基于生態適宜性分析的平原煤礦縣生態空間優化

張 鵬，李世峰※，劉瑤瑤

（1.中國農業大學水利與土木工程學院，北京100083；

2.中國農業大學農業農村部設施農業工程重點實驗室，北京100083）

0 引 言

煤炭是中國的基本能源，在中國國民經濟中占據著極其重要的戰略位置[1]，煤礦城市在經濟發展的過程中，不僅面臨快速的城鎮化導致城市周邊的生態空間不斷被蠶食，更需要面對煤礦開采造成了地形地貌破壞等系列問題[2]。平原礦區由于地下潛水位高，開采過程中不僅造成地面塌陷，更會致使塌陷區常年積水[3]，據估算，我國平原煤炭基地開采最終將造成沉陷面積31 813.33 km2，積水面積超過19 088 km2，煤礦塌陷地的治理受到當地政府和學者的關注[4]。而當前一些煤礦城市在生態建設往往只關注塌陷區的生態修復，造成塌陷區生態修復良好，非塌陷區生態建設不良的局面[5-6]。因此，以塌陷區為核心，對區域整體的生態空間進行合理的評判，將對平原煤礦城市開展生態文明建設具有重要意義。

近年來，隨著生態文明建設的推進，生態空間研究迅速發展，生態空間是除建設用地以外的一切自然或人工的植物群落、山林水體及具有綠色潛能的空間等系列生態用地。學者對全國[7]、省域[8]、市域[9]、縣域[10-11]、甚至社區[12]等不同尺度的生態空間進行探討。隨著GIS 技術的不斷發展，生態適宜性分析、景觀格局分析等方法推動著生態空間的構建。王義方等[13]從選取生態系統穩定性、植被覆蓋率、距鐵路距離等共計11 個因子，對濟寧煤礦塌陷區進行生態適宜性評價，將研究區分為生態核心區、生態緩沖區、生態敏感區和綜合建設區等區域，為塌陷區的生態建設提供指導。蒙吉軍等[14]通過對貴陽市景觀類型進行評判選取生態源點，設置景觀阻力面運用最小累計阻力模型，構建生態廊道，從而構成系統的、有效的、連通的網狀空間結構，連接生態要素，破解生境破碎化。

本研究以平原煤礦縣—山東省鄆城縣為研究對象，首先結合研究區特點，構建適宜于平原煤礦縣的生態適宜性評價體系；其次在生態適宜性綜合分析的基礎上，引入最小累計阻力模型，不僅對研究區進行合理的綜合生態適宜性等級分區，確保生態、社會和經濟效益的綜合最大化；同時完成生態網絡空間的分析，避免生態分區的割裂性。通過對不同重要性的分區結果實施不同的建設策略，并對生態網絡結構的優化建議，從而為鄆城縣的生態修復建設和生態保護建設提供方向，為平原煤礦縣域的生態空間建設提供參考。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

鄆城縣位于115°40′～116°08′E，北緯35°19′～35°52′N，地處山東省菏澤市東北部，北鄰梁山縣，南接巨野縣、牡丹區，東與嘉祥縣接壤，西與鄄城縣毗鄰，南北長44.4 km，東西寬35.7 km，總面積1643 km2。

鄆城縣地處黃河沖積平原，全縣地勢平坦，是魯西煤炭基地的重要組成部分，共有趙樓煤礦、郭屯煤礦、彭莊煤礦、鄆城煤礦4 個煤礦處于開采之中，是典型平原煤礦縣（圖1）。自2007 年煤礦開采以來煤炭經濟突飛猛進，推動著縣城鎮化的發展，2018年鄆城縣煤炭銷售收入達到74.38 億元，與此同時地形地貌破壞、生態空間萎縮、土地利用結構破碎、土地塌陷積水等引發一系列的社會、經濟、生態問題。截止2017年底，鄆城縣因采煤造成塌陷面積12 km2，其中，造成耕地絕產面積6.59 km2，減產面積5.41 km2，直接致使搬遷村莊27村、12145戶、39480人，波及104村莊居民生產生活，影響規模大，程度深。2018年鄆城縣為落實《菏澤市采煤塌陷地綜合治理工作實施方案》、《菏澤市人民政府關于深入推進國土資源節約用意見》，提出向資源節約集約利用型，綠色發展生態強縣進軍。構建以煤礦塌陷區為生態修復核心，縣域系統性的生態空間成為鄆城縣亟待解決的問題。

