河南平顶山煤矸石山植被恢复的适宜性评价研究

赵晓亮，李瑞锋，齐庆杰

（1.辽宁工程技术大学 资源与环境工程学院，辽宁 阜新 123000；2.中煤国际工程集团北京华宇工程有限公司 西安分公司，西安 710061；3.辽宁工程技术大学 安全科学与工程学院，辽宁 阜新 123000）

河南平顶山煤矸石山植被恢复的适宜性评价研究

赵晓亮1，李瑞锋2，齐庆杰3

（1.辽宁工程技术大学 资源与环境工程学院，辽宁 阜新 123000；2.中煤国际工程集团北京华宇工程有限公司 西安分公司，西安 710061；3.辽宁工程技术大学 安全科学与工程学院，辽宁 阜新 123000）

煤矸石山植被恢复适宜性评价是对煤矸石山植被恢复适宜程度进行的评价，同时是开展煤矸石山植被恢复的工作基础。以河南平顶山一矿煤矸石山为评价对象，将不同海拔高度、不同光照条件下的矸石山划分为6个单元，因地制宜地选择了土层厚度、田间持水量等7个评价因子，应用主成分分析法对研究对象进行植被恢复适宜性评价。评价结果表明：一矿煤矸石山植被恢复的主要限制因子为土层厚度、田间持水量和有机质含量，各评价单元适宜性得分分别为：A1区域为2.68、A2区域为1.84、B1区域为2.97、B2区域为1.98、C1区域为3.11、C2区域为2.97，由此得出海拔低的区域比海拔高的区域更适宜植被恢复，矸石山阴面区域比阳面区域更适宜植被修复的结论。

煤矸石山；植被恢复；适宜性；评价

煤矸石植被恢复适宜性评价是评价对煤矸石山特定用途的适宜程度［1］。通过对煤矸石山的自然、经济属性的综合描述，阐明煤矸石山属性所具有的生产潜力以及对耕地、园地、林地、牧草地等不同用途的适宜性和适宜程度差异的评定，评价过程大致相同但评价的具体方法较多，如杨伦等用经验法确定矿区废弃地的各评价因子的权重，评价结果受主观性影响较大［2］，有学者用最小限制因素法对矿区土地复垦适宜性评价，该法有一定的片面性［3］，肖文发等人用Landsat T M遥感影像结合灰色系统关联度分析了评价过程中对各评价因子等级划分和评分时所产生的不确定性因素［4］，王莹等人将三标度打分法与层次分析法相结合，确定了各因素的权重；采用模糊综合评价－灰色关联优势分析的方法，建立了煤矿废弃地植被恢复潜力评价模型［5］。鉴于煤矸石山植被恢复的多评价因子的特殊性，选择主成分分析法对煤矸石山植被修复进行进一步探讨和细化评价过程研究。

1 评价单元的划分方法

采取把土地利用现状图与各影响土地质量的参评因子分级图进行套叠，求取最小图斑，并以此最小图斑作为最基本的评价单元。这样各评价单元内土地利用方式是一致的，土地属性、土地质量也是相对一致的。选取平顶山一矿煤矸石山不同海拔高度，不同风化程度的单元作为评价单元，同海拔高度土壤植被等特征也基本一致，煤矸石的风化程度不宜量化，排矸年限一致的阴、阳坡，水分、日照条件明显不同，风化程度也存在很大差别，因此用日照条件间接表征风化程度。具体划分单元见表1。

表1 平顶山一矿煤矸石山植被恢复评价单元的划分

2 评价因子的选取

因为评价区的面积较大，考虑的因素比较多，在特殊性下考虑共性，生态因子的差异主要表现在土壤质量的差异上，依据评价因子的选取原则［6］选取土层厚度、沙粒含量 、容重、有机质、pH值、坡度、田间持水量作为评价因子（表2）。

表2 平顶山一矿煤矸石山植被恢复适宜性评价因子

3 主成分分析的计算方法

（1）原始数据的标准化。将数据进行标准化处理，将所有的数据标准到同一个水平上衡量［7］。假设N个样本，每一个样本有P个指标，则这N个样本组成的向量和P个指标构成的向量可得。对数据进行标准化处理，使每一个变量的平均值为0，方差为1。对X矩阵中的数据进行标准化处理可以达到统一指标间量纲的目的，处理后可得到，矩阵X与标准化矩阵Z。

