矿业废弃地复垦耕地多目标质量评价体系与应用

谌凯，吴思聪张世文，陈家乐兰鸿超缪伟伟葛畅沈强

1.安徽理工大学，地球与环境学院，淮南 232001

2.南京农业大学，资源与环境科学学院，南京 210095

0 前言

土地作为人类赖以生存和发展的物质基础，也是进行一切生产建设的基本物质条件。矿业开采给人们带来巨大财富的同时，也给土地生态环境带来了极大问题，为了实现永续利用的目的，人们往往需要对污染、破坏的土地进行复垦。因此复垦土地的质量受到世界范围内的广泛关注，复垦土地质量评价方法和指标体系的建立也一直是业内研究的热门领域。

国内外众多学者都针对复垦土地的质量进行了研究，并提出了许多质量评价方法和评价指标体系。而国内有关复垦土地质量的研究工作往往从土壤肥力、土壤环境质量等单一目标出发。如王琛、刘曙光等人选择土壤的理化性质，对复垦土壤的肥力进行评价[1-2]；闫超凡等人从复垦措施及年限的角度出发，对复垦土地的质量进行评价[3]；聂兴山、马力阳等人针对复垦土壤中的重金属含量，对复垦土壤的环境质量进行了评估[4-5]。因此已有研究成果对复垦土地质量的评价往往拘泥于单一目标，缺少对复垦土地的多目标评价。而复垦耕地作为复垦土地中一类特殊的用地，除上述问题外，由于其质量受众多因素影响，还具有综合性、空间性、动态性、后效性和不确定性等问题。因此，针对评价对象的特殊性，建立专门的复垦耕地质量评价标准，形成服务于矿业城市土地管理需求的定量化的复垦耕地质量评价方法、指标体系是十分重要的。

针对当前研究不足，以复垦耕地为对象，提出复垦耕地质量的多目标评价原则，构建多目标评价指标和方法体系。并以湖北省某废弃铜矿的复垦耕地为例进行案例分析。研究结果将为矿业废弃地的复垦耕地质量监管和提升提供参考。

1 研究方法

1.1 原则

矿业废弃地的复垦耕地是一类由于人为扰动所形成的特殊的国土资源，在时间、空间上都具有显著的差异，且不同因素对耕地质量的影响程度不一，评价因子选取的合适与否往往直接影响评价结果的合理性、科学性。因此评价指标因子的选取主要遵循以下原则:(1)主导性原则；(2)区域性原则；(3)稳定性原则；(4)现实性原则；(5)针对性原则。

1.2 评价目标和指标

根据《土地复垦质量控制标准》(TD/T 1036-2013)，复垦耕地质量的评价应包含两个目标，即生产力评价(分目标 1)和安全利用评价(分目标 2)。而根据矿业废弃地的历史遗留特征及复垦前的资料收集，可以判定复垦耕地是否存在环境安全问题。对于存在潜在环境问题的复垦耕地，评价其质量时应同时对其生产力和环境安全状况进行评价，并综合二者得到其综合质量评价。对于无潜在环境问题的复垦耕地，可以仅开展生产力的评价。具体指标选取如表1。

1.3 复垦耕地质量评价方法

1.3.1 生产力评价

本文采用土壤生产力指数(Productivity index，PI)对复垦耕地的生产力状况进行评价，其数值越大则复垦耕地的生产力越好，计算公式如式 1。并按照等间距法将复垦耕地的生产力划分为5个等级，见表2。

式中:Wi为第i项生产力指标的权重；Ni为第i项生产力指标的隶属度。

为保证权重系数的准确性与客观性，本文采用变异系数法确定权重，利用各指标的变异系数占总变异系数和的比例作为权重系数，计算公式如下:

式中:Vi为第i项生产力指标的变异系数。

对于概念型指标如灌溉条件、道路通达度等，可直接用特尔菲法给出隶属度[6-7]。对于定量化的指标，可依照其对于生产力的效应采取 S型隶属度函数或抛物线型隶属度函数得到隶属度[8]。

表1 复垦耕地质量多目标评价指标Table 1 Multi-objective evaluation index of the quality of reclaimed land for cultivation

