煤炭礦區復墾效果評價＊

錢奎梅 王麗萍

（中國礦業大學，江蘇省徐州市，221116）

煤炭礦區復墾效果評價＊

錢奎梅 王麗萍

（中國礦業大學，江蘇省徐州市，221116）

本文構建以礦區復墾土壤肥力狀況、生態質量以及環境質量3個準則層20項指標為礦區復墾效果評價指標體系，為避免因素賦權的主觀性，采用主成分分析法的方差貢獻率確定各評價指標的權重，結合模糊綜合評判方法建立各評價指標的隸屬度函數，采用因子加權求和法計算礦區復墾效果的評價總分值。

礦區復墾土壤 復墾效果 評價指標體系 評價方法

煤炭作為一次性能源，占我國能源構成比例的74%左右。煤炭開采、洗選、利用過程中產生大量煤矸石和粉煤灰等工業固體廢物。以煤矸石為主的礦區復墾土壤很難通過正常生態延續來恢復其生態功能，需要人為創造有助于植被生長的環境以強化其生態恢復過程。礦區復墾的目標是生態環境改善，生物的生物量和多樣性提高。而目前關于礦區復墾效果多集中在礦區復墾土壤的理化性質方面，不能綜合地反映出礦區總體復墾效果。作為一個復雜的功能實體，煤炭礦區復墾效果不能夠直接測定，但可以通過土壤質量相關指標來推測。煤炭礦區復墾效果包括礦區復墾土壤肥力質量、土壤生態環境質量及土壤健康質量3方面的綜合量度，即土壤在生態系統的范圍內，維持生物的生產能力、保護環境質量及促進動植物健康的能力。

本文在綜合分析礦區復墾效果的基礎上，提出礦區復墾的評價指標體系，并對初步選擇的指標進行主成分分析，根據主成分分析結果確定各個指標的權重，再結合模糊綜合評判方法建立各評價指標的隸屬度函數，采用因子加權求和法計算礦區復墾效果的評價總分值，進行礦區復墾效果評價。

1 評價指標體系確定原則

1.1 相關性原則

評價指標必須與土壤功能相聯系，能夠清晰地表征土壤的功能，為反映土壤質量及其時間變化的可量化指標。考慮表征土壤功能的直接或間接指標，例如，一個水域的水文特征是土壤阻截和儲存降雨的間接指標，而降雨之后的土壤蓄水能力是一個直接指標。

1.2 靈敏性和可區別性

土壤性質在不同的土壤系統之間差異很大，很多典型土壤參數平均值的標準差達到50%。在選定的指標中，我們需要考慮樣品之間的細微變化，例如，不同樣品之間某一參數的差異可能為5%，而其平均值95%的置信區間等于其平均值的50%，而該指標的顯著性變化在很多年之后才能發現。一般來說，利用簡單的統計方法可以很容易發現評價指標時間上的差異。不能采用在一定時間內觀察不到顯著變化的指標。

1.3 實踐性

評價指標必須具有一定的實踐性，測定方法明確并且準確。可能由于指標提供了其他方法無法提供的信息，那么就必須考慮進一步發展這些方法。

1.4 效率和費用

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

1.5 綜合性指標

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

2 煤炭礦區復墾效果的評價指標體系

煤炭礦區復墾效果的評價在于在廣泛的范圍內綜合考慮復墾后礦區復墾土壤的各方面性能，即維持植物生產力、生物生存、環境對生物生長及健康保障能力等。

2.1 土壤肥力狀況指標

在礦區復墾過程中，土壤肥力狀況是土壤為植物生長提供和協調營養條件和環境條件的能力，是土壤各種基本性質的綜合表現。評價土壤退化和生產力的土壤質量指標一般是基于植物的生產力、土壤的物理化學性質。拉森（Larson）和皮爾斯（Pierce）提出了土壤質量最小數據集的概念，其中的土壤質量指標包括有機碳、速效養分、pH值、電導率、質地、根系深度、容重、水分傳導率和有效持水量，用于監測由土壤和作物管理措施引起的土壤質量的變化。另外，由于礦區復墾中利用了煤矸石等礦區基質，故此處還需考慮礫石含量。土壤肥力狀況指標見表1的P1準則層。

