GI引导下的采煤塌陷地生态恢复优先级评价

冯姗姗, 常　江,*, 侯　伟

1 中国矿业大学力学与建筑工程学院, 徐州　221116 2 中国测绘科学研究院, 北京　100830



GI引导下的采煤塌陷地生态恢复优先级评价

冯姗姗1, 常江1,*, 侯伟2

1 中国矿业大学力学与建筑工程学院, 徐州221116 2 中国测绘科学研究院, 北京100830

摘要:生态恢复优先级评价是恢复生态学研究的热点之一,而退化生态系统被恢复为何种类型是确定生态恢复优先级的前提和重点。以徐州市为研究区,将城市绿色基础设施(GI)作为塌陷地生态恢复的目标,在GIS技术支撑下,从塌陷斑块恢复为GI的适宜性及其对维持GI景观连接度的重要性两个方面,综合评价了采煤塌陷地生态恢复优先级。研究结果表明,徐州市超过半数的采煤塌陷斑块具有较高的GI生态适宜性,相对集中在5个片区；各塌陷斑块维持景观连接度的重要性分布不均匀,贾汪片区中部及北部塌陷斑块对维持景观连接度的作用非常显著；二者叠加后各塌陷斑块的综合适宜度具有明显差异,将其划分为5个生态恢复优先等级,较高优先等级分布于贾汪片区中部、董庄片区北部、庞庄西片区中部,建议将其纳入城市绿色基础设施予以优先恢复并立法保护。

关键词：采煤塌陷地；绿色基础设施(GI)；生态恢复；生态适宜性；景观连接度；生态规划

图1　研究区示意图Fig.1　Study area map

生态恢复是避免生物多样性减少及生态系统服务功能损失的重要途径,20世纪80年代生态恢复研究在全球退化生态系统大面积增加的背景下广泛展开[1- 2]。由于生态恢复是一项费用极其高昂的工作,而现有退化生态系统面积巨大、可利用资金有限,所以急需确定生态恢复的优先等级,以确保将有限资金投入到最为关键的恢复地段,实现最高效的生态恢复[3- 6]。2000年以后生态恢复优先级逐渐成为恢复生态学的研究热点之一。优先级评价需要确定清晰的生态恢复目标,其直接影响评价体系及其结果[7]。优先级研究对象以森林、海洋、河岸缓冲带、湿地等退化生态系统恢复成果居多[8-13],针对采矿区域退化生态系统的生态恢复优先级研究相对较少[14- 16]。

在我国东部平原地区的煤炭城市,针对面大、量广的采煤塌陷地,建立生态恢复优先等级成为高效开展生态恢复实践的关键[17]。绿色基础设施(GI)是城市生物生存的重要栖息地,能够有效保护城市生物多样性、提高城市整体生态功能。因此,将采煤塌陷地恢复为GI,确定GI引导下的采煤塌陷地生态恢复优先级具有重要现实指导意义。本文以徐州市为研究范围,结合采煤塌陷地GI生态适宜性评价与维持GI景观连接度的重要性评价,判断采煤塌陷地的生态恢复优先级。其中,景观连接度表征斑块之间在功能和生态过程上的有机联系,是反映GI稳定性的重要指标。研究得到的徐州市采煤塌陷地生态恢复优先级及分级管制策略,可以为土地复垦项目统筹开展和城市绿地系统规划提供参考。

1研究区概况

徐州市位于江苏省西北部,华北平原的东南部,介于116°22′—118°40′E、33°43′—34°58′N之间,市域总面积11258 km2,包含市区及下辖的5县(市)。徐州市地处暖温带季风气候区,年平均气温14.0℃,年平均降水量869.9 mm。全市以平原为主,地势低平；丘陵岗地约占9.4%。徐州市地处古淮河支流沂、沭、诸水的下游,境内河流纵横交错。徐州市矿产资源较丰富,曾是我国东部平原地区重要的煤炭生产基地。本研究范围限定于徐州市区,国土面积3126 km2,山林资源丰富,主要分布于建成区外围,故黄河与京杭大运河横贯东西,区域内建有29个煤矿(图1)。

2研究方法

2.1 数据处理

本研究利用2013年6月徐州市Landsat-TM卫星遥感影像(空间分辨率30 m),参照土地利用分类体系[18],在ENVI平台上通过人机交互的方式将徐州市区土地利用划分为水体、林地、耕地、草地、城镇建设用地、未利用地6种类型,并结合徐州市土地利用现状调查数据、Google Earth高精度影像和典型区野外调查等辅助资料对解译结果进行修正和订正处理,最终获得徐州市区土地利用数据库和归一化植被指数数据库。

图2　采煤塌陷斑块与城市GI生态源斑块分布图　Fig.2　Distribution of coal subsidence patches and ecological patches of GI

