西部矿区土地退化因素评价与分析

王隽雄，金美君，刘琼海，王宇菲，渊 伟

(1.水利部 水土保持监测中心，北京 100055；2.黄河水利委员会 晋陕蒙接壤地区水土保持监督局，陕西 榆林 719000；3.西北大学 城市与环境学院，陕西 西安 710127； 4.中国矿业大学 环境与测绘学院，江苏 徐州 221116)

土地资源跟矿产资源在空间分布特征上的同位性属性，使得在大规模开采利用煤炭资源的同时，严重破坏了矿区土地，引发地表塌陷和耕地破坏等一系列的问题。随着我国煤炭工业重心的西移，西部煤炭资源开发面临着更为脆弱的生态环境，土地退化的形势更加严峻[1]。乌海矿区对我国西部的土地退化而言极具代表性，其开发历史较久，资源逐步枯竭且增长乏力，资源开发所导致的环境问题突出。采矿活动对西部矿区土地退化的推动强度如何，主驱动力分哪几种，退化指标该如何选取，以及现阶段的态势，急需探讨研究。

纵观土地退化评价研究的进展，众多专家学者通过大量研究工作，评价指标日益丰富和量化，但仍存在一些不足：一是土地退化评价指标的选取至今还未形成一套科学完善的研究体系，需进一步丰富和发展。二是土地退化研究大多蕴含于环境治理中，针对矿区土地退化的专题研究相对偏少[2]。笔者在分析总结国内外关于矿区土地退化研究工作的基础上，综合矿区发展与环境现状，从自然因素和人为因素方面建立定量的土地退化评价指标体系，对土地退化因素进行分析，对退化驱动力进行评价，旨在揭示矿区土地退化的机理，提出相应的解决方法，为矿区土地退化和水土流失治理、改善矿区生态环境及调整产业结构，实现高质量发展提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概述与数据说明

乌海矿区位于内蒙古自治区的西南部，处黄河上游地带，东接鄂尔多斯高原，西靠阿拉善盟草原，南与石嘴山隔河相望，北面是肥沃的河套平原，地理坐标东经106.36°～107.05°、北纬39.15°～39.52°，土地总面积约为1 750 km2。

基础数据主要包括乌海市统计局、乌海市国土局和乌海市环保局等单位提供的2000—2015年间历年的年均气温、年均降水量、年均相对湿度、草地面积、林地面积、年日照时数、人口数量、城镇化率、地区生产总值、固定资产投资、建成区面积、污水排放量等资料。考虑研究对象的特殊性，与一般研究不同的是，本研究特选取乌海市年煤炭开采量和城镇工矿用地面积来反映地区矿产资源开采状况。

1.2 评价指标体系的构建

土地退化是一个复杂连续的动态过程，不同的土地利用类型和人类活动方式都会产生不同的土地退化问题[3]。本研究将矿区土地退化总结为：超高强度的人类活动叠加在矿区自然侵蚀基础之上，以矿产资源开发产生的生态破坏与环境污染为主要营力，导致矿区内土地原有的内部结构和理化性状发生改变，逐步减少或丧失原有生产潜力的动态演替过程。据此将驱动矿区土地退化的因素划分为自然驱动因子和人为驱动因子两大类型，自然因素为矿区土地退化提供了外在条件，人为因素尤其是不合理的人类活动往往是造成土地退化的内部原因(见图1)。

图1 矿区土地退化驱动因素

在认真查阅土地退化相关国家标准，参照国际土地退化评价指标体系研究进展的基础上，收集已有的观测资料，应用文献分析法，结合西部矿区实际，从代表性、普遍性和可操作性原则出发，提出了西部矿区土地退化评价指标体系[4]。通过对国内外土地退化因素指标进行搜集筛选、整理归类和统计，检索引用量超过80次的期刊，得到中文评价指标文献183篇，英文评价指标文献43篇，具体指标如表1所示。

表1 中英文综合评价指标分类

频次分析结果如表2所示：在中文文献库中，统计发现，植被盖度、降水量、经济收入水平及有机质含量4个指标应用频次最高，分别为116次、45次、42次和40次，人口数量和矿区开采面积等频次在30次以上。

