銅礦排土場(chǎng)土壤環(huán)境質(zhì)量多層次模糊綜合評(píng)判

程睿

(深圳市如茵生態(tài)環(huán)境建設(shè)有限公司，廣東 深圳 518057)

0 引言

礦產(chǎn)資源是發(fā)展國(guó)民經(jīng)濟(jì)、國(guó)防軍工及高新科技等不可或缺的重要基礎(chǔ)材料和戰(zhàn)略物資，但大規(guī)模的礦產(chǎn)資源開發(fā)往往導(dǎo)致生態(tài)破壞、土壤退化、環(huán)境污染等一系列問題[1]。十八大以來,“綠水青山就是金山銀山”的“兩山”理念日益深入人心。開展礦山修復(fù)，推進(jìn)礦區(qū)復(fù)墾，成為踐行“兩山”理念，建設(shè)綠色礦山的重要途徑。當(dāng)前，中國(guó)礦山總體復(fù)墾率僅20%左右，遠(yuǎn)低于歐美發(fā)達(dá)國(guó)家80%左右的水平[2-3]，礦山修復(fù)工作不僅任務(wù)艱巨，而且還普遍面臨污染嚴(yán)重等治理難題。實(shí)踐表明，礦山修復(fù)的首要任務(wù)就是修復(fù)污染，其次是改善土壤理化性質(zhì)，重構(gòu)土壤微生態(tài)系統(tǒng)，最終恢復(fù)多樣性的植被群落。近年，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)礦區(qū)土壤改良修復(fù)技術(shù)的研究頗多[4-5]，但針對(duì)礦山修復(fù)前后土壤環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)方面的研究較少，缺乏適用的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和評(píng)價(jià)方法[6]。土壤作為有機(jī)、無機(jī)相結(jié)合的復(fù)雜綜合體，其環(huán)境質(zhì)量屬于模糊概念，具有漸變性和模糊性[7]，各等級(jí)間界限不明顯，分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)不確定。目前常用的土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)方法有單因子指數(shù)法、綜合指數(shù)法、層次分析法(AHP)、模糊綜合評(píng)判法等。其中，模糊綜合評(píng)判法是通過建立隸屬函數(shù)在閉區(qū)間內(nèi)的連續(xù)取值進(jìn)行評(píng)價(jià)，充分考慮了土壤質(zhì)量等級(jí)之間過渡的模糊性，其評(píng)價(jià)結(jié)果更為客觀。近年來，將模糊綜合評(píng)判法用于土壤質(zhì)量評(píng)判的研究較多[8-9]，但用于礦區(qū)土壤質(zhì)量綜合評(píng)判的報(bào)道則較少。本研究以永平銅礦南部排土場(chǎng)為研究對(duì)象，采用兩級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)模型對(duì)土壤環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行整體評(píng)價(jià)，旨在為礦區(qū)土壤修復(fù)和植被恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況和方法

1.1 研究區(qū)概況

永平銅礦位于江西省上饒市鉛山縣永平鎮(zhèn)，屬大型銅硫綜合礦床。礦區(qū)面積超過l 313 hm2，露采境界面積約178 hm2，剝離總量超過3億t，廢礦渣超過2億t，設(shè)5個(gè)排土場(chǎng)，總占地面積105 hm2。礦區(qū)位于中亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，夏季濕熱，冬季溫涼，多年平均降水量1 700～2 100 mm，全年60%雨量集中在4—6月份，多年平均氣溫17～19 ℃，多年平均無霜期250～270天，多年平均日照1 800～2 000 h。研究區(qū)位于南部排土場(chǎng)1#、2#壩上部，面積約1萬m2，壩底原有多個(gè)提取海綿銅的酸性水池。排土場(chǎng)土壤以亞黏土及強(qiáng)風(fēng)化千枚巖為主，質(zhì)地均勻一致，裸露無植被。

1.2 評(píng)價(jià)方法

為避免評(píng)價(jià)因素較多,權(quán)重太小造成部分信息“淹沒”，采用多層次模糊綜合評(píng)判法，根據(jù)設(shè)定的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)測(cè)值，依據(jù)模糊變換原理和最大隸屬度原則對(duì)目標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)價(jià)。

