錢奎梅 王麗萍

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，江蘇省徐州市，221116）

煤炭礦區(qū)復(fù)墾效果評(píng)價(jià)＊

錢奎梅 王麗萍

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，江蘇省徐州市，221116）

本文構(gòu)建以礦區(qū)復(fù)墾土壤肥力狀況、生態(tài)質(zhì)量以及環(huán)境質(zhì)量3個(gè)準(zhǔn)則層20項(xiàng)指標(biāo)為礦區(qū)復(fù)墾效果評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，為避免因素賦權(quán)的主觀性，采用主成分分析法的方差貢獻(xiàn)率確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，結(jié)合模糊綜合評(píng)判方法建立各評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬度函數(shù)，采用因子加權(quán)求和法計(jì)算礦區(qū)復(fù)墾效果的評(píng)價(jià)總分值。

礦區(qū)復(fù)墾土壤 復(fù)墾效果 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系 評(píng)價(jià)方法

煤炭作為一次性能源，占我國(guó)能源構(gòu)成比例的74%左右。煤炭開采、洗選、利用過(guò)程中產(chǎn)生大量煤矸石和粉煤灰等工業(yè)固體廢物。以煤矸石為主的礦區(qū)復(fù)墾土壤很難通過(guò)正常生態(tài)延續(xù)來(lái)恢復(fù)其生態(tài)功能，需要人為創(chuàng)造有助于植被生長(zhǎng)的環(huán)境以強(qiáng)化其生態(tài)恢復(fù)過(guò)程。礦區(qū)復(fù)墾的目標(biāo)是生態(tài)環(huán)境改善，生物的生物量和多樣性提高。而目前關(guān)于礦區(qū)復(fù)墾效果多集中在礦區(qū)復(fù)墾土壤的理化性質(zhì)方面，不能綜合地反映出礦區(qū)總體復(fù)墾效果。作為一個(gè)復(fù)雜的功能實(shí)體，煤炭礦區(qū)復(fù)墾效果不能夠直接測(cè)定，但可以通過(guò)土壤質(zhì)量相關(guān)指標(biāo)來(lái)推測(cè)。煤炭礦區(qū)復(fù)墾效果包括礦區(qū)復(fù)墾土壤肥力質(zhì)量、土壤生態(tài)環(huán)境質(zhì)量及土壤健康質(zhì)量3方面的綜合量度，即土壤在生態(tài)系統(tǒng)的范圍內(nèi)，維持生物的生產(chǎn)能力、保護(hù)環(huán)境質(zhì)量及促進(jìn)動(dòng)植物健康的能力。

本文在綜合分析礦區(qū)復(fù)墾效果的基礎(chǔ)上，提出礦區(qū)復(fù)墾的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并對(duì)初步選擇的指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，根據(jù)主成分分析結(jié)果確定各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重，再結(jié)合模糊綜合評(píng)判方法建立各評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬度函數(shù)，采用因子加權(quán)求和法計(jì)算礦區(qū)復(fù)墾效果的評(píng)價(jià)總分值，進(jìn)行礦區(qū)復(fù)墾效果評(píng)價(jià)。

1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系確定原則

1.1 相關(guān)性原則

評(píng)價(jià)指標(biāo)必須與土壤功能相聯(lián)系，能夠清晰地表征土壤的功能，為反映土壤質(zhì)量及其時(shí)間變化的可量化指標(biāo)?？紤]表征土壤功能的直接或間接指標(biāo)，例如，一個(gè)水域的水文特征是土壤阻截和儲(chǔ)存降雨的間接指標(biāo)，而降雨之后的土壤蓄水能力是一個(gè)直接指標(biāo)。

1.2 靈敏性和可區(qū)別性

土壤性質(zhì)在不同的土壤系統(tǒng)之間差異很大，很多典型土壤參數(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)差達(dá)到50%。在選定的指標(biāo)中，我們需要考慮樣品之間的細(xì)微變化，例如，不同樣品之間某一參數(shù)的差異可能為5%，而其平均值95%的置信區(qū)間等于其平均值的50%，而該指標(biāo)的顯著性變化在很多年之后才能發(fā)現(xiàn)。一般來(lái)說(shuō)，利用簡(jiǎn)單的統(tǒng)計(jì)方法可以很容易發(fā)現(xiàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)間上的差異。不能采用在一定時(shí)間內(nèi)觀察不到顯著變化的指標(biāo)。

