徐占軍，趙思萌，王培周，畢如田

煤炭開采對“礦-農”復合區(qū)農田質量影響評價

徐占軍，趙思萌，王培周，畢如田

（山西農業(yè)大學資源環(huán)境學院，太谷 030801）

農田質量的內涵應包括本底質量、經濟質量和生態(tài)環(huán)境質量3部分。煤炭開采導致農田嚴重受損，科學合理評價煤炭開采對礦-農復合區(qū)農田質量的影響，對制定區(qū)域土地復墾規(guī)劃和綜合整治有著重要的意義。以山西省澤州縣長河流域為研究區(qū)，該研究首先建立了煤炭開采沉陷區(qū)農田質量評價的指標體系，選取農田自然質量、農業(yè)生產條件、區(qū)位條件、農田環(huán)境條件來表征農田質量，對并依據這些指標進行空間可視化，利用多因素加權求和的方法對農田質量進行綜合評價。研究結果表明：與煤炭開采非擾動區(qū)相比，位于煤礦區(qū)井田邊界內的農田自然質量、農業(yè)生產條件、區(qū)位條件、農田生態(tài)環(huán)境條件評價分值均較低；煤礦井田邊界范圍內的農田質量（平均值為0.37）低于非礦區(qū)農田（平均值為0.55）。應結合煤炭開采擾動影響區(qū)農田質量區(qū)域分布特點，制定科學合理的礦-農復合區(qū)土地復墾規(guī)劃和土地綜合整治方案。

開采；復墾；農田質量；礦-農復合區(qū)

0 引 言

農田質量一般指農田的狀況和條件，其質量高低是糧食安全和社會安全的重要保障。農田質量的高低是其內在屬性即自然地理條件與外在屬性即社會經濟投入的集中體現。其有廣義和狹義之分。狹義的農田質量指的就是其本底質量，就是指的農田質量的自然屬性；而廣義的農田質量的內涵應包括本底質量、經濟質量和生態(tài)環(huán)境質量3部分。本底質量是農地質量的基礎，具體指農田質量的自然屬性，即自然質量；經濟質量是指利用強度和生產能力，具體是指農田質量的經濟屬性；而生態(tài)環(huán)境質量反映的是農田利用過程所產生的環(huán)境影響，具體是指農田質量的環(huán)境屬性。這種內涵界定充分體現了農田系統(tǒng)是一個自然、經濟復合生態(tài)系統(tǒng)，綜合考慮了其自然、經濟和生態(tài)環(huán)境屬性[1]。

“礦-農”復合區(qū)是指以地下礦產資源開采和加工，地上農業(yè)生產及耕作為主的資源-產業(yè)復合發(fā)展區(qū)域，亦稱礦農疊加區(qū)和礦農積聚區(qū)，在中國農業(yè)生產及采煤區(qū)域重疊的地區(qū)占到全國耕地面積的40％左右，近20 a中國因煤炭開采而受損的耕地面積約為4萬 hm2[2]。煤炭開采給當地帶來了更多的就業(yè)機會和經濟發(fā)展活力，但同時導致采區(qū)農田質量嚴重受損，而與其相關的農田自然、經濟、生態(tài)環(huán)境等要素也會隨之發(fā)生變化，比如胡振琪等[3]學者基于“星-空-地-井”四位一體技術對神東礦區(qū)生態(tài)因子進行監(jiān)測，發(fā)現煤炭開采對沉陷區(qū)生態(tài)有一定影響，主要表現在對地表形變、裂縫、土壤水分以及植物生長的影響。陳龍乾等[4-7]學者發(fā)現煤炭開采導致農田土壤理化性質、土壤碳庫以及農田基礎設施條件產生劇烈變化。

有關煤炭開采對“礦-農”復合區(qū)農田質量的影響，學者們主要是從點位和區(qū)域尺度上對煤炭開采造成的農田單個或幾個質量因子的擾動影響進行了研究，并未基于農田質量的廣義內涵進行深入分析，而且在基于區(qū)域尺度的農田質量綜合評價指標還未形成體系。參考國內外近年來有關非礦區(qū)農田質量評價的研究進展及發(fā)展趨勢，對于農田質量影響評價已從單純考慮專項的基礎地力等和土壤性質發(fā)展到綜合考慮自然、經濟和社會的“人地一體化的資源價值管理評價”[8]。所以有必要將煤炭開采對區(qū)域農田質量影響評價的內涵擴展到其廣義層面，這有助于制定更為科學合理的“礦-農”復合區(qū)土地復墾規(guī)劃和土地綜合整治方案。

