基于指数和法及差积法的矿山损毁土地复垦为农用地的适宜性评价

程琳琳， 孙海元， 刘昙昙， 赵宇昕， 李玉虎， 付亚洁

[中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院，北京 100083]

我国是人口和农业大国，数量充足而又高质量的农用地是国家及区域安全和稳定的重要保障。改革开放以来，随着我国经济的快速发展，矿产资源的开发利用规模迅速扩大，农用地损毁问题越来越凸出，加剧了人地矛盾[1-2]。据统计，我国因采矿造成的土地损毁面积累计超过400万hm2，且每年以1.3万hm2的速度增长，这给我国本就紧张的农用地资源保护带来了又一巨大压力[3]。土地复垦是实现农用地占补平衡的重要途径，也是国家大力发展的一项科学技术[4-6]。土地复垦适宜性评价作为评价损毁土地复垦后是否适宜利用以及适宜程度的一种技术手段，是进行土地复垦利用决策、改良途径选择和科学编制土地利用规划的基本依据，在复垦工作中起着重要作用[7-10]。笔者以云南省龙驰煤矿为例，采用二级评价体系，应用指数和法与差积法，对其损毁土地进行土地复垦为农用地的适宜性进行评价，以期为土地复垦利用决策和土地改良途径选择提供理论支持。

1 研究区概况与评价方法

1.1 研究区概况与数据来源

龙驰煤矿开采方式采用井工开采，位于云南省罗平县西北方向27 km处(地理坐标为25°07′N、104°05′E)，属于典型的亚热带高原性山地季风气候，雨水丰沛。土壤类型主要为红壤、黄壤，壤土厚度在0.5～1.5 m，有机质含量约为2.8%，自然肥力较高。植被属亚热带半湿润常绿阔叶林，以乔木和灌木为主，农作物主要有水稻、小麦、玉米等。

龙驰煤矿损毁土地总面积达500.60 hm2，其中矿山生产设施和矿部建设占用土地面积2.95 hm2，矿区排土场和尾矿库压占土地面积0.10 hm2，地面塌陷面积497.65 hm2。本研究区主要包括矿区排土场和尾矿库压占及地面塌陷所损毁的土地，面积共为497.75 hm2。

通过罗平县国土资源部门、水利部门、农林业部门、气象部门以及罗平县近3年的统计年鉴获取研究区的地质地貌、水文经济数据；土地损毁数据主要通过实地调研和利用沉陷预测软件预测得到。将得到的数据导入ArcGIS 10.2，先利用空间校正工具条及地图投影统一坐标系校正数据到正确位置，再利用ArcToolbox工具箱的叠置分析、距离分析、属性分析等得到每个评价单元的得分。最后根据宜耕、宜林、宜草各个评价方向利用自然间断点分级法将研究区分为高度适宜区、一般适宜区、勉强适宜区、不适宜区4个等级。

1.2 评价原则

矿山损毁土地复垦为农用地适宜性评价体系的建立不仅要考虑农用地适宜性评价的基本原则，还要兼顾矿山损毁土地的特点。因此，评价所要遵循的主要原则可以概括为以下几点：(1)因地制宜、农业用地优先原则；(2)符合土地利用总体规划，并与其他规划相协调原则；(3)主导因素与综合平衡原则；(4)自然因素与社会经济因素相结合原则；(5)经济可行与技术合理性原则；(6)综合效益最佳原则[8，11-17]。

1.3 评价指标体系构建与权重确定

考虑到煤矿损毁土地复垦的特点，在咨询了来自土地复垦、农业、林业、牧业和土地管理的专家后，运用两两比较法根据宜耕、宜林、宜草方向对评价因子进行筛选，分别选取土壤有机质含量、损毁程度、耕地管理半径、灌溉条件、排水条件、土地利用现状、海拔、地表坡度和水土污染程度等9个相互独立又相互补充的参评因子。指标量化标准参考了土地适宜性评价、土地复垦技术标准和有关研究成果(表1)。

