基于指數和法及差積法的礦山損毀土地復墾為農用地的適宜性評價

程琳琳， 孫海元， 劉曇曇， 趙宇昕， 李玉虎， 付亞潔

[中國礦業大學(北京)地球科學與測繪工程學院，北京 100083]

我國是人口和農業大國，數量充足而又高質量的農用地是國家及區域安全和穩定的重要保障。改革開放以來，隨著我國經濟的快速發展，礦產資源的開發利用規模迅速擴大，農用地損毀問題越來越凸出，加劇了人地矛盾[1-2]。據統計，我國因采礦造成的土地損毀面積累計超過400萬hm2，且每年以1.3萬hm2的速度增長，這給我國本就緊張的農用地資源保護帶來了又一巨大壓力[3]。土地復墾是實現農用地占補平衡的重要途徑，也是國家大力發展的一項科學技術[4-6]。土地復墾適宜性評價作為評價損毀土地復墾后是否適宜利用以及適宜程度的一種技術手段，是進行土地復墾利用決策、改良途徑選擇和科學編制土地利用規劃的基本依據，在復墾工作中起著重要作用[7-10]。筆者以云南省龍馳煤礦為例，采用二級評價體系，應用指數和法與差積法，對其損毀土地進行土地復墾為農用地的適宜性進行評價，以期為土地復墾利用決策和土地改良途徑選擇提供理論支持。

1 研究區概況與評價方法

1.1 研究區概況與數據來源

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(地理坐標為25°07′N、104°05′E)，屬于典型的亞熱帶高原性山地季風氣候，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，有機質含量約為2.8%，自然肥力較高。植被屬亞熱帶半濕潤常綠闊葉林，以喬木和灌木為主，農作物主要有水稻、小麥、玉米等。

龍馳煤礦損毀土地總面積達500.60 hm2，其中礦山生產設施和礦部建設占用土地面積2.95 hm2，礦區排土場和尾礦庫壓占土地面積0.10 hm2，地面塌陷面積497.65 hm2。本研究區主要包括礦區排土場和尾礦庫壓占及地面塌陷所損毀的土地，面積共為497.75 hm2。

通過羅平縣國土資源部門、水利部門、農林業部門、氣象部門以及羅平縣近3年的統計年鑒獲取研究區的地質地貌、水文經濟數據；土地損毀數據主要通過實地調研和利用沉陷預測軟件預測得到。將得到的數據導入ArcGIS 10.2，先利用空間校正工具條及地圖投影統一坐標系校正數據到正確位置，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評價單元的得分。最后根據宜耕、宜林、宜草各個評價方向利用自然間斷點分級法將研究區分為高度適宜區、一般適宜區、勉強適宜區、不適宜區4個等級。

1.2 評價原則

礦山損毀土地復墾為農用地適宜性評價體系的建立不僅要考慮農用地適宜性評價的基本原則，還要兼顧礦山損毀土地的特點。因此，評價所要遵循的主要原則可以概括為以下幾點：(1)因地制宜、農業用地優先原則；(2)符合土地利用總體規劃，并與其他規劃相協調原則；(3)主導因素與綜合平衡原則；(4)自然因素與社會經濟因素相結合原則；(5)經濟可行與技術合理性原則；(6)綜合效益最佳原則[8，11-17]。

1.3 評價指標體系構建與權重確定

考慮到煤礦損毀土地復墾的特點，在咨詢了來自土地復墾、農業、林業、牧業和土地管理的專家后，運用兩兩比較法根據宜耕、宜林、宜草方向對評價因子進行篩選，分別選取土壤有機質含量、損毀程度、耕地管理半徑、灌溉條件、排水條件、土地利用現狀、海拔、地表坡度和水土污染程度等9個相互獨立又相互補充的參評因子。指標量化標準參考了土地適宜性評價、土地復墾技術標準和有關研究成果(表1)。

土地復墾評價因子權重是在咨詢了相關專家后構造判斷矩陣，求算出每位專家分別根據宜耕、宜林、宜草3個評價方向確定的每個因子權重的平均值，詳見表2。

表1 龍池煤礦損毀土地農用地復墾適宜性評價指標量化標準

注：“—”表示無相應數據或內容。

表2 龍池煤礦損毀土地農用地復墾適宜性評價指標權重

1.4 評價單元劃分

目前，常用的土地適宜性評價單元類型有土壤類型單元、土地資源類型單元、土壤利用現狀圖斑單元、行政單元、網格單元，以及多因素疊置法形成的同質單元等[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單元。將得到的土壤有機質含量圖、灌溉條件圖、土地利用現狀圖、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。通過疊置法得到的評價單元雖然同質，但是部分評價單元面積較小，不具有物理意義。因此利用評價單元之間的歐氏距離，依次將面積較小的同質單元合并到相鄰的最相似單元中。得到的評價單元內部性質相對均一或相近，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期和空間上的差異。共得到124個評價單元，合并后的單元得分按公式(1)計算：

