基于指數(shù)和法及差積法的礦山損毀土地復(fù)墾為農(nóng)用地的適宜性評(píng)價(jià)

程琳琳， 孫海元， 劉曇曇， 趙宇昕， 李玉虎， 付亞潔

[中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院，北京 100083]

我國(guó)是人口和農(nóng)業(yè)大國(guó)，數(shù)量充足而又高質(zhì)量的農(nóng)用地是國(guó)家及區(qū)域安全和穩(wěn)定的重要保障。改革開放以來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，礦產(chǎn)資源的開發(fā)利用規(guī)模迅速擴(kuò)大，農(nóng)用地?fù)p毀問(wèn)題越來(lái)越凸出，加劇了人地矛盾[1-2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)因采礦造成的土地?fù)p毀面積累計(jì)超過(guò)400萬(wàn)hm2，且每年以1.3萬(wàn)hm2的速度增長(zhǎng)，這給我國(guó)本就緊張的農(nóng)用地資源保護(hù)帶來(lái)了又一巨大壓力[3]。土地復(fù)墾是實(shí)現(xiàn)農(nóng)用地占補(bǔ)平衡的重要途徑，也是國(guó)家大力發(fā)展的一項(xiàng)科學(xué)技術(shù)[4-6]。土地復(fù)墾適宜性評(píng)價(jià)作為評(píng)價(jià)損毀土地復(fù)墾后是否適宜利用以及適宜程度的一種技術(shù)手段，是進(jìn)行土地復(fù)墾利用決策、改良途徑選擇和科學(xué)編制土地利用規(guī)劃的基本依據(jù)，在復(fù)墾工作中起著重要作用[7-10]。筆者以云南省龍馳煤礦為例，采用二級(jí)評(píng)價(jià)體系，應(yīng)用指數(shù)和法與差積法，對(duì)其損毀土地進(jìn)行土地復(fù)墾為農(nóng)用地的適宜性進(jìn)行評(píng)價(jià)，以期為土地復(fù)墾利用決策和土地改良途徑選擇提供理論支持。

1 研究區(qū)概況與評(píng)價(jià)方法

1.1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

龍馳煤礦開采方式采用井工開采，位于云南省羅平縣西北方向27 km處(地理坐標(biāo)為25°07′N、104°05′E)，屬于典型的亞熱帶高原性山地季風(fēng)氣候，雨水豐沛。土壤類型主要為紅壤、黃壤，壤土厚度在0.5～1.5 m，有機(jī)質(zhì)含量約為2.8%，自然肥力較高。植被屬亞熱帶半濕潤(rùn)常綠闊葉林，以喬木和灌木為主，農(nóng)作物主要有水稻、小麥、玉米等。

龍馳煤礦損毀土地總面積達(dá)500.60 hm2，其中礦山生產(chǎn)設(shè)施和礦部建設(shè)占用土地面積2.95 hm2，礦區(qū)排土場(chǎng)和尾礦庫(kù)壓占土地面積0.10 hm2，地面塌陷面積497.65 hm2。本研究區(qū)主要包括礦區(qū)排土場(chǎng)和尾礦庫(kù)壓占及地面塌陷所損毀的土地，面積共為497.75 hm2。

通過(guò)羅平縣國(guó)土資源部門、水利部門、農(nóng)林業(yè)部門、氣象部門以及羅平縣近3年的統(tǒng)計(jì)年鑒獲取研究區(qū)的地質(zhì)地貌、水文經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)；土地?fù)p毀數(shù)據(jù)主要通過(guò)實(shí)地調(diào)研和利用沉陷預(yù)測(cè)軟件預(yù)測(cè)得到。將得到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入ArcGIS 10.2，先利用空間校正工具條及地圖投影統(tǒng)一坐標(biāo)系校正數(shù)據(jù)到正確位置，再利用ArcToolbox工具箱的疊置分析、距離分析、屬性分析等得到每個(gè)評(píng)價(jià)單元的得分。最后根據(jù)宜耕、宜林、宜草各個(gè)評(píng)價(jià)方向利用自然間斷點(diǎn)分級(jí)法將研究區(qū)分為高度適宜區(qū)、一般適宜區(qū)、勉強(qiáng)適宜區(qū)、不適宜區(qū)4個(gè)等級(jí)。

