矿山废弃地生态修复效益评价研究<br/>——以南京幕府山为例

矿山废弃地生态修复效益评价研究
——以南京幕府山为例

2016-06-23潘叶,张燕

中国水土保持 2016年5期

关键词：TOPSIS法综合评价

潘　叶,张　燕

(1.南京大学金陵学院/城市与资源学院，江苏南京210089；2.南京大学地理与海洋科学学院，江苏南京210023)

矿山废弃地生态修复效益评价研究

——以南京幕府山为例

潘叶1,张燕2

(1.南京大学金陵学院/城市与资源学院，江苏南京210089；2.南京大学地理与海洋科学学院，江苏南京210023)

[关键词]生态修复效益；综合评价；TOPSIS法；矿山废弃地；南京幕府山

[摘要]在对南京幕府山矿山废弃地不同生态修复区调查采样与测定的基础上，建立生态修复效益评价指标体系，再逐层用TOPSIS法综合、定量评价各生态修复区的生态修复效益。结果表明：TOPSIS法可定量评价每一期生态修复区各层的生态效益，且有助于找出生态效益存在差异的原因；生态修复显著改善了矿山废弃地的生态环境质量；10期生态修复工程的生态修复效益综合评价值存在差异的主要原因是地形地貌、修复时间、土壤类型、植物种类与植物组合、后期对修复植被的抚育管护等有差异。

目前，我国针对生态修复效益评价的研究主要集中在植被恢复及退耕还林、水域与湿地、喀斯特石漠化、水土保持等方面[1-5]，且评价主要针对影响生态环境的某一方面，全面系统地对矿山废弃地生态修复效益进行评价的研究少见报道。已有研究采用的评价方法有综合指数法、模糊评判法、层次分析法、专家分析法、灰色系统与系统工程分析法等[1-7]，但由于在构建生态修复效益评价指标体系时较为主观，多使用定性指标，评价偏重于某一要素，评价数据来源不统一，所以难以客观、全面、准确地反映生态修复实际状况，缺少对生态修复后续工作的指导作用。

幕府山位于南京市主城区北部长江之滨，沿长江南岸呈带状分布，蕴藏着丰富、优质的石灰岩层和白云岩层，50多年大规模无序开采，导致生态环境破坏严重。1998—2001年南京市政府关停了全部9个采石场与4个垃圾场[8]，实施了10期和2个专项生态修复工程，将满目疮痍的矿场修复成了景色秀美的风景名胜区。然而，生态修复仍停留在技术修复阶段，既缺乏对修复废弃地的生态监测与修复效益的评估，又缺乏对修复后的废弃地的后续管理研究。为提高矿山废弃地生态修复效益评价的精确性和科学性，本研究选用影响幕府山生态修复不同方面的指标，构建生态修复评价指标体系，用加权TOPSIS法，逐层综合评判各生态修复区的生态修复效益，为优化与提升生态功能与植被抚育管理提供基础数据，为类似的废弃地生态修复提供参考。

1材料与方法

1.1评价指标体系的构建

依据全面性、可测性与动态性原则，构建了矿山废弃地生态修复效益评价指标体系(表1)。

表1　南京幕府山生态修复效益评价指标体系

注：带“*”的为逆指标，带“#”的为适度指标，其余均为正指标。

1.2评价数据的获取

幕府山矿山废弃地于1999—2008年实施了10期及2个专项生态修复工程，各期的地理位置与覆盖的土壤类型与修复措施不相同。根据自然状况及修复工程时序，以现场踏勘为基础，在每期生态修复区中选1个典型区域布设采样点，作为评价样本；现场测定林地内外温度差与湿度差；调查、测量与统计植被生长情况、土层厚度；采集土壤与枯落物样本，测定枯落物蓄积量与有效蓄水量、土壤有机质含量、容重、孔隙度、pH值及土壤重金属含量；根据生物量及文献[9]测定的参数，估算林木生物量、贮碳量、固碳量、释氧量、吸收SO2量、滞尘量，根据土壤测定数据(容重、总孔隙度、pH值、有机质)，计算非毛管孔隙度与毛管孔隙度比、土壤重金属污染综合指数、土壤有效持水量、土壤有机质蓄积量等，这些数据构成了评价生态修复效益的原始数据。

1.3评价方法简介

TOPSIS法是多目标分析方法，采用与最优样本和最劣样本比较的相对距离来评价样本的优劣。本研究以试验获取的数据，用加权TOPSIS法，评价幕府山矿山废弃地生态修复综合效益。具体评价步骤参见文献[10]，其中权重由变异系数法确定。

