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程睿
(深圳市如茵生态环境建设有限公司，广东 深圳 518057)
矿产资源是发展国民经济、国防军工及高新科技等不可或缺的重要基础材料和战略物资，但大规模的矿产资源开发往往导致生态破坏、土壤退化、环境污染等一系列问题[1]。十八大以来,“绿水青山就是金山银山”的“两山”理念日益深入人心。开展矿山修复，推进矿区复垦，成为践行“两山”理念，建设绿色矿山的重要途径。当前，中国矿山总体复垦率仅20%左右，远低于欧美发达国家80%左右的水平[2-3]，矿山修复工作不仅任务艰巨，而且还普遍面临污染严重等治理难题。实践表明，矿山修复的首要任务就是修复污染，其次是改善土壤理化性质，重构土壤微生态系统，最终恢复多样性的植被群落。近年，国内学者对矿区土壤改良修复技术的研究颇多[4-5]，但针对矿山修复前后土壤环境质量综合评价方面的研究较少，缺乏适用的评价指标体系和评价方法[6]。土壤作为有机、无机相结合的复杂综合体，其环境质量属于模糊概念，具有渐变性和模糊性[7]，各等级间界限不明显，分级标准不确定。目前常用的土壤质量评价方法有单因子指数法、综合指数法、层次分析法(AHP)、模糊综合评判法等。其中，模糊综合评判法是通过建立隶属函数在闭区间内的连续取值进行评价，充分考虑了土壤质量等级之间过渡的模糊性，其评价结果更为客观。近年来，将模糊综合评判法用于土壤质量评判的研究较多[8-9]，但用于矿区土壤质量综合评判的报道则较少。本研究以永平铜矿南部排土场为研究对象，采用两级模糊综合评价模型对土壤环境质量进行整体评价，旨在为矿区土壤修复和植被恢复提供科学依据。
1.1 研究区概况
永平铜矿位于江西省上饶市铅山县永平镇，属大型铜硫综合矿床。矿区面积超过l 313 hm2，露采境界面积约178 hm2，剥离总量超过3亿t，废矿渣超过2亿t，设5个排土场，总占地面积105 hm2。矿区位于中亚热带季风气候区，夏季湿热，冬季温凉，多年平均降水量1 700～2 100 mm，全年60%雨量集中在4—6月份，多年平均气温17～19 ℃，多年平均无霜期250～270天，多年平均日照1 800～2 000 h。研究区位于南部排土场1#、2#坝上部，面积约1万m2，坝底原有多个提取海绵铜的酸性水池。排土场土壤以亚黏土及强风化千枚岩为主，质地均匀一致，裸露无植被。
1.2 评价方法
为避免评价因素较多,权重太小造成部分信息“淹没”，采用多层次模糊综合评判法，根据设定的评价标准和实测值，依据模糊变换原理和最大隶属度原则对目标进行准确评价。
1.2.1 评价指标体系的建立
影响矿区土壤质量的因素多且复杂，其评价指标应选取对其具有独立主导作用的关键影响或限制因素，确保各评价指标的科学性、代表性和独立性。AHP法能将难以定量描述或评价的指标多且相互影响的复杂问题分解为多个子问题并分层建模，通过两两重要性比较的形式给出决策数据并计算得到各评价指标的权重。基于工程实践并参照有关研究[10-12]，选取对矿区土壤质量影响较大的3类因素及11个二级指标构成评价指标体系。其中，土壤理化性质包括pH、有机质(OM)、阳离子交换量(CEC)、碱解氮(AHN)、速效磷(AP)、速效钾(AK)6个二级指标；
土壤产酸潜力包括净产酸量试验pH(NAG-pH)、酸性中和能力(ANC)两个二级指标；
土壤微生物群落特征包括微生物生物量碳(MBC)、微生物Shannon-Wiener指数(H′)、相对丰度前10名属中非产酸微生物比例(Non-AM p.c.)。
1.2.2 样品采集及数据处理
采用梅花布点法选取10个土壤采样点，采样深度0～20 cm，经四分法取1 kg土样进行检测。采样时间为生态修复前、综合措施(化学改良加原位基质及微生物改良等)改良修复后，生态修复1年后，共3个时间点。采用SPSS 19.0对数据进行处理。
1.2.3 建立评价指标集
根据评价目标特征属性选取n个典型评价因子建立指标集，即：U={u1，u2，…，un}，U为因子集，Ui(i=1，2，…，n)为一级评价指标，Ui1…Uik为二级评价指标。
1.2.4 建立评价集
