黃土丘陵露天礦復墾土地適宜性分區的方法與運用

韓良弼，師學義，原　野

(中國地質大學(北京) 土地科學技術學院，北京 100083)

黃土丘陵露天礦復墾土地適宜性分區的方法與運用

韓良弼，師學義，原野

(中國地質大學(北京) 土地科學技術學院，北京 100083)

摘要：合理安排露天礦復墾后平臺邊坡土地里利用布局是露天礦復墾的關鍵環節。該文以山西省呂鑫露天礦為例，根據物種生長的“適地適種”原則，分析原地貌環境下耕地、林地、草地對海拔高度、土層厚度、地形坡度、地形坡向等立地環境的要求，構建土地利用適宜性評價指標體系，對復墾后的平臺邊坡合理安排土地利用方式。結果表明：①研究區耕地分布主要海拔高度在1240m～1380m，土層厚度在100cm以上，坡度基本在6°以內；林地在各海拔高度內分布均勻，在土層厚度80cm的坡度低于25°的平臺和陰坡上分布較廣；草地在各海拔高度、土層厚度、坡度和坡向范圍內分布均勻；②該礦區復墾后宜耕地面積約為594.47hm2，占礦區總面積的46.3%，宜林地面積約為340.94hm2，占礦區總面積的26.56%，宜草地面積約為348.45hm2，占礦區總面積的27.14%。

關鍵詞：黃土丘陵；露天礦；土地適宜性分區；復墾土地

露天采礦對土地的破壞最為明顯和直接，不僅使中國人多地少的矛盾更加突出，而且帶來的生態環境問題也十分嚴重。礦區土地復墾與生態重建是解決人地矛盾、改善生態環境的一項重要措施，同時也是露天采礦企業可持續發展的保障[1]。合理的土地利用布局會提高土地的復墾效率，有效恢復區域內的生態系統以及完善礦區的生態結構。但合理的土地利用布局需要通過科學的土地利用布局方法來實現，因此，土地利用布局方法是復墾土地利用的關鍵。目前，礦區內土地復墾規劃中對復墾后的土地利用多以開展土地適宜性評價為主，其中露天礦多以平臺和邊坡為基本評價單元，采用的方法有指數和法、極限條件法、主成分分析法、引入可拓模型、層次分析法等[2-10]。

當前礦區復墾后土地利用適宜性評價主要指標體系的選取及量化標準一般依據農用地評價標準，然而，原地形地貌條件下的土地利用方式與植被類型是當地自然條件與社會需求高度耦合的產物，礦區復墾土地適宜性評價需要高度重視原土地利用方式與植被類型的穩定立地條件。鑒于此，本文在露天礦排土場設計的基礎上，根據物種生長的“適地適種”原則，分析原地貌環境下耕地、林地、草地對海拔高度、土層厚度、地形坡度、地形坡向等立地環境的要求，建立評價指標體系，運用多因素綜合分析法進行土地多宜性評價，最后根據評價單元綜合值進行土地適宜性分區，以期為黃土丘陵區露天礦土地復墾提供客觀依據[11-13]。

1研究區概況

山西煤炭運銷集團和順呂鑫煤業有限公司露天煤礦位于和順縣城東北約14km，地理坐標為東經113°05′～113°56′，北緯37°03′～37°36′，行政區劃隸屬于和順縣李陽鎮和牛川鄉。呂鑫露天礦是于2009年獲得山西省國土資源廳發放的采礦許可證，由山西省煤炭運銷集團和順呂鑫煤業有限公司進行開采。經審批后礦田面積為 11.45hm2，開采方式為露天開采。礦區南北長約5.85km，東西寬約3.34km，礦田內基巖大面積裸露，少部分被黃土及沖積物所覆蓋，羽裂沖溝發育。礦田內地勢總體為西高東低，最高點在礦田西北的山頂上，標高1385.4m，最低在礦田東北角的溝谷中，標高1179.7m，相對高差最大為205.7m。預計采礦結束后內外排土場共破壞土地1283.86hm2。主要農作物有玉米、谷子、山藥、黃豆、莜麥、蕎麥等。