(1)S型隶属度函数

此类函数参评因子指标值越高，作物生长效果越好，但是达到一定临界值后效用趋于稳定，SOM、AP、AK都符合此类函数，表达式为:

(2)抛物线型隶属度函数

此类函数参评因子指标值在一定范围内，对作物的生长效应最好，但是超出一定范围后效用变差，覆土层厚度、粉粘比都符合此类函数，表达式为:

表2 复垦耕地的生产力指数(PI)分级标准Table 2 Classification standard for productivity index of reclaimed land for cultivation

1.3.2 安全利用评价

本文采用常见的单因子指数法和内梅罗综合污染指数法对复垦耕地的重金属污染状况进行评价。以《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 15618-2018)为依据。

(1)单因子指数法

单因子指数法[9-10]一般用污染指数表示，其计算公式如下:

式中:Pi为重金属元素i的单项污染指数；Ci为复垦耕地中重金属元素i的实测浓度(mg·kg-1)；Si为耕地重金属元素的环境质量标准值(mg·kg-1)。

(2)内梅罗指数法

内梅罗指数法通过单项污染指数中的最大值和单因子指数平均值，计算出综合污染指数[11-13]。评价标准见表3，其计算公式如下:

式中:P综为复垦耕地的综合污染指数；Pimax为耕地中单项污染物的最大污染指数；为耕地中各项污染物的指数平均值。

1.3.3 综合质量评价

对于可能有潜在环境安全问题的复垦耕地，应该综合考虑生产力和安全生产两方面对耕地质量的影响。为了更加充分的考虑各影响因素的交互作用，本文采取灰色关联法将其与参比耕地进行比较。若灰色关联度值越接近1，则表明其综合质量越好。其计算公式如下:

X0为参比数列，Xi=为比较数列。

对比较数列进行均值化处理，消除量纲的影响，如式7。

由于耕地综合质量受各指标的影响程度不同，因此通过变异系数法(式 2)确定权重。则关联度ri计算公式如下:

式中:ri为比较数列Xi对参比数列X0的灰色关联度；Wi为指标的权重

依据《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 15618-2018)以及《全国第二次土壤普查技术规程》，结合相关文献[17-19]，对参比耕地相应指标赋值。

2 应用与分析

2.1 案例区概况与数据获取

2.1.1 案例区概况

案例区位于湖北省某铜矿废弃地，经过多年的矿产开采，对当地的生态环境造成了严重的破坏。该废弃铜矿复垦耕地总面积0.21 km2。复垦工作完成于2014年，采用预防与控制措施、工程技术措施和生物化学措施相结合的方法，复垦方向主要为耕地。案例区处于低山丘陵地区，整个案例区地势呈现西南部高，东北部低。具有亚热带大陆性季风气候特征。案例区所在地区的地带性土壤类型主要为黄棕壤。

2.1.2 评价指标选取

除表1中的必选指标外，综合考虑案例区在复垦前所属矿种、其伴生矿的实际情况以及复垦的相关措施，本文将可选指标中的道路通达度、灌溉保证率、Cd、Cu、Pb、As、Zn、Hg也一并纳入评价过程，以确保评价的准确性和全面性。

2.1.3 数据获取

采用网格和随机布点相结合的采样方法，以案例区为底图，在 ArcGIS10.2软件里网格布点，网格大小50 m×50 m，共布设84个，根据复垦措施、复垦方向进行抽样，最终获得采样点16个。SOM、AK、AP、粉粘比参考《土壤检测》(NY/T 1121-2006)系列标准进行测定。结合采矿背景、相关前期调查材料分析，选择存在潜在环境污染风险的Cd、Pb、Cu、Zn、As进行研究。Cd、Pb参考《土壤质量铅、镉的测定 石墨炉原子吸收分光光度法》(GB/T 17141-1997)，采用石墨炉原子吸收分光光度法测定；Cu和Zn参考《土壤质量 铜、锌的测定 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测定；As、Hg参考《土壤和沉积物汞、砷、硒、铋、锑的测定微波消解/原子荧光法》(HJ 680—2013)，采用微波消解/原子荧光法测定。野外取样的同时，调查采样点的覆土厚度、道路通达度、灌溉保证率。

