矿山废弃地生态退化程度评价

2014-10-22王超毕君尤海舟

生态环境学报 2014年6期

王超，毕君，尤海舟

1.河北省林业科学研究院，河北石家庄 050067；2.河北省林木良种工程技术研究中心，河北石家庄 050061

矿山废弃地是受采矿活动剧烈干扰所形成的极度退化的生态系统。由于采矿活动中需要大面积剥离表层岩土和产生大量的废弃渣石，使区域景观破碎化，原生土壤-植被系统遭到完全破坏，土地退化为原生裸地乃至失去利用价值，并引发系列的环境问题如水土流失、环境污染和地质灾害等(刘海龙，2004)；尤其是金属矿山废弃地，由于较高的剥采比和重金属环境背景值，表面多形成极端的生态环境（薛生国等，2009），生态系统进展演替困难，生态恢复难度较大。我国矿山生态恢复始于 20世纪 70年代后期，目前在生态恢复的理论、规划与实践等多个方面仍处于薄弱环节；全国平均恢复率约为10%～12%，而金属矿山废弃地恢复率较低(5%以下)，与矿业先进国家的废弃地恢复率(50%～80%)相差甚远（李明顺等，2005）。矿山废弃地生态系统退化程度评价是对生态质量现状、生态影响和可治理难易程度的评估过程，可为生态环境影响评价、生态恢复规划和生态治理工程等提供理论基础。由于矿山废弃地生态环境的高度复杂性，已有生态退化研究多集中于某一方面，而综合性反映生态退化程度的研究较少。何书金、孙明迪等对矿区废弃地土地可恢复潜力进行了评价（何书金和苏光泉，2000；孙明迪等，2006），李江峰对矿区废弃地恢复生态质量进行了评价（李江峰，2010），冀红娟等对尾矿库环境影响进行了评价（冀红娟等，2008）。矿山废弃地根据产生原因可划分为采矿迹地、排岩场、尾矿库、压占区等主要类型（王超和毕君，2012；吴欢和周兴，2003；刘国华和舒洪岚，2002），本文分别废弃地类型进行了生态退化程度的综合评价研究。

1 生态退化评价指标选取

目前生态系统的评价方法大致分为2种。一种是生态系统质量的评价方法，主要考虑生态系统的自然属性，例如对自然保护区环境质量的评价，评价指标均来自于生态系统的各项自然环境因子，如张峥等对我国湿地生态质量评价方法的研究（张峥等，2000），张涛对徐州山地森林生态质量的评价（张涛等，2009）；另一种评价方法是从社会--经济的观点出发来评价生态系统，评价人类社会经济活动所引起的自然生态系统结构和功能的改变程度，评价指标主要反映社会经济活动对自然生态系统的扰动强度，如陈桥对黑龙江省矿山生态环境质量的评价（陈桥，2003）。随着生态系统评价研究的不断深入，兼顾自然因子、人为干扰强度因子的评价方法已逐步得到应用，如刘燕对陕北黄土高原生态质量的评价（刘燕和刘康，2010）。由于矿山废弃地是受高强度人为干扰所形成的极度退化生态系统，评价结果既要反映矿山废弃地生态质量现状，也要反映采矿活动对生态系统的干扰强度，因此评价时需要同时考虑生态系统的自然属性和社会经济活动属性。

生态退化是指由于人类对自然资源以及不合理利用而造成生态系统结构破坏、功能衰退、生物多样性减少、生物生产力下降以及土地生产潜力下降、土地资源丧失等现象（刘国华等，2000），表征矿山废弃地生态退化程度的指标通常来自于生态系统结构、生态负面影响、环境污染及环境风险等方面。由于生态系统的高度复杂性，选择导致生态系统退化的主要因子或以宜于反映生态系统破坏程度或恢复潜力、生态影响范围及程度的自然因子和工程指标作为评价指标，遵循概况性和普适性强、数量少、便于直接获得和应用的原则（马祥爱，2005）。