土地复垦评价因子权重是在咨询了相关专家后构造判断矩阵，求算出每位专家分别根据宜耕、宜林、宜草3个评价方向确定的每个因子权重的平均值，详见表2。

表1 龙池煤矿损毁土地农用地复垦适宜性评价指标量化标准

注：“—”表示无相应数据或内容。

表2 龙池煤矿损毁土地农用地复垦适宜性评价指标权重

1.4 评价单元划分

目前，常用的土地适宜性评价单元类型有土壤类型单元、土地资源类型单元、土壤利用现状图斑单元、行政单元、网格单元，以及多因素叠置法形成的同质单元等[8，18-24]。由于矿山开采的特殊性，宜常采用叠置法形成的同质单元。将得到的土壤有机质含量图、灌溉条件图、土地利用现状图、损毁程度图、地表坡度图、排水条件图、耕地管理半径图、海拔图等叠置。通过叠置法得到的评价单元虽然同质，但是部分评价单元面积较小，不具有物理意义。因此利用评价单元之间的欧氏距离，依次将面积较小的同质单元合并到相邻的最相似单元中。得到的评价单元内部性质相对均一或相近，单元之间又具有差异性和可比性，能客观地反映土地在一定时期和空间上的差异。共得到124个评价单元，合并后的单元得分按公式(1)计算：

(1)

式中：F为合并后的单元总分值；Fi、Fj分别为合并前评价单元i、j的总分值；Si、Sj分别为合并前评价单元i、j的面积。

1.5 评价模型

综合分析参与评价的因子，没有明显的限制性因素，各参评因子之间也没有明显的相关性，因此，宜采用指数和法[25]进行评价。指数和法充分考虑了各参评因子的重要性，并对各参评因子进行量化。按公式(2)计算各评价单元的综合分值，评价研究区范围内宜农、宜林、宜草各评价方向的适宜性及适宜程度。

(2)

式中：Fik是评价单元i在评价方向k上的得分；aikj是评价单元i在评价方向k上的第j个因子的得分；bikj是评价单元i在评价方向k上的第j个因子的权重。

1.6 不适宜区和勉强适宜区限制因子分析方法

每个评价单元的各个利用方向的适宜程度是多个因子共同作用的结果。勉强适宜区和不适宜区的评价单元的不适宜性则主要是由于1个或者多个因子不适宜造成的。利用差积法分析勉强适宜区和不适宜区的各个因子，计算公式如下[26]：

(3)

2 结果与分析

2.1 不同评价方向的等级分析

龙驰煤矿不同评价方向复垦适宜等级空间分布和复垦适宜等级统计结果见图1、表3。宜耕、宜林、宜草评价方向的高度适宜区、一般适宜区、勉强适宜区、不适宜区的得分区间各不相同，宜林评价方向与宜耕、宜草同等适宜等级的各区间相比得分相对较大，宜耕评价方向的得分次之，宜草评价方向的得分最小。宜林评价方向高度适宜区的总面积所占比例比宜耕、宜草评价方向都大，宜草评价方向的比例最小。与此相反，宜林评价方向不适宜区面积所占比例比宜耕、宜草评价方向都小。宜林评价方向的勉强适宜区面积所占比例最大，而宜草、宜耕评价方向则是不适宜区面积所占比例最大。

表3 龙驰煤矿损毁土地不同评价方向(耕地、林地、草地)复垦适宜等级统计结果

龙驰煤矿各评价单元得分分布见图2。对于同一评价单元，宜林评价方向的得分高于宜草、宜耕评价方向的得分，宜草评价方向的得分最低。农作物、树木、草对土地自然因素和环境状况条件的要求有差异，是同一评价单元各评价方向得分不同的主要原因[27-29]。林地具有较高的固定水分营养、抵御自然灾害的生态能力，有较强的适应能力[30]。而耕地是人工生态系统，人为参与性较强，增强了农作物养分补给和抵御自然灾害的能力[31]。

2.2 不适宜区和勉强适宜区限制因子分析

2.2.1 宜耕评价方向勉强适宜区和不适宜区限制因子分析 从图3可以看出，宜耕评价方向勉强适宜区排水条件、水土污染程度2因子的相对值较大，而损毁程度得分的相对值等于-1.82，具有明显的限制性，是主要的限制因子。除文献标志符描述符(FID)为14的评价单元外，土地利用现状评价因子在其他各评价单元得分的相对值都较小，在不同单元表现出的限制也不同，尤其在FID为22时其限制性更为突出。土壤有机质含量也仅在评价单元FID为8和24处得分的相对值较大。每个评价单元的灌溉条件与海拔2因子的相对值都相等，且2因子仅在少数评价单元处具有限制性。地表坡度和耕作管理半径2因子得分的相对值则随着评价单元FID值的变化较大且地表坡度仅在评价单元FID为9处表现出明显的限制性。

