唐玉情 孫 飛 劉海龍 高 賽 李紅娜 張 捷*

（1. 東北林業(yè)大學(xué)園林學(xué)院，哈爾濱 150040；2. 黑龍江多寶山銅業(yè)股份有限公司，黑河 161416）

黑龍江多寶山銅業(yè)礦區(qū)位于黑龍江省黑河市嫩江縣多寶山鎮(zhèn) 境內(nèi)，東經(jīng)125°46′30″～125°47′30″，北緯50°14′30″～50°15′30″；屬中溫帶半濕潤季風(fēng)氣候，多年平均氣溫-1.37℃且一月極端溫度可達(dá)-44.5℃［1］、≥10℃積溫2 350℃，年平均降水量491.9 mm、相對(duì)濕度68%、年平均風(fēng)速2～3 m·s-1，最大風(fēng)速15 m·s-1［2］?？偟V石儲(chǔ)量50 784 萬噸，蘊(yùn)含銅金屬238.68 萬噸。多寶山銅業(yè)于2014年正式開采，迄今已有六年多時(shí)間，所產(chǎn)生的表土、廢石廢料被人為的堆砌成高低不平、坡度不一的山丘，即排土場［3］。這種排土場一般具有土質(zhì)疏松，巖體裸露，地形高聳，生態(tài)脆弱的特點(diǎn)，在沒有植被覆蓋和大風(fēng)、重力、雨水淋溶的作用下極易發(fā)生大面積高頻率的水土流失以及滑坡、泥石流、沉陷等自然災(zāi)害。其次，對(duì)山體長期性大規(guī)模高強(qiáng)度的挖掘、冶煉后，排土場表層堆砌的巖土容易受到不同程度的金屬污染，而土壤是植物生存的本源，不同植物對(duì)不同的土質(zhì)污染其耐受性和富集性不一，就易導(dǎo)致礦山生態(tài)環(huán)境中物種多樣性和景觀斑塊和廊道的異質(zhì)性快速減少，加速礦山生態(tài)系統(tǒng)的崩潰［4～5］。2017 年春季，黑龍江多寶山銅業(yè)開始對(duì)礦區(qū)的排土場進(jìn)行覆土，開啟排土場的生態(tài)修復(fù)工程。

層次分析法（Analytical Hierarchy Process），簡稱AHP，是將復(fù)雜的問題分解成構(gòu)成事物的組成要素，并按照要素間的相互關(guān)聯(lián)影響以及隸屬關(guān)系聚集組合，形成一個(gè)關(guān)于具有層次結(jié)構(gòu)的目標(biāo)、準(zhǔn)則體系的多層次分析結(jié)構(gòu)模型的決策方法［6～9］。排土場植物的篩選是一個(gè)定量與定性相結(jié)合的復(fù)雜問題，本文通過層次分析法篩選出黑龍江多寶山銅業(yè)礦山排土場適宜的覆蓋植物，利用植物防風(fēng)固土，減輕水土流失的作用，降低自然災(zāi)害發(fā)生的頻率以及增加物種多樣性，從而改善或重建排土場脆弱的生態(tài)環(huán)境，也為我國寒區(qū)其他礦山排土場生態(tài)修復(fù)植物的選擇提供一些實(shí)踐借鑒。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本次植物篩選是在前期本底植物調(diào)查和黑龍江省栽培植物調(diào)查的交集初次篩選以及生態(tài)位模型法二次篩選基礎(chǔ)上的最終篩選。篩選的材料為兩次篩選后的74種植物，共計(jì)31科49屬74種（見表1）。

表1 待篩選植物名錄表Table 1 List of plants to be screened

1.2 研究方法

1.2.1 構(gòu)造篩選評(píng)價(jià)模型

根據(jù)礦區(qū)排土場現(xiàn)狀，構(gòu)建了黑龍江多寶山礦山排土場4 個(gè)方面10 個(gè)具體指標(biāo)的篩選評(píng)價(jià)模型（見圖1）。

