基于层次分析法的矿山高陡岩质边坡生态修复绿化效果评价研究

赵金召，张兆长，李艳晨，杨 阳，南贵军，何佳林，郭 姗

(河北省地质矿产勘查开发局国土资源勘查中心(河北省矿山和地质灾害应急救援中心)，河北 石家庄 050081)

0 引 言

石材开采在推动社会经济快速发展的同时，也形成了大量裸露高陡岩质的边坡，造成了一系列严重的矿山生态环境问题，严重阻碍了社会的可持续发展，破坏了人与自然和谐共处，造成生态系统的不平衡[1-2]。2012年起，全国各地陆续开展“矿山复绿”行动[3]，习近平总书记在主持浙江工作期间，形成了以绿色为基调的生态文明思想，体现了以人为本、人与自然和谐为核心的生态理念和以绿色为导向的生态发展观。十八大以来，习近平总书记明确把生态文明作为继农业文明和工业文明之后的一个新阶段，指出生态文明建设是政治，是关乎人民主体地位的体现、共产党执政基础的巩固和中华民族伟大复兴中国梦的实现。习近平总书记提出过不少关于生态文明建设的金句，“绿水青山就是金山银山”“要像保护眼睛一样保护生态环境”“良好生态环境是最普惠的民生福祉”“生态环境是关系党的使命宗旨的重大政治问题”“山水林田湖草是生命共同体”“用最严格制度最严密法治保护生态环境”“共谋全球生态文明建设，深度参与全球环境治理”等。因此，高陡岩质边坡的生态修复工作亟需进行。

目前，高陡岩质边坡绿化技术主要有藤蔓垂直绿化技术[4]、植生袋技术[5-6]、三维植被网喷播技术[7-8]、爆破燕窝生态修复技术[9]、植被混凝土生态防护技术[10-11]、客土喷播施工技术[12-13]等，这些技术大多是采用工程技术对高陡岩质边坡进行绿化，但关于高陡岩质边坡生态修复绿化效果的评价却鲜有研究。基于此，本文开创性地引入层次分析法建立了一套适合高陡岩质边坡生态修复绿化效果的评价体系。

高陡岩质边坡生态修复绿化效果评价是当前环境科学研究的热点之一。目前，学者们对矿山环境评价的主要方法有层次分析法[14-16]、变权模糊综合法[17]、FUZZY[18]、RS和GIS[19]、物元分析法[20-21]、遥感生态指数[22]等。其中，层次分析法是美国运筹学家SAATY等[23]提出的定性分析与定量分析相结合的多目标决策分析方法。该方法是一种简单、方便、灵活、实用的多准则决策方法，量化了决策者的经验，适用于数据缺乏、目标结构复杂的情况[13]。

1 评价体系的建立

生态环境评价面对的是一个多属性、多标准和多层次的综合系统，其指标体系的建立属于多属性评价问题[24]。影响高陡岩质边坡生态环境的因素很多，本文以植被的生态适应性、复绿效果、经济性和应用潜力为准则层，建立了以耐旱性、耐贫瘠性、耐高温性、抗风性、生长速度、叶期、覆盖度、成本、后期管护、资源量和后期市场为指标层的评价体系结构模型(图1)。

图1 评价体系结构模型Fig.1 Evaluation architecture model

1.1 适应性(B1)

植被的生态适应性直接关系到高陡岩质边坡生态修复的成功与否。高陡岩质边坡绿化植被的生态适应性包括耐旱性、耐贫瘠性、耐高温性和抗风性四个指标，具体如下所述。

1.1.1 耐旱性(P1)

植物的耐旱性是植物对干旱的适应与抵抗能力，包括干旱屏蔽和干旱抵抗。高陡岩质边坡生态修复后期植被养护困难，难以及时浇水。由于矿山绿化覆土较薄，保水时间和持水时间有限，这就要求绿化植被有较强的耐旱性，因此，植被抗旱性是高陡岩质边坡生态修复的关键指标。

1.1.2 耐贫瘠性(P2)

植物的耐贫瘠性主要指植物在非生物因素和生物因素的影响下不适宜植物成长的特性。矿山生态修复使用的土壤多为生土，覆土层厚度远小于农业和林业用土，大多数为基坑土，直接覆盖在基岩上面。由于土壤稀薄，缺乏植被生长所需的养分，因此植被的耐贫瘠性是高陡岩质边坡生态修复的重要指标。

1.1.3 耐高温性(P3)

植物的耐高温性是指植物对高温胁迫的适应性和抵抗性。由于高陡岩质的阳坡夏季温度特别高，因此高温对植被的生理特性有较大影响，有些植被在高温的情况下会致命，因此植被的耐高温性是高陡岩质边坡生态修复的尤为重要的指标。

1.1.4 抗风性(P4)

植物的抗风性是指植物适应和抵抗风倒、风折的能力。高陡岩质边坡绿色植被的抗风性一般指攀援类植被吸附岩壁的强弱，主要是指早春大风下绿化植被吸附岩壁的强弱，因此抗风性是高陡岩质边坡生态修复的重要指标。

1.2 复绿效果(B2)

复绿效果包括植被生长速度、叶期和覆盖度三个指标，具体如下所述。

1.2.1 生长速度(P5)

