任睆遐，陳 翔

(常德職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 常德 415000)

礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)在促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，也對(duì)土地資源造成一定程度的破壞[1]，對(duì)土壤的理化性質(zhì)和生態(tài)環(huán)境造成一定影響[2]。土地復(fù)墾是緩解這一矛盾的有效途徑[3]。土地復(fù)墾的概念涉及如何獲得更具生產(chǎn)力用途的土地[4]。土地復(fù)墾適宜性評(píng)價(jià)是通過(guò)研究土地復(fù)墾項(xiàng)目區(qū)土地的自然、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)屬性，對(duì)土地復(fù)墾后所需某種利用方式的適宜性及其利用程度等進(jìn)行綜合性評(píng)價(jià)，目的是確定土地復(fù)墾最佳方案，達(dá)到土地可持續(xù)利用及生態(tài)環(huán)境保護(hù)協(xié)調(diào)發(fā)展的目的，這也是解決工程建設(shè)和土地破壞之間矛盾的最有效途徑[5]。

土地復(fù)墾適宜性評(píng)價(jià)是確定土地復(fù)墾方向、制定復(fù)墾技術(shù)和復(fù)墾標(biāo)準(zhǔn)的基本依據(jù)，能有效避免土地復(fù)墾時(shí)的盲目性和二次破壞，達(dá)到最大限度合理利用土地的目的。因而，土地復(fù)墾適宜性評(píng)價(jià)也是確定受損土地復(fù)墾規(guī)劃的前提和基礎(chǔ)[6]，它為復(fù)墾土地再利用方向、改善措施選擇和土地利用規(guī)劃的決策提供了依據(jù)[7]。為此，學(xué)者們?cè)谶@一領(lǐng)域進(jìn)行了大量卓有成效的探索和研究。

WANG等[8]通過(guò)研究比較了不同的適宜性評(píng)價(jià)方法后，提出并采用極限綜合條件法對(duì)某礦區(qū)復(fù)墾土地適宜性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。ZHOU等[9]針對(duì)某露天礦土地復(fù)墾的實(shí)際情況構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，結(jié)合層次分析法和熵權(quán)法計(jì)算指標(biāo)權(quán)重，提出了一種基于多屬性決策理論的土地復(fù)墾適宜性評(píng)價(jià)方法。CHENG等[10]采用綜合指數(shù)法和差積法，對(duì)某煤礦周邊受損土地復(fù)墾適宜性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，不僅給出了適宜復(fù)墾方向的結(jié)果，還指出了制約復(fù)墾適宜度的因素，為受損土地復(fù)墾決策和改良方案提供理論支持。AMIRSHENAVA等[11]認(rèn)為礦區(qū)土地復(fù)墾適宜性評(píng)估是復(fù)墾規(guī)劃中的一個(gè)關(guān)鍵步驟，可確保采礦后土地利用的可持續(xù)性，為此提出了一種基于2D評(píng)估矩陣的通用半定量土地復(fù)墾適宜性評(píng)價(jià)方法。

本文在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上，采用突變級(jí)數(shù)法對(duì)煤礦開(kāi)采區(qū)土地復(fù)墾為耕地的適宜性進(jìn)行評(píng)價(jià)，并通過(guò)工程實(shí)例驗(yàn)證該方法的可行性和可靠性，為土地復(fù)墾適宜性綜合評(píng)價(jià)的數(shù)量化方法研究提供新的思路和途徑。