本文以典型“礦-農”復合區(qū)（晉城市長河流域）研究區(qū)，研究煤炭開采對“礦-農”復合區(qū)農田質量影響，研究的主要目的包括：1）構建一套基于廣義內涵基礎上的“礦-農”復合區(qū)農田質量評價指標體系；2）以“礦-農”復合區(qū)域內煤炭開采擾動區(qū)為對照區(qū)，分析煤炭開采對農田質量影響的影響程度和空間分布特征；3）通過外業(yè)采樣、GIS空間分析以及實地調研來分析典型“礦-農”復合區(qū)域內煤炭開采對農田質量的影響因素。

1 數據與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山西省晉城市西北部澤州縣域內的長河流域（圖1），其地理坐標為35°30′10″～35°38′06″N，112°37′40″～112°46′04″E，總面積約113.224 km2，區(qū)域內包含川底鄉(xiāng)、大東溝鎮(zhèn)和下村鎮(zhèn)3個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的48個行政村。長河是沁河的一級支流，整條河由南向北貫穿整個長河流域。研究區(qū)屬于溫帶大陸性季風氣候，四季分明，冬季寒冷干燥，夏季炎熱多雨。年平均氣溫10.9 ℃，年均降雨量為628.3 mm，年均日照時數為2 392.8 h。該區(qū)域主要的地貌類型為丘陵，主要土壤類型為褐土，區(qū)域內的耕地多為旱地，主要作物是小麥和玉米，一年一熟或兩年三熟。

該區(qū)是典型的“礦-農”復合區(qū)。流域境內礦產資源以煤為主，含煤面積達528.6 km2。含煤地層為山西組和太原組，共含煤8～17層，總厚度約9.18～14.23 m。長河流域左側分布著成莊煤礦等12個煤礦，是山西省主要的產煤區(qū)之一。受高強度的煤炭開采影響，研究區(qū)礦區(qū)與非礦區(qū)土壤質量差異較大，長河左側煤炭開采區(qū)煤礦分布比較集中，采煤量較大，煤炭資源豐富，煤質優(yōu)良，當前主要以3號，9號以及15號煤層為主。依靠豐富的煤炭資源，該區(qū)域經濟得到快速發(fā)展，但特殊的黃土層和粗放的煤炭開采方式使該區(qū)的土地塌陷、生態(tài)環(huán)境破壞嚴重。長河右側區(qū)域受煤炭開采影響較小，為主要農業(yè)耕作區(qū)。

圖1 研究區(qū)地理區(qū)位及采樣點分布圖

1.2 數據來源和預處理

1.2.1 土壤樣品的采集與測定

2015年7月進行了研究區(qū)的野外采樣工作，采樣方法為格網法，將研究區(qū)用1 000 m′1 000 m的網格劃分，在以網格中心為原點，每隔5 m為半徑的范圍內進行采樣，采用“S”形布點、多點混合取樣，采樣深度0～20 cm一共采集117個土壤樣品，并同時采用GPS定位技術采集記錄每個采樣點的地理坐標。采樣完畢后將土樣密封并帶回實驗室保存并測定其常規(guī)理化性質，具體測定方法見《土壤農化分析》（第2版）[9]。

1.2.2 數據來源及預處理

考慮數據資料可靠性及可獲取性，本文所用數據資料主要包括圖件數據、社會經濟統(tǒng)計數據以及土壤采樣數據：1）晉城市澤州縣2017年1∶10 000的土地利用變更調查數據，主要獲取農田布局、農村居民點分布、道路、溝渠水域以及各鄉(xiāng)鎮(zhèn)行政中心等；2）1∶10 000 DEM（Digital Elevation Model）提取地形坡度，土壤普查數據獲取土壤屬性；3）研究區(qū)2017年統(tǒng)計年鑒以及該年份相關農業(yè)統(tǒng)計資料，獲取社會經濟等統(tǒng)計數據；4）研究區(qū)經濟統(tǒng)計數據、煤炭資源開發(fā)利用方案、土地復墾方案、環(huán)境監(jiān)測報告等；5）研究區(qū)12個煤礦的環(huán)境監(jiān)測數據計算綜合污染指數；6）實地調研資料。

對數據進行預處理：對收集統(tǒng)計到的數據進行梳理檢查，確保單位的規(guī)范統(tǒng)一；在ArcGIS中實現各專題地圖的空間投影坐標系一致。在實驗室內通過土壤樣品分析測量研究區(qū)117個土壤采樣點的有機質、pH值、速效氮磷鉀等化學性質數據；采用ArcGIS軟件對地形坡度數據、土壤采樣點數據、及社會經濟統(tǒng)計數據進行矢量化處理，并在此基礎上通過空間分析功能中的Kriging插值法、反距離權重法驗證對比，選擇最優(yōu)插值效果對各指標進行空間插值。根據最優(yōu)半方差函數模型，對文中所選指標數據進行Kriging 最優(yōu)內插處理，有機質插值后精度檢驗結果顯示平均絕對誤差MAE（Mean Absolute Error）為0.063，均方根誤差RMSE（Root Mean Square Error）為0.087，一致性系數AC（Agreement Coefficient）為0.925，插值效果較理想。其余指標驗證方法類似，經檢驗修正后生成各因素空間分布專題圖。

