西部礦區(qū)土地退化因素評(píng)價(jià)與分析

王雋雄，金美君，劉瓊海，王宇菲，淵 偉

(1.水利部 水土保持監(jiān)測(cè)中心，北京 100055；2.黃河水利委員會(huì) 晉陜蒙接壤地區(qū)水土保持監(jiān)督局，陜西 榆林 719000；3.西北大學(xué) 城市與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710127； 4.中國礦業(yè)大學(xué) 環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

土地資源跟礦產(chǎn)資源在空間分布特征上的同位性屬性，使得在大規(guī)模開采利用煤炭資源的同時(shí)，嚴(yán)重破壞了礦區(qū)土地，引發(fā)地表塌陷和耕地破壞等一系列的問題。隨著我國煤炭工業(yè)重心的西移，西部煤炭資源開發(fā)面臨著更為脆弱的生態(tài)環(huán)境，土地退化的形勢(shì)更加嚴(yán)峻[1]。烏海礦區(qū)對(duì)我國西部的土地退化而言極具代表性，其開發(fā)歷史較久，資源逐步枯竭且增長(zhǎng)乏力，資源開發(fā)所導(dǎo)致的環(huán)境問題突出。采礦活動(dòng)對(duì)西部礦區(qū)土地退化的推動(dòng)強(qiáng)度如何，主驅(qū)動(dòng)力分哪幾種，退化指標(biāo)該如何選取，以及現(xiàn)階段的態(tài)勢(shì)，急需探討研究。

縱觀土地退化評(píng)價(jià)研究的進(jìn)展，眾多專家學(xué)者通過大量研究工作，評(píng)價(jià)指標(biāo)日益豐富和量化，但仍存在一些不足：一是土地退化評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取至今還未形成一套科學(xué)完善的研究體系，需進(jìn)一步豐富和發(fā)展。二是土地退化研究大多蘊(yùn)含于環(huán)境治理中，針對(duì)礦區(qū)土地退化的專題研究相對(duì)偏少[2]。筆者在分析總結(jié)國內(nèi)外關(guān)于礦區(qū)土地退化研究工作的基礎(chǔ)上，綜合礦區(qū)發(fā)展與環(huán)境現(xiàn)狀，從自然因素和人為因素方面建立定量的土地退化評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，對(duì)土地退化因素進(jìn)行分析，對(duì)退化驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行評(píng)價(jià)，旨在揭示礦區(qū)土地退化的機(jī)理，提出相應(yīng)的解決方法，為礦區(qū)土地退化和水土流失治理、改善礦區(qū)生態(tài)環(huán)境及調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概述與數(shù)據(jù)說明

烏海礦區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)的西南部，處黃河上游地帶，東接鄂爾多斯高原，西靠阿拉善盟草原，南與石嘴山隔河相望，北面是肥沃的河套平原，地理坐標(biāo)東經(jīng)106.36°～107.05°、北緯39.15°～39.52°，土地總面積約為1 750 km2。

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要包括烏海市統(tǒng)計(jì)局、烏海市國土局和烏海市環(huán)保局等單位提供的2000—2015年間歷年的年均氣溫、年均降水量、年均相對(duì)濕度、草地面積、林地面積、年日照時(shí)數(shù)、人口數(shù)量、城鎮(zhèn)化率、地區(qū)生產(chǎn)總值、固定資產(chǎn)投資、建成區(qū)面積、污水排放量等資料?？紤]研究對(duì)象的特殊性，與一般研究不同的是，本研究特選取烏海市年煤炭開采量和城鎮(zhèn)工礦用地面積來反映地區(qū)礦產(chǎn)資源開采狀況。

