基于土壤肥力恢复力模型的河曲露天煤矿复垦治理效果评价

赵洪宝,李岳,张鸿伟,刘绍强

中国矿业大学(北京)能源与矿业学院,北京 100083

排土场是露天煤矿生产过程中进行剥离岩土体和部分废弃材料排弃的场所,以矿山露天开采时剥离的表层土和岩石为主。因此,露天煤矿排土场土壤普遍存在水土保持能力不足[1],往往会导致栽种植物成活率低、绿化复垦难度大、复垦效果不佳等现象的发生,并进一步降低生态系统的自我修复力,使土壤肥力恢复的可能性大大减小。因此,明确并精准推断出露天煤矿排土场土壤生态系统中急需恢复的土壤结构和土壤功能因素,是露天煤矿排土场土壤恢复力评价的关键。

随着相关理论与方法的发展与进步,在土壤质量评价指标、评估方法研究中越来越倾向于采用定量化。在土壤评价中经常使用的数学方法,包括评分法、分等定级法、模糊评判法、聚类分析法以及地统计学方法[2]。国内外研究更侧重于物理、化学属性指标,目前,土壤生物学特性也逐渐成为研究土壤质量的重要指标。20 世纪90 年代以来,我国针对土壤肥力及退化的评估体系和评估方法逐渐完善[3-4]。近年来,农业领域针对土壤质量方面的研究正逐渐成为研究的焦点[5],但针对露天矿排土场土壤质量研究仍处于探索阶段,且评价指标单一、缺乏系统性,难以科学、全面地评价土壤质量。

因此,本文以山西省河曲旧县露天煤矿排土场为研究对象,基于模糊层次分析法建立一套针对排土场土壤恢复力影响因素的评价体系,并结合模糊综合评价法确定评价标准,开展定量分析研究,对评价方法中权重占比较大的因素进行实地考察。根据现排土场存在问题采取针对性措施,以达到恢复土壤生态系统,提高植物成活率的目的。

1 排土场土壤恢复力影响因素评价体系的构建

土壤质量评价可根据指标性质分为物理、化学和生物三类指标(表1),利用频度分析法[6-7]和理论分析法[8-9]进行筛选,并结合专家打分完善评价指标。通过频度分析法筛选出文献中应用较多的评价指标,并结合黄河流域地区植被稀少、水土流失严重等特点以及经济水平、治理政策和规范标准等实际情况,对各指标进行深入分析并分类,最终确定符合河曲露天煤矿排土场的土壤恢复力影响因素的评价指标。对评价指标体系进行3 次专家评审,确保科学、合理地选取评价指标,最终采用土壤结构稳定性、土壤保水能力、土壤保肥能力及土壤生物活性4项作为主评价指标的评价体系[10-12],即露天煤矿排土场土壤恢复力影响因素权重评价集合。

表1 常用土壤质量指标Table 1 Common soil quality indicators

(1) 土壤结构稳定性。土壤结构退化是露天矿排土场土壤生态系统重要的特征。露天矿排土场不同区域的土壤生态系统及不同复垦阶段的土壤,土壤容重、土壤质地等物理性质是不同的。由于露天矿服务年限相对较长,在漫长的开采过程中,常会导致表土流失、板结化、压实变形等现象,土壤生态系统内部结构也遭到严重的破坏,导致土壤生态系统稳定性破坏以及缓冲环境变化能力降低。土壤颗粒起着支撑植物生长的作用,其粒径大小、组合比例与排列状况直接影响土壤的基本性状。碳酸钙也可改善土壤的结构和质地。因此,基于上述提到的物理指标,本文选取容重、中位径、粘粒、粉砂粒、砂粒和碳酸钙6 个指标,分析其在不同排土场样地上的差异情况来综合反映土壤结构的稳定性。

(2) 土壤保肥能力。土壤的保肥能力是指土壤吸收和保存养分的能力。土壤性质不同,其保肥能力也存在很大的差异。露天矿排土场在形成的过程中,原有的土壤生态系统结构遭到破坏,养分也不断流失。土壤化学指标包括土壤养分、酸碱度、盐分含量以及土壤污染物等,其中pH 值、有机质及氮磷钾的含量和其有效性是衡量土壤肥力的常用指标。同时,阳离子交换量对土壤中重金属的生物有效性、作物对营养元素的吸收能力以及污染物迁移转化量均有一定的影响,电导率可以直接反映出土壤中混合盐的含量,是土壤化学指标的重要组成部分,对作物的生长发育有较大影响。本文选取酸碱度、有机质、碱解氮、有效磷、全钾、全氮、全磷、阳离子交换量和电导率9 个指标,分析其在不同排土场样地上的差异情况来综合反映土壤的肥力质量。

