基于土壤肥力恢復力模型的河曲露天煤礦復墾治理效果評價

趙洪寶,李岳,張鴻偉,劉紹強

中國礦業大學(北京)能源與礦業學院,北京 100083

排土場是露天煤礦生產過程中進行剝離巖土體和部分廢棄材料排棄的場所,以礦山露天開采時剝離的表層土和巖石為主。因此,露天煤礦排土場土壤普遍存在水土保持能力不足[1],往往會導致栽種植物成活率低、綠化復墾難度大、復墾效果不佳等現象的發生,并進一步降低生態系統的自我修復力,使土壤肥力恢復的可能性大大減小。因此,明確并精準推斷出露天煤礦排土場土壤生態系統中急需恢復的土壤結構和土壤功能因素,是露天煤礦排土場土壤恢復力評價的關鍵。

隨著相關理論與方法的發展與進步,在土壤質量評價指標、評估方法研究中越來越傾向于采用定量化。在土壤評價中經常使用的數學方法,包括評分法、分等定級法、模糊評判法、聚類分析法以及地統計學方法[2]。國內外研究更側重于物理、化學屬性指標,目前,土壤生物學特性也逐漸成為研究土壤質量的重要指標。20 世紀90 年代以來,我國針對土壤肥力及退化的評估體系和評估方法逐漸完善[3-4]。近年來,農業領域針對土壤質量方面的研究正逐漸成為研究的焦點[5],但針對露天礦排土場土壤質量研究仍處于探索階段,且評價指標單一、缺乏系統性,難以科學、全面地評價土壤質量。

因此,本文以山西省河曲舊縣露天煤礦排土場為研究對象,基于模糊層次分析法建立一套針對排土場土壤恢復力影響因素的評價體系,并結合模糊綜合評價法確定評價標準,開展定量分析研究,對評價方法中權重占比較大的因素進行實地考察。根據現排土場存在問題采取針對性措施,以達到恢復土壤生態系統,提高植物成活率的目的。

1 排土場土壤恢復力影響因素評價體系的構建

土壤質量評價可根據指標性質分為物理、化學和生物三類指標(表1),利用頻度分析法[6-7]和理論分析法[8-9]進行篩選,并結合專家打分完善評價指標。通過頻度分析法篩選出文獻中應用較多的評價指標,并結合黃河流域地區植被稀少、水土流失嚴重等特點以及經濟水平、治理政策和規范標準等實際情況,對各指標進行深入分析并分類,最終確定符合河曲露天煤礦排土場的土壤恢復力影響因素的評價指標。對評價指標體系進行3 次專家評審,確?？茖W、合理地選取評價指標,最終采用土壤結構穩定性、土壤保水能力、土壤保肥能力及土壤生物活性4項作為主評價指標的評價體系[10-12],即露天煤礦排土場土壤恢復力影響因素權重評價集合。

表1 常用土壤質量指標Table 1 Common soil quality indicators

(1) 土壤結構穩定性。土壤結構退化是露天礦排土場土壤生態系統重要的特征。露天礦排土場不同區域的土壤生態系統及不同復墾階段的土壤,土壤容重、土壤質地等物理性質是不同的。由于露天礦服務年限相對較長,在漫長的開采過程中,常會導致表土流失、板結化、壓實變形等現象,土壤生態系統內部結構也遭到嚴重的破壞,導致土壤生態系統穩定性破壞以及緩沖環境變化能力降低。土壤顆粒起著支撐植物生長的作用,其粒徑大小、組合比例與排列狀況直接影響土壤的基本性狀。碳酸鈣也可改善土壤的結構和質地。因此,基于上述提到的物理指標,本文選取容重、中位徑、粘粒、粉砂粒、砂粒和碳酸鈣6 個指標,分析其在不同排土場樣地上的差異情況來綜合反映土壤結構的穩定性。

