礦業(yè)廢棄地復(fù)墾耕地多目標(biāo)質(zhì)量評價體系與應(yīng)用

諶凱，吳思聰張世文，陳家樂蘭鴻超繆偉偉葛暢沈強(qiáng)

1.安徽理工大學(xué)，地球與環(huán)境學(xué)院，淮南 232001

2.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，南京 210095

0 前言

土地作為人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是進(jìn)行一切生產(chǎn)建設(shè)的基本物質(zhì)條件。礦業(yè)開采給人們帶來巨大財富的同時，也給土地生態(tài)環(huán)境帶來了極大問題，為了實現(xiàn)永續(xù)利用的目的，人們往往需要對污染、破壞的土地進(jìn)行復(fù)墾。因此復(fù)墾土地的質(zhì)量受到世界范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注，復(fù)墾土地質(zhì)量評價方法和指標(biāo)體系的建立也一直是業(yè)內(nèi)研究的熱門領(lǐng)域。

國內(nèi)外眾多學(xué)者都針對復(fù)墾土地的質(zhì)量進(jìn)行了研究，并提出了許多質(zhì)量評價方法和評價指標(biāo)體系。而國內(nèi)有關(guān)復(fù)墾土地質(zhì)量的研究工作往往從土壤肥力、土壤環(huán)境質(zhì)量等單一目標(biāo)出發(fā)。如王琛、劉曙光等人選擇土壤的理化性質(zhì)，對復(fù)墾土壤的肥力進(jìn)行評價[1-2]；閆超凡等人從復(fù)墾措施及年限的角度出發(fā)，對復(fù)墾土地的質(zhì)量進(jìn)行評價[3]；聶興山、馬力陽等人針對復(fù)墾土壤中的重金屬含量，對復(fù)墾土壤的環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行了評估[4-5]。因此已有研究成果對復(fù)墾土地質(zhì)量的評價往往拘泥于單一目標(biāo)，缺少對復(fù)墾土地的多目標(biāo)評價。而復(fù)墾耕地作為復(fù)墾土地中一類特殊的用地，除上述問題外，由于其質(zhì)量受眾多因素影響，還具有綜合性、空間性、動態(tài)性、后效性和不確定性等問題。因此，針對評價對象的特殊性，建立專門的復(fù)墾耕地質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)，形成服務(wù)于礦業(yè)城市土地管理需求的定量化的復(fù)墾耕地質(zhì)量評價方法、指標(biāo)體系是十分重要的。

針對當(dāng)前研究不足，以復(fù)墾耕地為對象，提出復(fù)墾耕地質(zhì)量的多目標(biāo)評價原則，構(gòu)建多目標(biāo)評價指標(biāo)和方法體系。并以湖北省某廢棄銅礦的復(fù)墾耕地為例進(jìn)行案例分析。研究結(jié)果將為礦業(yè)廢棄地的復(fù)墾耕地質(zhì)量監(jiān)管和提升提供參考。

1 研究方法

1.1 原則

礦業(yè)廢棄地的復(fù)墾耕地是一類由于人為擾動所形成的特殊的國土資源，在時間、空間上都具有顯著的差異，且不同因素對耕地質(zhì)量的影響程度不一，評價因子選取的合適與否往往直接影響評價結(jié)果的合理性、科學(xué)性。因此評價指標(biāo)因子的選取主要遵循以下原則:(1)主導(dǎo)性原則；(2)區(qū)域性原則；(3)穩(wěn)定性原則；(4)現(xiàn)實性原則；(5)針對性原則。

1.2 評價目標(biāo)和指標(biāo)

