河南平頂山煤矸石山植被恢復的適宜性評價研究

趙曉亮，李瑞鋒，齊慶杰

（1.遼寧工程技術大學 資源與環境工程學院，遼寧 阜新 123000；2.中煤國際工程集團北京華宇工程有限公司 西安分公司，西安 710061；3.遼寧工程技術大學 安全科學與工程學院，遼寧 阜新 123000）

河南平頂山煤矸石山植被恢復的適宜性評價研究

趙曉亮1，李瑞鋒2，齊慶杰3

（1.遼寧工程技術大學 資源與環境工程學院，遼寧 阜新 123000；2.中煤國際工程集團北京華宇工程有限公司 西安分公司，西安 710061；3.遼寧工程技術大學 安全科學與工程學院，遼寧 阜新 123000）

煤矸石山植被恢復適宜性評價是對煤矸石山植被恢復適宜程度進行的評價，同時是開展煤矸石山植被恢復的工作基礎。以河南平頂山一礦煤矸石山為評價對象，將不同海拔高度、不同光照條件下的矸石山劃分為6個單元，因地制宜地選擇了土層厚度、田間持水量等7個評價因子，應用主成分分析法對研究對象進行植被恢復適宜性評價。評價結果表明：一礦煤矸石山植被恢復的主要限制因子為土層厚度、田間持水量和有機質含量，各評價單元適宜性得分分別為：A1區域為2.68、A2區域為1.84、B1區域為2.97、B2區域為1.98、C1區域為3.11、C2區域為2.97，由此得出海拔低的區域比海拔高的區域更適宜植被恢復，矸石山陰面區域比陽面區域更適宜植被修復的結論。

煤矸石山；植被恢復；適宜性；評價

煤矸石植被恢復適宜性評價是評價對煤矸石山特定用途的適宜程度［1］。通過對煤矸石山的自然、經濟屬性的綜合描述，闡明煤矸石山屬性所具有的生產潛力以及對耕地、園地、林地、牧草地等不同用途的適宜性和適宜程度差異的評定，評價過程大致相同但評價的具體方法較多，如楊倫等用經驗法確定礦區廢棄地的各評價因子的權重，評價結果受主觀性影響較大［2］，有學者用最小限制因素法對礦區土地復墾適宜性評價，該法有一定的片面性［3］，肖文發等人用Landsat T M遙感影像結合灰色系統關聯度分析了評價過程中對各評價因子等級劃分和評分時所產生的不確定性因素［4］，王瑩等人將三標度打分法與層次分析法相結合，確定了各因素的權重；采用模糊綜合評價－灰色關聯優勢分析的方法，建立了煤礦廢棄地植被恢復潛力評價模型［5］。鑒于煤矸石山植被恢復的多評價因子的特殊性，選擇主成分分析法對煤矸石山植被修復進行進一步探討和細化評價過程研究。

1 評價單元的劃分方法

采取把土地利用現狀圖與各影響土地質量的參評因子分級圖進行套疊，求取最小圖斑，并以此最小圖斑作為最基本的評價單元。這樣各評價單元內土地利用方式是一致的，土地屬性、土地質量也是相對一致的。選取平頂山一礦煤矸石山不同海拔高度，不同風化程度的單元作為評價單元，同海拔高度土壤植被等特征也基本一致，煤矸石的風化程度不宜量化，排矸年限一致的陰、陽坡，水分、日照條件明顯不同，風化程度也存在很大差別，因此用日照條件間接表征風化程度。具體劃分單元見表1。

表1 平頂山一礦煤矸石山植被恢復評價單元的劃分

2 評價因子的選取

因為評價區的面積較大，考慮的因素比較多，在特殊性下考慮共性，生態因子的差異主要表現在土壤質量的差異上，依據評價因子的選取原則［6］選取土層厚度、沙粒含量 、容重、有機質、pH值、坡度、田間持水量作為評價因子（表2）。

表2 平頂山一礦煤矸石山植被恢復適宜性評價因子

3 主成分分析的計算方法

（1）原始數據的標準化。將數據進行標準化處理，將所有的數據標準到同一個水平上衡量［7］。假設N個樣本，每一個樣本有P個指標，則這N個樣本組成的向量和P個指標構成的向量可得。對數據進行標準化處理，使每一個變量的平均值為0，方差為1。對X矩陣中的數據進行標準化處理可以達到統一指標間量綱的目的，處理后可得到，矩陣X與標準化矩陣Z。

其中：i＝1，2，…，N；j＝1，2，…，P。

（2）求相關矩陣計算相關矩陣。設R是標準化矩陣Z的協方差陣∑的相關矩陣。標準化矩陣Z的協方差陣∑為：

式中：N——樣本個數；Z——標準化矩陣；R——Z的協方差陣∑的相關矩陣。

（3）求相關矩陣的特征值與特征向量。解│R－λI│方程得到p個非負特征值，設其特定值從大到小排列為：λ1≥λ2≥…≥λP≥0，依次為第一，第二，…，第k主成分，且yi的方差cov（yi）所對應的特征值為λi。主成分的確定基于最大方差原則，因此數據的大部分方差包含于第一個主成分中，第二個主成分比第三個主成分所包含的信息多，且主成分矢量之間相互正交。并且第一主成分的貢獻最大，起主導作用。主成分越靠后，其提供的方差貢獻率越少，其重要性就越小。根據所有主成分所包含的方差百分數，計算出所需的主成分［8］。

（4）計算特征值的貢獻率與累積貢獻率

式中：gi——第i個主成分的貢獻率，指標的方差反映了指標的變化。它越大，表明指標概括z1，z2，…，zP的能力越強。顯然，第一主成分y1的貢獻率最大，y2次之，其它依次類推到yp貢獻率依次減小。Gi——前k個主成分的累計貢獻率。當累計貢獻率≥80%時，選這前k個主成分基本就能滿足要求，因為它們的方差之和已占全部方差的80%以上［9］。

