地、林地、水域及未利用地等5种类型，对监督分类结果进行分类后处理，结合Google Earth历史影像及辉县市2013年土地利用变更调查数据对分类结果进行校核。遥感影像分类后，对分类精度进行评价，确定分类结果的准确性和可靠性，以检验分类结果是否能够满足研究需要。本次精度评价采用整体分类精度和Kappa系数对分类结果进行整体衡量。结果显示4 期遥感影像分类结果的整体分类精度、Kappa 系数均在 0.85以上，分类结果能够满足研究需要。景观生态质量评价所需的基础地理数据包括村级、乡级、县级行政边界数据、矿区范围界限等数据。

表1 遥感影像数据来源

图1 研究区示意图

2 矿区景观生态质量评价方法

2.1 评价单元及其指标体系

科学选择评价单元和评价指标体系对评价结果至关重要。本研究综合考虑数据获取的难易程度及区域受影响特征，选取以行政村为评价单元。景观生态质量取决景观生态系统的稳定性，而稳定性的高低又取决于系统自身的稳定程度及受外界干扰程度[18]。因此，本研究根据煤粮复合区自然概况和特殊的区域干扰特征，从景观稳定程度、干扰程度两个方面构建评价指标体系，并采用层次分析法和熵权法相结合的主客观赋权法计算各指标相应的权重（表2）。

表2 景观生态质量评价指标体系及其权重

2.2 矿区景观生态质量评价模型

2.2.1 指标标准化及指数计算

各评价指标的单位往往不一致，为了消除评价指标数据的单位限制，使指标之间具有可比性，常需要对获取指标的原始数据进行标准化处理，使其转化为无量纲的纯数值。本文选取Min-max标准化方法处理原始数据。Min-max标准化方法的计算公式如下

式中Y为标准化后的标准值，X为原指标值，max为最大值，min为最小值。

景观稳定性指数LSI和景观干扰性指数LDI计算公式分别为

式中：Q、R分别为标准化后的各稳定程度、干扰程度指标值；W、W分为稳定程度、干扰程度各指标权重；为评价指标的个数，LSI、LDI值在0～1之间。

2.2.2 四象限模型

四象限模型是将定性与定量分析结合起来研究房地产市场变化的一种工具。随着学科的融合和发展，该模型也逐渐应用于其他领域[24]。本研究将四象限模型应用到景观生态质量评价中，旨在以动静相结合的方式全面分析景观生态质量的变化特征。该模型以景观稳定程度为横轴，景观干扰程度为纵轴，划分出4个象限，构建出四象限模型，以指标值所在象限的位置反映不同评价单元内景观生态质量的差异程度（如表3），并基于ArcGIS中的自然断点法，对95个评价单元中的景观稳定程度和景观干扰程度的各指数进行区间划分，得到景观指数的四象限分区表（表4）。

表3 景观生态质量的四象限评价

表4 景观指数的四象限分区表

3 结果与分析

3.1 土地利用类型变化分析

煤炭开采造成区域各土地利用类型之间相互转换。利用ArcGIS10.1对研究区4个时期的土地利用图层进行叠加，得到土地利用类型转移矩阵表（表5）。由表5可知，2008—2011年，有297.38 hm2耕地转换为其他地类，其中244.27 hm2耕地转化为建设用地；有27.40 hm2其他地类转化为耕地，耕地总体呈现下降趋势。建设用地主要向水域和耕地转移，建设用地减少69.70 hm2，其中有28.98 hm2建设用地转换为水域；建设用地增加255.99 hm2，95%来源于耕地。水域变化趋势也较明显，共有69.26hm2其他地类转换为水域，其中耕地39.96 hm2、建设用地28.98 hm2。2011—2014年，有148.84 hm2耕地转化为其他地类，其中有97.53 hm2耕地转化为建设用地。有109.98 hm2其他地类转化为耕地，耕地面积小幅度降低。有141.69 hm2建设用地转换为其他地类，其中97.99 hm2建设用地转换为耕地。有109.52 hm2其他地类转换为建设用地，主要是耕地转换为建设用地，建设用地总体上呈现递减的趋势。2011—2014年，水域面积继续扩大，大部分水域仍是由耕地和建设用地转化而来。2014—2016年，只有28.32 hm2耕地转化为其他地类，89.26 hm2其他地类转化为耕地，耕地面积增加；有84.57 hm2建设用地转换为其他地类，只有11.39 hm2其他地类转换为建设用地，建设用地总面积减少。有37.51 hm2其他地类转换为水域，其中有16.54 hm2耕地转换为水域，有16.22 hm2建设用地转换为水域；有43.84 hm2水域转换为其他地类，其中大部分水域转换为耕地，水域面积减少。总体来看，2008—2016年，耕地面积总体上呈现先减少后增加的变化趋势，耕地主要向建设用地和水域转移。建设用地呈现先增加后减少的变化趋势，建设用地主要向水域和耕地转移。研究区林地总体变化幅度不大，未利用地面积逐年增多，到2016年未利用地增加到61.28 hm2。