2结果与讨论

2.1矿山废弃地生态修复区及修复工程情况

南京幕府山矿山废弃地生态修复时序及修复工程的基本情况见表2。生态修复前，生态修复区地表裸露，土壤层缺失，地形陡峭，边坡不稳定，几乎没有植被。

表2　南京幕府山生态修复区基本情况

2.2生态修复效益评价

生态修复效益评价是一个多指标的综合评价，通过由下而上的逐层综合，实现对目标层的综合评价，即对多个指标的综合得到相应子准则层综合评价，对子准则层的评价结果进行综合得到准则层的综合评价结果，再对准则层的评价结果进行综合便得到生态修复综合效益。

2.2.1植被生长状况

生态修复使矿山废弃地形成大片植被，生物量总计约56.53万t。就植被生长状况来看，评价结果呈递减的趋势，即1期最高、10期最低(图1)，表明植被恢复需要时间，修复越早的区域，林木郁闭度越高，林木密度越合理，植被生长状况越好。2个专项修复区是采矿遗留的陡崖与裸崖，修复区陡峭与风化物松散，修复覆盖的土壤易流失，不稳定的风化物滑落导致修复植被的长势较差甚至死亡。

2.2.2生物积蓄与贮碳能力

由图1可知，不同修复区的生物积蓄和贮碳能力上下波动，说明生物积蓄与贮碳能力的恢复需要的时间比较长，影响因素之间相互联系和制约，很难在短期内看出效果。2期低，是因为生态修复初期经验不足，种植的林木密度过高，植被大量无序繁殖，植株的生长空间变小，土壤养分供给不足，植被生长受到抑制；2个专项修复区生物积蓄和贮碳能力低，是由于修复区的地貌不利于生态修复。

图1　南京幕府山生态修复区林木层功能评价结果

2.2.3调节小气候能力

由图2可知，生态修复工程具有降低林中温度、增加林中湿度的功能，但因树种不同，林地内外温度差与湿度差存在差异。3期和9期调节小气候能力低的原因是种植的植物缺少茂密低矮的地被层，而2个专项修复区调节小气候能力低是因为受地形限制，生态修复种植的主要是灌木。

图2　南京幕府山生态修复区调节气体功能的评价结果

2.2.4固碳释氧能力

据测算，幕府山10期生态修复工程林木总计贮存了6.93万t碳，固定了11.08万t的CO2，并释放了8.31万t O2。由图2可知，各修复区的固碳释氧能力的评价结果与生物蓄积与贮碳能力相似。

2.2.5优化空气质量

衡量生态修复优化空气质量的指标是滞尘量和吸收SO2量。由图2可知，各修复区植被优化空气质量的能力存在差异，原因主要是不同类型植物(常绿乔木、落叶乔木、灌木、草)滞尘与吸收SO2的能力不同，如粗糙的叶面有利于滞留与附着尘土；植物密度不同，枝繁叶茂的林相结构可增加阻滞与吸收有害物质的面积；群落构成不同，乔、灌、草构成的多层结构可形成多层次阻滞尘土的网络[11]，如1期与7期植被优化空气质量的能力低是因为其种植的主要是乔木与少量的灌木，尤其是1期植物密度相对低，5期与10期相对高是因为具有多层群落结构，2个专项修复区相对较高是因为种植的灌木枝叶较茂密。

2.2.6枯落物蓄积状况及蓄水能力

幕府山修复区枯落物蓄积量见表3。枯落物的蓄积量与种植的植物种类、枯枝落叶的性质和林分密度等有关[12]。若植被是常绿植物，则蓄积量相对低，若是落叶阔叶林、针叶林，则蓄积量相对高；同时枯落物分解的速度和程度也影响着枯落物的蓄积量[13]；因修复物种中常绿树种占劣势，早期(1～4期)修复区与2个专项修复区枯落物蓄积量低；因种植了大量落叶树种，中期(5～7期)修复区枯落物蓄积量相对高；因种植过密，植物生长受限，晚期(8～10期)修复区枯落物蓄积量低。枯落物蓄水性能取决于枯落物的种类、干燥程度[14]。枯落物的孔隙度大、干燥程度高，则其蓄水量就高。由表3可知，修复区的枯落物蓄水能力与枯落物蓄积量基本一致。

表3　南京幕府山生态修复区枯落物蓄积状况的评价结果

2.2.7土壤质量

土壤质量包括土层厚度、容重、总孔隙度、非毛管孔隙度与毛管孔隙度比、pH值、土壤有机质含量和土壤重金属污染综合指数。其中，土壤容重、总孔隙度、非毛管孔隙度与毛管孔隙度比和pH值这4个指标为适度指标，结构良好、水气协调的土壤容重在1.25～1.35 g/cm3之间[15]，总孔隙度在40%～50%之间，非毛管孔隙度大于10%，且非毛管孔隙度与毛管孔隙度比例在1∶2～1∶4之间[16]。