1.2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立

影響礦區(qū)土壤質(zhì)量的因素多且復(fù)雜，其評(píng)價(jià)指標(biāo)應(yīng)選取對(duì)其具有獨(dú)立主導(dǎo)作用的關(guān)鍵影響或限制因素，確保各評(píng)價(jià)指標(biāo)的科學(xué)性、代表性和獨(dú)立性。AHP法能將難以定量描述或評(píng)價(jià)的指標(biāo)多且相互影響的復(fù)雜問題分解為多個(gè)子問題并分層建模，通過兩兩重要性比較的形式給出決策數(shù)據(jù)并計(jì)算得到各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。基于工程實(shí)踐并參照有關(guān)研究[10-12]，選取對(duì)礦區(qū)土壤質(zhì)量影響較大的3類因素及11個(gè)二級(jí)指標(biāo)構(gòu)成評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。其中，土壤理化性質(zhì)包括pH、有機(jī)質(zhì)(OM)、陽(yáng)離子交換量(CEC)、堿解氮(AHN)、速效磷(AP)、速效鉀(AK)6個(gè)二級(jí)指標(biāo)；土壤產(chǎn)酸潛力包括凈產(chǎn)酸量試驗(yàn)pH(NAG-pH)、酸性中和能力(ANC)兩個(gè)二級(jí)指標(biāo)；土壤微生物群落特征包括微生物生物量碳(MBC)、微生物Shannon-Wiener指數(shù)(H′)、相對(duì)豐度前10名屬中非產(chǎn)酸微生物比例(Non-AM p.c.)。

1.2.2 樣品采集及數(shù)據(jù)處理

采用梅花布點(diǎn)法選取10個(gè)土壤采樣點(diǎn)，采樣深度0～20 cm，經(jīng)四分法取1 kg土樣進(jìn)行檢測(cè)。采樣時(shí)間為生態(tài)修復(fù)前、綜合措施(化學(xué)改良加原位基質(zhì)及微生物改良等)改良修復(fù)后，生態(tài)修復(fù)1年后，共3個(gè)時(shí)間點(diǎn)。采用SPSS 19.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

1.2.3 建立評(píng)價(jià)指標(biāo)集

根據(jù)評(píng)價(jià)目標(biāo)特征屬性選取n個(gè)典型評(píng)價(jià)因子建立指標(biāo)集，即：U={u1，u2，…，un}，U為因子集，Ui(i=1，2，…，n)為一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)，Ui1…Uik為二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)。

1.2.4 建立評(píng)價(jià)集

根據(jù)評(píng)價(jià)目標(biāo)狀態(tài)水平劃定m個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)，即：V={v1，v2，…，vm},V為評(píng)價(jià)集，Vj(j=1，2，…，m)為各指標(biāo)評(píng)價(jià)等級(jí)。參照國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及文獻(xiàn)[12-13]，將礦區(qū)土壤質(zhì)量分為5個(gè)等級(jí)(表1)，則評(píng)價(jià)集為[Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ]。

表1 礦區(qū)土壤質(zhì)量等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Soil quality grade standard of the mining area

1.2.5 確定評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

將評(píng)價(jià)指標(biāo)體系分為3個(gè)層次：目標(biāo)層(A)、準(zhǔn)則層(B)和指標(biāo)層(C)。目標(biāo)層(A)為土壤質(zhì)量。準(zhǔn)則層(B)包括土壤化學(xué)性質(zhì)(B1)、產(chǎn)酸潛力(B2)、微生物群落特征(B3)。指標(biāo)層(C)由準(zhǔn)則層下各構(gòu)成因素的11個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)組成。因單項(xiàng)指標(biāo)對(duì)土壤質(zhì)量的貢獻(xiàn)存在差異，采用調(diào)查分析及文獻(xiàn)查閱等方法判定各指標(biāo)的相對(duì)重要性，并采用1～9標(biāo)度法量化評(píng)價(jià)指標(biāo)(表2)，運(yùn)用yaahp層次分析軟件計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重值及相對(duì)于土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)的權(quán)重，最后對(duì)各個(gè)指標(biāo)的判斷矩陣結(jié)果進(jìn)行總排序，并對(duì)各層指標(biāo)單排序進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。