1.3 評價單元的劃分

評價單元是具有特定土地特性和土地質量的土地評價和制圖的基本單元。其內部要素構成相對一致，質量相對均一，屬性相對一致，但單元之間有顯著差異[10]。依據中國農用地分等定級規(guī)程并參考已發(fā)表研究成果得出常用的評價單元劃分方法有圖斑法、疊置法、地塊法及動態(tài)網格法[11-17]。本文首先選取疊置法將晉城市澤州縣土地利用現狀圖和土壤圖進行疊加，在此基礎上提取所有農田作為評價對象。鑒于研究區(qū)煤炭開采區(qū)地貌復雜且土壤性質均質性差等現狀情況，單純疊置法并不能保證研究區(qū)各評價單元評價因素的均一性，根據研究區(qū)各煤礦的開采沉陷對地表破壞的理論模擬以及項目的實地調研結果，最終確定研究區(qū)農田評價單元的大小為30 m′30 m，基本可以保證評價單元的均質性也同時能夠反映研究區(qū)農田質量的空間分異特征。

1.4 礦-農復合區(qū)農田綜合質量評價指標體系構建

本文基于農田質量的廣義內涵構建“礦-農”復合區(qū)農田質量評價指標體系，所以其指標體系包括“自然質量、經濟質量和生態(tài)質量”3個部分。同時根據本文研究“礦-農復合區(qū)”的實際情況，選取煤炭開采前后變化明顯的因素作為評價指標。

1.4.1 農田自然質量評價指標選取

農田的自然質量評價是綜合質量評價的基礎，它反映的是該區(qū)域農田質量的優(yōu)劣及適用農業(yè)生產的可能性[18]?！暗V-農”復合區(qū)域，煤炭開采沉陷引發(fā)地表形變，改變了沉陷區(qū)原始地貌，地裂縫的產生影響田塊平整度并導致沉陷區(qū)土壤在局部緊實或松散，從而使沉陷區(qū)內土壤容重、孔隙度、充水孔隙度、微生物活動指數等土壤性質發(fā)生變化；煤炭開采改變了沉陷區(qū)內地表徑流狀況、改變了沉陷區(qū)地下水系和潛水深度，導致沉陷區(qū)土壤水分條件發(fā)生變化；開采沉陷后形成地形坡地，在降雨、風蝕等外界因素影響且地表植被相對薄弱的地方，坡地表土流失，使塌陷區(qū)土壤質地、pH值、總有機質含量、氮、磷、鉀等土壤肥力指標產生變化。

本研究借鑒農用地分等定級規(guī)程中有關常規(guī)農田自然質量評價的推薦指標，同時考慮煤炭開采對“礦-農”復合區(qū)農田質量指標的影響，選取地形坡度、地裂縫、容重、含水量、孔隙度、土壤有機質、土壤速效N、P、K、pH值來評價“礦-農”復合區(qū)農田的自然質量。

1.4.2 農田經濟質量評價指標選取

農田作為農業(yè)的主要載體和生產源，其開發(fā)利用與效果亦受人類社會經濟活動的影響。農田經濟質量的影響評價因素可以分為農田農業(yè)生產條件評價因素和農田區(qū)位評價因素。

1）農田農業(yè)生產條件評價因素。農業(yè)生產條件反映土地進行農業(yè)用途的環(huán)境可行性，可評估除自然因素以外使一個地區(qū)保持農業(yè)用地適宜性的其他因素[19]。煤炭開采使巖層原來的應力狀態(tài)發(fā)生改變，地表產生向下彎曲、變形和移動，造成地表農田基礎設施的嚴重破壞，影響農田的灌溉保證率、排水條件、田間供電、田塊形狀等；開采沉陷可能導致地面產生沉陷積水從而影響局部農田的利用方式，同時影響農田的田塊形狀（地塊規(guī)整度）和集中連片度。本研究借鑒農用地分等定級規(guī)程中有關農業(yè)生產條件評價的推薦指標，并考慮到研究區(qū)大部分耕地為旱地（望天田），幾乎沒有農田水利和供電設施，最終選取農田利用方式、地塊規(guī)整度和集中連片度為農田生產條件評價因素。

