赵固煤矿区景观生态质量变化及其生态效应评价.pdf

全日制硕士学位论文 申请人姓名 丁 翠 指 导 教 师 马守臣 学 位 类 别 管理学硕士 专 业 名 称 公共管理 研 究 方 向 矿区土地复垦与生态重建 河南理工大学测绘与国土信息工程学院河南理工大学测绘与国土信息工程学院 二○一八年六月二○一八年六月 赵固煤矿区景观生态质量变化及其生态效应评价赵固煤矿区景观生态质量变化及其生态效应评价 万方数据 万方数据 万方数据 万方数据 中图分类号中图分类号F301.24 密级公开密级公开 UDC 单位代码单位代码10460 赵固煤矿区景观生态质量变化 及其生态效应评价 uation of Landscape Ecological Quality changes and Its Ecological Effect in Zhaogu Coal Mine Area 申请人姓名申请人姓名 丁翠丁翠 学 位 类 别学 位 类 别 管理学硕士管理学硕士 专 业 名 称专 业 名 称 公共管理公共管理 研 究 方 向研 究 方 向 矿区土地复垦与矿区土地复垦与 生态重建生态重建 导师导师 马守臣马守臣 职称职称 副教授副教授 提 交 日 期提 交 日 期 2018 年年 6 月月 答 辩 日 期答 辩 日 期 2018 年年 6 月月 河南理工大学 万方数据 万方数据 致致 谢谢 岁月如梭，光阴似箭，三年的研究生生活如白驹过隙一般转瞬而逝。这几年 的时光充满了酸甜苦辣，但更多的是成长的快乐和收获的喜悦。回望在河南理工 大学的求学生涯，谨向在这三年中给予我帮助、鼓励、指导和关怀的老师、同学、 朋友和亲人致以我最衷心的感谢 本人的学位论文是在我的导师马守臣老师的殷切关怀和耐心指导下进行并完 成的，从课题的来源、研究技术路线的设定，直至论文的最终完成，马老师都始 终给予我耐心的指导和支持，我取得的每一点成绩都凝聚着导师的汗水和心血， 衷心感谢我的导师对我的谆谆教诲和悉心关怀。导师严谨的治学态度、渊博的学 科知识以及精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我，在此谨向马老师致以 衷心的感谢和崇高的敬意。 同时，衷心感谢张合兵老师、王锐老师、赵素霞老师、张小虎老师、刘轩老 师等在研究生学习、论文开题和中期检查等阶段，对我的指导以及生活上的关心， 尤其是张合兵老师、赵素霞老师、刘轩老师长期以来耐心指导我的学习和工作， 在此，向各位老师表示诚挚的感谢。 感谢我的师姐秦伟霞、宋香平，师妹辛佳慧，她们在学习和工作上都给我提 供了很多建议，与他们在学习和工作上的交流让我受益良多。感谢我的室友王坤 鹏、张冬雪、王璐及319办公室的同窗好友王璐、胡文智、巫焕、于壮、邵和顺等 在工作和学习上给予我的热情帮助、支持和鼓励，和他们相互交流学习使我不断 进步。感谢所有在生活、学习和工作方面给我予帮助的师兄师姐们及2015级同学， 有了你们的帮助，我的研究生道路走得更顺畅。 感谢我的父母，养育之恩，无以回报，你们是我前进的动力，你们永远健康 快乐是我最大的心愿。 最后，我要向百忙之中参与审阅、评议本论文各位老师、向参与本人论文答 辩的各位老师表示由衷的感谢 丁翠丁翠 20182018 年年 5 5 月于河南理工大学月于河南理工大学 万方数据 万方数据 I 摘摘 要要 在矿产资源开发及利用过程中引发的生态方面的问题日益凸显。景观生态质 量作为衡量生态环境的重要指标，不仅能反映矿区在维持自身结构与功能稳定性 时能力的大小，也能揭示矿区在满足生物生存和发展等生态功能方面的潜能；景 观生态效应是评价土地可持续利用的有效工具，对景观生态效应进行研究对于维 护矿区的可持续发展及保护区域的生态环境具有重要意义。因此，对矿区景观生 态质量及其生态效应进行研究，有助于促进矿区生态环境改善，加快区域生态文 明建设。 本研究以焦煤集团赵固煤矿为例,在构建以景观稳定程度和景观干扰程度为 准则层的景观生态质量评价指标体系基础上，应用四象限评价模型对赵固煤矿区 时间维度和空间尺度变化下的景观生态质量进行评价，并基于矿区景观生态质量 评价体系,结合景观变化特征，对矿区景观生态效应进行分析。同时基于景观生态 质量及生态效应的变化特征，对不同区域复垦后形成的复垦景观的可持续性进行 研究。研究结果如下所示 （1）2008-2016 年赵固煤矿区景观生态质量变化显著，时间维度上，研究区 景观生态质量整体呈现“良好较差好较好”的变化特征；空间尺度上，矿 区开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；而远离矿区开采 点的村庄景观生态质量呈现略微变差的特征。 （2）2008-2016 年赵固煤矿区景观生态效应整体上呈现“变差好转变好” 的变化特征。人为活动干扰改变了土地利用类型和景观结构，造成斑块破碎化程 度增加、景观稳定性降低、景观受干扰程度增加，景观生态效应呈现变差的趋势。 随着矿区受影响程度的减轻及政府生态修复工作的开展，矿区生态环境得到有效 改善，景观生态效应增加。 （3）对不同区域复垦景观的可持续性研究结果表明未沉陷区复垦景观的可持 续性要优于其他区域复垦景观的可持续性，不稳定沉陷区复垦景观的可持续性最 差。由此可见，进行复垦时要选择合适的复垦区域，以实现区域的可持续发展。 关键词关键词景观生态质量；四象限模型；景观生态效应；可持续性；矿区 万方数据 II 万方数据 III Abstract Exploitation and utilization of mineral resources cause ecological problems which become more and more prominent. As an important index to measure the ecological environment, Landscape ecological quality can not only reflect the ability of the mining area to maintain its own structural and functional stability, but also reveal the potential of the mining area to meet the ecological functions of biological survival and development. Landscape ecological effect is an effective tool to uate the sustainable use of land, which is of great significance for maintaining the sustainable development and protecting the ecological