河南平頂山煤矸石山植被恢復(fù)的適宜性評(píng)價(jià)研究

趙曉亮，李瑞鋒，齊慶杰

（1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000；2.中煤國(guó)際工程集團(tuán)北京華宇工程有限公司 西安分公司，西安 710061；3.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000）

河南平頂山煤矸石山植被恢復(fù)的適宜性評(píng)價(jià)研究

趙曉亮1，李瑞鋒2，齊慶杰3

（1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000；2.中煤國(guó)際工程集團(tuán)北京華宇工程有限公司 西安分公司，西安 710061；3.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000）

煤矸石山植被恢復(fù)適宜性評(píng)價(jià)是對(duì)煤矸石山植被恢復(fù)適宜程度進(jìn)行的評(píng)價(jià)，同時(shí)是開(kāi)展煤矸石山植被恢復(fù)的工作基礎(chǔ)。以河南平頂山一礦煤矸石山為評(píng)價(jià)對(duì)象，將不同海拔高度、不同光照條件下的矸石山劃分為6個(gè)單元，因地制宜地選擇了土層厚度、田間持水量等7個(gè)評(píng)價(jià)因子，應(yīng)用主成分分析法對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行植被恢復(fù)適宜性評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)結(jié)果表明：一礦煤矸石山植被恢復(fù)的主要限制因子為土層厚度、田間持水量和有機(jī)質(zhì)含量，各評(píng)價(jià)單元適宜性得分分別為：A1區(qū)域?yàn)?.68、A2區(qū)域?yàn)?.84、B1區(qū)域?yàn)?.97、B2區(qū)域?yàn)?.98、C1區(qū)域?yàn)?.11、C2區(qū)域?yàn)?.97，由此得出海拔低的區(qū)域比海拔高的區(qū)域更適宜植被恢復(fù)，矸石山陰面區(qū)域比陽(yáng)面區(qū)域更適宜植被修復(fù)的結(jié)論。

煤矸石山；植被恢復(fù)；適宜性；評(píng)價(jià)

煤矸石植被恢復(fù)適宜性評(píng)價(jià)是評(píng)價(jià)對(duì)煤矸石山特定用途的適宜程度［1］。通過(guò)對(duì)煤矸石山的自然、經(jīng)濟(jì)屬性的綜合描述，闡明煤矸石山屬性所具有的生產(chǎn)潛力以及對(duì)耕地、園地、林地、牧草地等不同用途的適宜性和適宜程度差異的評(píng)定，評(píng)價(jià)過(guò)程大致相同但評(píng)價(jià)的具體方法較多，如楊倫等用經(jīng)驗(yàn)法確定礦區(qū)廢棄地的各評(píng)價(jià)因子的權(quán)重，評(píng)價(jià)結(jié)果受主觀性影響較大［2］，有學(xué)者用最小限制因素法對(duì)礦區(qū)土地復(fù)墾適宜性評(píng)價(jià)，該法有一定的片面性［3］，肖文發(fā)等人用Landsat T M遙感影像結(jié)合灰色系統(tǒng)關(guān)聯(lián)度分析了評(píng)價(jià)過(guò)程中對(duì)各評(píng)價(jià)因子等級(jí)劃分和評(píng)分時(shí)所產(chǎn)生的不確定性因素［4］，王瑩等人將三標(biāo)度打分法與層次分析法相結(jié)合，確定了各因素的權(quán)重；采用模糊綜合評(píng)價(jià)－灰色關(guān)聯(lián)優(yōu)勢(shì)分析的方法，建立了煤礦廢棄地植被恢復(fù)潛力評(píng)價(jià)模型［5］。鑒于煤矸石山植被恢復(fù)的多評(píng)價(jià)因子的特殊性，選擇主成分分析法對(duì)煤矸石山植被修復(fù)進(jìn)行進(jìn)一步探討和細(xì)化評(píng)價(jià)過(guò)程研究。

1 評(píng)價(jià)單元的劃分方法

采取把土地利用現(xiàn)狀圖與各影響土地質(zhì)量的參評(píng)因子分級(jí)圖進(jìn)行套疊，求取最小圖斑，并以此最小圖斑作為最基本的評(píng)價(jià)單元。這樣各評(píng)價(jià)單元內(nèi)土地利用方式是一致的，土地屬性、土地質(zhì)量也是相對(duì)一致的。選取平頂山一礦煤矸石山不同海拔高度，不同風(fēng)化程度的單元作為評(píng)價(jià)單元，同海拔高度土壤植被等特征也基本一致，煤矸石的風(fēng)化程度不宜量化，排矸年限一致的陰、陽(yáng)坡，水分、日照條件明顯不同，風(fēng)化程度也存在很大差別，因此用日照條件間接表征風(fēng)化程度。具體劃分單元見(jiàn)表1。

