基于组合权重评价法的水土流失损毁地生态修复评价研究

胡庆武

(辽宁省朝阳水文局，辽宁 朝阳 122000)

“十三五”生态规划纲要指出，“多阶段、多领域、多类型生态环境问题交织，生态环境与人民群众需求和期待差距较大，提高环境质量，加强生态环境综合治理，加快补齐生态环境短板，是当前核心任务。”针对各类损毁地的生态修复是现实的需要，是建设生态友好型社会的需要，符合国家生态环境建设大战略[1]。辽宁省范围内，人为因素造成的损毁地多集中于矿产资源开发等生产建设活动[2]。生产建设项目建设和生产中都有可能形成损毁地，生产建设项目广泛分布于城镇、农村，尤其是城乡结合部。较集中的有鞍山市的铁矿开采、营口市的菱镁矿开采、阜新市的煤矿开采，还有各地的采石场、公路铁路建设，风电、光伏电的分布更加广泛[3]。生产建设项目的广泛分布，形成了损毁地分布广、碎片化的特点，其生态系统组成与结构发生了急剧退化，水土流失十分严重，对周围的生态环境有着极大的负作用，严重影响着社会与经济的可持续性发展[4]。生态评价的常用方法有统计学方法、模糊综合评价法、灰色关联度发、压力-装土-响应框架模型法、集合论法、层次分析法等[5-11]。但考虑单一权重方法的生态修复评价方法往往不能体现各指标之间的关联程度，存在一定的局限，为此本文采用组合权重分析方法，建立水土流失损毁地生态修复评价指标体系，对辽宁地区水土流失损毁地生态修复进行评价，并对其修复效益进行定量评估，研究结果对于水土水土流失损毁地生态修复方案制定具有重要参考价值。

1 研究方法

收集整理水土流失损毁地基础资料，包括项目建设类型、地形地貌、地质条件、土地利用类型、扰动范围、植被恢复等基本情况，结合区域气候、水资源情况，研究其生态修复技术，并采用组合权重分析的方式对其生态进行评价，评价技术路线如图1所示。

图1 生态修复技术路线

组合权重分析的方法为：设ωoi和ωsi分别是xi的主观权重(AHP权重)和客观权重(RS权重)，ωi为两者的组合权重：

(1)

式中，0≤ωoi≤1，0≤ωsi≤1(i=1，2，…，m)采用线性加权组合法来确定评价指标的权重，在可行域Ω上，此最优化模型有唯一解：

ωi=μωsi+(1-μ)ωoi

(2)

组合权重主要需要确定主、客观权重的加权系数μ。当各权重指标具有一致的排序时，加权系数μ取值可为0.5。反之不一致时加权系数采用黄金分割数进行确定，取值为0.618。当实际情况与客观权重较为相似时，表明主观权重存在较大经验主观程度，因此其参考价值相对较小，则取μ=0.382。根据RS-AHP组合权重，与各个因素实测值的乘积和，计算出植物种各配置的优劣，为区域损毁地生态修复植物种选择提供依据。

2 评价指标体系

根据水土流失损毁地实际情况，生态安全角度出发的生态健康指标体系，指标选取应遵循科学性和客观性，实用性和可操作性，指标的相对独立性，动态的可比性原则。本研究选取抗蚀性指标四项(水稳性团聚体、微团聚体团聚度、根-土复合体残余抗剪性)，肥力指标4项(土壤有机质、速效N、速效K、速效P)，植被生长状况指标4项(地上生物量、绿化保存率、种群丰度、植被覆盖率)进行层次分析法分析，见表1。这12个指标也作为粗糙集评价指标，同时为近两年实测指标。一是这些指标涵盖了生产建设项目生态修复中土壤、植被的相关指标，能客观真实的反应不同植物种配置生态修复表现的优劣；二是这些指标也是本研究近年来对辽西地区生产建设项目生态修复有关试验客观数据，实用性强。

表1 评价指标表

3 评价指标的确定

3.1 水稳性团聚体、微团聚体团聚度

粒径0.5、0.25mm以上的水稳性团聚体团粒含量与该粒级风干状态下水稳性团聚体团粒含量的比率与侵蚀效应相对应，此粒径的水稳性团粒风干率成为衡量抗蚀性的重要指标。实验仪器采用土壤团粒分析仪。两份100g土样分别做风干状态与毛管饱和状态下土粒分析。用6%H2O2和NaPO3处理湿筛法土样，去除有机物等，过2.0、1.0、0.50、0.25、0.106筛， 干筛过同样孔径的筛。计算水稳性团聚体含量和微团聚体团聚度公式分别为：

(3)

(4)

3.2 根-土复合体剪切力

使用ELE26-2114/04型号剪切仪，将采集的直剪环刀(61.8mm×20.0mm)在不同垂直压力(50、100、150、200kPa)下，剪切速率为0.8mm/min。环刀加水浸泡24h至完全饱和，施加剪切力进行不固结不排水快剪试验测定土壤抗剪强度。剪应力按下式计算：