environment of the mining area. Therefore, the study of landscape ecological quality and its ecological effects in the mining area can help to promote the improvement of ecological environment and accelerate the construction of regional ecological civilization Here in this paper, taking Zhaogu coal mine as an example, the uation index system of landscape ecological quality which based on the degree of landscape stability and degree of landscape disturbance was constructed. Then the four-quadrant uation model was applied to uate the landscape ecological quality and its changes in time dimension and spatial scale. Finally, combined with the characteristics of landscape change, the ecological effect of the mining area was analyzed which based on the uation system of landscape ecological quality. The main results are as follows 1During 2008 to 2016, the landscape ecological quality changing of the Zhaogu coal mine area was significant. On the time scale, the landscape ecological quality of the study area showed the changing trend of ‘good-bad-well-better’; on the spatial scale, the landscape ecological quality showed the trend of improvement after getting worse in the village landscape near the mining site and the ecological quality of the village landscape that is far from the mining point of the mining site showed a slight deterioration. 2During 2008 to 2016, landscape ecological effects of Zhaogu coal mining showed the changing trend of ‘Worse-Improve-Better’. The land use type and landscape structure have been changed under the activities of human disturbance, resulting in the increase of patch fragmentation, the decrease of landscape stability and the increase of 万方数据 IV landscape disturbance. Then, the ecological effect of landscape presented a trend of deterioration. With the reduction of affected area in mining area and the governments ecological restoration work, the ecological environment of the mining area was effectively improved, and the ecological effect of the landscape was increased. 3The sustainability of reclaimed landscape in different areas showed that the sustainability of reclaimed landscape in subsidence-free area was better than the sustainability in other areas, and the sustainability of reclaimed landscape in unstable subsidence area was the worst. This showed that choosing a suitable area for rehabilitation is more conducive to achieving regional sustainable development. Keywords Landscape ecological quality; Four-quadrant model; Landscape ecological effect; Sustainability; Coal mining area 万方数据 V 目目 录录 致致 谢谢 ........................................................................................................................ IIIIII 摘摘 要要 ............................................................................................................................ I I AbstractAbstract .................................................................................................................. IIIIII 目目 录录 .......................................................................................................................... V V 1 1 绪论绪论 .......................................................................................................................... 