危小建,肖展春,譚永濱,王 恬,陳竹安(.東華理工大學(xué)資源與環(huán)境經(jīng)濟(jì)研究中心,江西 南昌
330013;2.東華理工大學(xué)測繪工程學(xué)院,江西 南昌 330013;3.武漢大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報編輯部,湖北 武漢 430072)
工礦用地曾經(jīng)為經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展做出突出貢獻(xiàn),但隨著時間推移,廢棄工礦用地對生態(tài)環(huán)境造成了破壞,且浪費(fèi)土地資源[1]。工礦廢棄地的生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能退化嚴(yán)重,制約可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略[2-3]。因此,工礦廢棄地的生態(tài)恢復(fù)與重建十分必要。由于工礦廢棄地復(fù)墾需要大量人力財力,為使其價值最大化,復(fù)墾前進(jìn)行優(yōu)先度評判具有重要現(xiàn)實(shí)意義和學(xué)術(shù)價值[4]。
目前,一些學(xué)者對土地復(fù)墾評價及其方案決策進(jìn)行了多方面探討,主要圍繞基礎(chǔ)理論研究[5]、重金屬污染評價[6]、生態(tài)質(zhì)量變化研究[7-8]、生態(tài)修復(fù)與重建研究[9-10]、復(fù)墾利用評價[11]、復(fù)墾方案決策研究[12-13]和評價方法研究[14-15]等內(nèi)容開展,且相關(guān)研究已初步形成了較完整體系[16],表明被廣泛使用的模糊綜合評價方法適用于土地復(fù)墾適宜性評價。在生態(tài)網(wǎng)絡(luò)研究方面,謝慧瑋等[17]利用生態(tài)網(wǎng)絡(luò)作為自然遺產(chǎn)地區(qū)生態(tài)評價與監(jiān)控的重要手段;武劍鋒等[18]利用最小耗費(fèi)距離模型和障礙影響指數(shù)、景觀連接度指數(shù)評價城市土地;吳昌廣等[19]采用費(fèi)用距離分析直觀描繪物種在異質(zhì)景觀中的連接度。已有生態(tài)網(wǎng)絡(luò)研究中對景觀連接度的研究成果很豐富[20-23]。此外,已有研究提出在開展工礦廢棄地評價時應(yīng)將工礦廢棄地復(fù)墾與其生態(tài)情況相結(jié)合[24],評價土地復(fù)墾礦區(qū)景觀生態(tài)質(zhì)量變化情況。張思鋒等[25]利用生態(tài)梯度風(fēng)險評價榆林煤炭開采區(qū)生態(tài)風(fēng)險,關(guān)文彬等[26]指出景觀生態(tài)恢復(fù)與重建是區(qū)域生態(tài)安全格局構(gòu)建的關(guān)鍵途徑。但目前工礦廢棄地復(fù)墾優(yōu)先度評價中鮮有考慮工礦廢棄地復(fù)墾后對生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的貢獻(xiàn),尤其是沒有將景觀連接度融合進(jìn)生態(tài)復(fù)墾利用優(yōu)先度評判中。
筆者從景觀生態(tài)學(xué)角度出發(fā),以湖北省大冶市為例,運(yùn)用模糊綜合評價方法、景觀連接度方法和二維判斷矩陣評價工礦廢棄地生態(tài)復(fù)墾利用優(yōu)先度。
大冶市位于湖北省東南部,位于長江中游南岸,地跨29°40′~30°15′N,114°31′~115°20′E(圖1)。大冶市礦產(chǎn)資源分布面廣,礦產(chǎn)地相對集中,富鐵礦、銅礦和金礦儲量均占湖北省首位。全市有礦山企業(yè)160多家,主要礦產(chǎn)品產(chǎn)量為1 287.87萬t,總產(chǎn)值為28.64億元。由于多年礦產(chǎn)資源開發(fā),歷史遺留工礦廢棄地點(diǎn)多面廣,復(fù)墾難度大。目前因礦產(chǎn)開發(fā)造成地質(zhì)環(huán)境遭受不同程度破壞或受嚴(yán)重影響的地塊達(dá)433個,總面積達(dá)1 454.79 hm2。研究區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境問題突出,恢復(fù)治理任務(wù)艱巨,且造成土地資源巨大浪費(fèi),亟需對現(xiàn)有工礦廢棄地進(jìn)行綜合整治。
