县域工矿废弃地复垦空间集中连片度评价方法研究

2015-12-08周妍张立平周旭黄元仿谢川

生态环境学报 2015年11期

周妍，张立平，周旭，黄元仿，谢川

1. 国土资源部土地整治重点实验室//国土资源部土地整治中心，北京 100035；2. 中国农业大学资源与环境学院，北京 100193；3. 四川省土地统征整理事务中心，四川成都 610041

周妍1，张立平2*，周旭1，黄元仿2，谢川3

工矿废弃地不仅占用了大量的土地资源，而且易造成矿区土壤污染、土壤盐渍化、滑坡和泥石流等其他负面生态环境效应。为了消除不利环境影响，应优先复垦集中连片度较高的工矿废弃地区域。为确定县域工矿废弃地复垦后与周围地类的空间集中连片度定量化评价指标体系，采用景观生态学方法，借助Fragstats模型，选取斑块数量（Number of Patches，NP）、最大斑块面积指数（Largest Patch Index，LPI）、形状指数（Shape Index，SHAPE）、邻近度指数（Proximity Index，PROX）和Shannon’s多样性指数（Shannon's Diversity Index，SHDI）等5个景观指数，通过专家打分法确定各指标权重，从而构建县域工矿废弃地复垦空间集中连片度测算评价指标体系。最后以四川省泸州市叙永县工矿废弃地复垦利用试点进行实例分析，分别设置工矿废弃地复垦为耕地情景（情景1）、复垦为林地情景（情景2）和复垦为草地情景（情景3）3个情景，计算不同复垦情景下的空间集中连片度大小。研究结果表明，情景1、情景2和情景3的评价总分F分别为4 702.00、4 440.36和4 693.57，情景1复垦地类与周围地类的空间集中连片度最高，情景3次之，情景2最低，因而复垦为耕地情景为较优情景。基于上述指标构建的评价指标体系可用于评估工矿废弃地复垦空间集中连片度，可为县域工矿废弃地空间集中连片度分析和评价提供科学方法，进而为工矿废弃地复垦方向的确定、复垦空间结构的优化和不良环境影响的消除提供决策支持。

工矿废弃地；土地复垦；空间集中连片度；景观生态学；评价方法

ZHOU Yan, ZHANG Liping, ZHOU Xu, HUANG Yuanfang, XIE Chuan. The Method for Assessing the Spatial Connectivity of Abandoned Mine Land in County Scale [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(11): 1837-1842.

近年来，由于中国经济增速变缓、产业结构不断优化升级和矿产品价格下降，矿产资源整合和产能过剩行业关停等产生了大量的工矿废弃地。工矿废弃地主要包括采矿废弃地，交通、水利等基础设施建设造成的废弃地，工业废弃地和其他废弃地等类型。工矿废弃地不仅占用了大量的土地资源，而且易引发矿区土壤污染、土壤侵蚀、土壤盐渍化和滑坡等消极生态环境影响（Pichtel et al.，1994；Johnson et al.，1995；Konstantinos et al.，2015；Hu et al.，2015）。

国内外学者主要对工矿废弃地的生态环境恢复、植被恢复和重金属污染风险评价展开了大量研究。Pichtel et al.（1994）对不同改良和管理措施下的工矿废弃地植被恢复进行了比较研究；Johnson et al.（1995）对 15个矿区的土壤理化性质进行了研究；李保杰等（2012）对徐州矿区复垦前后的景观生态格局变化及生态效应进行了研究；王德起等（2007）对废弃工矿区的生态修复功能和农业工程规划进行了研究；李一为等（2010）对矿业废弃地植被恢复特征进行了研究；马守臣等（2012）、陆泗进等（2014）和胡国成等（2015）重点对矿区的重金属污染特征进行了分析，采用不同方法对重金属污染风险进行了评价。然而，工矿废弃地的特点之一是废弃地斑块分布较为零散，斑块大小不一。优先考虑工矿废弃地集中连片区域进行复垦，且复垦方向尽量与周边土地利用方向保持一致，这是改善矿区生态、消除不利环境影响必须依据的重要原则之一。

