任睆遐，陈 翔

(常德职业技术学院，湖南 常德 415000)

矿产资源开发在促进经济发展的同时，也对土地资源造成一定程度的破坏[1]，对土壤的理化性质和生态环境造成一定影响[2]。土地复垦是缓解这一矛盾的有效途径[3]。土地复垦的概念涉及如何获得更具生产力用途的土地[4]。土地复垦适宜性评价是通过研究土地复垦项目区土地的自然、经济和社会属性，对土地复垦后所需某种利用方式的适宜性及其利用程度等进行综合性评价，目的是确定土地复垦最佳方案，达到土地可持续利用及生态环境保护协调发展的目的，这也是解决工程建设和土地破坏之间矛盾的最有效途径[5]。

土地复垦适宜性评价是确定土地复垦方向、制定复垦技术和复垦标准的基本依据，能有效避免土地复垦时的盲目性和二次破坏，达到最大限度合理利用土地的目的。因而，土地复垦适宜性评价也是确定受损土地复垦规划的前提和基础[6]，它为复垦土地再利用方向、改善措施选择和土地利用规划的决策提供了依据[7]。为此，学者们在这一领域进行了大量卓有成效的探索和研究。

WANG等[8]通过研究比较了不同的适宜性评价方法后，提出并采用极限综合条件法对某矿区复垦土地适宜性进行了评价。ZHOU等[9]针对某露天矿土地复垦的实际情况构建评价指标体系，结合层次分析法和熵权法计算指标权重，提出了一种基于多属性决策理论的土地复垦适宜性评价方法。CHENG等[10]采用综合指数法和差积法，对某煤矿周边受损土地复垦适宜性进行了评价，不仅给出了适宜复垦方向的结果，还指出了制约复垦适宜度的因素，为受损土地复垦决策和改良方案提供理论支持。AMIRSHENAVA等[11]认为矿区土地复垦适宜性评估是复垦规划中的一个关键步骤，可确保采矿后土地利用的可持续性，为此提出了一种基于2D评估矩阵的通用半定量土地复垦适宜性评价方法。

本文在现有研究基础上，采用突变级数法对煤矿开采区土地复垦为耕地的适宜性进行评价，并通过工程实例验证该方法的可行性和可靠性，为土地复垦适宜性综合评价的数量化方法研究提供新的思路和途径。

湖南省邵东县牛马司矿区处于白马山至龙山东西向古隆起的南侧，祁阳弧形构造的北翼，位于北东-南西向不对称向斜的褶皱群之中。该区地貌特征简单，主要为微丘陵地区，土壤以黏性土为主。该矿区为湖南省优质主焦煤重要产地，主要有斗籼、水井头、麻园村、铁箕山等4个工区，总面积约36 km2，煤炭资源现近枯竭。该矿区在对地下煤层进行深层次、大范围开采以后，地表沉降在空间上呈大面积、连续、平缓的特征，煤矿生活区的房屋都有不同程度的开裂和变形。现地表沉降基本稳定，未出现明显的塌陷。调查表明，该矿区周边分布近80座小煤窑，对该区土地资源及环境产生较大破坏。

本文针对该矿区因小煤窑开采对土地的破坏，复垦为耕地的适宜性进行综合评价。

1.1 评价指标

煤矿开采区土地复垦方向主要为耕地、林地、草地、园地等[12-13]。由于邵东县人均耕地面积少，在确定该矿区土地复垦方向时，主要考虑复垦为耕地。参考相关研究[12-13]，确定该矿区土地复垦为耕地的适宜性评价指标主要考虑3方面的因素：土地质量、土壤养分和工程适宜性。选择地形坡度、有效土层厚度、土壤母质质地、土壤污染情况、有机质、碱解氮、有效磷、有效钾、地面塌陷情况、地面破坏程度和灌溉及排水条件等11个参数作为评价指标，各评价指标的分级标准见表1。

表1 土地复垦为耕地适宜性评价指标及分类标准

1.2 研究区土地测量项目及结果

1)土地质量指标中，地形坡度和有效土层厚度2个指标为定量指标，可由工程技术人员现场确定，土壤母质质地指标在实地确定，根据具体情况按表1赋值，土壤污染情况主要根据有无污染源进行确定，根据具体情况按表1赋值。

2)土壤养分指标都为定量指标，可通过实地土壤采样，然后分别测定有机质、碱解氮、有效磷、有效钾等含量。土壤采样时，应首先选出能充分反映土壤特征的地块，采样深度一般为20 cm以内。有机质采用油浴加热重铬酸钾容量法测定，碱解氮采用康惠皿法测定，有效磷采用碳酸氢钠浸提—钼锑抗比色法测定，有效钾含量采用乙酸铵浸提—火焰光度法测定。