圖1 大冶市工礦廢棄地?fù)p毀類型空間分布Fig.1 Spatial distribution of damage types of industrial and mining wasteland in Daye City
該研究主要分析工礦廢棄地恢復(fù)為森林斑塊的生態(tài)復(fù)墾利用優(yōu)先度,即工礦廢棄地斑塊對森林恢復(fù)的重要性。使用數(shù)據(jù)包括大冶市土地利用變更調(diào)查數(shù)據(jù)(1∶10 000)、大冶市統(tǒng)計年鑒、大冶市工礦廢棄地實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)(包括工礦廢棄地實(shí)測地形和實(shí)測范圍數(shù)據(jù)、土壤條件、實(shí)地照片、損毀程度和復(fù)墾難易程度等)、農(nóng)用地分等定級成果和30 m分辨率數(shù)字高程模型(DEM)。首先,選取大冶市土地利用變更調(diào)查中有林地、灌木林地和其他林地作為森林景觀斑塊,運(yùn)用ArcGIS 10.2軟件中Dissolve工具對森林景觀斑塊進(jìn)行合并;其次,通過模糊綜合評價方法評價工礦廢棄地復(fù)墾宜林適宜性;再次,利用景觀連接度方法分析工礦廢棄地復(fù)墾為林地后對生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的貢獻(xiàn)程度;最后,通過二維判斷矩陣確定工礦廢棄地生態(tài)復(fù)墾利用優(yōu)先度(圖2)。
圖2 工礦廢棄地復(fù)墾優(yōu)先度決策技術(shù)路線Fig.2 The roadmap of industrial and mining land reclamation’s priority decisions
連接度指數(shù)的計算采用美國杜克大學(xué)研發(fā)的Conefor Sensinode 2.6軟件實(shí)現(xiàn),數(shù)據(jù)處理與適宜性評價分析等采用ArcGIS 10.2和MATLAB軟件。
工礦廢棄地復(fù)墾前必須進(jìn)行復(fù)墾適宜性評價。以土地?fù)p毀類型為確定地塊的主導(dǎo)因素,將研究區(qū)工礦廢棄地劃分為采空區(qū)、塌陷區(qū)、挖損區(qū)和壓占區(qū),共劃分為433塊評價單元,分別評價其適宜性等級。
2.2.1 指標(biāo)體系構(gòu)建與權(quán)重確定
工礦廢棄地復(fù)墾適宜性評價常分為耕地、園地、林地和草地方向,筆者研究重點(diǎn)關(guān)注林地方向。根據(jù)TD/T 1036—2013《土地復(fù)墾質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)》各類技術(shù)指標(biāo)要求,結(jié)合當(dāng)?shù)赝寥罈l件以及以往較少考慮的土地?fù)p毀程度和復(fù)墾難易程度等工礦廢棄地復(fù)墾利用特點(diǎn),并參考文獻(xiàn)[12],確定工礦廢棄地復(fù)墾宜林適宜性評價指標(biāo)體系。指標(biāo)體系選取坡度、表層質(zhì)地、灌溉保證率、灌排水條件、土壤有機(jī)質(zhì)、損毀程度和復(fù)墾難易程度等作為評價因子。
運(yùn)用特爾斐法,由來自武漢大學(xué)、黃石市、大冶市國土和環(huán)境相關(guān)領(lǐng)域和部門9名專家打分,比較各指標(biāo)相對重要性,并對各指標(biāo)權(quán)重值進(jìn)行一致性檢驗(yàn),確定坡度、表層質(zhì)地、灌溉保證率、灌排水條件、土壤有機(jī)質(zhì)、損毀程度和復(fù)墾難易程度7個評價因子的權(quán)重分別為 0.10、0.10、0.15、0.20、0.13、0.15和0.17。