τ=C·R

(5)

式中，τ—剪应力，kPa；C—测力计率定系数，kPa/0.01mm；R—测力计读数，0.01mm。

3.3 土壤侵蚀模数

采取简易水土流失观测场法。布设样地规格为2m×2m。在每个选取的小区坡面打入监测钎以测定土壤侵蚀厚度(监测钎长10～50cm)测钎顺坡长边每1m一排，数量根据小区实际情况确定，测钎垂直地面打入，地面外保留5～15cm，涂上油漆后编号登记上册，如图2所示。

图2 简易水土流失观测场法布置图

每年9月监测测钎露出地面的高度，记录下来，用后一次测量结果减去前一年测量结果，得出差值，采用算术平均法计算测钎的平均出露高度，再乘以小区面积，即得出侵蚀量，再乘以土(岩体)容重计算每平方米水平面积侵蚀量。采用以下公式计算：

(6)

式中，A—土壤侵蚀量，m3；Z—侵蚀厚度，mm；S—水平投影面积，m2。

可在平坦地段设置对照观测或应用沉降率计算沉降高度。若测钎不与土体同时沉降，则实际侵蚀厚度计算公式如下：

Z=Z0-β

(7)

式中，Z—侵蚀厚度，mm；Z0—观测值，mm；β—沉降高度，mm。

3.4 植物丰度

植物丰度是指群落内物种数目的多少，采用Margalef丰富度指数，数值越大说明其结构越复杂，抵抗力稳定性越大。公式如下：

(8)

式中，S—各样点植物种数；N—各采样点所有物种总数。

3.5 其他指标

土壤有机质采用重铬酸钾容量法测定。速效N、总N、总P、总K采用连续流动分析仪进行测定，土壤容重、含水量采用100mm3环刀取样，室内实验室进行测定。

4 实例分析

4.1 指标确定

4.1.1表层土壤侵蚀模数

试验地点选择在建平小塘第一铁矿、北票龙潭乡前井子铁矿、朝阳县大庙一铁矿3处排岩场堆积损毁地，布设简易径流小区，布置在排岩场边坡。插钎法计算土壤表层体积流失量，用环刀法测定土壤干容重，进而推算出生态修复后土壤侵蚀模数。选择在排岩场边坡布置观测场主要考虑地形有坡度，土壤表面下降会比平台明显，适于插钎法，便于对测钎的测量。同时，简易观测场也容易长时间保留，能保证数据的连续性。

图3 土壤侵蚀模数逐年变化表

土壤侵蚀模数逐年变化情况如图3所示。通过插钎法计算侵蚀模数，可以很直观的反应出生态修复5年来，土壤表层水土流失变化情况。其中2015年为干旱年，排岩场侵蚀模数在整体趋势中偏低，尾矿库侵蚀模数在整体趋势中变化不明显，这与尾矿库水不外流、风蚀的影响更大有关。侵蚀模数大体呈现下降趋势，说明采取生态修复措施以后，侵蚀模数明显变小，土壤侵蚀强度减弱，进而大大的减少了水土流失量。

4.1.2土壤肥力

(1)有机质、速效N、速效P、速效K

试验地选择在朝阳县大庙一铁矿排岩场，取0～20cm、20～40cm深土样，测定生态修复5年以后有机质、速效N、速效P、速效K的含量，与原土源土做对比分析，见表2。各养分指标速效N、速效P、速效K在生态修复基质土，与土源含量大致处于同一个水平。这是因为随着植被的恢复和生长，植被对土壤养分中N、P、K含量的影响逐渐增大，客土、原土栽植方式的差别越来越小。有机质含量在0.05水平上显著，表明生态修复以后，基质中有机质含量增加明显。

表2 客土、原土土壤养分含量

(2)土壤有机质

土壤有机质是土壤固相部分的重要组成成分，也是损毁地生态修复后植物营养的主要来源，土壤有机质能促进植物的生长，促进土壤微生物的活动，并改善土壤理化性质，提高土壤的保肥性，有研究表明在一定范围内土壤有机质含量与土壤肥力水平呈正相关。试验地位于建平小塘第一铁矿排岩场，朝阳龙生铁选矿的尾矿库、北票娄家店源丰铁选矿，生态修复措施为覆土绿化，绿化植被为刺槐、紫穗槐、沙打旺和沙棘。本实验的目的是逐年跟踪测定不同绿化植物种对土壤基质有机质含量变化影响情况，为损毁地生态修复提供植物种质方面依据。

图4 有机质含量变化

有机质含量变化如图4所示，从图4可以看出土壤有机质在逐年增加，由于覆土土源的差异性，初始土壤有机质含量有差别。试验植物种为刺槐、紫花苜蓿、沙棘和紫穗槐，生态修复以后土壤有机质逐年均有所增加。土壤有机质的增加一是植被枯落物，二是植物根系。豆科的紫花苜蓿对土壤有机质的增加最为显著。从增加程度分析，紫花苜蓿>刺槐>紫穗槐>刺槐。根据一些文献研究表明，植被对土壤有机质的增加的贡献是曲线增加，最后接近水平线。本研究测定的数据为生态修复的初始5年，随着植被的生长，有机质呈现线性增加有其合理性。