表1 平頂山一礦煤矸石山植被恢復(fù)評(píng)價(jià)單元的劃分

2 評(píng)價(jià)因子的選取

因?yàn)樵u(píng)價(jià)區(qū)的面積較大，考慮的因素比較多，在特殊性下考慮共性，生態(tài)因子的差異主要表現(xiàn)在土壤質(zhì)量的差異上，依據(jù)評(píng)價(jià)因子的選取原則［6］選取土層厚度、沙粒含量 、容重、有機(jī)質(zhì)、pH值、坡度、田間持水量作為評(píng)價(jià)因子（表2）。

表2 平頂山一礦煤矸石山植被恢復(fù)適宜性評(píng)價(jià)因子

3 主成分分析的計(jì)算方法

（1）原始數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化。將數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，將所有的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)到同一個(gè)水平上衡量［7］。假設(shè)N個(gè)樣本，每一個(gè)樣本有P個(gè)指標(biāo)，則這N個(gè)樣本組成的向量和P個(gè)指標(biāo)構(gòu)成的向量可得。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，使每一個(gè)變量的平均值為0，方差為1。對(duì)X矩陣中的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理可以達(dá)到統(tǒng)一指標(biāo)間量綱的目的，處理后可得到，矩陣X與標(biāo)準(zhǔn)化矩陣Z。

其中：i＝1，2，…，N；j＝1，2，…，P。

（2）求相關(guān)矩陣計(jì)算相關(guān)矩陣。設(shè)R是標(biāo)準(zhǔn)化矩陣Z的協(xié)方差陣∑的相關(guān)矩陣。標(biāo)準(zhǔn)化矩陣Z的協(xié)方差陣∑為：

式中：N——樣本個(gè)數(shù)；Z——標(biāo)準(zhǔn)化矩陣；R——Z的協(xié)方差陣∑的相關(guān)矩陣。

（3）求相關(guān)矩陣的特征值與特征向量。解│R－λI│方程得到p個(gè)非負(fù)特征值，設(shè)其特定值從大到小排列為：λ1≥λ2≥…≥λP≥0，依次為第一，第二，…，第k主成分，且yi的方差cov（yi）所對(duì)應(yīng)的特征值為λi。主成分的確定基于最大方差原則，因此數(shù)據(jù)的大部分方差包含于第一個(gè)主成分中，第二個(gè)主成分比第三個(gè)主成分所包含的信息多，且主成分矢量之間相互正交。并且第一主成分的貢獻(xiàn)最大，起主導(dǎo)作用。主成分越靠后，其提供的方差貢獻(xiàn)率越少，其重要性就越小。根據(jù)所有主成分所包含的方差百分?jǐn)?shù)，計(jì)算出所需的主成分［8］。

（4）計(jì)算特征值的貢獻(xiàn)率與累積貢獻(xiàn)率

式中：gi——第i個(gè)主成分的貢獻(xiàn)率，指標(biāo)的方差反映了指標(biāo)的變化。它越大，表明指標(biāo)概括z1，z2，…，zP的能力越強(qiáng)。顯然，第一主成分y1的貢獻(xiàn)率最大，y2次之，其它依次類(lèi)推到y(tǒng)p貢獻(xiàn)率依次減小。Gi——前k個(gè)主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率。當(dāng)累計(jì)貢獻(xiàn)率≥80%時(shí)，選這前k個(gè)主成分基本就能滿足要求，因?yàn)樗鼈兊姆讲钪鸵颜既糠讲畹?0%以上［9］。

4 主成分分析法中的數(shù)值處理與分析

由表1與表2可知，樣本數(shù)為6，評(píng)價(jià)因子數(shù)為7，以河南平頂山一礦煤矸石山為測(cè)量對(duì)象，沙粒含量、有機(jī)質(zhì)、田間持水量以剖面20cm深度測(cè)量，原始數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 平頂山一礦煤矸石山的各評(píng)價(jià)因子初始值

4.1 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

為了消除由于量綱的不同可能帶來(lái)的不合理的影響，應(yīng)先對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化。由Matlab軟件調(diào)用zscore函數(shù)對(duì)樣本矩陣求出，結(jié)果如下：

4.2 相關(guān)系數(shù)矩陣及特征值與特征向量

求出原始樣本數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后的相關(guān)系數(shù)矩陣，從各指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)可看出，90%以上的數(shù)據(jù)絕對(duì)值大于0.1，表明全部變量至少與一個(gè)以上的其它變量有較大的相關(guān)系數(shù)，因而適宜用主成分分析法研究變量之間的關(guān)系。計(jì)算相關(guān)矩陣的特征值及相應(yīng)特征向量結(jié)果見(jiàn)表4。