4 主成分分析法中的數值處理與分析

由表1與表2可知，樣本數為6，評價因子數為7，以河南平頂山一礦煤矸石山為測量對象，沙粒含量、有機質、田間持水量以剖面20cm深度測量，原始數據見表3。

表3 平頂山一礦煤矸石山的各評價因子初始值

4.1 數據標準化

為了消除由于量綱的不同可能帶來的不合理的影響，應先對原始數據進行統一標準化。由Matlab軟件調用zscore函數對樣本矩陣求出，結果如下：

4.2 相關系數矩陣及特征值與特征向量

求出原始樣本數據標準化后的相關系數矩陣，從各指標間的相關系數可看出，90%以上的數據絕對值大于0.1，表明全部變量至少與一個以上的其它變量有較大的相關系數，因而適宜用主成分分析法研究變量之間的關系。計算相關矩陣的特征值及相應特征向量結果見表4。

4.3 貢獻率、累計貢獻率以及指標等級劃分

各因子的貢獻率見表5，主成分個數按累積貢獻率Gi≥90%原則來確定。每個主成分都反映一種不同的限制因子，因此對評價因子較多的植被恢復適宜性評價問題來說主成分分析法具有很好的客觀性［10－11］。

表4 平頂山一礦煤矸石山評價因子特征值及特征向量

表5 平頂山一礦煤矸石山評價因子貢獻率與累計貢獻率

評價以《中國1/100萬土地資源圖》等級劃分標準作參考，劃分出評價各參評因子關于植被恢復適宜性的4個等級標準如下，非常適宜、適宜、勉強適宜、暫不適宜分別取4分、3分、2分、1分（表6）。

表6 平頂山一礦煤矸石山評價指標等級劃分及其權重

4.4 評價區域的綜合得分

各主成分的權重計算評價單元的綜合得分公式見式（5）。

式中：P——評價單元綜合得分；Pn——主成分因子得分；In——主成分因子的權重；n——主成分個數。

各評價單元的綜合得分見表7。

表7 平頂山一礦煤矸石山植被恢復評價單元綜合得分

5 結論

（1）河南平頂山一礦煤矸石山植被恢復主要限制因子是煤矸石的風化程度、田間持水量和有機質含量。矸石山陰面山腳單元（C1）綜合得分最高為3.11，即現場矸石風化良好，土壤情況適合植被生長，評價結果與實際植被生長狀況相符。建議依靠自然條件，輔以人工管理進行植被修復。

（2）矸石山頂陽面和山腰陽面單元（A2、B2）的綜合得分較低，分別為1.84，1.98，即土壤狀況不適合植被生長，必須借助覆土、灌溉等工程措施改善土壤理化特性，考慮到節約資金投入，建議利用附近城市污水處理廠產生的熟污泥作為覆土原料，不但解決污水處理廠的污泥排放問題，也有利于充分利用污泥中的大量磷、氮等植被生長營養物質。

（3）各評價單元的綜合得分表明：由于煤矸石山的陰面水分蒸發量少，煤矸石較快的風化速度以及溶出的大量元素提高了土壤的質量。海拔較低的評價單元綜合得分高于海拔較高的單元，更適宜植被的恢復。建議按照不同海拔高度種植不同類型的恢復植被，遵循由低往高，逐步建立植被群落的原則，利用生態自身的結構與功能演化，加速煤矸石山表面有機土壤層的盡快形成。平頂山礦區地處中原黃土半干旱區域，自然降雨不充沛，所以水源問題是高層單元植被恢復必須首先解決的問題。

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［7］馮利華.環境質量的主成分分析［J］.數學的實踐與認識，2003，33（8）：32－35.

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Research on Suitability Assessment of Vegetation Restoration for Pingdingshan Coal Vague Mountain

ZHAO Xiao－liang1，LI Rui－feng2，QI Qing－jie3
（1.College of Resources and Environment Engineering，Liaoning Technical University，Fuxin，Liaoning123000，China；2.Chinese National Coal Co.Ltd Xi'an Branch Company，Xi'an710061，China；3.Colege of Safety and Engineering，Liaoning Technical University，Fuxin，Liaoning123000，China）

The suitability assessment for the gangue mountain vegetation restoration is an appraisal to assess the suitable degree of the gangue mountain vegetation resilience.The suitability appraisal has been developed to be the foundation for study on the restoration of the gangue mountain vegetation.The study site is located in a gangue mountain of Pingdingshan，He'nan Province，which is divided into six units according to the altitudes and the solar irradiance.Seven assessment factors such as depth of soil layer，water holding capacity of soil were chosen according to the local conditions.The recovery of the vegetation was evaluated by using the principal component analysis.The results show that the main restrictions for vegetation restoration are the depth of the soil，water holding capacity of soil and the content of organic matter.The suitability scores for different regions were 2.68for unit A1，1.84for unit A2，2.97for unit B1，1.98for unit B2，3.11for C1，2.97for unit C2.It can be seen that the regions with lower altitudes are much more suitable for the restoration of the vegetation compared with the regions with higher altitudes.It can also be found out that the shady side of hillock is much more suitable for the restoration of the vegetation compared to the southern aspects of the regions.

gangue mountain；vegetation restoration；suitability；assessment

X171.4；F062.2

A

1005－3409（2011）06－0264－04

2011－05－13

2011－06－26

西北“戰略中的生態建設問題研究”（2009A333）

趙曉亮（1981－），男，安徽淮北人，博士，講師，研究方向：礦山環境污染控制。E－mail：zhaoxiaoliang2008＠126.com