基于模糊綜合評價和景觀連接度的工礦廢棄地生態復墾利用優先度評判：以大冶市為例

危小建，肖展春，譚永濱，王 恬，陳竹安（.東華理工大學資源與環境經濟研究中心，江西 南昌

330013；2.東華理工大學測繪工程學院，江西 南昌 330013；3.武漢大學自然科學學報編輯部，湖北 武漢 430072）

工礦用地曾經為經濟社會發展做出突出貢獻，但隨著時間推移，廢棄工礦用地對生態環境造成了破壞，且浪費土地資源［1］。工礦廢棄地的生態系統結構與功能退化嚴重，制約可持續發展戰略［2-3］。因此，工礦廢棄地的生態恢復與重建十分必要。由于工礦廢棄地復墾需要大量人力財力，為使其價值最大化，復墾前進行優先度評判具有重要現實意義和學術價值［4］。

目前，一些學者對土地復墾評價及其方案決策進行了多方面探討，主要圍繞基礎理論研究［5］、重金屬污染評價［6］、生態質量變化研究［7-8］、生態修復與重建研究［9-10］、復墾利用評價［11］、復墾方案決策研究［12-13］和評價方法研究［14-15］等內容開展，且相關研究已初步形成了較完整體系［16］，表明被廣泛使用的模糊綜合評價方法適用于土地復墾適宜性評價。在生態網絡研究方面，謝慧瑋等［17］利用生態網絡作為自然遺產地區生態評價與監控的重要手段；武劍鋒等［18］利用最小耗費距離模型和障礙影響指數、景觀連接度指數評價城市土地；吳昌廣等［19］采用費用距離分析直觀描繪物種在異質景觀中的連接度。已有生態網絡研究中對景觀連接度的研究成果很豐富［20-23］。此外，已有研究提出在開展工礦廢棄地評價時應將工礦廢棄地復墾與其生態情況相結合［24］，評價土地復墾礦區景觀生態質量變化情況。張思鋒等［25］利用生態梯度風險評價榆林煤炭開采區生態風險，關文彬等［26］指出景觀生態恢復與重建是區域生態安全格局構建的關鍵途徑。但目前工礦廢棄地復墾優先度評價中鮮有考慮工礦廢棄地復墾后對生態網絡的貢獻，尤其是沒有將景觀連接度融合進生態復墾利用優先度評判中。

筆者從景觀生態學角度出發，以湖北省大冶市為例，運用模糊綜合評價方法、景觀連接度方法和二維判斷矩陣評價工礦廢棄地生態復墾利用優先度。

1 研究區概況

大冶市位于湖北省東南部，位于長江中游南岸，地跨29°40′～30°15′N，114°31′～115°20′E（圖1）。大冶市礦產資源分布面廣，礦產地相對集中，富鐵礦、銅礦和金礦儲量均占湖北省首位。全市有礦山企業160多家，主要礦產品產量為1 287.87萬t，總產值為28.64億元。由于多年礦產資源開發，歷史遺留工礦廢棄地點多面廣，復墾難度大。目前因礦產開發造成地質環境遭受不同程度破壞或受嚴重影響的地塊達433個，總面積達1 454.79 hm2。研究區礦山地質環境問題突出，恢復治理任務艱巨，且造成土地資源巨大浪費，亟需對現有工礦廢棄地進行綜合整治。

圖1 大冶市工礦廢棄地損毀類型空間分布Fig.1 Spatial distribution of damage types of industrial and mining wasteland in Daye City

2 研究方法

2.1 研究思路

該研究主要分析工礦廢棄地恢復為森林斑塊的生態復墾利用優先度，即工礦廢棄地斑塊對森林恢復的重要性。使用數據包括大冶市土地利用變更調查數據（1∶10 000）、大冶市統計年鑒、大冶市工礦廢棄地實地調查數據（包括工礦廢棄地實測地形和實測范圍數據、土壤條件、實地照片、損毀程度和復墾難易程度等）、農用地分等定級成果和30 m分辨率數字高程模型（DEM）。首先，選取大冶市土地利用變更調查中有林地、灌木林地和其他林地作為森林景觀斑塊，運用ArcGIS 10.2軟件中Dissolve工具對森林景觀斑塊進行合并；其次，通過模糊綜合評價方法評價工礦廢棄地復墾宜林適宜性；再次，利用景觀連接度方法分析工礦廢棄地復墾為林地后對生態網絡結構的貢獻程度；最后，通過二維判斷矩陣確定工礦廢棄地生態復墾利用優先度（圖2）。

圖2 工礦廢棄地復墾優先度決策技術路線Fig.2 The roadmap of industrial and mining land reclamation’s priority decisions

連接度指數的計算采用美國杜克大學研發的Conefor Sensinode 2.6軟件實現，數據處理與適宜性評價分析等采用ArcGIS 10.2和MATLAB軟件。