4.3 貢獻(xiàn)率、累計(jì)貢獻(xiàn)率以及指標(biāo)等級(jí)劃分

各因子的貢獻(xiàn)率見(jiàn)表5，主成分個(gè)數(shù)按累積貢獻(xiàn)率Gi≥90%原則來(lái)確定。每個(gè)主成分都反映一種不同的限制因子，因此對(duì)評(píng)價(jià)因子較多的植被恢復(fù)適宜性評(píng)價(jià)問(wèn)題來(lái)說(shuō)主成分分析法具有很好的客觀性［10－11］。

表4 平頂山一礦煤矸石山評(píng)價(jià)因子特征值及特征向量

表5 平頂山一礦煤矸石山評(píng)價(jià)因子貢獻(xiàn)率與累計(jì)貢獻(xiàn)率

評(píng)價(jià)以《中國(guó)1/100萬(wàn)土地資源圖》等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)作參考，劃分出評(píng)價(jià)各參評(píng)因子關(guān)于植被恢復(fù)適宜性的4個(gè)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如下，非常適宜、適宜、勉強(qiáng)適宜、暫不適宜分別取4分、3分、2分、1分（表6）。

表6 平頂山一礦煤矸石山評(píng)價(jià)指標(biāo)等級(jí)劃分及其權(quán)重

4.4 評(píng)價(jià)區(qū)域的綜合得分

各主成分的權(quán)重計(jì)算評(píng)價(jià)單元的綜合得分公式見(jiàn)式（5）。

式中：P——評(píng)價(jià)單元綜合得分；Pn——主成分因子得分；In——主成分因子的權(quán)重；n——主成分個(gè)數(shù)。

各評(píng)價(jià)單元的綜合得分見(jiàn)表7。

表7 平頂山一礦煤矸石山植被恢復(fù)評(píng)價(jià)單元綜合得分

5 結(jié)論

（1）河南平頂山一礦煤矸石山植被恢復(fù)主要限制因子是煤矸石的風(fēng)化程度、田間持水量和有機(jī)質(zhì)含量。矸石山陰面山腳單元（C1）綜合得分最高為3.11，即現(xiàn)場(chǎng)矸石風(fēng)化良好，土壤情況適合植被生長(zhǎng)，評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際植被生長(zhǎng)狀況相符。建議依靠自然條件，輔以人工管理進(jìn)行植被修復(fù)。

（2）矸石山頂陽(yáng)面和山腰陽(yáng)面單元（A2、B2）的綜合得分較低，分別為1.84，1.98，即土壤狀況不適合植被生長(zhǎng)，必須借助覆土、灌溉等工程措施改善土壤理化特性，考慮到節(jié)約資金投入，建議利用附近城市污水處理廠產(chǎn)生的熟污泥作為覆土原料，不但解決污水處理廠的污泥排放問(wèn)題，也有利于充分利用污泥中的大量磷、氮等植被生長(zhǎng)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。

（3）各評(píng)價(jià)單元的綜合得分表明：由于煤矸石山的陰面水分蒸發(fā)量少，煤矸石較快的風(fēng)化速度以及溶出的大量元素提高了土壤的質(zhì)量。海拔較低的評(píng)價(jià)單元綜合得分高于海拔較高的單元，更適宜植被的恢復(fù)。建議按照不同海拔高度種植不同類(lèi)型的恢復(fù)植被，遵循由低往高，逐步建立植被群落的原則，利用生態(tài)自身的結(jié)構(gòu)與功能演化，加速煤矸石山表面有機(jī)土壤層的盡快形成。平頂山礦區(qū)地處中原黃土半干旱區(qū)域，自然降雨不充沛，所以水源問(wèn)題是高層單元植被恢復(fù)必須首先解決的問(wèn)題。

［1］張彩霞，許麗，周心澄.阜新礦區(qū)煤矸石山植被恢復(fù)土地適宜性評(píng)價(jià)［J］.水土保持研究，2003，10（5）：56－58.

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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，F(xiàn)uxin，Liaoning123000，China；2.Chinese National Coal Co.Ltd Xi'an Branch Company，Xi'an710061，China；3.Colege of Safety and Engineering，Liaoning Technical University，F(xiàn)uxin，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“戰(zhàn)略中的生態(tài)建設(shè)問(wèn)題研究”（2009A333）

趙曉亮（1981－），男，安徽淮北人，博士，講師，研究方向：礦山環(huán)境污染控制。E－mail：zhaoxiaoliang2008＠126.com