(3) 土壤保水能力。土壤的保水能力又称为土壤蓄水性,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时,能够有效溶解土壤中的肥料成分,使农作物更易吸收,同时将部分营养物质锁定于土壤结构内部。根据河曲露天矿所提供的气象资料,当地属于半干旱大陆季风气候,矿区土壤水分经常处于亏缺状态,因此土壤水含量是限制露天矿排土场植被生长的关键因素,也是制约露天矿排土场复垦工程进展的重要因素。此外,碳酸钙可以增加土壤的通透性和渗透性。土壤容重的变化与土壤孔隙度密切相关,可较好地反映土壤透气性、入渗性能、持水能力和溶质迁移潜力等。本文选取表层含水率、深层含水率、容重、碳酸钙4 个指标,分析其在不同排土场样地上的差异情况来综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参与岩石的风化和原始土壤的生成过程,对土壤肥力的形成和演变以及高等植物的营养供应均有重要作用,还可促进土壤生物体内酶通过矿化作用、腐殖化作用和生物固氮作用等改变土壤的理化性质。本文选取脲酶活性、蔗糖酶活性、碱性磷酸酶活性、凋落物质量、微生物丰富Chao 指数、微生物多样性Simpson 指数6 个指标,分析其在不同排土场样地上的差异情况来综合反映土壤生物活性。

遵循递阶层次结构建立的河曲露天煤矿排土场土壤恢复力影响因子评价体系如图1 所示。

图1 露天煤矿排土场土壤恢复力影响因子评价体系Fig.1 Evaluation of impact factors on soil resilience of open pit coal mine dump

2 模糊层次分析法

基于模糊层次分析法建立排土场土壤恢复力模型,主要流程是:首先构建露天煤矿排土场土壤恢复力影响因子权重分析模型并构建判断矩阵,再根据专家打分法并结合YAAHP 软件构建目标层R、准则层的判断矩阵及各因素层的判断矩阵,最后进行一致性验算。

2.1 构建判断矩阵

采用的1-9 标度法[13-14](表2)将同一因素层下的所有指标进行两两相互比较,分析每一层次的指标相对于上一层次支配指标的重要程度,以此得到它们之间的关系并构建评判矩阵,通过矩阵计算确定指标权重。其评判矩阵为

表2 1-9 标度法Table 2 1-9 scale method

式中,aij为ai相对于aj的重要值;ai和aj分别为评判矩阵第i行和j列的元素。

2.2 指标权重计算

针对得到的判断矩阵[15-17],先量化一级准则层各因素对土壤恢复力的影响、二级指标层因素对一级准则层因素的影响,后量化二级指标层因素对土壤恢复力的影响。根据所构建的露天煤矿排土场土壤恢复力影响评价指标,求得评判矩阵Aij。设判断矩阵阶数为n,则A为n×n阶矩阵。

对矩阵A中的每一行元素进行相乘并开根,对应于判断矩阵最大特征根λmax的特征向量,经归一化(使向量中各元素之和等于1)后记为W,则W=[W1,W2,…,Wn]T。

2.3 判断矩阵的一致性检验

所谓一致性检验,是指对判断矩阵A确定不一致的允许范围。由于人的主观因素使构建的判断矩阵容易导致评判不具有一致性,因此对判断矩阵进行一致性检验。该过程分为如下3 步。

(1) 一致性指标计算:

式中,n为判断矩阵阶数。

(2) 随机一致性指标(表3)计算:

表3 平均随机一致性指标标准值Table 3 Standard values of average random consistency index

(3) 一致性比率计算如下:

当CR<0.1 时,说明构建的判断矩阵具有很好的一致性。

2.4 土壤肥力恢复力模型的建立

利用加权综合法计算排土场土壤肥力得分E,土壤肥力恢复力模型为

式中,E为指标得分;i为各项指标;Ri为土壤肥力恢复力影响因子的权重;Vi表示评语集元素赋值。

参照全国土壤养分含量统一标准(表4),将土壤划分为6 个评价等级,即V={V1,V2,V3,V4,V5,V6}={极高,高,中上,中,低,极低},并且对应[100,95]、[95,80]、[80,65]、[65,50]、[50,30]、[30,0]这6 个区间。特别地,pH 值太高或太低都不适宜植物生长,V={V1,V2,V3,V4,V5}={强碱,弱碱,中上,中,微酸强酸,强酸}对应[0,30],[60,30] [90,60],[100,90],[60,30],[30,0] 6 个区间。