2.2.2 評價模型建立
為更好地詮釋評價因子貢獻(xiàn)值的不確定性,選用模糊綜合評價法進(jìn)行復(fù)墾宜林適宜性評價,其步驟如下:
(1)建立評價因子論域U,計算公式為
式(1)中,u1~u7分別為工礦廢棄地復(fù)墾宜林適宜性評價因子坡度、表層質(zhì)地、灌溉保證率、灌排水條件、土壤有機(jī)質(zhì)、損毀程度和復(fù)墾難易程度。
(2)建立適宜性評價等級論域V,計算公式為
式(2)中,v1、v2、v3和v4分別為評價等級最適宜、較適宜、較不適宜和不適宜。
(3)根據(jù)隸屬度函數(shù)確定U在V上的模糊關(guān)系,得到模糊隸屬度矩陣R。隸屬度函數(shù)的選擇目前尚無統(tǒng)一方法可循,主要根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)選取。對于定性因子采用專家打分法,定量因子則采用目前常用的三角形隸屬函數(shù)構(gòu)建模糊隸屬度矩陣R。
(4)確定綜合權(quán)重矩陣W。采用專家打分法確定各因子權(quán)重。
(5)求取評價結(jié)果。采用加權(quán)平均型算子,將W與R合成得到綜合評判矩陣B,計算公式為
式(3)中,B為綜合模糊評判集;W為指標(biāo)權(quán)重矩陣;R為指標(biāo)隸屬度矩陣;bj為評判對象對評判集中第j個元素的隸屬度。
(6)量化處理綜合模糊評判集B。由于采用模糊綜合評價法得到的結(jié)果為一個模糊向量,并非一個點(diǎn)值。為分等級進(jìn)行排序,根據(jù)最大隸屬度原則判斷各評價單元的適宜性等級,由此判定評價對象等級。
2.3.1 景觀連接度指數(shù)選取
(1)組分?jǐn)?shù)。組分?jǐn)?shù)(number of components,NC)指一組互相連通的斑塊,不同組分之間彼此孤立。景觀組分越少,景觀連接度越高。
(2)整體連通性指數(shù)。整體連通性指數(shù)(integral index of connectivity,IIC,I),I∈[0,1],I=0時表示各生境斑塊之間沒有連接;I=1時表示整個景觀均為生境斑塊,其計算公式為
式(4)中,ai和aj分別為斑塊i和j的面積,hm2;lij表示斑塊i與j的連接狀態(tài),有連接時為1,無連接時為0;n為斑塊個數(shù);AL為景觀研究區(qū)總面積,hm2。
(3)可能連通性指數(shù)??赡苓B通性指數(shù)(probability of connectivity,PC,PC),PC∈[0,1],其值越大,表示斑塊連接程度越高,計算公式為
式(5)中,pij*為斑塊i與j間所有路徑概率乘積的最大值。
2.3.2 景觀連接距離閾值的選擇
景觀連接度指數(shù)的計算需要先確定景觀斑塊連通的距離閾值,當(dāng)斑塊間距離大于閾值時,認(rèn)為斑塊間不連通,當(dāng)斑塊間距離小于等于閾值時,則認(rèn)為是連通的。斑塊是否連通與生物遷移擴(kuò)散過程特性有關(guān)。根據(jù)文獻(xiàn)記載及對大冶市野生動物活動范圍調(diào)查結(jié)果,研究區(qū)鳥類活動范圍為200~30 000 m,小型哺乳動物和兩棲爬行動物活動范圍為 50~1 000 m。因此,以 50、100、250、500、750、1 000、1 250、1 500、1 750、2 000、2 500、3 000、5 000和10 000 m 14個景觀連接距離閾值分別計算景觀生態(tài)網(wǎng)絡(luò)連接度。
2.3.3 復(fù)墾為林地的貢獻(xiàn)程度計算
選用斑塊重要值(dPC)衡量工礦廢棄地復(fù)墾為林地后對森林景觀連接度的貢獻(xiàn)程度,其計算公式為
式(6)中,PC,mines為某工礦廢棄地復(fù)墾為林地后形成的新的森林景觀的可能連通性值;PC為原有森林景觀的可能連通性指數(shù)值。dPC值越高,該工礦廢棄地越應(yīng)優(yōu)先復(fù)墾。通過自然斷點(diǎn)法將工礦廢棄地斑塊貢獻(xiàn)程度分為低、中等、高和最高4級。
