劉 玉 , 吳 丹 , 潘瑜春 , 唐秀美 , 任艷敏
(北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心,北京 100097)
隨著我國城鎮(zhèn)化、工業(yè)化的快速推進(jìn),公路、鐵路、水利工程、輸油氣管線等線性工程網(wǎng)快速延展,其施工建設(shè)和運營造成沿線土地的挖損、壓占、分割,農(nóng)田水利設(shè)施破壞、農(nóng)用地質(zhì)量降低、景觀生態(tài)環(huán)境破壞等問題日益凸顯;與此同時,在資金、技術(shù)和觀念的綜合約束下,被破壞和廢棄的大部分土地尚未得到合理的整治利用[1]。從分布看,大部分線性工程經(jīng)過土地質(zhì)量好、人地關(guān)系緊張的地區(qū);而我國擴(kuò)大內(nèi)需的4萬億元投資中,約37.5%投資于鐵路、公路、機(jī)場等重大基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和城市電網(wǎng)改造,線性工程建設(shè)用地需求量增加與耕地保護(hù)之間的矛盾加劇。我國因自然災(zāi)害和生產(chǎn)建設(shè)活動損毀土地約746.7萬hm2,待復(fù)墾土地約442.3萬hm2,僅鐵路臨時工程破壞的土地就占8.5萬hm2[2]。土地整治是對低效、不合理利用和未利用的土地進(jìn)行治理,對生產(chǎn)建設(shè)破壞和自然災(zāi)害損毀的土地進(jìn)行恢復(fù)利用,以提高土地利用率和產(chǎn)出率,包括土地整理、土地開發(fā)、土地復(fù)墾、建設(shè)用地整治等[2-3]。當(dāng)前,土地整治的范疇、目標(biāo)、內(nèi)涵、作用和方式均在發(fā)生深刻變化[4]。在城鄉(xiāng)統(tǒng)籌背景下,適時整治線性工程沿線土地、提高土地集約節(jié)約利用水平,是堅守18億畝耕地紅線、保障糧食安全、發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要措施。《全國土地整治規(guī)劃(2011─2015年)》明確提出了要組織實施“7918”高速公路、“四縱四橫”高速鐵路、“南水北調(diào)”水利工程等沿線的土地整治工程。
基于此,本研究在梳理我國線性工程沿線區(qū)域土地整治技術(shù)研究的基礎(chǔ)上,探討應(yīng)深化研究的技術(shù)內(nèi)容,促進(jìn)面向國家戰(zhàn)略需求和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展實際的線性工程沿線區(qū)域土地整治技術(shù)的系統(tǒng)研究及其成果應(yīng)用。
1.1 線性工程對沿線區(qū)域的擾動影響調(diào)查與評價
目前,對線性工程的用地類型、對土地的破壞形式與破壞方式等研究較為深入。根據(jù)設(shè)計要求和施工特點,線性工程用地從占用時限上劃分為永久用地和臨時用地兩大類[5]:一是永久用地,是指主體工程的線路本身及其沿線設(shè)施工程占用的土地,包括路堤、路塹、道溝及其他附屬設(shè)施等用地,其土地占用的位置和數(shù)量由相關(guān)技術(shù)規(guī)范和設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)確定。二是臨時用地,是指建設(shè)過程中的施工便道、取棄土(渣)場、施工作業(yè)場、材料堆放場、臨時用房、工棚等用地,在工程完工后將不再繼續(xù)利用[6]。臨時用地通過挖損和壓占破壞土地,挖損主要由路基的挖填、取土場的取土等造成,原有土壤結(jié)構(gòu)、土壤養(yǎng)分受到明顯破壞;壓占主要指線性工程沿線布設(shè)的臨時用地等壓占土地,破壞和擾動原有地形地貌和植被[7]。永久用地?zé)o需修復(fù),而臨時用地在工程建設(shè)結(jié)束后應(yīng)按照相關(guān)規(guī)定進(jìn)行復(fù)墾。高速鐵路、高速公路等的臨時用地具有高強(qiáng)度和高硬質(zhì)化的占用特點,復(fù)墾難度大[8]。同時,工程建設(shè)產(chǎn)生的揚塵、廢水、廢氣、生活垃圾、建筑廢料和震動等導(dǎo)致環(huán)境污染與次生的水土流失等生態(tài)環(huán)境破壞問題。
