基于模糊数学的复垦土壤综合肥力评价和趋势.pdf

第 2 O卷第 4期 2 0 1 1 年 4月 中 国 矿 业 CHI NA M I NI NG M AGAZI NE Vo I 2 O，No 4 Apr 201 1 基 于模糊数 学的复垦土壤综合肥力评价和趋势 王卓理 ， 耿鹏旭 ， 王海荣 ( 1 平顶山学院环境与地理科 学系，河南 平顶山 4 6 7 0 0 0 ； 2 河南省有 色金属地质矿产局第二地质大队 ，河南 郑州 4 5 0 0 1 6 ) 摘 要 ： 采集 了平顶 山采煤 塌陷地复垦土壤和塌 陷地 、正常农 田土壤的表层 混合样 ，测试分析 了土 壤 的养分状 况 ，建 立了综合肥力评价指标 体系 ，采 用模糊 数学方 法计算 了各指标 的隶属 度。结果显 示 ： 复垦 1 1年、6 年 、4年和 2年的土壤综合肥力指数为 0 6 9 、0 7 3 、0 6 5和 0 6 2 ；用 S P S S 1 3 0对复垦土 壤 的肥力演化进行 了回归分析 ，提出 了回归 函数模 型。为评价煤矿塌 陷区复垦地土 壤肥力质量 水平 ，提 供 了定量 的科 学的方法 ；为土地复垦 的验收 ，以及复垦地土壤 的改良提供科学 的依 据。 关键词 ： 复垦土壤 ；隶属 函数 ；综合肥力评价 ；回归分 析 中图分 类号 ：TD 8 8 ； S 1 5 8 文献标识码 ：A 文章编号 ：1 0 0 4 4 0 5 1( 2 0 1 1 )0 4 0 0 5 1 0 4 Co m p r e h e n s iv e a s s e s s me nt a n d t e nd e nc y a n a l y s is o f s o il f e r t il it y o f r e c l a ime d l a nd b a s e d o n f u z z y ma t h e ma t ic s W ANG Zh u o l i ， GENG Pe n g x v ， W ANG Ha i r o n g ( 1 De p a r t me n t o f e n v ir o n me n t a n d g e o g r a p h y，Pin g d in g s h a n Un iv e r s it y ，Pin g d in g s h a n 4 6 7 0 0 0 ，Ch in a ； 2 Th e s e c o n d b a t t a l io n o f n o n f e r r o u s me t a l g e o l o g y a n d min e r a l r e s o u r c e s b u r e a u，Z h e n g z h o u 4 5 0 0 1 6 ，Ch in a ) Ab s t r a c t ：Th e p a p e r t a k e s s u b s id e d l a n d in Pin g d in g s h a n Co a l M in e a s a n e x a m p l e ， s u r f a c e s o il s a mp l e s o f r e c l a i me d l a n d，s u b s i d e d l a n d a n d n o r ma l c u l t iv a t e d l a n d a r e c o l l e c t e d a n d d e t e r mi n e d Th e p a p e r s e t s u p in d ic a t o r s y s t e m o f c o mp r e h e n s iv e e v a l u a t io n o f s o il s f e r t il it y o f r e c l a ime d 1 a n d S u b o r d in a t e f u n c t io n s o f e v a l u a t io n in d e x e s a r e c a l c u l a t e d b y t h