2. 东华理工大学测绘工程学院, 江西 南昌 330013;
3. 武汉大学自然科学学报编辑部, 湖北 武汉 430072
2. School of Geomatics, East China University of Technology, Nanchang 330013, China;
3. Editorial Office of Journal of Natural Science of Wuhan University, Wuhan 430072, China
工矿用地曾经为经济社会发展做出突出贡献，但随着时间推移，废弃工矿用地对生态环境造成了破坏，且浪费土地资源[1]。工矿废弃地的生态系统结构与功能退化严重，制约可持续发展战略[2-3]。因此，工矿废弃地的生态恢复与重建十分必要。由于工矿废弃地复垦需要大量人力财力，为使其价值最大化，复垦前进行优先度评判具有重要现实意义和学术价值[4]。
目前，一些学者对土地复垦评价及其方案决策进行了多方面探讨，主要围绕基础理论研究[5]、重金属污染评价[6]、生态质量变化研究[7-8]、生态修复与重建研究[9-10]、复垦利用评价[11]、复垦方案决策研究[12-13]和评价方法研究[14-15]等内容开展，且相关研究已初步形成了较完整体系[16]，表明被广泛使用的模糊综合评价方法适用于土地复垦适宜性评价。在生态网络研究方面，谢慧玮等[17]利用生态网络作为自然遗产地区生态评价与监控的重要手段；武剑锋等[18]利用最小耗费距离模型和障碍影响指数、景观连接度指数评价城市土地；吴昌广等[19]采用费用距离分析直观描绘物种在异质景观中的连接度。已有生态网络研究中对景观连接度的研究成果很丰富[20-23]。此外，已有研究提出在开展工矿废弃地评价时应将工矿废弃地复垦与其生态情况相结合[24]，评价土地复垦矿区景观生态质量变化情况。张思锋等[25]利用生态梯度风险评价榆林煤炭开采区生态风险，关文彬等[26]指出景观生态恢复与重建是区域生态安全格局构建的关键途径。但目前工矿废弃地复垦优先度评价中鲜有考虑工矿废弃地复垦后对生态网络的贡献，尤其是没有将景观连接度融合进生态复垦利用优先度评判中。
笔者从景观生态学角度出发，以湖北省大冶市为例，运用模糊综合评价方法、景观连接度方法和二维判断矩阵评价工矿废弃地生态复垦利用优先度。
1 研究区概况大冶市位于湖北省东南部，位于长江中游南岸，地跨29°40′~30°15′ N，114°31′~115°20′ E（图 1）。大冶市矿产资源分布面广，矿产地相对集中，富铁矿、铜矿和金矿储量均占湖北省首位。全市有矿山企业160多家，主要矿产品产量为1 287.87万t，总产值为28.64亿元。由于多年矿产资源开发，历史遗留工矿废弃地点多面广，复垦难度大。目前因矿产开发造成地质环境遭受不同程度破坏或受严重影响的地块达433个，总面积达1 454.79 hm2。研究区矿山地质环境问题突出，恢复治理任务艰巨，且造成土地资源巨大浪费，亟需对现有工矿废弃地进行综合整治。
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图 1 大冶市工矿废弃地损毁类型空间分布 Fig. 1 Spatial distribution of damage types of industrial and mining wasteland in Daye City |
该研究主要分析工矿废弃地恢复为森林斑块的生态复垦利用优先度，即工矿废弃地斑块对森林恢复的重要性。使用数据包括大冶市土地利用变更调查数据（1:10 000）、大冶市统计年鉴、大冶市工矿废弃地实地调查数据（包括工矿废弃地实测地形和实测范围数据、土壤条件、实地照片、损毁程度和复垦难易程度等）、农用地分等定级成果和30 m分辨率数字高程模型（DEM）。首先，选取大冶市土地利用变更调查中有林地、灌木林地和其他林地作为森林景观斑块，运用ArcGIS 10.2软件中Dissolve工具对森林景观斑块进行合并；其次，通过模糊综合评价方法评价工矿废弃地复垦宜林适宜性；再次，利用景观连接度方法分析工矿废弃地复垦为林地后对生态网络结构的贡献程度；最后，通过二维判断矩阵确定工矿废弃地生态复垦利用优先度（图 2）。