其中，抗寒性的具體指標(biāo)為耐受一月份年平均最低氣溫（P1）；抗旱性的具體指標(biāo)為1981～2010年植物標(biāo)本分布地區(qū)累年年最少降水量（毫米）（P2）；耐陰性的具體指標(biāo)為植物耐陰性強(qiáng)弱（P3）；改善空氣質(zhì)量的具體指標(biāo)為植物夏季滯塵能力強(qiáng)弱（P4）；防風(fēng)固土的具體指標(biāo)為植物生長特性和水土保持能力的強(qiáng)弱（P5）；綠期的具體指標(biāo)為展葉期至葉色改變期的時(shí)長（P6）；生長速度的具體指標(biāo)為生長速度快慢（P7）；景觀觀賞性的具體指標(biāo)為夏秋兩季整體觀賞效果（P8）；養(yǎng)護(hù)成本的具體指標(biāo)為養(yǎng)護(hù)管理成本的高低（P9）；資源獲取成本的具體指標(biāo)為資源獲成本的高低（P10）。

1.2.2 構(gòu)造判斷矩陣及其一致性檢驗(yàn)

模型的科學(xué)性和權(quán)重劃分的合理性是層次分析法重要的兩個(gè)方面，本次權(quán)重的劃分是通過邀請(qǐng)專家在1～9 標(biāo)度法［10～11］的基礎(chǔ)上對(duì)要素間重要性的直接比較（見表2），然后利用方根法［12］獲得定量化的權(quán)重［13］，以此進(jìn)行賦權(quán)。

表2 1～9尺度碼Table 2 1～9 Scale codes

1.2.3 構(gòu)造判斷矩陣及其一致性檢驗(yàn)

計(jì)算最大特征根公式：

計(jì)算一致性指標(biāo)公式：

一致性檢驗(yàn)公式：

式中：λmax為對(duì)應(yīng)矩陣的最大特征根；W是λmax的正規(guī)化特征向量，Wi則為對(duì)應(yīng)單因素的加權(quán)值；A 為根據(jù)專家意見所列判斷一致性矩陣；aij表示第i個(gè)因素相對(duì)于第j個(gè)因素的比較結(jié)果；CIi為單層一致性檢驗(yàn)指標(biāo)；RIi為單層平均隨機(jī)一致性指標(biāo)，此指標(biāo)可以查表（見表3）得到；CRi為一致性指標(biāo)與隨機(jī)指標(biāo)的比值，一般認(rèn)為當(dāng)CRi＜0.1時(shí)，一致性可以接受，此時(shí)wi=ai；如果CRi＞0.1時(shí)，一致性檢驗(yàn)不通過，應(yīng)當(dāng)對(duì)判斷矩陣進(jìn)行調(diào)整，直到CRi＜0.1即可［18］。

表3 隨機(jī)一致性指標(biāo)Table 3 Random consistency index

在層次分析法模型結(jié)構(gòu)中不僅僅需要進(jìn)行單排序一致性檢驗(yàn)，總排序一致性也需要進(jìn)行檢驗(yàn)，其計(jì)算公式為：

式中：αi為特征向量；CIi和RIi分別為各層次判斷矩陣的一致性指標(biāo)和隨機(jī)一致性指標(biāo)；CR為總層次一致性檢驗(yàn)判斷指標(biāo)，當(dāng)最終計(jì)算結(jié)果CR＜0.1 則表明權(quán)向量可用，若大于0.1，則權(quán)向量值不可用，需修改判斷矩陣。

1.2.4 進(jìn)行評(píng)價(jià)

得到權(quán)重值W后，就可以從指標(biāo)層開始逐層合成總權(quán)重，然后將其與各指標(biāo)賦值分別相乘，即：

式中：X為植物最終的得分；Wj為植物不同指標(biāo)的權(quán)重；Vi為專家對(duì)植物的評(píng)分值。

1.2.5 評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

采用專家咨詢法，利用1～5 評(píng)分法進(jìn)行打分，評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)具體見表4。

表4 各指標(biāo)層評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)劃定Table 4 Grading standards for each indicator layer are delimited

1.2.6 數(shù)據(jù)處理

使用Exce2010進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 各層次結(jié)構(gòu)的判斷矩陣及其計(jì)算結(jié)果

2.1.1 準(zhǔn)則層相對(duì)于目標(biāo)層判斷矩陣及其計(jì)算結(jié)果

此次層次分析法的準(zhǔn)則層分為：生態(tài)適應(yīng)性、生態(tài)防護(hù)性、綠化效果和經(jīng)濟(jì)性4 個(gè)部分，其權(quán)重分布見下表5。

