礦區(qū)耕地整治潛力評價(jià)與整治分區(qū)

張欣欣，田惠文，畢如田※

（1. 山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，太谷 030801；2. 河南大學(xué)環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院，開封 475004）

0 引 言

工業(yè)革命以來，煤炭資源的開采與利用，推動了社會的物質(zhì)財(cái)富積累，也造成了土地資源損毀和生態(tài)環(huán)境破壞[1]。據(jù)估算，中國由煤炭開采造成的土地?fù)p毀面積達(dá)135×104hm2[2]，其中，井工地下開采破壞的土地占91%[3]，耕地受到了嚴(yán)重破壞。在此形勢下，《全國土地整治規(guī)劃（2016—2020 年）》提出，土地整治統(tǒng)籌礦產(chǎn)資源開發(fā)與土地資源保護(hù)、推動生態(tài)文明建設(shè)。因此，如何對礦區(qū)耕地整治潛力進(jìn)行全域覆蓋的科學(xué)評估、如何合理布局礦區(qū)耕地整治分區(qū)策略，成為亟待解決的科學(xué)命題。

土地整治是對土地資源的利用方式、強(qiáng)度、分布及人地關(guān)系的再組織和再優(yōu)化過程，在堅(jiān)守耕地“紅線”、解決耕地質(zhì)量下降、改善生產(chǎn)生活條件等方面發(fā)揮著不可替代的作用[4]。礦區(qū)作為中國“四區(qū)一帶”國土綜合整治的重點(diǎn)區(qū)域，面臨整治潛力不明、工程措施不一、任務(wù)分工不清等問題，亟需進(jìn)行土地整治潛力評價(jià)和分區(qū)整治規(guī)劃。耕地作為土地整治實(shí)施的主要對象[5]，在礦區(qū)耕地整治潛力評價(jià)方面，Xu 等[6]對煤礦區(qū)景觀生態(tài)質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測和評估，旨在為礦區(qū)資源開發(fā)和景觀規(guī)劃提供指導(dǎo)；Varenya Nallur 等[7]研究了阿肯色州頁巖廢棄井的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)潛力，并確定土地復(fù)墾規(guī)劃與收益；趙會順等[2]對太行山南麓采煤沉陷地的復(fù)墾潛力進(jìn)行評價(jià)，確定了土地復(fù)墾方向；韓良弼等[8]研究了黃土丘陵露天礦復(fù)墾土地適宜性，為礦區(qū)復(fù)墾分區(qū)提供依據(jù)?，F(xiàn)有研究對單一的耕地整治類型研究較深，缺乏綜合的礦區(qū)耕地整治潛力評價(jià)研究[9]，且尚未形成多維度、綜合性的評價(jià)方法。在整治分區(qū)方面，大多學(xué)者采用K-Means 聚類、系統(tǒng)聚類和加權(quán)求和模型等[10-12]，這些方法僅能確定耕地的空間集聚特征，無法識別屬性集聚特征。近年來，同時(shí)具備空間和屬性雙重維度特征的自組織雙重聚類方法逐漸應(yīng)用到生態(tài)功能、耕地生產(chǎn)力及土地整治等問題上[13-15]，且相關(guān)研究表明自組織雙重聚類在多維數(shù)據(jù)集分類上具有一定的優(yōu)勢[16]。運(yùn)用自組織雙重聚類對礦區(qū)進(jìn)行整治分區(qū)，可降低指標(biāo)和權(quán)重的主觀性，兼顧耕地整治的地理空間和屬性特征。

礦區(qū)作為一個(gè)特殊的復(fù)雜地理實(shí)體，地形起伏、地貌破碎的自然條件限制了耕地資源的利用程度，而長時(shí)間、大規(guī)模和高強(qiáng)度的煤炭開采又導(dǎo)致了土地?fù)p毀和生態(tài)環(huán)境惡化，嚴(yán)重威脅國土空間安全。當(dāng)前，礦區(qū)土地整治更多關(guān)注于對損毀土地的土地復(fù)墾，規(guī)劃布局中很少綜合考慮生態(tài)因素和利用效率，因此，需要改變傳統(tǒng)的土地和生態(tài)修復(fù)中圍繞單一要素搞整治和修復(fù)的做法，基于礦區(qū)面臨的現(xiàn)實(shí)問題，進(jìn)行土地綜合整治。本研究以山西省晉城市長河流域?yàn)槔?，考慮耕地低效利用、生態(tài)脆弱、土地?fù)p毀多維影響，構(gòu)建礦區(qū)耕地整治潛力評價(jià)指標(biāo)體系，基于自組織雙重聚類系統(tǒng)辨識屬性空間分布特征，并結(jié)合DB 指數(shù)（Davies-Bouldin Index）合理確定耕地整治項(xiàng)目區(qū)。以期通過對長河流域耕地的整治潛力研究，判定耕地整治的主要治理模式，為礦區(qū)后續(xù)土地整治規(guī)劃和整治工程措施提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

