基于指數(shù)和法和極限條件法的礦區(qū)土地適宜性評(píng)價(jià)
——以孟家窯煤礦為例

梁葉萍，畢如田

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，山西 太谷 030801)

基于指數(shù)和法和極限條件法的礦區(qū)土地適宜性評(píng)價(jià)
——以孟家窯煤礦為例

梁葉萍，畢如田

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，山西 太谷 030801)

對(duì)礦區(qū)復(fù)墾土地適宜性評(píng)價(jià)是進(jìn)行土地復(fù)墾工作的重要內(nèi)容之一，也是土地復(fù)墾研究的基礎(chǔ)。以山西省寧武縣孟家窯煤礦為例，對(duì)該礦擬損毀土地進(jìn)行適宜性評(píng)價(jià)，結(jié)合土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)庫(kù)、地形地貌、土壤圖等相關(guān)資料，從損毀程度、有效土層厚度、地形坡度、有機(jī)質(zhì)等因素對(duì)礦區(qū)損毀土地進(jìn)行適宜性評(píng)價(jià)，運(yùn)用層次分析法對(duì)選取的指標(biāo)賦予相應(yīng)的權(quán)重，采用極限條件法和指數(shù)和法相結(jié)合的評(píng)價(jià)方法將研究區(qū)的復(fù)墾土地劃分為宜農(nóng)用地、宜林用地、宜草用地，根據(jù)評(píng)價(jià)的結(jié)果，將各適宜地類劃分為一等、二等、三等地類。其中，宜農(nóng)一等地面積為134.41 hm2、宜林一等地面積37.78 hm2、宜草一等地面積96.34 hm2。

適宜性評(píng)價(jià)；指數(shù)和法；極限條件法；礦區(qū)復(fù)墾土地；孟家窯

土地復(fù)墾已成為解決當(dāng)前人地矛盾，實(shí)現(xiàn)耕地總量動(dòng)態(tài)平衡的一項(xiàng)重要措施，而對(duì)復(fù)墾土地進(jìn)行適宜性評(píng)價(jià)是土地復(fù)墾的重要內(nèi)容之一，也是土地復(fù)墾的核心。實(shí)現(xiàn)土地的有效復(fù)墾與合理利用，必須以土地復(fù)墾適宜性評(píng)價(jià)為基礎(chǔ)和依據(jù)。長(zhǎng)期以來，人們探討運(yùn)用不同的評(píng)價(jià)方法研究礦區(qū)的待復(fù)墾土地資源的適宜性評(píng)價(jià)，比較典型的主要有：王介勇等在GIS技術(shù)支持下對(duì)工業(yè)用地進(jìn)行生態(tài)適宜性經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)[1]；梁濤等通過層次分析法確定評(píng)價(jià)因子權(quán)重,從空間上相對(duì)準(zhǔn)確地表征了不同類型土地的生態(tài)適宜度[2]；蘇光全等將礦區(qū)廢棄土地資源劃分不同亞類，分別對(duì)每一類作出了相應(yīng)的適宜性評(píng)價(jià),同時(shí)還提出了具體的開發(fā)利用途徑[3]；喻紅林等運(yùn)用指數(shù)和法、極限條件法計(jì)算綜合指數(shù)，結(jié)合最小限制因素法找出限制因素，以分析不同評(píng)價(jià)單元適宜的土地復(fù)墾方法及類型[4]；廖諶婳等在確定研究區(qū)主要用地類型的基礎(chǔ)上，運(yùn)用層次分析法和多因素綜合評(píng)價(jià)的方法建立農(nóng)田景觀生態(tài)適宜度的空間分布[5]；付清等將生態(tài)位適宜度方法以及克里格插值法引入到適宜性評(píng)價(jià)研究當(dāng)中[6]。根據(jù)以上各種方法的比較，結(jié)合礦區(qū)實(shí)際情況：項(xiàng)目區(qū)范圍小，土地覆蓋類型單一，因地制宜地建立研究區(qū)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，采用指數(shù)和法和極限條件法相結(jié)合的方法，選取多個(gè)因素構(gòu)建評(píng)價(jià)體系，評(píng)定損毀土地的復(fù)墾適宜性方向。

