基于連通性分析的采煤塌陷地復(fù)墾利用潛力評(píng)價(jià)

蘇學(xué)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(fù)教育部工程研究中心，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪學(xué)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(duì)農(nóng)地條件的要求越來越高，也給采煤塌陷地復(fù)墾規(guī)劃提出了新的課題。傳統(tǒng)的采煤塌陷地復(fù)墾將塌陷區(qū)作為復(fù)墾焦點(diǎn)，根據(jù)“因地制宜”原則規(guī)劃復(fù)墾利用方向，較少考慮未塌陷區(qū)域的土地利用，導(dǎo)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(fù)墾利用潛力，構(gòu)建科學(xué)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(xué)合理復(fù)墾的關(guān)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(guān)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(jiān)的頑疾[1,2]。徐州市先后對(duì)九里湖、潘安湖等各類塌陷地進(jìn)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(fù)墾利用模式[3-5]。徐州礦區(qū)主要的復(fù)墾方向有耕地、水產(chǎn)養(yǎng)殖地、林地、建設(shè)用地等[6]，約20%的塌陷湖主要進(jìn)行人工濕地開發(fā)。截至2019年底，徐州市共計(jì)修復(fù)采煤塌陷地16 754.22 hm2，但是復(fù)墾的焦點(diǎn)主要針對(duì)土地利用現(xiàn)狀存在的問題，缺少考慮未來可能的擾動(dòng)和沖擊[7]，缺乏考慮與周邊土地的利用[8]，導(dǎo)致部分復(fù)墾區(qū)的農(nóng)業(yè)設(shè)施荒廢、果園廢棄、魚塘干涸，少數(shù)復(fù)墾土地出現(xiàn)次生鹽漬化，引起了學(xué)者對(duì)現(xiàn)有復(fù)墾理論和方法的全面反思。

近年來，礦山景觀恢復(fù)新技術(shù)和恢復(fù)力理論也受到了越來越多的關(guān)注。在礦區(qū)土地復(fù)墾適宜性評(píng)價(jià)中，有很多學(xué)者進(jìn)行了研究并提出許多評(píng)價(jià)方法和指標(biāo)體系。在評(píng)價(jià)方法上，礦區(qū)土地復(fù)墾適宜性評(píng)價(jià)多采用多目標(biāo)評(píng)價(jià)方法[9-11]；在指標(biāo)選取上，土地質(zhì)量評(píng)價(jià)是礦區(qū)土地復(fù)墾適宜性評(píng)價(jià)一個(gè)重要的指標(biāo)[12]；在不適宜復(fù)墾為耕地的區(qū)域，礦區(qū)土地還可以復(fù)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(gè)關(guān)鍵問題，復(fù)墾區(qū)不同復(fù)墾年限土壤的理化性質(zhì)可以反映土地復(fù)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(fù)力思維在礦區(qū)土地復(fù)墾及可持續(xù)利用中也越來越受到關(guān)注[16]。未來耕地的規(guī)?；?jīng)營既是生產(chǎn)力發(fā)展的必然要求，也是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的現(xiàn)實(shí)選擇，然而以往的礦區(qū)土地復(fù)墾適宜性評(píng)價(jià)主要針對(duì)地塊條件，較少考慮連通性對(duì)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(guān)閉礦山采煤塌陷區(qū)為例，以耕地為復(fù)墾方向，提出一種基于連通性的復(fù)墾利用潛力評(píng)價(jià)方法，以期為采煤塌陷地復(fù)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(guān)閉，徐州賈汪和銅山兩個(gè)礦區(qū)所有煤礦全部關(guān)閉，目前僅有沛縣大屯5對(duì)礦井在生產(chǎn)。徐州現(xiàn)存未修復(fù)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(gè)區(qū)縣。本文將徐州市采煤塌陷區(qū)劃分為三個(gè)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(diǎn)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(dá)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(yán)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(gè)塌陷區(qū)的30%左右。③穩(wěn)定時(shí)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(fù)雜，土地?fù)p毀程度相較其他地區(qū)更為嚴(yán)重，修復(fù)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(fù)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(diǎn)關(guān)系，降低景觀破碎程度。為了表示潛力評(píng)價(jià)問題中待修復(fù)區(qū)域與周邊區(qū)域的關(guān)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(biāo)[18]。目前，景觀連接度指標(biāo)被廣泛運(yùn)用到城市土地適宜性評(píng)價(jià)、公園景觀評(píng)價(jià)、城市生態(tài)源地識(shí)別、生態(tài)保護(hù)空間識(shí)別、城市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化等相關(guān)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(fù)潛力評(píng)價(jià)的研究較少。僅有學(xué)者引入了景觀連接度指數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，評(píng)價(jià)了工礦廢棄地復(fù)墾空間的集中連片度和復(fù)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(gè)斑塊對(duì)維持景觀連接度的貢獻(xiàn)，進(jìn)一步評(píng)價(jià)斑塊的重要性[26-28]。在徐州市采煤塌陷地復(fù)墾利用問題中，林地、草地面積相對(duì)于耕地面積可以忽略，未來采煤塌陷地復(fù)墾方向也主要是耕地。因此，本文重點(diǎn)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(duì)采煤塌陷地斑塊復(fù)墾利用重要性進(jìn)行排序[24,29]。