現(xiàn)有文獻(xiàn)從宏觀和微觀層面開展相關(guān)研究。① 宏觀層面。主要采用多期遙感影像數(shù)據(jù),借助地理信息系統(tǒng)和景觀生態(tài)學(xué)方法,實證研究了線性工程特別是公路、鐵路沿線的土地利用變化規(guī)律和景觀格局演化特征[9-10]。例如,呂曉芳等[11]基于景觀格局指數(shù)和空間關(guān)聯(lián)規(guī)則,研究了深圳市公路沿線不同緩沖帶內(nèi)建設(shè)用地單一類型、相鄰類型及組合類型的空間聚集特征;鄧毅新[12]和王媛媛[13]指出高速公路出入口通過區(qū)位效益、集聚效益等影響產(chǎn)業(yè)發(fā)展布局,進(jìn)而推動著出入口附近的土地利用向著高級化、高效化的方向發(fā)展??傮w上,宏觀層面的研究集中在生態(tài)脆弱帶和生態(tài)敏感區(qū),以及經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū),傳統(tǒng)農(nóng)區(qū)的土地利用變化研究較少;線性工程建設(shè)前后景觀格局變化的對比分析較多,而生態(tài)效應(yīng)的對比研究較少[14];公路、鐵路的案例研究較多,其他線性工程的實證研究較少[15]。② 微觀層面。主要通過取樣與實驗相結(jié)合的方法,分析線性工程建設(shè)與運營對沿線區(qū)域土壤水分、理化性質(zhì)以及重金屬含量的影響[16-17]。余愛華[18]通過取樣分析,揭示了滬寧高速公路馬群立交西側(cè)10~20 m土壤中Cd,Cr,Ni,Pb,Zn的水平分布特征;顧廣明[19]應(yīng)用遙感、野外樣方調(diào)查等方法,對比分析了“陜甘寧氣田—銀川天然氣管線工程”兩側(cè)建設(shè)前后植被類型、土地利用和土壤侵蝕等的變化特征;儲小院等[20]通過觀測天然降雨、土壤、植物和土壤流失量等因子,探討了滬蓉西高速公路湖北宜長段不同類型棄土場的土壤流失規(guī)律。此外,張卓[21]建立了水土流失經(jīng)濟(jì)損失計算模型,并以重慶繞城高速公路為例進(jìn)行實證。
可見,當(dāng)前研究主要集中在線性工程建設(shè)與運營對土地、生態(tài)環(huán)境及經(jīng)濟(jì)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)布局的影響評價與分析方面,典型案例研究較多,技術(shù)方法多樣,得出的結(jié)論也存在較大差異。總體看,擾動影響調(diào)查與綜合評價的系統(tǒng)分析較少,基于“3S”技術(shù)與實地調(diào)查相結(jié)合的擾動影響調(diào)查與綜合評價技術(shù)尚不成熟,亟待進(jìn)一步探討。
1.2 線性工程沿線區(qū)域土地整治適宜性評價
當(dāng)前,線性工程沿線區(qū)域土地利用存在耕地的破碎化現(xiàn)象嚴(yán)重、沿線及其出入口附近非法用地現(xiàn)象突出、土地平整度差、基礎(chǔ)設(shè)施配套不完善、生態(tài)系統(tǒng)退化等突出問題。基于農(nóng)業(yè)的多功能性分析,對線性工程沿線區(qū)域內(nèi)土地的適宜用途和適宜程度進(jìn)行定性分析和定量評價,明確沿線農(nóng)用地的障礙因素及強(qiáng)度,確定土地整治方向及相應(yīng)的整治措施,是實施土地整治的基礎(chǔ)。與非線性工程沿線區(qū)域相比,線性工程沿線的區(qū)域土地整治適宜性評價還應(yīng)考慮區(qū)域內(nèi)土地破壞前的現(xiàn)狀、區(qū)域內(nèi)土地破壞后的現(xiàn)狀、區(qū)域內(nèi)的基礎(chǔ)條件等因素[22-23]。