(2) 土壤保肥能力。土壤的保肥能力是指土壤吸收和保存養分的能力。土壤性質不同,其保肥能力也存在很大的差異。露天礦排土場在形成的過程中,原有的土壤生態系統結構遭到破壞,養分也不斷流失。土壤化學指標包括土壤養分、酸堿度、鹽分含量以及土壤污染物等,其中pH 值、有機質及氮磷鉀的含量和其有效性是衡量土壤肥力的常用指標。同時,陽離子交換量對土壤中重金屬的生物有效性、作物對營養元素的吸收能力以及污染物遷移轉化量均有一定的影響,電導率可以直接反映出土壤中混合鹽的含量,是土壤化學指標的重要組成部分,對作物的生長發育有較大影響。本文選取酸堿度、有機質、堿解氮、有效磷、全鉀、全氮、全磷、陽離子交換量和電導率9 個指標,分析其在不同排土場樣地上的差異情況來綜合反映土壤的肥力質量。

(3) 土壤保水能力。土壤的保水能力又稱為土壤蓄水性,即土壤吸收并保持水分能力。土壤中的水分在供作物吸收利用的同時,能夠有效溶解土壤中的肥料成分,使農作物更易吸收,同時將部分營養物質鎖定于土壤結構內部。根據河曲露天礦所提供的氣象資料,當地屬于半干旱大陸季風氣候,礦區土壤水分經常處于虧缺狀態,因此土壤水含量是限制露天礦排土場植被生長的關鍵因素,也是制約露天礦排土場復墾工程進展的重要因素。此外,碳酸鈣可以增加土壤的通透性和滲透性。土壤容重的變化與土壤孔隙度密切相關,可較好地反映土壤透氣性、入滲性能、持水能力和溶質遷移潛力等。本文選取表層含水率、深層含水率、容重、碳酸鈣4 個指標,分析其在不同排土場樣地上的差異情況來綜合反映土壤的保水能力。

(4) 土壤生物活性。土壤生物活性是指土壤生物參與巖石的風化和原始土壤的生成過程,對土壤肥力的形成和演變以及高等植物的營養供應均有重要作用,還可促進土壤生物體內酶通過礦化作用、腐殖化作用和生物固氮作用等改變土壤的理化性質。本文選取脲酶活性、蔗糖酶活性、堿性磷酸酶活性、凋落物質量、微生物豐富Chao 指數、微生物多樣性Simpson 指數6 個指標,分析其在不同排土場樣地上的差異情況來綜合反映土壤生物活性。

遵循遞階層次結構建立的河曲露天煤礦排土場土壤恢復力影響因子評價體系如圖1 所示。

圖1 露天煤礦排土場土壤恢復力影響因子評價體系Fig.1 Evaluation of impact factors on soil resilience of open pit coal mine dump

2 模糊層次分析法

基于模糊層次分析法建立排土場土壤恢復力模型,主要流程是:首先構建露天煤礦排土場土壤恢復力影響因子權重分析模型并構建判斷矩陣,再根據專家打分法并結合YAAHP 軟件構建目標層R、準則層的判斷矩陣及各因素層的判斷矩陣,最后進行一致性驗算。

2.1 構建判斷矩陣

采用的1-9 標度法[13-14](表2)將同一因素層下的所有指標進行兩兩相互比較,分析每一層次的指標相對于上一層次支配指標的重要程度,以此得到它們之間的關系并構建評判矩陣,通過矩陣計算確定指標權重。其評判矩陣為

表2 1-9 標度法Table 2 1-9 scale method

式中,aij為ai相對于aj的重要值;ai和aj分別為評判矩陣第i行和j列的元素。

2.2 指標權重計算

針對得到的判斷矩陣[15-17],先量化一級準則層各因素對土壤恢復力的影響、二級指標層因素對一級準則層因素的影響,后量化二級指標層因素對土壤恢復力的影響。根據所構建的露天煤礦排土場土壤恢復力影響評價指標,求得評判矩陣Aij。設判斷矩陣階數為n,則A為n×n階矩陣。