長河流域位于沁水煤田界內(nèi)，屬于山西省晉城市澤州縣，在 112.63°～112.77°E，35.50°～35.63°N 之間，下轄3 個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，47 個(gè)行政村，總面積約113.16 km2，其中耕地面積為 64.71 km2（圖 1）。研究區(qū)屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫10.6 ℃，年降雨量550～600 mm。長河西側(cè)共有成莊、天泰坤達(dá)、天安晉瑞等11 個(gè)煤礦，共含煤8～17 層，總厚度9.18～14.23 m，煤礦年生產(chǎn)規(guī)模均在45 萬t 以上。該區(qū)位于黃土丘陵山區(qū)，流域平均海拔約857 m，特殊的黃土層和粗放的開采方式，導(dǎo)致土地采空、沉陷、損毀和廢棄物壓占耕地等，煤炭洗選引發(fā)了流域水土資源污染、植被退化和環(huán)境惡化等一系列嚴(yán)重的生態(tài)問題，加之流域內(nèi)地形地貌復(fù)雜，造成耕地布局散亂、利用低效。因此，長河流域作為流域壓煤山丘區(qū)，研究其耕地整治潛力和分區(qū)策略，具有較強(qiáng)的典型性。

圖1 長河流域礦區(qū)位置、土地利用和高程圖Fig1 Mining area location, land use and elevation in Changhe Basin

1.2 數(shù)據(jù)來源

礦區(qū)數(shù)據(jù)來自2017 年長河流域各礦業(yè)提供的煤層采掘工程圖、礦區(qū)采煤擾動現(xiàn)狀圖、實(shí)地調(diào)研數(shù)據(jù)及 2019年統(tǒng)計(jì)年鑒、煤礦環(huán)境動態(tài)監(jiān)測成果、《礦區(qū)環(huán)境影響報(bào)告》、礦區(qū)損毀現(xiàn)狀圖等。

土地利用數(shù)據(jù)來源于2019 年澤州縣土地利用變更數(shù)據(jù)庫，包括林地、草地、園地、耕地、設(shè)施用地、建設(shè)用地等矢量圖斑。耕地質(zhì)量數(shù)據(jù)來源于2019 年澤州縣耕地質(zhì)量更新評價(jià)成果。氣象數(shù)據(jù)來源于長河流域基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫，包括氣溫、降水量、太陽輻射等。

遙感數(shù)據(jù)來源于美國地質(zhì)勘探局（United States Geological Survey，USGS）網(wǎng)站的 MODIS 和 Landsat 影像，時(shí)間為2019 年；數(shù)字高程模型（DEM）由各礦業(yè)提供，精度為1m，并計(jì)算高程、坡度。

土壤污染詳查數(shù)據(jù)來源于2019 年山西省土壤污染詳查數(shù)據(jù)庫，包括土壤重金屬Cd、Hg、As 等。

土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)：2015 年7 月在長河流域范圍內(nèi)按照1 km×1 km 采樣網(wǎng)格布局土壤采樣點(diǎn)，采樣時(shí)以網(wǎng)格中心為原點(diǎn)、5 m 為半徑的范圍內(nèi)，采用蛇形法布點(diǎn)，多點(diǎn)混合取樣，采樣深度0～20 cm 一共采集117 個(gè)土壤樣品，密封帶回實(shí)驗(yàn)室，測定土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷等。

2 思路與方法

2.1 耕地整治潛力內(nèi)涵

隨著生態(tài)文明建設(shè)和綠色發(fā)展的不斷深入，耕地整治著力加強(qiáng)耕地?cái)?shù)量、質(zhì)量、生態(tài)“三位一體”的保護(hù)，加之煤炭開采造成了耕地大面積損毀，因此礦區(qū)耕地整治逐漸從追求增加耕地面積、提高耕地質(zhì)量及改善生態(tài)條件延伸到恢復(fù)損毀土地功能，對應(yīng)礦區(qū)耕地整治潛力也從數(shù)量、質(zhì)量、生態(tài)和土地?fù)p毀4 個(gè)方面體現(xiàn)。其中，耕地的數(shù)量、質(zhì)量是衡量區(qū)域內(nèi)耕地資源利用程度的主要指標(biāo)；耕地生態(tài)環(huán)境的優(yōu)劣反映耕地生態(tài)系統(tǒng)的脆弱程度；土地?fù)p毀體現(xiàn)煤炭開采活動對耕地的破壞程度。為全面反映耕地整治對礦區(qū)耕地?cái)?shù)量、質(zhì)量、生態(tài)和土地?fù)p毀的有效改善程度，本研究從耕地的低效利用度、生態(tài)脆弱度和土地?fù)p毀度3 個(gè)維度去評價(jià)礦區(qū)耕地整治潛力。