1.1 尾矿库生态退化评价指标

尾矿库是由金属矿石精选后的废渣堆弃而成，由细微的岩土颗粒组成，主要生态限制性因子为表面干旱高温的小气候，土壤缺失和营养物质缺乏、不适宜的pH值以及重金属离子浓度过高等；生态环境负面影响表现为自然植被难以生长、易于水蚀和风蚀、粉尘和重金属离子等有害物质对环境的污染，尾矿库溃坝诱发地质灾害等。因此评价指标选择库容（设计等级）、坡度、pH值、有害物质浓度、自然植被盖度和安全度6项因子。

1.2 采矿迹地生态退化评价指标

采矿迹地指矿山采掘过程中对山体表面直接破坏所形成的创面，地表完全由岩石组成，土壤-植被结构被破坏，生态限制性因子为土壤结构的缺损、不适宜的pH值和较高的重金属离子浓度等；生态环境负面影响表现为自然植被难以生长、易于水土流失、地质风险隐患和环境污染物质超标等。因此评价指标选取地表物质组成、地表平整度、有害物质浓度、自然植被盖度、面积、地质安全性 6项因子。

1.3 排岩场生态退化评价指标

排岩场，通常又称排土场，是在矿山采掘、采选过程中由剥离废弃的土壤、石块和砾石人工堆弃成的松散堆垫体，主要生态限制性因子为土壤和植被的缺损，水土流失、环境污染隐患和地质风险等，选取设计等级、物质组成、安全度、自然植被盖度、有害物质浓度和坡度6项因子做为评价指标。

1.4 压占区生态退化评价指标

压占区指由于生产作业、建筑、交通等先占用后破坏的土地，生态限制性因子为土壤和植被的破坏，评价指标选取压占面积、地表物质组成、有害物质浓度和自然植被盖度4项因子。

2 生态退化程度的综合评价

矿山废弃地生态退化评价指标来自于土壤、植被、景观和工程等方面，难以实现不同指标的直接量化比较。本文采用层次分析法确定各评价指标权重值；结合实地调查结果、国家现有标准值和专家赋值等对各项指标进行量化和标准化，最后运用各指标权重综合确定生态退化等级。

2.1 层次模型的建立

根据所选择的指标，其生态退化因子可分为 3层树状结构，准则层分为4个方面：工程设计条件、土壤条件、地形和地质条件、植被条件，其下层由9项评价因子组成，层次结构详见图1。

2.2 评价指标权重值的确定方法

层次分析法是定性和定量分析相结合的一种评价和决策方法。首先采用专家打分法确定各指标的重要值标度，然后采用和积法计算各指标权重和最大特征向量，最后进行归一化处理，以量化区别各指标的权重值（张峥等，2000）。重要值标度是为了评价各指标间的重要性，即在评价时的权重，各重要值标度含义详见表1。

表1 重要值标度含义Table 1 The meaning of importance value

评价指标权重值计算借助于天津大学管理学院编制的AHP软件系统完成。

2.3 评价指标权重值计算

依据专家对各评价因子的打分结果，各类型废弃地不同评价指标的权重值计算结果见表2～表5。从各指标权重计算结果看，破坏面积成为反映生态退化程度最重要的指标；其次是地表物质组成，主要反映了破坏程度的严重性，安全性反映了潜在的生态风险，也是评价中备受关注的指标；而植被、有害物质浓度虽然更能直观反映生态退化的程度和易于治理程度，但主要受地表破坏程度的影响，但所得权重值最低。

3 生态退化评价指标的等级划分与量化

3.1 评价指标的等级划分

根据矿山废弃地实地调查结果，参考国内外已有对生态质量评价的相关研究，进行生态退化等级划分：

（1）生态系统较好（Ⅰ级）：对原有生态系统结构的扰动和影响较小，仍具有原有生态功能，易于治理或不需治理，基本无环境污染和地质安全隐患。本生态退化等级定义为可自然恢复级。

表2 尾矿库生态退化评价指标权重值Table 2 The weight value of evaluation index on tailings reservoir

表3 采矿迹地生态退化评价指标权重值Table 3 The weight value of evaluation index on mined land

表4 排岩场生态退化评价指标权重值Table 4 The weight value of evaluation index on waste dump

表5 压占区生态退化评价指标权重值Table 5 The weight value of evaluation index onoccupied land

（2）生态系统一般（Ⅱ级）：对原有生态系统结构扰动和影响较大，但仍具有一定的自然恢复能力，可以治理，基本无重大环境污染和地质安全隐患。本生态退化等级定义为可治理级。