1 1 1.1 研究的背景和意义 ............................................. 1 1.2 国内外研究现状 ............................................... 1 1.2.1 景观生态质量评价 ................................................. 1 1.2.2 景观生态效应研究进展 ............................................. 3 1.3 研究内容与方法 ................................................ 5 1.3.1 主要研究内容 ..................................................... 5 1.3.2 主要研究方法 ..................................................... 6 1.3.3 技术路线 ......................................................... 7 2 2 研究区概况与数据来源研究区概况与数据来源 ............................................................................................ 9 9 2.1 研究区概况 ................................................... 9 2.1.1 自然地理条件 ..................................................... 9 2.1.2 社会经济环境状况 ................................................ 11 2.2 数据来源 ..................................................... 11 3 3 矿区景观生态质量评价矿区景观生态质量评价 .......................................................................................... 1313 3.1 评价单元的划分 ............................................... 13 3.1.1 评价单元的概念 .................................................. 13 3.1.2 评价单元划分的原则 .............................................. 13 3.1.3 评价单元的划分 .................................................. 13 3.2 矿区景观生态质量评价指标体系 ................................ 15 3.2.1 指标选取的原则 .................................................. 15 3.2.2 评价指标体系的构建 .............................................. 15 3.3 矿区景观生态质量评价模型 .................................... 19 万方数据 VI 3.3.1 指标标准化 ...................................................... 19 3.3.2 主客观组合赋权法 ................................................ 19 3.3.3 指数计算 ........................................................ 21 3.3.4 四象限模型 ...................................................... 21 3.4 基于四象限模型的矿区景观生态质量评价 ......................... 22 3.4.1 评价指标权重系数 ................................................ 22 3.4.2 四象限评价模型象限划分 .......................................... 22 3.4.3 景观生态质量评价结果分析 ........................................ 23 3.5 本章小结 ..................................................... 29 4 4 矿区景观生态效应分析矿区景观生态效应分析 .......................................................................................... 3131 4.1 景观变化分析 ................................................. 31 4.1.1 土地利用类型变化分析 ............................................ 31 4.1.2 景观结构变化分析 ................................................ 33 4.2 景观生态质量变化分析 ......................................... 38 4.2.1 景观稳定性指数变化分析 .......................................... 38 4.2.2 景观干扰性指数变化分析 .......................................... 