2.2 復墾為林地的適宜性評價方法

工礦廢棄地復墾前必須進行復墾適宜性評價。以土地損毀類型為確定地塊的主導因素，將研究區工礦廢棄地劃分為采空區、塌陷區、挖損區和壓占區，共劃分為433塊評價單元，分別評價其適宜性等級。

2.2.1 指標體系構建與權重確定

工礦廢棄地復墾適宜性評價常分為耕地、園地、林地和草地方向，筆者研究重點關注林地方向。根據TD/T 1036—2013《土地復墾質量控制標準》各類技術指標要求，結合當地土壤條件以及以往較少考慮的土地損毀程度和復墾難易程度等工礦廢棄地復墾利用特點，并參考文獻［12］，確定工礦廢棄地復墾宜林適宜性評價指標體系。指標體系選取坡度、表層質地、灌溉保證率、灌排水條件、土壤有機質、損毀程度和復墾難易程度等作為評價因子。

運用特爾斐法，由來自武漢大學、黃石市、大冶市國土和環境相關領域和部門9名專家打分，比較各指標相對重要性，并對各指標權重值進行一致性檢驗，確定坡度、表層質地、灌溉保證率、灌排水條件、土壤有機質、損毀程度和復墾難易程度7個評價因子的權重分別為 0.10、0.10、0.15、0.20、0.13、0.15和0.17。

2.2.2 評價模型建立

為更好地詮釋評價因子貢獻值的不確定性，選用模糊綜合評價法進行復墾宜林適宜性評價，其步驟如下：

（1）建立評價因子論域U，計算公式為

式（1）中，u1～u7分別為工礦廢棄地復墾宜林適宜性評價因子坡度、表層質地、灌溉保證率、灌排水條件、土壤有機質、損毀程度和復墾難易程度。

（2）建立適宜性評價等級論域V，計算公式為

式（2）中，v1、v2、v3和v4分別為評價等級最適宜、較適宜、較不適宜和不適宜。

（3）根據隸屬度函數確定U在V上的模糊關系，得到模糊隸屬度矩陣R。隸屬度函數的選擇目前尚無統一方法可循，主要根據實踐經驗選取。對于定性因子采用專家打分法，定量因子則采用目前常用的三角形隸屬函數構建模糊隸屬度矩陣R。

（4）確定綜合權重矩陣W。采用專家打分法確定各因子權重。

（5）求取評價結果。采用加權平均型算子，將W與R合成得到綜合評判矩陣B，計算公式為

式（3）中，B為綜合模糊評判集；W為指標權重矩陣；R為指標隸屬度矩陣；bj為評判對象對評判集中第j個元素的隸屬度。

（6）量化處理綜合模糊評判集B。由于采用模糊綜合評價法得到的結果為一個模糊向量，并非一個點值。為分等級進行排序，根據最大隸屬度原則判斷各評價單元的適宜性等級，由此判定評價對象等級。

2.3 復墾為林地的景觀連接度貢獻程度

2.3.1 景觀連接度指數選取

（1）組分數。組分數（number of components，NC）指一組互相連通的斑塊，不同組分之間彼此孤立。景觀組分越少，景觀連接度越高。

（2）整體連通性指數。整體連通性指數（integral index of connectivity，IIC，I），I∈［0，1］，I=0時表示各生境斑塊之間沒有連接；I=1時表示整個景觀均為生境斑塊，其計算公式為

式（4）中，ai和aj分別為斑塊i和j的面積，hm2；lij表示斑塊i與j的連接狀態，有連接時為1，無連接時為0；n為斑塊個數；AL為景觀研究區總面積，hm2。

（3）可能連通性指數?？赡苓B通性指數（probability of connectivity，PC，PC），PC∈［0，1］，其值越大，表示斑塊連接程度越高，計算公式為

式（5）中，pij*為斑塊i與j間所有路徑概率乘積的最大值。

2.3.2 景觀連接距離閾值的選擇

景觀連接度指數的計算需要先確定景觀斑塊連通的距離閾值，當斑塊間距離大于閾值時，認為斑塊間不連通，當斑塊間距離小于等于閾值時，則認為是連通的。斑塊是否連通與生物遷移擴散過程特性有關。根據文獻記載及對大冶市野生動物活動范圍調查結果，研究區鳥類活動范圍為200～30 000 m，小型哺乳動物和兩棲爬行動物活動范圍為 50～1 000 m。因此，以 50、100、250、500、750、1 000、1 250、1 500、1 750、2 000、2 500、3 000、5 000和10 000 m 14個景觀連接距離閾值分別計算景觀生態網絡連接度。