表2 相對(duì)標(biāo)度含義Table 2 Relative scale definition

1.2.6 模糊綜合評(píng)判方法

采用梯形隸屬度函數(shù)計(jì)算各評(píng)價(jià)因子對(duì)各評(píng)價(jià)等級(jí)的隸屬度。其中，兩端等級(jí)的隸屬度分別采用降半梯形和升半梯形隸屬函數(shù)，中間等級(jí)隸屬度采用對(duì)稱山型隸屬函數(shù)[14]，再依據(jù)各級(jí)因子的隸屬度建立模糊關(guān)系矩陣R，采用兩級(jí)模糊評(píng)判模型進(jìn)行綜合評(píng)判[15]。

2 結(jié)果與分析

2.1 各指標(biāo)檢測(cè)數(shù)據(jù)

生態(tài)修復(fù)實(shí)踐中，一般是將具有相似土壤質(zhì)地的區(qū)域作為一個(gè)整體對(duì)其土壤質(zhì)量水平進(jìn)行整體評(píng)價(jià)并制定相應(yīng)的土壤修復(fù)改良方案。因此，采用SPSS 19.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并剔除異常值后計(jì)算各指標(biāo)平均值(表3)。各指標(biāo)平均值雖反映了改良修復(fù)后土壤各指標(biāo)已得到全面改善，復(fù)墾1年后也只是小幅變化，但具體改善程度和變化幅度需要綜合評(píng)判。

表3 排土場(chǎng)土壤檢測(cè)數(shù)據(jù)平均值Table 3 Average value of soil detection data in the waste dump

2.2 指標(biāo)權(quán)重分配

在礦山修復(fù)實(shí)踐中，土壤理化性質(zhì)、產(chǎn)酸潛力、微生物群落特征等關(guān)鍵影響因素的土壤環(huán)境重要性依次下降。其中不同營(yíng)養(yǎng)元素對(duì)土壤肥力的貢獻(xiàn)率也不同，重要性一般呈AHN>OM>AP>AK[16]。另外，土壤pH一般是礦區(qū)廢棄地生態(tài)修復(fù)的先決條件，而CEC既是土壤保肥能力的重要指標(biāo)，也是改良土壤和合理施肥的重要依據(jù)。

因此，在土壤化學(xué)性質(zhì)方面，各指標(biāo)的相對(duì)重要性大小順序?yàn)閜H>CEC>AHN>OM>AP>AK。在產(chǎn)酸潛力方面，土壤凈產(chǎn)酸量試驗(yàn)測(cè)得的pH即NAG-pH指標(biāo)相對(duì)ANC重要。在土壤微生物群落特征方面，H′和Non-AM p.c.指標(biāo)一般同等重要，但均比MBC重要。利用yaahp層次分析軟件計(jì)算[17]的各級(jí)指標(biāo)權(quán)重結(jié)果如表4所示。

表4 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重分配Table 4 Weight distribution of evaluation index

2.3 土壤質(zhì)量綜合評(píng)判

由兩級(jí)模糊綜合評(píng)判結(jié)果(表5)可知，綜合改良前土壤質(zhì)量的隸屬度為(0,0,0.011,0.029,0.076)，根據(jù)最大隸屬度原則，最大值對(duì)應(yīng)Ⅳ級(jí)，按照5級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，原始土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)結(jié)果為“很差”。綜合改良后的土壤質(zhì)量其隸屬度為(0.170,0.107,0.088,0,0)，最大值對(duì)應(yīng)Ⅰ級(jí)，評(píng)價(jià)結(jié)果為“很好”。生態(tài)修復(fù)一年后土壤質(zhì)量的隸屬度為(0.131,0.142,0.042,0.050,0)，最大值對(duì)應(yīng)Ⅱ級(jí)，評(píng)價(jià)結(jié)果為“較好”。

表5 排土場(chǎng)土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)結(jié)果Table 5 Fuzzy comprehensive evaluation results of soil quality in waste dump