從現(xiàn)有文獻(xiàn)看,沿線區(qū)域的土地整治以土地復(fù)墾為主,較少涉及土地整理和土地開發(fā),降低了方案的科學(xué)性和合理性。隨著土地整治工作的深入推進(jìn),面向多用途的土地適宜性綜合評價研究逐漸增多。評價指標(biāo)多從地形、土壤、水文地理和社會經(jīng)濟(jì)等方面選取土層厚度、土壤質(zhì)地、剖面構(gòu)型、pH值、土壤容重、障礙層深度、灌溉保證率、人均耕地、農(nóng)民人均純收入等指標(biāo)[24-25];權(quán)重確定方法有德爾菲法、層次分析法、模糊綜合評價法、經(jīng)驗判斷指數(shù)和法、極限條件法等[26]。為了提高權(quán)重確定的客觀性,并凸顯少數(shù)限制因子的作用,融合生態(tài)位理論及限制因子定律的生態(tài)位適宜度變權(quán)評價方法在適宜性評價中得到廣泛應(yīng)用[22]。此外,陳旭欣[26]選取宜耕、宜林、宜草、宜園4個方向,采用可拓綜合評價法和物元理論相結(jié)合的方法對南水北調(diào)中線京石段應(yīng)急供水工程進(jìn)行土地復(fù)墾適宜性評價;楊國棟[27]和楊亞倫等[24]依據(jù)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理,建立了高速公路、南水北調(diào)工程臨時用地復(fù)墾適宜性的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價模型,結(jié)果可靠性顯著提高;鄒玥等[22]基于農(nóng)用地分等成果,對線性工程臨時用地復(fù)墾的土地利用方向進(jìn)行判別。與面狀區(qū)域相比,線性工程沿線的區(qū)域土地跨度大、途經(jīng)的地域廣,氣象、水文、地質(zhì)、土壤植被及社會經(jīng)濟(jì)條件存在較大差異,對土地整治時空配置方案的制定提出了更高要求,既要全局考慮又要針對區(qū)域特點確定適宜的整治方向。
1.3 線性工程沿線區(qū)域土地整治規(guī)劃設(shè)計
宏觀層面,以適宜性評價結(jié)果為基礎(chǔ),部分研究已經(jīng)涉及到土地整治時空配置的內(nèi)容:王璦玲[28]提出了提高農(nóng)用地綜合生產(chǎn)力的區(qū)域土地整理時空配置指標(biāo)體系、模型和方法;劉娜[29]構(gòu)建了包括評價單元劃分、指標(biāo)體系構(gòu)建、權(quán)重確定、評價模型建立及其應(yīng)用等內(nèi)容的區(qū)域土地整治時空配置方法,并以湖北省部分地區(qū)為例進(jìn)行實證。微觀層面,景觀規(guī)劃設(shè)計一直是區(qū)域土地整治設(shè)計研究的重點。法國高速公路沿線的景觀規(guī)劃充分考慮農(nóng)牧結(jié)合和土地高效集約利用,既要滿足現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)耕作的需要,又要盡量不破壞自然風(fēng)貌,以形成集農(nóng)業(yè)、觀光為一體的田園風(fēng)光特點。景耀春等[30]倡導(dǎo)在寧夏高速公路沿線綠化中實現(xiàn)景觀、防護(hù)、生產(chǎn)等多功能的有機(jī)結(jié)合;邊振興[31]運用農(nóng)業(yè)景觀生態(tài)規(guī)劃設(shè)計方法,將單一農(nóng)田整理規(guī)劃擴(kuò)展到農(nóng)田、水系、林地和村莊的綜合性土地整理規(guī)劃設(shè)計;付光輝[32]引入生態(tài)風(fēng)險評價理論與方法,形成了系統(tǒng)的土地整理生態(tài)風(fēng)險評價理論、程序與方法體系。