1.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建

土地退化是一個(gè)復(fù)雜連續(xù)的動(dòng)態(tài)過程，不同的土地利用類型和人類活動(dòng)方式都會(huì)產(chǎn)生不同的土地退化問題[3]。本研究將礦區(qū)土地退化總結(jié)為：超高強(qiáng)度的人類活動(dòng)疊加在礦區(qū)自然侵蝕基礎(chǔ)之上，以礦產(chǎn)資源開發(fā)產(chǎn)生的生態(tài)破壞與環(huán)境污染為主要營力，導(dǎo)致礦區(qū)內(nèi)土地原有的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和理化性狀發(fā)生改變，逐步減少或喪失原有生產(chǎn)潛力的動(dòng)態(tài)演替過程。據(jù)此將驅(qū)動(dòng)礦區(qū)土地退化的因素劃分為自然驅(qū)動(dòng)因子和人為驅(qū)動(dòng)因子兩大類型，自然因素為礦區(qū)土地退化提供了外在條件，人為因素尤其是不合理的人類活動(dòng)往往是造成土地退化的內(nèi)部原因(見圖1)。

圖1 礦區(qū)土地退化驅(qū)動(dòng)因素

在認(rèn)真查閱土地退化相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)，參照國際土地退化評(píng)價(jià)指標(biāo)體系研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上，收集已有的觀測(cè)資料，應(yīng)用文獻(xiàn)分析法，結(jié)合西部礦區(qū)實(shí)際，從代表性、普遍性和可操作性原則出發(fā)，提出了西部礦區(qū)土地退化評(píng)價(jià)指標(biāo)體系[4]。通過對(duì)國內(nèi)外土地退化因素指標(biāo)進(jìn)行搜集篩選、整理歸類和統(tǒng)計(jì)，檢索引用量超過80次的期刊，得到中文評(píng)價(jià)指標(biāo)文獻(xiàn)183篇，英文評(píng)價(jià)指標(biāo)文獻(xiàn)43篇，具體指標(biāo)如表1所示。

表1 中英文綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)分類

頻次分析結(jié)果如表2所示：在中文文獻(xiàn)庫中，統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，植被蓋度、降水量、經(jīng)濟(jì)收入水平及有機(jī)質(zhì)含量4個(gè)指標(biāo)應(yīng)用頻次最高，分別為116次、45次、42次和40次，人口數(shù)量和礦區(qū)開采面積等頻次在30次以上。

表2 中英文綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)應(yīng)用頻次統(tǒng)計(jì)

將評(píng)價(jià)指標(biāo)體系理論研究結(jié)果與烏海礦區(qū)土地退化實(shí)地狀況結(jié)合，著重考慮突出存在的土地壓占、“三廢”排放等問題，最終確定了烏海礦區(qū)土地退化評(píng)價(jià)指標(biāo)體系指標(biāo)，具體包括：綠地面積(草地面積和林地面積之和)、年均氣溫、年均降水量、年均相對(duì)濕度、年總?cè)照諘r(shí)數(shù)(太陽輻射量)、人口數(shù)量、城鎮(zhèn)化率、地區(qū)生產(chǎn)總值、固定資產(chǎn)投資、年原煤產(chǎn)量、城鎮(zhèn)工礦用地面積、建成區(qū)面積、牲畜數(shù)量、污水排放量。

1.3 礦區(qū)土地退化因素評(píng)價(jià)方法

1.3.1客觀賦權(quán)法

常用的客觀賦權(quán)法主要有：標(biāo)準(zhǔn)離差法、CRITIC法、熵值法等[5]。本研究運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)離差法和CRITIC法相互對(duì)比的研究思路分析烏海礦區(qū)土地退化因素，以確定烏海礦區(qū)土地退化各因素指標(biāo)的客觀權(quán)重。

(1)標(biāo)準(zhǔn)離差法。標(biāo)準(zhǔn)差即均方差，是衡量組內(nèi)個(gè)體間離散程度的指標(biāo)。某指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差越大，表明該指標(biāo)值的變異程度越大，其提供的信息量越大，在綜合評(píng)價(jià)中所起的作用越大，對(duì)應(yīng)的權(quán)重也就越大，反之則其對(duì)應(yīng)的權(quán)重也就越小。