根據(jù)《土地復(fù)墾質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)》(TD/T 1036-2013)，復(fù)墾耕地質(zhì)量的評價應(yīng)包含兩個目標(biāo)，即生產(chǎn)力評價(分目標(biāo) 1)和安全利用評價(分目標(biāo) 2)。而根據(jù)礦業(yè)廢棄地的歷史遺留特征及復(fù)墾前的資料收集，可以判定復(fù)墾耕地是否存在環(huán)境安全問題。對于存在潛在環(huán)境問題的復(fù)墾耕地，評價其質(zhì)量時應(yīng)同時對其生產(chǎn)力和環(huán)境安全狀況進(jìn)行評價，并綜合二者得到其綜合質(zhì)量評價。對于無潛在環(huán)境問題的復(fù)墾耕地，可以僅開展生產(chǎn)力的評價。具體指標(biāo)選取如表1。

1.3 復(fù)墾耕地質(zhì)量評價方法

1.3.1 生產(chǎn)力評價

本文采用土壤生產(chǎn)力指數(shù)(Productivity index，PI)對復(fù)墾耕地的生產(chǎn)力狀況進(jìn)行評價，其數(shù)值越大則復(fù)墾耕地的生產(chǎn)力越好，計算公式如式 1。并按照等間距法將復(fù)墾耕地的生產(chǎn)力劃分為5個等級，見表2。

式中:Wi為第i項生產(chǎn)力指標(biāo)的權(quán)重；Ni為第i項生產(chǎn)力指標(biāo)的隸屬度。

為保證權(quán)重系數(shù)的準(zhǔn)確性與客觀性，本文采用變異系數(shù)法確定權(quán)重，利用各指標(biāo)的變異系數(shù)占總變異系數(shù)和的比例作為權(quán)重系數(shù)，計算公式如下:

式中:Vi為第i項生產(chǎn)力指標(biāo)的變異系數(shù)。

對于概念型指標(biāo)如灌溉條件、道路通達(dá)度等，可直接用特爾菲法給出隸屬度[6-7]。對于定量化的指標(biāo)，可依照其對于生產(chǎn)力的效應(yīng)采取 S型隸屬度函數(shù)或拋物線型隸屬度函數(shù)得到隸屬度[8]。

表1 復(fù)墾耕地質(zhì)量多目標(biāo)評價指標(biāo)Table 1 Multi-objective evaluation index of the quality of reclaimed land for cultivation

(1)S型隸屬度函數(shù)

此類函數(shù)參評因子指標(biāo)值越高，作物生長效果越好，但是達(dá)到一定臨界值后效用趨于穩(wěn)定，SOM、AP、AK都符合此類函數(shù)，表達(dá)式為:

(2)拋物線型隸屬度函數(shù)

此類函數(shù)參評因子指標(biāo)值在一定范圍內(nèi)，對作物的生長效應(yīng)最好，但是超出一定范圍后效用變差，覆土層厚度、粉粘比都符合此類函數(shù)，表達(dá)式為:

表2 復(fù)墾耕地的生產(chǎn)力指數(shù)(PI)分級標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Classification standard for productivity index of reclaimed land for cultivation

1.3.2 安全利用評價

本文采用常見的單因子指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法對復(fù)墾耕地的重金屬污染狀況進(jìn)行評價。以《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(GB 15618-2018)為依據(jù)。

(1)單因子指數(shù)法

單因子指數(shù)法[9-10]一般用污染指數(shù)表示，其計算公式如下:

式中:Pi為重金屬元素i的單項污染指數(shù)；Ci為復(fù)墾耕地中重金屬元素i的實測濃度(mg·kg-1)；Si為耕地重金屬元素的環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值(mg·kg-1)。

(2)內(nèi)梅羅指數(shù)法

內(nèi)梅羅指數(shù)法通過單項污染指數(shù)中的最大值和單因子指數(shù)平均值，計算出綜合污染指數(shù)[11-13]。評價標(biāo)準(zhǔn)見表3，其計算公式如下:

式中:P綜為復(fù)墾耕地的綜合污染指數(shù)；Pimax為耕地中單項污染物的最大污染指數(shù)；為耕地中各項污染物的指數(shù)平均值。

1.3.3 綜合質(zhì)量評價

對于可能有潛在環(huán)境安全問題的復(fù)墾耕地，應(yīng)該綜合考慮生產(chǎn)力和安全生產(chǎn)兩方面對耕地質(zhì)量的影響。為了更加充分的考慮各影響因素的交互作用，本文采取灰色關(guān)聯(lián)法將其與參比耕地進(jìn)行比較。若灰色關(guān)聯(lián)度值越接近1，則表明其綜合質(zhì)量越好。其計算公式如下:

X0為參比數(shù)列，Xi=為比較數(shù)列。

對比較數(shù)列進(jìn)行均值化處理，消除量綱的影響，如式7。

由于耕地綜合質(zhì)量受各指標(biāo)的影響程度不同，因此通過變異系數(shù)法(式 2)確定權(quán)重。則關(guān)聯(lián)度ri計算公式如下:

式中:ri為比較數(shù)列Xi對參比數(shù)列X0的灰色關(guān)聯(lián)度；Wi為指標(biāo)的權(quán)重

依據(jù)《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(GB 15618-2018)以及《全國第二次土壤普查技術(shù)規(guī)程》，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)[17-19]，對參比耕地相應(yīng)指標(biāo)賦值。

2 應(yīng)用與分析

2.1 案例區(qū)概況與數(shù)據(jù)獲取

2.1.1 案例區(qū)概況

案例區(qū)位于湖北省某銅礦廢棄地，經(jīng)過多年的礦產(chǎn)開采，對當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重的破壞。該廢棄銅礦復(fù)墾耕地總面積0.21 km2。復(fù)墾工作完成于2014年，采用預(yù)防與控制措施、工程技術(shù)措施和生物化學(xué)措施相結(jié)合的方法，復(fù)墾方向主要為耕地。案例區(qū)處于低山丘陵地區(qū)，整個案例區(qū)地勢呈現(xiàn)西南部高，東北部低。具有亞熱帶大陸性季風(fēng)氣候特征。案例區(qū)所在地區(qū)的地帶性土壤類型主要為黃棕壤。

2.1.2 評價指標(biāo)選取

除表1中的必選指標(biāo)外，綜合考慮案例區(qū)在復(fù)墾前所屬礦種、其伴生礦的實際情況以及復(fù)墾的相關(guān)措施，本文將可選指標(biāo)中的道路通達(dá)度、灌溉保證率、Cd、Cu、Pb、As、Zn、Hg也一并納入評價過程，以確保評價的準(zhǔn)確性和全面性。

2.1.3 數(shù)據(jù)獲取

采用網(wǎng)格和隨機(jī)布點相結(jié)合的采樣方法，以案例區(qū)為底圖，在 ArcGIS10.2軟件里網(wǎng)格布點，網(wǎng)格大小50 m×50 m，共布設(shè)84個，根據(jù)復(fù)墾措施、復(fù)墾方向進(jìn)行抽樣，最終獲得采樣點16個。SOM、AK、AP、粉粘比參考《土壤檢測》(NY/T 1121-2006)系列標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測定。結(jié)合采礦背景、相關(guān)前期調(diào)查材料分析，選擇存在潛在環(huán)境污染風(fēng)險的Cd、Pb、Cu、Zn、As進(jìn)行研究。Cd、Pb參考《土壤質(zhì)量鉛、鎘的測定 石墨爐原子吸收分光光度法》(GB/T 17141-1997)，采用石墨爐原子吸收分光光度法測定；Cu和Zn參考《土壤質(zhì)量 銅、鋅的測定 火焰原子吸收分光光度法》(GB/T 17138)，采用火焰原子吸收分光光度法測定；As、Hg參考《土壤和沉積物汞、砷、硒、鉍、銻的測定微波消解/原子熒光法》(HJ 680—2013)，采用微波消解/原子熒光法測定。野外取樣的同時，調(diào)查采樣點的覆土厚度、道路通達(dá)度、灌溉保證率。