2數據來源及研究方法

2.1數據來源與預處理

利用遙感影像圖、復墾規劃中制定的排土場設計圖和當地土地部門提供的第二次全國土地調查數據，運用AutoCAD和ARCGIS等軟件，經過文件格式轉換、坐標系轉換、等高線提取、行政界線提取、區域坡度及坡向分析等操作，獲取了露天礦采礦影響范圍內土地利用現狀，如旱地、果園、其他林地、天然草地、采礦用地、農村宅基地、水工建筑用地等各類土地用途斑塊及其地貌屬性等。

2.2研究方法

首先，根據《和順縣呂鑫露天礦土地復墾方案》，確定復墾后礦區主要土地利用類型為耕地、林地和草地；其次，分析不同土地利用類型最適宜的立地條件，并建立土地適宜性評價指標體系；最后，通過計算得出的土地適宜性分區，得出土地利用布局結構。在對礦區復墾土地的利用中，同屬于最適宜的情況下，將以耕地利用為優先，其次為林地，最后為草地。

3土地適宜性的影響因素分析

呂鑫露天礦復墾后由內外排土場組成，其地貌結構主要為平臺和邊坡。復墾土地在利用過程中，限制因素很多，如低洼積水、坡度、排灌條件、裂縫、土壤質地等。其中對土地利用起主導作用的因素是影響復墾利用的決定性因素，如海拔高度、土層厚度、地形坡度和地形坡向等；而剩余因素中，大部分因素在該區域內差異較小，或是可以通過少量的投入加以改善。因此，根據呂鑫煤礦實際條件，本文選取海拔高度、土層厚度、地形坡度和地形坡向作為最終的評價體系指標。本研究將適宜性等級分為三級：1-適宜；2-較適宜；3-不適宜。

3.1海拔高度

對當地的土地利用現狀資料進行分析，可以看出當地的地貌起伏較大，最低的地方海拔約為700m，最高的地方海拔約為2050m，平均海拔在1300m左右，以山地丘陵地形為主，以礦區范圍內的土地利用現狀為例，把2005年礦區開采前各類土地用途區按照高程分布進行統計，得出圖1。

圖1　呂鑫露天礦區不同海拔高度現狀地類面積統計

通過ARCGIS的空間分析可以看出，礦區內地勢總體為西高東低，最高點在礦田西北的山頂上，海拔高度為1385.4m，最低在礦田東北角的溝谷中，海拔高度為1179.70m，相對高差最大為205.7m。

2005年，礦區范圍內耕地面積為371.63hm2，占總面積的28.95%。以1180～1380m為漸變范圍，每20m高差作為一個海拔區間，將低于1180m和高于1380m分別作為兩個區間，可以把研究區內分成12個區間段，對比表中各區間數據可以看出，耕地面積在1240m和1380m前后變化較大，在1240m以下的高程范圍內，耕地面積處于較少狀態，在1240m以上的高程范圍內，耕地面積維持在一個較高狀態，這種狀態持續到1380m，1380m以上區間，耕地面積又出現大幅降低。為了保證數據的科學性，利用ARCGIS計算得出海拔在1240m以下和1380m以上的土地面積為181.49hm2，耕地面積為16.13hm2，占比為8.89%，1240～1380m區間內土地面積為1102.37hm2，耕地面積為355.5hm2，占比為32.25%，這表明1240～1380m是當地耕地在自然歷史條件下形成較適宜的高程范圍。礦區內林地面積為115.85hm2，草地面積為699.9hm2，分別占總面積的9.02%和54.52%，通過對比可以看出，林地和草地在各區間分布相對均勻，因此，其受高程影響較小。根據上述分析，得到高程適宜性等級(表1)。

