基于組合權(quán)重評(píng)價(jià)法的水土流失損毀地生態(tài)修復(fù)評(píng)價(jià)研究

胡慶武

(遼寧省朝陽(yáng)水文局，遼寧 朝陽(yáng) 122000)

“十三五”生態(tài)規(guī)劃綱要指出，“多階段、多領(lǐng)域、多類型生態(tài)環(huán)境問(wèn)題交織，生態(tài)環(huán)境與人民群眾需求和期待差距較大，提高環(huán)境質(zhì)量，加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境綜合治理，加快補(bǔ)齊生態(tài)環(huán)境短板，是當(dāng)前核心任務(wù)?！贬槍?duì)各類損毀地的生態(tài)修復(fù)是現(xiàn)實(shí)的需要，是建設(shè)生態(tài)友好型社會(huì)的需要，符合國(guó)家生態(tài)環(huán)境建設(shè)大戰(zhàn)略[1]。遼寧省范圍內(nèi)，人為因素造成的損毀地多集中于礦產(chǎn)資源開發(fā)等生產(chǎn)建設(shè)活動(dòng)[2]。生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目建設(shè)和生產(chǎn)中都有可能形成損毀地，生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目廣泛分布于城鎮(zhèn)、農(nóng)村，尤其是城鄉(xiāng)結(jié)合部。較集中的有鞍山市的鐵礦開采、營(yíng)口市的菱鎂礦開采、阜新市的煤礦開采，還有各地的采石場(chǎng)、公路鐵路建設(shè)，風(fēng)電、光伏電的分布更加廣泛[3]。生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目的廣泛分布，形成了損毀地分布廣、碎片化的特點(diǎn)，其生態(tài)系統(tǒng)組成與結(jié)構(gòu)發(fā)生了急劇退化，水土流失十分嚴(yán)重，對(duì)周圍的生態(tài)環(huán)境有著極大的負(fù)作用，嚴(yán)重影響著社會(huì)與經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)性發(fā)展[4]。生態(tài)評(píng)價(jià)的常用方法有統(tǒng)計(jì)學(xué)方法、模糊綜合評(píng)價(jià)法、灰色關(guān)聯(lián)度發(fā)、壓力-裝土-響應(yīng)框架模型法、集合論法、層次分析法等[5-11]。但考慮單一權(quán)重方法的生態(tài)修復(fù)評(píng)價(jià)方法往往不能體現(xiàn)各指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)程度，存在一定的局限，為此本文采用組合權(quán)重分析方法，建立水土流失損毀地生態(tài)修復(fù)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，對(duì)遼寧地區(qū)水土流失損毀地生態(tài)修復(fù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，并對(duì)其修復(fù)效益進(jìn)行定量評(píng)估，研究結(jié)果對(duì)于水土水土流失損毀地生態(tài)修復(fù)方案制定具有重要參考價(jià)值。

1 研究方法

收集整理水土流失損毀地基礎(chǔ)資料，包括項(xiàng)目建設(shè)類型、地形地貌、地質(zhì)條件、土地利用類型、擾動(dòng)范圍、植被恢復(fù)等基本情況，結(jié)合區(qū)域氣候、水資源情況，研究其生態(tài)修復(fù)技術(shù)，并采用組合權(quán)重分析的方式對(duì)其生態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 生態(tài)修復(fù)技術(shù)路線

組合權(quán)重分析的方法為：設(shè)ωoi和ωsi分別是xi的主觀權(quán)重(AHP權(quán)重)和客觀權(quán)重(RS權(quán)重)，ωi為兩者的組合權(quán)重：

(1)

式中，0≤ωoi≤1，0≤ωsi≤1(i=1，2，…，m)采用線性加權(quán)組合法來(lái)確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，在可行域Ω上，此最優(yōu)化模型有唯一解：

ωi=μωsi+(1-μ)ωoi

(2)

組合權(quán)重主要需要確定主、客觀權(quán)重的加權(quán)系數(shù)μ。當(dāng)各權(quán)重指標(biāo)具有一致的排序時(shí)，加權(quán)系數(shù)μ取值可為0.5。反之不一致時(shí)加權(quán)系數(shù)采用黃金分割數(shù)進(jìn)行確定，取值為0.618。當(dāng)實(shí)際情況與客觀權(quán)重較為相似時(shí)，表明主觀權(quán)重存在較大經(jīng)驗(yàn)主觀程度，因此其參考價(jià)值相對(duì)較小，則取μ=0.382。根據(jù)RS-AHP組合權(quán)重，與各個(gè)因素實(shí)測(cè)值的乘積和，計(jì)算出植物種各配置的優(yōu)劣，為區(qū)域損毀地生態(tài)修復(fù)植物種選擇提供依據(jù)。