表3 復(fù)墾耕地污染分級標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Classification standard for pollution of reclaimed land for cultivation

2.2 轉(zhuǎn)折點的確定

對于SOM、AP、AK，選擇S型隸屬度函數(shù)；對于覆土厚度、粉粘比，選擇拋物線型隸屬度函數(shù)，同時參照現(xiàn)有相關(guān)研究結(jié)果[20-22]與《全國第二次土壤普查技術(shù)規(guī)程》，確定隸屬度函數(shù)中各轉(zhuǎn)折點的相應(yīng)取值，如表4:

2.3 評價結(jié)果

2.3.1 生產(chǎn)力評價

利用 SPSS24.0軟件對各項生產(chǎn)力指標(biāo)進(jìn)行描述性統(tǒng)計，結(jié)果如表5。

變異系數(shù)可以用于表征耕地生產(chǎn)力性質(zhì)的變異程度。從變異系數(shù)上來看，SOM、AP的變異系數(shù)大于 40%，均為中等變異，其中 AP的變異系數(shù)最大，為 92%，遠(yuǎn)高于其他生產(chǎn)力指標(biāo)。這是由于磷在土壤中的遷移性小且在復(fù)墾過程中磷的施入情況不同，因而導(dǎo)致其空間分布不均。參照《全國第二次土壤普查技術(shù)規(guī)程》，AK含量處于中等水平，SOM和AP含量處于較低水平。

平均隸屬度越大，所反映的單一指標(biāo)的生產(chǎn)力水平越高[23]。從表1中可以看出，SOM的平均隸屬度最小，僅為 0.1；AP、AK 次之，均不足 0.5；而灌溉保證率、粉粘比、覆土厚度的平均隸屬度均大于0.5，這表明復(fù)墾工作完成后，相關(guān)的農(nóng)田配套設(shè)施在一段時間內(nèi)都可以滿足生產(chǎn)需要，而土壤理化性質(zhì)則會由于缺少人為的監(jiān)管逐漸低于生產(chǎn)的要求，因此在復(fù)墾結(jié)束后的利用過程中應(yīng)該注意土壤理化性質(zhì)的監(jiān)測和改善。

結(jié)合復(fù)墾耕地生產(chǎn)力指數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)(表2)，采用普通克里格插值法繪制出案例區(qū)復(fù)墾耕地生產(chǎn)力狀況的分布圖(圖1)。從整體來看，案例區(qū)耕地生產(chǎn)力處于中等水平，16個采樣點的耕地生產(chǎn)力指數(shù)屬較差、中等的比例分別為25%、75%。其中，屬較低的采樣點存在AP偏小或SOM偏小的問題，從而制約了案例區(qū)耕地的生產(chǎn)力。以西南至東南方向的連線為界，界線以北地區(qū)的耕地生產(chǎn)力總體上高于界線以南地區(qū)，這種分布趨勢主要與采樣點距儲水區(qū)的距離相關(guān)。且該趨勢與SOM與AK的分布趨勢較為一致，說明灌溉保證率、SOM與AK對案例區(qū)耕地生產(chǎn)力的影響較大；從局部來看，耕地生產(chǎn)力指數(shù)最高的區(qū)域主要分布在南部及西北部。南部的耕地生產(chǎn)力指數(shù)較高主要與該地區(qū) SOM 含量較高有關(guān)，其貢獻(xiàn)率平均在0.15以上。西北部的耕地生產(chǎn)力指數(shù)則主要與 AK 和粉粘比較大有關(guān)，其二者貢獻(xiàn)率之和最大可達(dá)到0.31。

表4 指標(biāo)轉(zhuǎn)折點Table 4 Turning point of indicators

表5 復(fù)墾耕地生產(chǎn)力指標(biāo)描述性統(tǒng)計Table 5 Descriptive statistics of productivity indicators for reclaimed land for cultivation