1.3 實(shí)踐性

評(píng)價(jià)指標(biāo)必須具有一定的實(shí)踐性，測(cè)定方法明確并且準(zhǔn)確?？赡苡捎谥笜?biāo)提供了其他方法無(wú)法提供的信息，那么就必須考慮進(jìn)一步發(fā)展這些方法。

1.4 效率和費(fèi)用

我們必須利用盡可能多的機(jī)械化方法，以提高效率、減少人工操作方面的誤差，包括傳感器、遙感和自動(dòng)讀數(shù)儀等。在保證費(fèi)用最少、效率最高的情況下，測(cè)定盡可能多的指標(biāo)。所選定指標(biāo)必須考慮在5、10和20年測(cè)定它們的費(fèi)用。

1.5 綜合性指標(biāo)

在可能的情況下，我們應(yīng)該利用能夠有效地整合一些附屬指標(biāo)信息的綜合性指標(biāo)。例如流域水文，它反映了集水區(qū)土壤的平均水文狀況。同時(shí)，只能采用那些能夠解釋土壤關(guān)鍵功能的綜合性指標(biāo)。例如，集水區(qū)水位是土壤水文很難量化的指標(biāo)，不予采用。

2 煤炭礦區(qū)復(fù)墾效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

煤炭礦區(qū)復(fù)墾效果的評(píng)價(jià)在于在廣泛的范圍內(nèi)綜合考慮復(fù)墾后礦區(qū)復(fù)墾土壤的各方面性能，即維持植物生產(chǎn)力、生物生存、環(huán)境對(duì)生物生長(zhǎng)及健康保障能力等。

2.1 土壤肥力狀況指標(biāo)

在礦區(qū)復(fù)墾過(guò)程中，土壤肥力狀況是土壤為植物生長(zhǎng)提供和協(xié)調(diào)營(yíng)養(yǎng)條件和環(huán)境條件的能力，是土壤各種基本性質(zhì)的綜合表現(xiàn)。評(píng)價(jià)土壤退化和生產(chǎn)力的土壤質(zhì)量指標(biāo)一般是基于植物的生產(chǎn)力、土壤的物理化學(xué)性質(zhì)。拉森（Larson）和皮爾斯（Pierce）提出了土壤質(zhì)量最小數(shù)據(jù)集的概念，其中的土壤質(zhì)量指標(biāo)包括有機(jī)碳、速效養(yǎng)分、pH值、電導(dǎo)率、質(zhì)地、根系深度、容重、水分傳導(dǎo)率和有效持水量，用于監(jiān)測(cè)由土壤和作物管理措施引起的土壤質(zhì)量的變化。另外，由于礦區(qū)復(fù)墾中利用了煤矸石等礦區(qū)基質(zhì)，故此處還需考慮礫石含量。土壤肥力狀況指標(biāo)見表1的P1準(zhǔn)則層。

2.2 土壤生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)

礦區(qū)復(fù)墾的重要目標(biāo)之一是礦區(qū)復(fù)墾土壤生態(tài)環(huán)境的改善，包括土壤中生長(zhǎng)的植物、土壤動(dòng)物、土壤微生物等的改善，其中應(yīng)用最多的是土壤微生物指標(biāo)。多數(shù)研究認(rèn)為，土壤微生物（包括微生物生物量、土壤呼吸）是土壤質(zhì)量變化最敏感的指標(biāo)。土壤動(dòng)物是土壤環(huán)境質(zhì)量和健康質(zhì)量的重要指示特征，特別是無(wú)脊椎動(dòng)物，如線蟲、蚯蚓等能夠敏感地反映土壤中有毒物質(zhì)含量。以植物作為土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)，主要是考察植物的生長(zhǎng)狀況、植被覆蓋、物種的多樣性和雜草的優(yōu)勢(shì)種。礦區(qū)復(fù)墾需要恢復(fù)植被覆蓋，從而增加礦區(qū)復(fù)墾土壤的可持續(xù)性。微生物作為土壤中的活躍組成部分，參與土壤有機(jī)物質(zhì)的礦化和腐殖質(zhì)化過(guò)程，對(duì)土壤的形成和發(fā)育以及土壤養(yǎng)分的有效性有重要作用。土壤微生物多樣性被認(rèn)為是土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)中最有意義的指標(biāo)。微生物Shannon多樣性指數(shù)可用于評(píng)估物種的豐富度。微生物均勻度指數(shù)是微生物群落中個(gè)體分布均勻程度的綜合指標(biāo)。