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图 2 工矿废弃地复垦优先度决策技术路线 Fig. 2 The roadmap of industrial and mining land reclamation's priority decisions |
连接度指数的计算采用美国杜克大学研发的Conefor Sensinode 2.6软件实现，数据处理与适宜性评价分析等采用ArcGIS 10.2和MATLAB软件。
2.2 复垦为林地的适宜性评价方法工矿废弃地复垦前必须进行复垦适宜性评价。以土地损毁类型为确定地块的主导因素，将研究区工矿废弃地划分为采空区、塌陷区、挖损区和压占区，共划分为433块评价单元，分别评价其适宜性等级。
2.2.1 指标体系构建与权重确定工矿废弃地复垦适宜性评价常分为耕地、园地、林地和草地方向，笔者研究重点关注林地方向。根据TD/T 1036—2013《土地复垦质量控制标准》各类技术指标要求，结合当地土壤条件以及以往较少考虑的土地损毁程度和复垦难易程度等工矿废弃地复垦利用特点，并参考文献[12]，确定工矿废弃地复垦宜林适宜性评价指标体系。指标体系选取坡度、表层质地、灌溉保证率、灌排水条件、土壤有机质、损毁程度和复垦难易程度等作为评价因子。
运用特尔斐法，由来自武汉大学、黄石市、大冶市国土和环境相关领域和部门9名专家打分，比较各指标相对重要性，并对各指标权重值进行一致性检验，确定坡度、表层质地、灌溉保证率、灌排水条件、土壤有机质、损毁程度和复垦难易程度7个评价因子的权重分别为0.10、0.10、0.15、0.20、0.13、0.15和0.17。
2.2.2 评价模型建立为更好地诠释评价因子贡献值的不确定性，选用模糊综合评价法进行复垦宜林适宜性评价，其步骤如下：
（1）建立评价因子论域U，计算公式为
| $ U=\left\{u_{1}, u_{2}, u_{3}, u_{4}, u_{5}, u_{6}, u_{7}\right\}_{\circ} $ | (1) |
式（1）中，u1~u7分别为工矿废弃地复垦宜林适宜性评价因子坡度、表层质地、灌溉保证率、灌排水条件、土壤有机质、损毁程度和复垦难易程度。
（2）建立适宜性评价等级论域V，计算公式为
| $ V=\left\{v_{1}, v_{2}, v_{3}, v_{4}\right\}_{\circ} $ | (2) |
式（2）中，v1、v2、v3和v4分别为评价等级最适宜、较适宜、较不适宜和不适宜。
（3）根据隶属度函数确定U在V上的模糊关系，得到模糊隶属度矩阵R。隶属度函数的选择目前尚无统一方法可循，主要根据实践经验选取。对于定性因子采用专家打分法，定量因子则采用目前常用的三角形隶属函数构建模糊隶属度矩阵R。
（4）确定综合权重矩阵W。采用专家打分法确定各因子权重。
（5）求取评价结果。采用加权平均型算子，将W与R合成得到综合评判矩阵B，计算公式为
| $ \begin{array}{l} \mathit{\boldsymbol{B}} = \mathit{\boldsymbol{W}} \cdot \mathit{\boldsymbol{R}} = \left( {{w_1},{w_2},{w_3},{w_4},{w_5},{w_6},{w_7}} \right) \cdot \\ \left| {\begin{array}{*{20}{c}} {{R_{11}}}& \cdots &{{R_{14}}}\\ \vdots &{}& \vdots \\ {{R_{71}}}& \cdots &{{R_{74}}} \end{array}} \right| = \left( {{b_1},{b_2},{b_3},{b_4},{b_5},{b_6},{b_7}} \right)。\end{array} $ | (3) |
式（3）中，B为综合模糊评判集；W为指标权重矩阵；R为指标隶属度矩阵；bj为评判对象对评判集中第j个元素的隶属度。
（6）量化处理综合模糊评判集B。由于采用模糊综合评价法得到的结果为一个模糊向量，并非一个点值。为分等级进行排序，根据最大隶属度原则判断各评价单元的适宜性等级，由此判定评价对象等级。