2 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

根據(jù)水土流失損毀地實(shí)際情況，生態(tài)安全角度出發(fā)的生態(tài)健康指標(biāo)體系，指標(biāo)選取應(yīng)遵循科學(xué)性和客觀性，實(shí)用性和可操作性，指標(biāo)的相對(duì)獨(dú)立性，動(dòng)態(tài)的可比性原則。本研究選取抗蝕性指標(biāo)四項(xiàng)(水穩(wěn)性團(tuán)聚體、微團(tuán)聚體團(tuán)聚度、根-土復(fù)合體殘余抗剪性)，肥力指標(biāo)4項(xiàng)(土壤有機(jī)質(zhì)、速效N、速效K、速效P)，植被生長(zhǎng)狀況指標(biāo)4項(xiàng)(地上生物量、綠化保存率、種群豐度、植被覆蓋率)進(jìn)行層次分析法分析，見表1。這12個(gè)指標(biāo)也作為粗糙集評(píng)價(jià)指標(biāo)，同時(shí)為近兩年實(shí)測(cè)指標(biāo)。一是這些指標(biāo)涵蓋了生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目生態(tài)修復(fù)中土壤、植被的相關(guān)指標(biāo)，能客觀真實(shí)的反應(yīng)不同植物種配置生態(tài)修復(fù)表現(xiàn)的優(yōu)劣；二是這些指標(biāo)也是本研究近年來(lái)對(duì)遼西地區(qū)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目生態(tài)修復(fù)有關(guān)試驗(yàn)客觀數(shù)據(jù)，實(shí)用性強(qiáng)。

表1 評(píng)價(jià)指標(biāo)表

3 評(píng)價(jià)指標(biāo)的確定

3.1 水穩(wěn)性團(tuán)聚體、微團(tuán)聚體團(tuán)聚度

粒徑0.5、0.25mm以上的水穩(wěn)性團(tuán)聚體團(tuán)粒含量與該粒級(jí)風(fēng)干狀態(tài)下水穩(wěn)性團(tuán)聚體團(tuán)粒含量的比率與侵蝕效應(yīng)相對(duì)應(yīng)，此粒徑的水穩(wěn)性團(tuán)粒風(fēng)干率成為衡量抗蝕性的重要指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)儀器采用土壤團(tuán)粒分析儀。兩份100g土樣分別做風(fēng)干狀態(tài)與毛管飽和狀態(tài)下土粒分析。用6%H2O2和NaPO3處理濕篩法土樣，去除有機(jī)物等，過(guò)2.0、1.0、0.50、0.25、0.106篩， 干篩過(guò)同樣孔徑的篩。計(jì)算水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量和微團(tuán)聚體團(tuán)聚度公式分別為：

(3)

(4)

3.2 根-土復(fù)合體剪切力

使用ELE26-2114/04型號(hào)剪切儀，將采集的直剪環(huán)刀(61.8mm×20.0mm)在不同垂直壓力(50、100、150、200kPa)下，剪切速率為0.8mm/min。環(huán)刀加水浸泡24h至完全飽和，施加剪切力進(jìn)行不固結(jié)不排水快剪試驗(yàn)測(cè)定土壤抗剪強(qiáng)度。剪應(yīng)力按下式計(jì)算：

τ=C·R

(5)

式中，τ—剪應(yīng)力，kPa；C—測(cè)力計(jì)率定系數(shù)，kPa/0.01mm；R—測(cè)力計(jì)讀數(shù)，0.01mm。

3.3 土壤侵蝕模數(shù)

采取簡(jiǎn)易水土流失觀測(cè)場(chǎng)法。布設(shè)樣地規(guī)格為2m×2m。在每個(gè)選取的小區(qū)坡面打入監(jiān)測(cè)釬以測(cè)定土壤侵蝕厚度(監(jiān)測(cè)釬長(zhǎng)10～50cm)測(cè)釬順坡長(zhǎng)邊每1m一排，數(shù)量根據(jù)小區(qū)實(shí)際情況確定，測(cè)釬垂直地面打入，地面外保留5～15cm，涂上油漆后編號(hào)登記上冊(cè)，如圖2所示。

圖2 簡(jiǎn)易水土流失觀測(cè)場(chǎng)法布置圖

每年9月監(jiān)測(cè)測(cè)釬露出地面的高度，記錄下來(lái)，用后一次測(cè)量結(jié)果減去前一年測(cè)量結(jié)果，得出差值，采用算術(shù)平均法計(jì)算測(cè)釬的平均出露高度，再乘以小區(qū)面積，即得出侵蝕量，再乘以土(巖體)容重計(jì)算每平方米水平面積侵蝕量。采用以下公式計(jì)算：