2）農田區(qū)位評價因素。農田區(qū)位評價因素反映農田本身所具有的條件及屬性，區(qū)位優(yōu)勢對一個區(qū)域的農田質量具有顯著帶動作用，通過改善區(qū)域農田經營管理水平進而影響農田質量。煤炭開采通常不會改變中心城鎮(zhèn)的位置，但采煤損毀農田的重新整理修復后會改變原有農田的空間位置和布局，影響其耕作便捷度及農田耕作距離，導致研究區(qū)農田區(qū)位條件的變化。在農用地分等定級規(guī)程中有關農地區(qū)位條件的常用評價指標有中心城鎮(zhèn)影響度、道路通達度、耕作距離及耕作便捷度等，鑒于上述分析，本文選取耕作距離和耕作便捷度作為農田區(qū)位條件的評價因素。

1.4.3 農田生態(tài)環(huán)境質量評價指標選取

農田生態(tài)環(huán)境質量是指保持農田生產力、維持農田環(huán)境質量、促進農作物安全生產的適宜程度[20]。目前農田生態(tài)環(huán)境影響因素已經成為威脅食物安全及區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康的重要因素，主要包括農田土壤污染因素（農藥、有機污染物、重金屬等）、有害灌溉水源、煙塵、氣體等。在煤礦區(qū)，煤炭開采過程釋放礦井瓦斯、矸石自燃、煤炭燃燒等形成了大量的有害氣體嚴重污染礦區(qū)及其周邊大氣環(huán)境，造成礦區(qū)附近樹草枯萎、農作物減產。相關研究和實地調研均表明煤礦區(qū)大氣污染主要以SO2和煙塵（顆粒物）為主要污染物的煤煙型污染為主[21]；煤炭開采排放的礦坑水以及洗煤廢水中含有有機污染物和重金屬，如不經處理直接排放到河流中會污染農田灌溉水源，從而造成礦區(qū)農田土壤的嚴重污染。本文研究區(qū)基本為旱地（非灌溉農田），同時通過對研究區(qū)長河及其支流水質的測定發(fā)現其重金屬等污染物并未超標，因此礦山廢水導致的土壤重金屬污染問題不存在。依據中國農用地分等定級規(guī)程和《農田土壤環(huán)境質量監(jiān)測技術規(guī)范》（NY-T 395—2000）[22]，選取SO2和煙塵（顆粒物）為研究區(qū)農田生態(tài)環(huán)境質量評價指標。

1.5 評價指標體系權重的確定

采用網絡層次分析法（ANP）與專家打分法相結合的方式確定指標權重，在具體應用過程中包括構置網絡式層次結構分析圖、構建系統(tǒng)超矩陣、歸一化處理構建系統(tǒng)加權超矩陣、極限化處理使其逐漸收斂，并且結果趨于一致時得到的極限相對排序向量即為最終權重值[23-24]。指標的分制標準采用[0,100]的百分制，各因子分值則按其對農田質量影響的衰減程度賦予不同分值。各指標的標準化主要參考中國第二次土壤普查數據相關標準、《農用地質量分等規(guī)程》[25]、《農用地質量定級規(guī)程》（2012）[26]，評價指標體系權重及指標分級標準見表1。

1.6 評價指標量化分析

1.6.1 農田自然質量

農田的自然質量是作物正常生長發(fā)育的基礎。本文利用研究區(qū)外業(yè)采集117個土樣的土壤有機質等理化性質的實測值來進行研究區(qū)土壤有機質、速效氮、磷、鉀、pH值、含水率、容重、孔隙度的空間插值；

地形坡度根據提取的坡度DEM數據，在ArcGIS中對研究區(qū)的地形坡度進行提取分析；

裂縫：裂縫對農地質量的影響屬于線狀影響因素，依據農用地分等定級規(guī)程，本文采用線狀影響作用模型中的指數衰減模型對裂縫對農田質量的影響進行模擬?；谘芯繀^(qū)各煤礦區(qū)開采沉陷模型模擬和裂縫實地調研數據，以裂縫寬度為裂縫影響的規(guī)模指數確定依據，公式如下：

式中是第條裂縫的作用分值，為規(guī)模指數，是每條裂縫影響的相對距離。對其進行歸一化處理，越接近于1即表示裂縫的影響程度越大。依據指數衰減法對裂縫進行分級賦分。