40 4.3 主要景观生态问题分析 ......................................... 42 4.3.1 土地利用类型变化引起生态功能改变 ................................ 42 4.3.2 景观结构变化带来生态环境质量改变 ................................ 43 4.3.3 景观生态质量变化导致生态系统稳定性改变 .......................... 43 4.4 本章小结 ..................................................... 44 5 5 矿区复垦景观的可持续性研究矿区复垦景观的可持续性研究 .............................................................................. 4747 5.1 矿区复垦景观生态效应 ......................................... 47 5.1.1 景观结构 ........................................................ 47 5.1.2 景观稳定性 ...................................................... 47 5.1.3 景观干扰性 ...................................................... 48 5.2 矿区复垦景观可持续性指数构建 ................................. 49 5.2.1 指数选取 ........................................................ 49 5.2.2 指数计算方法 .................................................... 49 5.3 矿区复垦景观可持续性研究方法 ................................. 50 万方数据 VII 5.3.1 采样调查法 ...................................................... 50 5.3.2 三角形面积法 .................................................... 50 5.4 矿区复垦景观可持续性分析 ..................................... 51 5.4.1 复垦景观土壤理化性质变化分析 .................................... 51 5.4.2 复垦景观土壤微生物变化分析 ...................................... 52 5.4.3 复垦景观作物指数变化分析 ........................................ 52 5.4.4 复垦景观可持续性结果分析 ........................................ 53 5.5 本章小结 ..................................................... 54 6 6 结论与展望结论与展望 ............................................................................................................ 5555 6.1 主要结论 ..................................................... 55 6.2 创新点 ....................................................... 56 6.3 问题与展望 ................................................... 56 参考文献参考文献 .................................................................................................................... 5959 作者简历作者简历 .................................................................................................................... 6565 学位论文数据集学位论文数据集.......................................................................................................... 6767 万方数据 VIII 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 研究的背景和意义 随着我国经济的快速发展，矿产资源的需求量日益增加，采矿业得以迅猛发 展，矿产资源的开发利用也逐渐成为我国社会经济发展的重要支柱[1]。但在矿产资 源开发利用的过程中，各地区为了追求直接利益和短期效应过度的追求产量，忽 视了对资源和环境的保护，产生了一系列的生态问题，如土地退化、资源枯竭、 地表塌陷、环境污染、景观多样性降低等，这些问题给矿区的发展带来巨大的压 力。同时由于历史、政策、资金以及环境保护技术手段的落后等原因，矿区原有 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、景观干扰性上升，区域环境和质量严重下降[2, 3]。这些环境问题的存在， 加剧了工农矛盾，使矿区成为资源、环境与人口矛盾相对集中显现的区域之一[4]。 因此，如何对矿区进行生态整治及综合利用已成为矿区可持续发展战略研究中亟 待解决的重点问题。而矿产资源的开发与利用对矿区生态的影响是一个持续累积 的过程，在这个过程中生态系统稳定性发生改变、景观生态质量遭到破坏、景观 生态效应受到影响。因此，研究煤矿区的景观生态质量及景观生态效应对于矿区 生态治理具有重要的理论意义和实践价值[5, 6]。 本文以河南省焦煤集团赵固煤矿为研究区，综合运用景观生态学、土地生态 学等对煤矿区景观生态质量进行评价[7]，并对其生态效应进行分析，在此基础上提 出合理的规划和建议，以期为改善矿区生态环境、维护矿区生态平衡、实现矿区 可持续发展提供科学依据。