(6)

式中，A—土壤侵蝕量，m3；Z—侵蝕厚度，mm；S—水平投影面積，m2。

可在平坦地段設(shè)置對(duì)照觀測(cè)或應(yīng)用沉降率計(jì)算沉降高度。若測(cè)釬不與土體同時(shí)沉降，則實(shí)際侵蝕厚度計(jì)算公式如下：

Z=Z0-β

(7)

式中，Z—侵蝕厚度，mm；Z0—觀測(cè)值，mm；β—沉降高度，mm。

3.4 植物豐度

植物豐度是指群落內(nèi)物種數(shù)目的多少，采用Margalef豐富度指數(shù)，數(shù)值越大說(shuō)明其結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，抵抗力穩(wěn)定性越大。公式如下：

(8)

式中，S—各樣點(diǎn)植物種數(shù)；N—各采樣點(diǎn)所有物種總數(shù)。

3.5 其他指標(biāo)

土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法測(cè)定。速效N、總N、總P、總K采用連續(xù)流動(dòng)分析儀進(jìn)行測(cè)定，土壤容重、含水量采用100mm3環(huán)刀取樣，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)定。

4 實(shí)例分析

4.1 指標(biāo)確定

4.1.1表層土壤侵蝕模數(shù)

試驗(yàn)地點(diǎn)選擇在建平小塘第一鐵礦、北票龍?zhí)多l(xiāng)前井子鐵礦、朝陽(yáng)縣大廟一鐵礦3處排巖場(chǎng)堆積損毀地，布設(shè)簡(jiǎn)易徑流小區(qū)，布置在排巖場(chǎng)邊坡。插釬法計(jì)算土壤表層體積流失量，用環(huán)刀法測(cè)定土壤干容重，進(jìn)而推算出生態(tài)修復(fù)后土壤侵蝕模數(shù)。選擇在排巖場(chǎng)邊坡布置觀測(cè)場(chǎng)主要考慮地形有坡度，土壤表面下降會(huì)比平臺(tái)明顯，適于插釬法，便于對(duì)測(cè)釬的測(cè)量。同時(shí)，簡(jiǎn)易觀測(cè)場(chǎng)也容易長(zhǎng)時(shí)間保留，能保證數(shù)據(jù)的連續(xù)性。

圖3 土壤侵蝕模數(shù)逐年變化表

土壤侵蝕模數(shù)逐年變化情況如圖3所示。通過(guò)插釬法計(jì)算侵蝕模數(shù)，可以很直觀的反應(yīng)出生態(tài)修復(fù)5年來(lái)，土壤表層水土流失變化情況。其中2015年為干旱年，排巖場(chǎng)侵蝕模數(shù)在整體趨勢(shì)中偏低，尾礦庫(kù)侵蝕模數(shù)在整體趨勢(shì)中變化不明顯，這與尾礦庫(kù)水不外流、風(fēng)蝕的影響更大有關(guān)。侵蝕模數(shù)大體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，說(shuō)明采取生態(tài)修復(fù)措施以后，侵蝕模數(shù)明顯變小，土壤侵蝕強(qiáng)度減弱，進(jìn)而大大的減少了水土流失量。

4.1.2土壤肥力

(1)有機(jī)質(zhì)、速效N、速效P、速效K

試驗(yàn)地選擇在朝陽(yáng)縣大廟一鐵礦排巖場(chǎng)，取0～20cm、20～40cm深土樣，測(cè)定生態(tài)修復(fù)5年以后有機(jī)質(zhì)、速效N、速效P、速效K的含量，與原土源土做對(duì)比分析，見表2。各養(yǎng)分指標(biāo)速效N、速效P、速效K在生態(tài)修復(fù)基質(zhì)土，與土源含量大致處于同一個(gè)水平。這是因?yàn)殡S著植被的恢復(fù)和生長(zhǎng)，植被對(duì)土壤養(yǎng)分中N、P、K含量的影響逐漸增大，客土、原土栽植方式的差別越來(lái)越小。有機(jī)質(zhì)含量在0.05水平上顯著，表明生態(tài)修復(fù)以后，基質(zhì)中有機(jī)質(zhì)含量增加明顯。

表2 客土、原土土壤養(yǎng)分含量

(2)土壤有機(jī)質(zhì)