2.3 复垦为林地的景观连接度贡献程度 2.3.1 景观连接度指数选取（1）组分数。组分数（number of components，NC）指一组互相连通的斑块，不同组分之间彼此孤立。景观组分越少，景观连接度越高。
（2）整体连通性指数。整体连通性指数（integral index of connectivity，IIC，I），I∈[0, 1]，I=0时表示各生境斑块之间没有连接；I=1时表示整个景观均为生境斑块，其计算公式为
| $ I = \frac{{\sum\limits_{i = 1}^n {\sum\limits_{j = 1}^n {\frac{{{a_i}{a_j}}}{{1 + n{l_{ij}}}}} } }}{{A_{\rm{L}}^2}} $ |
式（4）中，ai和aj分别为斑块i和j的面积，hm2；lij表示斑块i与j的连接状态，有连接时为1，无连接时为0；n为斑块个数；AL为景观研究区总面积，hm2。
（3）可能连通性指数。可能连通性指数（proba bility of connectivity，PC，PC），PC∈[0, 1]，其值越大，表示斑块连接程度越高，计算公式为
| $ {P_{\rm{C}}} = \frac{{\sum\limits_{i = 1}^n {\sum\limits_{j = 1}^n {{a_i}} } {a_j}p_{ij}^*}}{{A_{\rm{L}}^2}} $ | (5) |
式（5）中，pij *为斑块i与j间所有路径概率乘积的最大值。
2.3.2 景观连接距离阈值的选择景观连接度指数的计算需要先确定景观斑块连通的距离阈值，当斑块间距离大于阈值时，认为斑块间不连通，当斑块间距离小于等于阈值时，则认为是连通的。斑块是否连通与生物迁移扩散过程特性有关。根据文献记载及对大冶市野生动物活动范围调查结果，研究区鸟类活动范围为200~ 30 000 m，小型哺乳动物和两栖爬行动物活动范围为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个景观连接距离阈值分别计算景观生态网络连接度。
2.3.3 复垦为林地的贡献程度计算选用斑块重要值（dPC）衡量工矿废弃地复垦为林地后对森林景观连接度的贡献程度，其计算公式为
| $ {d_{{\rm{PC}}}} = 100 \cdot \frac{{{P_{{\rm{C, mines}}}} - {P_{\rm{C}}}}}{{{P_{\rm{C}}}}} $ | (6) |
式（6）中，PC，mines为某工矿废弃地复垦为林地后形成的新的森林景观的可能连通性值；PC为原有森林景观的可能连通性指数值。dPC值越高，该工矿废弃地越应优先复垦。通过自然断点法将工矿废弃地斑块贡献程度分为低、中等、高和最高4级。
2.4 工矿废弃地生态复垦利用优先度确定结合大冶市工矿废弃地的宜林适宜性与工矿废弃地复垦为林地后对林地景观网络的贡献程度，划分工矿废弃地生态复垦利用优先度。从工矿废弃地宜林适宜性角度来看，适宜性等级越高的工矿废弃地越应优先考虑复垦为林地。从工矿废弃地对景观网络连接度贡献程度来看，贡献程度等级越高的工矿废弃地也越应优先考虑复垦为林地。参照文献[27]，将两种级别进行叠加组合后得到16种空间组合，按照等级划分标准进行重新划分得到按优先等级排序的空间布局（表 1）。
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表 1 工矿废弃地复垦优先度等级划分 Table 1 Classification of priority degree of reclamation in mining wasteland |
参考已有研究成果[11-12]，分析大冶市自然条件和社会经济条件，确定研究区工矿废弃地复垦宜林适宜性评价指标体系分级标准（表 2）。
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表 2 工矿废弃地复垦宜林适宜性评价指标体系分级标准 Table 2 Classifying and quantization table of suitable to forest land evaluation index system of reclamation of mining |
