礦山廢棄地生態退化程度評價

王超，畢君，尤海舟

1.河北省林業科學研究院，河北 石家莊 050067；2.河北省林木良種工程技術研究中心，河北 石家莊 050061

礦山廢棄地是受采礦活動劇烈干擾所形成的極度退化的生態系統。由于采礦活動中需要大面積剝離表層巖土和產生大量的廢棄渣石，使區域景觀破碎化，原生土壤-植被系統遭到完全破壞，土地退化為原生裸地乃至失去利用價值，并引發系列的環境問題如水土流失、環境污染和地質災害等(劉海龍，2004)；尤其是金屬礦山廢棄地，由于較高的剝采比和重金屬環境背景值，表面多形成極端的生態環境（薛生國等，2009），生態系統進展演替困難，生態恢復難度較大。我國礦山生態恢復始于 20世紀 70年代后期，目前在生態恢復的理論、規劃與實踐等多個方面仍處于薄弱環節；全國平均恢復率約為10%～12%，而金屬礦山廢棄地恢復率較低(5%以下)，與礦業先進國家的廢棄地恢復率(50%～80%)相差甚遠（李明順等，2005）。礦山廢棄地生態系統退化程度評價是對生態質量現狀、生態影響和可治理難易程度的評估過程，可為生態環境影響評價、生態恢復規劃和生態治理工程等提供理論基礎。由于礦山廢棄地生態環境的高度復雜性，已有生態退化研究多集中于某一方面，而綜合性反映生態退化程度的研究較少。何書金、孫明迪等對礦區廢棄地土地可恢復潛力進行了評價（何書金和蘇光泉，2000；孫明迪等，2006），李江峰對礦區廢棄地恢復生態質量進行了評價（李江峰，2010），冀紅娟等對尾礦庫環境影響進行了評價（冀紅娟等，2008）。礦山廢棄地根據產生原因可劃分為采礦跡地、排巖場、尾礦庫、壓占區等主要類型（王超和畢君，2012；吳歡和周興，2003；劉國華和舒洪嵐，2002），本文分別廢棄地類型進行了生態退化程度的綜合評價研究。

1 生態退化評價指標選取

目前生態系統的評價方法大致分為2種。一種是生態系統質量的評價方法，主要考慮生態系統的自然屬性，例如對自然保護區環境質量的評價，評價指標均來自于生態系統的各項自然環境因子，如張崢等對我國濕地生態質量評價方法的研究（張崢等，2000），張濤對徐州山地森林生態質量的評價（張濤等，2009）；另一種評價方法是從社會--經濟的觀點出發來評價生態系統，評價人類社會經濟活動所引起的自然生態系統結構和功能的改變程度，評價指標主要反映社會經濟活動對自然生態系統的擾動強度，如陳橋對黑龍江省礦山生態環境質量的評價（陳橋，2003）。隨著生態系統評價研究的不斷深入，兼顧自然因子、人為干擾強度因子的評價方法已逐步得到應用，如劉燕對陜北黃土高原生態質量的評價（劉燕和劉康，2010）。由于礦山廢棄地是受高強度人為干擾所形成的極度退化生態系統，評價結果既要反映礦山廢棄地生態質量現狀，也要反映采礦活動對生態系統的干擾強度，因此評價時需要同時考慮生態系統的自然屬性和社會經濟活動屬性。

生態退化是指由于人類對自然資源以及不合理利用而造成生態系統結構破壞、功能衰退、生物多樣性減少、生物生產力下降以及土地生產潛力下降、土地資源喪失等現象（劉國華等，2000），表征礦山廢棄地生態退化程度的指標通常來自于生態系統結構、生態負面影響、環境污染及環境風險等方面。由于生態系統的高度復雜性，選擇導致生態系統退化的主要因子或以宜于反映生態系統破壞程度或恢復潛力、生態影響范圍及程度的自然因子和工程指標作為評價指標，遵循概況性和普適性強、數量少、便于直接獲得和應用的原則（馬祥愛，2005）。

1.1 尾礦庫生態退化評價指標

尾礦庫是由金屬礦石精選后的廢渣堆棄而成，由細微的巖土顆粒組成，主要生態限制性因子為表面干旱高溫的小氣候，土壤缺失和營養物質缺乏、不適宜的pH值以及重金屬離子濃度過高等；生態環境負面影響表現為自然植被難以生長、易于水蝕和風蝕、粉塵和重金屬離子等有害物質對環境的污染，尾礦庫潰壩誘發地質災害等。因此評價指標選擇庫容（設計等級）、坡度、pH值、有害物質濃度、自然植被蓋度和安全度6項因子。

