基于層次分析法的礦山高陡巖質(zhì)邊坡生態(tài)修復(fù)綠化效果評價研究

趙金召，張兆長，李艷晨，楊 陽，南貴軍，何佳林，郭 姍

(河北省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局國土資源勘查中心(河北省礦山和地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急救援中心)，河北 石家莊 050081)

0 引 言

石材開采在推動社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時，也形成了大量裸露高陡巖質(zhì)的邊坡，造成了一系列嚴(yán)重的礦山生態(tài)環(huán)境問題，嚴(yán)重阻礙了社會的可持續(xù)發(fā)展，破壞了人與自然和諧共處，造成生態(tài)系統(tǒng)的不平衡[1-2]。2012年起，全國各地陸續(xù)開展“礦山復(fù)綠”行動[3]，習(xí)近平總書記在主持浙江工作期間，形成了以綠色為基調(diào)的生態(tài)文明思想，體現(xiàn)了以人為本、人與自然和諧為核心的生態(tài)理念和以綠色為導(dǎo)向的生態(tài)發(fā)展觀。十八大以來，習(xí)近平總書記明確把生態(tài)文明作為繼農(nóng)業(yè)文明和工業(yè)文明之后的一個新階段，指出生態(tài)文明建設(shè)是政治，是關(guān)乎人民主體地位的體現(xiàn)、共產(chǎn)黨執(zhí)政基礎(chǔ)的鞏固和中華民族偉大復(fù)興中國夢的實現(xiàn)。習(xí)近平總書記提出過不少關(guān)于生態(tài)文明建設(shè)的金句，“綠水青山就是金山銀山”“要像保護(hù)眼睛一樣保護(hù)生態(tài)環(huán)境”“良好生態(tài)環(huán)境是最普惠的民生福祉”“生態(tài)環(huán)境是關(guān)系黨的使命宗旨的重大政治問題”“山水林田湖草是生命共同體”“用最嚴(yán)格制度最嚴(yán)密法治保護(hù)生態(tài)環(huán)境”“共謀全球生態(tài)文明建設(shè)，深度參與全球環(huán)境治理”等。因此，高陡巖質(zhì)邊坡的生態(tài)修復(fù)工作亟需進(jìn)行。

目前，高陡巖質(zhì)邊坡綠化技術(shù)主要有藤蔓垂直綠化技術(shù)[4]、植生袋技術(shù)[5-6]、三維植被網(wǎng)噴播技術(shù)[7-8]、爆破燕窩生態(tài)修復(fù)技術(shù)[9]、植被混凝土生態(tài)防護(hù)技術(shù)[10-11]、客土噴播施工技術(shù)[12-13]等，這些技術(shù)大多是采用工程技術(shù)對高陡巖質(zhì)邊坡進(jìn)行綠化，但關(guān)于高陡巖質(zhì)邊坡生態(tài)修復(fù)綠化效果的評價卻鮮有研究。基于此，本文開創(chuàng)性地引入層次分析法建立了一套適合高陡巖質(zhì)邊坡生態(tài)修復(fù)綠化效果的評價體系。

高陡巖質(zhì)邊坡生態(tài)修復(fù)綠化效果評價是當(dāng)前環(huán)境科學(xué)研究的熱點之一。目前，學(xué)者們對礦山環(huán)境評價的主要方法有層次分析法[14-16]、變權(quán)模糊綜合法[17]、FUZZY[18]、RS和GIS[19]、物元分析法[20-21]、遙感生態(tài)指數(shù)[22]等。其中，層次分析法是美國運(yùn)籌學(xué)家SAATY等[23]提出的定性分析與定量分析相結(jié)合的多目標(biāo)決策分析方法。該方法是一種簡單、方便、靈活、實用的多準(zhǔn)則決策方法，量化了決策者的經(jīng)驗，適用于數(shù)據(jù)缺乏、目標(biāo)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的情況[13]。

1 評價體系的建立

生態(tài)環(huán)境評價面對的是一個多屬性、多標(biāo)準(zhǔn)和多層次的綜合系統(tǒng)，其指標(biāo)體系的建立屬于多屬性評價問題[24]。影響高陡巖質(zhì)邊坡生態(tài)環(huán)境的因素很多，本文以植被的生態(tài)適應(yīng)性、復(fù)綠效果、經(jīng)濟(jì)性和應(yīng)用潛力為準(zhǔn)則層，建立了以耐旱性、耐貧瘠性、耐高溫性、抗風(fēng)性、生長速度、葉期、覆蓋度、成本、后期管護(hù)、資源量和后期市場為指標(biāo)層的評價體系結(jié)構(gòu)模型(圖1)。

圖1 評價體系結(jié)構(gòu)模型Fig.1 Evaluation architecture model

1.1 適應(yīng)性(B1)