土壤有機(jī)質(zhì)是土壤固相部分的重要組成成分，也是損毀地生態(tài)修復(fù)后植物營(yíng)養(yǎng)的主要來(lái)源，土壤有機(jī)質(zhì)能促進(jìn)植物的生長(zhǎng)，促進(jìn)土壤微生物的活動(dòng)，并改善土壤理化性質(zhì)，提高土壤的保肥性，有研究表明在一定范圍內(nèi)土壤有機(jī)質(zhì)含量與土壤肥力水平呈正相關(guān)。試驗(yàn)地位于建平小塘第一鐵礦排巖場(chǎng)，朝陽(yáng)龍生鐵選礦的尾礦庫(kù)、北票婁家店源豐鐵選礦，生態(tài)修復(fù)措施為覆土綠化，綠化植被為刺槐、紫穗槐、沙打旺和沙棘。本實(shí)驗(yàn)的目的是逐年跟蹤測(cè)定不同綠化植物種對(duì)土壤基質(zhì)有機(jī)質(zhì)含量變化影響情況，為損毀地生態(tài)修復(fù)提供植物種質(zhì)方面依據(jù)。

圖4 有機(jī)質(zhì)含量變化

有機(jī)質(zhì)含量變化如圖4所示，從圖4可以看出土壤有機(jī)質(zhì)在逐年增加，由于覆土土源的差異性，初始土壤有機(jī)質(zhì)含量有差別。試驗(yàn)植物種為刺槐、紫花苜蓿、沙棘和紫穗槐，生態(tài)修復(fù)以后土壤有機(jī)質(zhì)逐年均有所增加。土壤有機(jī)質(zhì)的增加一是植被枯落物，二是植物根系。豆科的紫花苜蓿對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的增加最為顯著。從增加程度分析，紫花苜蓿>刺槐>紫穗槐>刺槐。根據(jù)一些文獻(xiàn)研究表明，植被對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的增加的貢獻(xiàn)是曲線增加，最后接近水平線。本研究測(cè)定的數(shù)據(jù)為生態(tài)修復(fù)的初始5年，隨著植被的生長(zhǎng)，有機(jī)質(zhì)呈現(xiàn)線性增加有其合理性。

4.1.3生長(zhǎng)量

分別于2015、2016、2017、2018、2019年進(jìn)行植物生長(zhǎng)量及保存率調(diào)查，遼西地區(qū)試驗(yàn)樹種為沙棘、紫穗槐和檸條。其中沙棘布置兩種實(shí)驗(yàn)，一是排巖場(chǎng)覆土栽植沙棘，一是尾礦庫(kù)原基質(zhì)栽植沙棘。不同植物株高調(diào)查情況見表3。不同植物冠幅調(diào)查情況見表4。

表3 不同植物株高調(diào)查表 單位：cm

表4 不同植物冠幅調(diào)查表 單位：cm

在不同生態(tài)修復(fù)措施下各試驗(yàn)樹種具有不同變化特征的株高，逐年呈現(xiàn)整體遞增變化。植物樹種受覆土措施影響具有較為明顯的促進(jìn)作用，差異顯著水平較大。除紫穗槐外其他樹種隨時(shí)間變化差異程度逐步減小，各樹種栽種3年后生長(zhǎng)量遞增趨勢(shì)不顯著。

4.2 粗糙集分析

以X1—X12作為條件屬性C，決策屬性D=j5i0abt0b，屬性置域V={0，1，2}，其中0代表生態(tài)修復(fù)各生態(tài)指標(biāo)狀況良好、1代表一般，2代表較差。依據(jù)實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)的遼寧地區(qū)10個(gè)生態(tài)修復(fù)模式2017、2018年數(shù)據(jù)，取這兩年數(shù)據(jù)的平均值，應(yīng)用粗糙集分析軟件將各指標(biāo)屬性離散化為{0，1，2}，得到生態(tài)修復(fù)生態(tài)指標(biāo)決策，各指標(biāo)離散值見表5。根據(jù)條件屬性和決策屬性對(duì)論域進(jìn)行分類，得到一級(jí)指標(biāo)對(duì)二級(jí)指標(biāo)的依賴度，計(jì)算二級(jí)指標(biāo)的重要性，對(duì)屬性重要程度做歸一化處理，得到各個(gè)指標(biāo)的客觀權(quán)重，見表6。

表5 生態(tài)修復(fù)植物配置各指標(biāo)屬性離散

表6 粗糙集指標(biāo)權(quán)重

4.3 組合權(quán)重分析

組合權(quán)重主要需要確定主、客觀權(quán)重的加權(quán)系數(shù)μ。當(dāng)各權(quán)重指標(biāo)具有一致的排序時(shí)，加權(quán)系數(shù)取值可為0.5。反之不一致時(shí)加權(quán)系數(shù)采用黃金分割數(shù)進(jìn)行確定，取值為0.618。當(dāng)實(shí)際情況與客觀權(quán)重較為相似時(shí)，表明主觀權(quán)重存在較大經(jīng)驗(yàn)主觀程度，因此其參考價(jià)值相對(duì)較小，則加權(quán)系數(shù)取值為0.382。