圖1 鄆城縣礦區分布圖Fig.1 Yuncheng County mining area distribution map

1.2 數據來源

本研究數據如下：1）鄆城縣行政區劃、道路矢量數據來源于資源環境數據云平臺（http://www.resdc.cn/）2015年中國縣域行政邊界數據；2）2018 年Landsat TM 影像衛星數據，數據分辨率為30 m，影像來源于地理空間數據云網站(http://www.gscloud.cn/) ，選擇云量為0 或接近于0 的遙感影像圖，以獲取植物覆蓋度、土地利用類型等數據；3）趙樓煤礦、郭屯煤礦、彭莊煤礦、鄆城煤礦4 大煤礦相關數據，由鄆城縣煤礦局2018年1月份統計提供，提取礦區拐點坐標、邊界范圍、塌陷深度、塌陷面積、工礦點位置等，以充分分析煤礦開采對鄆城縣生態適宜度的影響。

2 研究方法

生態適宜性分析由美國麥克哈格教授（McHarg）提出[16]，是生態規劃的核心，其基于生態規劃理論[17-18]、土地節約集約利用理論、空間分析理論、景觀生態學等理論基礎上，從生態系統與人文系統角度對給定資源開發利用方式的適宜程度進行評估，選擇有代表性因子進行量化，進而劃分適宜性等級，指導區域內部自然開發利用、保護發展方向和環境功能區分化[19]。生態適宜性分析的基本步驟為：明確評價對象與范圍、選取評價指標、量化評價指標、賦予指標權重、確定評價單元、GIS數據庫建立、劃分單因子和綜合生態適宜性等級[20]。其中評價指標的選取與指標權重的賦予，直接關系到評價結果的科學性和保障性。

基于生態適宜性分析的生態網絡構建是選擇部分最適宜區位生態源點，并以生態適宜性綜合指數倒數為阻力成本，使用最小累計阻力模型構建生態廊道，以生態適宜性各等級分區作為生態基質構建生態空間格局。

2.1 生態適宜性分析指標的篩選

嚴格遵循指標選取的主導性和綜合性原則、針對性和對比性原則、應用性和可行性原則，緊密結合鄆城縣的實際狀況和生態建設目標，即綜合鄆城縣煤炭局、農業局和生態規劃專家的意見、參考相關研究文獻和《生態環境狀況評價技術規范》（以下簡稱《規范》）篩選研究區生態適宜性分析指標[21-22]。本文從自然生態、特征限制和人為干擾3個角度共計10個指標來探究研究區的生態適宜性（圖2）。

自然生態：鄆城縣地勢平坦，坡降1/5 000～1/10 000之間，高差9.0 m，故剔除表現地勢特征的高程、坡度和坡向等指標。選取植被覆蓋度、土地利用類型、生物豐度和距天然水體距離4 個因子指標反映全縣自然生態狀況。植被是生態系統的重要組成部分，植被覆蓋度是指單位面積內植被的垂直投影面積所占比例，是衡量地表植被覆蓋反映當地植被生長狀況的重要指標，植被覆蓋度越高，表示該區域生態穩定性越高，生態適宜性越好[23]。土地利用類型反映土地用途、性質及其分布規律，是生態建設現狀重要表現，一般而言各土地類型對生態適宜性貢獻是：林地＞水域＞草地＞耕地＞建設用地[24]。生態本位意識的增強，尤其是2006 年起國家環保局試行《規范》以來，生物豐度因子作為權重最大的指標計算，公式（1）成為區域生態環境評價中的重要一環。河流、湖泊等天然水體，具有水源涵養、廢物處理和生物多樣性保護等重要的生態功能，對區域生態保護局域重要意義。

式中Abio為歸一化系指數，參考值為511.264；Sf、Sg、Sw、Sc、Scon、Sn和St分別為林地、草地、水域、耕地、建設用地、未利用地及區域土地總面積。

