1. 引言

土地资源是人类赖以生存的物质基础，既是当前人地系统的重要组成部分，也是当前生态文明建设空间结构的主要支撑[1]。土地利用变化对人类经济社会的发展以及生态环境的保护和恢复都有着深远的影响[2]。土地利用变化是人类与其生存环境在土地资源系统上耦合互动的结果。反过来，土地利用变化在不同的时间空间尺度上都影响人类活动和自然环境系统[3]。研究土地利用的时空特征，可以很好地把握该区域的生态环境变化趋势[4]，从而积极应对和解决生态环境和社会经济发展的矛盾和问题[5]。景观格局研究对于一个区域的生态现状和变化的了解有非常重要的作用[6]。因此，将土地利用变化和景观格局结合研究有助于探讨两者之间的相互关系[7]，是揭示区域生态状况及空间变化特征的有效手段[8]。

DADASHPOOR等基于遥感影像，结合景观扩张指数在不同的空间尺度上研究了不里士大都市区的景观格局变化[9]。ABDOLALIZADEH等通过确定土地利用类别及其在研究期间发生的变化，通过对景观格局进行量化，分析类别和景观层次上的多样性、复杂性和破碎化特征[10]。孙一凡等以土地利用数据为基础，多角度探究土地利用景观格局演变特征[11]。马瑞芳等研究了近19年西安土地覆被和景观格局变化，发现该区建设用地破碎化程度较高，且耕地林地破碎化程度升高，景观格局趋向多态性和异质性[12]。程水英等基于神东矿区遥感影像资料，从土地利用和景观格局指数方面分析了神东矿区开发20年的生态环境的变化[13]。煤炭资源的开采在促进我国社会经济发展的同时，也给环境带来了各种各样的负面影响。目前，我国95%以上的煤炭资源采用井工开采方式[14]，随着开采规模和强度的增加，矿区的生态问题日趋突出，因此井工煤炭开采后的生态修复已经成为热点问题之一[15]。为加快推进生态文明建设，就要坚定不移走生态优先、绿色发展之路，守护好祖国北疆亮丽风景线[16]，努力建设祖国北方重要的生态安全屏障。

本文以神东矿区为研究对象，对其土地利用时空变化规律和景观格局变化进行分析，并探讨其变化规律和驱动因素，对研究区未来的土地利用规划、生态修复、人与自然协调发展具有现实意义。

2. 研究区概况、数据来源与研究方法

2.1. 研究区概况

神东矿区位于鄂尔多斯高原东南部，陕北黄土高原北缘，毛乌素沙漠的东南边缘[17]。主要包括陕西省榆林市神木县北部、府谷县西部及内蒙古鄂尔多斯市东胜区南部、伊金霍洛旗及准格尔旗西南部等地。神东煤田地理坐标在北纬37˚20′~40˚16′、东经108˚36′~110˚40′之间。总体地形呈西北高、东南低[18]，如图1所示。本文选取了在内蒙古和陕西境内相对集中的11个矿井作为核心研究对象。

Figure 1. Research area bitmap

图1. 研究区区位图

2.2. 数据来源

本文采用2020年欧空局10米土地覆盖数据，并结合研究区的具体实际情况，首先地类分为耕地、林地、草地、水域、未利用地和建设用地，并且分别赋值为1、2、4、5、7、8。

2.3. 研究方法

2.3.1. 土地利用转移矩阵

土地利用转移矩阵是通过系统分析的定量研究方法，主要应用于土地利用变化的相关研究中。其数学表达式为：

$S_{ij}=\left(\begin{array}{ccc}{a}_{11}& \dots & a_{1n}\\ ⋮& \ddots & ⋮\\ a_{m1}& \cdots & a_{mn}\end{array}\right)$ (1)

式中：$S_{ij}$ 表示某种土地利用类型研究期初到期末的面积增减变化，$n$ 代表研究涉及的土地利用类型种类。

2.3.2. 景观格局指数研究方法

景观格局是指景观空间分布特征，多用于解释和理解其变化过程的研究。景观指数可以高度概括景观格局特征，是研究景观格局的重要方法[19]。本文首先按照当地的情况和各景观格局指数的生态学意义，选取了4个既具有代表性又互相相关性较小的指数(表1)。然后对1992、2002、2012以及2022年研究区土地利用时空变化进行指标计算，最后对各指数及其变化进行分析。