綜合評(píng)價(jià)結(jié)果表明，研究區(qū)的原始土壤質(zhì)量“很差”，嚴(yán)重的污染和極度的貧瘠等惡劣條件使植物基本難以存活，無法滿足生態(tài)修復(fù)的需要。采用綜合修復(fù)改良措施后，土壤質(zhì)量短期內(nèi)得到明顯提高，達(dá)到Ⅰ級(jí)“很好”級(jí)別，完全滿足植物正常生長(zhǎng)發(fā)育的需要，但生態(tài)修復(fù)一年后，土壤質(zhì)量相比修復(fù)改良初期下降到Ⅱ級(jí)，處于相對(duì)“較好”狀態(tài)。分析認(rèn)為，礦區(qū)排土場(chǎng)土壤硫礦物含量高，長(zhǎng)期裸露造成嚴(yán)重的土壤酸化，進(jìn)而造成有機(jī)質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)元素等流失殆盡，土壤理化性質(zhì)破壞，若不加以改良修復(fù)將難以恢復(fù)植被。采用綜合修復(fù)改良措施能夠快速修復(fù)礦區(qū)污染土壤，改善土壤環(huán)境質(zhì)量，滿足植被快速恢復(fù)需要。生態(tài)修復(fù)一年后土壤質(zhì)量由Ⅰ級(jí)下降到Ⅱ級(jí)，主要是由于部分改良修復(fù)材料和營(yíng)養(yǎng)元素流失或有效性降低，以及土壤緩慢產(chǎn)酸釋酸等綜合因素造成土壤質(zhì)量有所下降。

3 討論

礦山修復(fù)受礦區(qū)土壤環(huán)境質(zhì)量、水利條件、地形地貌、氣候環(huán)境等眾多因素的影響，其中土壤環(huán)境質(zhì)量是決定性因素。影響礦區(qū)土壤環(huán)境質(zhì)量的首要因素就是土壤理化性質(zhì)，這是植被恢復(fù)的基礎(chǔ)，其次是土壤產(chǎn)酸潛力因素。礦區(qū)土壤硫礦物含量高，產(chǎn)酸、釋酸潛力大，土壤復(fù)酸化會(huì)嚴(yán)重影響植被恢復(fù)的可持續(xù)性，另因土壤長(zhǎng)期酸化造成的重金屬污染也是抑制植物生長(zhǎng)發(fā)育的重要因素。此外，嚴(yán)重的土壤酸化和重金屬污染使健康的土壤微生物群落受到抑制，產(chǎn)酸微生物頻繁活動(dòng)，造成土壤生態(tài)功能喪失，而產(chǎn)酸微生物又是硫化物氧化酸化的重要的觸媒劑[21]，使土壤污染陷入惡性循環(huán)。本研究在充分考慮影響上述主控因素基礎(chǔ)上所選取的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系能夠表征礦區(qū)土壤環(huán)境質(zhì)量狀況。未將重金屬污染納入土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，主要是基于礦山修復(fù)以修復(fù)生態(tài)為目的，用于植被恢復(fù)的植物一般對(duì)土壤重金屬毒害并不敏感，不構(gòu)成決定性因素。其次，只有活性態(tài)的重金屬才會(huì)對(duì)植物具有生物有效性。在礦區(qū)土壤修復(fù)改良過程中，首先就是利用石灰等堿性材料調(diào)節(jié)土壤pH至中性，土壤pH提高的過程就會(huì)促進(jìn)活性態(tài)重金屬向穩(wěn)定態(tài)轉(zhuǎn)化，顯著降低重金屬的生物有效性[22]，而且原位基質(zhì)及微生物改良等措施也會(huì)進(jìn)一步降低重金屬的生物有效性[23-24]。因此，盡管重金屬污染是礦區(qū)土壤污染修復(fù)的重要內(nèi)容，但將其用于礦區(qū)土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)和指導(dǎo)生態(tài)修復(fù)則意義不大。