(2)CRITIC法。CRITIC方法通過評(píng)價(jià)比較指標(biāo)間的對(duì)比強(qiáng)度和沖突性來確定各指標(biāo)的客觀權(quán)數(shù)。其中，對(duì)比強(qiáng)度可以用標(biāo)準(zhǔn)差表示，用來說明同一指標(biāo)在不同評(píng)價(jià)方案中取值差距的大小。

1.3.2主成分分析法

采取主成分分析法不僅可將各因素變量概括縮減為幾個(gè)相互間獨(dú)立的公共因子，而且能較好地代表各原有指標(biāo)的解釋信息，方便與客觀賦權(quán)法的結(jié)果縱向?qū)Ρ?、相互?yàn)證、也有利于進(jìn)一步概括和驗(yàn)證烏海礦區(qū)土地退化的因素，開展綜合分析[6]。

2 結(jié)果與討論

2.1 綜合比較分析

對(duì)標(biāo)準(zhǔn)離差法和CRITIC法分析結(jié)果直觀列表比較，如表3所示。

表3 指標(biāo)分析結(jié)果綜合排序

結(jié)果表明兩種分析相互驗(yàn)證可信度完全值得信賴，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為礦區(qū)土地退化驅(qū)動(dòng)因素分布如圖2。

圖2 基于客觀賦權(quán)法的礦區(qū)土地退化驅(qū)動(dòng)因素分布比例

烏海礦區(qū)以礦山資源開采活動(dòng)為代表的直接驅(qū)動(dòng)因子對(duì)土地退化的影響最為劇烈；其次為地區(qū)生產(chǎn)總值、建成區(qū)面積、固定資產(chǎn)投資、年原煤產(chǎn)量、城鎮(zhèn)工礦用地面積、城鎮(zhèn)化率和人口數(shù)量，這些指標(biāo)可以表明烏海礦區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式注定也會(huì)大大加劇烏海礦區(qū)的土地退化；排位相對(duì)靠后的為烏海礦區(qū)的年均降水量、牲畜數(shù)量、年日照時(shí)數(shù)、年均氣溫、年均相對(duì)濕度等自然驅(qū)動(dòng)指標(biāo)，這表明區(qū)域自然生態(tài)環(huán)境的變化對(duì)土地的退化程度也會(huì)起到一定的影響作用。

2.2 主成分分析法研究結(jié)果

本研究選取綠地面積，即草地及林地面積之和作為衡量土地退化的指標(biāo)，其余13個(gè)變量為解釋變量。數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，烏海礦區(qū)內(nèi)的年均降水量和城鎮(zhèn)工礦用地面積的變化波動(dòng)相對(duì)較大。烏海礦區(qū)在地區(qū)生產(chǎn)總值和固定資產(chǎn)投資皆呈現(xiàn)很大波動(dòng)，國家注重經(jīng)濟(jì)發(fā)展，固定資產(chǎn)投資力度也在逐年加大。此外，年原煤產(chǎn)量和污水排放量也呈現(xiàn)明顯波動(dòng)。人口數(shù)量和城鎮(zhèn)化率的離散系數(shù)相對(duì)較低，研究時(shí)間內(nèi)波動(dòng)不明顯。