對矩陣A中的每一行元素進行相乘并開根,對應于判斷矩陣最大特征根λmax的特征向量,經歸一化(使向量中各元素之和等于1)后記為W,則W=[W1,W2,…,Wn]T。

2.3 判斷矩陣的一致性檢驗

所謂一致性檢驗,是指對判斷矩陣A確定不一致的允許范圍。由于人的主觀因素使構建的判斷矩陣容易導致評判不具有一致性,因此對判斷矩陣進行一致性檢驗。該過程分為如下3 步。

(1) 一致性指標計算:

式中,n為判斷矩陣階數。

(2) 隨機一致性指標(表3)計算:

表3 平均隨機一致性指標標準值Table 3 Standard values of average random consistency index

(3) 一致性比率計算如下:

當CR<0.1 時,說明構建的判斷矩陣具有很好的一致性。

2.4 土壤肥力恢復力模型的建立

利用加權綜合法計算排土場土壤肥力得分E,土壤肥力恢復力模型為

式中,E為指標得分;i為各項指標;Ri為土壤肥力恢復力影響因子的權重;Vi表示評語集元素賦值。

參照全國土壤養分含量統一標準(表4),將土壤劃分為6 個評價等級,即V={V1,V2,V3,V4,V5,V6}={極高,高,中上,中,低,極低},并且對應[100,95]、[95,80]、[80,65]、[65,50]、[50,30]、[30,0]這6 個區間。特別地,pH 值太高或太低都不適宜植物生長,V={V1,V2,V3,V4,V5}={強堿,弱堿,中上,中,微酸強酸,強酸}對應[0,30],[60,30] [90,60],[100,90],[60,30],[30,0] 6 個區間。

表4 土壤養分分級指標Table 4 Classification index of soil nutrients

本研究依據模糊綜合評價法構建露天礦排土場土壤恢復力影響因素評語集,參考土壤肥力分級標準(表5),設定評語集V={V1,V2,V3,V4,V5,V6}=[95,80,65,50,30,15],特別地,對pH 值設定V={V1,V2,V3,V4,V5,V6} =[15,45,75,95,45,15]?；谥笜说哪：ㄐ粤炕u語集,評價各指標均值,根據權重定量化處理,對河曲露天礦排土場復墾前后土壤質量進行評價。

表5 土壤肥力分級標準Table 5 Soil fertility grading rubric

3 樣品采集

鑒于對黃河流域河曲露天礦的排土場土壤恢復力狀況調查與了解,以及對排土場土壤恢復力影響因素評價體系的構建,對礦區1 號、2 號和4 號排土場下部(以下簡稱4下)已復墾區,3 號和4 號排土場上部(以下簡稱4上)未復墾區進行現場考察。1 號和2 號排土場未復墾的區域與3 號、4上排土場是同期混排土形成的排土場,土壤狀況類似。本研究選定4上、4下2 個代表性樣地類型,并按照每個樣地均勻設置5 個X 型采樣點,采用土鉆法采集0 ～30 cm 的土壤樣品,去除表層腐殖質、雜草植被根系后,裝入無菌保鮮袋,帶回實驗室,共采集土壤樣品100 個。樣品過2 mm 細篩,用于測定土壤的理化性質(圖2)。