2.2 基本思路

本研究可分為3 個(gè)步驟：1）從耕地整治內(nèi)涵出發(fā)，結(jié)合礦區(qū)的現(xiàn)實(shí)問題，考慮耕地的低效利用度、生態(tài)脆弱度、土地?fù)p毀度構(gòu)建礦區(qū)耕地整治潛力評價(jià)指標(biāo)體系，并選取對整治潛力影響較大的地形和社會經(jīng)濟(jì)因素逐級修正，利用加權(quán)求和模型和“1+X”模型評價(jià)耕地整治潛力。2）基于自組織雙重聚類，將三個(gè)維度指標(biāo)作為屬性維、耕地圖斑的幾何中心點(diǎn)作為空間維進(jìn)行聚類，采用DB 指數(shù)判定最佳聚類方案。3）依據(jù)其不同屬性特征的地域分異特點(diǎn)，識別耕地整治的主要限制因素，對分區(qū)進(jìn)行命名，形成礦區(qū)耕地整治項(xiàng)目區(qū)，并據(jù)此提出整治策略。

2.3 耕地整治潛力評價(jià)指標(biāo)體系

現(xiàn)階段，土地綜合整治進(jìn)入了從抽象概念到具體落實(shí)、從單一目標(biāo)到多元目標(biāo)、從獨(dú)立要素整治到系統(tǒng)綜合整治的新時(shí)期。由于礦區(qū)面臨問題的復(fù)雜性和交織性，本研究把解決耕地低效利用、生態(tài)環(huán)境惡化和土地大面積損毀的現(xiàn)實(shí)問題作為土地整治的主要目標(biāo)，通過集成耕地的低效利用度、生態(tài)脆弱度和土地?fù)p毀度構(gòu)建多維耕地整治潛力評價(jià)指標(biāo)體系。

圖2 研究思路Fig.2 Research idea

2.3.1 低效利用度

根據(jù)耕地資源發(fā)展態(tài)勢、特征及數(shù)據(jù)資料的可獲得性，本研究從耕地?cái)?shù)量潛力、質(zhì)量潛力兩方面確定耕地資源的低效利用程度，潛力越大，耕地利用效率越低，低效利用度越高。1）數(shù)量潛力。土地整理過程中新增耕地?cái)?shù)量的潛力，主要指調(diào)整耕地后備資源，包括零星廢棄園地，荒地，有林地，特殊用地等，這部分可以全部整理為耕地；降低耕地中田坎、溝渠、道路等的占地系數(shù)補(bǔ)充耕地?cái)?shù)量；對區(qū)域內(nèi)分布細(xì)碎零散的耕地進(jìn)行開墾歸并，提高耕地集中連片性的同時(shí)增加耕地?cái)?shù)量。本研究以現(xiàn)狀耕地地塊（圖斑）為基礎(chǔ)，附帶與耕地鄰接的狹小、分散、低效的園地、林地、坑塘水面等其他農(nóng)用地為基本評價(jià)單元，選取耕地后備資源指數(shù)、田塊系數(shù)和田塊細(xì)碎度確定耕地?cái)?shù)量潛力。2）質(zhì)量潛力。土地整理過程中提高耕地質(zhì)量的潛力，主要將耕地質(zhì)量低、障礙因素高、基礎(chǔ)設(shè)施差、農(nóng)機(jī)通達(dá)性欠佳的土地進(jìn)行改良和配套農(nóng)田水利設(shè)施。本研究選取耕地質(zhì)量等級、鹽漬化程度、農(nóng)機(jī)通達(dá)能力和農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施完備度確定耕地質(zhì)量潛力（表1）。

2.3.2 生態(tài)脆弱度

礦區(qū)煤炭開采破壞了水土資源空間分布的穩(wěn)定性，造成了土壤污染和水質(zhì)污染。煤炭洗選過程等導(dǎo)致空氣污染、植被生產(chǎn)力降低、土壤質(zhì)量退化，威脅生態(tài)環(huán)境。生態(tài)脆弱度作為生態(tài)修復(fù)的重要依據(jù)，在指標(biāo)選取上要反映生態(tài)系統(tǒng)的健康程度，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)[23-24]，從生態(tài)系統(tǒng)的主要組成成分土壤、水、空氣、植被等方面，選取土壤污染、水質(zhì)污染、空氣污染、植被凈初級生產(chǎn)力、土壤質(zhì)量5 個(gè)指標(biāo)來確定生態(tài)脆弱度（表1）。