表5 準(zhǔn)則層層次分析判斷矩陣及其權(quán)重關(guān)系Table 5 Judgment matrix and its weight relation of criterion hierarchy analysis

矩陣經(jīng)一致性檢驗(yàn)后，計(jì)算權(quán)向量為：

2.1.2 從生態(tài)適應(yīng)性角度進(jìn)行植物篩選的評(píng)價(jià)

此次篩選根據(jù)多寶山實(shí)際情況將生態(tài)適應(yīng)性分解為抗寒性、耐陰性、抗旱性3 個(gè)部分，對(duì) 不同植物的這3 個(gè)指標(biāo)進(jìn)行比較，建立比較矩陣，計(jì)算權(quán)向量，然后以權(quán)向量計(jì)算評(píng)價(jià)值（見表6），矩陣經(jīng)一致性檢驗(yàn)后，計(jì)算權(quán)向量W。

表6 生態(tài)適應(yīng)性下層次分析判斷矩陣及其權(quán)重關(guān)系Table 6 AHP judgment matrix and its weight relation under ecological adaptability

2.1.3 方案層相對(duì)于生態(tài)防護(hù)性判斷矩陣

此次主要選取植物防風(fēng)固土和改善空氣質(zhì)量兩個(gè)指標(biāo)建立矩陣，計(jì)算權(quán)向量，然后以權(quán)向量計(jì)算評(píng)價(jià)值（見表7），矩陣經(jīng)一致性檢驗(yàn)后，計(jì)算權(quán)向量為W。

表7 生態(tài)防護(hù)性下層次分析判斷矩陣及其權(quán)重關(guān)系Table 7 Judgment matrix of AHP and its weight relation under ecological protection

2.1.4 方案層相對(duì)于綠化效果判斷矩陣

排土場植物綠化需要考慮其綠化效果，通過植物的種植，營造美的環(huán)境。此次綠化效果主要分解為綠期、生長速度、景觀觀賞性3 個(gè)方面。綠期指植物展葉開始到色葉改變的時(shí)間；生長速度主要考慮到植物復(fù)綠速度，速度越快，樹木成蔭效果越好；景觀觀賞性主要考慮植物夏季和秋季的整體觀賞效果。根據(jù)這3 個(gè)指標(biāo)建立矩陣，計(jì)算權(quán)向量，然后以權(quán)向量計(jì)算評(píng)價(jià)值（見表8），矩陣經(jīng)一致性檢驗(yàn)后，計(jì)算權(quán)向量W。

表8 綠化效果下層次分析判斷矩陣及其權(quán)重關(guān)系Table 8 Judgment matrix of hierarchical analysis and its weight relation under the greening effect

2.1.5 方案層相對(duì)于經(jīng)濟(jì)性判斷矩陣

將經(jīng)濟(jì)性分解為養(yǎng)護(hù)管理成本和資源獲取成本兩個(gè)指標(biāo)，對(duì)其進(jìn)行比較，建立比較矩陣，計(jì)算權(quán)向量，然后以權(quán)向量計(jì)算評(píng)價(jià)值（見表9），矩陣經(jīng)一致性檢驗(yàn)后，計(jì)算權(quán)向量W。

表9 經(jīng)濟(jì)性下層次分析判斷矩陣及其權(quán)重關(guān)系Table 9 AHP judgment matrix and its weight relation under economy

2.1.6 總層序一致性檢驗(yàn)

為保證整體層次結(jié)構(gòu)的科學(xué)性，進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，CR=-0.003 6通過一致性檢驗(yàn)（見表10）。

表10 總層次一致性檢驗(yàn)Table 10 General level consistency test

2.1.7 權(quán)重結(jié)果

根據(jù)以上的判斷矩陣和一致性的檢驗(yàn)后，單排層序一致性檢驗(yàn)與總層次一致性檢驗(yàn)均小于0.1，表明判斷矩陣可用，評(píng)價(jià)模型中的各指標(biāo)權(quán)重系數(shù)合理（見表11）。