1 研究區(qū)概況

孟家窯煤礦位于山西省忻州市寧武縣城西，呂梁山脈管涔山東麓。寧武縣礦產(chǎn)資源豐富，主要資源有煤、鐵、鋁礬土以及石英石，等等。尤其以煤炭資源儲(chǔ)量最大，大大小小有上百座煤礦，是大寧煤田的主要組成部分。孟家窯煤礦井田面積為1713.05 hm2。礦井的服務(wù)年限為100.9年，年生產(chǎn)規(guī)模120萬t。首采區(qū)服務(wù)年限30.9年，首采區(qū)預(yù)測(cè)損毀面積354.24 hm2，其中耕地?fù)p毀163.38 hm2，林地56.82 hm2，草地118.64 hm2,水域及水利設(shè)施用地4.94 hm2，村莊10.46 hm2。項(xiàng)目區(qū)內(nèi)地勢(shì)總體呈西高東低，屬于中低山區(qū)，地形為剝蝕侵蝕中低山地形。井田內(nèi)無常年流水，溝谷中的季節(jié)性河流流入恢河。井田范圍主要分布在山區(qū)、丘陵區(qū)。土壤類型以褐土性土為主，所處地形復(fù)雜，成土母質(zhì)種類多樣。孟家窯井田范圍內(nèi)自然植被覆蓋度較低。項(xiàng)目區(qū)地形地貌如圖1。

圖1 項(xiàng)目區(qū)的地形地貌

2 建立適宜性評(píng)價(jià)體系

2.1 研究方法

本次評(píng)價(jià)是采用綜合分析，運(yùn)用“土地適宜類——土地質(zhì)量等——土地限制型”的分類方法確定礦區(qū)土地的適宜類別，構(gòu)建評(píng)價(jià)體系，選取指標(biāo)因子，層次分析法確定各評(píng)價(jià)因子的權(quán)重，極限條件法與指數(shù)法相結(jié)合最終確定復(fù)墾土地的適宜等級(jí)。

2.2 評(píng)價(jià)單元的確定

礦井開采引起的地表沉陷對(duì)地面的擾動(dòng)較大，改變、破壞了項(xiàng)目區(qū)原有地貌植被及土壤結(jié)構(gòu)，在地表形成了采動(dòng)裂縫，使土地喪失了原有的固土抗蝕能力，容易產(chǎn)生嚴(yán)重的水土流失，影響礦區(qū)正常生產(chǎn)和項(xiàng)目區(qū)及周邊生態(tài)環(huán)境狀況。運(yùn)用概率積分法和山區(qū)地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)模型預(yù)計(jì)開采范圍內(nèi)的水平和垂直方向的移動(dòng)變形值。地表移動(dòng)邊界的范圍就是開采產(chǎn)生的地表移動(dòng)范圍，即為塌陷區(qū)的面積。根據(jù)開采沉陷地表移動(dòng)變形等值線圖，分別繪制首采區(qū)下沉等值線圖，水平變形等值線圖，項(xiàng)目區(qū)破壞土地?fù)p毀程度分析圖，礦區(qū)土地?fù)p毀程度分析揭示了土地的可利用范圍及可利用的能力。

根據(jù)礦區(qū)具體情況，該研究的對(duì)象為礦區(qū)開采造成的擬損毀土地，總面積為354.24 hm2，本次研究主要是針對(duì)礦區(qū)擬損毀的農(nóng)用地，即耕地?fù)p毀163.38 hm2，林地56.82 hm2，草地118.64 hm2三大地類進(jìn)行評(píng)價(jià)，共計(jì)338.84 hm2。

在對(duì)孟家窯煤礦進(jìn)行土地復(fù)墾適宜性評(píng)價(jià)劃分評(píng)價(jià)單元時(shí)，以土地利用現(xiàn)狀、土地?fù)p毀程度和土壤類型以及限制性因素等因素的綜合影響為劃分依據(jù)，采用ArcGIS里的空間分析功能，將相同比例尺的相關(guān)圖件進(jìn)行疊加，形成封閉圖斑，并對(duì)小于上圖面積的圖斑進(jìn)行合并，從而得到最終評(píng)價(jià)單元。

2.3 評(píng)價(jià)因子的選擇

在特定的土地用途或土地利用方式中，選擇影響土地適宜性最主要的幾項(xiàng)因素作為評(píng)價(jià)的項(xiàng)目，稱為評(píng)價(jià)因子。土地資源是自然經(jīng)濟(jì)綜合體，其綜合質(zhì)量的高低既受自然因素的影響，又受社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素的制約[7]， 而礦區(qū)待復(fù)墾土地適宜性評(píng)價(jià)應(yīng)選擇一套相互獨(dú)立而又相互補(bǔ)充的參評(píng)因素和主導(dǎo)因素。參評(píng)因子應(yīng)滿足以下要求：一是可測(cè)性，即參評(píng)因子是可以測(cè)量并可用數(shù)值或序號(hào)表示的，并具有較高的可操作性；二是關(guān)聯(lián)性，即參評(píng)因子的增長(zhǎng)或減少，標(biāo)志著評(píng)價(jià)土地單元質(zhì)量的提高或降低；三是穩(wěn)定性，即選擇的參評(píng)因子在任何條件下反映的質(zhì)量持續(xù)穩(wěn)定；四是不重疊性，即參評(píng)因子之間界限清楚，不致相互重疊，相互之間不可替代[8]。