运用模糊适宜性评价法，确定每块工矿废弃地宜林适宜性等级。总体来看，大冶市最适宜地块面积为967.44 hm2，占工矿废弃地总面积的66.50%，金山店镇工矿废弃地复垦宜林适宜性整体较高。较适宜地块面积为343.54 hm2，占工矿废弃地总面积的23.61%，主要分布在陈贵镇和大箕铺镇。较不适宜地块面积为67.85 hm2，占工矿废弃地总面积的4.66%，主要分布在保安镇与金山店镇分界处。不适宜地块面积为75.96 hm2，占工矿废弃地总面积的5.22%，主要分布在还地桥镇。为突显笔者评价方法优点，根据模糊综合评价与景观连接度贡献程度结果差异性，选取评价结果有差异和无差异的A、B、C和D这4个区域进行比较研究（图 3）。其中，A和C区复垦宜林适宜性评价均为最适宜，D区为较不适宜，B区为不适宜，复垦难度最大。
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图 3 大冶市工矿废弃地复垦适宜性评价结果 Fig. 3 The results of industrial and mining land reclamation suitability evaluation in Daye City |
森林景观连接度指标值计算结果见表 3。由表 3可知，随着景观连接距离阈值的增大，景观整体连通性指数（IIC）从最小值0.016增加到0.031。这是由于随着景观连接距离阈值的增大，搜索范围也在扩大，景观中任意两个斑块间的连接越容易建立，景观IIC值就越大。但是距离阈值越大，网络连接状况与实际生物活动特性吻合度就越差。同时，在土地复垦项目中，将工矿废弃地斑块恢复为森林斑块时，在不同景观连接距离阈值条件下，地块复垦成林地后带来的生态恢复连接度的贡献程度也不同。因此，工矿废弃地景观恢复过程中，选择适合当地情况的景观连接距离阈值就显得尤为重要。通过综合考虑，选取最佳距离阈值为1 250 m。景观连接距离阈值为1 250 m条件下，种类相合概率（CCP）大于85%，比距离阈值为1 000 m时提高37.5%，而只比距离阈值为1 500 m时低0.8%。组分数（NC）为22，表明大部分景观斑块连接在一起。且1 250 m的距离符合大部分动物活动距离。
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表 3 各景观连接距离阈值条件下森林景观连接度指标值 Table 3 The forest landscape connection degree under different distance threshold parameter values |
通过网络分析方法构建的景观连接距离阈值为1 250 m的林地景观网络连接图见图 4。
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图 4 大冶市景观连接距离阈值为1 250 m的林地景观网络连接 Fig. 4 Network connectivity map of forest landscape in Daye City |
工矿废弃地地块恢复成林地后对林地生态网络结构的贡献程度见图 5。将工矿废弃地地块恢复成林地后对林地生态网络结构的贡献程度分为低、中等、高和最高4个等级。
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图 5 大冶市工矿废弃地复垦为林地后对原林地生态网络结构的贡献程度 Fig. 5 Contribution degree of reclaimed industrial and mining waste land to forest land in ecological network structure in Daye City |