2.3.3 土地?fù)p毀度

煤炭開采對耕地影響主要在土地?fù)p毀，煤炭開采造成的塌陷、壓占、采空、廢棄地等侵占了大量耕地。同時(shí)，采礦作業(yè)的相互作用破壞了原生的礦床地質(zhì)條件，導(dǎo)致了地表裂縫和非均勻沉降。本研究對相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行了梳理，分析發(fā)現(xiàn)眾學(xué)者選取的指標(biāo)各異，但一般都從下沉深度、損毀土地、附加坡度、穩(wěn)定性、裂縫密度、積水情況等方面進(jìn)行評價(jià)[23,25]。其中，下沉深度和損毀土地的使用頻率最高，其很大程度上影響土地的損毀程度；礦區(qū)采煤后，地表開裂，穩(wěn)定性降低，形成塌陷區(qū)，同時(shí)塌陷區(qū)周圍會產(chǎn)生一定的附加坡度，影響農(nóng)作物耕作；長河流域地處干旱區(qū)，蒸發(fā)量為降水量的 6 倍，煤炭開采導(dǎo)致地下水位下降嚴(yán)重，礦區(qū)沉陷處積水很少，故不將積水情況作為土地?fù)p毀度分析的評價(jià)因子。綜合指標(biāo)因子的可獲得性及實(shí)地調(diào)查情況，本研究選取下沉深度、損毀土地、附加坡度、穩(wěn)定性、裂縫密度 5 個(gè)指標(biāo)來確定土地?fù)p毀度（表1）。

2.3.4 指標(biāo)量化

由于研究區(qū)面積較小，煤炭開采對耕地的影響通常跨越村鎮(zhèn)，以村鎮(zhèn)為評價(jià)單元，不利于耕地的精準(zhǔn)整治，因此考慮地塊之間的空間關(guān)系，通過設(shè)定“閾值”劃定緩沖區(qū)作為潛力量化計(jì)算的空間尺度單元，“閾值”由ArcGIS 軟件空間分析工具，對長河流域耕地圖斑進(jìn)行近鄰點(diǎn)距離計(jì)算得到，此最小半徑為52.12 m，該距離保證每個(gè)圖斑至少有一個(gè)圖斑與之相鄰[26]。本研究采用層次分析法、熵權(quán)法結(jié)合的方式，確定指標(biāo)權(quán)重，量化方法見表1，數(shù)據(jù)歸一化采用極值法[27]。

2.4 評價(jià)方法

2.4.1 低效利用度/生態(tài)脆弱度/土地?fù)p毀度

低效利用度、生態(tài)脆弱度、土地?fù)p毀度評價(jià)分值采用加權(quán)求和模型計(jì)算，公式為

式中Vi為各屬性準(zhǔn)則層下指標(biāo)i的權(quán)重，Wij為第j個(gè)耕地圖斑第i個(gè)指標(biāo)的計(jì)算值，m為指標(biāo)個(gè)數(shù)，分值標(biāo)準(zhǔn)化區(qū)間為[0, 1]。

2.4.2 地形修正系數(shù)/社會經(jīng)濟(jì)修正系數(shù)

耕地整治潛力還受到地形和社會經(jīng)濟(jì)的制約，結(jié)合礦區(qū)耕地現(xiàn)狀，選取了對整治潛力影響較大的因素（表 2），計(jì)算地形和社會經(jīng)濟(jì)修正系數(shù)。

1）地形修正系數(shù)：采用“1+X”模型[28]，即以緩坡0～5°、低海拔0～200 m 的耕地作為基準(zhǔn)“1”，依據(jù)分級規(guī)則累加得到修正系數(shù)（T）。

2）社會經(jīng)濟(jì)修正系數(shù)：采用“1+X”模型，即以地均年產(chǎn)值的均值、無煤炭開采和高整治意愿作為基準(zhǔn)“1”，依據(jù)分級規(guī)則累加得到修正系數(shù)（S）。地均年產(chǎn)值和原煤年生產(chǎn)量通過統(tǒng)計(jì)年鑒和煤礦資料合計(jì)，整治意愿通過問卷調(diào)研，同意整治的居民比例越高，該區(qū)域整治意愿越高。

2.4.3 耕地整治潛力

綜合低效利用度、生態(tài)脆弱度和土地?fù)p毀度的結(jié)果，結(jié)合地形和社會經(jīng)濟(jì)修正系數(shù)逐級修正，測算了長河流域耕地整治潛力[28]，計(jì)算公式如下

式中R、Q、Z分別為低效利用度、生態(tài)脆弱度和土地?fù)p毀度的權(quán)重。

表2 耕地整治潛力（“1+X”模型）分級規(guī)則Table2 Grading rules for farmland consolidation potential(“1+X” model)