圖1 耕地生產(chǎn)力空間分布圖Figure 1 Spatial distribution map of productive power of cultivated land

2.3.2 安全利用評價

利用SPSS24.0軟件對各項安全利用指標(biāo)進(jìn)行描述性統(tǒng)計分析，各重金屬的Pi和P綜評價結(jié)果見表6。

從變異系數(shù)來看，案例區(qū)耕地中各重金屬的變異系數(shù)均已超過15%，其中Hg、Cd、Cu、As的變異系數(shù)集中在 40%，為中等變異，耕地重金屬變異系數(shù)表現(xiàn)出的整體特征在一定程度上說明了歷史遺留礦業(yè)廢棄地復(fù)墾耕地的突變性。其原因主要是案例區(qū)內(nèi)不同復(fù)墾地塊受采礦活動所導(dǎo)致的損毀程度不同，且在復(fù)墾過程中所采用的復(fù)墾措施也有所差異。

塊基比 C0/(C0+C1)即塊金值與基臺值的比值，一般可以用其衡量變量的空間相關(guān)性，比值越大，則空間相關(guān)性越弱。從C0/(C0+C1)可看出，除Cr以外，其余重金屬的塊基比均大于 75%，為弱空間相關(guān)性，表明礦業(yè)廢棄地復(fù)墾耕地重金屬的空間變異性主要是由人為因素引起的[24]。進(jìn)一步說明了對礦業(yè)廢棄地復(fù)墾耕地的質(zhì)量評價應(yīng)該綜合覆土厚度等復(fù)墾措施。

從Pi來看，As的污染最為嚴(yán)重，Pi值為 2.15，是該案例區(qū)的主要污染因子。其余重金屬的Pi值均小于1，未對案例區(qū)造成明顯污染，但其中的Cu和Zn的Pi值已超過0.8。案例區(qū)的平均P綜為1.64，屬于輕度污染。為了實現(xiàn)長期安全生產(chǎn)的目的，可以在案例區(qū)內(nèi)種植一些超富集植物對 As、Cu、Zn的污染進(jìn)行控制。結(jié)合復(fù)墾耕地污染分級標(biāo)準(zhǔn)(表3)，通過 ArcGIS10.2軟件繪制出耕地重金屬空間分布圖，如圖2。

從整體來看，案例區(qū)耕地重金屬污染處于輕度污染水平，16個采樣點的P綜中屬于輕度污染的占75%。以儲水區(qū)為界，界線以南區(qū)域的重金屬污染程度總體上小于界線以北地區(qū)。從空間分布的局部特征來看，西北角的重金屬污染最為嚴(yán)重，東北區(qū)域的污染次之，這與耕地中As、Cd和Cu含量的分布趨勢一致，這表明案例區(qū)復(fù)墾耕地的重金屬污染主要是由這三種重金屬造成。

圖2 耕地綜合污染指數(shù)空間分布圖Figure 2 Spatial distribution map of comprehensive pollution index of cultivated land

表6 耕地重金屬含量描述性統(tǒng)計Table 6 Descriptive statistics of heavy metals in cultivated land

2.3.3 耕地綜合質(zhì)量評價

灰色關(guān)聯(lián)度可以比較真實、客觀地反應(yīng)出被評價的耕地與參比耕地之間的差異，從而克服難以充分考慮各指標(biāo)的交互作用對綜合質(zhì)量的影響這一問題。其值越接近1，表明被評價復(fù)墾耕地與參比耕地的相似程度越高，反之越低。利用SPSS24.0軟件，由式(2)計算得到各指標(biāo)的權(quán)重(表7)。并由式(7)—(9)得到各采樣點的關(guān)聯(lián)度，通過ArcGIS10.2軟件對其進(jìn)行普通克里格插值得到空間分布圖。如圖3。

