黄土丘陵露天矿复垦土地适宜性分区的方法与运用

韩良弼，师学义，原　野

(中国地质大学(北京) 土地科学技术学院，北京 100083)

黄土丘陵露天矿复垦土地适宜性分区的方法与运用

韩良弼，师学义，原野

(中国地质大学(北京) 土地科学技术学院，北京 100083)

摘要：合理安排露天矿复垦后平台边坡土地里利用布局是露天矿复垦的关键环节。该文以山西省吕鑫露天矿为例，根据物种生长的“适地适种”原则，分析原地貌环境下耕地、林地、草地对海拔高度、土层厚度、地形坡度、地形坡向等立地环境的要求，构建土地利用适宜性评价指标体系，对复垦后的平台边坡合理安排土地利用方式。结果表明：①研究区耕地分布主要海拔高度在1240m～1380m，土层厚度在100cm以上，坡度基本在6°以内；林地在各海拔高度内分布均匀，在土层厚度80cm的坡度低于25°的平台和阴坡上分布较广；草地在各海拔高度、土层厚度、坡度和坡向范围内分布均匀；②该矿区复垦后宜耕地面积约为594.47hm2，占矿区总面积的46.3%，宜林地面积约为340.94hm2，占矿区总面积的26.56%，宜草地面积约为348.45hm2，占矿区总面积的27.14%。

关键词：黄土丘陵；露天矿；土地适宜性分区；复垦土地

露天采矿对土地的破坏最为明显和直接，不仅使中国人多地少的矛盾更加突出，而且带来的生态环境问题也十分严重。矿区土地复垦与生态重建是解决人地矛盾、改善生态环境的一项重要措施，同时也是露天采矿企业可持续发展的保障[1]。合理的土地利用布局会提高土地的复垦效率，有效恢复区域内的生态系统以及完善矿区的生态结构。但合理的土地利用布局需要通过科学的土地利用布局方法来实现，因此，土地利用布局方法是复垦土地利用的关键。目前，矿区内土地复垦规划中对复垦后的土地利用多以开展土地适宜性评价为主，其中露天矿多以平台和边坡为基本评价单元，采用的方法有指数和法、极限条件法、主成分分析法、引入可拓模型、层次分析法等[2-10]。

当前矿区复垦后土地利用适宜性评价主要指标体系的选取及量化标准一般依据农用地评价标准，然而，原地形地貌条件下的土地利用方式与植被类型是当地自然条件与社会需求高度耦合的产物，矿区复垦土地适宜性评价需要高度重视原土地利用方式与植被类型的稳定立地条件。鉴于此，本文在露天矿排土场设计的基础上，根据物种生长的“适地适种”原则，分析原地貌环境下耕地、林地、草地对海拔高度、土层厚度、地形坡度、地形坡向等立地环境的要求，建立评价指标体系，运用多因素综合分析法进行土地多宜性评价，最后根据评价单元综合值进行土地适宜性分区，以期为黄土丘陵区露天矿土地复垦提供客观依据[11-13]。

1研究区概况

山西煤炭运销集团和顺吕鑫煤业有限公司露天煤矿位于和顺县城东北约14km，地理坐标为东经113°05′～113°56′，北纬37°03′～37°36′，行政区划隶属于和顺县李阳镇和牛川乡。吕鑫露天矿是于2009年获得山西省国土资源厅发放的采矿许可证，由山西省煤炭运销集团和顺吕鑫煤业有限公司进行开采。经审批后矿田面积为 11.45hm2，开采方式为露天开采。矿区南北长约5.85km，东西宽约3.34km，矿田内基岩大面积裸露，少部分被黄土及冲积物所覆盖，羽裂冲沟发育。矿田内地势总体为西高东低，最高点在矿田西北的山顶上，标高1385.4m，最低在矿田东北角的沟谷中，标高1179.7m，相对高差最大为205.7m。预计采矿结束后内外排土场共破坏土地1283.86hm2。主要农作物有玉米、谷子、山药、黄豆、莜麦、荞麦等。