基于此對表1中有關土壤性質進行分級，得出研究區(qū)農田自然質量評價指標的指標分級圖（圖2）

1.6.2 農業(yè)生產條件

農田利用方式：長河流域沒有水田分布，根據長河流域實際情況，參照相關文獻并結合定性評分，確定水田、水澆地、旱地的評分分別為100、80、60。

地塊規(guī)整度：農田規(guī)整度根據公式（2）[9]來計算。

式中表示地塊形狀系數，其越小表示形狀越規(guī)則。表示地塊面積，hm2，表示地塊周長，m。為避免過大數引起的數值問題，對規(guī)整度進行歸一化處理。

農田連片度：農田連片度在ArcGIS中的空間分析功能中實現，利用農田柵格數據來判斷地塊之間的距離大小，并參考全國第二次土地調查技術規(guī)程要求，20 m寬度即為線裝地物，因而小于20 m的地塊即可認為地塊是連片的，此范圍內的地類界限、行政界線、水渠、田埂等均不視為連片地塊分割物。利用ArcGIS的緩沖區(qū)分析（緩沖距離為10 m）對所有農田圖斑進行分析，并將相交圖斑進行合并，用不同顏色來表示不同程度的連片地塊。圖3為其農業(yè)生產條件分級圖。根據歸一化公式（3）對農田連片度進行量化分析。

式中i為農田連片度值，max為農田連片度最大值，min為連片度最小值。通過柵格計算功能實現農田連片度的歸一化。

表1 長河流域農田質量評價指標體系及量化

注：指標分級標準中的I、II、III、IV、V、VI從高到低分別賦予100、80、60、40、20、0。

Note: From high to low, 100, 80, 60, 40, 20 and 0 are assigned to I, II, III, IV, V and VI in the index classification standard.

1.6.3 區(qū)位條件

農田的區(qū)位條件是指農田所處的具體位置。位置的優(yōu)越性決定了農產品的運輸成本，利于提高農民的收入，影響農民的耕作意愿。本文以耕作距離和耕作便捷度為指標對長河流域的區(qū)位條件進行了研究，圖4為長河流域區(qū)位條件指標分級圖。

耕作距離：表示居民點到農田的距離，在ArcGIS中提取農田及居民點的shape圖層，并通過要素轉點將面要素轉換為點要素。通過分析工具、鄰域分析、點距離分析耕作距離。并為避免數值過大問題對分析結果進行歸一化處理。

耕作便捷度：即農田到道路的最小直線距離，在ArcGIS中提取道路與農田的點要素，通過空間分析功能中的鄰域分析的生成近鄰表生成流域內每條道路到每塊農田的距離，并通過匯總統(tǒng)計工具篩選出每個點到每條道路的最小距離。通過克里金差值分析區(qū)域內耕作便捷度。并對分析結果進行歸一化處理，此處數值越小表示農田離道路距離越近，分級標準如表 1所示。

1.6.4 農田環(huán)境條件

農田環(huán)境條件決定農田生產能力，本文以區(qū)域煙塵及二氧化硫污染指數作為農田環(huán)境條件評價指標。通過查閱長河流域礦區(qū)環(huán)境報告中環(huán)境影響及污染物排放變化情況來獲取研究區(qū)12個煤礦和非礦區(qū)的煙塵排放量及SO2排放量數據[27]，利用ArcGIS的空間分析功能對兩組數據進行空間插值，并按照表1中有關煙塵及二氧化硫含量分級標準進行分級賦分，得出研究區(qū)農田環(huán)境條件評價指標的指標分級圖（圖5）。

1.6.5 農田綜合質量評價

本文采用多因素綜合評價法對農田綜合質量進行評價，根據農田自然質量、農業(yè)生產條件及區(qū)位條件的空間分布分級圖，利用公式（4）對研究區(qū)農田綜合質量進行評價。

式中表示農田質量綜合評價得分，i為第個指標的權重，i為第個指標的分值，為評價因子數。實現指標屬性分值到農田質量綜合評價分值之間的轉換，進行加權疊加后得出農田單元的評價分值。