1 研究區(qū)概況

湖南省邵東縣牛馬司礦區(qū)處于白馬山至龍山東西向古隆起的南側(cè)，祁陽(yáng)弧形構(gòu)造的北翼，位于北東-南西向不對(duì)稱向斜的褶皺群之中。該區(qū)地貌特征簡(jiǎn)單，主要為微丘陵地區(qū)，土壤以黏性土為主。該礦區(qū)為湖南省優(yōu)質(zhì)主焦煤重要產(chǎn)地，主要有斗秈、水井頭、麻園村、鐵箕山等4個(gè)工區(qū)，總面積約36 km2，煤炭資源現(xiàn)近枯竭。該礦區(qū)在對(duì)地下煤層進(jìn)行深層次、大范圍開(kāi)采以后，地表沉降在空間上呈大面積、連續(xù)、平緩的特征，煤礦生活區(qū)的房屋都有不同程度的開(kāi)裂和變形?，F(xiàn)地表沉降基本穩(wěn)定，未出現(xiàn)明顯的塌陷。調(diào)查表明，該礦區(qū)周邊分布近80座小煤窯，對(duì)該區(qū)土地資源及環(huán)境產(chǎn)生較大破壞。

本文針對(duì)該礦區(qū)因小煤窯開(kāi)采對(duì)土地的破壞，復(fù)墾為耕地的適宜性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

1.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)

煤礦開(kāi)采區(qū)土地復(fù)墾方向主要為耕地、林地、草地、園地等[12-13]。由于邵東縣人均耕地面積少，在確定該礦區(qū)土地復(fù)墾方向時(shí)，主要考慮復(fù)墾為耕地。參考相關(guān)研究[12-13]，確定該礦區(qū)土地復(fù)墾為耕地的適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)主要考慮3方面的因素：土地質(zhì)量、土壤養(yǎng)分和工程適宜性。選擇地形坡度、有效土層厚度、土壤母質(zhì)質(zhì)地、土壤污染情況、有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷、有效鉀、地面塌陷情況、地面破壞程度和灌溉及排水條件等11個(gè)參數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，各評(píng)價(jià)指標(biāo)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

表1 土地復(fù)墾為耕地適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)及分類標(biāo)準(zhǔn)

1.2 研究區(qū)土地測(cè)量項(xiàng)目及結(jié)果

1)土地質(zhì)量指標(biāo)中，地形坡度和有效土層厚度2個(gè)指標(biāo)為定量指標(biāo)，可由工程技術(shù)人員現(xiàn)場(chǎng)確定，土壤母質(zhì)質(zhì)地指標(biāo)在實(shí)地確定，根據(jù)具體情況按表1賦值，土壤污染情況主要根據(jù)有無(wú)污染源進(jìn)行確定，根據(jù)具體情況按表1賦值。

2)土壤養(yǎng)分指標(biāo)都為定量指標(biāo)，可通過(guò)實(shí)地土壤采樣，然后分別測(cè)定有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷、有效鉀等含量。土壤采樣時(shí)，應(yīng)首先選出能充分反映土壤特征的地塊，采樣深度一般為20 cm以內(nèi)。有機(jī)質(zhì)采用油浴加熱重鉻酸鉀容量法測(cè)定，堿解氮采用康惠皿法測(cè)定，有效磷采用碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法測(cè)定，有效鉀含量采用乙酸銨浸提—火焰光度法測(cè)定。

3)工程適宜性指標(biāo)為定性指標(biāo)，請(qǐng)相關(guān)方面的工程技術(shù)人員實(shí)地評(píng)定，根據(jù)具體情況按表1賦值。

根據(jù)上述11個(gè)指標(biāo)及相應(yīng)測(cè)定方法，對(duì)水井頭工區(qū)總計(jì)約1.3 km2的4塊土地進(jìn)行測(cè)評(píng)，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 水井頭工區(qū)土地測(cè)評(píng)結(jié)果

2 評(píng)價(jià)方法

2.1 突變級(jí)數(shù)法

本文采用突變級(jí)數(shù)法對(duì)表2中的4個(gè)土地樣本進(jìn)行評(píng)價(jià)。

根據(jù)突變級(jí)數(shù)法的基本思想，建立煤礦開(kāi)采區(qū)土地復(fù)墾為耕地的適宜性綜合評(píng)價(jià)的突變級(jí)數(shù)模型，該模型包括以下幾個(gè)方面：

