礦業廢棄地復墾耕地多目標質量評價體系與應用

諶凱，吳思聰張世文，陳家樂蘭鴻超繆偉偉葛暢沈強

1.安徽理工大學，地球與環境學院，淮南 232001

2.南京農業大學，資源與環境科學學院，南京 210095

0 前言

土地作為人類賴以生存和發展的物質基礎，也是進行一切生產建設的基本物質條件。礦業開采給人們帶來巨大財富的同時，也給土地生態環境帶來了極大問題，為了實現永續利用的目的，人們往往需要對污染、破壞的土地進行復墾。因此復墾土地的質量受到世界范圍內的廣泛關注，復墾土地質量評價方法和指標體系的建立也一直是業內研究的熱門領域。

國內外眾多學者都針對復墾土地的質量進行了研究，并提出了許多質量評價方法和評價指標體系。而國內有關復墾土地質量的研究工作往往從土壤肥力、土壤環境質量等單一目標出發。如王琛、劉曙光等人選擇土壤的理化性質，對復墾土壤的肥力進行評價[1-2]；閆超凡等人從復墾措施及年限的角度出發，對復墾土地的質量進行評價[3]；聶興山、馬力陽等人針對復墾土壤中的重金屬含量，對復墾土壤的環境質量進行了評估[4-5]。因此已有研究成果對復墾土地質量的評價往往拘泥于單一目標，缺少對復墾土地的多目標評價。而復墾耕地作為復墾土地中一類特殊的用地，除上述問題外，由于其質量受眾多因素影響，還具有綜合性、空間性、動態性、后效性和不確定性等問題。因此，針對評價對象的特殊性，建立專門的復墾耕地質量評價標準，形成服務于礦業城市土地管理需求的定量化的復墾耕地質量評價方法、指標體系是十分重要的。

針對當前研究不足，以復墾耕地為對象，提出復墾耕地質量的多目標評價原則，構建多目標評價指標和方法體系。并以湖北省某廢棄銅礦的復墾耕地為例進行案例分析。研究結果將為礦業廢棄地的復墾耕地質量監管和提升提供參考。

1 研究方法

1.1 原則

礦業廢棄地的復墾耕地是一類由于人為擾動所形成的特殊的國土資源，在時間、空間上都具有顯著的差異，且不同因素對耕地質量的影響程度不一，評價因子選取的合適與否往往直接影響評價結果的合理性、科學性。因此評價指標因子的選取主要遵循以下原則:(1)主導性原則；(2)區域性原則；(3)穩定性原則；(4)現實性原則；(5)針對性原則。

1.2 評價目標和指標

根據《土地復墾質量控制標準》(TD/T 1036-2013)，復墾耕地質量的評價應包含兩個目標，即生產力評價(分目標 1)和安全利用評價(分目標 2)。而根據礦業廢棄地的歷史遺留特征及復墾前的資料收集，可以判定復墾耕地是否存在環境安全問題。對于存在潛在環境問題的復墾耕地，評價其質量時應同時對其生產力和環境安全狀況進行評價，并綜合二者得到其綜合質量評價。對于無潛在環境問題的復墾耕地，可以僅開展生產力的評價。具體指標選取如表1。

1.3 復墾耕地質量評價方法

1.3.1 生產力評價

本文采用土壤生產力指數(Productivity index，PI)對復墾耕地的生產力狀況進行評價，其數值越大則復墾耕地的生產力越好，計算公式如式 1。并按照等間距法將復墾耕地的生產力劃分為5個等級，見表2。

式中:Wi為第i項生產力指標的權重；Ni為第i項生產力指標的隸屬度。

為保證權重系數的準確性與客觀性，本文采用變異系數法確定權重，利用各指標的變異系數占總變異系數和的比例作為權重系數，計算公式如下:

式中:Vi為第i項生產力指標的變異系數。

對于概念型指標如灌溉條件、道路通達度等，可直接用特爾菲法給出隸屬度[6-7]。對于定量化的指標，可依照其對于生產力的效應采取 S型隸屬度函數或拋物線型隸屬度函數得到隸屬度[8]。

表1 復墾耕地質量多目標評價指標Table 1 Multi-objective evaluation index of the quality of reclaimed land for cultivation