圖3 長河流域農業(yè)生產條件指標分級圖

圖4 長河流域區(qū)位條件指標分級圖

圖5 長河流域農田環(huán)境條件指標分級圖

2 結果與討論

2.1 煤炭開采對區(qū)域農田自然質量影響評價

圖 6a為研究區(qū)的自然質量綜合評價分級圖，依據研究區(qū)農田自然質量綜合評分值，本文將長河流域農田自然質量分為6級。研究區(qū)農田自然質量在空間分布上，表現出右側煤炭開采未擾動區(qū)農田自然質量較好而左側煤炭開采擾動區(qū)較差的分布特征，且農田自然質量最好的區(qū)域分布在長河右側中部區(qū)域及長河左側煤礦井田邊界范圍外的區(qū)域，長河左側煤礦井田邊界范圍內的農田其自然質量整體評分較低，其自然質量均分為0.42，低于長河流域農田自然質量評價的平均得分0.53，而長河右側農田自然質量平均得分為0.63，其主要原因是煤炭開采。通過研究區(qū)煤礦的土地復墾方案和實地調研發(fā)現長河流域內位于長河西側的晉潤、天泰坤達、岳圣山等煤礦開采活動對左側礦區(qū)范圍內的農田（90%）造成了不同程度的破壞，導致其自然質量下降；左側最南部自然質量較好農田未分布在開采區(qū)內，影響較小。從本文圖2也可以發(fā)現煤炭開采導致長河流域左側煤炭開采區(qū)農田土壤理化性質（有機質、速效鉀、速效氮、速效磷、容重、含水率等）都存在不同程度的降低。對礦區(qū)土地利用變化與生態(tài)環(huán)境響應的相關研究表明，煤炭開采引起的地表塌陷和裂縫災害增多以及煤矸石壓占土地資源等情況，會對土壤質量造成嚴重影響[28]，煤炭開采會造成土壤中速效氮磷鉀，有機質及生物活性等土壤理化、生物性質的變化[29]，造成煤礦開采區(qū)土壤結構較差，土壤肥力將低，農田自然質量低于未開采區(qū)[30]。

圖6 農田自然質量和農業(yè)生產條件綜合評價分級圖

2.2 煤炭開采對農田經濟質量影響評價

2.2.1 煤炭開采對農田生產條件影響評價

圖6b為研究區(qū)農業(yè)生產條件綜合評價分級圖，長河流域的農業(yè)生產條件綜合評分不高，農業(yè)生產條件最好的區(qū)域分布在靠近長河東側中部煤炭開采未擾動區(qū)，這些區(qū)域農田地勢較平坦、而且經過傳統(tǒng)耕作其農田集中連片度和規(guī)整度相對較好；分布在長河左側最南端部分的農田生產條件也很高，是因為它是為數不多的水田區(qū)域，且河谷地地勢平坦，沒有受到煤炭開采的影響。在長河西側中部分布著一些農田生產條件綜合評價得分較高的區(qū)域，這些區(qū)域大多是河谷地和水田，且分布于煤礦井田邊界之外，受煤炭開采擾動影響較??；煤礦井田邊界之內也有一些農田生產條件評價分值較高的區(qū)域零散分布，經實地調研發(fā)現這些區(qū)域均為煤炭開采塌陷區(qū)的復墾農田區(qū)。塌陷地的復墾可以提高農田地塊的平整度、規(guī)整度和集中連片度，從而提高其農田生產條件。

從圖6可知長河東側煤炭開采未擾動區(qū)農田生產條件明顯好于長河西側的煤炭開采擾動區(qū)，而且長河西側的農田區(qū)域之間分布著大量的非農田區(qū)（農田區(qū)之間的空白區(qū)），這些區(qū)域在煤炭開采擾動影響前也是農田，煤炭開采導致地表沉陷導致農地耕作效益不佳或者由于開采導致地形起伏較大，沉陷區(qū)局部農田地形坡度大于了25°，黃土高原區(qū)大于25°的農田需要退耕還林[31]，從而使大量的原始農田變?yōu)榱值睾突牟莸?，導致長河西側農田的地形坡度、集中連片度和地塊規(guī)整度降低。相關研究也證實煤炭開采所固有的時間持續(xù)性、空間擴展性和強干擾性，使礦區(qū)景觀生態(tài)受到嚴重影響，且這種影響具有時間和空間上的累積效應[32]，使得礦區(qū)土地利用格局變化顯著，農田減少，工礦建設用地及塌陷地增加，土地利用格局破碎化和非均質化[28]。

2.2.2 煤炭開采對區(qū)域農田區(qū)位條件影響評價

圖7a為研究區(qū)農田區(qū)位條件綜合評價分級圖?？傮w上長河右側煤炭開采未擾動區(qū)農田區(qū)位條件的平均水平（平均值0.50）要好于左側煤炭開采擾動區(qū)的農田（平均值0.45）。而長河左側煤礦井田邊界范圍內的農田其區(qū)位條件評價值處于研究區(qū)最低水平。這是由于長河流域左側煤礦分布廣泛，煤炭開采導致地表沉陷變形使得農田道路破壞，甚至無法通行，交通通達度降低，耕作便捷度評分降低；而且煤炭開采沉陷造成房屋大量損壞，使得長河西側的農村居民點大量搬遷到長河東側煤炭開采未擾動區(qū)，經過晉煤集團搬遷處調研得知從1990—2016年，長河西側8個自然村的1.5萬人從西側煤炭開采擾動區(qū)搬遷到長河東側，而這就會導致長河西側農田的耕作距離增加，使得長河西側農田的區(qū)位條件整體變差。相關研究也表明了煤炭開采會導致農村道路的損壞和農村居民點搬遷[33]，比如溫昕等基于GIS的空間分析功能對采煤塌陷區(qū)村鎮(zhèn)新居選址及居民點搬遷進行了分析，研究結果表明新居民點應位于遠離塌陷區(qū)、坡向向南、臨近主干道和中心鎮(zhèn)區(qū)域[34]，結果造成位于農田周邊的居民點大多搬遷而遠離傳統(tǒng)耕作區(qū)，從而導致開采擾動前的農田區(qū)位優(yōu)勢喪失。

