王義方，李新舉,2，侯 樂，周晶晶

(1.山東農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，山東 泰安 271018；2.土肥資源高效利用國家工程實驗室，山東 泰安 271018)

煤炭是我國最可靠、最重要的能源，占我國一次性能源生產(chǎn)量的70%以上，而我國煤炭總產(chǎn)量的95%以上都依靠井工開采，這種開采方式帶來最主要的環(huán)境問題是土地塌陷[1]。采煤塌陷會直接對建筑物以及工程水利設施結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性產(chǎn)生損壞，甚至危及采煤區(qū)周邊居民的生命安全。因此，對于采煤塌陷地的治理已受到政府和相關學者的高度關注。我國開展礦區(qū)塌陷地治理已有多年，但傳統(tǒng)的整治措施將“護田”“種樹”“治水”分開實施，忽視了各生態(tài)要素之間的水平流動和相互影響以及“山水林田湖草”區(qū)域生態(tài)協(xié)同發(fā)展的理念，生態(tài)效益較差，公眾滿意度較低[2]。如今，針對采煤塌陷區(qū)各類地質(zhì)災害和生態(tài)問題進行可靠的預防與治理，提升礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、協(xié)同性、功能性已成為急需解決的問題之一。而采煤塌陷區(qū)生態(tài)適宜度評價作為礦區(qū)生態(tài)環(huán)境治理的基礎，能為生態(tài)修復工程規(guī)劃提供決策服務。

生態(tài)位適宜度是由生態(tài)學家HUTCHINSON的“n維超體積”生態(tài)位概念基礎上發(fā)展起來的,原指作物的現(xiàn)實資源位與其最適生態(tài)位之間的貼近程度,用于表示作物對其生長條件的適宜程度[3]。近些年來，生態(tài)位適宜度的概念與土地資源的利用結(jié)合在一起，反應特殊土地利用方式與區(qū)域內(nèi)生態(tài)位的耦合程度[4]。通過尋找土地利用各因素之間相互制約的內(nèi)在規(guī)律，為土地資源的合理利用提供依據(jù)。當前，國內(nèi)外專家開展了大量關于土地資源生態(tài)適宜度的相關研究和實踐工作：傳統(tǒng)的評價方法常用于農(nóng)業(yè)[5]、礦業(yè)[6]、工業(yè)[7]用地的選址及適宜性的評估。后續(xù)根據(jù)不同的研究目的逐步對評價方法進行優(yōu)化，如李江平等[8]結(jié)合空間分析原理評價礦區(qū)生態(tài)適宜性的時空變化特征，最后進行驅(qū)動力分析。王骎骎等[7]改進了單因子評價的局限性，提出多因子綜合疊加分析法(MCE)。丁寧等[9]采用生態(tài)位適宜度變權方法，對其中劣性因素進行變權處理，更好地識別出非均衡評價因素的優(yōu)劣性，用以突出限制性評價因素的制約作用。

本研究以生態(tài)位適宜度和層次分析法為理論基礎，根據(jù)前人研究方法，結(jié)合本研究區(qū)域范圍較小、采煤塌陷地分布集中等特點，依托于遙感(RS)和地理信息系統(tǒng)(GIS)技術，識別并篩選出評價因子，確定了生態(tài)適宜度評價體系及模型。對于評價因子的選擇和定量描述的尺度的分配做到因地制宜。最終，通過ArcGIS10.2軟件實現(xiàn)研究區(qū)域的生態(tài)適宜度評價結(jié)果的可視化。并在評價結(jié)果的基礎上，提出相應的生態(tài)修復工程規(guī)劃分區(qū)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于山東省濟寧市中部，兗州市與鄒城市交界處，地處魯南泰沂低山丘陵與魯西南黃淮海平原過渡地帶。地理坐標范圍：東經(jīng)116°49′30″～116°52′21″，北緯35°24′14″～35°27′36″，西側(cè)瀕臨泗河，東側(cè)瀕臨白馬河，北至兗州區(qū)崇文大道，南至鄒城市學府路，面積約70.08 km2。地勢東高西低，地面海拔高程36.14～45.68 m，地形較平坦低洼。屬暖溫帶季風氣候，四季分明，雨熱同期，年平均氣溫14.3 ℃，年平均降水量734.21 mm。區(qū)域內(nèi)煤炭資源占有量豐富，是濟寧市主要的煤礦開采區(qū)之一，包括興隆莊煤礦、鮑店煤礦、太平煤礦，保有煤炭資源儲量約95 324萬t。自煤礦開采以來，地表發(fā)生大面積沉陷，引起地表裂縫、臺階下沉、塌陷坑等，加之區(qū)域潛水位較高，形成大面積常年積水區(qū)域和季節(jié)性積水區(qū)域。