(1)S型隸屬度函數

此類函數參評因子指標值越高，作物生長效果越好，但是達到一定臨界值后效用趨于穩定，SOM、AP、AK都符合此類函數，表達式為:

(2)拋物線型隸屬度函數

此類函數參評因子指標值在一定范圍內，對作物的生長效應最好，但是超出一定范圍后效用變差，覆土層厚度、粉粘比都符合此類函數，表達式為:

表2 復墾耕地的生產力指數(PI)分級標準Table 2 Classification standard for productivity index of reclaimed land for cultivation

1.3.2 安全利用評價

本文采用常見的單因子指數法和內梅羅綜合污染指數法對復墾耕地的重金屬污染狀況進行評價。以《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準(試行)》(GB 15618-2018)為依據。

(1)單因子指數法

單因子指數法[9-10]一般用污染指數表示，其計算公式如下:

式中:Pi為重金屬元素i的單項污染指數；Ci為復墾耕地中重金屬元素i的實測濃度(mg·kg-1)；Si為耕地重金屬元素的環境質量標準值(mg·kg-1)。

(2)內梅羅指數法

內梅羅指數法通過單項污染指數中的最大值和單因子指數平均值，計算出綜合污染指數[11-13]。評價標準見表3，其計算公式如下:

式中:P綜為復墾耕地的綜合污染指數；Pimax為耕地中單項污染物的最大污染指數；為耕地中各項污染物的指數平均值。

1.3.3 綜合質量評價

對于可能有潛在環境安全問題的復墾耕地，應該綜合考慮生產力和安全生產兩方面對耕地質量的影響。為了更加充分的考慮各影響因素的交互作用，本文采取灰色關聯法將其與參比耕地進行比較。若灰色關聯度值越接近1，則表明其綜合質量越好。其計算公式如下:

X0為參比數列，Xi=為比較數列。

對比較數列進行均值化處理，消除量綱的影響，如式7。

由于耕地綜合質量受各指標的影響程度不同，因此通過變異系數法(式 2)確定權重。則關聯度ri計算公式如下:

式中:ri為比較數列Xi對參比數列X0的灰色關聯度；Wi為指標的權重

依據《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準(試行)》(GB 15618-2018)以及《全國第二次土壤普查技術規程》，結合相關文獻[17-19]，對參比耕地相應指標賦值。

2 應用與分析

2.1 案例區概況與數據獲取

2.1.1 案例區概況

案例區位于湖北省某銅礦廢棄地，經過多年的礦產開采，對當地的生態環境造成了嚴重的破壞。該廢棄銅礦復墾耕地總面積0.21 km2。復墾工作完成于2014年，采用預防與控制措施、工程技術措施和生物化學措施相結合的方法，復墾方向主要為耕地。案例區處于低山丘陵地區，整個案例區地勢呈現西南部高，東北部低。具有亞熱帶大陸性季風氣候特征。案例區所在地區的地帶性土壤類型主要為黃棕壤。

2.1.2 評價指標選取

除表1中的必選指標外，綜合考慮案例區在復墾前所屬礦種、其伴生礦的實際情況以及復墾的相關措施，本文將可選指標中的道路通達度、灌溉保證率、Cd、Cu、Pb、As、Zn、Hg也一并納入評價過程，以確保評價的準確性和全面性。

2.1.3 數據獲取

采用網格和隨機布點相結合的采樣方法，以案例區為底圖，在 ArcGIS10.2軟件里網格布點，網格大小50 m×50 m，共布設84個，根據復墾措施、復墾方向進行抽樣，最終獲得采樣點16個。SOM、AK、AP、粉粘比參考《土壤檢測》(NY/T 1121-2006)系列標準進行測定。結合采礦背景、相關前期調查材料分析，選擇存在潛在環境污染風險的Cd、Pb、Cu、Zn、As進行研究。Cd、Pb參考《土壤質量鉛、鎘的測定 石墨爐原子吸收分光光度法》(GB/T 17141-1997)，采用石墨爐原子吸收分光光度法測定；Cu和Zn參考《土壤質量 銅、鋅的測定 火焰原子吸收分光光度法》(GB/T 17138)，采用火焰原子吸收分光光度法測定；As、Hg參考《土壤和沉積物汞、砷、硒、鉍、銻的測定微波消解/原子熒光法》(HJ 680—2013)，采用微波消解/原子熒光法測定。野外取樣的同時，調查采樣點的覆土厚度、道路通達度、灌溉保證率。