長期以來,我國土地復(fù)墾研究主要圍繞工礦廢棄地展開,線性工程沿線的土地復(fù)墾規(guī)劃設(shè)計研究處于起步階段。丁寧等[33]在高速鐵路大臨設(shè)施工程分區(qū)、復(fù)墾方案初定、復(fù)墾適宜性評價、復(fù)墾投入產(chǎn)出分析的基礎(chǔ)上,通過DEA模型評價各復(fù)墾方向的綜合效率,確定復(fù)墾優(yōu)化方案;王保東等[34]從復(fù)墾程序、復(fù)墾步驟、工程量計算等環(huán)節(jié)對南水北調(diào)京石段臨時用地進(jìn)行復(fù)墾設(shè)計;楊銳鋒[35]以現(xiàn)有鐵路工程生態(tài)恢復(fù)運行良好的相關(guān)技術(shù)參數(shù)為樣本建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,并據(jù)此判別貴廣鐵路貴州段水土保持設(shè)計的合理性和土地復(fù)墾的適宜性;魏路鋒[36]以南水北調(diào)中線京石應(yīng)急供水工程河北段為案例,從土地復(fù)墾可行性、復(fù)墾標(biāo)準(zhǔn)、復(fù)墾技術(shù)、復(fù)墾措施等對土地復(fù)墾進(jìn)行探討。此外,王娟等[37]結(jié)合南水北調(diào)工程中臨時用地使用的特點,從復(fù)墾規(guī)劃原則與目標(biāo)、復(fù)墾標(biāo)準(zhǔn)、復(fù)墾措施及項目管理等方面設(shè)計了全面的復(fù)墾規(guī)劃方案;黃海等[38]把DEA方法的客觀分析與決策者的主觀偏好結(jié)合起來,構(gòu)建了帶AHP約束錐的DEA方法,應(yīng)用于土地整理規(guī)劃設(shè)計方案的比選。
在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)規(guī)劃方面,20世紀(jì)80年代末期,歐盟首先提出多功能農(nóng)業(yè)。從事此項研究的學(xué)者與機(jī)構(gòu)集中于發(fā)達(dá)國家,OECD的研究較為深入;國內(nèi)相關(guān)研究開展較晚,但在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)服務(wù)價值評估方面取得一定進(jìn)展。案例研究表明,農(nóng)用地具有巨大的潛在價值,農(nóng)業(yè)多功能價值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的直接經(jīng)濟(jì)價值[39-40]。公路、鐵路建成通車后,沿線地區(qū)形成區(qū)位優(yōu)勢,加劇了建設(shè)用地與農(nóng)用地之間的爭地沖突,大量農(nóng)用地被建設(shè)用地侵吞。因此,在線性工程沿線土地整治規(guī)劃及現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)劃中,應(yīng)充分挖掘農(nóng)用地的生態(tài)、休閑、觀光、文化和教育等多種功能,使其級差地租達(dá)到最高水平,提升農(nóng)用地的競爭力,進(jìn)而實現(xiàn)沿線農(nóng)用地的有效保護(hù)。因此,在開展線性工程沿線區(qū)域土地整治規(guī)劃設(shè)計時,必須充分考慮沿線區(qū)域土地利用的多功能性以及線性工程對土地利用的正負(fù)效應(yīng),合理進(jìn)行整治功能分區(qū)。
1.4 線性工程沿線區(qū)域土地整治工程技術(shù)
在土地整治工程方面,以復(fù)墾工程技術(shù)及景觀恢復(fù)技術(shù)研究為主,土壤修復(fù)與地力培肥、生態(tài)修復(fù)與景觀重建等研究逐漸增多。朱立安等[41]和朱小敏[42]根據(jù)臨時用地特點和復(fù)墾要求,從復(fù)墾規(guī)劃技術(shù)、復(fù)墾實施技術(shù)和復(fù)墾管理技術(shù)3個方面系統(tǒng)闡述高速公路用地、鐵路用地的復(fù)墾技術(shù)體系;楊思忠[43]研究了寒區(qū)線性工程沿線凍土區(qū)的植被恢復(fù)技術(shù);楊盡[44]采用多種現(xiàn)代分析測試技術(shù),從多學(xué)科視角探索土壤礦物改良劑的作用機(jī)理,并通過對土壤礦物改良劑優(yōu)化配比方案選擇及盆栽植物對比實驗,指導(dǎo)固體廢物改良貧瘠土壤的實踐;姚剛[45]通過盆栽試驗研究西安—漢中高速公路工程臨時用地土壤改良效應(yīng)對工程恢復(fù)的效果,并采用添加垃圾堆肥改良土壤;趙艷納[46]系統(tǒng)研究公路邊坡綠化恢復(fù)、生物型公路聲屏障、路域景觀文化整合等關(guān)鍵工程技術(shù),構(gòu)建了宛坪高速公路綜合生態(tài)恢復(fù)技術(shù)體系。
