基于AHP法黑龙江多宝山铜业矿山排土场植物筛选

唐玉情 孙 飞 刘海龙 高 赛 李红娜 张 捷*

（1. 东北林业大学园林学院，哈尔滨 150040；2. 黑龙江多宝山铜业股份有限公司，黑河 161416）

黑龙江多宝山铜业矿区位于黑龙江省黑河市嫩江县多宝山镇 境内，东经125°46′30″～125°47′30″，北纬50°14′30″～50°15′30″；属中温带半湿润季风气候，多年平均气温-1.37℃且一月极端温度可达-44.5℃［1］、≥10℃积温2 350℃，年平均降水量491.9 mm、相对湿度68%、年平均风速2～3 m·s-1，最大风速15 m·s-1［2］。总矿石储量50 784 万吨，蕴含铜金属238.68 万吨。多宝山铜业于2014年正式开采，迄今已有六年多时间，所产生的表土、废石废料被人为的堆砌成高低不平、坡度不一的山丘，即排土场［3］。这种排土场一般具有土质疏松，岩体裸露，地形高耸，生态脆弱的特点，在没有植被覆盖和大风、重力、雨水淋溶的作用下极易发生大面积高频率的水土流失以及滑坡、泥石流、沉陷等自然灾害。其次，对山体长期性大规模高强度的挖掘、冶炼后，排土场表层堆砌的岩土容易受到不同程度的金属污染，而土壤是植物生存的本源，不同植物对不同的土质污染其耐受性和富集性不一，就易导致矿山生态环境中物种多样性和景观斑块和廊道的异质性快速减少，加速矿山生态系统的崩溃［4～5］。2017 年春季，黑龙江多宝山铜业开始对矿区的排土场进行覆土，开启排土场的生态修复工程。

层次分析法（Analytical Hierarchy Process），简称AHP，是将复杂的问题分解成构成事物的组成要素，并按照要素间的相互关联影响以及隶属关系聚集组合，形成一个关于具有层次结构的目标、准则体系的多层次分析结构模型的决策方法［6～9］。排土场植物的筛选是一个定量与定性相结合的复杂问题，本文通过层次分析法筛选出黑龙江多宝山铜业矿山排土场适宜的覆盖植物，利用植物防风固土，减轻水土流失的作用，降低自然灾害发生的频率以及增加物种多样性，从而改善或重建排土场脆弱的生态环境，也为我国寒区其他矿山排土场生态修复植物的选择提供一些实践借鉴。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本次植物筛选是在前期本底植物调查和黑龙江省栽培植物调查的交集初次筛选以及生态位模型法二次筛选基础上的最终筛选。筛选的材料为两次筛选后的74种植物，共计31科49属74种（见表1）。

表1 待筛选植物名录表Table 1 List of plants to be screened

1.2 研究方法

1.2.1 构造筛选评价模型

根据矿区排土场现状，构建了黑龙江多宝山矿山排土场4 个方面10 个具体指标的筛选评价模型（见图1）。

其中，抗寒性的具体指标为耐受一月份年平均最低气温（P1）；抗旱性的具体指标为1981～2010年植物标本分布地区累年年最少降水量（毫米）（P2）；耐阴性的具体指标为植物耐阴性强弱（P3）；改善空气质量的具体指标为植物夏季滞尘能力强弱（P4）；防风固土的具体指标为植物生长特性和水土保持能力的强弱（P5）；绿期的具体指标为展叶期至叶色改变期的时长（P6）；生长速度的具体指标为生长速度快慢（P7）；景观观赏性的具体指标为夏秋两季整体观赏效果（P8）；养护成本的具体指标为养护管理成本的高低（P9）；资源获取成本的具体指标为资源获成本的高低（P10）。

1.2.2 构造判断矩阵及其一致性检验

模型的科学性和权重划分的合理性是层次分析法重要的两个方面，本次权重的划分是通过邀请专家在1～9 标度法［10～11］的基础上对要素间重要性的直接比较（见表2），然后利用方根法［12］获得定量化的权重［13］，以此进行赋权。

表2 1～9尺度码Table 2 1～9 Scale codes

1.2.3 构造判断矩阵及其一致性检验

计算最大特征根公式：

计算一致性指标公式：

一致性检验公式：

式中：λmax为对应矩阵的最大特征根；W是λmax的正规化特征向量，Wi则为对应单因素的加权值；A 为根据专家意见所列判断一致性矩阵；aij表示第i个因素相对于第j个因素的比较结果；CIi为单层一致性检验指标；RIi为单层平均随机一致性指标，此指标可以查表（见表3）得到；CRi为一致性指标与随机指标的比值，一般认为当CRi＜0.1时，一致性可以接受，此时wi=ai；如果CRi＞0.1时，一致性检验不通过，应当对判断矩阵进行调整，直到CRi＜0.1即可［18］。

表3 随机一致性指标Table 3 Random consistency index

在层次分析法模型结构中不仅仅需要进行单排序一致性检验，总排序一致性也需要进行检验，其计算公式为：

式中：αi为特征向量；CIi和RIi分别为各层次判断矩阵的一致性指标和随机一致性指标；CR为总层次一致性检验判断指标，当最终计算结果CR＜0.1 则表明权向量可用，若大于0.1，则权向量值不可用，需修改判断矩阵。