4.1.3生长量

分别于2015、2016、2017、2018、2019年进行植物生长量及保存率调查，辽西地区试验树种为沙棘、紫穗槐和柠条。其中沙棘布置两种实验，一是排岩场覆土栽植沙棘，一是尾矿库原基质栽植沙棘。不同植物株高调查情况见表3。不同植物冠幅调查情况见表4。

表3 不同植物株高调查表 单位：cm

表4 不同植物冠幅调查表 单位：cm

在不同生态修复措施下各试验树种具有不同变化特征的株高，逐年呈现整体递增变化。植物树种受覆土措施影响具有较为明显的促进作用，差异显著水平较大。除紫穗槐外其他树种随时间变化差异程度逐步减小，各树种栽种3年后生长量递增趋势不显著。

4.2 粗糙集分析

以X1—X12作为条件属性C，决策属性D={d}，属性置域V={0，1，2}，其中0代表生态修复各生态指标状况良好、1代表一般，2代表较差。依据实验统计的辽宁地区10个生态修复模式2017、2018年数据，取这两年数据的平均值，应用粗糙集分析软件将各指标属性离散化为{0，1，2}，得到生态修复生态指标决策，各指标离散值见表5。根据条件属性和决策属性对论域进行分类，得到一级指标对二级指标的依赖度，计算二级指标的重要性，对属性重要程度做归一化处理，得到各个指标的客观权重，见表6。

表5 生态修复植物配置各指标属性离散

表6 粗糙集指标权重

4.3 组合权重分析

组合权重主要需要确定主、客观权重的加权系数μ。当各权重指标具有一致的排序时，加权系数取值可为0.5。反之不一致时加权系数采用黄金分割数进行确定，取值为0.618。当实际情况与客观权重较为相似时，表明主观权重存在较大经验主观程度，因此其参考价值相对较小，则加权系数取值为0.382。

通过组合权重结果分析，见表7，辽宁地区水土流失损毁地生态修复各指标中植被覆盖率、地上生物量、土壤有机质和微团聚体团聚度为生态主要指标。将2017年、2018年12个指标实测数据平均值，与组合权重求乘积和，得出辽西植物种或植物配置、植物重建生态效果排序。

表7 组合权重分析结果

分析辽宁地区生态修复各植物种配置优劣，从抗蚀性指标分析，沙打旺、紫穗槐、刺槐×柠条、杨树×柠条、刺槐为最优，说明这5种配置的植物在增加土壤团聚体、减少表层水土流失、根系固土方面表现良好。从土壤养分角度分析，紫花苜蓿和紫穗槐显著增加了土壤的有机质，其余配置增加不显著。所有配置对速效N、速效K、速效P减少或增加不明显，对比分析土壤肥力指标结论，植被逐年生长过程中，植被自身对养分的需求的变化、降水的淋溶、微生物和矿物质的理化作用，都影响了速效N、速效K、速效P逐年变化的规律性提取。从植被生长状况指标分析，紫穗槐、沙打旺、刺槐×沙棘、刺槐×柠条为最优，灌草被对地表覆盖较好，植物丰度也较高，保存率较高，生物量偏低，这与现实中人类认知一致，灌草总能优先于乔木覆盖地面，灌草也弱于乔木对林下其他植被的生长抑制。

基于组合的生态综合分析评价，辽宁地区生态修复各植物种配置综合优劣排序为紫穗槐>沙打旺>沙棘>刺槐>刺槐×沙棘>刺槐×柠条>臭椿>杨树×柠条>杨树×沙棘>杨树，从生态健康评价结果来看，紫穗槐，沙打旺，沙棘，刺槐评价等级为优，杨树×柠条、杨树×沙棘、杨树为劣，其他为一般。紫穗槐和沙棘为灌木，沙打旺为草本，刺槐为乔木，这四种植物表现最优，调查表明，损毁地生态修复中，这四种植物实施面积也最大，评价结果与调查实际结果相符合，也与这四种植物的耐旱、耐瘠薄的特性相符合。辽宁地区水土流失损毁地生态修复应以这四种植物为首先植物。

5 主要结论

(1)在进行生态修复评价指标权重加权组合分析时，当各权重指标具有一致的排序时，建议加权系数取值为0.5，反之不一致时，加权系数按照黄金分割数进行确定，取值可为0.618。

(2)辽宁地区水土流失损毁地生态修复建议紫穗槐，沙打旺，沙棘，刺槐这四种植物作为首选植物，这四种植物与辽宁地区耐旱、耐瘠薄的特性相符合。

(3)在后续研究中需要建立一种更客观、更科学的，包括经济林果模式、复耕模式在内的，损毁地治理的前期人力、物力投入及维护投入等经济指标和社会指标的生态修复综合评价体系。