研究區(qū)內(nèi)主要用地類型為耕地、林地和草地，影響土地利用的主要自然因素是氣候和土壤條件，其他光照，積溫對(duì)其影響較小，因此將土壤因子作為主要的影響因子。研究區(qū)范圍較小，土壤類型較為單一，因此，選取幾個(gè)有差異性的土壤因子：坡度、有機(jī)質(zhì)、損毀程度、有效土層厚度等。由于開采煤層會(huì)對(duì)地表產(chǎn)生塌陷或裂縫，因此，將開采損毀程度也作為本次評(píng)價(jià)的主要因子之一，具體評(píng)價(jià)因子見表1。

表1 各評(píng)價(jià)單元的評(píng)價(jià)因子

2.4 指標(biāo)體系的構(gòu)建

復(fù)墾土地適宜性評(píng)價(jià)主要針對(duì)因挖損、塌陷、壓占等破壞的土地進(jìn)行適宜性評(píng)價(jià)，以確定其復(fù)墾方向。根據(jù)孟家窯煤礦待復(fù)墾土地資源特殊的地理?xiàng)l件，處于山區(qū)特定環(huán)境之下，土地用途受到較大限制，為實(shí)現(xiàn)礦區(qū)的可持續(xù)發(fā)展，礦區(qū)土地復(fù)墾利用方向應(yīng)首先考慮的是農(nóng)用地，該礦區(qū)土地適宜性評(píng)價(jià)時(shí)只針對(duì)耕地、林地、草地進(jìn)行評(píng)價(jià)。由于本研究區(qū)域的范圍較小，土地覆蓋類型單一，為了客觀合理地對(duì)礦區(qū)土地進(jìn)行適宜性評(píng)價(jià)，因地制宜地構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，以項(xiàng)目區(qū)原地貌類型作為基礎(chǔ)，采用多種方法綜合評(píng)價(jià)，首先用極限條件法，選擇若干限制性因素，根據(jù)限制性因素對(duì)于各評(píng)價(jià)單元的影響情況大致獲得項(xiàng)目區(qū)土地適宜類別：宜農(nóng)用地、宜林用地和宜草用地。在選定的各評(píng)價(jià)因子中，由限制性等級(jí)最大的因子確定土地的適宜類別。

根據(jù)研究區(qū)土地利用現(xiàn)狀，耕地、林地、草地及其他用地的利用情況及生產(chǎn)潛力狀況，結(jié)合土地利用的方式，采用三級(jí)分類。土地適宜類：依據(jù)土地利用現(xiàn)狀及損毀程度劃分適宜類別，評(píng)價(jià)主要分為四類：高度適宜(1)，中度適宜(2)，勉強(qiáng)適宜(3)，不適宜(4)。土地質(zhì)量等級(jí)：劃分一等、二等、三等地。土地限制性：按其主導(dǎo)因素進(jìn)行劃分。

各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的質(zhì)量通過多個(gè)土地性狀來表達(dá)的，根據(jù)調(diào)查情況，分別將各個(gè)單元中參評(píng)因子的土地性狀進(jìn)行描述。

地形坡度：塌陷區(qū)耕地地表坡度6～20°之間，塌陷區(qū)林地坡度在15～30°之間，塌陷草地坡度在25～35°之間。

地表物質(zhì)組成：塌陷區(qū)耕地為表土覆蓋，地表物質(zhì)組成為土壤，塌陷區(qū)林草地和裸地地表物質(zhì)比較復(fù)雜，是土壤和巖土混合相間的，裸地有部分則為基巖。

土壤有機(jī)質(zhì)和全氮：塌陷區(qū)耕地土壤有機(jī)質(zhì)含量在0.4 g·kg-1以上，全氮含量在0.3 g·kg-1以上。

土層厚度：塌陷區(qū)耕地原耕層厚度為20 cm，有效土層厚度為50 m。塌陷林地、草地原土層厚度30 cm、20 cm?？紤]到項(xiàng)目區(qū)所能利用的土源情況，根據(jù)損毀情況對(duì)其進(jìn)行覆土。