Table 1. Landscape pattern index table

表1. 景观格局指数表

3. 结果与分析

3.1. 土地利用时空变化分析

在研究期内，神东矿区土地利用类型中(图2、图3)，草地面积最大，达11,000 Km² (79%)以上；其次是耕地，达到2000 Km² (14%)；随后是建设用地和未利用地，分别约达到370 Km² (2.7%)和128 Km² (0.92%)；林地和水域面积较少，分别约为27 Km² (0.19%)和90 Km² (0.65%)。从分布来看，草地均匀分布在研究区绝大部分地区；耕地主要分布在研究区西部以及东北部；建设用地主要分布在研究区中部鄂尔多斯市及其周边乡镇地区；未利用地主要分布在研究区西南地区；林地和水域呈分散式分布在研究区。耕地和水域东西部差异较大。

Figure 2. Land use type map of Shendong Mining area in 1992 and 2002

图2. 神东矿区1992年、2002年土地利用类型图

Figure 3. Land use type map of Shendong Mining area in 2012 and 2022

图3. 神东矿区2012年、2022年土地利用类型图

1992~2002年，研究区林地、草地、建设用地面积增加，其余各类型面积均减少(图4和表2)。这一阶段主要以耕地和草地之间的流转为主，耕地向草地流转822.2796 Km² (32.82%)，草地向耕地流转338.8626 Km² (3.33%)；水域主要向草地流转，流转面积为81.2520 Km² (8.74%)；未利用地的变化主要以开垦为耕地为主；除林地之外的所有用地类别均对建设用地扩张有贡献，其中草地被占用36.4212 Km²，占建设用地新增的55.56%。总体来说主要用地流转发生在草地和耕地之间。

2002~2012年，研究区林地、草地、建设用地面积增加，其余各类型面积均减少(图4和表2)。这一阶段林地与建设用地面积继续迅猛增加，分别增加0.8082 Km² (742.15%)与83.2869 Km² (56.52%)；耕地与草地之间的流转比较频繁，耕地向草地流转744.0156 Km² (35.25%)，草地向耕地流转296.8614 Km² (2.69%)；未利用地依然以开垦为耕地为主；除林地之外的所有用地类别均对建设用地扩张有贡献，其中草地被占用54.5211 Km²，占建设用地新增的65.46%。

2012~2022年，研究区土地利用变化较大，耕地、林地、水域和建设用地面积增加(图4和表2)，尤其林地面积增幅较快，达到26.8821 Km²。耕地增加207.6200 Km² (12.59%)，水域增加18.8847 Km² (26.32%)，建设用地增加141.2397 Km² (61.23%)；主要变化还是发生在耕地和草地之间，耕地向草地流转567.6219 Km² (34.43%)，草地向耕地流转806.6223 Km² (6.93%)。

Figure 4. Area of land species in each year of the study area

图4. 研究区各年份地类面积

Table 2. Variation of class area by region

表2. 各地类面积变化表

3.2. 土地利用景观格局变化分析

Table 3. Landscape level index table

表3. 景观级别指数表

从表3可见，研究区在整个研究期间内，土地利用面积加权形状指数呈下降趋势，表明斑块形状趋于规整；斑块密度下降，说明其景观破碎度在一定程度上有所缓和；而散布并列指数上升，则体现出各景观分布较散，且分布愈加均匀；香农多样性指数1992年~2012年下降，说明研究区这一阶段景观多样性减弱，2012年~2022年香农多样性指数，说明研究区该期间景观多样性增加。

