全 文 ：第 34 卷第 20 期
2014年 10月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.34,No.20
Oct.,2014
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:国家自然科学基金项目(41101566); 国家科技支撑计划课题(2012BAJ08B01鄄1)
收稿日期:2013鄄11鄄06; 摇 摇 修订日期:2014鄄08鄄04
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: kangkanggu@ 163.com
DOI: 10.5846 / stxb201311062682
顾康康, 储金龙, 汪勇政.基于遥感的煤炭型矿业城市土地利用与生态承载力时空变化分析.生态学报,2014,34(20):5714鄄5720.
Gu K K, Chu J L, Wang Y Z. Spatio鄄temporal analysis of land use and ecological carrying capacity in coal mining city based on remote sensing. Acta
Ecologica Sinica,2014,34(20):5714鄄5720.
基于遥感的煤炭型矿业城市土地利用与
生态承载力时空变化分析
顾康康*, 储金龙, 汪勇政
(安徽建筑大学建筑与规划学院, 合肥摇 230022)
摘要:运用遥感和社会经济系统发展指数修正生态足迹模型,开展淮南市土地利用与生态承载力时空演化分析。 结果表明:
1987—2012年,淮南市人均生态承载力总体呈现缓慢降低后略微升高的趋势,2009年是人均生态承载力提升的拐点,表明经济
科技因子的提升作用;淮南市生态承载力时空差异显著,总体呈现东南和北部高、西部低的格局,而且区域破碎化加剧的趋势。
矿区占用大量耕地以及积水塌陷区的形成,是生态承载力的下降和空间格局分异的主要原因;土地利用转移以耕地、建筑用地
为主,水域对土地利用格局的影响日益增强,开展塌陷区整治,将塌陷区形成的水域转换成耕地或建设用地,将是提高淮南市生
态承载力的最有效途径之一。
关键词:生态足迹;经济系统发展指数;土地利用;塌陷区;淮南市
Spatio鄄temporal analysis of land use and ecological carrying capacity in coal
mining city based on remote sensing
GU Kangkang*, CHU Jinlong, WANG Yongzheng
School of Architecture & Planning, Anhui Jianzhu University, Hefei 230022, China
Abstract: We analyzed the spatio鄄temporal dynamics of land use and ecological carrying capacity in Huainan city with an
improved ecological footprint model based on remote sensing and a social鄄economical system development index. The results
showed that: from 1987 to 2012, the ecological carrying capacity per capita educed gradually in the beginning and then
increased slowly with 2009 being the inflection point, which reflected the positive effects of new economic development
mode and science technology; The ecological carrying capacity in Huainan exhibited strong spatio鄄temporal variability with
an overal spatial pattern of high capacity in Southeast and North and low in West and an increasing fragmentation trend at
the regional scale. The loss of farmland to mining sites and the formation of seeper collapse area were the main causes of
capacity decline and spatio鄄temporal variability. The main types of land use transfer were farmland and building land, and
water area increasingly exerted great influences on land use pattern. Our study suggests that one of the most effective ways