基于徐州市采煤塌陷地分布图(2012),对照Landsat-TM卫星遥感影像(2013)及Google Earth高精度影像、徐州市工矿废弃地复垦规划(2012—2015)等资料,对土地利用明显变化的塌陷区进行实地调查,更新数据,确定徐州市塌陷斑块,其集中分布于9个片区,约1.5×104hm2(图2)。同时,采用直接识别生态源地的方法,参考自然保护区、风景名胜区、森林公园等边界,确定徐州市区内GI源斑块,面积达3.03×104hm2。

2.2分析方法2.2.1塌陷斑块作为GI的生态适宜性评价

土地的生态适宜性是指通过对土地水文、地理、生物、人文等特征的综合评价来确定其对某类用途的适宜程度和限制性大小[19]。GI引导下的采煤塌陷地生态适宜性(ES)评价,是从塌陷地自身特性出发,确定其作为城市GI用地的适宜程度。本文参照GI识别及构建的评价指标体系[20],结合采煤塌陷片区的现状特征,从自然因素和人为因素2个方面选取评价因子,建立了包含8个指标层的采煤塌陷斑块生态适宜性评价体系(表1)。同时,按照各指标层的特点建立分级标准,按此标准以30 m×30 m栅格为单位对采煤塌陷地分别赋值,进而获得各指标的评价值。

表1　采煤塌陷斑块生态适宜性评价指标的分级标准

本文采用层次分析法确定各指标权重。运用YaahpV7.5软件建立层次模型,将同一层级指标构成比较矩阵,对两两指标的相对重要性进行打分,并通过矩阵一致性检验,确定各指标因子的权重值(表2)。利用ArcGIS 10.2平台中加权叠加工具,将各指标的评价结果按以上权重进行叠加,得到生态适宜性值,评价公式为[21]：

式中,ES是GI生态适宜性值,Xi是各项指标的分值,Wi为各指标的权重。

2.2.2塌陷斑块维持GI景观连接度的重要性评价

塌陷斑块在整个城市景观结构中的位置以及其对整体景观生态过程的影响,也是反映其作为GI适宜程度的重要因素。景观连接度是衡定景观生态过程的重要指标,其值越大,景观的稳定性越高[26]。各采煤塌陷斑块纳入GI前后城市整体景观连接度的变化,能够反映各采煤塌陷斑块对于维持城市GI景观连接度的重要性。因此,本文利用Pascual-Hortal和Saura等开发的Conefor Sensinode2.6软件,选取可能连通性指数(PC)来表征景观连接度,计算采煤塌陷斑块维持GI景观连接度重要性值(dPC),计算公式如下[27]：

表2　评价指标权重表

2.2.3塌陷斑块GI综合适宜度的评价

图3　采煤塌陷斑块的生态适宜性值图　Fig.3　The value of ecological suitability of coal subsidence patches

采煤塌陷斑块作为GI的适宜性和维持GI景观连接度的重要性是确定塌陷地GI综合适宜度的重要因素。二者对于判断采煤塌陷地GI综合适宜度均具有重要影响,因此将二者结果等权重叠加。其中为了使评价单元相一致,利用ArcGIS分区统计工具,将以栅格为单位的生态适宜性评价值,依据塌陷斑块进行均一化处理。

2.2.4塌陷斑块生态恢复优先级的确定

塌陷斑块的GI综合适宜度决定了GI引导下的采煤塌陷地生态恢复优先级大小,研究认为GI综合适宜度越高,生态恢复优先等级越高。按照自然断点法,将综合适宜度值划分为5级,从1—5生态恢复优先等级逐级升高,即非常低、低、中等、高、非常高。

3结果

3.1斑块恢复为GI的生态适宜性

通过徐州市区遥感影像的解译和处理,共确定了51个GI源斑块和310个采煤塌陷斑块。评价结果显示,采煤塌陷地的ES值波动于1.99—4.04之间,塌陷斑块恢复为GI的适宜性差异较大,其中ES值在3以上的塌陷斑块面积占研究区塌陷斑块总面积的45.5%(图3)。ES值较高的塌陷斑块主要集中在4区中部、6区中部、7区中部、8区北部和9区西北部,表明这些采煤塌陷地更适宜恢复为城市GI；而分布于2区中部、3区中部和7区北部的塌陷斑块ES值相对较低,说明其恢复为GI的适宜性较低、需要投入的成本较高。

图4　采煤塌陷斑块维持GI景观连接度重要性值图　Fig.4　The value of patch importance of sustaining GI landscape connectivity of coal subsidence areas