4. 讨论

1992~2002年期间，根据土地利用景观格局指数显示，土地利用斑块破碎度减少，斑块形状更为规整，类型多样却混合分布，表明按照自然条件形成的原生的生态系统被人为切割，导致原有的比较稳定、均一的土地利用类型被改变。结合土地利用变化可知，1992~2002年的变化主要以耕地与草地之间的互相转变，未利用地大面积开垦为耕地以及除林地之外所有的用地类型都被占用为建设用地为主。这些变化与城市化速度加快及人口增长迅速密切相关，另外，由于研究区属于典型的中温带半干旱大陆性气候，降雨量少，导致蒸发量的增加，水域面积随之减少，并且还因为研究区煤层相对较厚，埋藏较浅，不合适的开采方式容易破坏煤层上覆隔水层的完整性，导致地下潜水乃至区域性地表水泄漏这段时间内的水域面积减少。综上所述，该时间段内人口增长对耕地的压力和经济发展城市扩张对土地的压力最终转嫁给未利用地，该时间段内人与自然的矛盾逐渐变得尖锐，生态环境的重要性逐渐被认识，因此之后更有一些生态环境工程被提出来。

2002~2012年期间，研究区的土地利用及其景观格局变化更为强烈，景观级别的SHAPE_AM、SHDI、PD变化趋势都与第一阶段保持一致，但是1992~2002年变化量分别是2002~2012年这一阶段变化量的2.70、1.37、12.41倍，表明这一阶段的社会经济活动对自然环境造成的影响没有前一阶段剧烈。但IJI指数比前一阶段高，说明这一阶段土地利用景观类型更为多样且混合分布。结合土地利用变化可知，由于研究区进行造林、退化林修复、封山育林以及退耕还林工作，同时还有部分撂荒的耕地以及一些未利用地自然生长逐渐形成灌木林地[20]，林地面积这一阶段增长非常迅速。由于研究区的经济发展和城市化速度依然加快，建设用地面积依然急速增加。这期间政府依然实行了多个生态保护工程，退耕还林还草是研究区最大的生态保护工程，所以相应的耕地数量减少，林地草地数量增加。但水域面积依然减少。总体上这阶段生态保护工程主要与林地草地有关，对水域的保护工程较少。

2012~2022年期间，研究区的土地利用及其景观格局变化与前两个阶段不同，这一阶段耕地、林地、水域和建设用地面积增加，草地和未利用地面积减少。土地利用斑块破碎度减少，斑块形状更为规整，类型多样却混合分布。这一阶段的土地利用及其景观格局变化较大，主要集中于林地和水域之间。林地由于研究区护林工作的顺利进行，面积急速上升，涨幅非常之快。土地利用斑块破碎度减少，斑块形状更为规整，类型多样却混合分布。2012年之后研究区水域面积出现增长趋势，是因为鄂尔多斯政府重点解决煤炭开采和水资源保护之间的矛盾，精打细算用好水资源，从严从细管好水资源，大力实施水资源保护治理和利用工程。2012年后个别矿区采矿活动频繁导致草地退化。建设用地依然随着城市化发展面积增长。2012年后鄂尔多斯政府探索盐碱地综合利用，并且确认矿区生态恢复方向为耕地，由于这些政策的实行，研究区2012年~2022年耕地数量上升[21]-[23]。这阶段总体上这阶段生态保护工程有实质性的成果，但后续依然要注意平衡好草地、林地、耕地、水域与建设用地的关系，为了长久发展、绿色发展应进一步进行长久规划。

科技是重要的技术手段，矿区依靠科技进步，不断创新开采技术，创造性地提出了“采前防治、采中控制、采后修复”生态建设理念[24]。鄂尔多斯政府一直坚持绿色发展理念，矢志不渝地改善矿区的生态环境：矿区正在实行用电光伏化，利用煤矿优势土地资源，规模化建设光伏电站，生产带有“绿证”的“绿电”，提供零碳能源。利用采空区大规模建设光伏项目，生产自用就地消纳后多余电量并网。还可利用井下巷道与地面的高差，建设矿井水储能电站；发展建筑光伏，用于特定设备或场所充电[25]；其次扩大沙棘、沙柳的种植面积，沙棘、沙柳有固定平茬的特点，可以开发生物质能。统筹建设“五林”协同碳汇林，最好能进行产业化发展，可以把沙棘资源优势转化为经济优势，神东矿区发展沙棘产业，是提高生态治理经济效益、调动农民参与塌陷区治理积极性的根本保证。