1) 整體連通性指數(shù)，計(jì)算公式見式(1)。

(1)

2) 可能連通性指數(shù)，計(jì)算公式見式(2)。

(2)

式中：I，Pc∈[0,1]，I，Pc=0時(shí)各斑塊間無連接；I，Pc=1時(shí)表示整個(gè)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(gè)數(shù)；AL為研究區(qū)總面積。

2.2 潛力評(píng)價(jià)方法

采煤塌陷地復(fù)墾利用潛力是指塌陷地能夠復(fù)墾為可供利用土地的潛在能力，與周邊土地利用密切相關(guān)。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(huì)經(jīng)濟(jì)條件，對(duì)塌陷地復(fù)墾利用潛力的相對(duì)大小進(jìn)行排序和等級(jí)劃分；最后確定利用潛力。

2.2.1 指標(biāo)體系及權(quán)重

根據(jù)《全國土地整治規(guī)劃(2016—2020年)》《關(guān)于加快建設(shè)綠色礦山的實(shí)施意見》和《關(guān)于加強(qiáng)生態(tài)修復(fù)城市修補(bǔ)工作的指導(dǎo)意見》，采煤塌陷地復(fù)墾利用需結(jié)合周邊環(huán)境，以城市規(guī)劃為基礎(chǔ)，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(jì)密度為目標(biāo)，在調(diào)查評(píng)價(jià)基礎(chǔ)上，統(tǒng)籌場地現(xiàn)狀，對(duì)采煤塌陷地進(jìn)行合理復(fù)墾利用。因此，采煤塌陷地復(fù)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(shí)序。本文采用層次分析法分析采煤塌陷地復(fù)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(diǎn)。結(jié)合徐州市采煤塌陷地的實(shí)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(huì)經(jīng)濟(jì)條件5個(gè)方面選取8個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)構(gòu)建采煤塌陷地生態(tài)修復(fù)潛力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，見表1。其中，指標(biāo)權(quán)重由中國礦業(yè)大學(xué)和徐州市自然資源與規(guī)劃局10名相關(guān)領(lǐng)域的專家依據(jù)各指標(biāo)因子的相對(duì)重要性來確定，并對(duì)各指標(biāo)因子權(quán)重值進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。

表1 采煤塌陷地復(fù)墾利用潛力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及權(quán)重

2.2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)

評(píng)價(jià)指標(biāo)的等級(jí)劃分與賦值依據(jù)各指標(biāo)對(duì)采煤塌陷地復(fù)墾利用的效果、難度來確定，見表2。評(píng)價(jià)因子等級(jí)從1級(jí)至5級(jí)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(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)采用1級(jí)至3級(jí)進(jìn)行劃分，依次賦予100分、70分、40分。

表2 采煤塌陷地復(fù)墾利用潛力評(píng)價(jià)因子分級(jí)

2.3 潛力評(píng)價(jià)等級(jí)計(jì)算及等級(jí)劃分

潛力評(píng)價(jià)等級(jí)通過層次分析法計(jì)算求取評(píng)價(jià)單元綜合值，單元綜合評(píng)價(jià)值F依據(jù)式(3)求取。其中，Ci為評(píng)價(jià)單元第i指標(biāo)的得分值；Xi為第i指標(biāo)的指標(biāo)權(quán)重。根據(jù)得到的綜合值按大小排序，采用自然間斷點(diǎn)法，劃分等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)范圍，確定潛力等級(jí)。

(3)

2.4 數(shù)據(jù)來源

本文研究對(duì)象為徐州市采煤塌陷區(qū)的未治理修復(fù)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(fù)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(guān)社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來自《徐州統(tǒng)計(jì)年鑒(2018)》。

3 結(jié)果與分析

3.1 采煤塌陷地景觀連通性評(píng)價(jià)

徐州市采煤塌陷地復(fù)墾為耕地的景觀連通性評(píng)價(jià)結(jié)果見圖2。將采煤塌陷地地塊復(fù)墾為耕地對(duì)耕地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的貢獻(xiàn)程度由高到低劃分為1級(jí)到5級(jí)。