3.2 景观稳定性指数和景观干扰性指数变化特征

景观干扰度是生态系统受外界干扰的程度，对研究区景观干扰性进行研究，可反映开采活动对景观生态效应的影响程度，也可以指出采矿活动对景观生态质量的潜在威胁。受煤炭开采和土地整治活动的影响，研究区2008—2016景观干扰性指数呈现先增加后减少的变化特征（图2）。在影响景观干扰度指标体系中建设用地干扰度指数、单一化土地利用优势度指数、景观破碎度指数与景观干扰性指数呈现相同的变化趋势，均表现出先增加后降低的变化趋势；景观稳定程度是生态系统对外界干扰所表现出来的一种自身的反应能力，对景观稳定性进行研究，能更直观的体现出系统自身能力对生态效应的影响程度。通过分析研究区的景观稳定性指数表明，研究区2008—2016年景观稳定性指数呈现先减少后增加的变化趋势（图3），与干扰度指数呈现相反的变化趋势。在影响景观稳定性指标体系中水域面积指数在评价周期内呈增加趋势，而景观多样性指数、土地利用结构指数、植被覆盖度指数与景观稳定性指数的变化趋势一致。2011—2014年，受开采活动的影响研究区景观多样性指数、土地利用结构指数、植被覆盖度指数均呈降低趋势。2014年后，受矿区生态整治的影响，研究区景观多样性指数、土地利用结构指数、植被覆盖度指数则又呈增加趋势。各稳定性指数的增加有利于增强生态系统的稳定性。因此，景观干扰性和稳定性指数变化特征表明，研究区景观生态效应整体上呈现出先变差后好转的变化趋势。

表5 2008—2016年土地利用转移矩阵

注：LDI景观干扰性指数；R1建设用地干扰度指数；R2单一化土地利用优势度指数；R3景观破碎度指数。

注：LSI景观稳定性指数；Q1景观多样性指数；Q2土地利用结构指数；Q3植被覆盖度指数；Q4水域面积指数。

3.3 基于四象限模型的矿区景观生态质量评价

利用四象限模型以动静相结合的方式来评价研究区景观生态质量，可全面分析区域景观生态质量的变化特征。由景观质量时间变化的四象限分布表（表6）可知，2008年分布在第Ⅰ象限（景观稳定程度高、干扰程度低）、景观生态质量为优的行政村数为29个，土地面积为6 187.52 hm2，占土地总面积的33.36%；分布在第Ⅱ象限（景观稳定程度低、干扰程度低）、景观质量一般的行政村数为27个，土地面积为5 616.91 hm2，占土地总面积的30.30%；分布在第Ⅲ象限（景观稳定程度低、干扰程度高）景观质量差行政村数为10个，土地面积最小，为1 474.34 hm2，占土地总面积的7.95%；分布在第Ⅳ象限（景观稳定程度高、干扰程度高）、景观质量为良的区域包含29个行政村，其土地面积为5 257.17 hm2，占土地总面积的28.36%。随着时间的推移，质量为优的行政村数及其面积均呈现先减后增的趋势，到2016年，分布在第Ⅰ象限的行政村较2008年减少7个，面积减少2 132.49 hm2。景观质量差的区域呈先增后减的趋势，在2011年，分布在第Ⅲ象限的行政村最多（26个），面积达到4 259.86 hm2，占评价区域土地总面积的23.05%。景观质量为良的区域（第Ⅳ象限）也呈先增后减的变化趋势，在2011年，受干扰区域达到最大值；景观质量一般的区域（第Ⅱ象限）村数及其面积呈先减后增的变化趋势；在2011年，景观稳定程度低的区域（第Ⅲ象限）村数及其面积达到最小值，生态系统不稳定区域逐渐增多。