工矿废弃地复垦后空间集中连片度是指县域内工矿废弃地复垦地类（如耕地、林地或草地）与周围地类的集中连片程度，其实质是空间布局问题。有关空间集中连片度的研究多集中在景观生态学领域景观指数的研究（邬建国，2000；傅伯杰，2001），主要应用于物种保护（Ferraz et al.，2005）、斑块选择（Nikolakaki，2004）、斑块-廊道保护（Pirnat，2000）、湿地保护（Yue et al.，2002）等，其核心在于保护物种多样性。此外有关空间集中连片度的研究多集中在耕地集中连片度研究，国内部分专家学者对耕地利用的田块规整度、连片度、破碎度等指标进行了研究，集中连片度与规整度和破碎度相关，破碎程度越低，集中连片度越高（李赓等，2006；蔡海生等，2007；周尚意等，2008；石峡，2011；许妍等，2011；郑刘平等，2012）。然而，对于工矿废弃地这一特殊的土地利用类型，结合其复垦特点，研究其复垦后与周围地类的空间集中连片度的方法鲜有报道。

本文采用景观生态学方法，借助Fragstats模型，本着系统性、主导性、差异性和可量度性原则，选取斑块数量（NP）、最大斑块面积指数（LPI）、形状指数（SHAPE）、邻近度指数（PROX）和Shannon’s多样性指数（SHDI）5个指标，通过专家打分法确定各指标权重，构建县域工矿废弃地复垦空间集中连片度测算评估指标体系。通过设置不同的工矿废弃地复垦情景，比较不同复垦后情景的空间集中连片度大小。最后以四川省泸州市叙永县工矿废弃地复垦利用试点进行实例分析。

1 研究方法

1.1评价指标选取

遵循系统性、主导性、差异性和可量度性原则，结合各评价指标的生态学意义，在进行专家咨询的基础上，选取如下景观水平上的指标用于评价工矿废弃地复垦空间集中连片度。

（1）斑块数量（NP）

式中，N为景观中的斑块总数。

它的取值范围为NP≥1，当它等于1时，说明整个景观中该斑块类型只有1个斑块。

（2）最大斑块面积指数（LPI）

式中，aij为斑块ij的面积；A为包括内部背景在内的景观总面积。LPI是指某一斑块类型中的最大斑块面积除以整个景观面积再转化为百分比。换言之，就是最大斑块面积占整个景观面积的比例。

它的取值范围是0

（3）形状指数（SHAPE）

式中，aij为斑块ij的面积；pij为斑块ij的周长。

形状指数通过与正方形的标准进行对照，消除了周长面积比率中因斑块面积变化而导致周长面积比率发生变化带来的影响，因而，它是对斑块形状复杂性的最简单也是最直接的度量。

（4）邻近度指数（PROX）

式中，aijs为在距离斑块ij搜索半径内的斑块ijs的面积（m2），hijs为斑块ij到斑块ijs之间的距离，具体指从斑块边缘栅格中心到中心斑块边缘栅格中心的距离。

该指标是无量纲单位，取值范围为PROX≥0。如果一个斑块在搜索半径内没有与它类型相同的斑块，其值为 0。随着邻近区域内同类型斑块的增加，以及这些斑块在分布上的接近和紧实性的增加，PROX的值就会增大。这一指标值的上限会受到搜索半径以及斑块间最近距离的影响。

（5）Shannon’s多样性指数（SHDI）

式中，pi为景观中斑块i的面积比重。

该指标取值范围为 SHDI≥0。当整个景观中只有一个斑块时，SHDI=0。随着景观中斑块类型数的增加以及它们面积比重的均衡化，SHDI值增大。

上述5个景观指标的具体含义可进一步参考相关文献（Leitão et al.，2002；Wu et al.，2002）。

1.2确定评价指标权重

本研究采用专家打分法进行工矿废弃地复垦空间集中连片度指标权重的确定。邀请 10位工矿废弃地复垦领域专家根据指标的重要程度给定权重，以10分为最高分，表示极其重要，0分为最低分，表示不重要，8分表示比较重要，5分表示一般重要，以此类推。