根据评价目标状态水平划定m个评价等级，即：V={v1，v2，…，vm},V为评价集，Vj(j=1，2，…，m)为各指标评价等级。参照国家相关标准及文献[12-13]，将矿区土壤质量分为5个等级(表1)，则评价集为[Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ]。
表1 矿区土壤质量等级标准Table 1 Soil quality grade standard of the mining area
1.2.5 确定评价指标权重
将评价指标体系分为3个层次：目标层(A)、准则层(B)和指标层(C)。目标层(A)为土壤质量。准则层(B)包括土壤化学性质(B1)、产酸潜力(B2)、微生物群落特征(B3)。指标层(C)由准则层下各构成因素的11个评价指标组成。因单项指标对土壤质量的贡献存在差异，采用调查分析及文献查阅等方法判定各指标的相对重要性，并采用1～9标度法量化评价指标(表2)，运用yaahp层次分析软件计算各指标权重值及相对于土壤质量评价的权重，最后对各个指标的判断矩阵结果进行总排序，并对各层指标单排序进行一致性检验。
表2 相对标度含义Table 2 Relative scale definition
1.2.6 模糊综合评判方法
采用梯形隶属度函数计算各评价因子对各评价等级的隶属度。其中，两端等级的隶属度分别采用降半梯形和升半梯形隶属函数，中间等级隶属度采用对称山型隶属函数[14]，再依据各级因子的隶属度建立模糊关系矩阵R，采用两级模糊评判模型进行综合评判[15]。
2.1 各指标检测数据
生态修复实践中，一般是将具有相似土壤质地的区域作为一个整体对其土壤质量水平进行整体评价并制定相应的土壤修复改良方案。因此，采用SPSS 19.0对数据进行处理并剔除异常值后计算各指标平均值(表3)。各指标平均值虽反映了改良修复后土壤各指标已得到全面改善，复垦1年后也只是小幅变化，但具体改善程度和变化幅度需要综合评判。
表3 排土场土壤检测数据平均值Table 3 Average value of soil detection data in the waste dump
2.2 指标权重分配
在矿山修复实践中，土壤理化性质、产酸潜力、微生物群落特征等关键影响因素的土壤环境重要性依次下降。其中不同营养元素对土壤肥力的贡献率也不同，重要性一般呈AHN>OM>AP>AK[16]。另外，土壤pH一般是矿区废弃地生态修复的先决条件，而CEC既是土壤保肥能力的重要指标，也是改良土壤和合理施肥的重要依据。
因此，在土壤化学性质方面，各指标的相对重要性大小顺序为pH>CEC>AHN>OM>AP>AK。在产酸潜力方面，土壤净产酸量试验测得的pH即NAG-pH指标相对ANC重要。在土壤微生物群落特征方面，H′和Non-AM p.c.指标一般同等重要，但均比MBC重要。利用yaahp层次分析软件计算[17]的各级指标权重结果如表4所示。
表4 评价指标权重分配Table 4 Weight distribution of evaluation index
2.3 土壤质量综合评判
由两级模糊综合评判结果(表5)可知，综合改良前土壤质量的隶属度为(0,0,0.011,0.029,0.076)，根据最大隶属度原则，最大值对应Ⅳ级，按照5级评价标准，原始土壤质量综合评价结果为“很差”。综合改良后的土壤质量其隶属度为(0.170,0.107,0.088,0,0)，最大值对应Ⅰ级，评价结果为“很好”。生态修复一年后土壤质量的隶属度为(0.131,0.142,0.042,0.050,0)，最大值对应Ⅱ级，评价结果为“较好”。
表5 排土场土壤质量综合评价结果Table 5 Fuzzy comprehensive evaluation results of soil quality in waste dump