植物的生长速度是指单位时间内植物重量、面积、长度、直径或叶片数的增加量。高陡岩质边坡的边坡长度一般为几十米至几百米长，绿化工期短，这就要求绿化植被有较强的生长速度。因此，生长速度是高陡岩质边坡生态修复特别重要的指标。

1.2.2 叶期(P6)

植物的叶期是指植被一年中生长叶子的期间。叶期内的植被不仅具有视觉美化作用，还有固氮释氧、增湿降温的生态效益。因此叶期是高陡岩质边坡生态修复特别重要的指标。

1.2.3 覆盖度(P7)

植物的覆盖度指某一地区植物的垂直投影面积与该地区面积的比例，用百分比表示。通过植物茎叶向地面的投影面积来计算。覆盖度是描述生态系统的重要技术数据，也是区域生态系统环境变化的重要指标，因此覆盖度是高陡岩质边坡生态修复的重要指标。

1.3 经济性(B3)

经济性包括成本和后期管护两项指标，具体如下所述。

1.3.1 成本

成本是指单位绿化面积的价格。矿山高陡岩质边坡的绿化不同于公路、铁路沿线的绿化。由于没有大量的资金支持，其绿化技术和绿化效果无法与沿线项目的边坡绿化相比，这就需要绿化时最大程度地降低成本。因此成本是高陡岩质边坡生态修复必须考虑的指标。

1.3.2 后期管护

后期管护是指对已完成的绿化工程的浇水、施肥、病虫害防治、修剪、除草、养护等管理费用和当年种植的苗木、树篱等植物的费用。矿山绿化往往是工程建成后的初始植被复绿效果较好，但后期由于绿化植被维护不足造成绿化植被死亡，因此后期管护是高陡岩质边坡生态修复必须考虑的指标。

1.4 应用潜力(B4)

应用潜力包括资源量和后期市场两项指标，具体如下所述。

1.4.1 资源量

植物资源量是指一定区域内植物的数量总和，包括植物的分布、密度等。矿山复绿要求复绿植被资源量丰富，可以满足绿化的需求。因此，资源量是高陡岩质边坡生态修复需要考虑的指标。

1.4.2 后期市场

后期市场指未来矿山绿化所需该种植物的数量。产量由销量决定，在遵循市场规律的前提下，才能更好地开拓市场。

2 判断矩阵构造及权重计算

2.1 标度分级与相对重要性判断

在层次分析法综合评价体系中，判断矩阵的构造与层次单排序是根据目标层的要求，由矿山专业人员判断各因素的相对重要性，并采用1～9分值标度对其进行量化(表1)，形成两两比较判断矩阵，得到各指标的权重值。一致性检验是指对目标层A确定不一致的允许范围，当一致性比率CR<0.10，判断矩阵具有令人满意的一致性，否则，重新进行两两比较判断，计算公式见式(1)和式(2)。

表1 标度及相对重要性判断Table 1 Scale and the relative importance of judgement

CR=CI/RI

(1)

CI=(λmax-n)/(n-1)

(2)

式中：λmax为最大特征根；n为判断矩阵阶数；RI为随机一致性指标。

2.2 评分标准制定

各具体指标的评分标准根据入选绿色植物的生态适应性、绿化效果、经济性和应用潜力，通过参考以往的评价体系和咨询专家意见，制定评分标准(表2)。这一评分标准的得分采用10分制，以10分、8分、6分、4分、2分分别代表好、较好、中、差、极差。

表2 绿化植物筛选指标的评分标准Table 2 Scoring standard of greening plant screening index

2.3 构建判断矩阵及一致性检验

构造目标层A相对于准则层B1、B2、B3(A-B)以及准则层Bi相对于标准层Pi(B1-Pi、B2-Pi、B3-Pi、B4-Pi)的判断矩阵(表3)。将判断矩阵中的数值输入YA-AHP层次分析软件中得到表4中的数值，结果表明，5个判断矩阵一致性比率(表5)CR在0.005 4～0.017 6，均小于0.10，说明判断矩阵具有较好的一致性，模型可靠。

表3 判断矩阵及各指标权重值Table 3 Judgment matrix and weight of each factor

续表3

表4 指标层权重值的总排序Table 4 Total ranking of index layer weight values

续表4

表5 一致性检验Table 5 Consistency test

3 结 语

本文建立了一套适合高陡岩质边坡生态修复绿化效果评价体系，并基于层次分析法构建判断矩阵，确定了各指标的相对权重，为评价高陡岩质边坡的复绿效果提供参考依据。从两两判断矩阵及特征向量W的计算结果来看，耐旱性、生长速度、耐高温和造价4个指标的权重值均大于0.10，且权重值较高，是本模型中反映绿化效果的关键指标。耐贫瘠性、资源量、叶期和后期管护4个指标的权重值在0.05～0.10之间，且权重值居中，是本次模型中反映绿化效果的重要指标。抗风性、后期市场和覆盖度3个指标的权重值均低于0.05，是本次模型中反映绿化效果的一般指标。

复绿植被的生长受多种因素影响，植物本身、地下生境、地上环境和养护水平都会影响复绿植被的生长，从而影响生态修复的效果。作为高陡岩质边坡生态修复绿化效果的评价体系，不可能考虑到所有的影响因素。因此，本研究在植被存活的前提下，构建了具有直观指标的评价体系，为科学客观评价高陡岩质边坡绿生态修复效果提供了新思路。