圖7 區(qū)位條件和農田環(huán)境質量綜合評價分級圖

2.3 煤炭開采對區(qū)域農田環(huán)境條件影響評價

圖7b為研究區(qū)農田環(huán)境條件綜合評價分級圖。由圖可以看出，長河東側煤炭開采未擾動區(qū)煙塵及二氧化硫排放物較少，影響較?。婚L河左側煤礦區(qū)農田環(huán)境污染較為嚴重，其中天安潤宏、天安壁盈及天安坤達的部分區(qū)域污染最為嚴重，這些煤礦在開采過程中不注重環(huán)境保護和污染物的凈化，導致該區(qū)域環(huán)境污染程度高于其他區(qū)域。而天安晉南、天泰岳南及成莊煤礦環(huán)境污染排放物達標，這些煤礦在煤炭開采時建立了嚴格的污染物排放標準，且在開采后采取了及時的環(huán)境保護措施。長河東側煤炭開采非擾動區(qū)內并無明顯的污染源，只受到了西側礦區(qū)的一些大氣污染源擴散的影響，所以農田環(huán)境條件較好。

2.4 煤炭開采對區(qū)域農田綜合質量影響評價

圖8為研究區(qū)農田綜合質量評價分級圖，可以發(fā)現研究區(qū)的農田綜合質量在煤炭開采擾動區(qū)和非擾動區(qū)差異十分明顯，煤礦井田邊界內的農田綜合質量評價普遍較低（綜合質量平均值為0.37），農田質量較差。而農田綜合質量最好的區(qū)域主要分布在長河東側煤炭開采未擾動區(qū)（農田綜合質量評價平均值為0.53）以及西側非井田邊界范圍內、且靠近長河的河谷地農田（綜合質量評價平均得分為0.55）。由此可以得出煤炭開采對農田綜合質量的影響很大。煤炭開采的擾動影響對農田的自然質量條件、經濟質量和環(huán)境質量均產生劇烈擾動影響，最終導致開采區(qū)農田綜合質量嚴重下降。

圖8 農田質量綜合評價分級圖

農田綜合質量最差的是成莊煤礦的農田（農田綜合質量評價平均得分為0.33），是由于該礦產800萬t，開采工藝是長壁綜采放頂，且采深較淺（500 m）。高強度開采對土壤以及農田基礎設施、道路以及周邊居民點損毀最為嚴重。農田綜合質量最好的區(qū)域分布在長河沿岸及長河東側，該區(qū)域農田質量評價得分在0.62～0.74，該區(qū)農田利用方式以旱地為主，農田面積占整個流域的60%左右，中部河谷地水田區(qū)地勢平緩，水資源較豐富，農業(yè)生產條件優(yōu)越，這些區(qū)域距離居民點較近，該區(qū)域內流域兩側交通便利，耕作距離合適，且田間管理及農產品運輸方便。農田質量相對較差的區(qū)域主要分布于長河流域外圍（農田質量評價得分在0.54～0.63），主要受地形因素影響，海拔高，坡度大，而且隨著中國經濟的發(fā)展和“精準扶貧”政策，長河流域外圍山區(qū)的農民大量被遷移到城鎮(zhèn)，使得區(qū)域農村居民點大量減少，導致這些區(qū)域農田的區(qū)位條件變差，從而影響農田質量。

3 結 論

農田質量的內涵應包括本底質量、經濟質量和生態(tài)環(huán)境質量3部分?？茖W合理評價礦-農復合區(qū)煤炭開采對區(qū)域農田質量的影響，對制定區(qū)域土地復墾規(guī)劃和土地綜合整治有重要意義，本文研究煤炭開采對“礦-農”復合區(qū)農田質量的影響，主要結論如下：

1）構建了煤炭開采對“礦-農”復合區(qū)區(qū)域農田質量的影響評價指標體系，選取了依據農田自然質量、經濟質量、和農田環(huán)境質量來表征“礦-農”復合區(qū)農田綜合質量，在其基礎上構建其二級指標體系。