其中：i＝1，2，…，N；j＝1，2，…，P。

（2）求相关矩阵计算相关矩阵。设R是标准化矩阵Z的协方差阵∑的相关矩阵。标准化矩阵Z的协方差阵∑为：

式中：N——样本个数；Z——标准化矩阵；R——Z的协方差阵∑的相关矩阵。

（3）求相关矩阵的特征值与特征向量。解│R－λI│方程得到p个非负特征值，设其特定值从大到小排列为：λ1≥λ2≥…≥λP≥0，依次为第一，第二，…，第k主成分，且yi的方差cov（yi）所对应的特征值为λi。主成分的确定基于最大方差原则，因此数据的大部分方差包含于第一个主成分中，第二个主成分比第三个主成分所包含的信息多，且主成分矢量之间相互正交。并且第一主成分的贡献最大，起主导作用。主成分越靠后，其提供的方差贡献率越少，其重要性就越小。根据所有主成分所包含的方差百分数，计算出所需的主成分［8］。

（4）计算特征值的贡献率与累积贡献率

式中：gi——第i个主成分的贡献率，指标的方差反映了指标的变化。它越大，表明指标概括z1，z2，…，zP的能力越强。显然，第一主成分y1的贡献率最大，y2次之，其它依次类推到yp贡献率依次减小。Gi——前k个主成分的累计贡献率。当累计贡献率≥80%时，选这前k个主成分基本就能满足要求，因为它们的方差之和已占全部方差的80%以上［9］。

4 主成分分析法中的数值处理与分析

由表1与表2可知，样本数为6，评价因子数为7，以河南平顶山一矿煤矸石山为测量对象，沙粒含量、有机质、田间持水量以剖面20cm深度测量，原始数据见表3。

表3 平顶山一矿煤矸石山的各评价因子初始值

4.1 数据标准化

为了消除由于量纲的不同可能带来的不合理的影响，应先对原始数据进行统一标准化。由Matlab软件调用zscore函数对样本矩阵求出，结果如下：

4.2 相关系数矩阵及特征值与特征向量

求出原始样本数据标准化后的相关系数矩阵，从各指标间的相关系数可看出，90%以上的数据绝对值大于0.1，表明全部变量至少与一个以上的其它变量有较大的相关系数，因而适宜用主成分分析法研究变量之间的关系。计算相关矩阵的特征值及相应特征向量结果见表4。

4.3 贡献率、累计贡献率以及指标等级划分

各因子的贡献率见表5，主成分个数按累积贡献率Gi≥90%原则来确定。每个主成分都反映一种不同的限制因子，因此对评价因子较多的植被恢复适宜性评价问题来说主成分分析法具有很好的客观性［10－11］。

表4 平顶山一矿煤矸石山评价因子特征值及特征向量

表5 平顶山一矿煤矸石山评价因子贡献率与累计贡献率

评价以《中国1/100万土地资源图》等级划分标准作参考，划分出评价各参评因子关于植被恢复适宜性的4个等级标准如下，非常适宜、适宜、勉强适宜、暂不适宜分别取4分、3分、2分、1分（表6）。

表6 平顶山一矿煤矸石山评价指标等级划分及其权重

4.4 评价区域的综合得分

各主成分的权重计算评价单元的综合得分公式见式（5）。

式中：P——评价单元综合得分；Pn——主成分因子得分；In——主成分因子的权重；n——主成分个数。

各评价单元的综合得分见表7。

表7 平顶山一矿煤矸石山植被恢复评价单元综合得分

5 结论

（1）河南平顶山一矿煤矸石山植被恢复主要限制因子是煤矸石的风化程度、田间持水量和有机质含量。矸石山阴面山脚单元（C1）综合得分最高为3.11，即现场矸石风化良好，土壤情况适合植被生长，评价结果与实际植被生长状况相符。建议依靠自然条件，辅以人工管理进行植被修复。

（2）矸石山顶阳面和山腰阳面单元（A2、B2）的综合得分较低，分别为1.84，1.98，即土壤状况不适合植被生长，必须借助覆土、灌溉等工程措施改善土壤理化特性，考虑到节约资金投入，建议利用附近城市污水处理厂产生的熟污泥作为覆土原料，不但解决污水处理厂的污泥排放问题，也有利于充分利用污泥中的大量磷、氮等植被生长营养物质。