對(duì)于各評(píng)價(jià)因素的量化等級(jí)狀況見表2。

2.5 評(píng)價(jià)因子權(quán)重的確定

本次評(píng)價(jià)用層次分析法(Analytical Hierarchy Process，簡(jiǎn)稱 AHP)確定各評(píng)價(jià)因子的權(quán)重，按照1～9標(biāo)度法[9]，逐項(xiàng)地將任意兩兩指標(biāo)進(jìn)行比較，構(gòu)建判斷矩陣，通過方根法計(jì)算判斷矩陣，并對(duì)矩陣進(jìn)行歸一化處理，計(jì)算最大特征值與向量，確定各因子的權(quán)重。對(duì)矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，檢查權(quán)數(shù)分配的合理性。

表2 各評(píng)價(jià)因子量化等級(jí)表

3 適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果

3.1 各評(píng)價(jià)因子的權(quán)重值

運(yùn)用層次分析法構(gòu)建判斷矩陣的計(jì)算以及一致性的檢驗(yàn)之后得到各因子的權(quán)重值如表3所示。

由以上求得的權(quán)重可知，對(duì)項(xiàng)目區(qū)土地適宜性評(píng)價(jià)中，影響較大的是地形坡度，其次是土層厚度、地表物質(zhì)組成和損毀程度。

3.2 各評(píng)價(jià)單元適宜類的劃分

運(yùn)用以上方法對(duì)塌陷區(qū)土地復(fù)墾適宜性進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果可得：總面積為354.24 hm2，評(píng)價(jià)區(qū)域的面積為338.84 hm2，其中耕地163.38 hm2，林地56.82 hm2，草地118.64 hm2。由于對(duì)孟家窯煤礦的適宜性評(píng)價(jià)是基于煤礦生產(chǎn)對(duì)土地破壞預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)之上進(jìn)行，以現(xiàn)有的土地利用現(xiàn)狀作為評(píng)價(jià)基礎(chǔ)。將參評(píng)單元的土地質(zhì)量分別與復(fù)墾土地評(píng)價(jià)因素各類評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比，決定該單元的土地適宜性等級(jí)。結(jié)合礦區(qū)土地利用現(xiàn)狀，孟家窯煤礦的適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果分為三個(gè)等級(jí)：宜農(nóng)用地、宜林用地、宜草用地。在此基礎(chǔ)上再劃分為一等、二等、三等地。

表3 指標(biāo)權(quán)重計(jì)算結(jié)果

根據(jù)項(xiàng)目區(qū)實(shí)際情況和各評(píng)價(jià)因子對(duì)土地適宜性極限程度，通過實(shí)地調(diào)查和整理分析研究區(qū)內(nèi)土地利用現(xiàn)狀，土壤狀況等資料建立研究區(qū)各參評(píng)因子的等級(jí)。根據(jù)各評(píng)價(jià)因子等級(jí)的高低，分別賦以相應(yīng)的等級(jí)分，各評(píng)價(jià)因子劃分為四個(gè)等級(jí)，相應(yīng)的分值為：100、80、60、40分。用等級(jí)分乘以相應(yīng)因子的權(quán)重值，為各評(píng)價(jià)因子的指數(shù)[10,11]。當(dāng)某一因子達(dá)到強(qiáng)烈限制時(shí)，會(huì)嚴(yán)重影響評(píng)價(jià)單元的適宜程度，因此需要結(jié)合極限條件法進(jìn)行評(píng)定，只要某一評(píng)價(jià)單元的參評(píng)因子的等級(jí)分為0時(shí)，不論綜合分值有多高，都評(píng)價(jià)為不適宜[11]。土地綜合指數(shù)計(jì)算模型為：

式中：Gi為i塊土地綜合質(zhì)量指數(shù)；Pij為i單元j評(píng)價(jià)因子的權(quán)重；Xij為i單元j因子的等級(jí)分值，i為各評(píng)價(jià)單元的編號(hào)。

根據(jù)土地復(fù)墾標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)各地類的復(fù)墾要求，同時(shí)考慮項(xiàng)目區(qū)的實(shí)際情況，通過對(duì)塌陷區(qū)各地類評(píng)價(jià)的總體分值進(jìn)行綜合分析判斷，確定各用地等級(jí)分值的大致范圍見表4。

表4 土地適宜性評(píng)價(jià)等級(jí)分值標(biāo)準(zhǔn)