表4 土壤养分分级指标Table 4 Classification index of soil nutrients

本研究依据模糊综合评价法构建露天矿排土场土壤恢复力影响因素评语集,参考土壤肥力分级标准(表5),设定评语集V={V1,V2,V3,V4,V5,V6}=[95,80,65,50,30,15],特别地,对pH 值设定V={V1,V2,V3,V4,V5,V6} =[15,45,75,95,45,15]。基于指标的模糊定性量化评语集,评价各指标均值,根据权重定量化处理,对河曲露天矿排土场复垦前后土壤质量进行评价。

表5 土壤肥力分级标准Table 5 Soil fertility grading rubric

3 样品采集

鉴于对黄河流域河曲露天矿的排土场土壤恢复力状况调查与了解,以及对排土场土壤恢复力影响因素评价体系的构建,对矿区1 号、2 号和4 号排土场下部(以下简称4下)已复垦区,3 号和4 号排土场上部(以下简称4上)未复垦区进行现场考察。1 号和2 号排土场未复垦的区域与3 号、4上排土场是同期混排土形成的排土场,土壤状况类似。本研究选定4上、4下2 个代表性样地类型,并按照每个样地均匀设置5 个X 型采样点,采用土钻法采集0 ～30 cm 的土壤样品,去除表层腐殖质、杂草植被根系后,装入无菌保鲜袋,带回实验室,共采集土壤样品100 个。样品过2 mm 细筛,用于测定土壤的理化性质(图2)。

图2 样品采集与实验检测Fig.2 Sample collection and testing

4 案例分析

4.1 研究区概况

目前,河曲露天矿主要开采区域为首采区,现已经开采至13 号煤层。首采区深度为870 ～1 060 m。随着首采区13 号煤层及其上覆岩层不断剥离,开采深度不断增加,内排土场已经逐渐将4 号外排土场完全覆盖,依据《山西煤炭进出口集团河曲旧县露天煤业有限公司绿色矿山建设方案》的要求已做相关治理工程。根据外排土场上游汇水量,设计在1、2 号外排土场下游沟口处各设置浆砌石挡土墙。对4 号外排土场进行填筑形成平台,并在3号、4 号外排土场设植生带。现在1—4 号外排土场未治理面积分别为82.21 hm2(扣除已复垦土地后为73.88 hm2)、108.99 hm2(扣除已复垦土地后为95.56 hm2)、32.99 hm2、42.16 hm2。如图3 所示,1 号排土场、2 号排土场已实施了部分治理措施,进行了复垦绿化,边坡自然恢复为草地,植被类型多为蒿类,但仍存在绿植养护不到位、生长情况较差、绿化效果不理想的问题;3 号、4 号外排土场未进行绿化。4 个外排场排水沟均未建设,排土场排水工程较为简陋,容易造成滑坡、泥石流等灾害,存在安全隐患。另外,外排土场复垦的配套道路也未建设。

图3 外排土场复垦情况Fig.3 Reclamation of Outer waste dump

4.2 因素权重的确立

现对河曲露天煤矿排土场复垦前后的土壤质量进行评价,构建排土场土壤肥力恢复力模型。根据模糊层次分析法并结合10 位专家意见构建第一准则层、第二指标层级因素的判断矩阵,并由此求得准则层指标评判矩阵A及其对应指标层因素评判矩阵A1、A2、A3、A4的权重值。

计算辅助软件选用YAAHP (Yet Another AHP),求得Ai及各因素权重,以准则层为例进行计算,则A为4 阶矩阵,求得A最大特征值λmax=4.201 9。

相对权重由λmax的特征向量单位化后的权重向量求得: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,通过一致性检验(CR<1)。

同理,经过计算可分别得到上述各矩阵的λmax值、CI和RI值,并通过这些值判断一致性检验结果。准则层和因素层判断矩阵一致性检验结果见表6。由表4 可知,排土场准则层和指标层因素判断矩阵均满足一致性检验,证明评价有效性。

表6 准则层和因素层判断矩阵一致性检验结果Table 6 Consistency test results of criterion and factor judgment matrices

4.3 准则层因素权重

图4 为准则层各因素对目标层的权重。准则层作为目标层的下一级,其中土壤保肥能力F 对河曲露天煤矿排土场土壤恢复力的影响最大,为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)、土壤结构稳定性S(0.113 5)。