特征限制：是區域生態保護和生態修復最為關鍵的制約因素，本文選用塌陷深度、沉穩性、距采礦點距離、距塌陷水體距離4 個因子表現煤礦開采對當地生態適宜性的影響。煤礦開采造成塌陷是制約鄆城縣生態建設的重要因素。采礦點周邊堆放大量煤矸石，生產過程中“三廢”排放對周邊的土壤、大氣、水質產生嚴重的負面影響。沉穩性是地質表現特征，在一定程度上影響后期的開發建設與生態建設，未沉穩的地區是未來塌陷區的主要來源，應著重關注。

人為干擾：選取距居民點距離和距道路距離2 個因子表現居民對鄆城縣的生態擾動，區域距離道路和居民點越近，生態環境受人類干擾越大。

圖2 生態適宜性分析指標層次Fig.2 Ecological suitability analysis index level

2.2 生態適宜性分析指標的量化

生態適宜性分析是定量表述方法，由于各指標的具有不同的量綱或是定性描述，不便于計算，因此需要對指標無量化處理消除各指標量綱的影響。參考相關文獻，各指標及適宜性分值見表1。

其中植被覆蓋度和生物豐度使用線性歸一化方法，將是定性描述的因子定量化計算后將原始數據等比例縮放至[0,1]范圍內。其計算公式為

式中Ai為歸一化數據，Xi為第i 種評價因子，Xmax為Xi的最大值，Xmin為Xi的最小值。

土地利用類型利用ArcGIS10.5 平臺上對2018 年Landsat TM遙感影像數據進行幾何校正、裁剪，采用監督分類最大似然法，對遙感影像圖進行目視解譯，其中塌陷水體、工礦用地來源于鄆城縣煤炭局CAD 文件，塌陷水域為常年積水大于50 mm 的區域。距天然水體距離、距采礦點距離、距塌陷水體距離、距居民點距離，距道路距離是使用ArcGIS 中“歐式距離”工具得到等級圖層。塌陷深度和沉穩性是將CAD 數據導入ArcGIS 中使用“重分類”工具繪制得出。

2.3 生態適宜性分析指標的權重

本文采用層次分析法（analytic hierarchy process，AHP）對各指標賦予權重，是目前最為常用的因子權重分析方法，通過構建有層次化的結構模型，各指標兩兩比較構建判別矩陣，得到科學有效的決策。

通過對鄆城縣煤炭局、農業局和生態規劃專家的訪談獲取他們對各個指標之間的相對重要性的對比，構建生態適宜性判別矩陣。使用yaahp 軟件群決策工具對判斷矩陣進行計算，對比各判斷矩陣進行一致性檢驗，并計算各層次組合權重值。結果如下，判斷矩陣均滿足一致性，各指標權重如表2所示。

表1 指標適宜性分值Table 1 Score value of suitability of evaluation index

2.4 生態適宜性分析單元劃分方法

評價單元是生態適宜性分析最基本空間單元，生態適宜性分析結果是承載于評價單元之上，其決定生態適宜性分析結果精度以及成果的應用性。目前國內外主要有：基于土壤類型、地貌類型圖斑等單元劃分，將性質相對均一的地塊作為評價單元；基于多因素疊加形成的同質單元劃分，將疊加后最小的公共斑塊作為評價單元；基于GIS柵格格網進行劃分。本文采用第三種方法進行劃分，采用分辨率為30 m 的柵格圖像，其優點為便于表達空間連續性表達和便于評價模型的運算。

表2 生態適宜性分析指標權重Table 2 Ecological suitability analysis index weight

2.5 生態適宜性分析模型確定方法

本文采用麥克哈格教授（McHarg）提出生態因子疊置法，采用加權求和的方式來計算生態適宜性綜合指數，其計算公式為

式中Q 表示區域生態適宜度的評價結果；eji為區內第j個生態因子在評價第i個指標的適宜度值；wji為因子j對于指標i的權重；ui為指標i在適宜度總體評價中的權重。

2.6 生態適宜性等級劃分

生態適宜性的等級劃分，是將生態適宜性指數按照自然斷點法，參考相關文獻的基礎上將研究區分為五個等級分區，分別為最不適宜區、不適宜區、勉強適宜區、適宜區、最適宜區，以指導研究區的生態建設。具體分區標準見表3。