1.2 采礦跡地生態退化評價指標

采礦跡地指礦山采掘過程中對山體表面直接破壞所形成的創面，地表完全由巖石組成，土壤-植被結構被破壞，生態限制性因子為土壤結構的缺損、不適宜的pH值和較高的重金屬離子濃度等；生態環境負面影響表現為自然植被難以生長、易于水土流失、地質風險隱患和環境污染物質超標等。因此評價指標選取地表物質組成、地表平整度、有害物質濃度、自然植被蓋度、面積、地質安全性 6項因子。

1.3 排巖場生態退化評價指標

排巖場，通常又稱排土場，是在礦山采掘、采選過程中由剝離廢棄的土壤、石塊和礫石人工堆棄成的松散堆墊體，主要生態限制性因子為土壤和植被的缺損，水土流失、環境污染隱患和地質風險等，選取設計等級、物質組成、安全度、自然植被蓋度、有害物質濃度和坡度6項因子做為評價指標。

1.4 壓占區生態退化評價指標

壓占區指由于生產作業、建筑、交通等先占用后破壞的土地，生態限制性因子為土壤和植被的破壞，評價指標選取壓占面積、地表物質組成、有害物質濃度和自然植被蓋度4項因子。

2 生態退化程度的綜合評價

礦山廢棄地生態退化評價指標來自于土壤、植被、景觀和工程等方面，難以實現不同指標的直接量化比較。本文采用層次分析法確定各評價指標權重值；結合實地調查結果、國家現有標準值和專家賦值等對各項指標進行量化和標準化，最后運用各指標權重綜合確定生態退化等級。

2.1 層次模型的建立

根據所選擇的指標，其生態退化因子可分為 3層樹狀結構，準則層分為4個方面：工程設計條件、土壤條件、地形和地質條件、植被條件，其下層由9項評價因子組成，層次結構詳見圖1。

2.2 評價指標權重值的確定方法

層次分析法是定性和定量分析相結合的一種評價和決策方法。首先采用專家打分法確定各指標的重要值標度，然后采用和積法計算各指標權重和最大特征向量，最后進行歸一化處理，以量化區別各指標的權重值（張崢等，2000）。重要值標度是為了評價各指標間的重要性，即在評價時的權重，各重要值標度含義詳見表1。

表1 重要值標度含義Table 1 The meaning of importance value

評價指標權重值計算借助于天津大學管理學院編制的AHP軟件系統完成。

2.3 評價指標權重值計算

依據專家對各評價因子的打分結果，各類型廢棄地不同評價指標的權重值計算結果見表2～表5。從各指標權重計算結果看，破壞面積成為反映生態退化程度最重要的指標；其次是地表物質組成，主要反映了破壞程度的嚴重性，安全性反映了潛在的生態風險，也是評價中備受關注的指標；而植被、有害物質濃度雖然更能直觀反映生態退化的程度和易于治理程度，但主要受地表破壞程度的影響，但所得權重值最低。

3 生態退化評價指標的等級劃分與量化

3.1 評價指標的等級劃分

根據礦山廢棄地實地調查結果，參考國內外已有對生態質量評價的相關研究，進行生態退化等級劃分：

（1）生態系統較好（Ⅰ級）：對原有生態系統結構的擾動和影響較小，仍具有原有生態功能，易于治理或不需治理，基本無環境污染和地質安全隱患。本生態退化等級定義為可自然恢復級。

表2 尾礦庫生態退化評價指標權重值Table 2 The weight value of evaluation index on tailings reservoir

表3 采礦跡地生態退化評價指標權重值Table 3 The weight value of evaluation index on mined land

表4 排巖場生態退化評價指標權重值Table 4 The weight value of evaluation index on waste dump

表5 壓占區生態退化評價指標權重值Table 5 The weight value of evaluation index onoccupied land

（2）生態系統一般（Ⅱ級）：對原有生態系統結構擾動和影響較大，但仍具有一定的自然恢復能力，可以治理，基本無重大環境污染和地質安全隱患。本生態退化等級定義為可治理級。