图4 准则层对目标层权重Fig.4 Weight of criterion layer to target layer

4.4 指标层因素权重

图5 为指标层各因素对准则层因素的权重。指标层中的因素相对于目标层的影响因素,有机质F1所占权重最大,为0.116 2,碳酸钙W4所占权重最小,为0.029。有机质因素对于土壤恢复力而言是最为重要的,土壤有机质是形成土壤结构和肥力的重要因子,直接影响土壤持水能力、水稳性团聚体以及土壤容重等物理特性,其次是表层含水量W1(0.091 4)、有效磷F3(0.087 5)、全磷F5(0.116 3)、容重W3(0.058 1)、碱解氮F2(0.056 9)、电导率F9(0.052 1)、全氮F4(0.049 4)、阳离子交换量F8(0.047 1)、容重S1(0.045 6)、pH 值F7(0.037 5)、全钾F6(0.037 3)等。权重占比较大的多为土壤保肥能力和土壤保水能力的指标层因素,表明相比土壤生物活性与土壤结构稳定性,提高排土场的水土保持能力是当前矿区土壤生态系统恢复的重要举措。研究发现,排土场水土流失量是自然地貌流失量的239.2 倍[18-19],且由于排土场本身松散的构造特点,其边坡易形成切沟侵蚀,在降雨和坡面汇流的作用下,水土流失更加严重,侵蚀速率为扰动前的7.4 倍。因此,排土场水土保持工作的重点是对排土场边坡水土流失的防控。

图5 指标层对准则层的权重Fig.5 Weight of indicator layer to criterion layer

综上,按针对目标层权重占比影响因素依次为脲酶活性B1(0.033 7)、蔗糖酶活性B2(0.033 7)、微生物丰富Chao 指数B5(0.024 7)、碱性磷酸酶活性B3(0.024 7)、粉砂粒S4(0.022 1)、凋落物质量B4(0.020 2)、深层含水量W2(0.091 4)、碳酸钙S6(0.009 4)、砂粒S5(0.019 3)、微生物多样性Simpson 指数B6(0.011 2)、粘粒S3(0.010 7)、中位径S2(0.006 4)、碳酸钙W4(0.029),这些因素多为土壤生物活性和结构稳定性因素,占比较小,排土场可通过有效的土地复垦、植物措施和工程措施加强土壤生物性,提高结构稳定性,达到降低水土流失,改善生态环境的目的。

4.5 复垦区域与未复垦区域土壤恢复情况

由准则层权重可知,土壤保肥能力与土壤保水能力的权重总计为0.745 7,土壤保肥能力与土壤保水能力的高低很大程度上决定了土壤的质量的优劣。由此可见,土壤保肥能力与土壤保水能力是衡量矿区排土场土壤质量水平的主要指标。

鉴于黄河流域河曲露天矿的排土场土壤水土流失严重,为避免初选指标之间的信息重叠、减少参评指标的数量,最终选取指标层前50% 的土壤保肥能力与土壤保水能力的8 项指标:有机质、碱解氮、有效磷、pH 值、全磷、全氮、表层含水率、容重。土壤pH 值采用高精度土壤pH 值测试仪测试,土壤容重采用环刀法,速效养分含量采用TY-TRA 型土壤养分检测仪测量。通过对河曲露天矿排土场复垦地不同样地的土壤养分含量的测量和分析,得出不同排土场土壤的养分质量情况及差异性。对获取的10 个土壤样品的8项指标的测量值进行数据处理和整理分析[20-22],得到了10 组有效平均值和标准差,建立了排土场土壤养分数据库,绘制出各样地土壤养分指标检测结果(图6)。

图6 土壤养分指标检测结果Fig.6 Test results of soil nutrient indicators

排土场土壤样点测定结果具有不同程度的差异性,复垦前后土壤指标平均值统计见表7。

表7 复垦前后土壤指标平均值统计Table 7 Average soil indicators before and after reclamation

由图6、表4 和表7 可看出,4上土壤pH 值为8.12 ～8.41,4下的土壤pH 值为8.69 ～9.10,说明河曲露天煤矿的土壤整体呈强碱性。4下有机质含量平均值为12.28 g/kg,处于中等水平;4上有机质含量平均值为4.12 g/kg,处于低水平。