3)工程适宜性指标为定性指标，请相关方面的工程技术人员实地评定，根据具体情况按表1赋值。

根据上述11个指标及相应测定方法，对水井头工区总计约1.3 km2的4块土地进行测评，结果见表2。

表2 水井头工区土地测评结果

2.1 突变级数法

本文采用突变级数法对表2中的4个土地样本进行评价。

根据突变级数法的基本思想，建立煤矿开采区土地复垦为耕地的适宜性综合评价的突变级数模型，该模型包括以下几个方面：

1)评价对象

评价对象即评价总目标，该评价总目标设为“A”。

2)递阶评价指标体系

对于煤矿开采区土地复垦为耕地的适宜性评价，其一级评价指标为：土地质量指标、土壤养分指标和工程适宜性指标。可分别设为“B1”、“B2”和“B3”。

对一级指标再行分解，组成二级指标体系。其中“B1”的二级指标体系为：地形坡度、有效土层厚度、土壤母质质地、土壤污染情况，分别设为：“C1”、“C2”、“C3”和“C4”。“B2”的二级指标体系为：有机质、碱解氮、有效磷、有效钾，分别设为：“C5”、“C6”、“C7”和“C8”。“B3”的二级指标体系为：地面塌陷情况、地面破坏程度和灌溉及排水条件，分别设为：“C9”、“C10”、“C11”。

3)归一化处理

归一化处理包括2个方面：一是原始数据的无量纲化处理；
二是根据相应突变系统的数学模型对各级控制变量进行归一化计算，再计算突变隶属函数值。原始数据的无量纲化处理方法可参见文献[14]。

根据递阶指标体系，递阶层次结构构成以下突变系统：1)C1、C2、C3、C4与B1，C5、C6、C7、C8与B2分别组成蝴蝶突变系统；
2)C9、C10、C11与B3组成燕尾突变系统；
3)B1、B2、B3与A组成燕尾突变系统。

4)训练样本

土地复垦适宜性评价本质上是模式识别问题，即将土地复垦适宜性评价指标体系的实际测评结果与评价指标的分级标准进行比较，与实际测评结果构成的数组最为接近的标准值数组所对应的等级即为土地复垦适宜性的等级，也即是本文的突变级数法的识别结果。

本文根据表1评价指标的分级标准，利用Matlab软件在每级标准对应的数组之间，根据正态分布原则生成800个总样本(每等级200个样本)，其中600个作为训练样本，200个作为测试样本。

5)突变级数判据

根据训练样本的突变级数值和分级，得出各状态等级的突变级数值的范围，即煤矿区土地复垦为耕地的适宜性突变级数判据：1)当x≥0.960 0时为“适宜”；
2)当0.880 0≤x<0.960 0时为“中等适宜”；
3)当0.790 0≤x<0.880 0时为“不太适宜”；
4)当x<0.790 0时为“不适宜”。

利用上述突变级数判据对测试样本进行识别，通过与期望结果进行比较后发现两者完全一致，说明该判据可用于本文的土地复垦适宜性评价。

2.2 突变级数判据的验证

为了验证上述判据的有效性，以文献[13]中的土地复垦适宜性评价实例进行分析，并将评价结果与该文献和实际情况中的神经网络评判结果进行了对比分析。

该文献提供了共20个土壤样本。提供计算各样本的突变级数值，从而可识别其适宜性等级，结果与神经网络以及实际情况一致，从而验证了本文方法的可行性和可靠性。

2.3 研究区土地复垦适宜性评价

根据上述突变级数模型对表2中的4个土地样本进行识别，综合评价其适宜性级别。首先对表2中的定性指标进行赋值，突变级数值计算结果见表3。根据突变级数值，4块土地样本的识别结果为：1#～3#土地的适宜性等级为“中等适宜”，4#土地为“不适宜”。

表3 水井头工区土地复垦为耕地适宜性评价结果

此外，通过分析突变级数值可得到：1#和3#土地的突变级数值基本相同，说明其适宜性等级基本一致，而2#土地样本的突变级数值大于1#和3#土地，说明其适宜性更好。4#土地由于不适宜复垦为耕地，可考虑复垦为林地或做其他用途。这说明突变级数法不仅能进行土地复垦适宜性评价，还可对适宜性程度进行综合比较。

1)突变级数法能较好地评价待复垦土地的适宜性状况，有利于人们进一步认识和掌握待复垦土地的土地质量、土壤养分以及复垦工程适宜性等方面的属性。

2)突变级数法的理论基础是突变理论与模糊数学理论，它对样本数据分布没有特殊要求，且不需要对评价指标进行赋权，提高了评价结果的客观性，以及与不同算法的分类结果之间的可比性。

3)样本突变级数值计算方法和过程简便，可更精确地定量描述评价指标特征值的级别属性，能较好地对土地复垦适宜性状况进行数量化的综合评价。

4)突变级数法需要根据确定的分类组数、评价指标相对应的分级标准构建突变级数模型，尽管突变级数值的计算结果是客观的，但分类组数是人为给定的，且到目前为止尚无统一的土地复垦适宜性评价指标和分类标准，因此该方法的前提带有一定的主观性。

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