1.2 評(píng)價(jià)原則

礦山損毀土地復(fù)墾為農(nóng)用地適宜性評(píng)價(jià)體系的建立不僅要考慮農(nóng)用地適宜性評(píng)價(jià)的基本原則，還要兼顧礦山損毀土地的特點(diǎn)。因此，評(píng)價(jià)所要遵循的主要原則可以概括為以下幾點(diǎn)：(1)因地制宜、農(nóng)業(yè)用地優(yōu)先原則；(2)符合土地利用總體規(guī)劃，并與其他規(guī)劃相協(xié)調(diào)原則；(3)主導(dǎo)因素與綜合平衡原則；(4)自然因素與社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素相結(jié)合原則；(5)經(jīng)濟(jì)可行與技術(shù)合理性原則；(6)綜合效益最佳原則[8，11-17]。

1.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建與權(quán)重確定

考慮到煤礦損毀土地復(fù)墾的特點(diǎn)，在咨詢了來(lái)自土地復(fù)墾、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、牧業(yè)和土地管理的專家后，運(yùn)用兩兩比較法根據(jù)宜耕、宜林、宜草方向?qū)υu(píng)價(jià)因子進(jìn)行篩選，分別選取土壤有機(jī)質(zhì)含量、損毀程度、耕地管理半徑、灌溉條件、排水條件、土地利用現(xiàn)狀、海拔、地表坡度和水土污染程度等9個(gè)相互獨(dú)立又相互補(bǔ)充的參評(píng)因子。指標(biāo)量化標(biāo)準(zhǔn)參考了土地適宜性評(píng)價(jià)、土地復(fù)墾技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和有關(guān)研究成果(表1)。

土地復(fù)墾評(píng)價(jià)因子權(quán)重是在咨詢了相關(guān)專家后構(gòu)造判斷矩陣，求算出每位專家分別根據(jù)宜耕、宜林、宜草3個(gè)評(píng)價(jià)方向確定的每個(gè)因子權(quán)重的平均值，詳見表2。

表1 龍池煤礦損毀土地農(nóng)用地復(fù)墾適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)量化標(biāo)準(zhǔn)

注：“—”表示無(wú)相應(yīng)數(shù)據(jù)或內(nèi)容。

表2 龍池煤礦損毀土地農(nóng)用地復(fù)墾適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

1.4 評(píng)價(jià)單元?jiǎng)澐?/h3>

目前，常用的土地適宜性評(píng)價(jià)單元類型有土壤類型單元、土地資源類型單元、土壤利用現(xiàn)狀圖斑單元、行政單元、網(wǎng)格單元，以及多因素疊置法形成的同質(zhì)單元等[8，18-24]。由于礦山開采的特殊性，宜常采用疊置法形成的同質(zhì)單元。將得到的土壤有機(jī)質(zhì)含量圖、灌溉條件圖、土地利用現(xiàn)狀圖、損毀程度圖、地表坡度圖、排水條件圖、耕地管理半徑圖、海拔圖等疊置。通過(guò)疊置法得到的評(píng)價(jià)單元雖然同質(zhì)，但是部分評(píng)價(jià)單元面積較小，不具有物理意義。因此利用評(píng)價(jià)單元之間的歐氏距離，依次將面積較小的同質(zhì)單元合并到相鄰的最相似單元中。得到的評(píng)價(jià)單元內(nèi)部性質(zhì)相對(duì)均一或相近，單元之間又具有差異性和可比性，能客觀地反映土地在一定時(shí)期和空間上的差異。共得到124個(gè)評(píng)價(jià)單元，合并后的單元得分按公式(1)計(jì)算：