1)評(píng)價(jià)對(duì)象

評(píng)價(jià)對(duì)象即評(píng)價(jià)總目標(biāo)，該評(píng)價(jià)總目標(biāo)設(shè)為“A”。

2)遞階評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

對(duì)于煤礦開(kāi)采區(qū)土地復(fù)墾為耕地的適宜性評(píng)價(jià)，其一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)為：土地質(zhì)量指標(biāo)、土壤養(yǎng)分指標(biāo)和工程適宜性指標(biāo)。可分別設(shè)為“B1”、“B2”和“B3”。

對(duì)一級(jí)指標(biāo)再行分解，組成二級(jí)指標(biāo)體系。其中“B1”的二級(jí)指標(biāo)體系為：地形坡度、有效土層厚度、土壤母質(zhì)質(zhì)地、土壤污染情況，分別設(shè)為：“C1”、“C2”、“C3”和“C4”。“B2”的二級(jí)指標(biāo)體系為：有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷、有效鉀，分別設(shè)為：“C5”、“C6”、“C7”和“C8”。“B3”的二級(jí)指標(biāo)體系為：地面塌陷情況、地面破壞程度和灌溉及排水條件，分別設(shè)為：“C9”、“C10”、“C11”。

3)歸一化處理

歸一化處理包括2個(gè)方面：一是原始數(shù)據(jù)的無(wú)量綱化處理；二是根據(jù)相應(yīng)突變系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型對(duì)各級(jí)控制變量進(jìn)行歸一化計(jì)算，再計(jì)算突變隸屬函數(shù)值。原始數(shù)據(jù)的無(wú)量綱化處理方法可參見(jiàn)文獻(xiàn)[14]。

根據(jù)遞階指標(biāo)體系，遞階層次結(jié)構(gòu)構(gòu)成以下突變系統(tǒng)：1)C1、C2、C3、C4與B1，C5、C6、C7、C8與B2分別組成蝴蝶突變系統(tǒng)；2)C9、C10、C11與B3組成燕尾突變系統(tǒng)；3)B1、B2、B3與A組成燕尾突變系統(tǒng)。

4)訓(xùn)練樣本

土地復(fù)墾適宜性評(píng)價(jià)本質(zhì)上是模式識(shí)別問(wèn)題，即將土地復(fù)墾適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的實(shí)際測(cè)評(píng)結(jié)果與評(píng)價(jià)指標(biāo)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，與實(shí)際測(cè)評(píng)結(jié)果構(gòu)成的數(shù)組最為接近的標(biāo)準(zhǔn)值數(shù)組所對(duì)應(yīng)的等級(jí)即為土地復(fù)墾適宜性的等級(jí)，也即是本文的突變級(jí)數(shù)法的識(shí)別結(jié)果。

本文根據(jù)表1評(píng)價(jià)指標(biāo)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，利用Matlab軟件在每級(jí)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)的數(shù)組之間，根據(jù)正態(tài)分布原則生成800個(gè)總樣本(每等級(jí)200個(gè)樣本)，其中600個(gè)作為訓(xùn)練樣本，200個(gè)作為測(cè)試樣本。

5)突變級(jí)數(shù)判據(jù)

根據(jù)訓(xùn)練樣本的突變級(jí)數(shù)值和分級(jí)，得出各狀態(tài)等級(jí)的突變級(jí)數(shù)值的范圍，即煤礦區(qū)土地復(fù)墾為耕地的適宜性突變級(jí)數(shù)判據(jù)：1)當(dāng)x≥0.960 0時(shí)為“適宜”；2)當(dāng)0.880 0≤x<0.960 0時(shí)為“中等適宜”；3)當(dāng)0.790 0≤x<0.880 0時(shí)為“不太適宜”；4)當(dāng)x<0.790 0時(shí)為“不適宜”。

