基于連通性分析的采煤塌陷地復墾利用潛力評價

蘇學武，張紹良，侯湖平，楊永均，唐立羽，張 統(tǒng)，顧春芬，縱 博

(1.礦山生態(tài)修復教育部工程研究中心，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學環(huán)境與測繪學院，江蘇 徐州 221116；3.徐州市自然資源和規(guī)劃局，江蘇 徐州 221018)

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)對農(nóng)地條件的要求越來越高，也給采煤塌陷地復墾規(guī)劃提出了新的課題。傳統(tǒng)的采煤塌陷地復墾將塌陷區(qū)作為復墾焦點，根據(jù)“因地制宜”原則規(guī)劃復墾利用方向，較少考慮未塌陷區(qū)域的土地利用，導致地塊連通性差，破碎度增大，降低了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)效率。如何高效利用采煤塌陷地周邊的自然和區(qū)位條件，發(fā)掘采煤塌陷地復墾利用潛力，構(gòu)建科學合理的現(xiàn)代規(guī)模農(nóng)業(yè)發(fā)展格局，成為采煤塌陷地科學合理復墾的關鍵。

徐州市曾是全國十大煤炭生產(chǎn)基地，江蘇省唯一煤炭生產(chǎn)基地，但到2016年底，其賈汪區(qū)、銅山區(qū)兩大生產(chǎn)基地礦區(qū)全部關閉，為系統(tǒng)治理開發(fā)全區(qū)域采煤塌陷地創(chuàng)造了條件。歷史上，采煤造成了大面積的土地破壞，村鎮(zhèn)遷址、良田廢棄、塌陷積水、土質(zhì)下降，成為制約礦區(qū)鄉(xiāng)村振興，扶貧攻堅的頑疾[1,2]。徐州市先后對九里湖、潘安湖等各類塌陷地進行治理和景觀開發(fā)，走出了一條具有徐州特色道路的采煤塌陷地復墾利用模式[3-5]。徐州礦區(qū)主要的復墾方向有耕地、水產(chǎn)養(yǎng)殖地、林地、建設用地等[6]，約20%的塌陷湖主要進行人工濕地開發(fā)。截至2019年底，徐州市共計修復采煤塌陷地16 754.22 hm2，但是復墾的焦點主要針對土地利用現(xiàn)狀存在的問題，缺少考慮未來可能的擾動和沖擊[7]，缺乏考慮與周邊土地的利用[8]，導致部分復墾區(qū)的農(nóng)業(yè)設施荒廢、果園廢棄、魚塘干涸，少數(shù)復墾土地出現(xiàn)次生鹽漬化，引起了學者對現(xiàn)有復墾理論和方法的全面反思。

近年來，礦山景觀恢復新技術和恢復力理論也受到了越來越多的關注。在礦區(qū)土地復墾適宜性評價中，有很多學者進行了研究并提出許多評價方法和指標體系。在評價方法上，礦區(qū)土地復墾適宜性評價多采用多目標評價方法[9-11]；在指標選取上，土地質(zhì)量評價是礦區(qū)土地復墾適宜性評價一個重要的指標[12]；在不適宜復墾為耕地的區(qū)域，礦區(qū)土地還可以復墾為草地[13]。治理后的礦山生態(tài)系統(tǒng)是否可持續(xù)也是研究的一個關鍵問題，復墾區(qū)不同復墾年限土壤的理化性質(zhì)可以反映土地復墾后的土壤演替規(guī)律和耕地生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性[14-15]。另外，恢復力思維在礦區(qū)土地復墾及可持續(xù)利用中也越來越受到關注[16]。未來耕地的規(guī)模化經(jīng)營既是生產(chǎn)力發(fā)展的必然要求，也是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的現(xiàn)實選擇，然而以往的礦區(qū)土地復墾適宜性評價主要針對地塊條件，較少考慮連通性對農(nóng)業(yè)發(fā)展格局的優(yōu)化作用。為此，本文以江蘇省徐州關閉礦山采煤塌陷區(qū)為例，以耕地為復墾方向，提出一種基于連通性的復墾利用潛力評價方法，以期為采煤塌陷地復墾利用規(guī)劃和決策提供方法論。

1 研究區(qū)概況

徐州市位于江蘇省西北部，是全國著名的十大煤炭生產(chǎn)基地之一。2016年，隨著賈汪區(qū)旗山煤礦的關閉，徐州賈汪和銅山兩個礦區(qū)所有煤礦全部關閉，目前僅有沛縣大屯5對礦井在生產(chǎn)。徐州現(xiàn)存未修復采煤塌陷地11 121.27 hm2，分布在豐縣、沛縣、銅山區(qū)、鼓樓區(qū)、泉山區(qū)和賈汪區(qū)6個區(qū)縣。本文將徐州市采煤塌陷區(qū)劃分為三個片區(qū)，分別為豐沛片區(qū)、銅山片區(qū)、賈汪片區(qū)，如圖1所示。