利用ArcGIS10.1软件，分别将2008—2011年、2011—2014年、2014—2016年的景观生态四象限进行联合，依据景观质量的变化情况将其变化分为5个等级（如表7）。由表7可知，2008—2011年时间里，研究区景观生态质量变化较大，基本不变的区域为67.13%；略微变差和变差的区域分别占景观总面积的24.17%、7.48%。略微变差和变差的区域比例较大，表明景观生态系统处于不稳定状态，景观生态质量逐渐变差。2011—2014年间，基本稳定的区域提升到69.88%，变好和略微变好的区域增加、变差和略微变差的区域有所减少，景观生态系统发生变化并朝着稳定的趋势发展，景观生态质量逐渐变好。2014—2016年间，基本不变的区域达到83.30%，逐渐变好的区域约为2.16%，变差的区域仅为1.13%，表明景观生态系统基本处于稳定状态，景观生态质量较2011—2014年有很大的提升，景观生态质量进一步得到改善。但与2008年相比，2016年分布在第Ⅰ象限的村庄数量和面积仍是减少，分布在第Ⅲ象限的区域的村庄数量和面积仍是增加，表明研究区景观生态质量虽有所改善，但仍未恢复到受扰动前的景观生态质量水平。

表6 时间维度下景观生态质量变化

表7 景观生态质量变化的面积与比例

3.4 矿区景观生态质量的时空变化及其影响分析

景观生态质量是景观自身稳定程度和受干扰程度的综合体现。景观稳定度越高、干扰度越低的区域其景观生态系统越稳定，景观生态质量越好[12]。根据景观稳定程度指数和干扰程度指数分布规律，采用ArcGIS10.1做出景观生态质量的四象限分布图（图4）。由图4所示，研究区景观生态质量是一个动态变化的过程，其变化趋势受时间、空间的影响，且呈现明显的区域性，越靠近开采点的村庄，景观生态受影响程度越大，景观生态质量变化越大。景观生态质量与土地破坏程度、景观破碎化程度、景观多样性等呈较大相关[25-26]。2008年，受矿井建设及煤炭开采活动的影响，矿区采点周边区域景观受干扰程度较大，景观稳定程度降低，景观生态质量变差。如：赵固一矿周边的西北流、东北流及范屯，赵固二矿的西木庄等村受影响程度较大，村庄搬迁造成大量的村庄废弃地，土地利用率下降，使得这些村庄景观生态质量分布在第Ⅲ象限（图4a）。矿区采点附近其他大部分的区域受扰动程度较轻，景观类型变化不大，景观稳定程度不变，景观干扰程度略微升高，景观生态质量分布在第Ⅳ象限。远离采点的区域受煤炭开采影响小，大部分区域的景观生态质量分布在第Ⅰ象限。2011年，矿区周边景观受影响的区域以开采点为中心向外扩散。如：分布在赵固一矿采点附近的文庄、麻小营、南坦等村，分布在赵固二矿采点周边的大罗召、小罗召、北小营、大梁冢等村因煤炭开采造成地表沉陷干扰，导致景观稳定性下降，景观生态质量变差（图4b）。但远离开采点的村庄受影响程度较小，整体变化不大。这些变动导致区域景观生态质量分布逐渐由第Ⅰ象限向第Ⅱ象限、第Ⅳ象限转移，第Ⅱ、Ⅳ象限逐渐向第Ⅲ象限转移，分布在第Ⅰ象限的区域逐渐减少、分布在第Ⅲ象限的区域逐渐增多，研究区景观生态质量整体呈现下降趋势。