表3 生態適宜性分區劃分標準Table 3 standard for ecological suitability division

2.7 MCR模型分析生態網絡空間

最小累計阻力模型（minimal cumulative resistance，MCR），最初常用于動物生境保護等生態領域[25]，引入我國后廣泛應用于景觀格局分析[26]。本文借助MCR模型，以生態適宜性綜合指數倒數為生態阻力面，模擬生態最適宜區之間的最短路徑，構建生態網絡空間。

式中MCR 為最小累積阻力；f是一未知負函數，為最小累積阻力與生態適宜性的負相關關系；min 為某單元對不同源取累積阻力最小值；Dij為從源j 到源i 的空間距離；Ri為源i對運動過程的阻力系數。

3 結果與分析

3.1 生態適宜性綜合分區

根據各指標的等級分區與指標權重，利用Arc-GIS10.5軟件“柵格計算器”進行疊加分析，計算得到鄆城縣生態適宜性綜合指數得分，區域生態適宜度綜合分值在1.66～4.88之間，平均值為3.19。從圖3中可以看出，生態適宜性較高的區域集中于縣域北側黃河周邊，依次向南部遞減；生態適宜性較低的區域，集中于城鎮建設用地，塌陷水域和塌陷深度較深的地域，并向周邊遞增。整體分布趨勢與縣域現狀相符。

圖3 研究區生態適宜性指數Fig.3 Ecological suitability index of study area

結合生態適宜的分區標準，計算各等級面積（表4）。導入鄉鎮矢量邊界文件，將生態適宜性分區結果細化到鄆城縣各鄉鎮（圖4）。

1）最不適宜區：面積90.66 km2，占據全縣5.52%，主要位于鄆城縣中東部和南部。生態最不適宜區主要集中在鄆州街19.60%、南趙樓鎮19.05%、張營鎮16.89%、丁里長鎮10.86%、郭屯鎮7.17%和潘渡鎮5.86%，6 鎮生態最不適宜區面積共計74.05 km2，占據最不適宜區面積的81.68%。結合土地利用分析可以發現，鄆州街是鄆城縣城所在地，城鎮化建設高、人口密度大、道路密集是生態不適宜度高的主要原因，生態最不適宜面積占據自身面積28.29%。其余5鎮生態最不適宜面積偏高的原因主要是塌陷水域和塌陷面積的存在。南趙樓鎮和張營鎮最不適宜分區面積均超過了10 km2，僅次于鄆州街，面積分別為17.27 km2和15.31 km2，其中南趙樓鎮最不適宜區面積占據鄉鎮面積的29.84%，生態環境狀況極為嚴峻。

2）不適宜區：面積247.99 km2，比重16.73%，多位于最不適宜區與勉強適宜區的過渡地帶，呈“T”字狀主要分布在潘渡鎮12.71%、張營鎮12.20%、鄆州街11.39%、南趙樓鎮10.80%、楊莊集9.81%、唐廟鎮8.83%、唐塔街8.29%。這些區域受城鎮化建設和煤礦開采的雙重影響，生態環境處于不適宜狀態。

3）勉強適宜區：面積643.42 km2，比重39.15%，面積比重最大，分布最廣。整體呈現片狀分布在全縣各個鄉鎮。其中比重稍重的鄉鎮為黃安鎮7.90%、楊莊集7.33%、隨官屯7.29%、程屯鎮6.87%、武安鎮6.54%、雙橋鎮6.45%。

4）適宜區：面積530.64 km2，比重32.29%，僅次于勉強適宜區。呈團塊狀集中在鄆城縣西北部區域，李集鄉、侯咽集、玉皇廟、武安鎮、張魯集、黃集鄉生態適宜區面積比重均超過鄉鎮面積的50%。此區域城鎮建設面積較少，多為耕地。

5）最適宜區：面積103.66 km2，比重6.31%，呈斑塊狀鑲嵌在適宜區之中，集中分布在玉皇廟鎮、侯咽集鎮、李集鄉、黃集鄉、張魯集鄉，5 鎮生態最適宜區面積共計77.67 km2，占據最適宜區面積比重的74.93%。其中玉皇廟鎮生態適宜區面積最大17.91 km2，占據鄉鎮面積19.91%，其北與侯咽集鎮，南與水堡鄉，構成較為集中的生態最適宜區條帶。