（3）生態系統較差（Ⅲ級）：原有生態系統結構完全被破壞，進展演替困難，有較大環境污染和地質安全隱患，難于治理。本生態退化等級定義為難于治理級。

（4）生態系統很差（Ⅳ級）：原有生態系統結構完全被破壞，無法實現進展演替，有重大環境污染和地質安全隱患，治理難度極大。本生態退化等級定義為無法治理級。

各類型廢棄地等級閾值劃分標準詳見表 6～表10。

3.2 評價指標量化與標準化

本次評價包括定性和定量指標，指標的量化和標準化是生態退化程度量化比較的前提。首先對各指標賦以標準分值 10分，然后對定性指標采用專家賦分法進行分級量化，最后采用百分比法對各指標的退化等級進行標準化。選取實地調查的極限值、國家相關的法定標準值為參照值，難以獲得極限值和標準值的評價指標取Ⅳ級標準下限值的 1.5倍為極限值。對于與生態退化強度呈正相關的指標采用公式（1）進行標準化，負相關指標采用公式（2），對于參照值為區間的指標（如pH值）采用公式（3）。同一指標中有2項因子的情況下（主要是設計等級），以主要生態影響因子（庫容）為計算依據。

其中：F為量化值；S為參照值；C為實際值；B為某項評價指標賦分值，B=10.0；K為實際得分值；W為權重值。

以上計算中當C值等于或超過S值時，正相關時取K=10，負相關時取K=0。

各類型廢棄地生態退化評價指標詳細量化與標準化結果分別見表6～表9。

4 礦山廢棄地生態退化等級評價

綜合以上量化、標準化評價結果，根據各評價指標權重，采用公式4計算各類型礦山廢棄地生態退化程度實際得分值，匯總后可得各評價等級的域值，詳見表10。

5 應用案例

5.1 案例概況

遵化市位于河北省東北部，屬燕山山脈東段南麓的低山丘陵區。本區鐵礦資源豐富，但以貧礦居多，形成了以中小民營企業為主的礦山開采局面。由于不注重生態環境保護，形成了大面積礦山廢棄地，急需進行生態治理。馬棚峪鐵礦位于遵化市東部，屬遵化市中型礦山，集采礦、選礦工藝，年產精鐵粉近萬t，主要以露采為主，總占地面積約20 hm2。區內有尾礦庫2座，庫容分別為200萬m3和30萬m3；采坑占地4 hm2，深28 m；土壤礫石型排巖場1.6 hm2，廢棄土石量300萬m3，因生產、交通等廢棄土地約2 hm2。各類型廢棄地土壤基本可達到國家規定的土壤環境質量Ⅲ級標準。

表6 尾礦庫生態退化評價指標量化與標準化統計表Table 6 The quantization and standardization of evaluation index on tailings reservoir

表7 采礦跡地生態退化評價指標量化與標準化統計表Table 7 The quantization and standardization of evaluation index on mined land

表8 排巖場生態退化評價指標量化與標準化統計表Table 8 The quantization and standardization of evaluation index on waste dump

表9 壓占區生態退化評價指標量化與標準化統計表Table 9 The quantization and standardization of evaluation index on occupied land

表10 礦山廢棄地生態退化評價等級Table 10 The evaluation grade of ecological degration on mine wasteland

5.2 案例分析

采用上文的生態退化評價方法，對馬棚峪鐵礦廢棄地分類型進行生態等級評價。評價結果詳見表11。

根據表 11的評價結果，馬棚峪鐵礦各類型廢棄地中以露采跡地生態退化最為嚴重，治理難度最大；2＃尾礦庫、排巖場和壓占區生態退化程度較輕，較為易于治理。從實際情況分析，2＃尾礦庫、排巖場和壓占區占地面積較小，坡度相對平緩，只要適當削坡加固和表層覆土即可種植植被；1＃尾礦庫占地面積大，坡度陡，安全形勢不容樂觀，應加緊治理；露采跡地已退化為原生巖質裸地，完全不存在植被生長的基礎條件，治理難度很大。以上評價結果基本符合現實情況，可應用于生產實踐。

表11 馬棚峪鐵礦廢棄地生態退化等級評價結果Table 11 The evaluation grade of ecological degration on Mapengyu mine wasteland

6 結論與討論

本文建立了針對尾礦庫、排巖場、采礦跡地和壓占區4種礦山廢棄地類型生態退化程度的評價體系，將其生態退化程度分為可自然恢復、可治理、難于治理和無法治理4個等級；所選擇的指標相對簡單、直觀，其中占用面積和地表破壞程度是最重要的評價指標。通過案例性分析有較好的適用性，可在實踐中應用。

礦山廢棄地退化生態系統評價是一個復雜的系統，現有評價指標體系難以全面反映實際退化所引發的的生態負面影響，如水土流失的加劇程度、有害物質的擴散程度、生物生產力的下降程度等多個方面，但指標過多又使評價系統過于繁瑣而易于忽略主要生態問題，實際應用中應根據情況對各指標進行合理篩選，以保證評價結果的可靠性。

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