2数据来源及研究方法

2.1数据来源与预处理

利用遥感影像图、复垦规划中制定的排土场设计图和当地土地部门提供的第二次全国土地调查数据，运用AutoCAD和ARCGIS等软件，经过文件格式转换、坐标系转换、等高线提取、行政界线提取、区域坡度及坡向分析等操作，获取了露天矿采矿影响范围内土地利用现状，如旱地、果园、其他林地、天然草地、采矿用地、农村宅基地、水工建筑用地等各类土地用途斑块及其地貌属性等。

2.2研究方法

首先，根据《和顺县吕鑫露天矿土地复垦方案》，确定复垦后矿区主要土地利用类型为耕地、林地和草地；其次，分析不同土地利用类型最适宜的立地条件，并建立土地适宜性评价指标体系；最后，通过计算得出的土地适宜性分区，得出土地利用布局结构。在对矿区复垦土地的利用中，同属于最适宜的情况下，将以耕地利用为优先，其次为林地，最后为草地。

3土地适宜性的影响因素分析

吕鑫露天矿复垦后由内外排土场组成，其地貌结构主要为平台和边坡。复垦土地在利用过程中，限制因素很多，如低洼积水、坡度、排灌条件、裂缝、土壤质地等。其中对土地利用起主导作用的因素是影响复垦利用的决定性因素，如海拔高度、土层厚度、地形坡度和地形坡向等；而剩余因素中，大部分因素在该区域内差异较小，或是可以通过少量的投入加以改善。因此，根据吕鑫煤矿实际条件，本文选取海拔高度、土层厚度、地形坡度和地形坡向作为最终的评价体系指标。本研究将适宜性等级分为三级：1-适宜；2-较适宜；3-不适宜。

3.1海拔高度

对当地的土地利用现状资料进行分析，可以看出当地的地貌起伏较大，最低的地方海拔约为700m，最高的地方海拔约为2050m，平均海拔在1300m左右，以山地丘陵地形为主，以矿区范围内的土地利用现状为例，把2005年矿区开采前各类土地用途区按照高程分布进行统计，得出图1。

图1　吕鑫露天矿区不同海拔高度现状地类面积统计

通过ARCGIS的空间分析可以看出，矿区内地势总体为西高东低，最高点在矿田西北的山顶上，海拔高度为1385.4m，最低在矿田东北角的沟谷中，海拔高度为1179.70m，相对高差最大为205.7m。

2005年，矿区范围内耕地面积为371.63hm2，占总面积的28.95%。以1180～1380m为渐变范围，每20m高差作为一个海拔区间，将低于1180m和高于1380m分别作为两个区间，可以把研究区内分成12个区间段，对比表中各区间数据可以看出，耕地面积在1240m和1380m前后变化较大，在1240m以下的高程范围内，耕地面积处于较少状态，在1240m以上的高程范围内，耕地面积维持在一个较高状态，这种状态持续到1380m，1380m以上区间，耕地面积又出现大幅降低。为了保证数据的科学性，利用ARCGIS计算得出海拔在1240m以下和1380m以上的土地面积为181.49hm2，耕地面积为16.13hm2，占比为8.89%，1240～1380m区间内土地面积为1102.37hm2，耕地面积为355.5hm2，占比为32.25%，这表明1240～1380m是当地耕地在自然历史条件下形成较适宜的高程范围。矿区内林地面积为115.85hm2，草地面积为699.9hm2，分别占总面积的9.02%和54.52%，通过对比可以看出，林地和草地在各区间分布相对均匀，因此，其受高程影响较小。根据上述分析，得到高程适宜性等级(表1)。

3.2土层厚度

耕地、林地和草地都属于通过土地直接生产生物的方式进行利用的土地类型，因此，土地的自然属性对其可利用性有着较大的影响。土层厚度作为一个重要因素，对该区域内土地利用的限制性是需要考虑的。在该区域内通过均匀布设样点来获取不同斑块内各类用途土地的土层厚度，把矿区开采前各类土地用途区按照土层厚度分布情况进行统计(在此只对耕地、园地、林地和草地进行抽样调查)，得出图2。