結(jié)合大冶市工礦廢棄地的宜林適宜性與工礦廢棄地復(fù)墾為林地后對林地景觀網(wǎng)絡(luò)的貢獻(xiàn)程度,劃分工礦廢棄地生態(tài)復(fù)墾利用優(yōu)先度。從工礦廢棄地宜林適宜性角度來看,適宜性等級越高的工礦廢棄地越應(yīng)優(yōu)先考慮復(fù)墾為林地。從工礦廢棄地對景觀網(wǎng)絡(luò)連接度貢獻(xiàn)程度來看,貢獻(xiàn)程度等級越高的工礦廢棄地也越應(yīng)優(yōu)先考慮復(fù)墾為林地。參照文獻(xiàn)[27],將兩種級別進(jìn)行疊加組合后得到16種空間組合,按照等級劃分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行重新劃分得到按優(yōu)先等級排序的空間布局(表1)。
表1 工礦廢棄地復(fù)墾優(yōu)先度等級劃分Table 1 Classification of priority degree of reclamation in mining wasteland
參考已有研究成果[11-12],分析大冶市自然條件和社會經(jīng)濟(jì)條件,確定研究區(qū)工礦廢棄地復(fù)墾宜林適宜性評價指標(biāo)體系分級標(biāo)準(zhǔn)(表2)。
表2 工礦廢棄地復(fù)墾宜林適宜性評價指標(biāo)體系分級標(biāo)準(zhǔn)Table2 Classifying and quantization table of suitable to forest land evaluation index system of reclamation of mining
運(yùn)用模糊適宜性評價法,確定每塊工礦廢棄地宜林適宜性等級??傮w來看,大冶市最適宜地塊面積為967.44 hm2,占工礦廢棄地總面積的66.50%,金山店鎮(zhèn)工礦廢棄地復(fù)墾宜林適宜性整體較高。較適宜地塊面積為343.54 hm2,占工礦廢棄地總面積的23.61%,主要分布在陳貴鎮(zhèn)和大箕鋪鎮(zhèn)。較不適宜地塊面積為67.85 hm2,占工礦廢棄地總面積的4.66%,主要分布在保安鎮(zhèn)與金山店鎮(zhèn)分界處。不適宜地塊面積為75.96 hm2,占工礦廢棄地總面積的5.22%,主要分布在還地橋鎮(zhèn)。為突顯筆者評價方法優(yōu)點(diǎn),根據(jù)模糊綜合評價與景觀連接度貢獻(xiàn)程度結(jié)果差異性,選取評價結(jié)果有差異和無差異的A、B、C和D這4個區(qū)域進(jìn)行比較研究(圖3)。其中,A和C區(qū)復(fù)墾宜林適宜性評價均為最適宜,D區(qū)為較不適宜,B區(qū)為不適宜,復(fù)墾難度最大。
3.2.1 最佳景觀連接距離閾值的選取
森林景觀連接度指標(biāo)值計算結(jié)果見表3。由表3可知,隨著景觀連接距離閾值的增大,景觀整體連通性指數(shù)(IIC)從最小值0.016增加到0.031。這是由于隨著景觀連接距離閾值的增大,搜索范圍也在擴(kuò)大,景觀中任意兩個斑塊間的連接越容易建立,景觀IIC值就越大。但是距離閾值越大,網(wǎng)絡(luò)連接狀況與實(shí)際生物活動特性吻合度就越差。同時,在土地復(fù)墾項(xiàng)目中,將工礦廢棄地斑塊恢復(fù)為森林斑塊時,在不同景觀連接距離閾值條件下,地塊復(fù)墾成林地后帶來的生態(tài)恢復(fù)連接度的貢獻(xiàn)程度也不同。因此,工礦廢棄地景觀恢復(fù)過程中,選擇適合當(dāng)?shù)厍闆r的景觀連接距離閾值就顯得尤為重要。通過綜合考慮,選取最佳距離閾值為1 250 m。景觀連接距離閾值為1 250 m條件下,種類相合概率(CCP)大于85%,比距離閾值為1 000 m時提高37.5%,而只比距離閾值為1 500 m時低0.8%。組分?jǐn)?shù)(NC)為22,表明大部分景觀斑塊連接在一起。且1 250 m的距離符合大部分動物活動距離。
通過網(wǎng)絡(luò)分析方法構(gòu)建的景觀連接距離閾值為1 250 m的林地景觀網(wǎng)絡(luò)連接圖見圖4。