圖2 樣品采集與實驗檢測Fig.2 Sample collection and testing

4 案例分析

4.1 研究區概況

目前,河曲露天礦主要開采區域為首采區,現已經開采至13 號煤層。首采區深度為870 ～1 060 m。隨著首采區13 號煤層及其上覆巖層不斷剝離,開采深度不斷增加,內排土場已經逐漸將4 號外排土場完全覆蓋,依據《山西煤炭進出口集團河曲舊縣露天煤業有限公司綠色礦山建設方案》的要求已做相關治理工程。根據外排土場上游匯水量,設計在1、2 號外排土場下游溝口處各設置漿砌石擋土墻。對4 號外排土場進行填筑形成平臺,并在3號、4 號外排土場設植生帶?，F在1—4 號外排土場未治理面積分別為82.21 hm2(扣除已復墾土地后為73.88 hm2)、108.99 hm2(扣除已復墾土地后為95.56 hm2)、32.99 hm2、42.16 hm2。如圖3 所示,1 號排土場、2 號排土場已實施了部分治理措施,進行了復墾綠化,邊坡自然恢復為草地,植被類型多為蒿類,但仍存在綠植養護不到位、生長情況較差、綠化效果不理想的問題;3 號、4 號外排土場未進行綠化。4 個外排場排水溝均未建設,排土場排水工程較為簡陋,容易造成滑坡、泥石流等災害,存在安全隱患。另外,外排土場復墾的配套道路也未建設。

圖3 外排土場復墾情況Fig.3 Reclamation of Outer waste dump

4.2 因素權重的確立

現對河曲露天煤礦排土場復墾前后的土壤質量進行評價,構建排土場土壤肥力恢復力模型。根據模糊層次分析法并結合10 位專家意見構建第一準則層、第二指標層級因素的判斷矩陣,并由此求得準則層指標評判矩陣A及其對應指標層因素評判矩陣A1、A2、A3、A4的權重值。

計算輔助軟件選用YAAHP (Yet Another AHP),求得Ai及各因素權重,以準則層為例進行計算,則A為4 階矩陣,求得A最大特征值λmax=4.201 9。

相對權重由λmax的特征向量單位化后的權重向量求得:W=[0.113 5,0.198,0.547 7,0.140 8]。由于n=4,查表3 得RI=9,代入式(4)和式(5)可得CI=0.067 3,CR=0.075 6,通過一致性檢驗(CR<1)。

同理,經過計算可分別得到上述各矩陣的λmax值、CI和RI值,并通過這些值判斷一致性檢驗結果。準則層和因素層判斷矩陣一致性檢驗結果見表6。由表4 可知,排土場準則層和指標層因素判斷矩陣均滿足一致性檢驗,證明評價有效性。

表6 準則層和因素層判斷矩陣一致性檢驗結果Table 6 Consistency test results of criterion and factor judgment matrices

4.3 準則層因素權重

圖4 為準則層各因素對目標層的權重。準則層作為目標層的下一級,其中土壤保肥能力F 對河曲露天煤礦排土場土壤恢復力的影響最大,為0.547 7,然后依次是土壤保水能力W(0.198 0)、土壤生物活性B(0.140 8)、土壤結構穩定性S(0.113 5)。

圖4 準則層對目標層權重Fig.4 Weight of criterion layer to target layer

4.4 指標層因素權重

圖5 為指標層各因素對準則層因素的權重。指標層中的因素相對于目標層的影響因素,有機質F1所占權重最大,為0.116 2,碳酸鈣W4所占權重最小,為0.029。有機質因素對于土壤恢復力而言是最為重要的,土壤有機質是形成土壤結構和肥力的重要因子,直接影響土壤持水能力、水穩性團聚體以及土壤容重等物理特性,其次是表層含水量W1(0.091 4)、有效磷F3(0.087 5)、全磷F5(0.116 3)、容重W3(0.058 1)、堿解氮F2(0.056 9)、電導率F9(0.052 1)、全氮F4(0.049 4)、陽離子交換量F8(0.047 1)、容重S1(0.045 6)、pH 值F7(0.037 5)、全鉀F6(0.037 3)等。權重占比較大的多為土壤保肥能力和土壤保水能力的指標層因素,表明相比土壤生物活性與土壤結構穩定性,提高排土場的水土保持能力是當前礦區土壤生態系統恢復的重要舉措。研究發現,排土場水土流失量是自然地貌流失量的239.2 倍[18-19],且由于排土場本身松散的構造特點,其邊坡易形成切溝侵蝕,在降雨和坡面匯流的作用下,水土流失更加嚴重,侵蝕速率為擾動前的7.4 倍。因此,排土場水土保持工作的重點是對排土場邊坡水土流失的防控。