2.5 耕地整治分區(qū)方法

自組織雙重聚類是依據(jù)人腦中神經(jīng)元具有后天學(xué)習(xí)過程這一特性提出的一種非監(jiān)督型人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，它適用于多維數(shù)據(jù)集分類，可同時(shí)顧及空間連續(xù)性和屬性相似性[14]。自組織雙重聚類將數(shù)據(jù)的空間維和屬性維作為輸入維，以常規(guī)的競爭學(xué)習(xí)算法進(jìn)行訓(xùn)練[29]。本研究采用該方法，根據(jù)空間距離和屬性距離分別執(zhí)行聚類，獲取雙重屬性聚類的分類結(jié)果，研究基于MATLAB 軟件構(gòu)建聚類算法[29-30]，步驟如下：1）進(jìn)行初始化，包括設(shè)置初始化權(quán)值[0-1]的隨機(jī)數(shù)、迭代次數(shù)為2 500 次、距離為歐氏距離、學(xué)習(xí)速率為0.1、聚類個(gè)數(shù)為2～14 類（k）；2）將耕地圖斑的幾何中心坐標(biāo)作為空間維讀入，低效利用度、生態(tài)脆弱度、土地?fù)p毀度 3 個(gè)指標(biāo)層作為屬性維讀入，讀入數(shù)據(jù)需進(jìn)行無量綱化處理；3）計(jì)算空間維和屬性維的輸入樣本數(shù)據(jù)與每個(gè)競爭神經(jīng)元之間的距離，距離最小的為獲勝神經(jīng)元；4）設(shè)置閾值和鄰域，獲取最終獲勝神經(jīng)元并更新鄰域神經(jīng)元矩陣；5）重復(fù)步驟1～4，對空間維聚類結(jié)果和屬性維聚類結(jié)果合并，獲取最終聚類結(jié)果，流程如圖3。

由于自組織雙重聚類的非監(jiān)督聚類特性，不同類別數(shù)目的聚類結(jié)果差異顯著，最優(yōu)類別數(shù)目的選擇是確定整治分區(qū)的關(guān)鍵。目前，多數(shù)研究通過對聚類結(jié)果的主觀判斷，來確定最佳聚類個(gè)數(shù)[31]。DB 指數(shù)作為一種客觀的聚類效果評價(jià)方法，其在檢驗(yàn)各變量的空間相關(guān)性上有一定的優(yōu)勢，DB 指數(shù)由類內(nèi)散布和類間散布的比值表示，DB 指數(shù)越小，聚類效果越好[32]，但聚類結(jié)果需滿足“類內(nèi)差異性最小，類間差異明顯的前提下分類數(shù)目不宜過多”的原則，結(jié)合DB 指數(shù)變化曲線的拐點(diǎn)來確定最優(yōu)類別數(shù)，公式為

式中k為聚類個(gè)數(shù)；Dk為各類別斑塊到該類別中心點(diǎn)的均值；Dk(Qi,Qj)各類別中心點(diǎn)之間的距離。

圖3 自組織雙重聚類流程Fig.3 Self-organization dual clustering process

3 結(jié)果分析

3.1 耕地整治潛力空間分異

圖4 是通過加權(quán)求和模型和“1+X”模型評價(jià)耕地整治潛力的結(jié)果，采用自然間斷點(diǎn)分級法分為4 級。由圖4可知，耕地資源的低效利用度、生態(tài)脆弱度、土地?fù)p毀度及整治潛力的地域分異顯著，以長河為界，耕地整治潛力整體呈西高東低。位于流域西部集中連片礦區(qū)的耕地低效利用度、生態(tài)脆弱度、土地?fù)p毀度較高，整治潛力較大；位于長河西側(cè)丘陵區(qū)、流域東部山地的耕地低效利用度、生態(tài)脆弱度或土地?fù)p毀度適中，整治潛力次之；長河?xùn)|側(cè)平原及低山丘緩坡地段的耕地低效利用度、生態(tài)脆弱度和土地?fù)p毀度較低，整治潛力最小。這與研究區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平相符合，流域西部是山西省重要的產(chǎn)煤區(qū)之一，工業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較高，生態(tài)環(huán)境較差；流域西部山地、丘陵分布較廣，耕地斑塊分割程度高、空間布局分散、基礎(chǔ)設(shè)施落后、耕地質(zhì)量較低，農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)相對落后；長河?xùn)|側(cè)的耕地自然稟賦、區(qū)位條件及生態(tài)環(huán)境優(yōu)越，整治潛力較弱。耕地整治潛力的空間分布即為加權(quán)求和模型確定的整治分區(qū)（圖 4d），其耕地圖斑空間分布細(xì)碎零散，不利于礦區(qū)土地綜合整治項(xiàng)目的推進(jìn)與實(shí)施。