利用上述突變級(jí)數(shù)判據(jù)對(duì)測(cè)試樣本進(jìn)行識(shí)別，通過(guò)與期望結(jié)果進(jìn)行比較后發(fā)現(xiàn)兩者完全一致，說(shuō)明該判據(jù)可用于本文的土地復(fù)墾適宜性評(píng)價(jià)。

2.2 突變級(jí)數(shù)判據(jù)的驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述判據(jù)的有效性，以文獻(xiàn)[13]中的土地復(fù)墾適宜性評(píng)價(jià)實(shí)例進(jìn)行分析，并將評(píng)價(jià)結(jié)果與該文獻(xiàn)和實(shí)際情況中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)判結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。

該文獻(xiàn)提供了共20個(gè)土壤樣本。提供計(jì)算各樣本的突變級(jí)數(shù)值，從而可識(shí)別其適宜性等級(jí)，結(jié)果與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及實(shí)際情況一致，從而驗(yàn)證了本文方法的可行性和可靠性。

2.3 研究區(qū)土地復(fù)墾適宜性評(píng)價(jià)

根據(jù)上述突變級(jí)數(shù)模型對(duì)表2中的4個(gè)土地樣本進(jìn)行識(shí)別，綜合評(píng)價(jià)其適宜性級(jí)別。首先對(duì)表2中的定性指標(biāo)進(jìn)行賦值，突變級(jí)數(shù)值計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。根據(jù)突變級(jí)數(shù)值，4塊土地樣本的識(shí)別結(jié)果為：1#～3#土地的適宜性等級(jí)為“中等適宜”，4#土地為“不適宜”。

表3 水井頭工區(qū)土地復(fù)墾為耕地適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果

此外，通過(guò)分析突變級(jí)數(shù)值可得到：1#和3#土地的突變級(jí)數(shù)值基本相同，說(shuō)明其適宜性等級(jí)基本一致，而2#土地樣本的突變級(jí)數(shù)值大于1#和3#土地，說(shuō)明其適宜性更好。4#土地由于不適宜復(fù)墾為耕地，可考慮復(fù)墾為林地或做其他用途。這說(shuō)明突變級(jí)數(shù)法不僅能進(jìn)行土地復(fù)墾適宜性評(píng)價(jià)，還可對(duì)適宜性程度進(jìn)行綜合比較。

3 結(jié)論

1)突變級(jí)數(shù)法能較好地評(píng)價(jià)待復(fù)墾土地的適宜性狀況，有利于人們進(jìn)一步認(rèn)識(shí)和掌握待復(fù)墾土地的土地質(zhì)量、土壤養(yǎng)分以及復(fù)墾工程適宜性等方面的屬性。

2)突變級(jí)數(shù)法的理論基礎(chǔ)是突變理論與模糊數(shù)學(xué)理論，它對(duì)樣本數(shù)據(jù)分布沒(méi)有特殊要求，且不需要對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行賦權(quán)，提高了評(píng)價(jià)結(jié)果的客觀性，以及與不同算法的分類結(jié)果之間的可比性。

3)樣本突變級(jí)數(shù)值計(jì)算方法和過(guò)程簡(jiǎn)便，可更精確地定量描述評(píng)價(jià)指標(biāo)特征值的級(jí)別屬性，能較好地對(duì)土地復(fù)墾適宜性狀況進(jìn)行數(shù)量化的綜合評(píng)價(jià)。

4)突變級(jí)數(shù)法需要根據(jù)確定的分類組數(shù)、評(píng)價(jià)指標(biāo)相對(duì)應(yīng)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建突變級(jí)數(shù)模型，盡管突變級(jí)數(shù)值的計(jì)算結(jié)果是客觀的，但分類組數(shù)是人為給定的，且到目前為止尚無(wú)統(tǒng)一的土地復(fù)墾適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)和分類標(biāo)準(zhǔn)，因此該方法的前提帶有一定的主觀性。