煤炭矿区复垦效果评价＊

钱奎梅 王丽萍

（中国矿业大学，江苏省徐州市，221116）

煤炭矿区复垦效果评价＊

钱奎梅 王丽萍

（中国矿业大学，江苏省徐州市，221116）

本文构建以矿区复垦土壤肥力状况、生态质量以及环境质量3个准则层20项指标为矿区复垦效果评价指标体系，为避免因素赋权的主观性，采用主成分分析法的方差贡献率确定各评价指标的权重，结合模糊综合评判方法建立各评价指标的隶属度函数，采用因子加权求和法计算矿区复垦效果的评价总分值。

矿区复垦土壤 复垦效果 评价指标体系 评价方法

煤炭作为一次性能源，占我国能源构成比例的74%左右。煤炭开采、洗选、利用过程中产生大量煤矸石和粉煤灰等工业固体废物。以煤矸石为主的矿区复垦土壤很难通过正常生态延续来恢复其生态功能，需要人为创造有助于植被生长的环境以强化其生态恢复过程。矿区复垦的目标是生态环境改善，生物的生物量和多样性提高。而目前关于矿区复垦效果多集中在矿区复垦土壤的理化性质方面，不能综合地反映出矿区总体复垦效果。作为一个复杂的功能实体，煤炭矿区复垦效果不能够直接测定，但可以通过土壤质量相关指标来推测。煤炭矿区复垦效果包括矿区复垦土壤肥力质量、土壤生态环境质量及土壤健康质量3方面的综合量度，即土壤在生态系统的范围内，维持生物的生产能力、保护环境质量及促进动植物健康的能力。

本文在综合分析矿区复垦效果的基础上，提出矿区复垦的评价指标体系，并对初步选择的指标进行主成分分析，根据主成分分析结果确定各个指标的权重，再结合模糊综合评判方法建立各评价指标的隶属度函数，采用因子加权求和法计算矿区复垦效果的评价总分值，进行矿区复垦效果评价。

1 评价指标体系确定原则

1.1 相关性原则

评价指标必须与土壤功能相联系，能够清晰地表征土壤的功能，为反映土壤质量及其时间变化的可量化指标。考虑表征土壤功能的直接或间接指标，例如，一个水域的水文特征是土壤阻截和储存降雨的间接指标，而降雨之后的土壤蓄水能力是一个直接指标。

1.2 灵敏性和可区别性

土壤性质在不同的土壤系统之间差异很大，很多典型土壤参数平均值的标准差达到50%。在选定的指标中，我们需要考虑样品之间的细微变化，例如，不同样品之间某一参数的差异可能为5%，而其平均值95%的置信区间等于其平均值的50%，而该指标的显著性变化在很多年之后才能发现。一般来说，利用简单的统计方法可以很容易发现评价指标时间上的差异。不能采用在一定时间内观察不到显著变化的指标。

1.3 实践性

评价指标必须具有一定的实践性，测定方法明确并且准确。可能由于指标提供了其他方法无法提供的信息，那么就必须考虑进一步发展这些方法。

1.4 效率和费用

我们必须利用尽可能多的机械化方法，以提高效率、减少人工操作方面的误差，包括传感器、遥感和自动读数仪等。在保证费用最少、效率最高的情况下，测定尽可能多的指标。所选定指标必须考虑在5、10和20年测定它们的费用。

1.5 综合性指标

在可能的情况下，我们应该利用能够有效地整合一些附属指标信息的综合性指标。例如流域水文，它反映了集水区土壤的平均水文状况。同时，只能采用那些能够解释土壤关键功能的综合性指标。例如，集水区水位是土壤水文很难量化的指标，不予采用。

2 煤炭矿区复垦效果的评价指标体系

煤炭矿区复垦效果的评价在于在广泛的范围内综合考虑复垦后矿区复垦土壤的各方面性能，即维持植物生产力、生物生存、环境对生物生长及健康保障能力等。

2.1 土壤肥力状况指标

在矿区复垦过程中，土壤肥力状况是土壤为植物生长提供和协调营养条件和环境条件的能力，是土壤各种基本性质的综合表现。评价土壤退化和生产力的土壤质量指标一般是基于植物的生产力、土壤的物理化学性质。拉森（Larson）和皮尔斯（Pierce）提出了土壤质量最小数据集的概念，其中的土壤质量指标包括有机碳、速效养分、pH值、电导率、质地、根系深度、容重、水分传导率和有效持水量，用于监测由土壤和作物管理措施引起的土壤质量的变化。另外，由于矿区复垦中利用了煤矸石等矿区基质，故此处还需考虑砾石含量。土壤肥力状况指标见表1的P1准则层。

2.2 土壤生态环境质量指标

矿区复垦的重要目标之一是矿区复垦土壤生态环境的改善，包括土壤中生长的植物、土壤动物、土壤微生物等的改善，其中应用最多的是土壤微生物指标。多数研究认为，土壤微生物（包括微生物生物量、土壤呼吸）是土壤质量变化最敏感的指标。土壤动物是土壤环境质量和健康质量的重要指示特征，特别是无脊椎动物，如线虫、蚯蚓等能够敏感地反映土壤中有毒物质含量。以植物作为土壤质量评价指标时，主要是考察植物的生长状况、植被覆盖、物种的多样性和杂草的优势种。矿区复垦需要恢复植被覆盖，从而增加矿区复垦土壤的可持续性。微生物作为土壤中的活跃组成部分，参与土壤有机物质的矿化和腐殖质化过程，对土壤的形成和发育以及土壤养分的有效性有重要作用。土壤微生物多样性被认为是土壤质量评价中最有意义的指标。微生物Shannon多样性指数可用于评估物种的丰富度。微生物均匀度指数是微生物群落中个体分布均匀程度的综合指标。