土壤酶活性在養(yǎng)分循環(huán)中起著很重要的作用，而且已被用作生物活性指標(biāo)，蔗糖酶活性是表征土壤的C素循環(huán)和土壤生物化學(xué)活性的重要酶，可以作為評(píng)價(jià)土壤熟化程度和土壤肥力的指標(biāo)之一；磷酸酶能提高土壤磷元素的有效性；土壤脲酶能夠反映土壤健康狀況和營(yíng)養(yǎng)水平。該指標(biāo)體系以微生物多樣性指數(shù)和微生物均勻度指數(shù)作為微生物的基礎(chǔ)指標(biāo)，增加蔗糖酶活性、脲酶活性、磷酸酶活性和植被覆蓋度來(lái)構(gòu)建礦區(qū)復(fù)墾效果評(píng)價(jià)體系的生態(tài)質(zhì)量方面，以反映人為管理措施和環(huán)境因子引起的土壤生物學(xué)和生物化學(xué)變化的指標(biāo)，如表1所示的P2準(zhǔn)則層。

2.3 土壤健康質(zhì)量指標(biāo)

礦區(qū)復(fù)墾土壤健康質(zhì)量是土壤影響或促進(jìn)人類和動(dòng)植物健康的能力。重金屬銅和鋅提供了如土壤生物、水質(zhì)和棲息地等所有土壤環(huán)境交互功能的信息，為合適的土壤健康質(zhì)量指標(biāo)。根據(jù)徐州煤礦礦區(qū)的理化特性，影響礦區(qū)復(fù)墾土壤環(huán)境質(zhì)量的因素主要是重金屬元素污染，包括銅、鉛、鋅、鉻、鎘，選取指標(biāo)為表1所示的P3準(zhǔn)則層。

表1 礦區(qū)復(fù)墾效果評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

3 煤炭礦區(qū)復(fù)墾效果評(píng)價(jià)方法

3.1 模糊綜合評(píng)判法

模糊綜合評(píng)判法是一種基于模糊數(shù)學(xué)的綜合評(píng)判方法。它根據(jù)模糊數(shù)學(xué)的隸屬度理論把定性評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)化為定量評(píng)價(jià)，具有結(jié)果清晰、系統(tǒng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，能較好地解決模糊的難以量化的問題。

3.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定

評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定采用主成分分析法的方差貢獻(xiàn)率確定，從而避免了現(xiàn)有評(píng)價(jià)方法中以特爾菲法或?qū)哟畏治龇ǖ冗M(jìn)行因素賦權(quán)所帶來(lái)的主觀性。采用因子加權(quán)求和法計(jì)算復(fù)墾效果的評(píng)價(jià)總分值，通過(guò)復(fù)墾效果的評(píng)價(jià)總分值進(jìn)行分析。

本文根據(jù)以往土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)的理論與實(shí)證研究，決定采用正態(tài)分位數(shù)方法劃分指標(biāo)評(píng)語(yǔ)集的等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，因此將礦區(qū)復(fù)墾效果分為4級(jí)的定性描述，D為評(píng)價(jià)總分值：0＜D≤0.4，礦區(qū)復(fù)墾效果極差；0.4＜D≤0.6，礦區(qū)復(fù)墾效果差；0.6＜D≤0.7，礦區(qū)復(fù)墾效果一般；0.7＜D≤0.9，礦區(qū)復(fù)墾效果較好；0.9＜D≤1，礦區(qū)復(fù)墾效果極好。