林地、水域等生态用地能提高区域景观稳定性，通过土地生态整治与景观修复，增加生态用地，能改善区域景观格局，从而形成新的、稳定的景观生态系统[26-27]。随着人们对矿区生态环境的重视，自2014年起，研究区开始进行村庄废弃地及塌陷耕地的土地复垦、沉陷积水区的综合利用等生态整治工作，从而使有利于景观稳定的景观类型增多，景观稳定程度逐渐提升。尤其矿区复垦耕地、大面积水域的出现也有效缓解了景观破碎化程度，增强了景观稳定性，一定程度上改善了区域的景观生态质量。如赵固一矿开采点附近的东北流、冯官营，赵固二矿开采点附近的宋坦、东丁庄、姬家寨等村的景观生态质量分布逐渐由第Ⅱ象限向第Ⅰ象限转移，景观生态质量呈现变好的趋势。但是，远离开采点的评价单元受矿井排水的影响，浅中层地下水被疏干，造成远离采点区域的植被受到影响，景观生态质量呈现变差的趋势（图4c）。2016年，随着国家能源政策调整和市场需求影响，煤炭生产放缓，煤炭开采对区域干扰程度的减轻，再加上矿区土地生态整治和稳定沉陷区域土地的再利用，使部分受干扰区域逐渐稳定，矿区附近的村庄生态环境得以改善，景观生态质量逐渐恢复（图4d）。因此，与2014年相比，分布在第Ⅰ象限的村庄增多，分布第Ⅲ象限的村庄减少，区域景观生态质量有了较大的提高。但是远离矿区沉陷区的村庄，受矿井排水和地势的影响，其地下水位持续下降，间接影响了植物的生长，植被覆盖度降低，景观生态质量持续下降。

图4 2008—2016年景观生态质量四象限分布图

4 讨 论

土地利用是景观空间格局的主要决定因素，不断变化的土地利用过程，使区域景观生态系统的结构及其组分也发生变化，并使景观破碎化程度加大，从而造成景观生态质量的下降[28]，但通过合理的规划和管理土地资源，也会形成较好的景观生态环境[29-30]。煤炭大规模开采导致地面塌陷和耕地损毁使矿区景观破碎化程度加大，但随着矿区土地复垦和生态治理，景观破碎化程度减小，对矿区景观起到一定的修改作用[4]。本研究结果也表明，煤炭开采初期景观破碎化程度指数增加，但后期的土地复垦和水域的生态治理使研究的耕地、水体面积增大，从而降低了区域的景观破碎度指数。因此，分析不同土地利用结构和人为干扰下的景观生态质量差异性，可为土地规划、利用和生态管理提供理论基础。煤矿区作为一个特殊的复杂地理区域，长时间、大规模和高强度煤炭开采不可避免地占用和破坏大量土地，使矿区原有生态景观遭到严重破坏，从而造成一系列严重的生态环境问题[7,31]。一些学者采用不同评价指标和方法，从景观格局[4,11]、植被覆盖[32]等角度对矿区景观进行了评价研究，由于不同区域矿区的复杂性，某种方法往往不能全面地反映区域生态环境状况，因此，选择合适的评价指标和方法成为景观生态质量评价研究的关键。景观生态系统的稳定性取决于景观生态系统稳定程度和系统干扰程度两大方面，徐嘉兴等[8]从生态系统稳定与干扰程度两方面构建景观生态质量评价模型，并分析评价了区徐州市贾汪矿区的景观生态质量变化，研究结果表明采矿影响了矿区景观生态质量，但通过复垦，使采煤塌陷区的景观生态环境发生了改善，又成为新的相对稳定的生态系统，矿区生态质量总体上呈变好趋势。本研究也依据影响景观生态系统受干扰程度和稳定程度的相关因素选取评价指标，并利用四象限模型来评价研究区景观生态质量，研究结果表明，煤炭开采初期由于建设用地和沉陷区面积增多使区域的景观干扰性指数增加，景观稳定性指数降低，从而使区域景观生态质量下降，但通过后期的土地复垦和对塌陷积水区域的生态治理，降低了区域的景观干扰性指数，并增加景观稳定性指数，区域生态功能增强，生态效应逐渐变好，从而使区域景观生态质量好转。此外，本研究利用四象限模型以动静相结合的方式来评价研究区景观生态质量不但从时间尺度上分析区域景观生态质量变化，而且也从空间尺度分析了景观生态质量时间变化，因此，本研究更全面反映了区域景观生态质量的变化特征。