1.5 線性工程沿線區(qū)域土地整治信息化管理
以GIS為代表的空間信息技術(shù)憑其優(yōu)越的空間問題求解能力和高效的海量信息數(shù)據(jù)處理能力,已成為土地整治規(guī)劃管理工作的重要手段。集RS、GPS、GIS為一體的“3S”技術(shù),在土地利用信息獲取、地形精確定位、地理信息管理、三維可視化模擬等方面發(fā)揮了巨大作用。當(dāng)前,我國土地整治信息化在規(guī)劃選址、輔助可視化規(guī)劃設(shè)計和項目監(jiān)管等方面積累了一定基礎(chǔ),但是面向單一業(yè)務(wù)獨立運行的應(yīng)用系統(tǒng)難以實現(xiàn)各系統(tǒng)之間的資源共享,尚未形成面向政府決策服務(wù)的集數(shù)據(jù)采集、信息管理、輔助設(shè)計、情景模擬等功能在內(nèi)的沿線區(qū)域土地整治信息化管理系統(tǒng)。
我國線性工程沿線區(qū)域的土地整治,已引起學(xué)術(shù)界和管理層的密切關(guān)注。目前,國內(nèi)相關(guān)研究集中在建設(shè)運營的擾動影響、臨時用地復(fù)墾適宜性評價、復(fù)墾技術(shù)體系構(gòu)建等,且重在關(guān)注臨時用地的復(fù)墾適宜性評價和技術(shù)設(shè)計。從城鄉(xiāng)統(tǒng)籌和發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的中長期戰(zhàn)略來看,推進(jìn)線性工程沿線區(qū)域的土地綜合整治成為必然趨勢。因此,著眼于地域系統(tǒng)的綜合性、動態(tài)性和區(qū)域性,瞄準(zhǔn)國際研究前沿[47-48],結(jié)合線性工程沿線土地利用現(xiàn)狀和推進(jìn)帶狀區(qū)域土地整治的實踐需要,系統(tǒng)研究沿線區(qū)域土地整治模式及其技術(shù)體系,為推進(jìn)土地整治機(jī)制創(chuàng)新與科技支撐搭建新平臺。
2.1 線性工程對沿線區(qū)域的擾動影響調(diào)查與評價技術(shù)
基于文獻(xiàn)梳理和實地調(diào)研,集成研究線性工程在建設(shè)和運營階段對沿線要素的擾動影響調(diào)查與綜合評價技術(shù)。① 研究綜合應(yīng)用“3S”技術(shù)的線外臨時用地信息快速獲取技術(shù),以及基于中高分辨率遙感影像的信息提取技術(shù),為沿線擾動區(qū)域的影響調(diào)查與評價提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù);② 研究線性工程在建設(shè)和運營階段對沿線土地利用、景觀生態(tài)、交通、水系等的擾動影響類別、程度、范圍和特征,形成工程施工、運營對沿線土地資源擾動的區(qū)域劃定及影響評估技術(shù)方法;③ 集成現(xiàn)有土地調(diào)查、農(nóng)地分等定級和生態(tài)環(huán)境調(diào)查評價等技術(shù)與景觀生態(tài)原理,形成系統(tǒng)性的線性工程對沿線區(qū)域的擾動影響調(diào)查與綜合評價技術(shù)。
2.2 線性工程沿線區(qū)域土地整治項目時空配置