植被的生態(tài)適應(yīng)性直接關(guān)系到高陡巖質(zhì)邊坡生態(tài)修復(fù)的成功與否。高陡巖質(zhì)邊坡綠化植被的生態(tài)適應(yīng)性包括耐旱性、耐貧瘠性、耐高溫性和抗風(fēng)性四個指標(biāo)，具體如下所述。

1.1.1 耐旱性(P1)

植物的耐旱性是植物對干旱的適應(yīng)與抵抗能力，包括干旱屏蔽和干旱抵抗。高陡巖質(zhì)邊坡生態(tài)修復(fù)后期植被養(yǎng)護(hù)困難，難以及時澆水。由于礦山綠化覆土較薄，保水時間和持水時間有限，這就要求綠化植被有較強(qiáng)的耐旱性，因此，植被抗旱性是高陡巖質(zhì)邊坡生態(tài)修復(fù)的關(guān)鍵指標(biāo)。

1.1.2 耐貧瘠性(P2)

植物的耐貧瘠性主要指植物在非生物因素和生物因素的影響下不適宜植物成長的特性。礦山生態(tài)修復(fù)使用的土壤多為生土，覆土層厚度遠(yuǎn)小于農(nóng)業(yè)和林業(yè)用土，大多數(shù)為基坑土，直接覆蓋在基巖上面。由于土壤稀薄，缺乏植被生長所需的養(yǎng)分，因此植被的耐貧瘠性是高陡巖質(zhì)邊坡生態(tài)修復(fù)的重要指標(biāo)。

1.1.3 耐高溫性(P3)

植物的耐高溫性是指植物對高溫脅迫的適應(yīng)性和抵抗性。由于高陡巖質(zhì)的陽坡夏季溫度特別高，因此高溫對植被的生理特性有較大影響，有些植被在高溫的情況下會致命，因此植被的耐高溫性是高陡巖質(zhì)邊坡生態(tài)修復(fù)的尤為重要的指標(biāo)。

1.1.4 抗風(fēng)性(P4)

植物的抗風(fēng)性是指植物適應(yīng)和抵抗風(fēng)倒、風(fēng)折的能力。高陡巖質(zhì)邊坡綠色植被的抗風(fēng)性一般指攀援類植被吸附巖壁的強(qiáng)弱，主要是指早春大風(fēng)下綠化植被吸附巖壁的強(qiáng)弱，因此抗風(fēng)性是高陡巖質(zhì)邊坡生態(tài)修復(fù)的重要指標(biāo)。

1.2 復(fù)綠效果(B2)

復(fù)綠效果包括植被生長速度、葉期和覆蓋度三個指標(biāo)，具體如下所述。

1.2.1 生長速度(P5)

植物的生長速度是指單位時間內(nèi)植物重量、面積、長度、直徑或葉片數(shù)的增加量。高陡巖質(zhì)邊坡的邊坡長度一般為幾十米至幾百米長，綠化工期短，這就要求綠化植被有較強(qiáng)的生長速度。因此，生長速度是高陡巖質(zhì)邊坡生態(tài)修復(fù)特別重要的指標(biāo)。

1.2.2 葉期(P6)

植物的葉期是指植被一年中生長葉子的期間。葉期內(nèi)的植被不僅具有視覺美化作用，還有固氮釋氧、增濕降溫的生態(tài)效益。因此葉期是高陡巖質(zhì)邊坡生態(tài)修復(fù)特別重要的指標(biāo)。

1.2.3 覆蓋度(P7)

植物的覆蓋度指某一地區(qū)植物的垂直投影面積與該地區(qū)面積的比例，用百分比表示。通過植物莖葉向地面的投影面積來計算。覆蓋度是描述生態(tài)系統(tǒng)的重要技術(shù)數(shù)據(jù)，也是區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境變化的重要指標(biāo)，因此覆蓋度是高陡巖質(zhì)邊坡生態(tài)修復(fù)的重要指標(biāo)。

1.3 經(jīng)濟(jì)性(B3)

經(jīng)濟(jì)性包括成本和后期管護(hù)兩項指標(biāo)，具體如下所述。

1.3.1 成本

成本是指單位綠化面積的價格。礦山高陡巖質(zhì)邊坡的綠化不同于公路、鐵路沿線的綠化。由于沒有大量的資金支持，其綠化技術(shù)和綠化效果無法與沿線項目的邊坡綠化相比，這就需要綠化時最大程度地降低成本。因此成本是高陡巖質(zhì)邊坡生態(tài)修復(fù)必須考慮的指標(biāo)。

1.3.2 后期管護(hù)

后期管護(hù)是指對已完成的綠化工程的澆水、施肥、病蟲害防治、修剪、除草、養(yǎng)護(hù)等管理費(fèi)用和當(dāng)年種植的苗木、樹籬等植物的費(fèi)用。礦山綠化往往是工程建成后的初始植被復(fù)綠效果較好，但后期由于綠化植被維護(hù)不足造成綠化植被死亡，因此后期管護(hù)是高陡巖質(zhì)邊坡生態(tài)修復(fù)必須考慮的指標(biāo)。