1.2.4 进行评价

得到权重值W后，就可以从指标层开始逐层合成总权重，然后将其与各指标赋值分别相乘，即：

式中：X为植物最终的得分；Wj为植物不同指标的权重；Vi为专家对植物的评分值。

1.2.5 评分标准

采用专家咨询法，利用1～5 评分法进行打分，评分标准具体见表4。

表4 各指标层评分标准划定Table 4 Grading standards for each indicator layer are delimited

1.2.6 数据处理

使用Exce2010进行数据处理。

2 结果与分析

2.1 各层次结构的判断矩阵及其计算结果

2.1.1 准则层相对于目标层判断矩阵及其计算结果

此次层次分析法的准则层分为：生态适应性、生态防护性、绿化效果和经济性4 个部分，其权重分布见下表5。

表5 准则层层次分析判断矩阵及其权重关系Table 5 Judgment matrix and its weight relation of criterion hierarchy analysis

矩阵经一致性检验后，计算权向量为：

2.1.2 从生态适应性角度进行植物筛选的评价

此次筛选根据多宝山实际情况将生态适应性分解为抗寒性、耐阴性、抗旱性3 个部分，对 不同植物的这3 个指标进行比较，建立比较矩阵，计算权向量，然后以权向量计算评价值（见表6），矩阵经一致性检验后，计算权向量W。

表6 生态适应性下层次分析判断矩阵及其权重关系Table 6 AHP judgment matrix and its weight relation under ecological adaptability

2.1.3 方案层相对于生态防护性判断矩阵

此次主要选取植物防风固土和改善空气质量两个指标建立矩阵，计算权向量，然后以权向量计算评价值（见表7），矩阵经一致性检验后，计算权向量为W。

表7 生态防护性下层次分析判断矩阵及其权重关系Table 7 Judgment matrix of AHP and its weight relation under ecological protection

2.1.4 方案层相对于绿化效果判断矩阵

排土场植物绿化需要考虑其绿化效果，通过植物的种植，营造美的环境。此次绿化效果主要分解为绿期、生长速度、景观观赏性3 个方面。绿期指植物展叶开始到色叶改变的时间；生长速度主要考虑到植物复绿速度，速度越快，树木成荫效果越好；景观观赏性主要考虑植物夏季和秋季的整体观赏效果。根据这3 个指标建立矩阵，计算权向量，然后以权向量计算评价值（见表8），矩阵经一致性检验后，计算权向量W。

表8 绿化效果下层次分析判断矩阵及其权重关系Table 8 Judgment matrix of hierarchical analysis and its weight relation under the greening effect

2.1.5 方案层相对于经济性判断矩阵

将经济性分解为养护管理成本和资源获取成本两个指标，对其进行比较，建立比较矩阵，计算权向量，然后以权向量计算评价值（见表9），矩阵经一致性检验后，计算权向量W。

表9 经济性下层次分析判断矩阵及其权重关系Table 9 AHP judgment matrix and its weight relation under economy

2.1.6 总层序一致性检验

为保证整体层次结构的科学性，进行一致性检验，CR=-0.003 6通过一致性检验（见表10）。

表10 总层次一致性检验Table 10 General level consistency test

2.1.7 权重结果

根据以上的判断矩阵和一致性的检验后，单排层序一致性检验与总层次一致性检验均小于0.1，表明判断矩阵可用，评价模型中的各指标权重系数合理（见表11）。

表11 权重分配表Table 11 Weight allocation table

2.2 各类别植物综合评价结果

2.2.1 乔木层综合排序

通过对31种乔木植物4个方面10个具体指标筛选后，加权得分排名前10位为樟子松、兴安落叶松、蒙古栎、花楸、白桦、山荆子、稠李等。此10 种可做为排土场示范区的乔木备选植物（见表12）。

表12 排名前10种乔木综合排序Table 12 10 Comprehensive evaluation of tree species

2.2.2 灌木层综合排序

通过对32种灌木4个方面10个具体指标筛选后，加权得分排名前10名为沙棘、珍珠梅、紫穗槐、柳叶绣线菊、胡枝子、紫丁香等。此10种可做为排土场北坡的灌木备选植物（见表13）。