3.2斑块维持GI景观连接度的重要性

徐州市区采煤塌陷斑块维持景观连接度的重要性值介于0.004—2.27之间,但其分布极不均匀(图4)。其中,分值在0.2以下的塌陷斑块共242个(占塌陷斑块总数的78.06%),这些塌陷斑块的面积(共6054.84 hm2)占塌陷总面积的40.37%,说明大多数采煤塌陷斑块对于维持GI景观连接度的作用较低；分值在0.2—1.0之间的塌陷斑块数64个(占20.65%),面积(共7468.33 hm2)占50.19%,这些塌陷地对维持城市GI具有一定的作用；分值在1.0以上的塌陷斑块仅有4块,占斑块总数的1.29%,占塌陷斑块总面积的9.84%(共1476.83 hm2),这些斑块集中分布于7区的中部(潘安湖周边)和东北部(贾汪城区西侧),对于维持城市GI的稳定具有非常重要的作用。

3.3生态恢复优先级

由图5可以看出,徐州市区塌陷斑块的综合适宜度值介于1.04—3.08之间,表明现有采煤塌陷斑块恢复为城市GI的适宜程度具有较大差异。据此,将塌陷斑块的综合适宜度由小到大依此划分为非常低、低、中等、高、非常高5个等级,进而获得了徐州市区采煤塌陷地生态恢复优先级由低到高的顺序(图6)。其中,“非常高”优先级塌陷地面积2195.00 hm2,占塌陷总面积的14.66%,集中分布在8区北部、7区中部以及4区故黄河两岸；“高”优先级的塌陷地面积为4972.80 hm2,占塌陷总面积的33.21%,分布于大部分塌陷片区,在7区较为集中,占7区总面积的42.13%；“中等”优先级的塌陷面积为2750.96 hm2,占塌陷总面积的18.36%,“低”和“非常低”优先级的塌陷面积分别为2575.73 hm2和2480.99 hm2,分别占塌陷总面积的17.20%和16.57%。

4结论与讨论

徐州市区现有采煤塌陷斑块310块,在将其恢复为城市GI的前提下,有半数以上的塌陷地较适宜恢复为城市GI,这些塌陷地主要分布于贾汪、庞庄西片区、新河-卧牛片区中部，董庄、大黄山片区北部。而从各塌陷斑块对维持城市GI稳定性的作用来看,大多数塌陷斑块的作用较小,仅有4块采煤塌陷斑块的作用较突出,它们主要分布在贾汪中部及北部。因此,各采煤塌陷地恢复为城市GI的综合适宜度不尽相同。而塌陷地恢复为GI的综合适宜度越高,则其恢复为GI越容易、所需费用越低,越应该予以优先恢复；反之亦然。GI引导下徐州市区采煤塌陷地生态恢复优先等级中,优先等级为“高”和“非常高”的斑块面积占塌陷地总面积的47.87%,“中等”的较少(占18.36%),等级“低”和“非常低”的共占33.77%。

不同的塌陷地生态恢复优先等级地段,具有不同的生态恢复目标及管制措施(表3)。该生态恢复优先级评价框架,体现了“生态优先”理念,从整体视角引导局部地段生态恢复,强调塌陷地生态恢复目标应该从传统的恢复到“可供利用状态”扩展到城市整体生态功能的恢复和重建。同时,本文将景观连接度引入采煤塌陷地生态恢复优先级评价过程中,证明景观生态学方法是较大空间范围内退化生态系统恢复研究的有效途径。

采煤塌陷地的形成及其生态恢复是长期不断变化的过程,本文偏于静态的研究框架不足以涵盖其动态内涵,因此多时相、多尺度的采煤塌陷地生态恢复是今后研究的方向,未来可结合塌陷预测及生态监测技术,建立不同时段的生态恢复情景模拟研究。同时GI引导下采煤塌陷地生态恢复更多考虑将其优先作为生态用地,未来应实现经济、社会、生态复合目标下的多类土地用途比较研究。

图5　采煤塌陷斑块综合适宜度值图Fig.5　The value of comprehensive suitability of coal subsidence patches

图6　采煤塌陷斑块生态恢复优先级图Fig.6　The grades of restoration priorities for coal subsidence patches