表3 復墾耕地污染分級標準Table 3 Classification standard for pollution of reclaimed land for cultivation

2.2 轉折點的確定

對于SOM、AP、AK，選擇S型隸屬度函數；對于覆土厚度、粉粘比，選擇拋物線型隸屬度函數，同時參照現有相關研究結果[20-22]與《全國第二次土壤普查技術規程》，確定隸屬度函數中各轉折點的相應取值，如表4:

2.3 評價結果

2.3.1 生產力評價

利用 SPSS24.0軟件對各項生產力指標進行描述性統計，結果如表5。

變異系數可以用于表征耕地生產力性質的變異程度。從變異系數上來看，SOM、AP的變異系數大于 40%，均為中等變異，其中 AP的變異系數最大，為 92%，遠高于其他生產力指標。這是由于磷在土壤中的遷移性小且在復墾過程中磷的施入情況不同，因而導致其空間分布不均。參照《全國第二次土壤普查技術規程》，AK含量處于中等水平，SOM和AP含量處于較低水平。

平均隸屬度越大，所反映的單一指標的生產力水平越高[23]。從表1中可以看出，SOM的平均隸屬度最小，僅為 0.1；AP、AK 次之，均不足 0.5；而灌溉保證率、粉粘比、覆土厚度的平均隸屬度均大于0.5，這表明復墾工作完成后，相關的農田配套設施在一段時間內都可以滿足生產需要，而土壤理化性質則會由于缺少人為的監管逐漸低于生產的要求，因此在復墾結束后的利用過程中應該注意土壤理化性質的監測和改善。

結合復墾耕地生產力指數分級標準(表2)，采用普通克里格插值法繪制出案例區復墾耕地生產力狀況的分布圖(圖1)。從整體來看，案例區耕地生產力處于中等水平，16個采樣點的耕地生產力指數屬較差、中等的比例分別為25%、75%。其中，屬較低的采樣點存在AP偏小或SOM偏小的問題，從而制約了案例區耕地的生產力。以西南至東南方向的連線為界，界線以北地區的耕地生產力總體上高于界線以南地區，這種分布趨勢主要與采樣點距儲水區的距離相關。且該趨勢與SOM與AK的分布趨勢較為一致，說明灌溉保證率、SOM與AK對案例區耕地生產力的影響較大；從局部來看，耕地生產力指數最高的區域主要分布在南部及西北部。南部的耕地生產力指數較高主要與該地區 SOM 含量較高有關，其貢獻率平均在0.15以上。西北部的耕地生產力指數則主要與 AK 和粉粘比較大有關，其二者貢獻率之和最大可達到0.31。

表4 指標轉折點Table 4 Turning point of indicators

表5 復墾耕地生產力指標描述性統計Table 5 Descriptive statistics of productivity indicators for reclaimed land for cultivation

圖1 耕地生產力空間分布圖Figure 1 Spatial distribution map of productive power of cultivated land

2.3.2 安全利用評價

利用SPSS24.0軟件對各項安全利用指標進行描述性統計分析，各重金屬的Pi和P綜評價結果見表6。

從變異系數來看，案例區耕地中各重金屬的變異系數均已超過15%，其中Hg、Cd、Cu、As的變異系數集中在 40%，為中等變異，耕地重金屬變異系數表現出的整體特征在一定程度上說明了歷史遺留礦業廢棄地復墾耕地的突變性。其原因主要是案例區內不同復墾地塊受采礦活動所導致的損毀程度不同，且在復墾過程中所采用的復墾措施也有所差異。

塊基比 C0/(C0+C1)即塊金值與基臺值的比值，一般可以用其衡量變量的空間相關性，比值越大，則空間相關性越弱。從C0/(C0+C1)可看出，除Cr以外，其余重金屬的塊基比均大于 75%，為弱空間相關性，表明礦業廢棄地復墾耕地重金屬的空間變異性主要是由人為因素引起的[24]。進一步說明了對礦業廢棄地復墾耕地的質量評價應該綜合覆土厚度等復墾措施。