2.2 土壤生態環境質量指標

礦區復墾的重要目標之一是礦區復墾土壤生態環境的改善，包括土壤中生長的植物、土壤動物、土壤微生物等的改善，其中應用最多的是土壤微生物指標。多數研究認為，土壤微生物（包括微生物生物量、土壤呼吸）是土壤質量變化最敏感的指標。土壤動物是土壤環境質量和健康質量的重要指示特征，特別是無脊椎動物，如線蟲、蚯蚓等能夠敏感地反映土壤中有毒物質含量。以植物作為土壤質量評價指標時，主要是考察植物的生長狀況、植被覆蓋、物種的多樣性和雜草的優勢種。礦區復墾需要恢復植被覆蓋，從而增加礦區復墾土壤的可持續性。微生物作為土壤中的活躍組成部分，參與土壤有機物質的礦化和腐殖質化過程，對土壤的形成和發育以及土壤養分的有效性有重要作用。土壤微生物多樣性被認為是土壤質量評價中最有意義的指標。微生物Shannon多樣性指數可用于評估物種的豐富度。微生物均勻度指數是微生物群落中個體分布均勻程度的綜合指標。

土壤酶活性在養分循環中起著很重要的作用，而且已被用作生物活性指標，蔗糖酶活性是表征土壤的C素循環和土壤生物化學活性的重要酶，可以作為評價土壤熟化程度和土壤肥力的指標之一；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養水平。該指標體系以微生物多樣性指數和微生物均勻度指數作為微生物的基礎指標，增加蔗糖酶活性、脲酶活性、磷酸酶活性和植被覆蓋度來構建礦區復墾效果評價體系的生態質量方面，以反映人為管理措施和環境因子引起的土壤生物學和生物化學變化的指標，如表1所示的P2準則層。

2.3 土壤健康質量指標

礦區復墾土壤健康質量是土壤影響或促進人類和動植物健康的能力。重金屬銅和鋅提供了如土壤生物、水質和棲息地等所有土壤環境交互功能的信息，為合適的土壤健康質量指標。根據徐州煤礦礦區的理化特性，影響礦區復墾土壤環境質量的因素主要是重金屬元素污染，包括銅、鉛、鋅、鉻、鎘，選取指標為表1所示的P3準則層。

表1 礦區復墾效果評價指標體系

3 煤炭礦區復墾效果評價方法

3.1 模糊綜合評判法

模糊綜合評判法是一種基于模糊數學的綜合評判方法。它根據模糊數學的隸屬度理論把定性評價轉化為定量評價，具有結果清晰、系統性強的特點，能較好地解決模糊的難以量化的問題。

3.2 評價指標權重的確定

評價指標權重的確定采用主成分分析法的方差貢獻率確定，從而避免了現有評價方法中以特爾菲法或層次分析法等進行因素賦權所帶來的主觀性。采用因子加權求和法計算復墾效果的評價總分值，通過復墾效果的評價總分值進行分析。

本文根據以往土壤質量評價的理論與實證研究，決定采用正態分位數方法劃分指標評語集的等級標準，因此將礦區復墾效果分為4級的定性描述，D為評價總分值：0＜D≤0.4，礦區復墾效果極差；0.4＜D≤0.6，礦區復墾效果差；0.6＜D≤0.7，礦區復墾效果一般；0.7＜D≤0.9，礦區復墾效果較好；0.9＜D≤1，礦區復墾效果極好。