3.2土層厚度

耕地、林地和草地都屬于通過土地直接生產生物的方式進行利用的土地類型，因此，土地的自然屬性對其可利用性有著較大的影響。土層厚度作為一個重要因素，對該區域內土地利用的限制性是需要考慮的。在該區域內通過均勻布設樣點來獲取不同斑塊內各類用途土地的土層厚度，把礦區開采前各類土地用途區按照土層厚度分布情況進行統計(在此只對耕地、園地、林地和草地進行抽樣調查)，得出圖2。

表1　高程適宜性等級標準

圖2　呂鑫露天礦區不同土層厚度現狀地類面積統計圖

對植物生長來說，土層越厚，持有的土壤肥力就會相對越豐富，水資源含量也會維持較長時間，因此，通過抽樣調查，主要確定各地類對土層厚度的極限條件需求值。調查結果顯示，耕地在該地區需要的最低土層厚度為80cm，林地在該地區需要的最低土層厚度為50cm，草地適應性較強，對土層厚度要求較低。根據上述分析，得到土層厚度適宜性等級(表2)。

3.3地形坡度

黃土高原是我國主要的生態脆弱區，植被覆蓋度比較小，水土流失嚴重。坡度是造成水土流失的主要因素之一，水土流失強度隨坡度的增大而顯著增大。嚴重的水土流失會導致土壤養分貧瘠[14]，因此對于黃土丘陵區，地形坡度對土地的用途就有著較強的限制性。在此，依據國家制定的耕地坡度等級來劃分研究區內各斑塊的坡度等級。通過對現狀土地利用的分析來研究該區域內各類植物對地形坡度的適宜性。把2005年礦區開采前各類土地用途區按照地形坡度分布情況進行統計，得出圖3。

表2　土層厚度適宜性等級標準

圖3　呂鑫露天礦區不同地形坡度現狀地類面積統計圖

通過ARCGIS計算得出，研究區內耕地在Ⅰ級(≤2°)坡度范圍內面積為316.25hm2，占耕地總面積的85.1%；在Ⅱ級(2°～6°)坡度范圍內面積為43.51hm2，占耕地總面積的11.71%；在Ⅲ級(6°～15°)坡度范圍內面積為9.91hm2，占耕地總面積的2.67%；在Ⅳ級(15°～25°)坡度范圍內面積為1.96hm2，占耕地總面積的0.53%；在Ⅴ級(>25°)坡度范圍內面積為0。統計結果顯示：耕地分布會隨著坡度大小的增加而遞減，在Ⅰ級坡度內分布最廣，主要原因為較緩的坡度會為農作物良好生長和機械化的有效推廣提供了較好的條件；園地全部分布在Ⅰ級坡度內，由于其數量較少，在此不做詳細分析；林地在Ⅰ級坡度范圍內面積為68.62hm2，占林地總面積的59.23%，在Ⅱ級坡度范圍內面積為14.85hm2，占林地總面積的12.82%，在Ⅲ級坡度范圍內面積為11.82hm2，占林地總面積的10.2%，在Ⅳ級坡度范圍內面積為9.37hm2，占林地總面積的8.09%，在Ⅴ級坡度范圍內面積為11.19hm2，占林地總面積的9.66%，林地的分布也基本隨著坡度的增加呈下降趨勢，并且根據林地等級劃分標準可以了解，林地的評級評分會隨著坡度的增加而降低，因此，在大區域內，坡度對林地的影響也存在著負相關性；草地在Ⅰ級坡度范圍內面積為23.59hm2，占草地總面積的3.37%，在Ⅱ級坡度范圍內面積為47.7hm2，占草地總面積的6.82%，在Ⅲ級坡度范圍內面積為196.53hm2，占草地總面積的28.08%，在Ⅳ級坡度范圍內面積為202.61hm2，占草地總面積的28.95%，在Ⅴ級坡度范圍內面積為229.47hm2，占草地總面積的32.79%，可以看出，草地在坡度較大的區域內分布較廣，這一方面與草類植物對環境的適宜性較強有一定關系，另一方面，其分布受人類生產生活的方式影響較大。