從Pi來看，As的污染最為嚴重，Pi值為 2.15，是該案例區的主要污染因子。其余重金屬的Pi值均小于1，未對案例區造成明顯污染，但其中的Cu和Zn的Pi值已超過0.8。案例區的平均P綜為1.64，屬于輕度污染。為了實現長期安全生產的目的，可以在案例區內種植一些超富集植物對 As、Cu、Zn的污染進行控制。結合復墾耕地污染分級標準(表3)，通過 ArcGIS10.2軟件繪制出耕地重金屬空間分布圖，如圖2。

從整體來看，案例區耕地重金屬污染處于輕度污染水平，16個采樣點的P綜中屬于輕度污染的占75%。以儲水區為界，界線以南區域的重金屬污染程度總體上小于界線以北地區。從空間分布的局部特征來看，西北角的重金屬污染最為嚴重，東北區域的污染次之，這與耕地中As、Cd和Cu含量的分布趨勢一致，這表明案例區復墾耕地的重金屬污染主要是由這三種重金屬造成。

圖2 耕地綜合污染指數空間分布圖Figure 2 Spatial distribution map of comprehensive pollution index of cultivated land

表6 耕地重金屬含量描述性統計Table 6 Descriptive statistics of heavy metals in cultivated land

2.3.3 耕地綜合質量評價

灰色關聯度可以比較真實、客觀地反應出被評價的耕地與參比耕地之間的差異，從而克服難以充分考慮各指標的交互作用對綜合質量的影響這一問題。其值越接近1，表明被評價復墾耕地與參比耕地的相似程度越高，反之越低。利用SPSS24.0軟件，由式(2)計算得到各指標的權重(表7)。并由式(7)—(9)得到各采樣點的關聯度，通過ArcGIS10.2軟件對其進行普通克里格插值得到空間分布圖。如圖3。

由圖3可知，案例區復墾耕地與參比耕地的關聯度值均大于 0.75，平均關聯度值為 0.82，與參比耕地質量差異較小。其中西南部區域相似度最高，其次為西北與東南部，最后為東北部。案例區關聯度僅在0.75—0.84之間波動，區內耕地質量差異無明顯差異。關聯度空間分布格局與耕地生產力呈空間正相關，與安全利用呈空間負相關。基于與參比耕地的灰色關聯度分析可以很好地反映復墾耕地綜合質量狀況[26-28]。

3 結論與討論

針對廢棄復墾耕地，建立多目標質量評價體系，并以湖北省某廢棄銅礦的復墾耕地為案例區，實現案例區的復墾耕地質量評價。

(1)在考慮礦業廢棄地的實際情況下，從復墾耕地的生產力、安全生產兩個目標出發，借助于多方法相結合，構建了礦業廢棄地復墾耕地的質量評價體系，實現了廢棄地復墾耕地質量多目標評價。

(2)案例區耕地生產力總體呈中等水平，生產力水平相對較好的地塊主要分布在區域的南部和北部，水平較差的地塊主要集中在西南區域，SOM 和 AP的含量是主要的制約因素，今后應增施有機肥和磷肥以維持生產力。

(3)該案例區的安全利用狀況在全區范圍內差異較小，As是制約安全生產的主要因素，可額外種植超富集植物對其進行控制；從案例區耕地綜合質量與參比耕地質量的關聯度來看，平均關聯度為 0.82，與參比耕地較為接近。且關聯度與生產力的空間格局具有一致性，表明耕地生產力對耕地質量的影響較大。

(4)本研究考慮了不同目標下復墾耕地的土壤質量，并利用灰色關聯法對復墾耕地的質量進行了綜合評價，豐富和完善了當前的復墾土地質量評價體系和評價方法。但本文僅以湖北某廢棄銅礦復墾項目作為案例進行研究，后續需要進一步結合其他地區的復墾耕地進行驗證評價，以表明該評價體系的普適性；在評價復墾耕地質量時，只進行了現狀分析，缺少各時間段土壤質量的對比分析研究，建議收集相關地區多年土壤數據，進一步評價土壤質量的發展趨勢；同時，為了更好的評價復墾耕地質量的可持續性，可以從能量效率角度和熱動力學角度出發，選取能量效率和熵作為指標[34]，使評價體系更加全面、科學。

表7 耕地綜合質量評價指標權重Table 7 Weighs of evaluation index for comprehensive quality of cultivated land

圖3 關聯度空間分布圖Figure 3 Spatial distributions map of grey relevance