优先级Priorities管制内涵Connotation特征Characteristics管制措施Regulationmeasures非常高Higher强烈建议纳入城市GI网络对于完善城市GI作用非常大的塌陷地段;该地段的ES值非常高,但dPC值具有差异;该地段或具有连续、大面积水域,如贾汪区中部;或位于城市重要河流的缓冲区,如庞庄西片区故黄河两岸;或具有较好的植被覆盖现状,如董庄片区北部;贾汪片区中部塌陷斑块同时具有较高的ES值与dPC值,因此尤其适宜作为城市GI用地建议恢复为禁止开发的生态保育空间,保证以栖息地支持、生物多样性保护、水源涵养等生态系统服务功能为主,严格禁止大规模人为建设活动,可以考虑恢复为较少人为干扰的自然栖息地、湿地保护区高High建议纳入城市GI网络对于完善城市GI作用较大的塌陷地段;该地段或ES值较高,或dPC值较高,如贾汪片区北部和庞庄东片区东部的生态适宜性并不高,但其所在景观位置较为重要使得其综合适宜度较高;义安片区中部拥有大面积水域,远离建成区,人为干扰小,生态适宜性较高,但对维持GI景观连接度的作用较小建议恢复为限制开发的城市开敞空间,加强现有植被的保育,可以考虑恢复为城市郊野公园、户外运动场地等适度人为干扰的土地用途,但在公园建设中要避免过多的人工痕迹和商业气息中等Medium可以纳入城市GI网络对于完善城市GI具有一定作用的塌陷地段;该地段的ES值与dPC值都处于中等水平,分布较为零散,综合生态适宜度一般,对维持GI景观连接度具有一定作用建议恢复为协调生态保护和经济发展的生产性开敞空间,如恢复为经济型农林用地、可再生能源基地等非建设用地低Low有条件下考虑纳入城市GI网络对于完善城市GI作用并不显著的塌陷地段,该地段的ES值与dPC值都较低,综合生态适宜度较低可以恢复为城市开敞空间,也可以在城市扩展过程中恢复为城镇建设用地非常低Lower可以不考虑纳入城市GI网络对于完善城市GI作用非常小的塌陷地段,该地段的ES值与dPC值都非常低,作为城市GI空间的限制性较大在城市扩展过程中可以优先考虑恢复为城镇建设用地

致谢：徐州师范大学尤海梅老师帮助写作,特此致谢。

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A framework for setting restoration priorities for coal subsidence areas based on green infrastructure (GI)

FENG Shanshan1, CHANG Jiang1,*, HOU Wei2

1SchoolofMechanicsandCivilEngineering,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou221116,China2ChineseAcademyofSurveyingandMapping,Beijing100830,China

Abstract：Ecological restoration of degraded areas is commonly an expensive enterprise that can result in varying levels of recovery. With limited financial resources, the restoration efforts should focus on areas where restoration will produce the greatest benefits. There are many coal subsidence areas in the coal cities on the eastern plain in China, and these areas have harmed the structure and functioning of urban green infrastructure (GI) for a long time. Setting restoration priorities is also an urgent task for restoration practitioners and urban planners in coal cities, and identifying the restoration objective is the key for assessing restoration priorities. Many studies on coal subsidence areas focus on local objectives to evaluate the land suitability (e.g. soil restoration, habitat restoration). However, few studies so far have considered a broader context, such as the perspective of sustaining GI stability, when planning restoration actions. In this paper, we investigate which coal subsidence areas should have priorities for restoration, based on the goal of GI. We consequently propose a framework for prioritizing the restoration actions of coal subsidence patches, based on the ecological suitability of GI and the potential for sustaining urban landscape connectivity. Coal subsidence patches with high ecological suitability and with enough potential capacity to favor urban landscape connectivity were given a higher priority, and could therefore play a strong positive role in improving urban GI stability and sustainability. Our developed method consisted of three steps. First, we quantified the ecological suitability within each coal subsidence patch, using a vertical overlay method. This method takes into account variables such as land use status, normalized difference vegetation index, distance to the nearest ecological protection area, distribution of the main rivers in the patches, and distance to grey infrastructure and industrial areas. Second, we identified the spatial relationships between the coal subsidence patches and existing ecological patches, and subsequently quantified their potential capacity for improving the urban landscape connectivity using Conefor Sensinode 2.6 software. Finally, we overlaid the results of the ecological suitability and the potential for sustaining connectivity, giving both scores equal weights. The coal subsidence patches were then ranked according to their total score. To demonstrate an application of our proposed method, we present a case study for Xuzhou, Jiangsu Province. More than half of the coal subsidence areas here demonstrated a high ecological suitability for GI, and these areas were distributed in the region with a good ecological status and little human disturbance. The coal subsidence patches in North and Central Jiawang had significant roles in sustaining landscape connectivity. Finally, the coal subsidence area restoration priority values were divided into five grades, with the high and higher priority sites generally located in Central Jiawang and Central Pangzhuangdong, and in North Dongzhuang and North Zhangji. Overall, our proposed method demonstrated to be feasible when used for prioritizing restoration actions of coal subsidence areas in Xuzhou.

Key Words:coal subsidence area; green infrastructure(GI); ecological restoration; ecological suitability; landscape connectivity; eco-planning

基金项目:国家自然科学基金资助项目(41171441)；江苏省普通高校研究生科研创新计划项目(CXZZ11-0298)

收稿日期:2015- 05- 05;

修订日期:2015- 12- 10

*通讯作者

Corresponding author.E-mail: changjiang102@163.com

DOI:10.5846/stxb201505050917

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