表11 權(quán)重分配表Table 11 Weight allocation table

2.2 各類別植物綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

2.2.1 喬木層綜合排序

通過對(duì)31種喬木植物4個(gè)方面10個(gè)具體指標(biāo)篩選后，加權(quán)得分排名前10位為樟子松、興安落葉松、蒙古櫟、花楸、白樺、山荊子、稠李等。此10 種可做為排土場示范區(qū)的喬木備選植物（見表12）。

表12 排名前10種喬木綜合排序Table 12 10 Comprehensive evaluation of tree species

2.2.2 灌木層綜合排序

通過對(duì)32種灌木4個(gè)方面10個(gè)具體指標(biāo)篩選后，加權(quán)得分排名前10名為沙棘、珍珠梅、紫穗槐、柳葉繡線菊、胡枝子、紫丁香等。此10種可做為排土場北坡的灌木備選植物（見表13）。

表13 排名前10種灌木綜合排序Table 13 10 Comprehensive evaluation of shrub species

2.2.3 草本層綜合排序

通過對(duì)8種草本4個(gè)方面10個(gè)具體指標(biāo)篩選，加權(quán)排名靠前的分別為馬藺、石竹、玉蟬花等（見表14）。

表14 8種草本綜合排序Table 14 8 comprehensive ranking of herbs

3 討論

3.1 基于排土場植物選擇的層次模型結(jié)構(gòu)建立的討論研究

采礦業(yè)為國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展提供了80%以上的工業(yè)原材料，95%的一次性能源及70%以上的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料，但礦山在開采的過程中會(huì)大量剝離巖層表土，破壞原生植被，致使礦山裸露，環(huán)境惡化［14～16］，礦山開采后形成的排土場也會(huì)因人工以及自然的影響產(chǎn)生地質(zhì)和一系列的生態(tài)危害。為降低這種危害，諸多學(xué)者提出需對(duì)礦山排土場進(jìn)行修復(fù)，如植物修復(fù)、微生物修復(fù)、工程修復(fù)等。其中，植物修復(fù)因其具有成本低、效益高［17］的優(yōu)點(diǎn)而逐漸成為排土場修復(fù)的主力軍［18］，而且隨著景觀學(xué)的興起，將植物修復(fù)與景觀設(shè)計(jì)結(jié)合在一起也成為了新的研究方向之一［19～20］。植物材料對(duì)礦山環(huán)境生態(tài)適應(yīng)性的強(qiáng)弱是植物修復(fù)技術(shù)中材料選擇必須要考慮的方面，徐升華［21］在分析石灰石礦山植被復(fù)綠技術(shù)時(shí)表明，礦山的復(fù)綠植被選擇需要考慮植物的生態(tài)適應(yīng)性，因此凡是對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境具有較強(qiáng)適應(yīng)性的喬、灌、草類植物都可為備選項(xiàng)，故此次分別從喬木、灌木和草本3 個(gè)層面進(jìn)行篩選，增大植物的可選項(xiàng)；楊浩然［22］針對(duì)保定礦區(qū)復(fù)綠植物篩選中也表明，需要充分考慮植物的生態(tài)適應(yīng)性。此次礦山排土場植物篩選生態(tài)適應(yīng)性主要考量了植物抗寒性、抗旱性和耐陰性三個(gè)方面?？购?、抗旱源于排土場位于寒區(qū)，冬季漫長寒冷，極端低溫天氣多，而且坡面風(fēng)速大，水分蒸發(fā)量大，易造成干旱的脅迫，故植物的抗寒性和抗旱性是寒區(qū)礦山植物選擇的基本要求之一。耐陰性是源于此次做生態(tài)恢復(fù)的排土場為北面的示范區(qū)，光照不充足，強(qiáng)喜陽植物容易受到抑制，故需