（3）各评价单元的综合得分表明：由于煤矸石山的阴面水分蒸发量少，煤矸石较快的风化速度以及溶出的大量元素提高了土壤的质量。海拔较低的评价单元综合得分高于海拔较高的单元，更适宜植被的恢复。建议按照不同海拔高度种植不同类型的恢复植被，遵循由低往高，逐步建立植被群落的原则，利用生态自身的结构与功能演化，加速煤矸石山表面有机土壤层的尽快形成。平顶山矿区地处中原黄土半干旱区域，自然降雨不充沛，所以水源问题是高层单元植被恢复必须首先解决的问题。

［1］张彩霞，许丽，周心澄.阜新矿区煤矸石山植被恢复土地适宜性评价［J］.水土保持研究，2003，10（5）：56－58.

［2］杨伦，范海英，刘茂华，等.矿区废弃土地资源评价因子及其权重的确定［J］.矿山测量.2005，7（2）：1－3.

［3］潘元庆，刘晓丽，谷志云，等.矿山土地适宜性评价及复垦模式：以河南省重点煤炭基地土地复垦工程为例［J］.国土资源科技管理，2007，10（4）：112－115.

［4］肖文发，雷静品.三峡库区森林植被恢复与可持续经营研究［J］.长江流域资源与环境，2004，13（2）：138－144.

［5］王莹，李道亮.煤矿废弃地植被恢复潜力评价模型［J］.中国农业大学学报，2005，10（2）：88－92.

［6］焦志芳，高建钰，白中科.露天煤矿待复垦土地适宜性评价单元类型的划分［J］.山西农业大学学报，1999，19（1）：49－51.

［7］冯利华.环境质量的主成分分析［J］.数学的实践与认识，2003，33（8）：32－35.

［8］孙文爽，陈兰祥.多元统计分析［M］.北京：高等教育出版，1994：404－415.

［9］冯长春，侯玉亭.城镇土地评价中主成分分析法的应用［J］.技术经济研究，2007（7）：27－31.

［10］庞智强.主成分分析能客观赋权吗［J］.统计教育，2006，79（4）：9－11.

［11］刘宏伟，马传明，张洪升.平顶山矿区煤矸石现状分析与利用研究［J］.山东煤炭科技，2008，31（2）：44－46.

Research on Suitability Assessment of Vegetation Restoration for Pingdingshan Coal Vague Mountain

ZHAO Xiao－liang1，LI Rui－feng2，QI Qing－jie3
（1.College of Resources and Environment Engineering，Liaoning Technical University，Fuxin，Liaoning123000，China；2.Chinese National Coal Co.Ltd Xi'an Branch Company，Xi'an710061，China；3.Colege of Safety and Engineering，Liaoning Technical University，Fuxin，Liaoning123000，China）

The suitability assessment for the gangue mountain vegetation restoration is an appraisal to assess the suitable degree of the gangue mountain vegetation resilience.The suitability appraisal has been developed to be the foundation for study on the restoration of the gangue mountain vegetation.The study site is located in a gangue mountain of Pingdingshan，He'nan Province，which is divided into six units according to the altitudes and the solar irradiance.Seven assessment factors such as depth of soil layer，water holding capacity of soil were chosen according to the local conditions.The recovery of the vegetation was evaluated by using the principal component analysis.The results show that the main restrictions for vegetation restoration are the depth of the soil，water holding capacity of soil and the content of organic matter.The suitability scores for different regions were 2.68for unit A1，1.84for unit A2，2.97for unit B1，1.98for unit B2，3.11for C1，2.97for unit C2.It can be seen that the regions with lower altitudes are much more suitable for the restoration of the vegetation compared with the regions with higher altitudes.It can also be found out that the shady side of hillock is much more suitable for the restoration of the vegetation compared to the southern aspects of the regions.

gangue mountain；vegetation restoration；suitability；assessment

X171.4；F062.2

A

1005－3409（2011）06－0264－04

2011－05－13

2011－06－26

西北“战略中的生态建设问题研究”（2009A333）

赵晓亮（1981－），男，安徽淮北人，博士，讲师，研究方向：矿山环境污染控制。E－mail：zhaoxiaoliang2008＠126.com