表2 中英文综合评价指标应用频次统计

将评价指标体系理论研究结果与乌海矿区土地退化实地状况结合，着重考虑突出存在的土地压占、“三废”排放等问题，最终确定了乌海矿区土地退化评价指标体系指标，具体包括：绿地面积(草地面积和林地面积之和)、年均气温、年均降水量、年均相对湿度、年总日照时数(太阳辐射量)、人口数量、城镇化率、地区生产总值、固定资产投资、年原煤产量、城镇工矿用地面积、建成区面积、牲畜数量、污水排放量。

1.3 矿区土地退化因素评价方法

1.3.1客观赋权法

常用的客观赋权法主要有：标准离差法、CRITIC法、熵值法等[5]。本研究运用标准离差法和CRITIC法相互对比的研究思路分析乌海矿区土地退化因素，以确定乌海矿区土地退化各因素指标的客观权重。

(1)标准离差法。标准差即均方差，是衡量组内个体间离散程度的指标。某指标的标准差越大，表明该指标值的变异程度越大，其提供的信息量越大，在综合评价中所起的作用越大，对应的权重也就越大，反之则其对应的权重也就越小。

(2)CRITIC法。CRITIC方法通过评价比较指标间的对比强度和冲突性来确定各指标的客观权数。其中，对比强度可以用标准差表示，用来说明同一指标在不同评价方案中取值差距的大小。

1.3.2主成分分析法

采取主成分分析法不仅可将各因素变量概括缩减为几个相互间独立的公共因子，而且能较好地代表各原有指标的解释信息，方便与客观赋权法的结果纵向对比、相互验证、也有利于进一步概括和验证乌海矿区土地退化的因素，开展综合分析[6]。

2 结果与讨论

2.1 综合比较分析

对标准离差法和CRITIC法分析结果直观列表比较，如表3所示。

表3 指标分析结果综合排序

结果表明两种分析相互验证可信度完全值得信赖，进一步转化为矿区土地退化驱动因素分布如图2。

图2 基于客观赋权法的矿区土地退化驱动因素分布比例

乌海矿区以矿山资源开采活动为代表的直接驱动因子对土地退化的影响最为剧烈；其次为地区生产总值、建成区面积、固定资产投资、年原煤产量、城镇工矿用地面积、城镇化率和人口数量，这些指标可以表明乌海矿区的经济发展模式注定也会大大加剧乌海矿区的土地退化；排位相对靠后的为乌海矿区的年均降水量、牲畜数量、年日照时数、年均气温、年均相对湿度等自然驱动指标，这表明区域自然生态环境的变化对土地的退化程度也会起到一定的影响作用。

2.2 主成分分析法研究结果

本研究选取绿地面积，即草地及林地面积之和作为衡量土地退化的指标，其余13个变量为解释变量。数据分析结果表明，乌海矿区内的年均降水量和城镇工矿用地面积的变化波动相对较大。乌海矿区在地区生产总值和固定资产投资皆呈现很大波动，国家注重经济发展，固定资产投资力度也在逐年加大。此外，年原煤产量和污水排放量也呈现明显波动。人口数量和城镇化率的离散系数相对较低，研究时间内波动不明显。

通过主成分分析，可提取4个主成分，将初始分析选取的13维数据压缩至4维，从而有效简化了数据结构，使数据分析结果更加简洁直观。由主成分分析结果得出，前4个因子的特征值大于1，且其特征值之和占总特征值的91.46%，整体解释效果较好，因此可以提取4个主因子。第一主成分与人口数量、地区生产总值、固定资产投资、年原煤产量、建成区面积呈现出较强的正相关，与污水排放量呈现出较强的负相关，而这几个变量则综合反映了矿区经济结构状况； 第二主成分与年均降水量和年均相对湿度呈现出较强的正相关，在一定程度上代表了区域水分条件状况；第三主成分与城镇化率、城镇工矿用地面积呈现出较强的正相关，与年均气温呈现出较强的负相关，鉴于乌海地区年均气温变化在研究时间范围内变化不明显，故将第三主成分归纳为矿区社会发展水平；第四主成分与年日照时数、牲畜数量呈现出较强的正相关，在一定程度上代表了区域生物量状况。