e wa y o f F u z z y ma t h e ma t ic s Th e r e s u l t s h o ws t h a t ： t h e in t e g r a t e d f e r t il it y inde x e s o f r e c l a ime d s o il a r e：11 y e a r s，0 6 9 ；6 y e a r s ，0 7 3；4 ye ar s，0 65；2 y e a r s，0 62 Th e c u r v e r e g r e s s io n o f c h a n g e t e n d e n c y o f t h e s o il f e r t il it y in r e c l a ime d l a n d is ma d e b y u s in g S P S S 1 3 0 An d t he r e gr e s s ion f un c t ion is pr e s e n t e dThe p ur p os e o f t he pa pe r is t o pr ov id e s c ie nt if ic ba s is f or a p pr ov a l a n d a me l io r a t io n o f s o il s o f r e c l a ime d l a n d ，a n d t o t a k e r e f e r e n c e s f o r s t u d ie s s imil a r a r e a Ke y wo r d s ：l a n d r e c l a ma t io n；s u b o r d in a t e f u n c t io n ； c o m p r e h e n s iv e a s s e s s me n t o f t h e s o il f e r t il it y ； r e gr e s s io n a na l ys is 1 问题 的提 出 煤矿区集煤炭 资源开采 、利用与 土地资源 占 用 、破坏 于一体 ，是 资源、环境 与人 口矛盾相对 集 中显现 的区域 之一 。煤 炭开采导 致 的土地资 源 破 坏 非 常严 重 ，矿 区 的 生 态 环 境 和 社 会 的可 持 续 发 展 受到 破 坏 和 威 胁 ，土地 复 垦 是 改 善 土 地 资 源 被破坏地区生态 环境 的必然选择 。 目前 ，我 国矿 收稿 日期 ：2 0 1 0 1 2 1 7 基 金项 目 ： 河南省科技厅科技攻关计划项 目 “ 煤矿塌 陷区复垦地生 态农业技术研究” ( 编 号 1 0 2 1 0 2 3 1 0 2 9 7 ) ；低 山丘 陵生态环境 与生 态 修复重 点实 验室资助项 目 作者简 介 ：王卓 理( 1 9 6 6 ) ，女 ，河 南 禹州人 ，硕 士 ，副教 授 ， 主要研究 方向 ：自然地 理，土壤环境 。 区复垦 土地 以农 业 利 用 为 主l_ 】 ，塌 陷 区土 地 治 理 和耕地恢 复一直是我 国土地 复垦的研究重点 ，受 到很多专家学者的广泛关注 。土地复垦 中的土地 复 垦的肥 力 状 况_ 3 以及 重 金 属 污 染 D _ 的研 究 ， 目前还处于初步阶段 ，研究 复垦土壤 的综合肥力 水平 及演 变趋 势具 有重 要 的意义 。 2材料 与方 法 研究 区为 平 顶 山煤 矿 八 矿 挖 深 垫浅 式 复垦 区。 研究 区位于北 亚热 带 向 暖温带 的过 渡地 带 ，区 内河 流均 属淮河 流域 沙颖 河水 系 ，水 系发 育 。平 顶 山煤 矿区的煤炭开采是 以井工开采 的方式进行的，对土 地资源的破坏主要是地下采煤造成的地表塌陷形成 中 国 矿 业 第2 O 卷 的采煤塌陷地。研究 区复垦面积约 2 0 0 h m 2 ，用途 全部为耕地 ，现种植小麦、玉米 、油菜等作物 。 供 试 土样 为 复 垦 土 壤 、塌 陷 区 未 复 垦 土 壤 及 其周围正常农 田土壤。