通過(guò)組合權(quán)重結(jié)果分析，見表7，遼寧地區(qū)水土流失損毀地生態(tài)修復(fù)各指標(biāo)中植被覆蓋率、地上生物量、土壤有機(jī)質(zhì)和微團(tuán)聚體團(tuán)聚度為生態(tài)主要指標(biāo)。將2017年、2018年12個(gè)指標(biāo)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)平均值，與組合權(quán)重求乘積和，得出遼西植物種或植物配置、植物重建生態(tài)效果排序。

表7 組合權(quán)重分析結(jié)果

分析遼寧地區(qū)生態(tài)修復(fù)各植物種配置優(yōu)劣，從抗蝕性指標(biāo)分析，沙打旺、紫穗槐、刺槐×檸條、楊樹×檸條、刺槐為最優(yōu)，說(shuō)明這5種配置的植物在增加土壤團(tuán)聚體、減少表層水土流失、根系固土方面表現(xiàn)良好。從土壤養(yǎng)分角度分析，紫花苜蓿和紫穗槐顯著增加了土壤的有機(jī)質(zhì)，其余配置增加不顯著。所有配置對(duì)速效N、速效K、速效P減少或增加不明顯，對(duì)比分析土壤肥力指標(biāo)結(jié)論，植被逐年生長(zhǎng)過(guò)程中，植被自身對(duì)養(yǎng)分的需求的變化、降水的淋溶、微生物和礦物質(zhì)的理化作用，都影響了速效N、速效K、速效P逐年變化的規(guī)律性提取。從植被生長(zhǎng)狀況指標(biāo)分析，紫穗槐、沙打旺、刺槐×沙棘、刺槐×檸條為最優(yōu)，灌草被對(duì)地表覆蓋較好，植物豐度也較高，保存率較高，生物量偏低，這與現(xiàn)實(shí)中人類認(rèn)知一致，灌草總能優(yōu)先于喬木覆蓋地面，灌草也弱于喬木對(duì)林下其他植被的生長(zhǎng)抑制。

基于組合的生態(tài)綜合分析評(píng)價(jià)，遼寧地區(qū)生態(tài)修復(fù)各植物種配置綜合優(yōu)劣排序?yàn)樽纤牖?沙打旺>沙棘>刺槐>刺槐×沙棘>刺槐×檸條>臭椿>楊樹×檸條>楊樹×沙棘>楊樹，從生態(tài)健康評(píng)價(jià)結(jié)果來(lái)看，紫穗槐，沙打旺，沙棘，刺槐評(píng)價(jià)等級(jí)為優(yōu)，楊樹×檸條、楊樹×沙棘、楊樹為劣，其他為一般。紫穗槐和沙棘為灌木，沙打旺為草本，刺槐為喬木，這四種植物表現(xiàn)最優(yōu)，調(diào)查表明，損毀地生態(tài)修復(fù)中，這四種植物實(shí)施面積也最大，評(píng)價(jià)結(jié)果與調(diào)查實(shí)際結(jié)果相符合，也與這四種植物的耐旱、耐瘠薄的特性相符合。遼寧地區(qū)水土流失損毀地生態(tài)修復(fù)應(yīng)以這四種植物為首先植物。

5 主要結(jié)論

(1)在進(jìn)行生態(tài)修復(fù)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重加權(quán)組合分析時(shí)，當(dāng)各權(quán)重指標(biāo)具有一致的排序時(shí)，建議加權(quán)系數(shù)取值為0.5，反之不一致時(shí)，加權(quán)系數(shù)按照黃金分割數(shù)進(jìn)行確定，取值可為0.618。

(2)遼寧地區(qū)水土流失損毀地生態(tài)修復(fù)建議紫穗槐，沙打旺，沙棘，刺槐這四種植物作為首選植物，這四種植物與遼寧地區(qū)耐旱、耐瘠薄的特性相符合。

(3)在后續(xù)研究中需要建立一種更客觀、更科學(xué)的，包括經(jīng)濟(jì)林果模式、復(fù)耕模式在內(nèi)的，損毀地治理的前期人力、物力投入及維護(hù)投入等經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和社會(huì)指標(biāo)的生態(tài)修復(fù)綜合評(píng)價(jià)體系。