表4 生態適宜性分區面積及比重Table 4 Area and proportion of ecological suitability division

3.2 生態網絡結構

研究區的生態源點選擇原則為各鄉鎮中最適宜區斑塊面積最大為生態源點，共選取生態源點14處。在此基礎之上，進行生態廊道的識別，通過鄆城縣生態適宜性評價指數的倒數構成生態復合阻力面，生成每個生態源點與其他生態源點的最短成本路徑并疊加，共計43 條，與生態適宜性等級分區構建了鄆城縣生態空間格局如圖5所示。

鄆城縣生態網絡特征“點—線—面”框架初現，基本實現全縣連通，但分布不均勻，主要集中于西北部區域，南部和中部相對欠缺，南北連通優于東西連通。由于生態源點的呈現不均勻狀態分布，生態網絡的疏密也不均。其中唐塔街道和楊莊集鎮的生態源點壓力極大，其面積小，但卻是溝通中部東西向，北部南北向的極其重要的廊道，一旦無新的生態源地補充或自身消失，那么鄆城縣的生態網絡將會受到嚴重的損害。當前不均勻的網絡空間結構，不利于提升縣域的生態水平。

圖4 研究區生態適宜性分區Fig.4 Ecological suitability division of study area

圖5 研究區生態網絡結構Fig.5 Ecological network structure of study area

3.3 生態空間優化措施

通過生態適宜性和生態網絡分析，可以看出由于礦區塌陷帶來的系列問題致使鄆城縣東西部生態適宜性、生態網絡空間密集度差距較大，中部生態斑塊缺失，東西連通不佳。當前鄆城縣應以最不適宜區的生態修復和最適宜區的保護和拓展為主導，通過對不同等級分區針對性的生態工程建設和生態網絡“點—線—面”的優化，從而打造層次豐富、功能多樣的復合型網絡化生態支撐體系，改進區域的生態環境，完成向煤礦生態縣的轉型。

3.3.1 生態適宜性分區優化

1）最不適宜區—生態修復核心區

最不適宜區應作為鄆城縣生態修復核心區域，是當前生態修復工程投資建設的前沿區域。除城區外，主要由塌陷水域、塌陷程度較深的區域組成。研究區地處黃河沖擊平原，地下水位高，土壤以潮土為主，含水量接近飽和狀態，當前大面積的常年性積水區和從四周向中心逐級加深地勢等條件為人工濕地的構建提供了基礎條件。鄆城縣應以張營鎮、南趙樓的人工濕地工程為先導，打造以兩鎮為生態修復中心，以丁里長鎮、郭屯鎮、潘渡鎮塌陷積水區域治理為后續，構建人工濕地走廊。通土壤、植物、動物、水域、微生物的協調作用[27]，對塌陷區水質環境進行凈化治理[28]，不僅變劣勢為優勢，更可以成為重要的生態源地，使得縣域東部區域的生態網絡空間密集型增大；而且可以發展如濕地旅游、濕地農業、濕地漁業等多種形式的生態產業，增加農民收入。

2）不適宜區—生態修復過渡區

不適宜區應作為鄆城縣生態修復過渡區域，是生態修復工程關注的重點。主要由距離塌陷區域較近城鎮化水平較高區域組成。其一應連同城區，通過公共綠地、道路綠地、防護綠地、生產綠地、居住區綠地等多種形式造林種草增加城鎮居民游憩空間的同時增加中部城鎮建設區域生態斑塊，以提高生態網絡穩定性；其二做好防災基礎設施建設，避免煤礦開采造成新塌陷區大面積的形成對生態系統造成劇烈影響。

3）勉強適宜區—生態綜合建設區

勉強適宜區應作為鄆城縣生態綜合建設區域，當前該區域整體城鎮化建設不高，也是鄆城縣城鎮化建設過程中的理想拓展區域。在建設規劃過程中應以生態化、集約化為建設原則，避免城鎮建設散亂對生態用地的蠶食。

4）適宜區—生態保護緩沖區

適宜區應作為鄆城縣生態保護緩沖區域，其主要是由距離最適宜區較近的耕地組成。應當保持現有的良好的農田生態景觀穩定性和耕地數量，改善土壤養分和結構，維護區域生態安全和糧食生產安全。以綠色化、有機化為生產過程技術為基礎，發展綠色農業，由農業大縣向生態農業強縣邁進，尤其是對靠近生態最適宜區的區域應著重進行生態改造以起到對核心區的生態緩沖作用。