3.2 耕地整治分區(qū)與整治策略

圖5 是自組織雙重聚類結(jié)果為2～14 個(gè)類別時(shí)對應(yīng)的DB 指數(shù)變化曲線，聚類個(gè)數(shù)在2～7 之間時(shí)，DB 指數(shù)整體呈現(xiàn)降低趨勢，聚類個(gè)數(shù)在8～14 之間時(shí)，DB 指數(shù)變化趨于平穩(wěn)，由于分區(qū)類別數(shù)目不宜過多，聚類數(shù)目大于 14 時(shí)不予考慮。因此，當(dāng)聚類個(gè)數(shù)為 7 時(shí)，DB指數(shù)最小，為最優(yōu)聚類方案。圖6 為最優(yōu)方案聚類結(jié)果，此時(shí)確保了類內(nèi)特征的相似性和類間特征的差異性，聚類結(jié)果最為理想。

圖4 長河流域耕地整治潛力空間分異Fig.4 Spatial variation of farmland consolidation potential in Changhe basin

圖5 DB 指數(shù)變化曲線Fig.5 Davies-Bouldin index curve

土地整治初期以保護(hù)耕地資源、保障國家糧食安全為目標(biāo)。隨著土地整治內(nèi)涵和外延不斷完善，整治目標(biāo)日趨多元、實(shí)施模式逐步多樣，逐漸形成了包括土地整理、生態(tài)修復(fù)和土地復(fù)墾等模式的土地整治格局[33]。其中，土地整理通過地塊合并、農(nóng)田平整、完善基礎(chǔ)設(shè)施等措施增加耕地面積和提高耕地質(zhì)量；生態(tài)修復(fù)通過管控“三廢”排放、修復(fù)環(huán)境污染、重建生態(tài)系統(tǒng)及降低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)來改善耕地的生態(tài)條件；土地復(fù)墾通過對生產(chǎn)活動造成的挖損、塌陷、壓占等土地采取重塑地貌、塌陷填埋等工程措施來恢復(fù)其利用功能。因此，土地整理、生態(tài)修復(fù)和土地復(fù)墾可對應(yīng)解決礦區(qū)耕地資源低效利用、生態(tài)脆弱和土地?fù)p毀等問題。為了提高分區(qū)的空間連續(xù)性和實(shí)施整治規(guī)劃的合理性，本研究基于聚類結(jié)果（圖 6），將個(gè)別細(xì)碎零散的圖斑融合到相鄰的類別中，形成 7 個(gè)明顯清晰的分區(qū)，并依據(jù)各類別耕地的低效利用度、生態(tài)脆弱度、土地?fù)p毀度高低值重合和錯位的地域分異特點(diǎn)（圖7），將長河流域耕地整合為6 個(gè)整治分區(qū)，探索基于“整體保護(hù)、系統(tǒng)修復(fù)、綜合治理”的新時(shí)期礦區(qū)耕地綜合整治策略，表 3 是各分區(qū)對應(yīng)類別的維度特征。

圖6 耕地整治潛力聚類結(jié)果Fig.6 Results of farmland reclamation potential clustering

圖7 長河流域耕地整治分區(qū)Fig.7 Farmland reclamation zoning in Changhe Basin

表3 長河流域耕地整治分區(qū)的類別特征Table 3 Category features of farmland consolidation zone in Changhe basin

1）健康利用提升區(qū)

該區(qū)屬長河?xùn)|側(cè)平原及低山丘緩坡地段，主要位于李山村、關(guān)山村、賈泉村、小南村等16 個(gè)村，總面積約27.73 km2。項(xiàng)目區(qū)內(nèi)耕地的低效利用度、生態(tài)脆弱度、土地?fù)p毀度和整治潛力均較低，在推進(jìn)農(nóng)業(yè)規(guī)?；?、機(jī)械化、產(chǎn)業(yè)化方面優(yōu)勢明顯。本區(qū)應(yīng)促成耕地的集中連片，大力建設(shè)高標(biāo)準(zhǔn)基本農(nóng)田，實(shí)現(xiàn)耕地的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)及耕地質(zhì)量的提升。結(jié)合農(nóng)戶意愿，本著“自愿協(xié)商、等量交換、等質(zhì)替代”等原則，將農(nóng)戶分散經(jīng)營的耕地進(jìn)行土地流轉(zhuǎn)或權(quán)屬調(diào)整，實(shí)現(xiàn)耕地大規(guī)模經(jīng)營管理，按照基地化、標(biāo)準(zhǔn)化、優(yōu)質(zhì)化、市場化原則加快農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程，促進(jìn)規(guī)模農(nóng)業(yè)和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)土地的健康可持續(xù)利用。

2）耕地資源整理區(qū)