2）煤礦井田邊界內的農田質量評價普遍較低（綜合質量平均值為0.37），農田質量較差。而農田綜合質量最好的區(qū)域主要分布在長河東側煤炭開采未擾動區(qū)（農田綜合質量評價平均值為0.53）以及長河西側非井田邊界范圍外的農田（綜合質量評價平均得分為0.55）。煤炭開采的擾動影響不僅會對自然質量、經濟質量、和農田環(huán)境質量等單個因素造成負面影響，而且最終會在區(qū)域層面上導致開采沉陷區(qū)農田綜合質量嚴重下降。

3）本文以典型的“礦-農”復合區(qū)為例，經過外業(yè)采樣、GIS空間分析和實地調研發(fā)現煤炭開采導致區(qū)域層面上農田綜合質量嚴重下降的原因主要包括：煤炭開采破壞了研究區(qū)地形地貌，加速了土壤中養(yǎng)分流失，導致地塊破碎，農田規(guī)整度下降；煤炭開采導致地表沉陷變形使得農田道路大量破壞，交通通達度降低，耕作便捷度差；部分煤礦在開采過程中不注重環(huán)境的保護和污染物的凈化，導致局部環(huán)境污染程度偏高。

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Evaluation of the impacts of coal mining on farmland quality in mine-agriculture regions in China

Xu Zhanjun, Zhao Simeng, Wang Peizhou, Bi Rutian

(,,030801,)

Farmland quality refers to the ability of the land to perform agriculture functions, such as grain production, sustainable performance. The evaluation of farmland quality can include three aspects, background quality, economic quality and ecological environment quality. The indictor farmland quality provides the internal natural attributes, particularly on natural geographical conditions affected by social and economic input. Specifically, the “mining-agriculture” combined method can be widely engaged in agricultural production on the ground, while coal mining underground in Shanxi Province, China. Coal mining has caused serious damage to the farmland, where the quality of cultivated land has deteriorated, and thereby posed great threat on food security and social stability. Therefore, it is necessary to systematically evaluate the impact of coal mining on the quality of farmland in the mine-agricultural complex region, as well for the formulation of regional land reclamation plans. Taking the Changhe river basin in Zezhou County, Shanxi Province as the research area, four indexes were selected to characterize overall farmland quality, including natural quality of farmland, agricultural production conditions, location conditions, and farmland environmental conditions, according to the national standard "Regulations on Agricultural Land Grading and Classification". A specific index system was established to spatially visualize four indexes using the geographic information technology, ArcGIS. A multi-factor weighted algorithm was used to analyze the spatial distribution of each index, and to obtain comprehensive evaluation for the quality of farmland, particularly on coal mining subsidence areas. The results show that the constructed index system of farmland quality can be suitable for the “mine-agriculture” compound regions, reflecting the farmland status of the target areas. The evaluation scores of farmland natural quality, agricultural production conditions, location conditions, and farmland eco-environmental conditions were low in the undisturbed area of coal mining. The farmland quality within the boundary of the coal mine field (average 0.37) was much lower than that of non-mining farmland (average 0.55). It infers that coal mining can affect independent indicators, such as natural quality, economic quality and farmland environmental quality, and ultimately lead to a serious decline in the fertility of farmland at the regional level. The main reason is that the underground coal mining can destroy the topography on the ground, thereby result in soil nutrients loss, broken plots, ground subsidence of roads, and the discharge of mining pollutants at high levels of environmental pollution in local farmland. This finding can provide a theoretical basis to formulate a scientific and rational land-rehabilitation plan for the mine-agricultural complex regions, and comprehensive land improvement plans.

mining; reclamation; farmland quality; mining-farming complex

徐占軍，趙思萌，王培周，等. 煤炭開采對“礦-農”復合區(qū)農田質量影響評價[J]. 農業(yè)工程學報，2020，36(9)：273-282.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.09.031 http://www.tcsae.org

Xu Zhanjun, Zhao Simeng, Wang Peizhou, et al. Evaluation of the impacts of coal mining on farmland quality in mine-agriculture regions in China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(9): 273-282. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.09.031 http://www.tcsae.org

2019-09-03

2020-04-21

山西省典型區(qū)域采煤沉陷區(qū)耕地質量等別監(jiān)測研究技術；國家自然科學基金青年基金（51304130）；山西省青年科技研究基金（2015021125）；山西省高等學校哲學社會科學研究項目（201803010）；山西省軟科學研究計劃項目（2018041060-2）；山西農業(yè)大學?；穑?0132-13）

徐占軍，博士，主要從事土地生態(tài)、資源環(huán)境評價研究。Email：zjxu163@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.09.031

TD88

A

1002-6819(2020)-09-0273-10