1.4 應(yīng)用潛力(B4)

應(yīng)用潛力包括資源量和后期市場兩項指標(biāo)，具體如下所述。

1.4.1 資源量

植物資源量是指一定區(qū)域內(nèi)植物的數(shù)量總和，包括植物的分布、密度等。礦山復(fù)綠要求復(fù)綠植被資源量豐富，可以滿足綠化的需求。因此，資源量是高陡巖質(zhì)邊坡生態(tài)修復(fù)需要考慮的指標(biāo)。

1.4.2 后期市場

后期市場指未來礦山綠化所需該種植物的數(shù)量。產(chǎn)量由銷量決定，在遵循市場規(guī)律的前提下，才能更好地開拓市場。

2 判斷矩陣構(gòu)造及權(quán)重計算

2.1 標(biāo)度分級與相對重要性判斷

在層次分析法綜合評價體系中，判斷矩陣的構(gòu)造與層次單排序是根據(jù)目標(biāo)層的要求，由礦山專業(yè)人員判斷各因素的相對重要性，并采用1～9分值標(biāo)度對其進(jìn)行量化(表1)，形成兩兩比較判斷矩陣，得到各指標(biāo)的權(quán)重值。一致性檢驗是指對目標(biāo)層A確定不一致的允許范圍，當(dāng)一致性比率CR<0.10，判斷矩陣具有令人滿意的一致性，否則，重新進(jìn)行兩兩比較判斷，計算公式見式(1)和式(2)。

表1 標(biāo)度及相對重要性判斷Table 1 Scale and the relative importance of judgement

CR=CI/RI

(1)

CI=(λmax-n)/(n-1)

(2)

式中：λmax為最大特征根；n為判斷矩陣階數(shù)；RI為隨機(jī)一致性指標(biāo)。

2.2 評分標(biāo)準(zhǔn)制定

各具體指標(biāo)的評分標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)入選綠色植物的生態(tài)適應(yīng)性、綠化效果、經(jīng)濟(jì)性和應(yīng)用潛力，通過參考以往的評價體系和咨詢專家意見，制定評分標(biāo)準(zhǔn)(表2)。這一評分標(biāo)準(zhǔn)的得分采用10分制，以10分、8分、6分、4分、2分分別代表好、較好、中、差、極差。

表2 綠化植物篩選指標(biāo)的評分標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Scoring standard of greening plant screening index

2.3 構(gòu)建判斷矩陣及一致性檢驗

構(gòu)造目標(biāo)層A相對于準(zhǔn)則層B1、B2、B3(A-B)以及準(zhǔn)則層Bi相對于標(biāo)準(zhǔn)層Pi(B1-Pi、B2-Pi、B3-Pi、B4-Pi)的判斷矩陣(表3)。將判斷矩陣中的數(shù)值輸入YA-AHP層次分析軟件中得到表4中的數(shù)值，結(jié)果表明，5個判斷矩陣一致性比率(表5)CR在0.005 4～0.017 6，均小于0.10，說明判斷矩陣具有較好的一致性，模型可靠。

表3 判斷矩陣及各指標(biāo)權(quán)重值Table 3 Judgment matrix and weight of each factor

續(xù)表3

表4 指標(biāo)層權(quán)重值的總排序Table 4 Total ranking of index layer weight values

續(xù)表4

表5 一致性檢驗Table 5 Consistency test

3 結(jié) 語

本文建立了一套適合高陡巖質(zhì)邊坡生態(tài)修復(fù)綠化效果評價體系，并基于層次分析法構(gòu)建判斷矩陣，確定了各指標(biāo)的相對權(quán)重，為評價高陡巖質(zhì)邊坡的復(fù)綠效果提供參考依據(jù)。從兩兩判斷矩陣及特征向量W的計算結(jié)果來看，耐旱性、生長速度、耐高溫和造價4個指標(biāo)的權(quán)重值均大于0.10，且權(quán)重值較高，是本模型中反映綠化效果的關(guān)鍵指標(biāo)。耐貧瘠性、資源量、葉期和后期管護(hù)4個指標(biāo)的權(quán)重值在0.05～0.10之間，且權(quán)重值居中，是本次模型中反映綠化效果的重要指標(biāo)?？癸L(fēng)性、后期市場和覆蓋度3個指標(biāo)的權(quán)重值均低于0.05，是本次模型中反映綠化效果的一般指標(biāo)。

復(fù)綠植被的生長受多種因素影響，植物本身、地下生境、地上環(huán)境和養(yǎng)護(hù)水平都會影響復(fù)綠植被的生長，從而影響生態(tài)修復(fù)的效果。作為高陡巖質(zhì)邊坡生態(tài)修復(fù)綠化效果的評價體系，不可能考慮到所有的影響因素。因此，本研究在植被存活的前提下，構(gòu)建了具有直觀指標(biāo)的評價體系，為科學(xué)客觀評價高陡巖質(zhì)邊坡綠生態(tài)修復(fù)效果提供了新思路。