表1　高程适宜性等级标准

图2　吕鑫露天矿区不同土层厚度现状地类面积统计图

对植物生长来说，土层越厚，持有的土壤肥力就会相对越丰富，水资源含量也会维持较长时间，因此，通过抽样调查，主要确定各地类对土层厚度的极限条件需求值。调查结果显示，耕地在该地区需要的最低土层厚度为80cm，林地在该地区需要的最低土层厚度为50cm，草地适应性较强，对土层厚度要求较低。根据上述分析，得到土层厚度适宜性等级(表2)。

3.3地形坡度

黄土高原是我国主要的生态脆弱区，植被覆盖度比较小，水土流失严重。坡度是造成水土流失的主要因素之一，水土流失强度随坡度的增大而显著增大。严重的水土流失会导致土壤养分贫瘠[14]，因此对于黄土丘陵区，地形坡度对土地的用途就有着较强的限制性。在此，依据国家制定的耕地坡度等级来划分研究区内各斑块的坡度等级。通过对现状土地利用的分析来研究该区域内各类植物对地形坡度的适宜性。把2005年矿区开采前各类土地用途区按照地形坡度分布情况进行统计，得出图3。

表2　土层厚度适宜性等级标准

图3　吕鑫露天矿区不同地形坡度现状地类面积统计图

通过ARCGIS计算得出，研究区内耕地在Ⅰ级(≤2°)坡度范围内面积为316.25hm2，占耕地总面积的85.1%；在Ⅱ级(2°～6°)坡度范围内面积为43.51hm2，占耕地总面积的11.71%；在Ⅲ级(6°～15°)坡度范围内面积为9.91hm2，占耕地总面积的2.67%；在Ⅳ级(15°～25°)坡度范围内面积为1.96hm2，占耕地总面积的0.53%；在Ⅴ级(>25°)坡度范围内面积为0。统计结果显示：耕地分布会随着坡度大小的增加而递减，在Ⅰ级坡度内分布最广，主要原因为较缓的坡度会为农作物良好生长和机械化的有效推广提供了较好的条件；园地全部分布在Ⅰ级坡度内，由于其数量较少，在此不做详细分析；林地在Ⅰ级坡度范围内面积为68.62hm2，占林地总面积的59.23%，在Ⅱ级坡度范围内面积为14.85hm2，占林地总面积的12.82%，在Ⅲ级坡度范围内面积为11.82hm2，占林地总面积的10.2%，在Ⅳ级坡度范围内面积为9.37hm2，占林地总面积的8.09%，在Ⅴ级坡度范围内面积为11.19hm2，占林地总面积的9.66%，林地的分布也基本随着坡度的增加呈下降趋势，并且根据林地等级划分标准可以了解，林地的评级评分会随着坡度的增加而降低，因此，在大区域内，坡度对林地的影响也存在着负相关性；草地在Ⅰ级坡度范围内面积为23.59hm2，占草地总面积的3.37%，在Ⅱ级坡度范围内面积为47.7hm2，占草地总面积的6.82%，在Ⅲ级坡度范围内面积为196.53hm2，占草地总面积的28.08%，在Ⅳ级坡度范围内面积为202.61hm2，占草地总面积的28.95%，在Ⅴ级坡度范围内面积为229.47hm2，占草地总面积的32.79%，可以看出，草地在坡度较大的区域内分布较广，这一方面与草类植物对环境的适宜性较强有一定关系，另一方面，其分布受人类生产生活的方式影响较大。

总体来讲，在黄土丘陵区，地形坡度主要影响着土壤水分的含量大小及土地可利用性的难易，对于庄稼的生长，产生负相关性。根据上述分析，得到地形坡度适宜性等级(表3)。

表3　地形坡度适宜性等级标准

3.4地形坡向

黄土区是我国降雨量较少的地区，而且常年降水分布不均，在各类植物生长的春夏季，降水量一般较少，这也促使水资源成了影响该地区土地利用的重要限制因素。地形坡向主要影响土地利用的光照和含水量，对于黄土丘陵区的生态作用影响很大。在该研究区内，依据地形坡向的分类，按照平地(-1)、阴坡(≤45°或>315°)、阴阳坡(45°<坡向≤135°或225°<坡向≤315°)和阳坡(135°<坡向≤225°)为评价等级分类，对2005年矿区开采前各类土地用途区按照地形坡向分布进行统计，得出图4。