2 0 0 7年 2 3月 ，在研究区 复垦 1 1 年 、6年 、4 年 和 2年 的典型地 块上 布设 采 样 点 4个 ，在塌 陷 区未 复 垦 地上 布 设 采 样 点 2个 ， 在复垦区附近正常农 田上布设对照样点 2 个 。在每 个采 样点 上 ，挖 掘土壤 剖 面 1 个 ，剖 面深 度根据 具 体情 况 而定 ，挖 至 下 部 的 母 质 层 或 地 下水 出 露 的 深度 。复垦 土 壤 各 剖 面 最 下 层 为 暗棕 色 的 由于 长 期积水形成的淤泥层 。分层采集土壤分析样 品1 k g 左右 ，在剖面点周围 0 6 h m。范围采集 土壤表层混 合样 品 1个 。本研究 挖 土壤剖 面 8 个 ，采 集 土壤表 层 混合样 8 个 ，土壤 剖 面样 2 5个 。 土壤 p H采用玻璃 电极法 ；容重采用环刀法 ； 土 壤含 水 量 和 吸 湿 水 采 用 烘 干 法 ；土 壤 机 械 组 成 采用吸管法 ；全 盐量用烘 干残渣法 ；有 机质采用 重 铬酸 钾容 量 法 一 外 加 热 ；碱 解 氮 采 用 碱 解 扩 散 法 ；有 效磷 采用 碳 酸 氢 钠 比色 法 ；速 效 钾 采 用 火 焰光度法_ 】 。采用盐酸一 硝酸一 氢氟酸 高氯酸全分解 的方 法 消 解 土 壤 样 品。土 壤 铜 、锌 、镍 和 总 铬 用 AA S法 ( 火焰原子分光光度法)测定，土壤铅和镉 用 F _ AAS法 ( 石墨炉 火 焰原 子 分光 光 度 法 )测定 。 仪器为 日本岛津 A A一6 6 0 1 F型原子吸收光谱仪 。 3 结 果与讨 论 3 1 复垦土壤质地、容重、土体构型的变化 土壤表层混 合样 土壤 质地 、容重、全 盐量和 土壤剖面地下水位情况 ，如表 1 所示。复垦土壤的 机 械组成 随 复垦时 间增 加 ，砂 粒 含量 由 2 3 O O 9 6 逐 渐减少为 1 3 3 6 ，复垦 2年 的为黏壤土 ，其他复 垦年份的土壤 质地为粉砂壤土 ，接近对照样 的土 壤质 地 。 土壤容重值为 1 1 9 1 5 3 g c m。 ，与复 垦年 限关系不 大 ，都 与 对 照 样 有 较 大 差 异 。复 垦 土 壤 的全盐量低 ，均低于 1 0 g k g 。复垦土壤 的全盐 量 和对 照 样 土 壤 相 比变 化 不 大 ，全 盐 量 均 在 较 低 的范围内，为非盐化 土，不构成影 响植物 正常生 长的障碍因素。 复垦土 壤 剖 面 层 与 层 之 间 发 生 学 上 的 联 系 不 明显 ，剖面最下层均 为暗棕色 的由于长期积水形 成的潜育层 ，是复垦前的表层土。复垦 2年的土壤 剖面结构分 层现象不 明显 ，层 内颜色不 匀 ，基本 均质 ，剖面中各层有 复垦时 留下 的黏土块或淤 泥 块 ，从土体构型上是 最差 的。随着耕作 时间 的增 加 ，土壤 剖面分 层 现 象 较 为 明 显 。复 垦 1 1年 的 土 壤，土体 5 0 c m 以上均质 ，土体构型 为 A P w C 型。土体构型随着复垦时间增加趋于好转。 3 2 复垦土壤速效养分的变化 复垦土壤中速效钾 的含量均处于较高的状态 ， 与该区域复垦前土壤 的钾含量较高一致 。有效磷 、 碱解氮和有机质 的含 量，随复 垦年限增加有一 定 增加 ，但无明显规律。p H 的值处于 7 5 7 8 9之 间，为弱碱性 ，变化不大 。土壤表层 混合样养 分 含量情况 ，见表 2 。 表 1 土壤表层混合样土壤质地 、容重 、全盐量和土壤剖面地下水位 采样点 土壤颗粒组成 土壤质地 土壤容重 全盐量 地下水 2 O 0 2 mm砂粒0 O 2 O 0 0 2 1 T i m 粉粒 O 0 0 2 mm黏粒 ( 美 国制)( g c m。 )( g k g ) 位 m 复垦 1 1年 复垦 6年 复垦 4年 复垦 2年 塌陷地 l 塌陷地 2 对照样 1 对 照样 2 第 4期 王卓理 ，等 ：基 于模糊数学 的复垦土壤综 合肥力评价和趋势 5 3 3 3 复垦土壤重金属含量的变化 复垦土壤中 C d 、P b 、C r 含量均高于土壤背景 值_ l 和国家二级 土壤标准_ 1 ，且 C d含量 高于塌 陷地和对照样。