表3 复垦耕地污染分级标准Table 3 Classification standard for pollution of reclaimed land for cultivation

2.2 转折点的确定

对于SOM、AP、AK，选择S型隶属度函数；对于覆土厚度、粉粘比，选择抛物线型隶属度函数，同时参照现有相关研究结果[20-22]与《全国第二次土壤普查技术规程》，确定隶属度函数中各转折点的相应取值，如表4:

2.3 评价结果

2.3.1 生产力评价

利用 SPSS24.0软件对各项生产力指标进行描述性统计，结果如表5。

变异系数可以用于表征耕地生产力性质的变异程度。从变异系数上来看，SOM、AP的变异系数大于 40%，均为中等变异，其中 AP的变异系数最大，为 92%，远高于其他生产力指标。这是由于磷在土壤中的迁移性小且在复垦过程中磷的施入情况不同，因而导致其空间分布不均。参照《全国第二次土壤普查技术规程》，AK含量处于中等水平，SOM和AP含量处于较低水平。

平均隶属度越大，所反映的单一指标的生产力水平越高[23]。从表1中可以看出，SOM的平均隶属度最小，仅为 0.1；AP、AK 次之，均不足 0.5；而灌溉保证率、粉粘比、覆土厚度的平均隶属度均大于0.5，这表明复垦工作完成后，相关的农田配套设施在一段时间内都可以满足生产需要，而土壤理化性质则会由于缺少人为的监管逐渐低于生产的要求，因此在复垦结束后的利用过程中应该注意土壤理化性质的监测和改善。

结合复垦耕地生产力指数分级标准(表2)，采用普通克里格插值法绘制出案例区复垦耕地生产力状况的分布图(图1)。从整体来看，案例区耕地生产力处于中等水平，16个采样点的耕地生产力指数属较差、中等的比例分别为25%、75%。其中，属较低的采样点存在AP偏小或SOM偏小的问题，从而制约了案例区耕地的生产力。以西南至东南方向的连线为界，界线以北地区的耕地生产力总体上高于界线以南地区，这种分布趋势主要与采样点距储水区的距离相关。且该趋势与SOM与AK的分布趋势较为一致，说明灌溉保证率、SOM与AK对案例区耕地生产力的影响较大；从局部来看，耕地生产力指数最高的区域主要分布在南部及西北部。南部的耕地生产力指数较高主要与该地区 SOM 含量较高有关，其贡献率平均在0.15以上。西北部的耕地生产力指数则主要与 AK 和粉粘比较大有关，其二者贡献率之和最大可达到0.31。

表4 指标转折点Table 4 Turning point of indicators

表5 复垦耕地生产力指标描述性统计Table 5 Descriptive statistics of productivity indicators for reclaimed land for cultivation

图1 耕地生产力空间分布图Figure 1 Spatial distribution map of productive power of cultivated land

2.3.2 安全利用评价

利用SPSS24.0软件对各项安全利用指标进行描述性统计分析，各重金属的Pi和P综评价结果见表6。

从变异系数来看，案例区耕地中各重金属的变异系数均已超过15%，其中Hg、Cd、Cu、As的变异系数集中在 40%，为中等变异，耕地重金属变异系数表现出的整体特征在一定程度上说明了历史遗留矿业废弃地复垦耕地的突变性。其原因主要是案例区内不同复垦地块受采矿活动所导致的损毁程度不同，且在复垦过程中所采用的复垦措施也有所差异。

块基比 C0/(C0+C1)即块金值与基台值的比值，一般可以用其衡量变量的空间相关性，比值越大，则空间相关性越弱。从C0/(C0+C1)可看出，除Cr以外，其余重金属的块基比均大于 75%，为弱空间相关性，表明矿业废弃地复垦耕地重金属的空间变异性主要是由人为因素引起的[24]。进一步说明了对矿业废弃地复垦耕地的质量评价应该综合覆土厚度等复垦措施。