(1)

式中：F為合并后的單元總分值；Fi、Fj分別為合并前評(píng)價(jià)單元i、j的總分值；Si、Sj分別為合并前評(píng)價(jià)單元i、j的面積。

1.5 評(píng)價(jià)模型

綜合分析參與評(píng)價(jià)的因子，沒(méi)有明顯的限制性因素，各參評(píng)因子之間也沒(méi)有明顯的相關(guān)性，因此，宜采用指數(shù)和法[25]進(jìn)行評(píng)價(jià)。指數(shù)和法充分考慮了各參評(píng)因子的重要性，并對(duì)各參評(píng)因子進(jìn)行量化。按公式(2)計(jì)算各評(píng)價(jià)單元的綜合分值，評(píng)價(jià)研究區(qū)范圍內(nèi)宜農(nóng)、宜林、宜草各評(píng)價(jià)方向的適宜性及適宜程度。

(2)

式中：Fik是評(píng)價(jià)單元i在評(píng)價(jià)方向k上的得分；aikj是評(píng)價(jià)單元i在評(píng)價(jià)方向k上的第j個(gè)因子的得分；bikj是評(píng)價(jià)單元i在評(píng)價(jià)方向k上的第j個(gè)因子的權(quán)重。

1.6 不適宜區(qū)和勉強(qiáng)適宜區(qū)限制因子分析方法

每個(gè)評(píng)價(jià)單元的各個(gè)利用方向的適宜程度是多個(gè)因子共同作用的結(jié)果。勉強(qiáng)適宜區(qū)和不適宜區(qū)的評(píng)價(jià)單元的不適宜性則主要是由于1個(gè)或者多個(gè)因子不適宜造成的。利用差積法分析勉強(qiáng)適宜區(qū)和不適宜區(qū)的各個(gè)因子，計(jì)算公式如下[26]：

(3)

2 結(jié)果與分析

2.1 不同評(píng)價(jià)方向的等級(jí)分析

龍馳煤礦不同評(píng)價(jià)方向復(fù)墾適宜等級(jí)空間分布和復(fù)墾適宜等級(jí)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖1、表3。宜耕、宜林、宜草評(píng)價(jià)方向的高度適宜區(qū)、一般適宜區(qū)、勉強(qiáng)適宜區(qū)、不適宜區(qū)的得分區(qū)間各不相同，宜林評(píng)價(jià)方向與宜耕、宜草同等適宜等級(jí)的各區(qū)間相比得分相對(duì)較大，宜耕評(píng)價(jià)方向的得分次之，宜草評(píng)價(jià)方向的得分最小。宜林評(píng)價(jià)方向高度適宜區(qū)的總面積所占比例比宜耕、宜草評(píng)價(jià)方向都大，宜草評(píng)價(jià)方向的比例最小。與此相反，宜林評(píng)價(jià)方向不適宜區(qū)面積所占比例比宜耕、宜草評(píng)價(jià)方向都小。宜林評(píng)價(jià)方向的勉強(qiáng)適宜區(qū)面積所占比例最大，而宜草、宜耕評(píng)價(jià)方向則是不適宜區(qū)面積所占比例最大。

表3 龍馳煤礦損毀土地不同評(píng)價(jià)方向(耕地、林地、草地)復(fù)墾適宜等級(jí)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

龍馳煤礦各評(píng)價(jià)單元得分分布見圖2。對(duì)于同一評(píng)價(jià)單元，宜林評(píng)價(jià)方向的得分高于宜草、宜耕評(píng)價(jià)方向的得分，宜草評(píng)價(jià)方向的得分最低。農(nóng)作物、樹木、草對(duì)土地自然因素和環(huán)境狀況條件的要求有差異，是同一評(píng)價(jià)單元各評(píng)價(jià)方向得分不同的主要原因[27-29]。林地具有較高的固定水分營(yíng)養(yǎng)、抵御自然災(zāi)害的生態(tài)能力，有較強(qiáng)的適應(yīng)能力[30]。而耕地是人工生態(tài)系統(tǒng)，人為參與性較強(qiáng)，增強(qiáng)了農(nóng)作物養(yǎng)分補(bǔ)給和抵御自然災(zāi)害的能力[31]。