圖5 指標層對準則層的權重Fig.5 Weight of indicator layer to criterion layer

綜上,按針對目標層權重占比影響因素依次為脲酶活性B1(0.033 7)、蔗糖酶活性B2(0.033 7)、微生物豐富Chao 指數B5(0.024 7)、堿性磷酸酶活性B3(0.024 7)、粉砂粒S4(0.022 1)、凋落物質量B4(0.020 2)、深層含水量W2(0.091 4)、碳酸鈣S6(0.009 4)、砂粒S5(0.019 3)、微生物多樣性Simpson 指數B6(0.011 2)、粘粒S3(0.010 7)、中位徑S2(0.006 4)、碳酸鈣W4(0.029),這些因素多為土壤生物活性和結構穩定性因素,占比較小,排土場可通過有效的土地復墾、植物措施和工程措施加強土壤生物性,提高結構穩定性,達到降低水土流失,改善生態環境的目的。

4.5 復墾區域與未復墾區域土壤恢復情況

由準則層權重可知,土壤保肥能力與土壤保水能力的權重總計為0.745 7,土壤保肥能力與土壤保水能力的高低很大程度上決定了土壤的質量的優劣。由此可見,土壤保肥能力與土壤保水能力是衡量礦區排土場土壤質量水平的主要指標。

鑒于黃河流域河曲露天礦的排土場土壤水土流失嚴重,為避免初選指標之間的信息重疊、減少參評指標的數量,最終選取指標層前50% 的土壤保肥能力與土壤保水能力的8 項指標:有機質、堿解氮、有效磷、pH 值、全磷、全氮、表層含水率、容重。土壤pH 值采用高精度土壤pH 值測試儀測試,土壤容重采用環刀法,速效養分含量采用TY-TRA 型土壤養分檢測儀測量。通過對河曲露天礦排土場復墾地不同樣地的土壤養分含量的測量和分析,得出不同排土場土壤的養分質量情況及差異性。對獲取的10 個土壤樣品的8項指標的測量值進行數據處理和整理分析[20-22],得到了10 組有效平均值和標準差,建立了排土場土壤養分數據庫,繪制出各樣地土壤養分指標檢測結果(圖6)。

圖6 土壤養分指標檢測結果Fig.6 Test results of soil nutrient indicators

排土場土壤樣點測定結果具有不同程度的差異性,復墾前后土壤指標平均值統計見表7。

表7 復墾前后土壤指標平均值統計Table 7 Average soil indicators before and after reclamation

由圖6、表4 和表7 可看出,4上土壤pH 值為8.12 ～8.41,4下的土壤pH 值為8.69 ～9.10,說明河曲露天煤礦的土壤整體呈強堿性。4下有機質含量平均值為12.28 g/kg,處于中等水平;4上有機質含量平均值為4.12 g/kg,處于低水平。

4下全氮含量平均值為2.80 mg/kg,處于極高水平;4上為1.70 mg/kg,處于含量高水平。全磷含量平均值4上為1.34 mg/kg,處于含量中上水平;4下平均值為2.31 mg/kg,全氮量大幅提高,處于極高水平。4下堿解氮含量平均值為11.35 mg/kg,處于中等水平;4上為5.39 mg/kg,均處于含量極低水平。4上有效磷含量平均值處于4.88 mg/kg,處于含量低水平;4下為9.13 mg/kg,處于中等水平。