由圖3可知，案例區(qū)復(fù)墾耕地與參比耕地的關(guān)聯(lián)度值均大于 0.75，平均關(guān)聯(lián)度值為 0.82，與參比耕地質(zhì)量差異較小。其中西南部區(qū)域相似度最高，其次為西北與東南部，最后為東北部。案例區(qū)關(guān)聯(lián)度僅在0.75—0.84之間波動，區(qū)內(nèi)耕地質(zhì)量差異無明顯差異。關(guān)聯(lián)度空間分布格局與耕地生產(chǎn)力呈空間正相關(guān)，與安全利用呈空間負(fù)相關(guān)?；谂c參比耕地的灰色關(guān)聯(lián)度分析可以很好地反映復(fù)墾耕地綜合質(zhì)量狀況[26-28]。

3 結(jié)論與討論

針對廢棄復(fù)墾耕地，建立多目標(biāo)質(zhì)量評價體系，并以湖北省某廢棄銅礦的復(fù)墾耕地為案例區(qū)，實現(xiàn)案例區(qū)的復(fù)墾耕地質(zhì)量評價。

(1)在考慮礦業(yè)廢棄地的實際情況下，從復(fù)墾耕地的生產(chǎn)力、安全生產(chǎn)兩個目標(biāo)出發(fā)，借助于多方法相結(jié)合，構(gòu)建了礦業(yè)廢棄地復(fù)墾耕地的質(zhì)量評價體系，實現(xiàn)了廢棄地復(fù)墾耕地質(zhì)量多目標(biāo)評價。

(2)案例區(qū)耕地生產(chǎn)力總體呈中等水平，生產(chǎn)力水平相對較好的地塊主要分布在區(qū)域的南部和北部，水平較差的地塊主要集中在西南區(qū)域，SOM 和 AP的含量是主要的制約因素，今后應(yīng)增施有機(jī)肥和磷肥以維持生產(chǎn)力。

(3)該案例區(qū)的安全利用狀況在全區(qū)范圍內(nèi)差異較小，As是制約安全生產(chǎn)的主要因素，可額外種植超富集植物對其進(jìn)行控制；從案例區(qū)耕地綜合質(zhì)量與參比耕地質(zhì)量的關(guān)聯(lián)度來看，平均關(guān)聯(lián)度為 0.82，與參比耕地較為接近。且關(guān)聯(lián)度與生產(chǎn)力的空間格局具有一致性，表明耕地生產(chǎn)力對耕地質(zhì)量的影響較大。

(4)本研究考慮了不同目標(biāo)下復(fù)墾耕地的土壤質(zhì)量，并利用灰色關(guān)聯(lián)法對復(fù)墾耕地的質(zhì)量進(jìn)行了綜合評價，豐富和完善了當(dāng)前的復(fù)墾土地質(zhì)量評價體系和評價方法。但本文僅以湖北某廢棄銅礦復(fù)墾項目作為案例進(jìn)行研究，后續(xù)需要進(jìn)一步結(jié)合其他地區(qū)的復(fù)墾耕地進(jìn)行驗證評價，以表明該評價體系的普適性；在評價復(fù)墾耕地質(zhì)量時，只進(jìn)行了現(xiàn)狀分析，缺少各時間段土壤質(zhì)量的對比分析研究，建議收集相關(guān)地區(qū)多年土壤數(shù)據(jù)，進(jìn)一步評價土壤質(zhì)量的發(fā)展趨勢；同時，為了更好的評價復(fù)墾耕地質(zhì)量的可持續(xù)性，可以從能量效率角度和熱動力學(xué)角度出發(fā)，選取能量效率和熵作為指標(biāo)[34]，使評價體系更加全面、科學(xué)。

表7 耕地綜合質(zhì)量評價指標(biāo)權(quán)重Table 7 Weighs of evaluation index for comprehensive quality of cultivated land

圖3 關(guān)聯(lián)度空間分布圖Figure 3 Spatial distributions map of grey relevance