5）最適宜區—生態保護核心區

最適宜區應作為鄆城縣生態保護核心區域，大面積集中于臨近北部黃河區域，天然水體、草地較為集中，生態系統較其他區域復雜，生物豐度較高，受人類活動干擾相對較小。但近年來，由于耕地開墾，黃河沿岸草地退化嚴重，林地面積逐漸減少，這也是鄆城縣景觀格局多樣性無法提高、生態網絡復雜程度不強的重要原因29]。最適宜區應重點保護，以涵養水源、生物多樣性保護為主，嚴格禁止產生嚴重污染環境工程建設；同時打造生態河道，尤其是構建黃河水域生態帶，形成水—草—林相互協調的更為復雜穩定的生態系統。

3.3.2 生態空間網絡優化

1）點：重點保護生態源地、強化生態小斑塊建設

生態源地是研究區的生態核心，應不斷提高生態源地的生態功能。增加對玉皇廟鎮、侯咽集鎮、李集鄉、黃集鄉、張魯集鄉和水堡鄉的生態源地保護力度，6 鎮在鄆城縣占據著重要的生態位置，尤其是李集鄉應該發揮極核作用，成為生態安全格局的核心地和示范地；拓展唐塔街道和楊莊集鎮生態源地的面積，緩解生態源地壓力；通過對張營鎮、南趙樓、丁里長鎮、郭屯鎮、潘渡鎮的生態修復治理增加生態源地數量，提高中東部區域生態網絡的復雜性。

2）線：設置生態廊道緩沖區

當前鄆城東部、南部區域生態廊道缺少復雜性和連通性，極易收到損害造成生態廊道的斷裂。為提高縣域生態空間的整體連通性，建議對北部區域的廊道設置生態緩沖區，南部東部區域廊道進行改造增加起墊腳石作用的生態小斑塊，從而提升廊道之間的聯系和周邊區域的交互作用，增加廊道穩定性；中部區域生態廊道較少，在整體規劃的過程中可以先構建小生態斑塊，形成“點”基礎。通過對現有廊道資料分析，對生態廊道設置1000米左右的生態廊道寬度[30-31]，嚴禁城鎮化建設對生態廊道的破壞。

3）面：全面優化生態基質

鄆城縣生態提升的關鍵是生態最不適宜區的修復和生態適宜區的保護，通過對各個生態適宜分區的生態建設，如通過人工濕地建設、綠地工程建設、生態河道系統全面的提升生態要素的質量，為生態空間結構的穩定性奠定基礎。

4 結論與討論

煤礦區塌陷為難點的生態問題已成為制約平原煤礦地區社會、經濟、生態可持續發展的重要因素。本文在生態適宜性分析的基礎上引入最小累計阻力模型，通過生態分區與生態網絡優化縣域生態空間。主要結論如下：

1）從自然生態、特征限制、人為干擾3個角度選取10個指標，構建平原煤礦地區生態適宜性評價體系，將研究區分為最不適宜區、不適宜區、勉強適宜區、適宜區、和最適宜區5 個分區，有助于對縣域生態本地把握。當前各分區面積呈現正態分布但分布不均勻，最適宜區集中于縣域北側，最不適宜區集中于中南部的塌陷水域和塌陷深度較深的地區。

2）利用選取各鄉鎮最大生態最適宜性斑塊為生態源點，以生態適宜性綜合指數倒數為生態成本，最小累計阻力模型計算鄆城縣生態廊道，構建生態網絡。目前生態網絡分布主要集中于西北部區域，南部和中部相對欠缺，南北連通優于東西連通。

3）針對鄆城縣生態現狀，文章提出應以最不適宜區為生態修復核心，最適宜區為生態保護核心，通過人工濕地建設、綠地工程建設、生態河道建設等生態措施對各等級分區進行優化；通過對生態源地的保護和小生態斑塊建設，生態廊道緩沖區建設，生態基質分區優化等措施提升生態網絡結構的穩定性。從而為區域的生態空間優化提供依據。

生態空間是各種生態過程以及人類活動在不同尺度上作用的結果。本文只對2018 年的縣域的生態適宜性和生態網絡進行判別，是一種靜態分析。不同尺度、多時期動態分析將會是下一步工作的重點。