通過主成分分析，可提取4個(gè)主成分，將初始分析選取的13維數(shù)據(jù)壓縮至4維，從而有效簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，使數(shù)據(jù)分析結(jié)果更加簡(jiǎn)潔直觀。由主成分分析結(jié)果得出，前4個(gè)因子的特征值大于1，且其特征值之和占總特征值的91.46%，整體解釋效果較好，因此可以提取4個(gè)主因子。第一主成分與人口數(shù)量、地區(qū)生產(chǎn)總值、固定資產(chǎn)投資、年原煤產(chǎn)量、建成區(qū)面積呈現(xiàn)出較強(qiáng)的正相關(guān)，與污水排放量呈現(xiàn)出較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)，而這幾個(gè)變量則綜合反映了礦區(qū)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)狀況； 第二主成分與年均降水量和年均相對(duì)濕度呈現(xiàn)出較強(qiáng)的正相關(guān)，在一定程度上代表了區(qū)域水分條件狀況；第三主成分與城鎮(zhèn)化率、城鎮(zhèn)工礦用地面積呈現(xiàn)出較強(qiáng)的正相關(guān)，與年均氣溫呈現(xiàn)出較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)，鑒于烏海地區(qū)年均氣溫變化在研究時(shí)間范圍內(nèi)變化不明顯，故將第三主成分歸納為礦區(qū)社會(huì)發(fā)展水平；第四主成分與年日照時(shí)數(shù)、牲畜數(shù)量呈現(xiàn)出較強(qiáng)的正相關(guān)，在一定程度上代表了區(qū)域生物量狀況。

基于以上數(shù)據(jù)分析，將烏海礦區(qū)的土地退化因素歸納為4大主成分：第一主成分中占比較大的是污水排放量、區(qū)域生產(chǎn)總值及原煤產(chǎn)量，該結(jié)果充分說明烏海地區(qū)以資源開采工業(yè)為主導(dǎo)的經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)發(fā)展機(jī)制是導(dǎo)致其土地退化的第一驅(qū)動(dòng)力，故總結(jié)為礦區(qū)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)狀況；第二主成分主要由降水量和相對(duì)濕度主導(dǎo)，這表明烏海礦區(qū)的水資源狀況對(duì)烏海礦區(qū)的土地退化起到相當(dāng)大的決定作用；第三主成分中起主導(dǎo)作用的是城鎮(zhèn)化率和城鎮(zhèn)工礦用地面積，表明礦區(qū)地域社會(huì)發(fā)展?fàn)顩r對(duì)土地退化也有一定的影響；第四主成分主要由年日照時(shí)數(shù)和牲畜數(shù)量構(gòu)成，可歸結(jié)為礦區(qū)所在地域生物量狀況對(duì)土地退化的影響。故以上四類分別概括為礦區(qū)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)狀況、區(qū)域水分條件狀況、礦區(qū)社會(huì)發(fā)展水平、區(qū)域生物量狀況。

3 結(jié)論與對(duì)策

3.1 結(jié) 論

(1)烏海礦區(qū)的土地退化是區(qū)域地質(zhì)、地貌、氣候、水文、生物等自然環(huán)境要素和區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人口增長(zhǎng)、礦產(chǎn)資源開采等人為社會(huì)因素相互影響、共同作用的結(jié)果。其中，人為社會(huì)因素是驅(qū)動(dòng)礦區(qū)土地退化的內(nèi)因，而自然環(huán)境變化則是導(dǎo)致礦區(qū)土地退化的外部條件，影響烏海礦區(qū)土地退化的驅(qū)動(dòng)因素可總結(jié)為自然環(huán)境變化、經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式和礦產(chǎn)資源開采三種。

(2)綜合比較客觀賦權(quán)法和主成分分析法所得結(jié)果，由客觀賦權(quán)法得出礦區(qū)土地退化驅(qū)動(dòng)因素有礦產(chǎn)資源開采活動(dòng)、經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和自然環(huán)境三種。由主成分分析法所提煉礦區(qū)土地退化驅(qū)動(dòng)因素有礦區(qū)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)狀況、區(qū)域水分條件狀況、礦區(qū)社會(huì)發(fā)展水平和區(qū)域生物量狀況四種。主成分分析法中所提煉的區(qū)域水分條件狀況和區(qū)域生物量狀況可以概括為客觀賦權(quán)法中的自然環(huán)境因素；主成分分析法中的礦區(qū)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)狀況即客觀賦權(quán)法中的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展因素；因?yàn)鹾５V區(qū)社會(huì)發(fā)展水平主要由礦產(chǎn)資源的開采活動(dòng)為核心驅(qū)動(dòng)，故可以將主成分分析中的社會(huì)發(fā)展水平與客觀賦權(quán)法中的礦產(chǎn)資源開采相等同。雖然兩種方法本身存在的原理差異決定了兩種結(jié)果表面上差異性的存在，但是經(jīng)深入比較分析可以發(fā)現(xiàn)兩種方法所得結(jié)果本質(zhì)其實(shí)相同。