該區(qū)屬長河流域未受煤炭開采影響的東部山地，主要位于嶺南村、劉河村、董山村、孟山村等 9 個(gè)村，總面積約8.18 km2。區(qū)域內(nèi)生態(tài)脆弱度和土地?fù)p毀度較低，耕地整治潛力適中，由于較高的低效利用度，該區(qū)整治模式為土地整理。本區(qū)應(yīng)注重耕地資源的空間整合，通過梯田建設(shè)、坡面梯田改造、減少田埂數(shù)量、改善田塊形狀來歸并空間上相對集中的耕地；開展內(nèi)部零星地類的整治，依托溝渠、道路、水系等要素修筑地塊邊界，依據(jù)地形地貌擴(kuò)大耕地資源規(guī)模，增強(qiáng)耕地的空間集聚性和集中連片性，實(shí)現(xiàn)土地節(jié)約集約利用；結(jié)合當(dāng)?shù)剞r(nóng)機(jī)及主要交通工具規(guī)格，合理布局田間道路和生產(chǎn)道路網(wǎng)絡(luò)，提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)便利性；重建落后的農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施，消除耕地中的限制因素，提高耕地質(zhì)量等級和生產(chǎn)能力，而對海拔高、坡度大的低產(chǎn)耕地則實(shí)施退耕還林還草工程。

3）重點(diǎn)生態(tài)修復(fù)區(qū)

該區(qū)位于生態(tài)環(huán)境較差的長河流域西北部，主要包括劉村、成莊村、中村及石伏頭村西北部，總面積約4.23 km2。區(qū)域內(nèi)耕地的低效利用度和土地?fù)p毀度較低，整治潛力適中，但該區(qū)屬工礦廢水、煤渣廢棄地周邊，土壤污染、水質(zhì)污染及空氣污染嚴(yán)重，區(qū)域內(nèi)生態(tài)脆弱度較高，主要整治模式為生態(tài)修復(fù)，本區(qū)應(yīng)著重于改善生態(tài)環(huán)境，降低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。在適度限制煤炭開采活動的前提下，有效管控礦區(qū)廢水、廢渣排放和堆砌，加強(qiáng)耕地防護(hù)林建設(shè)，防止土地退化，改善耕地環(huán)境。依據(jù)地表水文特征整合農(nóng)田水利并修復(fù)含水層；采用重金屬化學(xué)固定、土壤淋洗、電熱修復(fù)等改良土壤污染，對于污染嚴(yán)重的地區(qū)可復(fù)墾為林地、草地；通過綠化設(shè)計(jì)、植物養(yǎng)護(hù)與修復(fù)措施清潔空氣；綜合客土改良、土壤覆蓋設(shè)計(jì)、土地清潔技術(shù)等進(jìn)行生態(tài)修復(fù)治理，構(gòu)建生態(tài)良好、有廊道溝通的耕地生態(tài)斑塊，提高生態(tài)質(zhì)量；設(shè)計(jì)生態(tài)路、生態(tài)林、生態(tài)渠，開發(fā)觀光農(nóng)業(yè)園區(qū)，促進(jìn)區(qū)域生態(tài)穩(wěn)定和環(huán)境美化。

4）損毀土地復(fù)墾區(qū)

該區(qū)屬于高強(qiáng)度煤炭開采的長河西側(cè)中南部，主要位于馬坪頭村、上麓村、辛壁村、東煙村和下麓村等，總面積約9.48 km2。區(qū)域內(nèi)耕地的低效利用度和生態(tài)脆弱度較低，整治潛力適中，由于煤炭開采時(shí)間長，產(chǎn)煤量高，區(qū)域內(nèi)地裂縫眾多，土地集中損毀。因此，該區(qū)主要整治模式為土地復(fù)墾，本區(qū)應(yīng)依托地形地貌，結(jié)合地表裂縫密度、下沉深度、廢棄壓占規(guī)模以及附加坡度等指標(biāo)，識別土地?fù)p毀類型，科學(xué)合理的進(jìn)行地貌重塑、土壤重構(gòu)和廢棄地再利用；加強(qiáng)采復(fù)一體化，做到填堵裂縫、挖高墊低、邊塌邊修，并配套工程措施及地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)，進(jìn)行損毀土地的恢復(fù)和利用；依托交通優(yōu)勢和礦山獨(dú)特地貌建設(shè)礦山公園，開發(fā)運(yùn)動休閑場所。

5）土地治理優(yōu)配區(qū)