4下全氮含量平均值为2.80 mg/kg,处于极高水平;4上为1.70 mg/kg,处于含量高水平。全磷含量平均值4上为1.34 mg/kg,处于含量中上水平;4下平均值为2.31 mg/kg,全氮量大幅提高,处于极高水平。4下碱解氮含量平均值为11.35 mg/kg,处于中等水平;4上为5.39 mg/kg,均处于含量极低水平。4上有效磷含量平均值处于4.88 mg/kg,处于含量低水平;4下为9.13 mg/kg,处于中等水平。

4上表层含水率平均值较低,平均值为6.18%;4下为10.28%,虽有提高,但仍处于贫乏水平。结合常见土壤含水率标准中黄土的最优含水率19% ～21%可知,排土场未复垦区域与土壤水分是作物生长的主要因素,4下虽然已经完成复垦并且归还于当地居民,但从当地居民种植作物后遗留的玉米秸秆来看,玉米植株相对较矮,如图7 所示,从现场抽样调查的结果来看,这些玉米秸秆的平均高度约为120 cm,出现了明显的肥水不足的现象。玉米对土壤容重可维持在0.78 g/cm3,4下容重平均值在0.89 g/cm3,4上容重平均值为0.59 g/cm3,说明已复垦区域的土壤经过种植有一定的恢复。4 号排土场复垦区域与原土区域对比如图8 所示,可见复垦区域的植物种类及其数量明显多于原土区域,植株较高且存活率较高。因此,精确反演土壤水分与养分对于理解和解决作物生长、作物估产以及干旱监测中的科学与实际问题至关重要。

图7 种植区域作物现状Fig.7 Status quo of crops in the planting area

图8 复垦区域与原土区域对比Fig.8 Comparison between reclaimed areas and original soil areas

根据式(6)可得模糊综合评价模型指标4上、4下分别为14.78、23.13。结合土壤质量指数及普查资料,参考有关研究对土壤综合肥力指数进行等级划分。根据土壤肥力分级标准(表5),研究区4下排土场已复垦区土壤肥力质量水平在中等偏下,而4上处于差的水平。

整体来看,研究区土壤肥力质量水平处于较差水平。已复垦区4下排土场土壤环境条件得到一定程度地改善,一方面是农作物凋落物逐年积累,现存量与生物量逐渐增大,农作物环境条件和植被覆盖的改善促进了微生物繁殖与活动,酶的活性得以提高,促进了有机质的积累;另一方面是人为种植作物时施肥的部分有机质遗留在土壤中。全磷、全氮量受自然因素、土地利用方式以及农业措施的影响,因此变幅较大。综上分析,河曲露天矿排土场已复垦地恢复效果并不理想,土壤养分仍然缺乏,与未经复垦的土壤一样仍需加强治理。这与河曲露天煤矿排土场土壤恢复力影响因素评价体系中,权重占比最大的准则层因素为土壤保肥能力、指标层因素为有机质等相一致,证明该评价体系有效性。

露天煤矿排土场植被恢复的实质,就是实现土壤生态系统与植被之间相互作用的过程,提高露天煤矿排土场土壤肥力并保持养分,加快排土场的植被恢复速度。因此,应在土壤恢复力影响因素评级体系的基础上,根据评价结果并根据实测结果尽快建立一套有助于增加土壤有机质等土壤养分含量、提高土壤水土保持能力、适用于河曲露天煤矿的土壤重构技术体系[24]。结合河曲露天矿区原始地貌土壤pH 值实际水平,认为将复垦土壤质量pH 值控制标准定为6.5 ～8.0 更能促进植物的生长。具体措施包括:通过添加硫磺粉、腐殖酸肥、硫酸铝、酸性有机肥等化学方法,降低土壤pH 值、改善土壤质量,使得大部分植物和作物都能更好地适宜生长;通过轮作、耕作、施肥、排灌等农业措施尽快恢复土壤养分,加速有机氮的矿化,增加土壤碱解氮的供应。

5 结 论

(1) 运用专家打分、模糊层次分析法相结合的方法,基于土壤结构稳定性、土壤保水能力、土壤保肥能力及土壤生物活性4 项准则和25 个因素建立了河曲露天煤矿排土场土壤恢复力影响因素评价体系,并利用加权综合法计算得到土壤肥力恢复力模型。

(2) 根据有机质、碱解氮、有效磷、pH 值、全磷、全氮、表层含水率、容重8 项指标的对比测量,针对河曲露天煤矿排土场的土壤肥力明显不足情况,建议施加一定量的有机肥,以尽快恢复土壤养分,同时种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) 针对不同矿区、不同排土场,在选择评价指标时需要根据实际情况和经验进行调整,对所构建的评价体系应进行充分的工程检验,逐步增强其科学性、完备性、可行性。