for improving ecological carrying capacity in Huainan is to conduct comprehensive treatment in the collapse areas, such as
changing seeper collapse area into farmland and building land.
Key Words: ecological footprint; social鄄economical system development index; land use; collapse area; Huainan city
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摇 摇 矿业城市是指因矿产资源开发而形成或发展起
来,其主要功能或重要功能为向社会提供矿产品及
其初加工产品的一类城市[1]。 然而,矿业城市在我
国经济发展过程中发挥重要作用的同时,也面临着
经济效益差、生态环境恶化等问题[2]。 众多研究表
明,矿业城市问题的实质是社会经济活动强度超过
资源环境的承载能力[3鄄5]。 因此,矿业城市生态承载
力研究已成为矿业城市生态经济可持续发展的热
点。 目前,加拿大学者 Mathis Wackernagel 提出的生
态足迹模型已成为国内外应用较广的生态承载力计
算方法[6鄄9],但该方法多以行政区划的土地利用统计
数据计算生态承载力,存在土地利用统计数据尺度
较粗、时间滞后等弊端[10鄄11]。 此外,一个地区的生态
承载力不仅取决于当地的资源状况,还与其经济发
展水平、科技水平有着很大的联系[12]。 因此,利用
高分辨率遥感影像获取土地利用信息,通过经济、科
技因子对生态足迹模型修正,对生态承载力评价方
法研究具有重要意义。 本文以煤炭型矿业城市淮南
市为例,选取该地区 1987 年、 2000 年、 2009 年和
2012年 4期遥感影像,基于遥感解译和 GIS 空间分
析,探讨淮南市 1987—2012 年生态承载力时空变化
特征,揭示生态承载力主要驱动因子,提出生态承载
力提升途径,研究结果可为淮南市生态格局优化和
可持续发展提供科学依据。
1摇 研究区域与方法
1.1摇 研究区域
淮南市位于长江三角洲腹地,安徽省中北部,淮
河之滨,1950 年依矿建市,全市总面积 2596.4 平方
公里,总人口 245.6万人。 淮南矿产资源丰富, 煤炭
远景储量 444 亿 t, 探明储量 153 亿 t, 占华东地区
32%, 煤层气储量 5 928 亿 m3。 煤炭资源开采形成
“三废一沉冶, 每年煤炭开发和发电留下的煤矸石和
粉煤灰高达 500多万 t,占用耕地约 4467hm2,因采煤
造成塌陷 10000hm2,造成许多村庄和建筑物被废弃,
如今正以每年约 347hm2 的速度发展[13],对淮南市
生态环境造成重大影响。
1.2摇 生态承载力计算
为综合考虑社会经济系统对生态承载力的影
响,计算中引入社会经济系统发展指数[14]进行生态
承载力的修正。 模型计算公式为:
F = X 伊 Y 伊 Z (1)
式中,F为社会经济系统发展指数,X为技术指数,用
高新技术产业产值占工业总产值比重表示;Y 为人
力资源指数,用劳动力资源占总人口比重表示;Z 为
经济能力指数,用研究年与前一年的国内生产总值
比值表示。
EC = (移
n
i = 1
Ai 伊 EQi 伊 Yi) 伊 eF / N (2)
式中,EC为人均生态承载力,Ai 为不同类型生态生
产性土地面积, EQi 为均衡因子;Yi 为不同类型生态
生产性土地产量调整系数,即产量因子;F 为社会经
济系统发展指数;N为总人口数。
1.3摇 基础数据处理
以 1987、2000、2009、2012 年 4 期 Landsat TM 遥
感影像(分辨率为 30m)为数据源, 依据生态足迹模
型的生物生产土地分类, 将以上 4 期遥感影像划分
为 6种土地利用类型:耕地、林地、水域、建筑用地、
草地和未利用地,利用遥感影像处理软件 ENVI4郾 8
对遥感影像进行坐标转换、几何校正, 通过人机交
互解译获得 4期比例尺为 1颐10万的淮南市土地利用
类型图。 通过 GPS 进行了野外抽样验证,4 期土地
利用数据分类总体精度可达 86.5%。 利用 GIS 空间
叠加分析获得淮南市 1987— 2000 年、2000— 2009
年、2009— 2012 年 3 个时段的土地利用转移矩阵。
社会经济系统发展指数相关数据来源于《淮南市统
计年鉴》及淮南市政府工作报告,以淮南市域为统计
单元。
2摇 结果与讨论
2.1摇 生态承载力时空变化
如图 1所示,1987—2012年,淮南市人均生态承
载力总体呈现缓慢降低后略微升高的趋势。 其中,
1987—2009年,淮南市人均生态承载力从 0.65hm2下
降到 0.49hm2,年均下降 1.36%;2012年,淮南市人均
生态承载力升高到 0.51hm2。 究其原因,一方面土地
利用变化显著,1987—2012年,淮南市建筑用地增加
13.93%,水域增加 14.55%,林地降低 19.68%,耕地
降低 5.20%,耕地、水体、建筑用地、林地是淮南市土
地利用变化的核心类型,矿区煤炭开采造成塌陷区
增加,形成大面积的积水塌陷区是淮南市水域面积
扩大的主要原因,城镇人口和矿业经济快速增长则
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促使建筑用地的增长,相关研究也有较一致的结
论[15]。 另一方面,技术指数不断提高,人力资源指