該區(qū)位于長河流域西南部及長河西側(cè)中北部，主要包括上小河村、和村、段都村、東莊村等，總面積約10.30 km2。項(xiàng)目區(qū)屬于高強(qiáng)度煤炭開采區(qū)周邊，耕地的低效利用度、生態(tài)脆弱度和土地?fù)p毀度一般，整治潛力適中，土地整治中應(yīng)針對不同區(qū)域耕地的利用低效度、生態(tài)脆弱度和土地?fù)p毀度的屬性空間分異特點(diǎn)等，對應(yīng)實(shí)施土地整理、生態(tài)修復(fù)和土地復(fù)墾，采取“因地制宜、揚(yáng)長補(bǔ)短”的差別化土地整治模式，推進(jìn)區(qū)域耕地-生態(tài)-資源要素的優(yōu)化配置。如沉陷區(qū)可依托自身和區(qū)位條件等恢復(fù)成生態(tài)濕地、水產(chǎn)養(yǎng)殖、水庫、污水處理濕地等類型；加強(qiáng)高標(biāo)準(zhǔn)梯田建設(shè)的同時(shí)，增施復(fù)合肥來改良土壤質(zhì)量，修復(fù)耕地生態(tài)。

6）綜合土地整治區(qū)

該區(qū)屬長河流域西部壓煤山區(qū)，主要位于溝西村、中街村、王虎山村、車郭莊村等 7 個(gè)村，總面積約4.83 km2。區(qū)域內(nèi)地形復(fù)雜、坡度較大、設(shè)施落后，支流水系阻隔，且距離鄉(xiāng)鎮(zhèn)中心較遠(yuǎn)、耕地細(xì)碎分散、土壤肥力差、耕地投入較大、作物產(chǎn)量較低，受煤炭開采影響，土地滑坡，生態(tài)脆弱，水土流失嚴(yán)重。該區(qū)耕地的低效利用度、生態(tài)脆弱度和土地?fù)p毀度均較高，整治潛力最大。土地整治中應(yīng)綜合土地復(fù)墾、生態(tài)修復(fù)和土地整理等手段，注重對塌陷污染土地、耕地、溝渠、道路、設(shè)施用地及居民點(diǎn)等生產(chǎn)要素的全域規(guī)劃，耦合土地整治與生態(tài)景觀建設(shè)，集成土地平整工程、農(nóng)田水利工程、道路工程、防護(hù)工程等技術(shù)，重點(diǎn)采取塌陷地填埋、土壤改良、坡改梯、水土保持、植被修復(fù)等措施，協(xié)調(diào)耕地、農(nóng)村、溝渠、道路、水系等空間整合關(guān)系，科學(xué)設(shè)計(jì)“土地整理+生態(tài)修復(fù)+土地復(fù)墾”模式，實(shí)現(xiàn)耕地的綜合整治。

4 結(jié) 論

1）長河流域礦區(qū)耕地整治潛力的地域分異顯著，以長河為界，耕地整治潛力整體呈西高東低，流域西部的耕地整治潛力較大；長河西側(cè)丘陵區(qū)及流域東部山地的耕地整治潛力次之；長河?xùn)|側(cè)平原及低山丘緩坡地段的耕地整治潛力最小。

2）基于自組織雙重聚類和DB 指數(shù)，綜合耕地的低效利用度、生態(tài)脆弱度和土地?fù)p毀度高低值重合和錯位的地域分異特點(diǎn)，客觀上形成了健康利用提升區(qū)、耕地資源整理區(qū)、重點(diǎn)生態(tài)修復(fù)區(qū)、損毀土地復(fù)墾區(qū)、土地治理優(yōu)配區(qū)和綜合土地整治區(qū)6 個(gè)分區(qū)。

3）在生態(tài)文明建設(shè)的背景下，各類分區(qū)在耕地整治的主攻方向存在顯著差異，基于礦區(qū)耕地的低效利用度、生態(tài)脆弱度、土地?fù)p毀度的組合差異，建議對應(yīng)組合土地整理、生態(tài)修復(fù)和土地復(fù)墾模式，制定差異化的耕地整治策略。

本研究把解決礦區(qū)資源低效利用、生態(tài)環(huán)境脆弱和土地?fù)p毀作為整治目標(biāo)，構(gòu)建耕地整治潛力評價(jià)指標(biāo)體系，結(jié)合地形和社會經(jīng)濟(jì)因素進(jìn)行修正，使得評價(jià)結(jié)果更符合區(qū)域?qū)嶋H；運(yùn)用加權(quán)求和模型評價(jià)法確定的整治分區(qū)空間分布細(xì)碎零散，采用自組織雙重聚類法確定的耕地整治分區(qū)空間連片性強(qiáng)，并能反映各類型區(qū)不同維度要素的分布差異，利于科學(xué)合理的配置整治工程和實(shí)施差別整治。然而，研究區(qū)部分村莊跨越了多個(gè)整治分區(qū)，在行政和管理上存在一定的困難。此外，研究未考慮整治成本與整治效益，后續(xù)將結(jié)合細(xì)致的實(shí)地調(diào)研，進(jìn)一步明確耕地整治的可行性和優(yōu)先級，以便為流域規(guī)劃編制提供更為科學(xué)的依據(jù)。