圖2 徐州市采煤塌陷地復(fù)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(fù)墾為耕地后對(duì)耕地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的貢獻(xiàn)程度均較高，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代規(guī)模農(nóng)業(yè)的條件較好，三片區(qū)1級(jí)至3級(jí)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(fù)墾為耕地對(duì)耕地網(wǎng)絡(luò)的貢獻(xiàn)程度為1級(jí)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(fù)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(jí)分布較為均衡，貢獻(xiàn)程度為2級(jí)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(fù)墾后對(duì)耕地網(wǎng)絡(luò)影響較小，因此復(fù)墾利用潛力要低于集中連片區(qū)域。

3.2 采煤塌陷地復(fù)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(fù)墾為耕地。本文主要對(duì)塌陷未積水區(qū)域進(jìn)行以耕地為復(fù)墾導(dǎo)向的潛力評(píng)價(jià)。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(jì)。徐州市共有未修復(fù)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(jì)

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(fù)墾導(dǎo)向的潛力評(píng)價(jià)結(jié)果。整體來看，徐州市采煤塌陷地塌陷未積水區(qū)復(fù)墾利用潛力等級(jí)在3級(jí)以上的塌陷地面積為6 060.57 hm2，占比76.65%，有很大的復(fù)墾利用潛力；其中，豐沛片區(qū)采煤塌陷地復(fù)墾利用潛力面積占比以1級(jí)和2級(jí)居多，分別為27.62%和35.56%，復(fù)墾利用潛力最高；銅山片區(qū)采煤塌陷地復(fù)墾利用潛力面積占比以2級(jí)和3級(jí)居多，分別為33.57%和27.79%，復(fù)墾利用潛力其次；而賈汪片區(qū)采煤塌陷地復(fù)墾利用潛力面積占比以3級(jí)和4級(jí)居多，分別為25.89%和27.28%，復(fù)墾利用潛力最差。

表4 徐州市塌陷未積水區(qū)復(fù)墾利用潛力評(píng)價(jià)結(jié)果

徐州市采煤塌陷地復(fù)墾利用潛力評(píng)價(jià)結(jié)果見圖3。整體來看，復(fù)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(fù)墾利用潛力最高的區(qū)域?yàn)閺堧p樓礦區(qū)的西側(cè)，以1級(jí)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(fù)墾利用潛力以2級(jí)和3級(jí)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(yán)重，不適宜復(fù)墾為耕地。銅山片區(qū)的采煤塌陷地在各個(gè)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(fù)采煤塌陷地集中在中部區(qū)域，但復(fù)墾利用潛力最高，以1級(jí)和2級(jí)為主；張集、夾河和張小樓等礦區(qū)未修復(fù)采煤塌陷地集中分布在西部區(qū)域，塌陷面積大，復(fù)墾利用潛力以2級(jí)和3級(jí)為主。賈汪礦區(qū)的未修復(fù)塌陷積水區(qū)分布零散破碎，在各個(gè)礦區(qū)均有分布，整體來看復(fù)墾利用潛力低于豐沛片區(qū)和銅山片區(qū)；未修復(fù)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(fù)墾利用潛力最高，以1級(jí)和2級(jí)為主；旗山礦區(qū)采煤塌陷地復(fù)墾利用潛力其次，以2級(jí)和3級(jí)為主；韓橋礦區(qū)、南莊礦區(qū)未修復(fù)塌陷地分布分散且復(fù)墾利用潛力較低，不適宜復(fù)墾為耕地。

圖3 徐州市采煤塌陷地復(fù)墾利用潛力評(píng)價(jià)結(jié)果

4 結(jié)論與討論

1) 徐州市采煤塌陷地復(fù)墾為耕地后對(duì)耕地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的貢獻(xiàn)程度均較高，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代規(guī)模農(nóng)業(yè)的條件較好，1級(jí)至3級(jí)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(fù)墾后對(duì)耕地網(wǎng)絡(luò)影響較小，復(fù)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(fù)墾利用潛力等級(jí)在3級(jí)以上的塌陷地面積為6 060.57 hm2，占比76.65%，適宜修復(fù)為耕地；不適宜修復(fù)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(fù)墾利用潛力。

3) 將景觀連通性分析運(yùn)用到采煤塌陷地復(fù)墾利用潛力評(píng)價(jià)中，兼顧了未塌陷區(qū)域的土地利用，是確定采煤塌陷地復(fù)墾利用潛力的合理方法。將其應(yīng)用到地區(qū)采煤塌陷地治理實(shí)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(duì)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(shí)意義。

致謝感謝江蘇省自然資源智庫對(duì)項(xiàng)目的支持。