通过汇总分析县域工矿废弃地复垦空间集中连片度指标专家打分表，采用平均法确定各指标权重。其计算步骤如下：

（1）首先计算第i个专家对指标体系给的总分数。见公式6。

式中：Vi为第i个专家对指标体系的总分数；vij为第i个专家对第j个指标给的分数；n为指标个数，n值取5。

（2）其次计算vij相对于Vi的比重，见公式7。

spij=vij/Vi（7）

式中，spij为第i个专家对j个指标给的分数占第i个专家对指标体系给的总分数的比重。

（3）最后通过计算各指标 spij的平均数确定其权重。见公式8。

式中，Wj为第j个指标的权重；m为专家个数，取值10。

最终确定斑块数量（NP）、最大斑块面积指数（LPI）、形状指数（SHAPE）、邻近度指数（PROX）和 Shannon’s多样性指数（SHDI）的权重分别为0.19、0.24、0.25、0.22和0.10。

1.3综合评估方法

利用加和法计算评价总分F，公式如下：

式中：F为工矿废弃地复垦后不同情景空间集中连片度评价总分值；Wi为第i个景观指标权重；Ri为第 i个景观指标相应的景观指数值，根据公式（1）～（5）计算得出；n为指标个数，此处为5。

2 实例分析

2.1研究区概况

四川省泸州市叙永县地跨东经 105°9′30′′～105°43′28′′，北纬 27°29′30′′～28°31′30′′之间，下辖25个乡镇，总人口71.43万人。区位图及行政区划图见图 1。其南部、中部及东南部山岭纵横，北部深丘起伏，区域地貌破碎。县北最低海拔247 m，县南最高海拔 1902 m。地貌有构造地貌、岩溶地貌和流水地貌。属亚热带湿润性季风气候类型，降雨量1172.6 mm。土壤类型以黄壤土为主。叙永县属长江水系永宁河与赤水河流域，地表径流丰富，地下水蕴藏量大，水资源丰富。

图1 研究区区位图及行政区划图Fig. 1 The site and administrative zoning map for the study area

叙永县矿产资源丰富，以煤、硫、石灰石、大理石等为主，其中煤炭资源以中灰、低硫、高热值无烟煤为主。近年来，由于关闭大量的煤矿及非煤矿山，产生了采矿及矿渣堆场废弃地及交通、水利等基础设施废弃地等工矿废弃地。根据《工矿废弃地复垦利用管理办法》，工矿废弃地复垦后的土地利用类型应尽量与周边土地利用类型保持一致，叙永县土地利用类型以耕地、林地、草地为主，可考虑将工矿废弃地优先复垦为耕地或者林地或者草地，以达到与周边土地利用一致的原则。

2.2数据来源

（1）土地利用数据

叙永县土地利用面积为2973.19 km2，以农业用地为主。参照第二次全国土地调查分类方法，将全县土地景观类型分为耕地、园地、林地、草地、工矿废弃地、建设用地、交通运输用地、水域和其它土地。研究区土地利用现状图见图 2。其中农用地268243.07 hm2（耕地77921.80 hm2），占土地总面积的90.22%；建设用地10877.96 hm2，占土地总面积的3.66%；其他土地18197.96 hm2，占土地总面积的6.12%。

2012年县域土地利用现状图、2012年叙永县工矿废弃地现状分析以及工矿废弃地复垦利用现状图、工矿废弃地复垦利用潜力分析图和工矿废弃地复垦利用规划图来源于《泸州市叙永县工矿废弃地复垦利用专项规划（2012─2015年）》。

（2）Fragstats模型时空尺度

根据Fragstats模型栅格数据需求，结合栅格大小模拟实验，本研究尝试从300 m×300 m的栅格大小开始，以50 m为单位，逐步提高空间分布率，为尽可能多地体现空间信息，并兼顾模型运行允许的最大栅格行列数，最终确定研究区适宜空间尺度分辨率为100 m×100 m。将所有土地利用数据等转化为同一投影坐标系下的 100 m×100 m的栅格数据，用以计算各景观指标数值。