圖1 研究區(qū)位置

徐州采煤塌陷區(qū)的主要特點有三方面。①塌陷面積大。 一般全國煤礦區(qū)平均萬噸塌陷率為3畝(1)1畝=666.67 m2。/萬t，但徐州礦區(qū)平均達到6.49畝/萬t，尤其張雙樓、垞城、張集、三河尖等煤礦超過10畝/萬t。②地表積水嚴重。徐州礦區(qū)屬于高潛水位礦區(qū)，塌陷后地表積水，常年積水區(qū)占整個塌陷區(qū)的30%左右。③穩(wěn)定時間長。徐州礦區(qū)一般需要1.5～2.0 a才能停止沉陷。因此，徐州采煤塌陷區(qū)塌陷情況復雜，土地損毀程度相較其他地區(qū)更為嚴重，修復難度更大。

2 研究方法

2.1 采煤塌陷地景觀連接度

采煤塌陷地復墾需要用整體性的思維統(tǒng)籌考慮采煤塌陷地及周邊條件，構(gòu)建采煤塌陷地在生態(tài)系統(tǒng)中的節(jié)點關系，降低景觀破碎程度。為了表示潛力評價問題中待修復區(qū)域與周邊區(qū)域的關系，本文引入景觀連接度的概念。景觀連接度是描述景觀中斑塊、廊道和基質(zhì)在空間上如何連接和延續(xù)的一種測定指標[18]。目前，景觀連接度指標被廣泛運用到城市土地適宜性評價、公園景觀評價、城市生態(tài)源地識別、生態(tài)保護空間識別、城市生態(tài)網(wǎng)絡優(yōu)化等相關研究中[19-23]。然而，結(jié)合景觀特征的礦區(qū)土地生態(tài)修復潛力評價的研究較少。僅有學者引入了景觀連接度指數(shù)作為評價指標，評價了工礦廢棄地復墾空間的集中連片度和復墾利用為林地的優(yōu)先度[24-25]。景觀連通性指數(shù)可以定量分析每一個斑塊對維持景觀連接度的貢獻，進一步評價斑塊的重要性[26-28]。在徐州市采煤塌陷地復墾利用問題中，林地、草地面積相對于耕地面積可以忽略，未來采煤塌陷地復墾方向也主要是耕地。因此，本文重點考慮采煤塌陷地與周邊耕地斑塊的連通性問題。本文從徐州市土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)中提取出采煤塌陷地周邊500 m范圍內(nèi)的耕地，采用Pascual-Hortal和Saura的景觀功能連接度指數(shù)：整體連通性指數(shù)(IIC)和可能連通性指數(shù)(PC)來對采煤塌陷地斑塊復墾利用重要性進行排序[24,29]。

1) 整體連通性指數(shù)，計算公式見式(1)。

(1)

2) 可能連通性指數(shù)，計算公式見式(2)。

(2)

式中：I，Pc∈[0,1]，I，Pc=0時各斑塊間無連接；I，Pc=1時表示整個景觀均為生境斑塊；ai和aj分別為斑塊i和j的面積；lij為斑塊i和j的連接狀態(tài)，pij*為斑塊i和j間所有路徑概率乘積的最大值；n為斑塊個數(shù)；AL為研究區(qū)總面積。

2.2 潛力評價方法

采煤塌陷地復墾利用潛力是指塌陷地能夠復墾為可供利用土地的潛在能力，與周邊土地利用密切相關。因此，首先根據(jù)塌陷地周邊土地利用狀況，通過連通性分析，確定塌陷地“生態(tài)記憶”的可能土地用途；然后，根據(jù)該用途所需的土地條件，包括社會經(jīng)濟條件，對塌陷地復墾利用潛力的相對大小進行排序和等級劃分；最后確定利用潛力。