2.2 不適宜區(qū)和勉強(qiáng)適宜區(qū)限制因子分析

2.2.1 宜耕評(píng)價(jià)方向勉強(qiáng)適宜區(qū)和不適宜區(qū)限制因子分析 從圖3可以看出，宜耕評(píng)價(jià)方向勉強(qiáng)適宜區(qū)排水條件、水土污染程度2因子的相對(duì)值較大，而損毀程度得分的相對(duì)值等于-1.82，具有明顯的限制性，是主要的限制因子。除文獻(xiàn)標(biāo)志符描述符(FID)為14的評(píng)價(jià)單元外，土地利用現(xiàn)狀評(píng)價(jià)因子在其他各評(píng)價(jià)單元得分的相對(duì)值都較小，在不同單元表現(xiàn)出的限制也不同，尤其在FID為22時(shí)其限制性更為突出。土壤有機(jī)質(zhì)含量也僅在評(píng)價(jià)單元FID為8和24處得分的相對(duì)值較大。每個(gè)評(píng)價(jià)單元的灌溉條件與海拔2因子的相對(duì)值都相等，且2因子僅在少數(shù)評(píng)價(jià)單元處具有限制性。地表坡度和耕作管理半徑2因子得分的相對(duì)值則隨著評(píng)價(jià)單元FID值的變化較大且地表坡度僅在評(píng)價(jià)單元FID為9處表現(xiàn)出明顯的限制性。

從圖4可以看出，宜耕評(píng)價(jià)方向不適宜區(qū)各評(píng)價(jià)單元的損毀程度、地表坡度、灌溉條件3因子的得分都較一般適宜區(qū)的評(píng)價(jià)單元得分的最小值低，是主要的限制因子。土地利用現(xiàn)狀因子僅在FID為0和24處具有限制性，而海拔也僅在FID為4～6、9、26處具有限制性。土壤有機(jī)質(zhì)含量的得分雖比一般適宜區(qū)的評(píng)價(jià)單元得分的最小值低，但其相對(duì)值也僅為-0.41。水土污染程度除在FID為25的評(píng)價(jià)單元處具有明顯的限制性外，其得分都較該評(píng)價(jià)方向一般適宜區(qū)評(píng)價(jià)單元得分的最小值大，相對(duì)值為0.63。耕地管理半徑因子除在FID為7、22～25的評(píng)價(jià)單元處相對(duì)值較小外，其得分都較該評(píng)價(jià)方向一般適宜區(qū)的評(píng)價(jià)單元得分的最小值大。排水條件因子的得分都較一般適宜區(qū)的評(píng)價(jià)單元得分的最小值大。

2.2.2 宜林評(píng)價(jià)方向勉強(qiáng)適宜區(qū)和不適宜區(qū)限制因子分析 從圖5可以看出，宜林評(píng)價(jià)方向勉強(qiáng)適宜區(qū)各評(píng)價(jià)單元的土壤有機(jī)質(zhì)含量和排水條件2因子的得分都較該方向一般適宜區(qū)的評(píng)價(jià)單元得分的最小值大，而水土污染程度的相對(duì)值都較小，是主要的限制性因子。損毀程度因子的得分與該評(píng)價(jià)方向一般適宜區(qū)的評(píng)價(jià)單元得分的最小值相等。海拔因子除在FID為3～4、18和32的評(píng)價(jià)單元處具有限制性外，其他評(píng)價(jià)單元的相對(duì)值都等于0。土地利用現(xiàn)狀、地表坡度、灌溉條件3因子得分的相對(duì)值則隨著評(píng)價(jià)單元FID的變化而變化較大。土地利用現(xiàn)狀和水土污染程度2因子分別在FID為21.31的評(píng)價(jià)單元處表現(xiàn)出明顯的限制性。