数略有下降,经济能力指数曲折变化下略有提高,在
三者的作用下,淮南市社会经济系统发展指数呈现
不断提高的趋势(表 1)。 由公式(2)可以看出,当社
会经济系统发展指数大于 0 时,对生态承载力有强
烈的正反馈效应,虽然生态承载力(原始值)不断降
低,但社会经济系统发展指数对生态承载力的提升
效应不断加强, 2009年人均生态承载力从下降转变
为增长,这正是社会经济系统发展指数正反馈的结
果。 2009—2012年,淮南市社会经济系统发展指数
年均增长率达到 1.42%,而 1987—2009 年社会经济
系统发展指数年均增长率仅 0.40%,因此,2009 年淮
南市人均生态承载力的提高可以认为是经济效益、
科技水平的促进作用引起的。
图 1摇 淮南市 1987—2012年人均生态承载力
Fig1 摇 Ecological carrying capacity per capita in Huainan
during 1987—2012
表 1摇 社会经济系统发展指数
Table 1摇 Social鄄economy system development index
年份
Year
技术指数
Technology index
人力资源指数
Human resources index
经济能力指数
Economy capacity index
社会经济系统发展指数
social鄄economy system development index
1987 0.07 0.60 1.09 1.05
2000 0.14 0.61 1.07 1.10
2009 0.24 0.55 1.12 1.16
2012 0.29 0.59 1.10 1.21
摇 摇 利用 4期土地利用图中每个图斑包含的土地类
型及其对应的均衡因子和产量因子属性计算生态承
载力(绝对值) [16],可以反映土地利用类型不同所致
的生态承载力差异, 即生成 4 期淮南市生态承载力
(绝对值)空间分布图 (图 2)。 可以看出,1987—
2012年,淮南市生态承载力总体呈现显著的下降趋
势,尤其 2000—2009年变化最为明显。 淮南市生态
承载力空间分异十分显著,东南部田家庵区和谢家
集区生态承载力总体最高,连片分布,但 4 个时期内
略有下降,总体格局变化不大;北部潘集区生态承载
力总体较高,但由于景观破碎化较大导致区域生态
承载力差异显著,2009—2012年,该区域生态承载力
略有提高,景观一体化加强,促进生态承载力空间整
体性加强;西部凤台县生态承载力总体较低,总体格
局变化不大。 总体而言,淮南市生态承载力时空差
异显著,总体呈现东南和北部高、西部低的格局,而
且区域破碎化加剧的趋势。 究其原因,主要是淮南
市土地利用变化造成的,矿区占用大量耕地以及积
水塌陷区的形成,进而导致生态承载力的下降和空
间格局分异。
2.2摇 不同类型用地的生态承载力变化分析
淮南市各类土地生态承载力占区域生态承载力
的比例差异显著,而且随着时间变化各类土地生态
承载力也存在明显的变化(图 3)。 可以看出,耕地
生态承载力比例最高,但下降幅度较高,从 79%下降
到 64%,建筑用地生态承载力比例增长较快,从 19%
到 35%,水域生态承载力比例增长幅度最大,从
0郾 6%到 1.3%,林地、草地和未利用地生态承载力比
例变化不大,均小于 1%。 淮南市土地利用改变直接
导致不同类型用地的生态承载力变化,耕地面积降
低,建筑用地、水域面积增长是淮南市土地利用变化
的整体特征,范忻等人研究成果表明淮南水体和建
筑用地扩张迅速,耕地面积以年均 1.09% 的速度减
少[15],这与本研究的结果非常一致。 考虑到耕地和
建筑用地生态承载力的均衡因子最大,水域生态承
载力的均衡因子较小,开展塌陷区整治,将塌陷区形
成的水域转换成耕地或建设用地,将是提高淮南市
生态承载力的最有效途径之一。
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图 2摇 淮南市生态承载力(绝对值)空间分布
Fig.2摇 Spatial distribution of ecological capacity in Huainan
图 3摇 淮南市各类土地生态承载力变化
Fig. 3 摇 The change of different land ecological capacity
in Huainan
摇 摇 根据 4期土地利用图, 运用 GIS 的空间分析功
能, 获得淮南市 3个时段的各类土地利用转移矩阵
(表 2—表 4)。 可以看出,三期土地利用变化中耕地
转出量和转入量均最大,占总转出量的 51郾 40%,占
总转入量的 40.53%,属于用地面积减少型,主要转
移对象是建筑用地、水域和林地,分别占耕地总转出
量的 67.87%、28.52%和 3.61%,呈波动性变化;建筑
用地变化仅次于耕地,占总转出量的 33.15%,占总
转入量的 38.26%,属于用地面积增长型,其中转入
量 91.18%来自于耕地;水域变化排名第三,占总转
出量的 12.20%,占总转入量的 18.71%,属于用地面
积增长型,其中转入量主要来自于耕地和建筑用地,
分别占 78.35%和 20.68%;林地以转出为主,用地面
积略有减少;草地、未利用地变化不大。 总体而言,
淮南市土地利用转移以耕地、建筑用地为主,水域对
土地利用格局的影响日益增强。
3摇 结论与展望
经济科技发展对生态承载力有一定的提升效
益,本文研究结果进一步论证了这一结论。淮南市