依據(jù)項(xiàng)目區(qū)對(duì)塌陷區(qū)各評(píng)價(jià)因素分值的確立，根據(jù)上表中土地適宜性評(píng)價(jià)中不同等級(jí)對(duì)應(yīng)不同的分值，依據(jù)各分值的劃分來確定項(xiàng)目區(qū)不同地類的適宜性(見圖2)，各等級(jí)面積統(tǒng)計(jì)見表5。

圖2 擬損毀區(qū)域適宜性等級(jí)圖

表5 評(píng)價(jià)單元綜合結(jié)果

4 討論與結(jié)論

本文采用極限條件法和加權(quán)指數(shù)和法相結(jié)合的適宜性評(píng)價(jià)方法，對(duì)孟家窯煤礦擬損毀區(qū)域進(jìn)行適宜性評(píng)價(jià)，充分考慮了評(píng)價(jià)區(qū)域的自然環(huán)境、損毀狀況、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等多方面的因素，采用層次分析法確定權(quán)重，研究結(jié)果表明，孟家窯煤礦擬損毀土地的適宜性評(píng)價(jià)中宜農(nóng)耕地面積168.38 hm2，其中宜農(nóng)一等地134.41 hm2；宜林地面積為56.82 hm2，宜林一等地37.78 hm2；宜草地118.64 hm2，宜草一等地96.34 hm2。隨著煤礦的開采，對(duì)土地的損毀程度越來越嚴(yán)重，宜農(nóng)用地隨之也在減少，意味著礦區(qū)土地復(fù)墾的緊迫性，必須將提高土地的自然質(zhì)量與社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素相結(jié)合，評(píng)價(jià)時(shí)，要以自然屬性為主要的復(fù)墾方向，但也必須顧及社會(huì)需要以及資金的來源等因素。評(píng)價(jià)結(jié)果能夠符合煤礦損毀土地復(fù)墾適宜性評(píng)價(jià)的要求，符合適宜性評(píng)價(jià)的基本原則。

根據(jù)項(xiàng)目區(qū)適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果，結(jié)合礦區(qū)土地?fù)p毀情況，自然屬性和社會(huì)經(jīng)濟(jì)屬性，公眾意愿等相關(guān)因素，確定礦區(qū)土地的復(fù)墾方向。項(xiàng)目區(qū)塌陷地類中：(1)耕地?cái)M復(fù)墾方向：為保證耕地總量，項(xiàng)目區(qū)的耕地復(fù)墾為原地類；(2)林地?cái)M復(fù)墾方向：為保護(hù)項(xiàng)目區(qū)生態(tài)環(huán)境，保持水土，便于統(tǒng)一管理，將林地中的灌木林地和其他林地統(tǒng)一復(fù)墾為有林地。(3)草地?cái)M復(fù)墾方向：對(duì)項(xiàng)目區(qū)的草地的擬復(fù)墾方向?yàn)槿斯つ敛莸亍３浞钟行У乩猛恋刭Y源。對(duì)于項(xiàng)目區(qū)其它地類的復(fù)墾方向，根據(jù)損毀情況及土地自身特點(diǎn)進(jìn)行綜合評(píng)定。

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TheEvaluationofLandSuitabilityinMiningAreaBasedontheIndexesandLimitConditions——MengjiayaoCoalMine

Liang Yeping，Bi Rutian

(CollegeofResourceandEnvironment,ShanxiAgriculturalUniversity,TaiguShanxi030801,China)

Land suitability evaluation is an important and fundamental part of land reclamation. Combined with land use database, landform, soil maps, and other relevant information, taking Mengjiayao mine in Ningwu County in Shanxi province for example, the suitability of the intended destruction land was evaluated by using four factors including destruction level, effective thickness of soil, slope, and organic matter. The classifications were established with the help of AHP to give weight to each factor. By combining Limit Condition Method and Indexes Method, the research area is classified to three classifications that suitable for agricultural, forest and grass, and each class includes first, second and third grades. Area of first grade in land that is suitable for agriculture is 134.41 hm2, for forest is 37.78 hm2, for grass is 96.34 hm2.

Suitability evaluation; Indexes method; Limiting conditions; Reclamation land in Coal mine; Mengjiayao

2014-03-14

2014-04-19

梁葉萍(1988-)，女(漢)，山西大同人，在讀碩士，研究方向：土地信息技術(shù)。

畢如田，教授，博士生導(dǎo)師。Tel：0354-6288912；E-mail：brt@sxau.edu.cn

山西省科技攻關(guān)項(xiàng)目(20120311009-1)

TD88

A

1671-8151(2014)05-0436-06

(編輯：武英耀)