2.2.1 指標體系及權重

根據(jù)《全國土地整治規(guī)劃(2016—2020年)》《關于加快建設綠色礦山的實施意見》和《關于加強生態(tài)修復城市修補工作的指導意見》，采煤塌陷地復墾利用需結(jié)合周邊環(huán)境，以城市規(guī)劃為基礎，以改善塌陷地質(zhì)量、景觀生態(tài)現(xiàn)狀和提高土地經(jīng)濟密度為目標，在調(diào)查評價基礎上，統(tǒng)籌場地現(xiàn)狀，對采煤塌陷地進行合理復墾利用。因此，采煤塌陷地復墾利用既需結(jié)合周邊區(qū)位環(huán)境，也需結(jié)合場地生態(tài)和塌陷地現(xiàn)狀，并基于城市發(fā)展規(guī)劃和政策措施確定治理時序。本文采用層次分析法分析采煤塌陷地復墾利用潛力。層次分析法是將定性問題半定量化的決策分析方法，具有層次化、系統(tǒng)化的特點。結(jié)合徐州市采煤塌陷地的實際情況，本研究從損毀程度、土壤條件、耕作條件、農(nóng)業(yè)區(qū)位條件、社會經(jīng)濟條件5個方面選取8個評價指標構(gòu)建采煤塌陷地生態(tài)修復潛力評價指標體系，見表1。其中，指標權重由中國礦業(yè)大學和徐州市自然資源與規(guī)劃局10名相關領域的專家依據(jù)各指標因子的相對重要性來確定，并對各指標因子權重值進行一致性檢驗。

表1 采煤塌陷地復墾利用潛力評價指標體系及權重

2.2.2 評價指標分級

評價指標的等級劃分與賦值依據(jù)各指標對采煤塌陷地復墾利用的效果、難度來確定，見表2。評價因子等級從1級至5級依次賦予100分、80分、60分、40分、20分。由于數(shù)據(jù)來源限制，塌陷深度、人均耕地面積兩個評價指標采用1級至3級進行劃分，依次賦予100分、70分、40分。

表2 采煤塌陷地復墾利用潛力評價因子分級

2.3 潛力評價等級計算及等級劃分

潛力評價等級通過層次分析法計算求取評價單元綜合值，單元綜合評價值F依據(jù)式(3)求取。其中，Ci為評價單元第i指標的得分值；Xi為第i指標的指標權重。根據(jù)得到的綜合值按大小排序，采用自然間斷點法，劃分等級標準范圍，確定潛力等級。

(3)

2.4 數(shù)據(jù)來源

本文研究對象為徐州市采煤塌陷區(qū)的未治理修復區(qū)域。采煤塌陷區(qū)數(shù)據(jù)來源于徐州市采煤塌陷區(qū)數(shù)據(jù)庫，包括總塌陷區(qū)域和已治理修復區(qū)域；土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)來源于徐州市土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)庫(2018年)；土壤數(shù)據(jù)來自徐州市地質(zhì)調(diào)查成果；地形數(shù)據(jù)來源于遙感解譯圖；相關社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)來自《徐州統(tǒng)計年鑒(2018)》。

3 結(jié)果與分析

3.1 采煤塌陷地景觀連通性評價

徐州市采煤塌陷地復墾為耕地的景觀連通性評價結(jié)果見圖2。將采煤塌陷地地塊復墾為耕地對耕地生態(tài)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的貢獻程度由高到低劃分為1級到5級。

圖2 徐州市采煤塌陷地復墾為耕地的景觀連通性

由圖2可以看出，整體上豐沛、銅山、賈汪三片區(qū)的采煤塌陷地復墾為耕地后對耕地生態(tài)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的貢獻程度均較高，實現(xiàn)現(xiàn)代規(guī)模農(nóng)業(yè)的條件較好，三片區(qū)1級至3級占采煤塌陷地總面積均超過98%。其主要原因是采煤塌陷主要發(fā)生在耕地上，塌陷發(fā)生前的用地類型以耕地居多，且塌陷區(qū)周邊耕地分布最為廣泛。賈汪片區(qū)采煤塌陷地復墾為耕地對耕地網(wǎng)絡的貢獻程度為1級的面積占比最高，地塊面積為1 426.71 hm2，占賈汪片區(qū)采煤塌陷地總面積的50.45%，從連通性的角度來看復墾為耕地的潛力最高；豐沛片區(qū)和銅山片區(qū)連通性等級分布較為均衡，貢獻程度為2級的面積占比最高，分別為46.82%和67.88%；景觀連通性差的區(qū)域多為采煤塌陷地的邊緣和零散破碎的區(qū)域，這些區(qū)域復墾后對耕地網(wǎng)絡影響較小，因此復墾利用潛力要低于集中連片區(qū)域。

3.2 采煤塌陷地復墾耕地潛力

徐州市采煤塌陷區(qū)屬于高潛水位礦區(qū)，塌陷形成的積水區(qū)不適宜復墾為耕地。本文主要對塌陷未積水區(qū)域進行以耕地為復墾導向的潛力評價。表3是各片區(qū)塌陷積水區(qū)和塌陷未積水區(qū)的面積統(tǒng)計。徐州市共有未修復采煤塌陷地11 121.27 hm2，其中，有27.35%的區(qū)域?qū)儆谒莘e水區(qū)，塌陷積水區(qū)中有52.09%分布在豐沛片區(qū)，主要原因是在豐沛片區(qū)靠近微山湖的區(qū)域，地下水位要高于其他區(qū)域，塌陷積水情況更易發(fā)生(圖3)。