土壤酶活性在养分循环中起着很重要的作用，而且已被用作生物活性指标，蔗糖酶活性是表征土壤的C素循环和土壤生物化学活性的重要酶，可以作为评价土壤熟化程度和土壤肥力的指标之一；磷酸酶能提高土壤磷元素的有效性；土壤脲酶能够反映土壤健康状况和营养水平。该指标体系以微生物多样性指数和微生物均匀度指数作为微生物的基础指标，增加蔗糖酶活性、脲酶活性、磷酸酶活性和植被覆盖度来构建矿区复垦效果评价体系的生态质量方面，以反映人为管理措施和环境因子引起的土壤生物学和生物化学变化的指标，如表1所示的P2准则层。

2.3 土壤健康质量指标

矿区复垦土壤健康质量是土壤影响或促进人类和动植物健康的能力。重金属铜和锌提供了如土壤生物、水质和栖息地等所有土壤环境交互功能的信息，为合适的土壤健康质量指标。根据徐州煤矿矿区的理化特性，影响矿区复垦土壤环境质量的因素主要是重金属元素污染，包括铜、铅、锌、铬、镉，选取指标为表1所示的P3准则层。

表1 矿区复垦效果评价指标体系

3 煤炭矿区复垦效果评价方法

3.1 模糊综合评判法

模糊综合评判法是一种基于模糊数学的综合评判方法。它根据模糊数学的隶属度理论把定性评价转化为定量评价，具有结果清晰、系统性强的特点，能较好地解决模糊的难以量化的问题。

3.2 评价指标权重的确定

评价指标权重的确定采用主成分分析法的方差贡献率确定，从而避免了现有评价方法中以特尔菲法或层次分析法等进行因素赋权所带来的主观性。采用因子加权求和法计算复垦效果的评价总分值，通过复垦效果的评价总分值进行分析。

本文根据以往土壤质量评价的理论与实证研究，决定采用正态分位数方法划分指标评语集的等级标准，因此将矿区复垦效果分为4级的定性描述，D为评价总分值：0＜D≤0.4，矿区复垦效果极差；0.4＜D≤0.6，矿区复垦效果差；0.6＜D≤0.7，矿区复垦效果一般；0.7＜D≤0.9，矿区复垦效果较好；0.9＜D≤1，矿区复垦效果极好。

4 煤炭矿区复垦效果评价实例

4.1 实验设计

本实验采用室内常温（10～25℃）盆栽培养，实验用盆为20cm×20cm（高×盆口直径）的白色塑料盆，粉煤灰、煤矸石和污泥的质量配比A1（20∶70∶10）、A2（20∶60∶20）以及A3（20∶50∶30）的复合基质作为试种基质，每盆基质2.5 kg，种植黑麦草进行盆栽试验。实验的两个菌种采用3种接种方式，B1－G.v，B2－G.m，B3－（G.v＋G.m）。相同条件下做无接种对照样。接种处理中加入菌剂60g／盆，复合接种B3则两个菌种各为30g／盆。其中，煤矸石取自张双楼矿矸石山，粉煤灰取自茅村电厂，污泥取自中国矿业大学南湖校区污水处理站的剩余污泥。其中煤矸石均破碎为直径10mm左右，污泥经过一定程度风干使含水率达到60%～70%。黑麦草培养时间为12个月，每隔4～7d浇水一次，浇水量为350ml／盆。

4.2 矿区复垦效果评价

对矿区复垦效果的评价指标进行主成分分析，特征值大于1的主成分、各评价指标的公因子方差及权重见表2。从表中可以看出，5个主成分的特征值大于1并且能解释92.41%的总变异性。

表2 评价指标体系的主成分载荷矩阵、公因子方差及权重

续表

表3 矿区复垦效果综合评价指数

表4 矿区复垦效果综合评价指数

对不同配比不同接种方式复合基质复垦效果的综合评价结果见表3。从表中可以看出，三种配比基质（A1、A2、A3）中，A3配比基质的综合评价指数较高，按照表3的分级效果，复垦效果属于一般和较好的级别，但是差异不显著。而接种丛枝菌根真菌处理的复垦效果比未接种处理明显较好（P＜0.05），可见接种处理明显促进了矿区的复垦。根据前期对各种处理的分析，评价结果完全符合基质利用的实际情况。

本文为矿区复垦效果提供了通用的评价指标体系和可行的评价方法，同时，根据评价结果可以直观地分析矿区复垦过程中土壤的变化情况，为指导矿区复垦方案以及矿区生态环境的可持续发展提供一定的理论依据。

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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

江苏省省级环保科技项目（2007024）

钱奎梅（1982－），女，博士生，研究方向为煤炭矿区生态修复。

（责任编辑 张艳华）