1.2 數(shù)據(jù)來源

2017年的Landsat8遙感影像、2009年和2000年的Landsat5遙感影像，分辨率均為30 m，云量均小于1.2；GDEMDEM，30 m分辨率的高程數(shù)據(jù)；人口、經(jīng)濟、煤炭開采數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)來自《太平采煤區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境治理示范工程實施方案》《興隆莊街道南張村等六個村采煤塌陷地綜合治理項目工程實施方案》和《濟寧市采煤塌陷地治理總體規(guī)劃》(規(guī)劃報告來自于濟寧市國土資源局、濟寧市采煤塌陷地整治中心)；實地調(diào)研數(shù)據(jù)來源：2017年6月和2017年12月在研究區(qū)域內(nèi)以詢問法和觀察法的方式調(diào)查得到；天地圖影像。

2 評價方法過程

2.1 評價因子的篩選

生態(tài)適宜性評價的因子篩選合理性和科學性，是評價過程可行性和評價結(jié)果可靠性的基礎[10]。根據(jù)以往研究來看，生態(tài)適宜度評價廣泛應用于省或市大尺度的區(qū)域范圍[11]。本研究區(qū)域的空間尺度較小，評價因子的選取以主導性、可行性和差異性為原則[12]。根據(jù)具體情況和發(fā)展的方向因子的選取要做到主次分明和因地制宜[13]，能夠充分體現(xiàn)區(qū)域和研究目的的特點。研究區(qū)域主要生態(tài)問題包括：煤礦開采導致的土地沉陷，造成塌陷坑常年積水，侵占土地，破壞地表植被，導致生態(tài)系統(tǒng)的惡化；煤矸石與煤的露天堆積與壓占、附屬設施建設等對土壤和地下水帶來的污染以及廢棄和揚塵對于大氣的污染[14]。通過資料收集、遙感影像分析、實地調(diào)研、咨詢專家等方式，從自然生態(tài)，社會人文和特殊限制三個角度選取了土地塌陷程度、塌陷水域面積、生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性、采煤廠影響范圍等11個因子(主要因子如圖1所示)。

圖1 單因子分布示意圖Fig.1 Single factor distribution diagram

1) 自然生態(tài)因子：包括生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性、距河流距離、塌陷水域面積、已治理水域、植被指數(shù)、植被指數(shù)共六個因子。對于用地類型的生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性，一般而言，生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性體現(xiàn)了生態(tài)適宜度的強弱，林地，耕地，草地三種土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的強弱關系：林地>耕地>草地[7]。河流和治理后水域是比較復雜的生態(tài)系統(tǒng)，生物多樣性較豐富，具有較高的生態(tài)穩(wěn)定性，同時可以分解溶解于水的有害物質(zhì)，水生植物也具有吸附水中的污染物質(zhì)的功能。對于區(qū)域生態(tài)環(huán)境具有積極的影響。植被覆蓋度,通過歸一化植被指數(shù)：NDVI(normalized difference vegetation index)表征，由式(1)～(3)確定。歸一化植被指數(shù)可從定性和定量的角度來評價植被的生長活力。指數(shù)越大，說明區(qū)域植物生長狀況越好，其生態(tài)環(huán)境狀況也越適宜[15]。通過ENVI5.3軟件計算，本研究區(qū)域植被指數(shù)(摳除水體)在0.0895～0.9214之間(圖2)。塌陷水域同樣具有較高的生態(tài)和經(jīng)濟效益。采煤形成的塌陷坑，通過地下淺層水出露和大自然降水形成塌陷水域[16]。但根據(jù)塌陷時限和水域面積不同，其生態(tài)穩(wěn)定性也不盡相同。一般來講，面積較大(面積≥40萬km2)的塌陷水域，塌陷坑地質(zhì)條件趨于穩(wěn)定，水體通過長時間自我凈化,其生物多樣性較豐富生態(tài)價值較高，但對于面積較小或塌陷年限較短的水域，雖然其周邊地質(zhì)條件穩(wěn)定程度較低，水體及水域周邊區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)支離破碎，但通過一些人工修復措施，有一定的利用價值。

(1)

式中：Rab為所在像元波段b的植被反射率；Rb為所在像元b波段的總發(fā)射率；fv為對應像元植被信息所占比例；p(NIR)、p(RED)分別為近紅外波段和紅光波段；NDVImax、NDVImin分別為遙感影像上歸一化植被指數(shù)的最大值和最小值。

圖2 植被指數(shù)分布圖Fig.2 Distribution of normalized differencevegetation index

2) 社會人文因子：主要反映人類活動對生態(tài)環(huán)境的擾動，包括鐵路影響范圍、建設用地影響范圍、人口密度。

3) 特殊限制因子：是區(qū)域內(nèi)最關鍵的制約因素，包括采礦廠影響范圍、矸石山影響范圍、矸石山影響范圍?！叭龔U”的排放對周邊區(qū)域土壤、地下水、大氣有著很大的負面影響。塌陷土地在一定程度上破壞周邊生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性。