从Pi来看，As的污染最为严重，Pi值为 2.15，是该案例区的主要污染因子。其余重金属的Pi值均小于1，未对案例区造成明显污染，但其中的Cu和Zn的Pi值已超过0.8。案例区的平均P综为1.64，属于轻度污染。为了实现长期安全生产的目的，可以在案例区内种植一些超富集植物对 As、Cu、Zn的污染进行控制。结合复垦耕地污染分级标准(表3)，通过 ArcGIS10.2软件绘制出耕地重金属空间分布图，如图2。

从整体来看，案例区耕地重金属污染处于轻度污染水平，16个采样点的P综中属于轻度污染的占75%。以储水区为界，界线以南区域的重金属污染程度总体上小于界线以北地区。从空间分布的局部特征来看，西北角的重金属污染最为严重，东北区域的污染次之，这与耕地中As、Cd和Cu含量的分布趋势一致，这表明案例区复垦耕地的重金属污染主要是由这三种重金属造成。

图2 耕地综合污染指数空间分布图Figure 2 Spatial distribution map of comprehensive pollution index of cultivated land

表6 耕地重金属含量描述性统计Table 6 Descriptive statistics of heavy metals in cultivated land

2.3.3 耕地综合质量评价

灰色关联度可以比较真实、客观地反应出被评价的耕地与参比耕地之间的差异，从而克服难以充分考虑各指标的交互作用对综合质量的影响这一问题。其值越接近1，表明被评价复垦耕地与参比耕地的相似程度越高，反之越低。利用SPSS24.0软件，由式(2)计算得到各指标的权重(表7)。并由式(7)—(9)得到各采样点的关联度，通过ArcGIS10.2软件对其进行普通克里格插值得到空间分布图。如图3。

由图3可知，案例区复垦耕地与参比耕地的关联度值均大于 0.75，平均关联度值为 0.82，与参比耕地质量差异较小。其中西南部区域相似度最高，其次为西北与东南部，最后为东北部。案例区关联度仅在0.75—0.84之间波动，区内耕地质量差异无明显差异。关联度空间分布格局与耕地生产力呈空间正相关，与安全利用呈空间负相关。基于与参比耕地的灰色关联度分析可以很好地反映复垦耕地综合质量状况[26-28]。

3 结论与讨论

针对废弃复垦耕地，建立多目标质量评价体系，并以湖北省某废弃铜矿的复垦耕地为案例区，实现案例区的复垦耕地质量评价。

(1)在考虑矿业废弃地的实际情况下，从复垦耕地的生产力、安全生产两个目标出发，借助于多方法相结合，构建了矿业废弃地复垦耕地的质量评价体系，实现了废弃地复垦耕地质量多目标评价。

(2)案例区耕地生产力总体呈中等水平，生产力水平相对较好的地块主要分布在区域的南部和北部，水平较差的地块主要集中在西南区域，SOM 和 AP的含量是主要的制约因素，今后应增施有机肥和磷肥以维持生产力。

(3)该案例区的安全利用状况在全区范围内差异较小，As是制约安全生产的主要因素，可额外种植超富集植物对其进行控制；从案例区耕地综合质量与参比耕地质量的关联度来看，平均关联度为 0.82，与参比耕地较为接近。且关联度与生产力的空间格局具有一致性，表明耕地生产力对耕地质量的影响较大。

(4)本研究考虑了不同目标下复垦耕地的土壤质量，并利用灰色关联法对复垦耕地的质量进行了综合评价，丰富和完善了当前的复垦土地质量评价体系和评价方法。但本文仅以湖北某废弃铜矿复垦项目作为案例进行研究，后续需要进一步结合其他地区的复垦耕地进行验证评价，以表明该评价体系的普适性；在评价复垦耕地质量时，只进行了现状分析，缺少各时间段土壤质量的对比分析研究，建议收集相关地区多年土壤数据，进一步评价土壤质量的发展趋势；同时，为了更好的评价复垦耕地质量的可持续性，可以从能量效率角度和热动力学角度出发，选取能量效率和熵作为指标[34]，使评价体系更加全面、科学。

表7 耕地综合质量评价指标权重Table 7 Weighs of evaluation index for comprehensive quality of cultivated land

图3 关联度空间分布图Figure 3 Spatial distributions map of grey relevance