最后同样重要的一点是目前矿区的治理主要侧重于土地整治与生态恢复，而忽视了后期的管理，使得矿山的生态恢复效果无法持续。在矿山的土地整治与生态恢复中，应通过合理的规划和设计，创造出多种效益例如经济、文化、科学、教育等多种效益和多种功能例如娱乐、环境、休闲，同时还应重视建立无形资产。在某些条件较好的地区，可以将矿区生态修复与经济开发、旅游开发、文化建设相结合，并将其改造成绿地、生态湿地、公园、科普旅游区、游乐场、活动中心等[26]。这里主要是矿山公园和矿山湿地的生态修复。建立矿山公园，是矿山废弃地修复的一项创新举措，是使不可再生的重要矿业遗迹得到保护和永续利用的有效途径，既可充分展示有着数千年历史的中国矿业文化，为人们提供旅游观赏的景观，为科学活动提供参考和研究对象，又可促进矿山经济转型和社会发展，有利于推动矿山企业走可持续发展的道路。在矿山生态修复设计时，无论是矿山废弃地面积较大、地质遗迹特色显著、矿业发展历史内涵深厚，可修复为矿山公园的，还是众多面积较小、不具备修复为矿山公园条件的矿山废弃地修复，都需将园林景观设计思想贯穿于生态修复工程设计中，以求实现最好的生态效益与景观效果。让矿区的天更蓝、山更绿、水更清、环境更优美，让绿水青山就是金山银山的理念在这片土地上更加充分地展示出来。

5. 结论

本文基于神东矿区1992年、2002年、2012年2022年4期土地利用数据，运用土地利用转移矩阵和景观格局指数分析法分析研究区近30年土地利用时空演变特征，结论如下：

(1) 研究期内的土地利用变化较强烈，尤其是2012年~2022年。总体上以耕地、林地、水域和建设用地的增加为主，而草地和未利用地以减少为主。其中减少幅度较大得是未利用地。这阶段由于快速的城镇化带来的土地压力主要集中在耕地和建设用地上，因此未利用地面积大幅下降，流转为耕地建设用地。水域增加幅度也比较大，同时也反映了干旱半干旱区水资源对自然生态系统和社会活动影响程度非常大。

(2) 2012~2022年，林地面积迅猛增加，这与政府实施的退耕还林、三北防护林、天然林保护工程等有非常大的关系，表明在这个阶段已经开始经济建设与生态建设一起发展。但是各种生态恢复都以林地为主，草地数量有所减少，但是研究区最大的生态系统为草地，草地数量在研究区内占比最大，草地的生态意义重大，因此对草地的保护应重视。

(3) 从土地利用景观格局看，研究区在研究期第一阶段和第二阶段各指数变化相对较小，并且指数变化趋势大致一致，但第三阶段呈现出非常剧烈的变化。总体来说整个研究期内各地类斑块均表现出破碎化、分布均匀化和形状规整化。在自然环境相对稳定期间，这种剧烈变化表明人类活动及政策原因对自然生态系统的干扰加剧，建设用地等经过城市化等原因逐渐增多，使得自然形成的草地、水域和森林等生态系统遭到切割和分化。

(4) 研究区地类变化除了自然因素外，人为政策干扰对地类的影响也很大；土地利用结构在各类政策导向下总体趋势逐渐变好。矿区应继续用电光伏化、开发生物质能、还应重视建立无形资产。在某些条件较好的地区，可以将矿区生态修复与经济开发、旅游开发、文化建设相结合，并将其改造成绿地、生态湿地、公园、科普旅游区、游乐场、活动中心等。

基金项目

内蒙古自治区自然科学基金项目：土地利用视角下黄河流域内蒙古段碳排放测度及减排增汇机制研究(2023LHMS04013)。

内蒙古师范大学自主科研项目：中国北方草原区风力发电场对地气系统的影响(29K18ZZYF041)。

参考文献