表3 各景觀連接距離閾值條件下森林景觀連接度指標(biāo)值Table 3 The forest landscape connection degree under different distance threshold parameter values
3.2.2 工礦廢棄地復(fù)墾后對景觀網(wǎng)絡(luò)的貢獻(xiàn)程度分析
工礦廢棄地地塊恢復(fù)成林地后對林地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的貢獻(xiàn)程度見圖5。將工礦廢棄地地塊恢復(fù)成林地后對林地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的貢獻(xiàn)程度分為低、中等、高和最高4個等級。
由圖5可知,整體來看,大冶市各鄉(xiāng)鎮(zhèn)工礦廢棄地對林地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的貢獻(xiàn)程度各不相同。貢獻(xiàn)程度最高級地塊面積為234.80 hm2,占工礦廢棄地總面積的16.14%,金山店鎮(zhèn)工礦廢棄地復(fù)墾適宜性整體較高。貢獻(xiàn)程度高級地塊面積為358.24 hm2,占工礦廢棄地總面積的24.62%,主要分布在陳貴鎮(zhèn)和大箕鋪鎮(zhèn)。貢獻(xiàn)程度中等級地塊面積為315.08 hm2,占工礦廢棄地總面積的21.66%,主要分布在保安鎮(zhèn)與金山店鎮(zhèn)分界處。貢獻(xiàn)程度低級地塊面積為546.68 hm2,占工礦廢棄地總面積的37.58%,主要分布在還地橋鎮(zhèn)。在選取的4個特征區(qū)中,C區(qū)對林地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)貢獻(xiàn)程度最大,而B區(qū)稍弱。A和D區(qū)貢獻(xiàn)程度為低級,其對研究區(qū)生態(tài)恢復(fù)作用較小。
圖5 大冶市工礦廢棄地復(fù)墾為林地后對原林地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的貢獻(xiàn)程度Fig.5 Contribution degree of reclaimed industrial and mining waste land to forest land in ecological network structure in Daye City
綜合考慮工礦廢棄地復(fù)墾宜林適宜性評價結(jié)果與景觀網(wǎng)絡(luò)連接度貢獻(xiàn)程度,得到大冶市工礦廢棄地生態(tài)復(fù)墾利用優(yōu)先度等級分布(圖6)。優(yōu)先度Ⅰ級地塊面積為403.68 hm2,占工礦廢棄地總面積的27.7%,分布在大冶市中部金山店鎮(zhèn)的面積達(dá)159.05 hm2。優(yōu)先度Ⅱ級地塊面積為408.52 hm2,占工礦廢棄地總面積的28.1%,主要分布在大冶市中南部的靈鄉(xiāng)鎮(zhèn)、陳貴鎮(zhèn)、金湖街辦和大箕鋪鎮(zhèn)4個鄉(xiāng)鎮(zhèn)。優(yōu)先度Ⅲ級地塊面積為594.65 hm2,占工礦廢棄地總面積的40.9%,主要分布在大冶市北部和中部,雖然分布比較散亂,但面積較大,位于北部還地橋鎮(zhèn)和金山店鎮(zhèn)面積分別達(dá)234.40和120.47 hm2。優(yōu)先度Ⅳ級地塊面積為47.90 hm2,僅占工礦廢棄地總面積的3.3%,僅分布在金山鎮(zhèn)中心以及金山鎮(zhèn)與保安鎮(zhèn)交界處。