5 结 论

基于2008—2016 年间的4 期遥感影像，采用四象限模型对研究区景观生态质量进行综合评价表明，受开采活动和土地生态整治的影响，研究区景观生态质量在不同时空尺度表现出不同的变化趋势。

1）随煤炭开采活动的时空变化，研究区的景观稳定性指数呈现先减少后增加的变化趋势，而景观干扰性指数则呈相反趋势，呈现先增加后减少的变化特征。

2）在时间尺度上，研究区景观生态质量呈现“良好—差—较好”的变化特征。2008—2011年，煤炭开采活动使区域景观干扰度增加、稳定度降低，造成区域景观生态质量下降。2014年后大规模的土地复垦和沉陷水域生态治理使区域土地利用率增加，改善了区域景观结构，景观系统稳定性增加，景观生态质量呈现好转的趋势。

3）在空间尺度上，矿区采点附近村庄景观生态质量呈现先变差后好转的变化趋势，远离矿区采点的村庄有略微变差的趋势。2008年景观生态质量为优的区域分布在远离采点的村庄，景观生态质量差的区域主要分布在采点附近的村庄。受开采活动的影响，2011年景观生态质量差的区域开始向开采点附近集中。2014年后，受研究区地下、地表水赋存条件改变和土地生态整治工作的影响，采点附近村庄景观生态质量开始变好，远离采点的村庄景观生态质量开始变差。

[1]胡振琪，李晶，赵艳玲. 矿产与粮食复合主产区环境质量和粮食安全的问题、成因与对策[J]. 科技导报，2006，24(3)：21－24. Hu Zhenqi, Li Jing, Zhao Yanling. Problems, reasons and counter measures for environmental quality and food safety in the overlapped areas of crop and mineral production[J]. Science & Technology Review, 2006, 24(3): 21－24. (in Chinese with English abstract)

[2]Areendran G, Rao P, Raj K, et al. Land use/land cover change dynamics analysis in mining areas of Singrauli district in Madhya Pradesh, India[J]. Tropical Ecology, 2013, 54(2): 239－250.

[3]Redondo-Vega J M, Gómez-Villar A, Santos-González J, et al. Changes in land use due to mining in the north-western mountains of Spain during the previous 50 years[J]. Catena, 2017, 149: 844－856.

[4]徐嘉兴，李钢，余嘉琦，等. 煤炭开采对矿区土地利用景观格局变化的影响[J]. 农业工程学报，2017，33(23)：252－258. Xu Jiaxing, Li Gang, Yu Jiaqi, et al. Effects of coal exploitation on land use and landscape pattern change in coal mining area[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(23): 252－258. (in Chinese with English abstract)

[5]Antwi E K, Krawczynski R, Wiegleb G. Detecting the effect of disturbance on habitat diversity and land cover change in a post-mining area using GIS[J]. Landscape and Urban Planning, 2008, 87(1): 22－32.