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 景观生态质量评价 景观生态质量是景观生态系统维持自身结构与功能稳定性的能力,对景观生 态质量进行评价对于未来景观和生态文明建设都有重大意义[8]。 国外关于景观生态质量评价的研究起源于对景观生态学的研究。1939 年，德 国著名的区域地理学家 Troll 提出“景观生态学”一词，自此，景观生态学开始进 入人们视野，慢慢被了解[9]。随着学科的发展及研究的不断深入，国外学者对景观 万方数据 河南理工大学硕士学位论文 2 生态作了积极探索，并取得了一定的成果。但由于宏观资料累积的局限性及多来 源尺度信息的不兼容性，关于景观生态质量评价方面的研究还较少[10]。查阅国外 文献发现，已有的对景观生态质量的研究主要集中在景观生态质量评价对生态系 统综合性的影响及在森林生态系统下对景观生态质量的评价等方面。如1994 年， Ferguson 提出生态健康的概念，他认为实现生态健康就要进行生态质量评价[11]； Solon 提出生态稳定性的概念，他指出稳定性是生态质量评价中必须重视的指标 [12]；Keith 认为生态质量安全与斑块间距、扩散能力、干扰强度等相关，他以渗透 理论为基础，提出了新的生态质量评价法[13]；Gary 等对栖息地破碎化进行景观生 态评价，分析了栖息地的景观生态系统[14]；John 等将景观生态评价用于研究农业 生产区景观规划等方面[15]；Dudley 将森林景观定义为一个用于进行森林质量评价 的单元，从景观角度对森林景观生态质量进行了评述[16]；Dudley 等还从景观水平 方面对威尔士地区进行了森林质量定性化评价[17]。 随着景观生态学的发展，国内一些学者基于景观生态综合评价方法对景观生 态质量进行了评价，如蒙吉军等基于 3S 技术，等价选取 7 个指标,建立景观生 态评价模型，对三峡库区景观生态质量进行了综合评价[18]；黄裳华从景观生态格 局、景观稳定性和景观生态质量 3 个方面对广东省龙门县景观生态进行综合分析 [19]；王旭熙等以四川省泸县为例，基于景观格局分析角度，从景观受胁迫度、景 观稳定性、景观生产力等方面对泸县低丘缓坡区景观生态质量进行了综合评价[20]； 许洛源等以福建省海坛岛为例，从景观稳定性、景观受干扰度和景观产出功能 3 个方面构建了景观生态质量评价指标体系,对该区 2 期的景观生态质量状况进行了 综合评价[21]；张秋琴等从景观功效性、景观受胁度与景观稳定性 3 方面对重庆市 江津区进行土地可持续利用景观生态评价研究[22]；郭金陵等从社会经济发展、资 源开发利用和生态环境问题 3 个层次构建出矿区生态环境质量评价指标体系，对 郑煤超化矿区生态环境质量进行了模糊评价[23]；吴秀芹等依据 2000 年的 TM 影像 提取出土地利用类型,结合地下水位对塔里木河下游典型区域的景观生态质量进 行了综合评价[24]；江红利采用层次分析及模糊评判方法，结合自然环境和社会经 济系统，以韩家湾煤矿开发为例，对煤矿开发下生态环境的变化进行了综合评价 [25]。也有部分学者基于景观生态质量的基本内涵，立足于景观生态系统的稳定性， 从景观生态系统自身稳定程度和受外界干扰程度两方面对景观生态质量进行评 价。如朱永恒等指出景观生态系统的稳定性是景观生态系统维持自身结构与功能 万方数据 1 绪论 3 稳定性能力的衡量标准，并以吴江市为例从景观生态系统稳定程度和干扰程度两 方面对景观生态质量的评价理论和方法进行了探讨[8]； 吴见等从受干扰程度和自身 稳定程度两个角度建立评价指标体系，并利用评价模型对安徽省近 10 年的景观生 态质量及其变化进行综合评价[26]。徐嘉兴等从景观稳定程度与干扰程度两个方面 构建景观生态质量评价模型，以徐州市贾汪矿区为研究案例，对矿区土地景观生 态质量进行评价，对土地复垦矿区的景观生态状况进行研究[3]。 总体来看目前国内外关于景观生态质量评价的研究进步明显，但这些研究 缺少对景观生态质量统一的衡量标准[27, 28]。景观是区域内生态系统的集合；生态 是指在特定的自然环境下，生物生存和发展的状态；质量是指事物、产品或工作 的优劣程度，表达一组固有特性满足要求的程度，那么景观生态质量便可理解为 生态系统在满足生物生存和发展等生态功能方面的能力大小[29]。因此，本文根据 景观生态质量的基本内涵，基于景观生态质量评价的基本方法，综合前人的研究 以及现有的观点，从景观稳定程度和干扰程度对研究区景观生态系统维持自身结 构与功能稳定性的能力进行研究，对景观变化下的景观生态质量进行评价。 1.2.2 景观生态效应研究进展 景观生态效应是景观生态系统产出功能的表现，它对区域的可持续发展及生 态保护有指示作用。在大力推进生态文明建设的阶段，景观生态效应已成为生态 环境领域研究的热点课题[30-32]。同时，景观生态与生态效应之间相互作用，景观 生态质量反映景观生态系统的稳定性，景观稳定性又在一定程度上影响景观的生 态效应。因此，景观变化下的景观生态效应也引起国内外学者的广泛关注。 目前，国外对景观生态效应的研究主要集中在景观格局变化驱动下的生态系 统服务价值方面。作为景观生态效应评价的量化指标，生态系统服务功能反映生 态系统在生态过程中所呈现的维持人类赖以生存的自然环境条件与效用。因此研 究景观生态质量变化对生态系统服务价值的影响，可以帮助人们加深对景观质量 的认识，减少生产活动中对景观生态的破坏，为人类适度、合理地使用生态系统 服务，为维持生态系统稳定提供理论依据。早在 20 世纪 70 年代，联合国大学在 人类对全球环境的影响报告中首次提出生态系统服务功能的概念，同时列举 了生态系统对人类环境的服务功能[33]，开启了 ESV 研究的先河。随后，Westman 对全球生态系统服务价值进行评估，但由于当时缺乏相应的评估理论与方法体系、 难以准确地计量生态系统提供的服务导致生态系统服务价值评估进展缓慢[34]。直 万方数据 河南理工大学硕士学位论文 4 到 20 世纪 90 年代，对 ESV 评估的研究和探索才逐渐增多。如Costanza 等有关 全球 ESV 的研究引起了国内外学者的关注[35]； Kreuter 等以 Landsat MSS 遥感影像 为数据源，对美国德克萨斯州 San Antonio 地区生态系统服务价值的变化进行了分 析[36]；Adrienne 等利用 GIS 技术对高寒地区的生态服务价值进行估算[37]；Andrew 等以 Costanza 的研究为基础，利用当地准确和详细的数据对巴西湿地的服务功能 进行了定性评价和重新估算，并对 Costanza 确定的各种生态系统服务价值进行了 修正[38]。另一方面，国外部分学者对 LUCC 的景观生态效应也做了深入的研究， 如 Esteban 指出斑块的破碎化程度是影响城市公园鸟类保护成效的一个重要因素， 基于此提出提高林地斑块之间的连接性的建议[39]； Pimm 等基于土地利用变化导致 生物多样性降低、生境破碎、土壤和水环境功能退化等对生态