4上表層含水率平均值較低,平均值為6.18%;4下為10.28%,雖有提高,但仍處于貧乏水平。結合常見土壤含水率標準中黃土的最優含水率19% ～21%可知,排土場未復墾區域與土壤水分是作物生長的主要因素,4下雖然已經完成復墾并且歸還于當地居民,但從當地居民種植作物后遺留的玉米秸稈來看,玉米植株相對較矮,如圖7 所示,從現場抽樣調查的結果來看,這些玉米秸稈的平均高度約為120 cm,出現了明顯的肥水不足的現象。玉米對土壤容重可維持在0.78 g/cm3,4下容重平均值在0.89 g/cm3,4上容重平均值為0.59 g/cm3,說明已復墾區域的土壤經過種植有一定的恢復。4 號排土場復墾區域與原土區域對比如圖8 所示,可見復墾區域的植物種類及其數量明顯多于原土區域,植株較高且存活率較高。因此,精確反演土壤水分與養分對于理解和解決作物生長、作物估產以及干旱監測中的科學與實際問題至關重要。

圖7 種植區域作物現狀Fig.7 Status quo of crops in the planting area

圖8 復墾區域與原土區域對比Fig.8 Comparison between reclaimed areas and original soil areas

根據式(6)可得模糊綜合評價模型指標4上、4下分別為14.78、23.13。結合土壤質量指數及普查資料,參考有關研究對土壤綜合肥力指數進行等級劃分。根據土壤肥力分級標準(表5),研究區4下排土場已復墾區土壤肥力質量水平在中等偏下,而4上處于差的水平。

整體來看,研究區土壤肥力質量水平處于較差水平。已復墾區4下排土場土壤環境條件得到一定程度地改善,一方面是農作物凋落物逐年積累,現存量與生物量逐漸增大,農作物環境條件和植被覆蓋的改善促進了微生物繁殖與活動,酶的活性得以提高,促進了有機質的積累;另一方面是人為種植作物時施肥的部分有機質遺留在土壤中。全磷、全氮量受自然因素、土地利用方式以及農業措施的影響,因此變幅較大。綜上分析,河曲露天礦排土場已復墾地恢復效果并不理想,土壤養分仍然缺乏,與未經復墾的土壤一樣仍需加強治理。這與河曲露天煤礦排土場土壤恢復力影響因素評價體系中,權重占比最大的準則層因素為土壤保肥能力、指標層因素為有機質等相一致,證明該評價體系有效性。

露天煤礦排土場植被恢復的實質,就是實現土壤生態系統與植被之間相互作用的過程,提高露天煤礦排土場土壤肥力并保持養分,加快排土場的植被恢復速度。因此,應在土壤恢復力影響因素評級體系的基礎上,根據評價結果并根據實測結果盡快建立一套有助于增加土壤有機質等土壤養分含量、提高土壤水土保持能力、適用于河曲露天煤礦的土壤重構技術體系[24]。結合河曲露天礦區原始地貌土壤pH 值實際水平,認為將復墾土壤質量pH 值控制標準定為6.5 ～8.0 更能促進植物的生長。具體措施包括:通過添加硫磺粉、腐殖酸肥、硫酸鋁、酸性有機肥等化學方法,降低土壤pH 值、改善土壤質量,使得大部分植物和作物都能更好地適宜生長;通過輪作、耕作、施肥、排灌等農業措施盡快恢復土壤養分,加速有機氮的礦化,增加土壤堿解氮的供應。

5 結 論

(1) 運用專家打分、模糊層次分析法相結合的方法,基于土壤結構穩定性、土壤保水能力、土壤保肥能力及土壤生物活性4 項準則和25 個因素建立了河曲露天煤礦排土場土壤恢復力影響因素評價體系,并利用加權綜合法計算得到土壤肥力恢復力模型。

(2) 根據有機質、堿解氮、有效磷、pH 值、全磷、全氮、表層含水率、容重8 項指標的對比測量,針對河曲露天煤礦排土場的土壤肥力明顯不足情況,建議施加一定量的有機肥,以盡快恢復土壤養分,同時種植豆科固氮灌木紫花苜蓿、非豆科固氮灌木沙棘、樟子松和人工牧草紫花苜蓿等植物,以改良土壤。

(3) 針對不同礦區、不同排土場,在選擇評價指標時需要根據實際情況和經驗進行調整,對所構建的評價體系應進行充分的工程檢驗,逐步增強其科學性、完備性、可行性。