4 煤炭礦區(qū)復(fù)墾效果評(píng)價(jià)實(shí)例

4.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)采用室內(nèi)常溫（10～25℃）盆栽培養(yǎng)，實(shí)驗(yàn)用盆為20cm×20cm（高×盆口直徑）的白色塑料盆，粉煤灰、煤矸石和污泥的質(zhì)量配比A1（20∶70∶10）、A2（20∶60∶20）以及A3（20∶50∶30）的復(fù)合基質(zhì)作為試種基質(zhì)，每盆基質(zhì)2.5 kg，種植黑麥草進(jìn)行盆栽試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)的兩個(gè)菌種采用3種接種方式，B1－G.v，B2－G.m，B3－（G.v＋G.m）。相同條件下做無(wú)接種對(duì)照樣。接種處理中加入菌劑60g／盆，復(fù)合接種B3則兩個(gè)菌種各為30g／盆。其中，煤矸石取自張雙樓礦矸石山，粉煤灰取自茅村電廠，污泥取自中國(guó)礦業(yè)大學(xué)南湖校區(qū)污水處理站的剩余污泥。其中煤矸石均破碎為直徑10mm左右，污泥經(jīng)過(guò)一定程度風(fēng)干使含水率達(dá)到60%～70%。黑麥草培養(yǎng)時(shí)間為12個(gè)月，每隔4～7d澆水一次，澆水量為350ml／盆。

4.2 礦區(qū)復(fù)墾效果評(píng)價(jià)

對(duì)礦區(qū)復(fù)墾效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，特征值大于1的主成分、各評(píng)價(jià)指標(biāo)的公因子方差及權(quán)重見表2。從表中可以看出，5個(gè)主成分的特征值大于1并且能解釋92.41%的總變異性。

表2 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的主成分載荷矩陣、公因子方差及權(quán)重

續(xù)表

表3 礦區(qū)復(fù)墾效果綜合評(píng)價(jià)指數(shù)

表4 礦區(qū)復(fù)墾效果綜合評(píng)價(jià)指數(shù)

對(duì)不同配比不同接種方式復(fù)合基質(zhì)復(fù)墾效果的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果見表3。從表中可以看出，三種配比基質(zhì)（A1、A2、A3）中，A3配比基質(zhì)的綜合評(píng)價(jià)指數(shù)較高，按照表3的分級(jí)效果，復(fù)墾效果屬于一般和較好的級(jí)別，但是差異不顯著。而接種叢枝菌根真菌處理的復(fù)墾效果比未接種處理明顯較好（P＜0.05），可見接種處理明顯促進(jìn)了礦區(qū)的復(fù)墾。根據(jù)前期對(duì)各種處理的分析，評(píng)價(jià)結(jié)果完全符合基質(zhì)利用的實(shí)際情況。

本文為礦區(qū)復(fù)墾效果提供了通用的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和可行的評(píng)價(jià)方法，同時(shí)，根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果可以直觀地分析礦區(qū)復(fù)墾過(guò)程中土壤的變化情況，為指導(dǎo)礦區(qū)復(fù)墾方案以及礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展提供一定的理論依據(jù)。

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Preliminary study of reclamation effect evaluation of reclaimed mine soil

Qian Kuimei，Wang Liping
（China University of Mining and Technology，Xuzhou，221116，China）

A reclamation effect evaluation index system was built，which contains 3levels 20 indicators，mine substrate fertility，ecological quality and environmental quality.Principal component analysis was used to determine the weight of each index in order to avoid the subjectivity of empowerment factors in the existing evaluation methods.The membership function of the evaluation index was established by fuzzy comprehensive evaluation method and the total score of mining substrate reclamation effect evaluation was calculated using factor－weighted sum.

reclaimed mine soil，reclamation effect，evaluation index system，evaluation methods

TD997.1

B

江蘇省省級(jí)環(huán)?？萍柬?xiàng)目（2007024）

錢奎梅（1982－），女，博士生，研究方向?yàn)槊禾康V區(qū)生態(tài)修復(fù)。

（責(zé)任編輯 張艷華）