[6]许传阳，马守臣，张合兵，等. 煤矿沉陷区沉陷裂缝对土壤特性和作物生长的影响[J]. 中国生态农业学报，2015，23(5)：597－604. Xu Chuanyang, Ma Shouchen, Zhang Hebing, et al. Effect of cracks on soil characteristics and crop growth in subsided coal mining areas[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2015, 23(5): 597－604. (in Chinese with English abstract)

[7]徐嘉兴，李钢，陈国良，等. 矿区土地生态质量评价及动态变化[J]. 煤炭学报, 2013，38(S1)：180－186. Xu Jiaxing, Li Gang, Chen Guoliang, et al. Dynamic changes and evaluation of land ecological quality in coal mining area[J]. Journal of China Coal Society, 2013, 38(S1): 180－186. (in Chinese with English abstract)

[8]徐嘉兴，李钢，陈国良，等. 土地复垦矿区的景观生态质量变化[J]. 农业工程学报，2013，29(1)：232－239. Xu Jiaxing, Li Gang, Chen Guoliang, et al. Changes of landscape ecological quality for land reclamation in mining area[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(1): 232－239. (in Chinese with English abstract)

[9]李梦桃，周忠学，王明，等. 城市化水平与都市农业景观生态质量的关系：以西安市南郊为例[J]. 农业现代化研究，2016，37(5)：863－870. Li Mengtao, Zhou Zhongxue, Wang Ming, et al. Impact of urbanization on ecological quality of urban agricultural landscape: A case study in the Southern suburbs of Xi’an City[J]. Research of Agricultural Modernization, 2016, 37(5): 863－870. (in Chinese with English abstract)

[10]朱永恒，濮励杰，赵春雨. 景观生态质量评价研究：以吴江市为例[J]. 地理科学，2007，27(2)：182－187. Zhu Yongheng, Pu Lijie, Zhao Chunyu. Evaluation of landscape ecological quality: A case study in Wujiang county[J]. Scientia Geographica Sinica, 2007, 27(2): 182－187. (in Chinese with English abstract)

[11]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，2012，28(3)：251－256. Li Baojie, Gu Hehe, Ji Yazhou. Evaluation of landscape pattern changes and ecological effects in land reclamation project of mining area[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(3): 251－256. (in Chinese with English abstract)

[12]任国平，刘黎明，卓东. 都市郊区景观生态质量空间差异及影响因素分析[J]. 农业工程学报，2016, 32(21)：252－263. Ren Guoping, Liu Liming, Zhuo Dong. Analysis of spatial differentiation of landscape ecological quality and its affecting factors in metropolitan suburbs[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(21): 252－263. (in Chinese with English abstract)

[13]周利军，张淑花，彭万臣，等. 基于地学信息图谱的生态环境质量评价：以黑龙江省绥化市为例[J]. 水土保持研究，2011，18(1)：52－55. Zhou Lijun, Zhang Shuhua, Peng Wanchen, et al. Assessment of eco-enviromental quality on the basis of geo-information tupu: The example of Suihua city of Hei Longjiang province[J]. Research of Soil and Water Conservation, 2011, 18(1):52－55. (in Chinese with English abstract)

[14]唐乐乐. 开封市景观生态评价与规划[J]. 国土资源科技管理，2007(3)：133－137. Tang Lele. Ecological landscape assessment and planning of Kaifeng City[J]. Scientific and Technological Management of Land and Resources, 2007(3):133－137. (in Chinese with English abstract)

[15]张晖，王晓峰，汶婵，等. 基于RS和GIS的黑河流域景观生态综合评价[J]. 陕西师范大学学报：自然科学版，2010，38(1)：89－93. Zhang Hui, Wang Xiaofeng, Wen Chan, et al. Integrated landscape ecology evaluation of Heihe River basin based on RS and GIS[J]. Journal of Shaanxi Normal University (Natural Science Edition), 2010, 38(1): 89－93. (in Chinese with English abstract)

[16]孟伟. 区域景观生态质量评价研究[M]. 北京：科学出版社，2008.