根據(jù)各因子中不同要素對區(qū)域內(nèi)生態(tài)適宜性重要程度的不同對其進行標準化，正向影響指標由式(4)確定，負向影響指標由式(5)確定，結(jié)果見表1。

(4)

式中：B為指標的標準化值；Xij為某指標X的取值；Xmax為指標實際值中的最大值；Xmin為指標實際值中的最小值。

對因子標準化后的結(jié)果進行定量描述,通過運用德爾斐法確定單因子內(nèi)部的適宜性評價分值,用2、4、6、8、10代表用地適宜性的高低,分值越高代表越適宜[17]。

2.2 因子權重的確定

通過層次分析法確定評價因子的權重。具體步驟：第一步是建立分層模型，確定兩級因子的層次關系；第二步是構(gòu)建成對比較矩陣。因子兩兩之間比較優(yōu)勢關系；然后對判斷矩陣按列進行指標歸一化，由式(6)確定。然后再對指標值矩陣按行求和，由式(7)確定。將求和后的指標值歸一化得到因子的權重，由式(8)確定。通過查詢平均隨機一致性指標，R.I.計算一致性指標C.I.，由式(9)確定。來演算進行檢驗其一致性檢驗，由式(10)確定。

(6)

式中：bij為矩陣指標，i和j為矩陣的行和列。

如果一致性比率(C.R.)低于0.1，則表明該判斷是合理的一致性。如果一致性比率高0.1，則認為判斷矩陣不合理，應當繼續(xù)改進。上述過程是通過層次分析法軟件Yaahp實現(xiàn)。最終可確定本研究區(qū)域的生態(tài)適宜度評價體系(表1)。

表1 生態(tài)適宜度評價體系表Table 1 Ecological suitability evaluation system

2.3 生態(tài)適宜度指數(shù)計算

本研究根據(jù)研究區(qū)域特點和研究目的，采用綜合生態(tài)適宜度評價的方法。這里引入生態(tài)適宜性指數(shù)ESI(ecological suitability index)用來表征生態(tài)適宜度評價的綜合得分，由式(11)確定。

(11)

式中：ESI為各復墾利用方向的綜合生態(tài)適宜度指數(shù)；n為指標個數(shù)；Si為i因子生態(tài)位適宜度分值；Wi表示i因子對應的權重。

通過對參與研究區(qū)域生態(tài)適宜度評價的各評價因子的生態(tài)位適宜度指數(shù)進行線性回歸擬合，得到研究區(qū)域生態(tài)適宜度指數(shù)(ESI)的回歸方程見式(12)。

ESI=0.0574E1+0.1812E2+0.1472E3+

0.0706E4+0.1249E5-0.0231E6-

0.0601E7-0.0264E8-0.1516E9-

0.0964E10-0.0611E11(12)

式中：E1為生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性；E2為距河流距離；E3為塌陷水域面積；E4為已治理水域的影響范圍；E5為植被指數(shù)；E6為鐵路的影響范圍；E7為建設用地的影響范圍；E8為人口密度；E9為采礦廠影響范圍；E10為塌陷土地的程度；E11為矸石山影響范圍。

利用ArcGIS10.2軟件對從遙感影像上提取的采礦廠、矸石山、河流、建設用地、已治理水域、鐵路根據(jù)其影響范圍進行多環(huán)緩沖區(qū)分析，然后與其他因子進行聯(lián)合疊加分析，計算出最后綜合得分。最終區(qū)域生態(tài)適宜度綜合分值在-1.449～4.113之間。綜合分值越高代表區(qū)域生態(tài)條件越好。然后利用自然斷點法對計算結(jié)果劃分了五類：最適宜、較適宜、適宜、較不適宜、最不適宜，結(jié)果見表2。利用ArcGIS10.2軟件對評價結(jié)果實現(xiàn)可視化，得到區(qū)域生態(tài)適宜度分布特征圖(圖3)。

表2 生態(tài)適宜度分類結(jié)果Table 2 Classification of ecological suitability results

由此可見，研究區(qū)域生態(tài)適宜的較高的區(qū)域集中分布在區(qū)域內(nèi)河流和面積較大的塌陷積水區(qū)域周圍，以泗河和白馬河適宜程度最高，逐步向外遞減。采礦廠、矸石山、城鄉(xiāng)建設用地對生態(tài)環(huán)境影響較重，以兩個礦區(qū)適宜程度最低，逐步向外遞增。整體評價結(jié)果與預期結(jié)果相符。