2.3工矿废弃地现状分析

叙永县工矿废弃地包括采矿及矿渣堆场废弃地，交通、水利等基础设施废弃地和其他废弃地。全县2011年末工矿废弃地811.37 hm2，其中采矿及矿渣堆场废弃地742.18 hm2，交通、水利等基础设施废弃地53.71 hm2，其他废弃地15.48 hm2。叙永县工矿废弃地主要分布于两河、后山、分水、向林、大石及震东等乡镇。根据《泸州市叙永县工矿废弃地复垦利用专项规划（2012─2015年）》，拟对上述811.37 hm2废弃地进行复垦。

（1）采矿及矿渣堆场废弃地

叙永县采矿及矿渣堆场废弃地主要包括已关闭的砖瓦窑用地，采矿、石、砂等用地及尾矿堆场等用地，矿厂生产及开采停止后厂区、废渣堆放区及一些废弃尾矿。长期未进行相应处理，直接影响了当地居民的生产、生活。全县有采矿及矿渣堆场废弃地742.18 hm2，涉及121宗地。其中有废弃砖瓦窑3.68 hm2，废弃煤厂269.62 hm2，废弃硫铁厂435.46 hm2，废弃其他矿厂33.42 hm2。

（2）交通、水利等基础设施废弃地

主要为废弃公路等，面积为53.71 hm2。

（3）其他废弃地

主要包括废弃学校、工业企业用地等。全县其他废弃地面积 15.48 hm2，其中废弃学校用地 0.21 hm2，废弃企业用地15.27 hm2。

2.4复垦情景设计

（1）情景1：工矿废弃地全部复垦为耕地情景。人多地少、耕地资源匮乏是中国的基本国情，耕地保护是中国的基本国策，因此耕地一直以来是中国土地复垦的优先方向。该情景下土地利用图见图3A。

（2）情景 2：工矿废弃地全部复垦为林地。以生态文明建设为导向，突出工矿废弃地复垦的生态功能，将工矿废弃地全部复垦为林地。该情景下土地利用图见图3B。

（3）情景 3：工矿废弃地全部复垦为草地。以生态文明建设为导向，突出工矿废弃地复垦的生态功能，同时考虑复垦经济成本，将工矿废弃地全部复垦为草地。该情景下土地利用图见图3C。

2.5不同复垦情景下工矿废弃地复垦空间集中连片度结果分析

将土地利用现状图与不同复垦情景下的土地利用图输入到Fragstats模型中，分别计算斑块数量（NP）、最大斑块面积指数（LPI）、形状指数（SHAPE）、邻近度指数（PROX）和 Shannon’s多样性指数（SHDI）5个指标大小，见表1。

表1 研究区工矿废弃地复垦空间集中连片度评价指标与总分大小Table 1 The values of indicators and F in different reclaimed scenarios in study area

由表1可知，情景1空间集中连片度最高，情景3次之，情景2最低。因而从空间集中集中连片度角度出发，将工矿废弃地全部复垦为耕地效果较好。

3 讨论

（1）叙永县土地利用面积为297319 hm2，工矿废弃地面积仅为811.37 hm2，约占全县土地利用面积的0.27%。Fragstats模型计算的是县域尺度景观水平的不同景观指数值。由于工矿废弃地面积相对整个县域面积而言很小，因而，由复垦导致的工矿废弃地斑块地类变化不会对县域土地利用现状产生较大影响。故不同复垦情景下斑块数量（NP）、最大斑块面积指数（LPI）、形状指数（SHAPE）、邻近度指数（PROX）和 Shannon’s多样性指数（SHDI）数值差异不明显。

图3 不同复垦情景土地利用图Fig. 3 The land use map under different scenarios in study area

（2）从叙永县工矿废弃地面积占全县土地利用面积比例相对较小的实际情况来看，可仅对工矿废弃地较为集中的两河、后山、分水、向林、大石及震东等乡镇，开展乡镇尺度的工矿废弃地复垦空间集中连片度研究。但考虑工矿废弃地复垦利用试点是以县域为尺度开展工作的，最终确定仍然以叙永县为研究对象开展空间集中连片度研究。

（3）影响工矿废弃地复垦方向选择的因素较多，包括废弃地损毁程度、水土资源状况等。本文仅从空间集中连片度的角度出发，基于景观生态学研究方法，选取典型指标进行不同复垦情景下空间集中连片度计算，为确定工矿废弃地复垦方向、优化工矿废弃地复垦空间结构提供决策支持。后续可基于土地复垦适宜性评价的结果，继续深入开展相关空间集中连片度研究。