由图 5可知，整体来看，大冶市各乡镇工矿废弃地对林地生态网络结构的贡献程度各不相同。贡献程度最高级地块面积为234.80 hm2，占工矿废弃地总面积的16.14%，金山店镇工矿废弃地复垦适宜性整体较高。贡献程度高级地块面积为358.24 hm2，占工矿废弃地总面积的24.62%，主要分布在陈贵镇和大箕铺镇。贡献程度中等级地块面积为315.08 hm2，占工矿废弃地总面积的21.66%，主要分布在保安镇与金山店镇分界处。贡献程度低级地块面积为546.68 hm2，占工矿废弃地总面积的37.58%，主要分布在还地桥镇。在选取的4个特征区中，C区对林地生态网络结构贡献程度最大，而B区稍弱。A和D区贡献程度为低级，其对研究区生态恢复作用较小。
3.3 工矿废弃地生态复垦利用优先度等级综合考虑工矿废弃地复垦宜林适宜性评价结果与景观网络连接度贡献程度，得到大冶市工矿废弃地生态复垦利用优先度等级分布（图 6）。优先度Ⅰ级地块面积为403.68 hm2，占工矿废弃地总面积的27.7%，分布在大冶市中部金山店镇的面积达159.05 hm2。优先度Ⅱ级地块面积为408.52 hm2，占工矿废弃地总面积的28.1%，主要分布在大冶市中南部的灵乡镇、陈贵镇、金湖街办和大箕铺镇4个乡镇。优先度Ⅲ级地块面积为594.65 hm2，占工矿废弃地总面积的40.9%，主要分布在大冶市北部和中部，虽然分布比较散乱，但面积较大，位于北部还地桥镇和金山店镇面积分别达234.40和120.47 hm2。优先度Ⅳ级地块面积为47.90 hm2，仅占工矿废弃地总面积的3.3%，仅分布在金山镇中心以及金山镇与保安镇交界处。
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图 6 大冶市工矿废弃地生态复垦利用优先度等级分布 Fig. 6 Distribution map of priority grade of ecological reclamation of industrial and mining waste land in Daye City |
对比复垦宜林适宜性评价结果和网络结构重要性分析结果发现，大冶市复垦适宜性评价结果与复垦利用优先度结果基本一致，最适宜复垦地块的优先度也较高，但也存在差异。具体来看，C区复垦宜林适宜性评价结果为最适宜，且其林地生态网络结构贡献程度为最高级，复垦意义重大，因此，C区生态复垦利用优先度等级为Ⅰ级。D区复垦宜林适宜性评价为较不适宜，网络结构贡献程度为低级，将其归为复垦优先度Ⅳ级。而A和B区两种评价结果存在较大差异。A区复垦宜林适宜性评价结果为最适宜复垦，而A区网络结构贡献程度较低，因此A区复垦优先度等级为Ⅲ级。B区地块不适宜进行复垦，复垦难度最大，但B区网络结构贡献程度较高，因此归于复垦优先度Ⅲ级。
4 结论运用模糊适宜性评价、景观连接度方法和二维判断矩阵对湖北省大冶市工矿废弃地复垦优先度进行评判，得出以下结论：
（1）大冶市工矿废弃地复垦为林地最适宜、较适宜、较不适宜和不适宜地块面积分别为967.44、343.54、67.85和75.96 hm2。金山店镇工矿废弃地复垦宜林适宜性整体较高，不适宜地块主要分布在还地桥镇。
（2）大冶市景观生态网络连接最佳距离阈值为1 250 m。大冶市工矿废弃地对林地生态网络结构贡献程度最高、高、中等和低级地块面积分别为234.80、358.24、315.08和546.68 hm2。整体上，金山店镇工矿废弃地对林地生态网络结构贡献程度最大，其次为陈贵镇和灵乡镇。
（3）大冶市复垦优先度为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ级面积分别为403.68、408.52、594.65和47.90 hm2。C区宜林适宜性评价结果和网络结构贡献程度评价结果没有差异，A、B和D区则存在差异。
大冶市工矿废弃地恢复成林地后，超过一半的地块对原林地生态网络结构的贡献程度为中等级以下，故实际操作时可以考虑将这些地块复垦为园地、耕地或其他。基于景观网络连接度评判工矿废弃地生态复垦利用优先度，能避免仅依赖复垦适宜性评价结果所造成的片面性，同时增强对复垦后地块生态效应的考虑，但如何权衡适宜性评价结果和生态网络贡献程度两者重要程度还需要进一步探讨。
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