[17]安静，刘红玉，郝敬锋，等. 南京仙林新市区景观生态质量变化研究[J]. 水土保持研究，2012，19(2)：231－235.An Jing, Liu Hongyu, Hao Jingfeng, et al. Study on the change of landscape ecological quality in Xianlin new city of Nanjing[J]. Research of Soil and Water Conservation, 2012, 19(2): 231－235. (in Chinese with English abstract)

[18]许洛源，黄义雄，叶功富，等. 基于土地利用的景观生态质量评价：以福建省海坛岛为例[J]. 水土保持研究. 2011，18(2)：207－212. Xu Luoyuan, Huang Yixiong, Ye Gongfu, et al. Evaluation of landscape ecological quality based on land use: A case study in Haitan Islan of Fujian Province[J]. Research of Soil and Water Conservation, 2011, 18(2): 207－212. (in Chinese with English abstract)

[19]Bonfanti P, Fregonese A, Sigura M. Landsape analysis in areas affected by land consolidation[J]. Landscape and Urban Planning, 1997, 37(l/2): 91－98

[20]Sklenicka P. Applying evaluation criteria for the land consolidation effect to three contrasting study areas in the Czech Republic[J]. Land Use Policy, 2006, 23(4): 502－510.

[21]安晨. 土地整理项目区景观生态效应研究[D]. 泰安：山东农业大学，2010.An Chen. Analysis of Landscape Ecological Effect in Land Consolidation Project area[D]. Taian: Shandong Agricultural University, 2010.

[22]卞正富，张燕平. 徐州煤矿区土地利用格局演变分析[J]. 地理学报，2006，61(4)：349－358. Bian Zhengfu, Zhang Yanping. Land use changes in Xuzhou coal mining area[J]. Acta Geographica Sinica, 2006, 61(4): 349－358. (in Chinese with English abstract)

[23]曾磊，付梅臣. 兖州矿区复垦农田景观格局演变过程研究[J]. 煤炭学报，2004，29(3)：303－307. Zeng Lei, Fu Meichen. Study on evolvement process oflandscape pattern of reclaimed farmland in Yanzhou mining area[J]. Journal of China Coal Society, 2004, 29(3): 303－307. (in Chinese with English abstract)

[24]赵娟，穆兴民，王飞，等. 水资源价值理论的四象限模型探讨[J]. 水土保持研究. 2008，15(3)：134－136. Zhao Juan, Mu Xingmin, Wang Fei, et al. Using four-quadrant model to disscuss water resource value theory[J]. Research of Soil and Water Conservation, 2008, 15(3): 134－136. (in Chinese with English abstract)

[25]Ashraf H, Cawood F. Mineral development for growth: The case for a new mineral policy framework for Pakistan[J]. Journal of Science and Technology Policy Management, 2017, 8(3): 246－274.

[26]Farley K A, Ojeda-Revah L, Atkinson E E, et al. Changes in land use, land tenure, and landscape fragmentation in the Tijuana River Watershed following reform of the ejido sector[J]. Land Use Policy, 2012, 29(1): 187－197.

[27]马宁，朱立敏，张峰. 河北白石山景区景观格局及生态修复[J]. 山地学报，2008，26(10)：22－28. Ma Ning, Zhu Limin, Zhang Feng. Landscape patternsand ecological restoration of Baishi mountain in Hebeiprovince[J]. Journal of Mountain Science, 2008, 26(10): 22－28. (in Chinese with English abstract)

[28]秦丽杰，张郁，许红梅，等. 土地利用变化的生态环境效应研究：以前郭县为例[J]. 地理科学，2002，22(4)：509－512. Qin Lijie, Zhang Yu, Xu Hongmei, et al. Study on the effect of land use change on the eco-environment[J]. Scientia Geographica Sinica, 2002, 22(4): 509－512. (in Chinese with English abstract)

[29]曾辉，夏洁，张磊. 城市景观生态研究的现状与发展趋势[J]. 地理科学，2003，23(4)：484－492. Zeng Huii, Xia Jie, Zhang Lei. The current status of urban landscape ecology study and Its perspectives[J]. Scientia Geographica Sinica, 2003, 23(4): 484－492. (in Chinese with English abstract)

[30]李杨帆，朱晓东. 江苏灌河口湿地景观生态规划可持续发展的方案[J]. 地理科学，2003，23(5)：635－640. Li Yangfan, Zhu Xiaodong. Landscape eco-planning for Guan river estuary wetland in Jiangsu Province : Towards susatinable development[J]. Scientia Geographica Sinica, 2003, 23(5): 635－640. (in Chinese with English abstract)

[31]Antwi E K, Krawczynski R, Wiegleb G. Detecting the effect of disturbance on habitat diversity and land cover change in a post-mining area using GIS[J]. Landscape and Urban Planning, 2008, 87(1): 22－32.