基于以上数据分析，将乌海矿区的土地退化因素归纳为4大主成分：第一主成分中占比较大的是污水排放量、区域生产总值及原煤产量，该结果充分说明乌海地区以资源开采工业为主导的经济结构发展机制是导致其土地退化的第一驱动力，故总结为矿区经济结构状况；第二主成分主要由降水量和相对湿度主导，这表明乌海矿区的水资源状况对乌海矿区的土地退化起到相当大的决定作用；第三主成分中起主导作用的是城镇化率和城镇工矿用地面积，表明矿区地域社会发展状况对土地退化也有一定的影响；第四主成分主要由年日照时数和牲畜数量构成，可归结为矿区所在地域生物量状况对土地退化的影响。故以上四类分别概括为矿区经济结构状况、区域水分条件状况、矿区社会发展水平、区域生物量状况。

3 结论与对策

3.1 结 论

(1)乌海矿区的土地退化是区域地质、地貌、气候、水文、生物等自然环境要素和区域经济发展、人口增长、矿产资源开采等人为社会因素相互影响、共同作用的结果。其中，人为社会因素是驱动矿区土地退化的内因，而自然环境变化则是导致矿区土地退化的外部条件，影响乌海矿区土地退化的驱动因素可总结为自然环境变化、经济发展模式和矿产资源开采三种。

(2)综合比较客观赋权法和主成分分析法所得结果，由客观赋权法得出矿区土地退化驱动因素有矿产资源开采活动、经济社会发展和自然环境三种。由主成分分析法所提炼矿区土地退化驱动因素有矿区经济结构状况、区域水分条件状况、矿区社会发展水平和区域生物量状况四种。主成分分析法中所提炼的区域水分条件状况和区域生物量状况可以概括为客观赋权法中的自然环境因素；主成分分析法中的矿区经济结构状况即客观赋权法中的经济社会发展因素；因乌海矿区社会发展水平主要由矿产资源的开采活动为核心驱动，故可以将主成分分析中的社会发展水平与客观赋权法中的矿产资源开采相等同。虽然两种方法本身存在的原理差异决定了两种结果表面上差异性的存在，但是经深入比较分析可以发现两种方法所得结果本质其实相同。

(3)矿区经济结构状况中占主要地位的是污水排放量、区域生产总值及原煤产量，该结果充分说明乌海地区以资源开采工业为主导的经济结构发展机制是导致其土地退化的第一驱动力。区域水分条件状况和区域生物量状况中年均降水量、牲畜数量和年日照时数占比较大，这表明气候和生物等自然地理要素也会对西部矿区的土地退化起到相当大的决定作用。矿区经济社会水平中起主导作用的是城镇化率和城镇工矿用地面积，这表明矿区地域社会发展状况对矿区土地退化起到一定的影响作用。

3.2 对 策

西部矿区土地生态系统恢复与建设是一项涉及多学科、多领域的庞大系统工程，涵盖了社会经济各个行业，既要从西部矿区的整体情况综合规划、系统整治，又要针对不同地域的实际情况分类区划，根据不同的退化状况分类施策，因地制宜提出解决方案。研究认为，要实现西部矿区生态保护和高质量发展，应采取强有力的对策和措施。一是完善体制加强监管，坚持以习近平生态文明思想为指导，通过建立健全法律法规，执行最严格的生态环境保护制度，促进区域生态文明建设，服务区域生态保护与高质量发展。二是积极转变经济发展理念，大力发展绿色矿业、环保矿业和智能矿业，改进生产方式，缓减土地资源承载压力，走高质量发展的路子。三是严控土地改善生态，严格控制工矿用地面积，提高土地利用效率，发展节约型高效型土地利用政策，实施土地生态效益补偿机制，激发矿区土地生态修复建设活力，保护地区水土资源，营造良好的矿区自然生态环境，提升整体生态文明建设水平。四是加大投入强化监测，以地理信息技术平台为依托，遥感、无人机和地面监测等技术手段并用，建立集基础资料、背景图斑、扰动图斑、核查处置等为一体的多用户数据实时存储和共享的大数据信息平台，实现扰动信息及时发现、精准识别、快速核查处置，不受地形、地貌、路况等限制，实现数字化场景、智慧化模拟、精准化决策的全过程监测管理。