2.3.3 復墾為林地的貢獻程度計算

選用斑塊重要值（dPC）衡量工礦廢棄地復墾為林地后對森林景觀連接度的貢獻程度，其計算公式為

式（6）中，PC，mines為某工礦廢棄地復墾為林地后形成的新的森林景觀的可能連通性值；PC為原有森林景觀的可能連通性指數值。dPC值越高，該工礦廢棄地越應優先復墾。通過自然斷點法將工礦廢棄地斑塊貢獻程度分為低、中等、高和最高4級。

2.4 工礦廢棄地生態復墾利用優先度確定

結合大冶市工礦廢棄地的宜林適宜性與工礦廢棄地復墾為林地后對林地景觀網絡的貢獻程度，劃分工礦廢棄地生態復墾利用優先度。從工礦廢棄地宜林適宜性角度來看，適宜性等級越高的工礦廢棄地越應優先考慮復墾為林地。從工礦廢棄地對景觀網絡連接度貢獻程度來看，貢獻程度等級越高的工礦廢棄地也越應優先考慮復墾為林地。參照文獻［27］，將兩種級別進行疊加組合后得到16種空間組合，按照等級劃分標準進行重新劃分得到按優先等級排序的空間布局（表1）。

表1 工礦廢棄地復墾優先度等級劃分Table 1 Classification of priority degree of reclamation in mining wasteland

3 結果與分析

3.1 工礦廢棄地復墾宜林適宜性評價結果

參考已有研究成果［11-12］，分析大冶市自然條件和社會經濟條件，確定研究區工礦廢棄地復墾宜林適宜性評價指標體系分級標準（表2）。

表2 工礦廢棄地復墾宜林適宜性評價指標體系分級標準Table2 Classifying and quantization table of suitable to forest land evaluation index system of reclamation of mining

運用模糊適宜性評價法，確定每塊工礦廢棄地宜林適宜性等級?？傮w來看，大冶市最適宜地塊面積為967.44 hm2，占工礦廢棄地總面積的66.50%，金山店鎮工礦廢棄地復墾宜林適宜性整體較高。較適宜地塊面積為343.54 hm2，占工礦廢棄地總面積的23.61%，主要分布在陳貴鎮和大箕鋪鎮。較不適宜地塊面積為67.85 hm2，占工礦廢棄地總面積的4.66%，主要分布在保安鎮與金山店鎮分界處。不適宜地塊面積為75.96 hm2，占工礦廢棄地總面積的5.22%，主要分布在還地橋鎮。為突顯筆者評價方法優點，根據模糊綜合評價與景觀連接度貢獻程度結果差異性，選取評價結果有差異和無差異的A、B、C和D這4個區域進行比較研究（圖3）。其中，A和C區復墾宜林適宜性評價均為最適宜，D區為較不適宜，B區為不適宜，復墾難度最大。

3.2 工礦廢棄地復墾為林地的景觀連接度貢獻程度結果

3.2.1 最佳景觀連接距離閾值的選取

森林景觀連接度指標值計算結果見表3。由表3可知，隨著景觀連接距離閾值的增大，景觀整體連通性指數（IIC）從最小值0.016增加到0.031。這是由于隨著景觀連接距離閾值的增大，搜索范圍也在擴大，景觀中任意兩個斑塊間的連接越容易建立，景觀IIC值就越大。但是距離閾值越大，網絡連接狀況與實際生物活動特性吻合度就越差。同時，在土地復墾項目中，將工礦廢棄地斑塊恢復為森林斑塊時，在不同景觀連接距離閾值條件下，地塊復墾成林地后帶來的生態恢復連接度的貢獻程度也不同。因此，工礦廢棄地景觀恢復過程中，選擇適合當地情況的景觀連接距離閾值就顯得尤為重要。通過綜合考慮，選取最佳距離閾值為1 250 m。景觀連接距離閾值為1 250 m條件下，種類相合概率（CCP）大于85%，比距離閾值為1 000 m時提高37.5%，而只比距離閾值為1 500 m時低0.8%。組分數（NC）為22，表明大部分景觀斑塊連接在一起。且1 250 m的距離符合大部分動物活動距離。

通過網絡分析方法構建的景觀連接距離閾值為1 250 m的林地景觀網絡連接圖見圖4。

表3 各景觀連接距離閾值條件下森林景觀連接度指標值Table 3 The forest landscape connection degree under different distance threshold parameter values