（4）为简化研究，本文目前只设计了单一的土地复垦情景，即完全复垦为耕地情景或林地情景或草地情景，而在实际复垦过程中，应结合土地复垦适宜性评价结果、工矿废弃地周边土地利用类型特征或土地利用总体规划，设计符合实际情况的土地复垦情景，确定土地复垦方向。

4 结论

（1）本研究采用景观生态学方法，借助Fragstats模型，选取斑块数量（NP）、最大斑块面积指数（LPI）、形状指数（SHAPE）、邻近度指数（PROX）和Shannon’s多样性指数（SHDI）5个指标，通过专家打分法确定各指标权重，构建了县域工矿废弃地复垦空间集中连片度评价指标体系。

（2）本文以四川省叙永县工矿废弃地复垦利用项目进行实例分析，并设置3个不同复垦情景。结果表明情景1空间集中连片度最高，情景3次之，情景2最低。

研究结果为县域工矿废弃地空间集中连片度分析和评价提供了科学的方法，进而为工矿废弃地复垦方向的确定、复垦空间结构的优化和不利环境影响的消除提供决策支持。

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The Method for Assessing the Spatial Connectivity of Abandoned Mine Land in County Scale

ZHOU Yan1, ZHANG Liping2*, ZHOU Xu1, HUANG Yuanfang2, XIE Chuan3
1. Key Laboratory of Land Consolidation and Rehabilitation//Land Consolidation and Rehabilitation Center, Ministry of Land and Resources, Beijing 100035, China; 2. College of Resources and Environment, China Agricultural University, Beijing 100193, China; 3. Land Consolidation and Rehabilitation Center of Sichuan, Sichuan 610041, China

Abandoned mine land not only possesses large land resources but also has resulted in high levels of soil pollution, soil siltation, and landslides, among other detrimental effects. In order to eliminate the negative effects, priorities should be given to the concentrated abandoned mine land to alleviate negtive environmental pollution. The purpose of this study was to set up a quantifying guideline system for assessing the spatial connectivity of reclaimed abandoned mine land and the surrounding land-use types. Methods of landscape ecology analysis and Fragstats model were employed to determine the guideline system . Five indicators were selected based on their ecological meanings: Numbers of Patches (NP), Largest Patch Index (LPI), Shape Index (SHAPE), Proximity Index (PROX), and Shannon's Diversity Index (SHDI) and their weights were gained through expert evaluation method. Finally, a case study of the program of reclaiming abandoned mine land in Xuyong County, Sichuan Province, China was taken. Three scenarios were set: scenario of all the abandoned mine land was reclaimed to cultivated land (S1), scenario of all the abandoned mine land was reclaimed to forest land (S2), and scenario of all the abandoned mine land was reclaimed to grass land (S3) to calculate the spatial connectivity of reclaimed abandoned mine land and the surrounding land-use types after reclamation. The results indicated that the spatial connectivity of reclaimed abandoned mine land and the surrounding land-use types of S1 was the highest among the three scenarios (with the F value of 4702.00), followed by S3 (with the F value of 4693.57) and S2 (with the F value of 4440.36). This study’s findings can be used to better understand the guideline system for assessing the spatial connectivity of reclaimed abandoned mine land and provide scientific support for the optimization of spatial structure and alleviating the negative effects of abandoned land reclamation.

abandoned mine land; land reclamation; spatial connectivity; landscape ecology; evaluating method

10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.11.013

X171.4；F301.2

1674-5906（2015）11-1837-06

国土资源部土地整治重点实验室青年开放课题（2015KLLCR—KF07）

周妍（1981年生），女，高级工程师，博士。主要从事土地复垦管理政策、技术标准、规划等研究。E-mail: zhouyan053991@163.com *通信作者：张立平（1990年生），女，博士研究生。主要从事矿区生态环境与土地复垦规划设计。E-mail: zhangliping0922@163.com

2015-09-11

引用格式：周妍, 张立平, 周旭, 黄元仿, 谢川. 县域工矿废弃地复垦空间集中连片度评价方法研究[J]. 生态环境学报, 2015, 24(11): 1837-1842.