Z n和 Ni的含量均低于土壤背景值 和国家二级土壤标准 ，C u的含量高于土壤背景值 而低 于 国家 二 级 土 壤 标 准 。C r的含 量 随 着 复 垦 年 限的增加逐渐减少 ，其他 的重金属含量 与复垦年 限之间的关 系不 明显 。采用 内梅罗综合 污染指数 法 _ 1 对 土壤进行重 金 属污 染评 价 ，各 采样 点土 壤重 金属综合污染指数 均大于 1 ，研究区土壤污染等级 为轻度污染以上 ；复垦 2年和 4年的土壤综合污染 指数较高，污染等级为中度及重度污染 。土壤表层 混合样重金属含量及综合污染指数情况，见表 3 。 4 复垦 土壤综 合肥 力 的变化 及趋势 分 析 4 1 复垦土壤综合肥力评价 根据 研 究 区情 况 ，选 择 反 映 土 壤 化 学 和 物 理 特性以及环境 和生物等方面 的指标 ，进行土壤综 合肥力 的评价 。评 价指 标 体 系 由土 体 构 型 、容 重 、 地下水 位 、有 机 质、碱 解 氮 、有效 磷 、速 效 钾、 p H值、重金属综合污染指数 ( P )等 9个指标组 成 。采 用 统 计 软 件 S P S S 1 3 0的 因子 分 析 法 ，来 计算评价指标 的权重 ，进行归 一化处理 ，得到各 评价指 标 的权 重：土 体构 型、容 重、地 下水 位、 p H、有机质、碱解氮、有效磷、速效钾 、P 分别 是 0 0 9 、O 1 1 、O 0 9 、0 1 2 、0 1 1 、0 1 3 、0 1 3 、 0 1 2 、0 1 0 。各 评 价指标 的隶 属 函数 见 表 4 。 表 4 各评价指标 的隶属 函数 函数类型 评价因子水平 下限 上 限 抛物线 D 1 3 1 8 1 3 D 1 5 5 1 5 5 D 1 8 1 8 D S W H 2 2 0 W H 2 抛物线 6 5 p H7 5 5 0 8 5 5 p H 6 5 7 5 p H 8 5 p H 5，pH 8 5 S 0M 2 0 1 O 2 O 1 0 OM 2 0 OM 1 0 S AN 7 5 1 5 7 5 1 5 AN 7 5 AN 1 5 S AP 1 O 5 1 0 5 AP 1 0 AP 5 S AK 1 0 0 5 0 1 0 0 5 O AK 1 0 0 AK 5 O 反 S P N 1 1 3 1 PN 3 PN 3 隶属函数 容重 ( g c m。 ) 地下水位 m p H 有机质 ( g k g ) 碱解 氮( mg k g ) 速效磷 ( mg k g ) 速效钾 ( mg k g ) u 一 1 一 1 8 8 0 6 8 D 一 5 9 8 3 3 2 D 0 b t = 1 i f - W H 2 1 “ 0 1 + O 9 ( p H-5 ) ( 6 5 5 ) “ l 一0 9 X ( p H-7 5 )( 8 5 7 5 ) i f= 0 1 一 1 “ 0 1 + O 9 X ( 0 M 一 1 0 ) ( 2 O l o ) “ o 1 u o 1 + o 9X( AN u一 0 1 u= 1 “= 0 1 + 0 9( AP “= 0 1 “一 0 1 + 0 9X( AK u一 0 1 “一( 3一PN)2 “一 0 5 4 中 国 矿 业 第2 0 卷 根据各评价指标与土壤肥 力的函数关系 ，采 用模糊数 学 方法 建立 各评 价 指标 的相应 隶 属 函 数 1 5 - 1 8 ，计算其隶属度值 ，表示评价指标 的状态 值 。在获得 每个样 点各 个评 价指标 的隶属 度后 ， 根据模糊数 学中的加乘法原则_ 1 ，土壤综合肥力 的指数 值 I FI( I n t e g r a t e d F e r t il it y I n d e x )采 用 下 式 来计 算 ： 一 F W 式 中：I F I为土壤综合肥力指数值 ；F 为第 i 个指 标的隶属度；w 为第 i个指标 的权重。 采用式 ( 1 )计算得出各采样 点土壤综合肥力 评价指数为 ：复垦 1 1 年 、6年 、4年和 2年的评价 指数 为 0 6 9 、0 7 3 、0 6 5 和 0 6 2 ；塌陷地 为 0 5 8 和 0 9 0 ；对照样 为 0 7 4和 0 8 4 。 