表13 排名前10种灌木综合排序Table 13 10 Comprehensive evaluation of shrub species

2.2.3 草本层综合排序

通过对8种草本4个方面10个具体指标筛选，加权排名靠前的分别为马蔺、石竹、玉蝉花等（见表14）。

表14 8种草本综合排序Table 14 8 comprehensive ranking of herbs

3 讨论

3.1 基于排土场植物选择的层次模型结构建立的讨论研究

采矿业为国民经济的发展提供了80%以上的工业原材料，95%的一次性能源及70%以上的农业生产资料，但矿山在开采的过程中会大量剥离岩层表土，破坏原生植被，致使矿山裸露，环境恶化［14～16］，矿山开采后形成的排土场也会因人工以及自然的影响产生地质和一系列的生态危害。为降低这种危害，诸多学者提出需对矿山排土场进行修复，如植物修复、微生物修复、工程修复等。其中，植物修复因其具有成本低、效益高［17］的优点而逐渐成为排土场修复的主力军［18］，而且随着景观学的兴起，将植物修复与景观设计结合在一起也成为了新的研究方向之一［19～20］。植物材料对矿山环境生态适应性的强弱是植物修复技术中材料选择必须要考虑的方面，徐升华［21］在分析石灰石矿山植被复绿技术时表明，矿山的复绿植被选择需要考虑植物的生态适应性，因此凡是对当地环境具有较强适应性的乔、灌、草类植物都可为备选项，故此次分别从乔木、灌木和草本3 个层面进行筛选，增大植物的可选项；杨浩然［22］针对保定矿区复绿植物筛选中也表明，需要充分考虑植物的生态适应性。此次矿山排土场植物筛选生态适应性主要考量了植物抗寒性、抗旱性和耐阴性三个方面。抗寒、抗旱源于排土场位于寒区，冬季漫长寒冷，极端低温天气多，而且坡面风速大，水分蒸发量大，易造成干旱的胁迫，故植物的抗寒性和抗旱性是寒区矿山植物选择的基本要求之一。耐阴性是源于此次做生态恢复的排土场为北面的示范区，光照不充足，强喜阳植物容易受到抑制，故需

考虑植物特殊位置的习性需求。土壤是植物生长的基本元素之一，铜矿区植物选择需考虑植物对重金属的耐受性和富集性，但由于矿山排土场覆土时间只有四年，在为期两年的土壤调查中，也尚未发现土壤中含有过量的重金属，故在生态适应性中并未着重考量植物的耐重金属性。目前矿区开采尚在早期，随着今后开采年限的加长，土壤中可能会形成重金属的高富集和污染，故今后仍将持续检测矿山土壤中的重金属含量的检测。根据马锐等［23］对安太堡露天煤矿南排土场的分析可知，排土场是一类特殊的地质构造，易发生水土流失，故在对排土场植物筛选时需要充分考虑植物的生态防护性。此次筛选也将生态防护性纳入模型结构中，利用植物根系的固土能力和防风能力进行植物筛选，筛选出樟子松、沙棘、胡枝子等具有较高生态防护性的植物。王瀚文［24］等在利用层次分析法筛选风电场边坡适宜修复的植物时除考虑植物的生态适应性也充分考虑了景观性，郝桂芝［25］在进行重庆石灰岩废弃矿山生态修复植物的选择时也充分考虑到植物的观赏性，而且针对矿山生态恢复的评价，现也逐渐重视景观性，如张春燕［26］利用层次分析法构建北京市废弃矿山生态修复综合评价的指标体系时，将景观特征化为其中因子之一，可见，植物的景观性已经越来越是植物选择考虑的重要因素之一，故而本次进行植物筛选时充分考虑了植物的景观性，从植物绿化效果入手，考虑其绿期、观赏性以及生长速度，筛选出马蔺、白桦、蒙古栎、胡枝子、珍珠梅等绿化效果俱佳的植物。综上，本次利用层次分析构建生态适应性、生态防护性、景观性和经济性层次模型，筛选出排土场边坡适宜的乔灌草3大类植物，既可促进矿山植被的恢复也能重建破碎的景观。故今后在构建矿山排土场的植物筛选模型时，建议可充分将植物的生态适应性、生态防护性和景观性结合在一起，既可达到植物复绿的目的也可增加植物景观的异质性。

3.2 植物种类筛选的讨论研究

根据构建层次模型法，乔木类筛选出樟子松、兴安落叶松、蒙古栎、花楸、白桦、山荆子、稠李为备选植物。需要提出一点的是，因为是用于矿山排土场的复绿，此次所选取的木类苗木均为株高和冠幅较小的苗木（株高约30～100 cm）。因为小的苗木在风速较大的排土场上能减少水分蒸发从而增强适应性，提高成活率［27］。灌木类筛选出沙棘、珍珠梅、紫穗槐、柳叶绣线菊、胡枝子、紫丁香、榆叶梅、兴安刺玫等植物。这八类植物具有耐寒、耐旱、防风故固土能力强以及观赏效果好的特点，是此次寒区备选植物的首选项。草本类植物为筛选出的马蔺、石竹、玉蝉花、紫花苜蓿、柳兰。草本植物生命周期短，复绿效果快，成本低，是目前矿山修复的重要材料。而且此5 类植物经现场调查后，既是当地的乡土植物也是目前市场化较多的苗木，观赏性、防护性、生态性均较高。此次筛选出的植物在诸多矿山修复中也有较多的应用，如许小娟［28］等、张成才［29］等将紫穗槐、紫花苜蓿等作为生态修复的优选植物；陈来红［30］等在选择霍林河露天煤矿排土场植被时运用樟子松、沙棘、榆叶梅、胡枝子、紫穗槐、紫花苜蓿、进行恢复与重建，均产生了较好的效果。