幕府山生态修复采用客土覆盖法治理矿山废弃地(采矿区与堆渣区)，覆盖土壤主要是建筑弃土与建筑垃圾、玄武湖隧道建设施工弃土与湖底清淤产生的淤泥，修复区平均增厚土层约1.3 m，最厚的覆土达7 m[17]。生态修复前，采矿废弃地几乎没有土壤层，土壤有机质含量低，最低仅2.46 g/kg，最高不过4.13 g/kg[18]。生态修复有效提高了土壤有机质含量，从而改善了土壤结构，为植物生长提供了良好的基础。

生态修复区土壤质量评价结果见图3。由图3可知，生态修复区土壤质量变异不大。产生差异的主要原因在于覆土的质量，4～6期修复区采用的是玄武湖隧道建设弃土与湖底清淤产生的淤泥及少量建筑弃土(黄土)，有机质含量相对高些，且植被生长较好，枯落物蓄积量相对高，这些修复区土壤质量相对高；而其他修复区采用建筑弃土与建筑垃圾，土壤有机质含量低，土壤质量相对差。

图3　南京幕府山生态修复区土壤层功能的评价结果

2.2.8土壤水肥蓄积能力

生态修复区土壤水肥蓄积能力与土壤的厚度和孔隙度有关，主要取决于覆土层厚度，其次是非毛管孔隙度大小，还与种植的植物种类有关。幕府山生态修复区土壤有效持水量从大到小的排列顺序为：落叶林>常绿林>草地>灌木林，且混交林有效持水量最大。生态修复区土壤水肥蓄积能力见图3。因修复模式不同，早期修复区的土壤有机质含量相对高；随时间增加，枯落物的蓄积与分解及地下根系的生长发育，早期修复区土壤的容重相对低，加上自然淋溶作用，以及动植物的迁移运动，使土壤的水肥蓄积能力有所下降；8期高的原因主要是林相结构相对合理，而2个专项修复区最低是因为土层薄。

2.3生态修复功能的差异及原因

2.3.1林木层功能

林木层功能的好坏由植被生长状况和生物积蓄与贮碳能力决定，由图1可知，生态修复区的生物积蓄与贮碳能力的差异导致林木层功能存在差异，总体来看，早期修复区林木层功能相对高些，2期因种植密度过高导致植物的生长环境变差，而2个专项修复区的修复条件较恶劣，林木层功能低。

2.3.2调节气体功能

由图2可知，随时间推移，生态修复区调节气体功能有所提高，表明在幕府山矿山废弃地大量种植植物，在调节小气候、固碳释氧和净化空气等方面都有促进作用，生态修复可让废弃地快速恢复生态功能。7期生态修复区调节气候功能低的原因在于种植的树种在优化空气质量方面没优势。

2.3.3枯落物层功能

枯落物层功能与枯落物蓄积量和有效蓄水量有紧密的关系，由表3可知，三者的走势大体一致。生态修复使得修复区枯落物蓄积量增多，枯落物的蓄积量和蓄水能力在经过生态修复后会有明显的上升，但若植物密度过高，随植物长大，过高的密度使植物生境变差，枯落物层的生态功能反而会下降。

2.3.4土壤层功能

土壤层功能由土壤质量与土壤水肥蓄积能力决定，10个生态修复区土壤质量差异不大，土壤层功能主要取决于土壤水肥蓄积能力的高低(图3)，土壤水肥蓄积能力低的修复区，土壤层功能相对也低。

2.4生态修复效益的差异及原因

2～4期生态修复效益相对低，5～8期生态修复效益相对高， 9期的生态修复效益有所回落，10期生态修复效益与1期的生态修复效益基本持平，而2个专项修复区因地势陡峭，生态修复效益最差(图4)。这说明，生态修复初期，由于经验不足，覆土厚度相对较薄，植物种类相对单一，生态修复效益较低，而稳定的生态修复效益要经过相当长的时间才能显现，理想情况下，随着时间的推移，生态修复效益应不断上升，越来越好。幕府山生态修复成效因修复区的地貌、修复时覆盖的土壤类型、选用的植物种类及修复措施等的不同而产生差异。

图4　南京幕府山生态修复区生态修复效益评价结果

3结语

用加权TOPSIS法，可定量评价生态修复区各层的生态修复效益，并找出其存在差异的原因。该方法具有简便、易操作、综合性与可比性强的特点，适用于同一修复区域不同生态修复阶段的纵向评价与同一修复时期不同修复区域之间的横向比较。

南京幕府山矿山废弃地实施生态修复的时间还比较短，生态修复效益还有待时间的积累才能充分显现，然而评价结果已表明，生态修复可显著改善矿山废弃地的生态环境质量；10期生态修复工程的综合效益存在差异，主要原因是采矿后形成的地形地貌、修复时间的长短、覆盖的土壤类型、种植的植物种类与植物组合、后期对修复植被的抚育管护措施等有差异。

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