綜合評(píng)判結(jié)果與實(shí)際情況相符，說明兩級(jí)模糊綜合評(píng)判法能夠?qū)ΦV區(qū)土壤環(huán)境質(zhì)量的實(shí)際水平作出客觀、真實(shí)的評(píng)價(jià)。礦區(qū)排土場(chǎng)因污染嚴(yán)重，土壤質(zhì)量很差，難以滿足植被恢復(fù)需要，對(duì)礦區(qū)污染土壤進(jìn)行綜合改良修復(fù)是植被恢復(fù)的關(guān)鍵步驟，直接決定著生態(tài)修復(fù)的成敗。盡管生態(tài)修復(fù)一年后土壤環(huán)境質(zhì)量下降到Ⅱ級(jí)，但仍處于“較好”狀態(tài)，尤其是土壤pH基本維持在中性狀態(tài)，期間植被也持續(xù)恢復(fù)良好。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，因土壤酸化或持續(xù)產(chǎn)酸造成植被恢復(fù)失敗的風(fēng)險(xiǎn)多發(fā)生在植被恢復(fù)后的3～6個(gè)月，尤其是雨季期間造成的酸性廢水污染。若植被能夠持續(xù)、穩(wěn)定恢復(fù)一年，或歷經(jīng)首次雨季后依然能夠穩(wěn)定地生長(zhǎng)演替，之后基本不會(huì)造成土壤復(fù)酸化或植被恢復(fù)失敗情況。這是因?yàn)殡S著植被持續(xù)恢復(fù)，植被層和表土層的郁閉效果可以有效阻隔氧氣，土壤有益微生物可以有效抑制產(chǎn)酸微生物活動(dòng)，進(jìn)而抑制土壤深層的硫礦物持續(xù)氧化產(chǎn)酸和再次污染，同時(shí)土壤碳及養(yǎng)分循環(huán)和自凈能力也會(huì)不斷增強(qiáng)，蓄水保肥、增肥能力不斷提高。礦山修復(fù)實(shí)踐中，植被正常生長(zhǎng)演替所需的土壤環(huán)境質(zhì)量至少應(yīng)達(dá)到Ⅲ級(jí)(中等)及以上水平，否則植被恢復(fù)將不可持續(xù)。因此，考慮到礦區(qū)生態(tài)修復(fù)后半年到一年期間，土壤各項(xiàng)生態(tài)功能尚處于逐步恢復(fù)期，植被層仍處于逐步郁閉期，土壤環(huán)境質(zhì)量水平存在一個(gè)下降的過程，為確保礦區(qū)生態(tài)修復(fù)中的植被能夠快速、穩(wěn)定地恢復(fù)和可持續(xù)演替，礦區(qū)污染土壤修復(fù)改良后的質(zhì)量等級(jí)應(yīng)達(dá)到Ⅱ級(jí)(較好)及以上等級(jí)才能進(jìn)行植被恢復(fù)。

4 結(jié)論

1)選取的11項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)能夠表征礦區(qū)土壤化學(xué)性質(zhì)、產(chǎn)酸潛力、微生物群落特征，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)取值也能有效地指示礦區(qū)土壤質(zhì)量狀況。

2)AHP法通過分層建模及兩兩重要性比較計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重，簡(jiǎn)單實(shí)用且行之有效。

3)根據(jù)評(píng)判結(jié)果，排土場(chǎng)土壤環(huán)境質(zhì)量等級(jí)為Ⅴ級(jí)，整體處于“很差”狀態(tài)，綜合措施改良修復(fù)可以快速提高土壤環(huán)境質(zhì)量并達(dá)到Ⅰ級(jí)，生態(tài)修復(fù)一年后土壤環(huán)境質(zhì)量等級(jí)下降到Ⅱ級(jí)，但仍處于“較好”狀態(tài)，期間植被持續(xù)恢復(fù)良好。

4)綜合評(píng)判結(jié)果與實(shí)際情況相符，表明兩級(jí)模糊綜合評(píng)判法科學(xué)有效，能夠?yàn)榈V區(qū)生態(tài)修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。為確保植被能夠快速、穩(wěn)定地恢復(fù)和可持續(xù)演替，礦區(qū)污染土壤修復(fù)改良后的環(huán)境質(zhì)量等級(jí)應(yīng)達(dá)到Ⅱ級(jí)(較好)及以上等級(jí)才能進(jìn)行植被恢復(fù)。