從圖6可以看出，宜林評(píng)價(jià)方向不適宜區(qū)評(píng)價(jià)單元的有機(jī)質(zhì)含量和排水條件2因子得分的相對(duì)值都較大，而水土污染程度因子得分的相對(duì)值較小，是主要的限制性因子。地表坡度因子除在FID為0～3、9、16處和灌溉條件因子除在FID為0、15處的評(píng)價(jià)單元得分的相對(duì)值等于0外，在其他評(píng)價(jià)單元處都具有明顯的限制性。海拔因子僅在FID為1～3、5和16的評(píng)價(jià)單元處具有一定的限制性，在其他評(píng)價(jià)單元處得分的相對(duì)值都等于0。損毀程度因子也僅在FID為9和10的評(píng)價(jià)單元處具有限制性，在其他評(píng)價(jià)單元處其相對(duì)值等于0。評(píng)價(jià)單元FID為0的主要限制因子是土地利用現(xiàn)狀因子。

2.2.3 宜草評(píng)價(jià)方向勉強(qiáng)適宜區(qū)和不適宜區(qū)限制因子分析 從圖7可以看出，宜草評(píng)價(jià)方向勉強(qiáng)適宜區(qū)評(píng)價(jià)單元的排水條件、土壤有機(jī)質(zhì)含量2因子得分的相對(duì)值較大。灌溉條件除在評(píng)價(jià)單元FID為2、12、15等處得分的相對(duì)值較大，不具有限制性外，在其他評(píng)價(jià)單元得分的相對(duì)值都較小，尤其在評(píng)價(jià)單元FID為5～9、21、40～41處具有明顯的限制性。損毀程度得分的相對(duì)值都等于-1.98，是主要的限制因子。地表坡度得分的相對(duì)值隨評(píng)價(jià)單元FID的增大變化較大，在評(píng)價(jià)單元FID為12、15、25、32和45處具有明顯的限制性。土地利用現(xiàn)狀除在FID為0的評(píng)價(jià)單元處得分的相對(duì)值為-1.53外，在其他評(píng)價(jià)單元處得分的相對(duì)值在 -0.63～0.57之間變化。

從圖8可以看出，宜草評(píng)價(jià)方向不適宜區(qū)評(píng)價(jià)單元的損毀程度、地表坡度2因子得分的相對(duì)值較小，是主要的限制因子。灌溉條件除在FID為22的評(píng)價(jià)單元處得分較該評(píng)價(jià)方向一般適宜區(qū)評(píng)價(jià)單元得分的最小值大外，在其他單元處其相對(duì)值都較小，也是主要的限制因子。水土污染程度僅在評(píng)價(jià)單元FID為22時(shí)得分的相對(duì)值較小。排水條件、土壤有機(jī)質(zhì)含量2因子得分的相對(duì)值都較大。除FID為3～5、8、25的評(píng)價(jià)單元外，海拔因子得分較該評(píng)價(jià)方向一般適宜區(qū)的評(píng)價(jià)單元得分的最小值大。土地利用現(xiàn)狀因子得分的相對(duì)值隨評(píng)價(jià)單元FID的增大在0～1之間變化。

3 結(jié)論

將指數(shù)法和差積法相結(jié)合，并以ArcGIS 10.2空間分析軟件作為支撐，對(duì)龍馳煤礦損毀土地進(jìn)行了宜耕、宜林、宜草3個(gè)方向的土地復(fù)墾適宜性評(píng)價(jià)，并對(duì)其限制因子進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，龍馳煤礦采煤損毀土地最適宜復(fù)墾成林地，可通過(guò)降低水土污染程度提高宜林勉強(qiáng)適宜區(qū)和不適宜的適宜程度，為該區(qū)損毀土地的復(fù)墾利用決策提供了理論依據(jù)。