4 煤炭礦區復墾效果評價實例

4.1 實驗設計

本實驗采用室內常溫（10～25℃）盆栽培養，實驗用盆為20cm×20cm（高×盆口直徑）的白色塑料盆，粉煤灰、煤矸石和污泥的質量配比A1（20∶70∶10）、A2（20∶60∶20）以及A3（20∶50∶30）的復合基質作為試種基質，每盆基質2.5 kg，種植黑麥草進行盆栽試驗。實驗的兩個菌種采用3種接種方式，B1－G.v，B2－G.m，B3－（G.v＋G.m）。相同條件下做無接種對照樣。接種處理中加入菌劑60g／盆，復合接種B3則兩個菌種各為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，污泥取自中國礦業大學南湖校區污水處理站的剩余污泥。其中煤矸石均破碎為直徑10mm左右，污泥經過一定程度風干使含水率達到60%～70%。黑麥草培養時間為12個月，每隔4～7d澆水一次，澆水量為350ml／盆。

4.2 礦區復墾效果評價

對礦區復墾效果的評價指標進行主成分分析，特征值大于1的主成分、各評價指標的公因子方差及權重見表2。從表中可以看出，5個主成分的特征值大于1并且能解釋92.41%的總變異性。

表2 評價指標體系的主成分載荷矩陣、公因子方差及權重

續表

表3 礦區復墾效果綜合評價指數

表4 礦區復墾效果綜合評價指數

對不同配比不同接種方式復合基質復墾效果的綜合評價結果見表3。從表中可以看出，三種配比基質（A1、A2、A3）中，A3配比基質的綜合評價指數較高，按照表3的分級效果，復墾效果屬于一般和較好的級別，但是差異不顯著。而接種叢枝菌根真菌處理的復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了礦區的復墾。根據前期對各種處理的分析，評價結果完全符合基質利用的實際情況。

本文為礦區復墾效果提供了通用的評價指標體系和可行的評價方法，同時，根據評價結果可以直觀地分析礦區復墾過程中土壤的變化情況，為指導礦區復墾方案以及礦區生態環境的可持續發展提供一定的理論依據。

［1］ 耿殿明，姜福興.我國煤炭礦區生態環境問題分析［J］.中國煤炭，2002（7）

［2］ 楊艷國，題正義.礦井煤與瓦斯突出危險性模糊綜合評價方法研究［J］.中國煤炭，2006（8）

［3］ 陳龍乾，鄧喀中，徐黎華等.礦區復墾土壤質量評價方法［J］.中國礦業大學學報，1999（28）

［4］ 馬建軍，李青豐，張樹禮.灰色關聯分析在黑岱溝露天煤礦土壤質量評價中的應用［J］.干旱區資源與環境，2007（21）

［5］ 張丹鳳，白中科，葉寶瑩.礦區復墾土地的評價方法［J］.資源開發與市場，2007（23）

［6］ Dick R P.A review：long－term effect of agricultural systems on soil biochemical and microbial parameters［J］.Agr.Ecosys.Environ.1992（40）

［7］ Larson W E，Pierre F J.Conservation and enhancement of soil quality［A］.In Proc.Of the Int.Workshop on evaluation for sustainable land management in the developing world.International Board for Soil Resource and Management（IBSRAM）.Proceeding no.123vol.2.Bangkok，Thailand，1991.

［8］ Widmer F，Fliebach A，Laczko E，et al.Assessing soil biological characteristics——comparison of bulk soil community DNA，PLFA，and BIOLOG analyses［J］.Soil Biol Biochem，2001（33）

［9］ He J Z，Xu Z H，Hughes J.Molecular bacterial diversity of a forest soil under different residue management regimes in subtropical Australia［J］.FEMS Microbiol Ecol，2006（55）

［10］ Jordan D，Kremer R J，Bergfield W A，et al.Evaluation of microbial methods as potential indicators of soil quality in historical agricultural fields［J］.Biology and fertility of soils，1995（19）

［11］ L XN，Meng XN，Ma WZ，et al.Soil quality and its development［J］.Acta Agriculture Zhejiangensis，2004（16）

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

江蘇省省級環保科技項目（2007024）

錢奎梅（1982－），女，博士生，研究方向為煤炭礦區生態修復。

（責任編輯 張艷華）