（3）生态系统较差（Ⅲ级）：原有生态系统结构完全被破坏，进展演替困难，有较大环境污染和地质安全隐患，难于治理。本生态退化等级定义为难于治理级。

（4）生态系统很差（Ⅳ级）：原有生态系统结构完全被破坏，无法实现进展演替，有重大环境污染和地质安全隐患，治理难度极大。本生态退化等级定义为无法治理级。

各类型废弃地等级阈值划分标准详见表 6～表10。

3.2 评价指标量化与标准化

本次评价包括定性和定量指标，指标的量化和标准化是生态退化程度量化比较的前提。首先对各指标赋以标准分值 10分，然后对定性指标采用专家赋分法进行分级量化，最后采用百分比法对各指标的退化等级进行标准化。选取实地调查的极限值、国家相关的法定标准值为参照值，难以获得极限值和标准值的评价指标取Ⅳ级标准下限值的 1.5倍为极限值。对于与生态退化强度呈正相关的指标采用公式（1）进行标准化，负相关指标采用公式（2），对于参照值为区间的指标（如pH值）采用公式（3）。同一指标中有2项因子的情况下（主要是设计等级），以主要生态影响因子（库容）为计算依据。

其中：F为量化值；S为参照值；C为实际值；B为某项评价指标赋分值，B=10.0；K为实际得分值；W为权重值。

以上计算中当C值等于或超过S值时，正相关时取K=10，负相关时取K=0。

各类型废弃地生态退化评价指标详细量化与标准化结果分别见表6～表9。

4 矿山废弃地生态退化等级评价

综合以上量化、标准化评价结果，根据各评价指标权重，采用公式4计算各类型矿山废弃地生态退化程度实际得分值，汇总后可得各评价等级的域值，详见表10。

5 应用案例

5.1 案例概况

遵化市位于河北省东北部，属燕山山脉东段南麓的低山丘陵区。本区铁矿资源丰富，但以贫矿居多，形成了以中小民营企业为主的矿山开采局面。由于不注重生态环境保护，形成了大面积矿山废弃地，急需进行生态治理。马棚峪铁矿位于遵化市东部，属遵化市中型矿山，集采矿、选矿工艺，年产精铁粉近万t，主要以露采为主，总占地面积约20 hm2。区内有尾矿库2座，库容分别为200万m3和30万m3；采坑占地4 hm2，深28 m；土壤砾石型排岩场1.6 hm2，废弃土石量300万m3，因生产、交通等废弃土地约2 hm2。各类型废弃地土壤基本可达到国家规定的土壤环境质量Ⅲ级标准。

表6 尾矿库生态退化评价指标量化与标准化统计表Table 6 The quantization and standardization of evaluation index on tailings reservoir

表7 采矿迹地生态退化评价指标量化与标准化统计表Table 7 The quantization and standardization of evaluation index on mined land

表8 排岩场生态退化评价指标量化与标准化统计表Table 8 The quantization and standardization of evaluation index on waste dump

表9 压占区生态退化评价指标量化与标准化统计表Table 9 The quantization and standardization of evaluation index on occupied land

表10 矿山废弃地生态退化评价等级Table 10 The evaluation grade of ecological degration on mine wasteland

5.2 案例分析

采用上文的生态退化评价方法，对马棚峪铁矿废弃地分类型进行生态等级评价。评价结果详见表11。

根据表 11的评价结果，马棚峪铁矿各类型废弃地中以露采迹地生态退化最为严重，治理难度最大；2＃尾矿库、排岩场和压占区生态退化程度较轻，较为易于治理。从实际情况分析，2＃尾矿库、排岩场和压占区占地面积较小，坡度相对平缓，只要适当削坡加固和表层覆土即可种植植被；1＃尾矿库占地面积大，坡度陡，安全形势不容乐观，应加紧治理；露采迹地已退化为原生岩质裸地，完全不存在植被生长的基础条件，治理难度很大。以上评价结果基本符合现实情况，可应用于生产实践。