2.4 生態(tài)功能區(qū)劃

根據(jù)生態(tài)適宜度的空間分布特征和實地情況，對研究區(qū)域劃分了生態(tài)核心區(qū)、生態(tài)緩沖區(qū)、生態(tài)敏感區(qū)、綜合建設區(qū)四個生態(tài)功能區(qū)(圖4)。

圖3 生態(tài)適宜度分布圖Fig.3 Distribution of the ecological suitability

圖4 生態(tài)功能分區(qū)圖Fig.4 Division of the ecological function

1) 生態(tài)核心區(qū)。對應評價結(jié)果中最適宜區(qū)域。主要沿泗河和白馬河兩岸分布。生態(tài)核心區(qū)域內(nèi)水質(zhì)優(yōu)良，生態(tài)系統(tǒng)較復雜，物種多樣性高，受人類活動干擾相對較小。區(qū)域內(nèi)的土地利用方式以重建生態(tài)景觀，保護生態(tài)環(huán)境，涵養(yǎng)水源為主。可以修建生態(tài)旅游步道、觀景平臺、游客親水區(qū)，打造河流沿岸觀光帶，供人們欣賞優(yōu)美的濕地自然風光，建設人居健康環(huán)境。應充分挖掘其生態(tài)功能和生態(tài)服務價值[18]。

2) 生態(tài)緩沖區(qū)。生態(tài)緩沖區(qū)對應評價結(jié)果中較適宜用地的區(qū)域，主要分布在生態(tài)核心區(qū)的外圍。這個區(qū)域土地構(gòu)成主要是整治完成水域、草地、林地。對在這個區(qū)域內(nèi)靠近核心區(qū)域的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地進行生態(tài)改造以便能夠為生態(tài)核心區(qū)起到緩沖作用，減少外界擾動帶來影響[19]。可適當發(fā)展農(nóng)林牧漁立體養(yǎng)種模式或建設現(xiàn)代生態(tài)農(nóng)業(yè)示范園[20]。

3) 生態(tài)敏感區(qū)。生態(tài)敏感區(qū)對應評價結(jié)果中生態(tài)適宜度為適宜的區(qū)域，主要包括城市、鄉(xiāng)鎮(zhèn)外圍農(nóng)業(yè)發(fā)展區(qū)域(水田、池塘等)和耕地,起到了生態(tài)協(xié)調(diào)和過渡的作用。應當保持現(xiàn)有的良好的農(nóng)田生態(tài)景觀穩(wěn)定性，和耕地數(shù)量，改善土壤養(yǎng)分和結(jié)構(gòu)，維護區(qū)域生態(tài)安全和糧食生產(chǎn)安全[21]。

4) 綜合建設區(qū)。綜合建設區(qū)對應適宜性分析結(jié)果中的較不適宜和最不適宜區(qū)域，主要包括縣城、各鄉(xiāng)鎮(zhèn)以及中心村、自然村的建設用地范圍和采礦廠、矸石山、排土場周邊區(qū)域。因受人類活動擾動較大，生態(tài)問題較嚴重。該區(qū)域應嚴格管控產(chǎn)生嚴重環(huán)境污染的工程項目建設；做好地質(zhì)災害監(jiān)測，保障礦區(qū)居民生命、生產(chǎn)安全；對現(xiàn)有土地生態(tài)系統(tǒng)進行維護、完善及重建，與礦區(qū)生態(tài)發(fā)展的目標相協(xié)調(diào)[22]。

3 結(jié) 論

1) 基于層次分析法和德爾菲法構(gòu)建了采煤塌陷地區(qū)生態(tài)適宜度評價指標體系，通過GIS的多因子評價綜合疊加方法計算評價結(jié)果，主要突出了各因素水平方向的生態(tài)流動過程和影響，使研究結(jié)果更具可靠性。

2) 結(jié)果表明：生態(tài)最適宜區(qū)域主要沿泗河和白馬河分布，面積約12.092 km2，占研究區(qū)域面積的17.25%；生態(tài)最不適宜區(qū)域主要分布在采礦廠、矸石山、排土場、城鄉(xiāng)建設用地周圍，面積約5.72 km2，占研究區(qū)域面積的8.16%；其他較適宜和適宜區(qū)域零星分布在面積較大的塌陷水域和農(nóng)業(yè)用地周邊。通過外業(yè)實地驗證，評價結(jié)果與預期結(jié)果相吻合。

3) 本研究基于生態(tài)學計算出了研究區(qū)域的土地生態(tài)適宜度，由于目前生態(tài)適宜度評價因子沒有統(tǒng)一的評價標準體系，所以計算出的生態(tài)適宜度主觀性較強；對于一些因子通過緩沖區(qū)分析得到影響范圍，其影響范圍還應根據(jù)實際土地利用條件進行細微調(diào)整；另外定性定量數(shù)據(jù)指標不夠豐富，可在后續(xù)研究中繼續(xù)優(yōu)化完善。