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表 2摇 淮南市 1987—2000年土地利用转移矩阵 / hm2
Table 2摇 The transfer matrix of land use in Huainan during 1987—2000
用地类型
Land use Type
耕地
Farmland
林地
Forest
水域
Water Area
建筑用地
Built鄄up Area
未利用地
Unused Land
草地
Pasture
耕地 Farmland 1500.90 15.94 49.77 110.57 20.22 0
林地 Forest 1.74 42.09 0.17 1.15 0 0
水域 Water Area 73.39 0.47 228.12 22.08 0 0
建筑用地 Built鄄up Area 196.90 3.69 12.06 289.43 0 0
未利用地 Unused Land 0 0 0 0 0 0
草地 Pasture 0.12 0 0 0 0 0
表 3摇 淮南市 2000—2009年土地利用转移矩阵 / hm2
Table 3摇 The transfer matrix of land use in Huainan during 2000—2009
用地类型
Land use Type
耕地
Farmland
林地
Forest
水域
Water Area
建筑用地
Built鄄up Area
未利用地
Unused Land
草地
Pasture
耕地 Farmland 1471.52 5.02 43.69 190.39 0 0
林地 Forest 19.01 39.66 2.66 4.11 0 0
水域 Water Area 84.30 0.67 240.31 13.28 0 0
建筑用地 Built鄄up Area 159.87 0.89 13.18 294.15 0 0
未利用地 Unused Land 0.13 0 0 0 0 0
草地 Pasture 1.18 0 0 0 0 0
图 4摇 淮南市城市用地发展方向
Fig.4摇 Development direction of urban land in Huainan city
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表 4摇 淮南市 2009—2012年土地利用转移矩阵 / hm2
Table 4摇 The transfer matrix of land use in Huainan during 2009—2012
用地类型
Land use Type
耕地
Farmland
林地
Forest
水域
Water Area
建筑用地
Built鄄up Area
未利用地
Unused Land
草地
Pasture
耕地 Farmland 1456.06 11.59 60.35 160.50 0 0.88
林地 Forest 8.81 40.07 0.97 1.19 0 0
水域 Water Area 76.65 1.74 233.78 26.48 0 0.39
建筑用地 Built鄄up Area 200.79 12.05 12.08 279.43 1.22 0
未利用地 Unused Land 0 0 0 0 0 0
草地 Pasture 0 0 0 0 0 0
图 5摇 淮南市城镇空间结构
Fig.5摇 Urban spatial structure in Huainan city
作为典型的煤炭资源型城市,矿业经济对于土地利
用的影响直接促使生态承载力时空格局的变化,开
展塌陷区整治,将塌陷区形成的水域转换成耕地或
建设用地,将是提高淮南市生态承载力的最有效途
径之一。 遥感和 GIS技术的应用为可视化展示生态
承载力时空变化特征提供了技术保证,弥补了传统
生态承载力计算过多依靠社会经济统计数据的缺
陷。 然而,运用高分辨率遥感影像(分辨率 10m 以
下)精确判定土地利用类型,运用方格网分析土地利
用,针对不同类型塌陷区(稳沉区和非稳沉区)开展
生态承载力研究具有重要意义。 此外,本研究成果
可为淮南市总体规划提供依据,如生态承载力可以
作为城市用地发展方向选择的指标,本文研究表明
舜耕山以南、城市东南方生态承载力较高,建议淮南
市主城区主要向南发展,在舜耕山以南形成新城区,
西部城区和北部城区向东南方向发展,这与淮南市
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总体规划确定的城市用地发展方向是一致的(图
4);另外,生态承载力可以判断城市空间结构选择的
合理性,淮南市总体规划确定“一主两副三区冶的空
间发展结构:“一主冶:指淮南主城区;“两副冶:2 个副
中心城市,即潘集区驻地,凤台县城;“三区冶:即南部
城市发展区、北部城镇发展区和西部城镇发展区(图
5),本研究得出潘集区生态承载力总体较高,但由于
景观破碎化较大导致区域生态承载力差异显著,凤
台县生态承载力总体较低,总体格局变化不大,建议
2个副中心城市在发展指引方面应该依据生态承载
力状况给出不同的发展战略。 因此,运用生态承载
力分析矿业城市用地适宜性、空间布局合理性、项目
选址等内容,加强生态承载力在城乡规划中的应用,
将是矿业城市生态承载力研究的重要方向之一。
致谢:中国科学院沈阳应用生态研究所杨健研究员
对本文写作给予帮助,特此致谢。
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