對比復(fù)墾宜林適宜性評價結(jié)果和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)重要性分析結(jié)果發(fā)現(xiàn),大冶市復(fù)墾適宜性評價結(jié)果與復(fù)墾利用優(yōu)先度結(jié)果基本一致,最適宜復(fù)墾地塊的優(yōu)先度也較高,但也存在差異。具體來看,C區(qū)復(fù)墾宜林適宜性評價結(jié)果為最適宜,且其林地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)貢獻(xiàn)程度為最高級,復(fù)墾意義重大,因此,C區(qū)生態(tài)復(fù)墾利用優(yōu)先度等級為Ⅰ級。D區(qū)復(fù)墾宜林適宜性評價為較不適宜,網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)貢獻(xiàn)程度為低級,將其歸為復(fù)墾優(yōu)先度Ⅳ級。而A和B區(qū)兩種評價結(jié)果存在較大差異。A區(qū)復(fù)墾宜林適宜性評價結(jié)果為最適宜復(fù)墾,而A區(qū)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)貢獻(xiàn)程度較低,因此A區(qū)復(fù)墾優(yōu)先度等級為Ⅲ級。B區(qū)地塊不適宜進(jìn)行復(fù)墾,復(fù)墾難度最大,但B區(qū)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)貢獻(xiàn)程度較高,因此歸于復(fù)墾優(yōu)先度Ⅲ級。
圖6 大冶市工礦廢棄地生態(tài)復(fù)墾利用優(yōu)先度等級分布Fig.6 Distribution map of priority grade of ecological reclamation of industrial and mining waste land in Daye City
運(yùn)用模糊適宜性評價、景觀連接度方法和二維判斷矩陣對湖北省大冶市工礦廢棄地復(fù)墾優(yōu)先度進(jìn)行評判,得出以下結(jié)論:
(1)大冶市工礦廢棄地復(fù)墾為林地最適宜、較適宜、較不適宜和不適宜地塊面積分別為967.44、343.54、67.85和75.96 hm2。金山店鎮(zhèn)工礦廢棄地復(fù)墾宜林適宜性整體較高,不適宜地塊主要分布在還地橋鎮(zhèn)。
(2)大冶市景觀生態(tài)網(wǎng)絡(luò)連接最佳距離閾值為1 250 m。大冶市工礦廢棄地對林地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)貢獻(xiàn)程度最高、高、中等和低級地塊面積分別為234.80、358.24、315.08 和546.68 hm2。整體上,金山店鎮(zhèn)工礦廢棄地對林地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)貢獻(xiàn)程度最大,其次為陳貴鎮(zhèn)和靈鄉(xiāng)鎮(zhèn)。
(3)大冶市復(fù)墾優(yōu)先度為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ級面積分別為403.68、408.52、594.65和47.90 hm2。C區(qū)宜林適宜性評價結(jié)果和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)貢獻(xiàn)程度評價結(jié)果沒有差異,A、B和D區(qū)則存在差異。
大冶市工礦廢棄地恢復(fù)成林地后,超過一半的地塊對原林地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的貢獻(xiàn)程度為中等級以下,故實(shí)際操作時可以考慮將這些地塊復(fù)墾為園地、耕地或其他?;诰坝^網(wǎng)絡(luò)連接度評判工礦廢棄地生態(tài)復(fù)墾利用優(yōu)先度,能避免僅依賴復(fù)墾適宜性評價結(jié)果所造成的片面性,同時增強(qiáng)對復(fù)墾后地塊生態(tài)效應(yīng)的考慮,但如何權(quán)衡適宜性評價結(jié)果和生態(tài)網(wǎng)絡(luò)貢獻(xiàn)程度兩者重要程度還需要進(jìn)一步探討。