集成研究沿線區(qū)域土地整治項目時空配置技術(shù)方法,服務(wù)于土地整治項目時空布局方案制定。① 基于線性工程對沿線土地的擾動影響,研究以地塊為單元的面向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的土地限制性分析評價方法,并結(jié)合當(dāng)前土地整治工程技術(shù)現(xiàn)狀和沿線土地利用總體規(guī)劃,研究基于空間聚類方法的土地整治項目的區(qū)域范圍及確定技術(shù);② 分析以土地整治項目的區(qū)域范圍為單元的主導(dǎo)土地限制性因素,確定功能區(qū)范圍內(nèi)土地整治措施類型及整治模式,提出沿線區(qū)域的土地整治項目單元及類型確定方法,實現(xiàn)沿線區(qū)域土地整治項目空間布局規(guī)劃;③綜合投入產(chǎn)出、整治迫切性等因素,研究沿線區(qū)域土地整治項目優(yōu)先度評價模型和方法,實現(xiàn)沿線區(qū)域范圍內(nèi)土地整治項目的時序安排。
2.3 基于農(nóng)業(yè)的線性工程土地整治項目區(qū)規(guī)劃設(shè)計
研究具體土地整治項目區(qū)內(nèi)的功能區(qū)布局、土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化等土地整治規(guī)劃設(shè)計關(guān)鍵技術(shù),包括:① 以糧食增產(chǎn)、農(nóng)業(yè)增效和農(nóng)民增收為目標(biāo),構(gòu)建用地結(jié)構(gòu)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù),提出整治區(qū)內(nèi)農(nóng)用地結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型與實現(xiàn)技術(shù);基于土地適宜性、現(xiàn)狀特點、整治成本等約束條件,形成面向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的功能區(qū)空間布局優(yōu)化模型與方法。② 服務(wù)于土地整治施工,研究田塊平整、設(shè)施配套、水源選址、景觀設(shè)計等工程的組合優(yōu)化設(shè)計流程;針對線性工程對沿線交通、水系的阻隔影響,研究道路、水源、排灌系統(tǒng)等設(shè)施網(wǎng)絡(luò)空間布局優(yōu)化模型。③面向整治后農(nóng)用地精細(xì)化管理與利用,研究農(nóng)用地質(zhì)量綜合評價模型、質(zhì)量提升技術(shù)、精細(xì)化利用等技術(shù)與方法。
2.4 線性工程沿線土地整治信息化管理系統(tǒng)
重點開展土地資源數(shù)據(jù)整合與共享技術(shù)、土地整治規(guī)劃設(shè)計輔助系統(tǒng)和土地資源網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)管技術(shù)的研發(fā)工作,具體包括:① 針對土地資源數(shù)據(jù)整合與共享問題,研究多源異構(gòu)土地利用及土地整治相關(guān)時空數(shù)據(jù)的共享與管理技術(shù),開發(fā)相關(guān)的軟件系統(tǒng),為線性工程沿線土地整治規(guī)劃設(shè)計和土地資源網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)管提供技術(shù)支撐;② 基于三維GIS技術(shù),研發(fā)服務(wù)于線性工程沿線土地整治項目規(guī)劃設(shè)計的軟件系統(tǒng),實現(xiàn)項目區(qū)內(nèi)田水路林的布局優(yōu)化、土方量自動計算、施工優(yōu)化、規(guī)劃設(shè)計效果模擬展示等功能;③ 集成農(nóng)用地生產(chǎn)力質(zhì)量快速監(jiān)測與評定技術(shù),基于Web服務(wù)技術(shù),開發(fā)農(nóng)用地等級監(jiān)測與輔助評定系統(tǒng),為農(nóng)用地等級快速評定提供技術(shù)基礎(chǔ)。
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