表3 徐州市采煤塌陷地統(tǒng)計

徐州市采煤塌陷地塌陷未積水區(qū)面積為8 079.78 hm2，其中，耕地景觀連通性良好的面積為7 906.22 hm2，占比97.85%。表4是徐州市采煤塌陷地以耕地為復墾導向的潛力評價結(jié)果。整體來看，徐州市采煤塌陷地塌陷未積水區(qū)復墾利用潛力等級在3級以上的塌陷地面積為6 060.57 hm2，占比76.65%，有很大的復墾利用潛力；其中，豐沛片區(qū)采煤塌陷地復墾利用潛力面積占比以1級和2級居多，分別為27.62%和35.56%，復墾利用潛力最高；銅山片區(qū)采煤塌陷地復墾利用潛力面積占比以2級和3級居多，分別為33.57%和27.79%，復墾利用潛力其次；而賈汪片區(qū)采煤塌陷地復墾利用潛力面積占比以3級和4級居多，分別為25.89%和27.28%，復墾利用潛力最差。

表4 徐州市塌陷未積水區(qū)復墾利用潛力評價結(jié)果

徐州市采煤塌陷地復墾利用潛力評價結(jié)果見圖3。整體來看，復墾利用潛力高的區(qū)域都是集中連片區(qū)域，而潛力低的區(qū)域一般都是零散破碎區(qū)域。在豐沛片區(qū)，采煤塌陷地復墾利用潛力最高的區(qū)域為張雙樓礦區(qū)的西側(cè)，以1級為主；三河尖礦區(qū)西側(cè)采煤塌陷地面積范圍大，分布集中連片，景觀連通性高，復墾利用潛力以2級和3級為主；在龍固、龍東、姚橋和徐莊礦區(qū)，由于靠近微山湖，塌陷積水嚴重，不適宜復墾為耕地。銅山片區(qū)的采煤塌陷地在各個礦區(qū)均有分布，塌陷積水區(qū)主要分布在龐莊、王莊、義安、九里等礦區(qū)內(nèi)，分布較為分散；塌陷未積水區(qū)主要分布在張集、夾河、張小樓和柳新等礦區(qū)，其中柳新礦區(qū)雖然塌陷地面積較小，未修復采煤塌陷地集中在中部區(qū)域，但復墾利用潛力最高，以1級和2級為主；張集、夾河和張小樓等礦區(qū)未修復采煤塌陷地集中分布在西部區(qū)域，塌陷面積大，復墾利用潛力以2級和3級為主。賈汪礦區(qū)的未修復塌陷積水區(qū)分布零散破碎，在各個礦區(qū)均有分布，整體來看復墾利用潛力低于豐沛片區(qū)和銅山片區(qū)；未修復采煤塌陷地主要分布在西北和東南兩側(cè)，其中，唐莊、新湖、董莊等礦區(qū)分布較為集中且復墾利用潛力最高，以1級和2級為主；旗山礦區(qū)采煤塌陷地復墾利用潛力其次，以2級和3級為主；韓橋礦區(qū)、南莊礦區(qū)未修復塌陷地分布分散且復墾利用潛力較低，不適宜復墾為耕地。

圖3 徐州市采煤塌陷地復墾利用潛力評價結(jié)果

4 結(jié)論與討論

1) 徐州市采煤塌陷地復墾為耕地后對耕地生態(tài)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的貢獻程度均較高，實現(xiàn)現(xiàn)代規(guī)模農(nóng)業(yè)的條件較好，1級至3級占采煤塌陷地總面積超過98%，景觀連通性差的采煤塌陷地面積較小，多分布于邊緣和零散破碎的區(qū)域，這些區(qū)域復墾后對耕地網(wǎng)絡影響較小，復墾利用潛力要低于集中連片區(qū)域。

2) 徐州市采煤塌陷地復墾利用潛力等級在3級以上的塌陷地面積為6 060.57 hm2，占比76.65%，適宜修復為耕地；不適宜修復為耕地的塌陷地面積為1 845.65 hm2，占比23.35%。徐州市采煤塌陷地有巨大的復墾利用潛力。

3) 將景觀連通性分析運用到采煤塌陷地復墾利用潛力評價中，兼顧了未塌陷區(qū)域的土地利用，是確定采煤塌陷地復墾利用潛力的合理方法。將其應用到地區(qū)采煤塌陷地治理實踐中，能夠有效改善地塊連通性，提高現(xiàn)代農(nóng)業(yè)效率，對采煤塌陷地綜合整治和地區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展具有重要現(xiàn)實意義。

致謝感謝江蘇省自然資源智庫對項目的支持。