通过图4可以了解，耕地在平地上面积为193.72hm2，占耕地总面积的52.13%，在阳坡上面积为131.86hm2，占耕地总面积的35.48%，在阴阳坡上面积为41.59hm2，占耕地总面积的11.19%，在阴坡上面积为4.46hm2，占耕地总面积的1.2%，通过耕地在各坡向方位上的分布，可以看出耕地受坡向影响较大，这主要是与光照的差异有关，同时得出，耕地对坡向的适宜性优先级为平地，其次是阳坡，之后是阴阳破和阴坡；林地在平地上面积为11.25hm2，占林地总面积的9.71%，在阴坡上面积为77.38hm2，占林地总面积的66.79%，在阴阳坡上面积为19.65hm2，占林地总面积的16.96%，在阳坡上面积为7.57hm2，占林地总面积的6.53%，林地在平地上分布较少，经调查主要与当地的土地利用结构有关，在阴坡上林地面积较大，且植物长势较好，多为乔木跟灌木林，在阴阳破和阳坡上植物长势一般，多为灌木林和草地，这说明林地受坡向的影响与耕地类似，均与土壤有机质的高低成正相关；草地在平台上面积为5.7hm2，占草地总面积的0.81%，在阴坡上面积为63.97hm2，占草地总面积的9.14%，在阴阳坡上面积为383.37hm2，占草地总面积的54.77%，在阳坡上面积为246.86hm2，占草地总面积的35.27%，统计数据显示，草地在平地上最少，且大都为人工草地，阴阳破和阳坡上分布最广，基本为天然草地，这种分布与地形利用难易程度有一定关系，经实地调查，当地杂花苜蓿生长较多，在阴阳坡和阳坡上分布最多，苜蓿抗旱性较好，对水分需求相对较少，因此，其在黄土丘陵区适宜性较强，坡向对其生长影响较小。根据上述分析，得到地形坡向适宜性等级(表4)。

图4　吕鑫露天矿区不同地形坡向现状地类面积统计图

表4　地形坡向适宜性等级标准

4评价过程

通过现状分析可以看出，三种土地利用方式对土地的自然条件需求是耕地最高，林地居中，草地最后。因此，本研究将通过建立土地综合值进行土地综合评价的方法实现土地适宜性分区。

利用ARCGIS空间分析功能，将设计好的排土场平面图用10m×10m的斑块进行分割计算，可以得出研究区内每块斑块的海拔高度、土层厚度、地形坡度和地形坡向属性值，以此来保证各评价单元内部属性的一致性。在研究区内，斑块的高程值最大为1380m，最低值为1160m；土层厚度在平台上均为100cm，在边坡上均为50cm；坡度分布在0°～32.6°范围内；坡向从平台到阴坡、阴阳坡再到阳坡全部存在。根据前文对土地适宜性影响因素的分析，构建了复垦土地适宜性评价指标体系，并依据德尔菲法的原理，选取多位土地领域的专家和当地土地部门经验丰富的工作人员为评价指标的各级子指标进行权重赋值(表5)。

表5　评价指标子分类权重赋值

4.1指标权重的确定

采用因素成对比较法来确定土地适宜性评价影响因素的权重。因素成对比较法主要通过因素间成对比较，对比较结果赋值、排序，是系统工程中常用的—种确定权重的方法。成对比较是将因素集合中的因素两两进行比较，而比较结果只有3种。设有A、B两个因素，即只有A 比B重要 (给A因素赋值1，给B因素赋值0)，A与B同等重要(给A、B两因素各赋值 0.5)，A不如B重要(给A因素赋值0，B因素赋值1)。最后将所有结果汇总，得到各因素的权重值，见表6[15]。