(3)礦區(qū)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)狀況中占主要地位的是污水排放量、區(qū)域生產(chǎn)總值及原煤產(chǎn)量，該結(jié)果充分說明烏海地區(qū)以資源開采工業(yè)為主導(dǎo)的經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)發(fā)展機(jī)制是導(dǎo)致其土地退化的第一驅(qū)動(dòng)力。區(qū)域水分條件狀況和區(qū)域生物量狀況中年均降水量、牲畜數(shù)量和年日照時(shí)數(shù)占比較大，這表明氣候和生物等自然地理要素也會(huì)對(duì)西部礦區(qū)的土地退化起到相當(dāng)大的決定作用。礦區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)水平中起主導(dǎo)作用的是城鎮(zhèn)化率和城鎮(zhèn)工礦用地面積，這表明礦區(qū)地域社會(huì)發(fā)展?fàn)顩r對(duì)礦區(qū)土地退化起到一定的影響作用。

3.2 對(duì) 策

西部礦區(qū)土地生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與建設(shè)是一項(xiàng)涉及多學(xué)科、多領(lǐng)域的龐大系統(tǒng)工程，涵蓋了社會(huì)經(jīng)濟(jì)各個(gè)行業(yè)，既要從西部礦區(qū)的整體情況綜合規(guī)劃、系統(tǒng)整治，又要針對(duì)不同地域的實(shí)際情況分類區(qū)劃，根據(jù)不同的退化狀況分類施策，因地制宜提出解決方案。研究認(rèn)為，要實(shí)現(xiàn)西部礦區(qū)生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展，應(yīng)采取強(qiáng)有力的對(duì)策和措施。一是完善體制加強(qiáng)監(jiān)管，堅(jiān)持以習(xí)近平生態(tài)文明思想為指導(dǎo)，通過建立健全法律法規(guī)，執(zhí)行最嚴(yán)格的生態(tài)環(huán)境保護(hù)制度，促進(jìn)區(qū)域生態(tài)文明建設(shè)，服務(wù)區(qū)域生態(tài)保護(hù)與高質(zhì)量發(fā)展。二是積極轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展理念，大力發(fā)展綠色礦業(yè)、環(huán)保礦業(yè)和智能礦業(yè)，改進(jìn)生產(chǎn)方式，緩減土地資源承載壓力，走高質(zhì)量發(fā)展的路子。三是嚴(yán)控土地改善生態(tài)，嚴(yán)格控制工礦用地面積，提高土地利用效率，發(fā)展節(jié)約型高效型土地利用政策，實(shí)施土地生態(tài)效益補(bǔ)償機(jī)制，激發(fā)礦區(qū)土地生態(tài)修復(fù)建設(shè)活力，保護(hù)地區(qū)水土資源，營造良好的礦區(qū)自然生態(tài)環(huán)境，提升整體生態(tài)文明建設(shè)水平。四是加大投入強(qiáng)化監(jiān)測(cè)，以地理信息技術(shù)平臺(tái)為依托，遙感、無人機(jī)和地面監(jiān)測(cè)等技術(shù)手段并用，建立集基礎(chǔ)資料、背景圖斑、擾動(dòng)圖斑、核查處置等為一體的多用戶數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)和共享的大數(shù)據(jù)信息平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)擾動(dòng)信息及時(shí)發(fā)現(xiàn)、精準(zhǔn)識(shí)別、快速核查處置，不受地形、地貌、路況等限制，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化場(chǎng)景、智慧化模擬、精準(zhǔn)化決策的全過程監(jiān)測(cè)管理。