3.2.2 工礦廢棄地復墾后對景觀網絡的貢獻程度分析

工礦廢棄地地塊恢復成林地后對林地生態網絡結構的貢獻程度見圖5。將工礦廢棄地地塊恢復成林地后對林地生態網絡結構的貢獻程度分為低、中等、高和最高4個等級。

由圖5可知，整體來看，大冶市各鄉鎮工礦廢棄地對林地生態網絡結構的貢獻程度各不相同。貢獻程度最高級地塊面積為234.80 hm2，占工礦廢棄地總面積的16.14%，金山店鎮工礦廢棄地復墾適宜性整體較高。貢獻程度高級地塊面積為358.24 hm2，占工礦廢棄地總面積的24.62%，主要分布在陳貴鎮和大箕鋪鎮。貢獻程度中等級地塊面積為315.08 hm2，占工礦廢棄地總面積的21.66%，主要分布在保安鎮與金山店鎮分界處。貢獻程度低級地塊面積為546.68 hm2，占工礦廢棄地總面積的37.58%，主要分布在還地橋鎮。在選取的4個特征區中，C區對林地生態網絡結構貢獻程度最大，而B區稍弱。A和D區貢獻程度為低級，其對研究區生態恢復作用較小。

圖5 大冶市工礦廢棄地復墾為林地后對原林地生態網絡結構的貢獻程度Fig.5 Contribution degree of reclaimed industrial and mining waste land to forest land in ecological network structure in Daye City

3.3 工礦廢棄地生態復墾利用優先度等級

綜合考慮工礦廢棄地復墾宜林適宜性評價結果與景觀網絡連接度貢獻程度，得到大冶市工礦廢棄地生態復墾利用優先度等級分布（圖6）。優先度Ⅰ級地塊面積為403.68 hm2，占工礦廢棄地總面積的27.7%，分布在大冶市中部金山店鎮的面積達159.05 hm2。優先度Ⅱ級地塊面積為408.52 hm2，占工礦廢棄地總面積的28.1%，主要分布在大冶市中南部的靈鄉鎮、陳貴鎮、金湖街辦和大箕鋪鎮4個鄉鎮。優先度Ⅲ級地塊面積為594.65 hm2，占工礦廢棄地總面積的40.9%，主要分布在大冶市北部和中部，雖然分布比較散亂，但面積較大，位于北部還地橋鎮和金山店鎮面積分別達234.40和120.47 hm2。優先度Ⅳ級地塊面積為47.90 hm2，僅占工礦廢棄地總面積的3.3%，僅分布在金山鎮中心以及金山鎮與保安鎮交界處。

對比復墾宜林適宜性評價結果和網絡結構重要性分析結果發現，大冶市復墾適宜性評價結果與復墾利用優先度結果基本一致，最適宜復墾地塊的優先度也較高，但也存在差異。具體來看，C區復墾宜林適宜性評價結果為最適宜，且其林地生態網絡結構貢獻程度為最高級，復墾意義重大，因此，C區生態復墾利用優先度等級為Ⅰ級。D區復墾宜林適宜性評價為較不適宜，網絡結構貢獻程度為低級，將其歸為復墾優先度Ⅳ級。而A和B區兩種評價結果存在較大差異。A區復墾宜林適宜性評價結果為最適宜復墾，而A區網絡結構貢獻程度較低，因此A區復墾優先度等級為Ⅲ級。B區地塊不適宜進行復墾，復墾難度最大，但B區網絡結構貢獻程度較高，因此歸于復墾優先度Ⅲ級。

圖6 大冶市工礦廢棄地生態復墾利用優先度等級分布Fig.6 Distribution map of priority grade of ecological reclamation of industrial and mining waste land in Daye City

4 結論

運用模糊適宜性評價、景觀連接度方法和二維判斷矩陣對湖北省大冶市工礦廢棄地復墾優先度進行評判，得出以下結論：

（1）大冶市工礦廢棄地復墾為林地最適宜、較適宜、較不適宜和不適宜地塊面積分別為967.44、343.54、67.85和75.96 hm2。金山店鎮工礦廢棄地復墾宜林適宜性整體較高，不適宜地塊主要分布在還地橋鎮。

（2）大冶市景觀生態網絡連接最佳距離閾值為1 250 m。大冶市工礦廢棄地對林地生態網絡結構貢獻程度最高、高、中等和低級地塊面積分別為234.80、358.24、315.08 和546.68 hm2。整體上，金山店鎮工礦廢棄地對林地生態網絡結構貢獻程度最大，其次為陳貴鎮和靈鄉鎮。

（3）大冶市復墾優先度為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ級面積分別為403.68、408.52、594.65和47.90 hm2。C區宜林適宜性評價結果和網絡結構貢獻程度評價結果沒有差異，A、B和D區則存在差異。

大冶市工礦廢棄地恢復成林地后，超過一半的地塊對原林地生態網絡結構的貢獻程度為中等級以下，故實際操作時可以考慮將這些地塊復墾為園地、耕地或其他?；诰坝^網絡連接度評判工礦廢棄地生態復墾利用優先度，能避免僅依賴復墾適宜性評價結果所造成的片面性，同時增強對復墾后地塊生態效應的考慮，但如何權衡適宜性評價結果和生態網絡貢獻程度兩者重要程度還需要進一步探討。