综合评价结果表明，研究区的原始土壤质量“很差”，严重的污染和极度的贫瘠等恶劣条件使植物基本难以存活，无法满足生态修复的需要。采用综合修复改良措施后，土壤质量短期内得到明显提高，达到Ⅰ级“很好”级别，完全满足植物正常生长发育的需要，但生态修复一年后，土壤质量相比修复改良初期下降到Ⅱ级，处于相对“较好”状态。分析认为，矿区排土场土壤硫矿物含量高，长期裸露造成严重的土壤酸化，进而造成有机质和营养元素等流失殆尽，土壤理化性质破坏，若不加以改良修复将难以恢复植被。采用综合修复改良措施能够快速修复矿区污染土壤，改善土壤环境质量，满足植被快速恢复需要。生态修复一年后土壤质量由Ⅰ级下降到Ⅱ级，主要是由于部分改良修复材料和营养元素流失或有效性降低，以及土壤缓慢产酸释酸等综合因素造成土壤质量有所下降。
矿山修复受矿区土壤环境质量、水利条件、地形地貌、气候环境等众多因素的影响，其中土壤环境质量是决定性因素。影响矿区土壤环境质量的首要因素就是土壤理化性质，这是植被恢复的基础，其次是土壤产酸潜力因素。矿区土壤硫矿物含量高，产酸、释酸潜力大，土壤复酸化会严重影响植被恢复的可持续性，另因土壤长期酸化造成的重金属污染也是抑制植物生长发育的重要因素。此外，严重的土壤酸化和重金属污染使健康的土壤微生物群落受到抑制，产酸微生物频繁活动，造成土壤生态功能丧失，而产酸微生物又是硫化物氧化酸化的重要的触媒剂[21]，使土壤污染陷入恶性循环。本研究在充分考虑影响上述主控因素基础上所选取的评价指标体系能够表征矿区土壤环境质量状况。未将重金属污染纳入土壤环境质量评价指标体系，主要是基于矿山修复以修复生态为目的，用于植被恢复的植物一般对土壤重金属毒害并不敏感，不构成决定性因素。其次，只有活性态的重金属才会对植物具有生物有效性。在矿区土壤修复改良过程中，首先就是利用石灰等碱性材料调节土壤pH至中性，土壤pH提高的过程就会促进活性态重金属向稳定态转化，显著降低重金属的生物有效性[22]，而且原位基质及微生物改良等措施也会进一步降低重金属的生物有效性[23-24]。因此，尽管重金属污染是矿区土壤污染修复的重要内容，但将其用于矿区土壤环境质量评价和指导生态修复则意义不大。
综合评判结果与实际情况相符，说明两级模糊综合评判法能够对矿区土壤环境质量的实际水平作出客观、真实的评价。矿区排土场因污染严重，土壤质量很差，难以满足植被恢复需要，对矿区污染土壤进行综合改良修复是植被恢复的关键步骤，直接决定着生态修复的成败。尽管生态修复一年后土壤环境质量下降到Ⅱ级，但仍处于“较好”状态，尤其是土壤pH基本维持在中性状态，期间植被也持续恢复良好。根据经验，因土壤酸化或持续产酸造成植被恢复失败的风险多发生在植被恢复后的3～6个月，尤其是雨季期间造成的酸性废水污染。若植被能够持续、稳定恢复一年，或历经首次雨季后依然能够稳定地生长演替，之后基本不会造成土壤复酸化或植被恢复失败情况。这是因为随着植被持续恢复，植被层和表土层的郁闭效果可以有效阻隔氧气，土壤有益微生物可以有效抑制产酸微生物活动，进而抑制土壤深层的硫矿物持续氧化产酸和再次污染，同时土壤碳及养分循环和自净能力也会不断增强，蓄水保肥、增肥能力不断提高。矿山修复实践中，植被正常生长演替所需的土壤环境质量至少应达到Ⅲ级(中等)及以上水平，否则植被恢复将不可持续。因此，考虑到矿区生态修复后半年到一年期间，土壤各项生态功能尚处于逐步恢复期，植被层仍处于逐步郁闭期，土壤环境质量水平存在一个下降的过程，为确保矿区生态修复中的植被能够快速、稳定地恢复和可持续演替，矿区污染土壤修复改良后的质量等级应达到Ⅱ级(较好)及以上等级才能进行植被恢复。
1)选取的11项关键指标能够表征矿区土壤化学性质、产酸潜力、微生物群落特征，评价标准取值也能有效地指示矿区土壤质量状况。
2)AHP法通过分层建模及两两重要性比较计算各指标权重，简单实用且行之有效。
3)根据评判结果，排土场土壤环境质量等级为Ⅴ级，整体处于“很差”状态，综合措施改良修复可以快速提高土壤环境质量并达到Ⅰ级，生态修复一年后土壤环境质量等级下降到Ⅱ级，但仍处于“较好”状态，期间植被持续恢复良好。
4)综合评判结果与实际情况相符，表明两级模糊综合评判法科学有效，能够为矿区生态修复提供科学依据。为确保植被能够快速、稳定地恢复和可持续演替，矿区污染土壤修复改良后的环境质量等级应达到Ⅱ级(较好)及以上等级才能进行植被恢复。
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