總體來講，在黃土丘陵區，地形坡度主要影響著土壤水分的含量大小及土地可利用性的難易，對于莊稼的生長，產生負相關性。根據上述分析，得到地形坡度適宜性等級(表3)。

表3　地形坡度適宜性等級標準

3.4地形坡向

黃土區是我國降雨量較少的地區，而且常年降水分布不均，在各類植物生長的春夏季，降水量一般較少，這也促使水資源成了影響該地區土地利用的重要限制因素。地形坡向主要影響土地利用的光照和含水量，對于黃土丘陵區的生態作用影響很大。在該研究區內，依據地形坡向的分類，按照平地(-1)、陰坡(≤45°或>315°)、陰陽坡(45°<坡向≤135°或225°<坡向≤315°)和陽坡(135°<坡向≤225°)為評價等級分類，對2005年礦區開采前各類土地用途區按照地形坡向分布進行統計，得出圖4。

通過圖4可以了解，耕地在平地上面積為193.72hm2，占耕地總面積的52.13%，在陽坡上面積為131.86hm2，占耕地總面積的35.48%，在陰陽坡上面積為41.59hm2，占耕地總面積的11.19%，在陰坡上面積為4.46hm2，占耕地總面積的1.2%，通過耕地在各坡向方位上的分布，可以看出耕地受坡向影響較大，這主要是與光照的差異有關，同時得出，耕地對坡向的適宜性優先級為平地，其次是陽坡，之后是陰陽破和陰坡；林地在平地上面積為11.25hm2，占林地總面積的9.71%，在陰坡上面積為77.38hm2，占林地總面積的66.79%，在陰陽坡上面積為19.65hm2，占林地總面積的16.96%，在陽坡上面積為7.57hm2，占林地總面積的6.53%，林地在平地上分布較少，經調查主要與當地的土地利用結構有關，在陰坡上林地面積較大，且植物長勢較好，多為喬木跟灌木林，在陰陽破和陽坡上植物長勢一般，多為灌木林和草地，這說明林地受坡向的影響與耕地類似，均與土壤有機質的高低成正相關；草地在平臺上面積為5.7hm2，占草地總面積的0.81%，在陰坡上面積為63.97hm2，占草地總面積的9.14%，在陰陽坡上面積為383.37hm2，占草地總面積的54.77%，在陽坡上面積為246.86hm2，占草地總面積的35.27%，統計數據顯示，草地在平地上最少，且大都為人工草地，陰陽破和陽坡上分布最廣，基本為天然草地，這種分布與地形利用難易程度有一定關系，經實地調查，當地雜花苜蓿生長較多，在陰陽坡和陽坡上分布最多，苜?？购敌暂^好，對水分需求相對較少，因此，其在黃土丘陵區適宜性較強，坡向對其生長影響較小。根據上述分析，得到地形坡向適宜性等級(表4)。

圖4　呂鑫露天礦區不同地形坡向現狀地類面積統計圖

表4　地形坡向適宜性等級標準

4評價過程

通過現狀分析可以看出，三種土地利用方式對土地的自然條件需求是耕地最高，林地居中，草地最后。因此，本研究將通過建立土地綜合值進行土地綜合評價的方法實現土地適宜性分區。

利用ARCGIS空間分析功能，將設計好的排土場平面圖用10m×10m的斑塊進行分割計算，可以得出研究區內每塊斑塊的海拔高度、土層厚度、地形坡度和地形坡向屬性值，以此來保證各評價單元內部屬性的一致性。在研究區內，斑塊的高程值最大為1380m，最低值為1160m；土層厚度在平臺上均為100cm，在邊坡上均為50cm；坡度分布在0°～32.6°范圍內；坡向從平臺到陰坡、陰陽坡再到陽坡全部存在。根據前文對土地適宜性影響因素的分析，構建了復墾土地適宜性評價指標體系，并依據德爾菲法的原理，選取多位土地領域的專家和當地土地部門經驗豐富的工作人員為評價指標的各級子指標進行權重賦值(表5)。