考慮植物特殊位置的習(xí)性需求。土壤是植物生長的基本元素之一，銅礦區(qū)植物選擇需考慮植物對(duì)重金屬的耐受性和富集性，但由于礦山排土場覆土?xí)r間只有四年，在為期兩年的土壤調(diào)查中，也尚未發(fā)現(xiàn)土壤中含有過量的重金屬，故在生態(tài)適應(yīng)性中并未著重考量植物的耐重金屬性。目前礦區(qū)開采尚在早期，隨著今后開采年限的加長，土壤中可能會(huì)形成重金屬的高富集和污染，故今后仍將持續(xù)檢測礦山土壤中的重金屬含量的檢測。根據(jù)馬銳等［23］對(duì)安太堡露天煤礦南排土場的分析可知，排土場是一類特殊的地質(zhì)構(gòu)造，易發(fā)生水土流失，故在對(duì)排土場植物篩選時(shí)需要充分考慮植物的生態(tài)防護(hù)性。此次篩選也將生態(tài)防護(hù)性納入模型結(jié)構(gòu)中，利用植物根系的固土能力和防風(fēng)能力進(jìn)行植物篩選，篩選出樟子松、沙棘、胡枝子等具有較高生態(tài)防護(hù)性的植物。王瀚文［24］等在利用層次分析法篩選風(fēng)電場邊坡適宜修復(fù)的植物時(shí)除考慮植物的生態(tài)適應(yīng)性也充分考慮了景觀性，郝桂芝［25］在進(jìn)行重慶石灰?guī)r廢棄礦山生態(tài)修復(fù)植物的選擇時(shí)也充分考慮到植物的觀賞性，而且針對(duì)礦山生態(tài)恢復(fù)的評(píng)價(jià)，現(xiàn)也逐漸重視景觀性，如張春燕［26］利用層次分析法構(gòu)建北京市廢棄礦山生態(tài)修復(fù)綜合評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系時(shí)，將景觀特征化為其中因子之一，可見，植物的景觀性已經(jīng)越來越是植物選擇考慮的重要因素之一，故而本次進(jìn)行植物篩選時(shí)充分考慮了植物的景觀性，從植物綠化效果入手，考慮其綠期、觀賞性以及生長速度，篩選出馬藺、白樺、蒙古櫟、胡枝子、珍珠梅等綠化效果俱佳的植物。綜上，本次利用層次分析構(gòu)建生態(tài)適應(yīng)性、生態(tài)防護(hù)性、景觀性和經(jīng)濟(jì)性層次模型，篩選出排土場邊坡適宜的喬灌草3大類植物，既可促進(jìn)礦山植被的恢復(fù)也能重建破碎的景觀。故今后在構(gòu)建礦山排土場的植物篩選模型時(shí)，建議可充分將植物的生態(tài)適應(yīng)性、生態(tài)防護(hù)性和景觀性結(jié)合在一起，既可達(dá)到植物復(fù)綠的目的也可增加植物景觀的異質(zhì)性。

3.2 植物種類篩選的討論研究

根據(jù)構(gòu)建層次模型法，喬木類篩選出樟子松、興安落葉松、蒙古櫟、花楸、白樺、山荊子、稠李為備選植物。需要提出一點(diǎn)的是，因?yàn)槭怯糜诘V山排土場的復(fù)綠，此次所選取的木類苗木均為株高和冠幅較小的苗木（株高約30～100 cm）。因?yàn)樾〉拿缒驹陲L(fēng)速較大的排土場上能減少水分蒸發(fā)從而增強(qiáng)適應(yīng)性，提高成活率［27］。灌木類篩選出沙棘、珍珠梅、紫穗槐、柳葉繡線菊、胡枝子、紫丁香、榆葉梅、興安刺玫等植物。這八類植物具有耐寒、耐旱、防風(fēng)故固土能力強(qiáng)以及觀賞效果好的特點(diǎn)，是此次寒區(qū)備選植物的首選項(xiàng)。草本類植物為篩選出的馬藺、石竹、玉蟬花、紫花苜蓿、柳蘭。草本植物生命周期短，復(fù)綠效果快，成本低，是目前礦山修復(fù)的重要材料。而且此5 類植物經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查后，既是當(dāng)?shù)氐泥l(xiāng)土植物也是目前市場化較多的苗木，觀賞性、防護(hù)性、生態(tài)性均較高。此次篩選出的植物在諸多礦山修復(fù)中也有較多的應(yīng)用，如許小娟［28］等、張成才［29］等將紫穗槐、紫花苜蓿等作為生態(tài)修復(fù)的優(yōu)選植物；陳來紅［30］等在選擇霍林河露天煤礦排土場植被時(shí)運(yùn)用樟子松、沙棘、榆葉梅、胡枝子、紫穗槐、紫花苜蓿、進(jìn)行恢復(fù)與重建，均產(chǎn)生了較好的效果。