与对 照样 相 对 比，复 垦 2年 、4年 、6年 、 l 1 年的土壤综合肥力水平均较低 ，复垦 2年的最低 ， 随着复垦时间增加土壤综合肥力水平增加。 复垦土壤 地下水位、有机质 指标 的隶属度 值 不高 ，影响了综合评价 总值 。两者是 复垦土壤肥 力水平的限制因素 。复垦土壤的重金属污染方 面， 复垦 4年的土壤污染程度最重 ，复垦 2年也较重 ， 它们的综合污染指数 的隶属度 值低 ，也影 响了综 合肥力评价指数 。复垦土壤 的污染 问题应 给予重 视 ，复垦 中应 采 取 合 理 工 程 措 施 ，避 免 产 生 新 的 污染 。复 垦后 的 土 壤 应 根 据 情 况 进 行 土 壤 改 良， 并选择合适的种植品种。 4 2 复垦土壤综合肥力演化的趋势分析 从以上分析可以看出，挖深垫浅复垦 2 年土壤的 肥力水平较低，复垦土壤在经过一定时间的耕作培 肥 ，肥力水平逐渐提高 ；复垦 4年时 ，基本达 到较 高 地力水平 ；复垦 6 年的土壤肥 力 ，已达到较高 的地 力 水 平 ；复垦 1 1 年 的 土壤 ，维持 在 较 高 的地 力 水 平 。 复垦土壤综合肥力的演化趋势与 s型曲线模型拟合较 好，采用 S P S S 1 3 0 对复垦土壤的综合肥力指数进行 回归分析，得到的S型曲线函数方程式为 Y P( 一 0 3 1 6 0 3 3 0 t ) ( 2 ) 式中：Y为复垦 土壤 的综合 肥力指数 ；t 为复 垦时间 ( 单位 ：年) ；( R 一 0 6 8 0 ) 。 采用式 ( 2 )可以计算某 复垦年份 土壤 的综合 肥 力指 数 ，也 可 以在 已 知土 壤 的综 合肥 力 指 数 时 ， 计 算复 垦 的时 问 。 5 结 论 复垦土 壤 中，速 效 钾 、有效 磷 、碱解 氮 和 有机 质的含量随复垦年限增加有一定增加 ，但无 明显规 律；p H 的值均处于 7 5 7 8 9之间，为弱碱性 ；复 垦 2年土壤的肥力水平较低，复垦土壤在经过一定 时间的耕作培肥，肥力水平逐渐提高；复垦 4年时， 基本达到较高地力水平 ；复垦 6年的土壤肥力 ，已 达到较高 的地 力水平 ；复垦 l 1 年 的土壤 ，维 持在 较 高的地力水平。提出的复垦地土壤肥力质量的评价 方法 和土壤综合 肥 力演 化趋 势 函数模 型 ，有 利 于人 们得出定量的评价结果 ，为有关部 门验收和复查土 地复垦工程项 目提供了理论依据。 参考文献 1 颜世强，姚华军 ，胡小平我 国矿业破坏 土地复 垦问题及 对策 _ l J 中国矿业 ，2 0 0 8 ，1 7( 3 ) ：3 5 3 7 2 卞正富国内外煤矿 区土地复 垦研 究综述 J 中 国土 地 科学 ，2 0 0 0 ，1 4 ( 1 ) ： 6 1 1 3 顾和和，胡振琪 ，秦延春，等泥浆泵复垦土壤生产力的评 价及其土壤重构 盯资源科学 ， 2 0 0 0 ，2 2( 5 ) ： 3 7 4 1 4 李树志矸 石农业 复垦 的土壤特 性及剖 面结 构分析E J 煤矿环境保护 ，1 9 9 5 ，1 0 ( 4 ) ：2 5 2 7 5 张蕾娜 ，冯永 军采 煤 塌 陷区 复垦 土 地 的肥力 状况 研 究 J 福建水 土保持 ，2 0 0 1 ，1 3( 1 ) ：5 7 6 0 6 常秋玲 ，康鸳鸯河南采煤 塌 陷区土地复 垦与生态恢 复浅 析 J 中国矿业 ，2 0 0 6 ，1 5( 1 1 ) ：4 3 4 5 7 卞 正富矿 区土地复垦界面要素 的演替规 律及其调控 研究 J 中国土地科学 ，1 9 9 9 ，1 3( 2 ) ： 6 1 1 8 陈龙乾 ，邓喀 中，徐黎华 ，等矿 区复垦 土壤质量评 价方 法 J 中国矿业大学学报 ，1 9 9 9 ，2 8 ( 5 ) ：4 4 9 4 5 2 9 胡振琪 ，魏忠义 ，秦萍塌 陷地 粉煤灰充 填复垦 土壤的污 染性分 析 J 中国环境科学 ，2 0 0 4 ，2 4( 3 ) ： 3 1 1 3 1 5 r 1 0 B o u l a r b a h A，S c h w a r t z C，B i t t o n G，e t a 1 He