(1)

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

1.5 評價模型

綜合分析參與評價的因子，沒有明顯的限制性因素，各參評因子之間也沒有明顯的相關性，因此，宜采用指數和法[25]進行評價。指數和法充分考慮了各參評因子的重要性，并對各參評因子進行量化。按公式(2)計算各評價單元的綜合分值，評價研究區范圍內宜農、宜林、宜草各評價方向的適宜性及適宜程度。

(2)

式中：Fik是評價單元i在評價方向k上的得分；aikj是評價單元i在評價方向k上的第j個因子的得分；bikj是評價單元i在評價方向k上的第j個因子的權重。

1.6 不適宜區和勉強適宜區限制因子分析方法

每個評價單元的各個利用方向的適宜程度是多個因子共同作用的結果。勉強適宜區和不適宜區的評價單元的不適宜性則主要是由于1個或者多個因子不適宜造成的。利用差積法分析勉強適宜區和不適宜區的各個因子，計算公式如下[26]：

(3)

2 結果與分析

2.1 不同評價方向的等級分析

龍馳煤礦不同評價方向復墾適宜等級空間分布和復墾適宜等級統計結果見圖1、表3。宜耕、宜林、宜草評價方向的高度適宜區、一般適宜區、勉強適宜區、不適宜區的得分區間各不相同，宜林評價方向與宜耕、宜草同等適宜等級的各區間相比得分相對較大，宜耕評價方向的得分次之，宜草評價方向的得分最小。宜林評價方向高度適宜區的總面積所占比例比宜耕、宜草評價方向都大，宜草評價方向的比例最小。與此相反，宜林評價方向不適宜區面積所占比例比宜耕、宜草評價方向都小。宜林評價方向的勉強適宜區面積所占比例最大，而宜草、宜耕評價方向則是不適宜區面積所占比例最大。

表3 龍馳煤礦損毀土地不同評價方向(耕地、林地、草地)復墾適宜等級統計結果

龍馳煤礦各評價單元得分分布見圖2。對于同一評價單元，宜林評價方向的得分高于宜草、宜耕評價方向的得分，宜草評價方向的得分最低。農作物、樹木、草對土地自然因素和環境狀況條件的要求有差異，是同一評價單元各評價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養、抵御自然災害的生態能力，有較強的適應能力[30]。而耕地是人工生態系統，人為參與性較強，增強了農作物養分補給和抵御自然災害的能力[31]。

2.2 不適宜區和勉強適宜區限制因子分析

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

從圖4可以看出，宜耕評價方向不適宜區各評價單元的損毀程度、地表坡度、灌溉條件3因子的得分都較一般適宜區的評價單元得分的最小值低，是主要的限制因子。土地利用現狀因子僅在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。土壤有機質含量的得分雖比一般適宜區的評價單元得分的最小值低，但其相對值也僅為-0.41。水土污染程度除在FID為25的評價單元處具有明顯的限制性外，其得分都較該評價方向一般適宜區評價單元得分的最小值大，相對值為0.63。耕地管理半徑因子除在FID為7、22～25的評價單元處相對值較小外，其得分都較該評價方向一般適宜區的評價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的評價單元得分的最小值大。

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

從圖6可以看出，宜林評價方向不適宜區評價單元的有機質含量和排水條件2因子得分的相對值都較大，而水土污染程度因子得分的相對值較小，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處的評價單元得分的相對值等于0外，在其他評價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的評價單元處具有一定的限制性，在其他評價單元處得分的相對值都等于0。損毀程度因子也僅在FID為9和10的評價單元處具有限制性，在其他評價單元處其相對值等于0。評價單元FID為0的主要限制因子是土地利用現狀因子。

2.2.3 宜草評價方向勉強適宜區和不適宜區限制因子分析 從圖7可以看出，宜草評價方向勉強適宜區評價單元的排水條件、土壤有機質含量2因子得分的相對值較大。灌溉條件除在評價單元FID為2、12、15等處得分的相對值較大，不具有限制性外，在其他評價單元得分的相對值都較小，尤其在評價單元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值都等于-1.98，是主要的限制因子。地表坡度得分的相對值隨評價單元FID的增大變化較大，在評價單元FID為12、15、25、32和45處具有明顯的限制性。土地利用現狀除在FID為0的評價單元處得分的相對值為-1.53外，在其他評價單元處得分的相對值在 -0.63～0.57之間變化。

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

3 結論

將指數法和差積法相結合，并以ArcGIS 10.2空間分析軟件作為支撐，對龍馳煤礦損毀土地進行了宜耕、宜林、宜草3個方向的土地復墾適宜性評價，并對其限制因子進行了分析。結果表明，龍馳煤礦采煤損毀土地最適宜復墾成林地，可通過降低水土污染程度提高宜林勉強適宜區和不適宜的適宜程度，為該區損毀土地的復墾利用決策提供了理論依據。