[32]徐占军，侯湖平，张绍良，等. 采矿活动和气候变化对煤矿区生态环境损失的影响[J]. 农业工程学报，2012，28(5)：232－240. Xu Zhanjun, Hou Huping, Zhang Shaoliang, et al. Effects of mining activity and climatic change on ecological losses in coalmining areas[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(5): 232－240. (in Chinese with English abstract)

Spatio-temporal change of landscape ecological quality and influencing factors based on four-quadrant model in overlapped area of cropland and coal production

Ma Shouchen1, Xie Fangfang1, Ding Cui1,2, Zhang Hebing1

(1.,,454000,; 2.,450000,)

The overlapped area of cropland and coal production is an important region in the national security strategy system, which is related to the country's food security, energy security and ecological security. In this area, coal mining continuously changes the function and process of the original agricultural landscape ecosystem by influencing the landscape pattern of the area, and the analysis of the landscape ecological quality and its influencing factors has important theoretical significance and practical value for the ecological governance of the mining area. The overlapped area of cropland and coal production of Zhaogu coal mine in Huixian city of Henan province was taken as the research area, and the administrative village was the evaluation unit. This study comprehensively evaluated the landscape ecological quality of the research area by using the four-quadrant model. The results showed that: 1) under the influence of coal mining activities and land ecological regulation, the cultivated land area of the study area generally presented a trend of decreasing first and then increasing from 2008 to 2016, and the cultivated land was mainly transferred to construction land and water area. The construction land increased first and then decreased, and the construction land was mainly transferred to water area and cultivated land. 2) The landscape stability index of the study area first decreased and then increased, while the landscape disturbance index first increased and then decreased. 3) The landscape ecological quality of the study area presented the change characteristics of “good - bad - good” on the time scale. In 2008, in the initial stage of mine construction and mining, the landscape ecological quality of the study area was better as a whole. In 2011, the degree of landscape disturbance increased and the degree of stability decreased with the increase of mining activities, resulting in the decline of regional landscape ecological quality. After 2014, large-scale land ecological reclamation increased the land utilization rate of the research area. The large area of water area formed by mining subsidence improved the regional landscape structure and the stability of the landscape system. Therefore, the landscape ecological quality of the research area showed a trend of improvement. 4) On the spatial scale, under the influence of mining activities and subsequent land reclamation, the landscape ecological quality of the villages near the mining area showed a change trend of first getting worse and then getting better, while the villages far away from the mining area showed a trend of slight deterioration. In general, the number and area of the villages with excellent quality increased in 2016, while the number and area of the villages with poor quality decreased compared with 2011. However, compared with 2008, the number and area of the villages with excellent quality were still smaller, while the number and area of the villages with poor quality were still larger in 2016, which indicated that although the landscape ecological quality of the research area had improved, it has not yet recovered to the level of landscape ecological quality before the disturbance.

land use; landscape; ecology; overlapped areas of crop and coal production; four-quadrant model; landscape stability; landscape disturbance

马守臣，谢放放，丁 翠，张合兵. 基于四象限模型煤粮复合区景观生态质量时空变化及影响因素[J]. 农业工程学报，2020，36(4)：259－268. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.04.031 http://www.tcsae.org

Ma Shouchen, Xie Fangfang, Ding Cui, Zhang Hebing.Spatio-temporal change of landscape ecological quality and influencing factors based on four-quadrant model in overlapped area of cropland and coal production[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(4): 259－268. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.04.031 http://www.tcsae.org

2019-06-24

2019-11-28

国家自然基金项目（31871553）；河南理工大学创新型科研团队资助（T2017-4；T2018-4）；河南省高校教师科技创新团队（18IRTSTHN008）

马守臣，副教授，主要从事矿区土地复垦和生态重建研究。Email：mashouchen@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.04.031

F301.24；X171.1

A

1002-6819(2020)-04-0259-09