4.2综合分值的确定

根据上面建立的评价指标体系和确定的指标权重，分别累加计算出综合分值，见下式。

式中：Pi为评价单元的综合分值；Wi为第i个指标的权重；Ci为第i个指标赋值。

4.3土地适宜性分区

根据《和顺县吕鑫露天矿土地复垦方案》，确定复垦后矿区主要用途分类为耕地、林地和草地，因此，依据极限条件法将计算出的土地综合值分成三级(表7)。第一级以宜耕地为利用方向，第二级以宜林地为利用方向，第三级以宜草地为利用方向，通过土地适宜性分区，确定研究区内复垦后土地利用结构。

表6　吕鑫露天矿土地适宜性评价指标权重

表7　土地适宜性分区结构

图5　吕鑫露天矿复垦土地适宜性分区图

5适宜性评价结果

通过土地适宜性分区的划分确定复垦后矿区各类土地用途区的布局结构(表6)，结果显示，复垦后矿区内宜耕地面积约为594.47hm2(包括农村道路)，占矿区总面积的46.3%，宜林地面积约为340.94hm2，占矿区总面积的26.56%，宜草地面积约为348.45hm2，占矿区总面积的27.14%，其中，宜耕地面积超过了矿区开采前的371.63hm2，符合复垦规划要求。由图5可以看出，绝大部分耕地位于排土场的大平台上，便于未来进行灌排水设施的布置和机械化的应用；林地多分布于排土场的台阶上和阴坡上，以及坡度较小的阴阳坡上，草地多分布于阴阳坡和阳坡上，少部分分布在平台和坡度较大的阴坡上，与前面进行的土地适宜性评价结果基本吻合。

6讨论

本研究根据物种生长的“适地适种”原则，在综合考虑矿区复垦后的主要限制因素情况后，分析了原地貌环境下耕地、林地、草地对海拔高度、土层厚度、地形坡度、地形坡向等立地环境的要求，并运用土地适宜性分区的方法得出露天矿区复垦土地的再利用布局预期规划，评价结果可为黄土丘陵各类矿区复垦后土地的利用方式提供一定的指导作用。考虑到各类植物生长所需要的环境条件较为复杂，因此在指标的选取过程中可能存在一定的缺陷，有待日后通过进一步的研究加以完善。

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Method and application of land suitability zoning in the loess hilly open pit mine

HAN Liang-bi，SHI Xue-yi，YUAN Ye

(College of Land Science and Technology，China University of Geosciences(Beijing)，Beijing 100083，China)

Abstract:Rational arrangement of the land use layout of the open pit slope is the key in the reclamation of open pit mine.Taking Shanxi Lu xin open pit as an example，according to the principle of “suitable for the species”，this paper analyzes the original landscape environment of farmland，woodland，grassland on the altitude，soil depth，the terrain gradient，terrain slope to the site environment，constructs land use suitability evaluation index system to develop a reasonable land use pattern of the slope of the post platform.Results show that：① the main elevation of the area of cultivated land distribution height in 1240m-1380m，soil thickness in more than 100 cm，slope basic in less than 6 degrees；woodland is evenly distributed in the altitude，at 80cm soil layer thickness gradient below 25 degrees of platform and shady slope distribution is wide；grassland in the elevation height，thickness of soil layer，slope degree and slope to within the scope of the uniform distribution；② after the mine reclamation，cultivated land area is about 594.47hm2，46.3% of the total mining area，barren land area is about 340.94hm2，accounting for the total mining area of 26.56%，appropriate grassland area is about 348.45hm2，accounted for 27.14% of the total mining area.

Key words：loess hilly；open pit coal mine；land suitability zoning；land reclamation

收稿日期：2015-12-16

基金项目：国土资源部公益性行业专项经费项目资助(编号：201411007)

作者简介：韩良弼(1991-)，男，汉族，山西朔州人，硕士研究生，主要研究方向为土地资源评价与利用规划。 E-mail:1083380271@qq.com。 通讯作者：师学义( 1960-)，男，汉族，山西祁县人，博士，教授，主要从事土地利用规划与土地利用工程研究。E-mail: shixueyi63@163.com。

中图分类号：F301.2

文献标识码：A

文章编号：1004-4051(2016)06-0066-06