从图4可以看出，宜耕评价方向不适宜区各评价单元的损毁程度、地表坡度、灌溉条件3因子的得分都较一般适宜区的评价单元得分的最小值低，是主要的限制因子。土地利用现状因子仅在FID为0和24处具有限制性，而海拔也仅在FID为4～6、9、26处具有限制性。土壤有机质含量的得分虽比一般适宜区的评价单元得分的最小值低，但其相对值也仅为-0.41。水土污染程度除在FID为25的评价单元处具有明显的限制性外，其得分都较该评价方向一般适宜区评价单元得分的最小值大，相对值为0.63。耕地管理半径因子除在FID为7、22～25的评价单元处相对值较小外，其得分都较该评价方向一般适宜区的评价单元得分的最小值大。排水条件因子的得分都较一般适宜区的评价单元得分的最小值大。

2.2.2 宜林评价方向勉强适宜区和不适宜区限制因子分析 从图5可以看出，宜林评价方向勉强适宜区各评价单元的土壤有机质含量和排水条件2因子的得分都较该方向一般适宜区的评价单元得分的最小值大，而水土污染程度的相对值都较小，是主要的限制性因子。损毁程度因子的得分与该评价方向一般适宜区的评价单元得分的最小值相等。海拔因子除在FID为3～4、18和32的评价单元处具有限制性外，其他评价单元的相对值都等于0。土地利用现状、地表坡度、灌溉条件3因子得分的相对值则随着评价单元FID的变化而变化较大。土地利用现状和水土污染程度2因子分别在FID为21.31的评价单元处表现出明显的限制性。

从图6可以看出，宜林评价方向不适宜区评价单元的有机质含量和排水条件2因子得分的相对值都较大，而水土污染程度因子得分的相对值较小，是主要的限制性因子。地表坡度因子除在FID为0～3、9、16处和灌溉条件因子除在FID为0、15处的评价单元得分的相对值等于0外，在其他评价单元处都具有明显的限制性。海拔因子仅在FID为1～3、5和16的评价单元处具有一定的限制性，在其他评价单元处得分的相对值都等于0。损毁程度因子也仅在FID为9和10的评价单元处具有限制性，在其他评价单元处其相对值等于0。评价单元FID为0的主要限制因子是土地利用现状因子。

2.2.3 宜草评价方向勉强适宜区和不适宜区限制因子分析 从图7可以看出，宜草评价方向勉强适宜区评价单元的排水条件、土壤有机质含量2因子得分的相对值较大。灌溉条件除在评价单元FID为2、12、15等处得分的相对值较大，不具有限制性外，在其他评价单元得分的相对值都较小，尤其在评价单元FID为5～9、21、40～41处具有明显的限制性。损毁程度得分的相对值都等于-1.98，是主要的限制因子。地表坡度得分的相对值随评价单元FID的增大变化较大，在评价单元FID为12、15、25、32和45处具有明显的限制性。土地利用现状除在FID为0的评价单元处得分的相对值为-1.53外，在其他评价单元处得分的相对值在 -0.63～0.57之间变化。

从图8可以看出，宜草评价方向不适宜区评价单元的损毁程度、地表坡度2因子得分的相对值较小，是主要的限制因子。灌溉条件除在FID为22的评价单元处得分较该评价方向一般适宜区评价单元得分的最小值大外，在其他单元处其相对值都较小，也是主要的限制因子。水土污染程度仅在评价单元FID为22时得分的相对值较小。排水条件、土壤有机质含量2因子得分的相对值都较大。除FID为3～5、8、25的评价单元外，海拔因子得分较该评价方向一般适宜区的评价单元得分的最小值大。土地利用现状因子得分的相对值随评价单元FID的增大在0～1之间变化。

3 结论

将指数法和差积法相结合，并以ArcGIS 10.2空间分析软件作为支撑，对龙驰煤矿损毁土地进行了宜耕、宜林、宜草3个方向的土地复垦适宜性评价，并对其限制因子进行了分析。结果表明，龙驰煤矿采煤损毁土地最适宜复垦成林地，可通过降低水土污染程度提高宜林勉强适宜区和不适宜的适宜程度，为该区损毁土地的复垦利用决策提供了理论依据。