表5　評價指標子分類權重賦值

4.1指標權重的確定

采用因素成對比較法來確定土地適宜性評價影響因素的權重。因素成對比較法主要通過因素間成對比較，對比較結果賦值、排序，是系統工程中常用的—種確定權重的方法。成對比較是將因素集合中的因素兩兩進行比較，而比較結果只有3種。設有A、B兩個因素，即只有A 比B重要 (給A因素賦值1，給B因素賦值0)，A與B同等重要(給A、B兩因素各賦值 0.5)，A不如B重要(給A因素賦值0，B因素賦值1)。最后將所有結果匯總，得到各因素的權重值，見表6[15]。

4.2綜合分值的確定

根據上面建立的評價指標體系和確定的指標權重，分別累加計算出綜合分值，見下式。

式中：Pi為評價單元的綜合分值；Wi為第i個指標的權重；Ci為第i個指標賦值。

4.3土地適宜性分區

根據《和順縣呂鑫露天礦土地復墾方案》，確定復墾后礦區主要用途分類為耕地、林地和草地，因此，依據極限條件法將計算出的土地綜合值分成三級(表7)。第一級以宜耕地為利用方向，第二級以宜林地為利用方向，第三級以宜草地為利用方向，通過土地適宜性分區，確定研究區內復墾后土地利用結構。

表6　呂鑫露天礦土地適宜性評價指標權重

表7　土地適宜性分區結構

圖5　呂鑫露天礦復墾土地適宜性分區圖

5適宜性評價結果

通過土地適宜性分區的劃分確定復墾后礦區各類土地用途區的布局結構(表6)，結果顯示，復墾后礦區內宜耕地面積約為594.47hm2(包括農村道路)，占礦區總面積的46.3%，宜林地面積約為340.94hm2，占礦區總面積的26.56%，宜草地面積約為348.45hm2，占礦區總面積的27.14%，其中，宜耕地面積超過了礦區開采前的371.63hm2，符合復墾規劃要求。由圖5可以看出，絕大部分耕地位于排土場的大平臺上，便于未來進行灌排水設施的布置和機械化的應用；林地多分布于排土場的臺階上和陰坡上，以及坡度較小的陰陽坡上，草地多分布于陰陽坡和陽坡上，少部分分布在平臺和坡度較大的陰坡上，與前面進行的土地適宜性評價結果基本吻合。

6討論

本研究根據物種生長的“適地適種”原則，在綜合考慮礦區復墾后的主要限制因素情況后，分析了原地貌環境下耕地、林地、草地對海拔高度、土層厚度、地形坡度、地形坡向等立地環境的要求，并運用土地適宜性分區的方法得出露天礦區復墾土地的再利用布局預期規劃，評價結果可為黃土丘陵各類礦區復墾后土地的利用方式提供一定的指導作用?？紤]到各類植物生長所需要的環境條件較為復雜，因此在指標的選取過程中可能存在一定的缺陷，有待日后通過進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

基金項目：國土資源部公益性行業專項經費項目資助(編號：201411007)

作者簡介：韓良弼(1991-)，男，漢族，山西朔州人，碩士研究生，主要研究方向為土地資源評價與利用規劃。 E-mail:1083380271@qq.com。 通訊作者：師學義( 1960-)，男，漢族，山西祁縣人，博士，教授，主要從事土地利用規劃與土地利用工程研究。E-mail: shixueyi63@163.com。

中圖分類號：F301.2

文獻標識碼：A

文章編號：1004-4051(2016)06-0066-06