楊卓 程麗 盛世博 劉娜 辛建寶

摘要 為了篩選出一種適宜的表土替代材料，以5種采礦剝離物為原料，制成不同粒徑配比的表土替代材料，通過室內(nèi)盆栽試驗(yàn)測定其理化性質(zhì)，對比分析各處理的養(yǎng)分指標(biāo)，利用模糊綜合評價(jià)法對表土替代材料養(yǎng)分指標(biāo)進(jìn)行評價(jià)，選出最優(yōu)配比。結(jié)果表明，pH是表土替代材料養(yǎng)分指標(biāo)評價(jià)的重要因子，在各個(gè)養(yǎng)分指標(biāo)的含量中速效鉀水平最高，其次為有效磷，而有機(jī)質(zhì)和堿解氮的含量較低;變異系數(shù)從大到小依次為堿解氮>有機(jī)質(zhì)>有效磷>速效鉀>pH。主成分分析結(jié)果表明，各指標(biāo)權(quán)重分別為pH 0.28、速效鉀0.26、堿解氮0.23、有效磷0.21、有機(jī)質(zhì)0.02;模糊綜合評價(jià)結(jié)果表明，4A配比[其粒徑配比1號剝離物（2.0～3.0 mm）：2號剝離物（2.0～3.0 mm）：3號剝離物（1.0～2.0 mm）：4號剝離物（1.0～2.0 mm）：5號剝離物（0.5～1.0 mm）=4∶4∶2∶1∶3]是此次試驗(yàn)的最優(yōu)配比。

關(guān)鍵詞 表土替代材料;養(yǎng)分指標(biāo);模糊綜合評價(jià);主成分分析

中圖分類號 S 156.99文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A

文章編號 0517-6611（2022）02-0066-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.02.018

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Evaluation of Nutrient Indexes of Substitution Materials for Topsoil Based on Fuzzy Comprehensive Evaluation Method

YANG Zhuo，CHENG Li，SHENG Shi-bo et al （CCTEG Shenyang Engineering Company，Shenyang，Liaoning 110015）

Abstract In order to screen out a suitable topsoil substitute material，this study used five mining stripped materials as raw materials to make topsoil substitute materials with different particle size ratios.The physical and chemical properties were measured through indoor pot experiments，and the nutrient indicators of each treatment were compared and analyzed.The fuzzy comprehensive evaluation method was used to evaluate the nutrient index of the topsoil substitute material，and select the optimal ratio.The results showed that pH was an important factor for the evaluation of nutrient indicators of alternative topsoil materials.Among the content of various nutrient indicators，the level of available potassium was the highest，followed by available phosphorus，while the content of organic matter and alkaline nitrogen was lower;the coefficient of variation：alkaline nitrogen > organic matter> effective phosphorus>available potassium>pH.Principal component analysis results showed that the weight of each indicator was pH 0.28，available potassium 0.26，alkaline nitrogen 0.23，available phosphorus 0.21，organic matter 0.02.The fuzzy comprehensive evaluation results showed that the 4A ratio [the particle size ratio No.1 stripper （2.0-3.0 mm）：No.2 stripper （2.0-3.0 mm）：No.3 stripper （1.0-2.0 mm）：No.4 stripper （1.0-2.0 mm）：No.5 peeling object （0.5-1.0 mm）=4∶4∶2∶1∶3]was the optimal ratio of this test.

Key words Topsoil substitute materials;Nutrient index;Fuzzy comprehensive evaluation;Principal component analysis

基金項(xiàng)目

中國煤炭科工集團(tuán)有限公司科技創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)資金專項(xiàng)重點(diǎn)資助項(xiàng)目（2018-2-ZD005）;中煤科工集團(tuán)沈陽設(shè)計(jì)研究院有限公司科技創(chuàng)新項(xiàng)目（NK001-2018）。

作者簡介 楊卓（1985—），女，黑龍江伊春人，高級工程師，碩士，從事土地復(fù)墾與生態(tài)重建、綠色礦山建設(shè)等方面研究。

收稿日期 2021-05-10;修回日期 2021-06-17

我國內(nèi)蒙古地區(qū)露天礦資源豐富，露天開采形成大量的平臺和邊坡，表面積遠(yuǎn)大于原開采區(qū)的表面積，導(dǎo)致表土資源匱乏，急需適宜的表土替代材料來解決土地復(fù)墾過程中表土資源不足的問題[1]。以采礦工作產(chǎn)生的剝離物作為基質(zhì)，經(jīng)人工配比、改良，促使其風(fēng)化、熟化后的材料是較為理想的表土替代材料。適宜的表土替代材料可以為礦區(qū)排土場生態(tài)恢復(fù)植物提供良好的立地條件[2-4]。目前表土替代材料的篩選方法尚停留于根據(jù)各土層物理、化學(xué)、生物和環(huán)境特性及出苗率的情況分別進(jìn)行探討，總結(jié)出較為適宜的配方[5]，但尚未形成一種系統(tǒng)的方法。模糊綜合評價(jià)法在土壤肥力綜合評價(jià)中應(yīng)用較多，但尚未有人將這一方法用于篩選表土替代材料，這個(gè)方法很好地解決了各種不確定的、難以量化的問題，得出合理的結(jié)果，并且結(jié)果清晰、系統(tǒng)性強(qiáng)。

2019年6月，該研究在內(nèi)蒙古某礦山排土場選取5種露天礦剝離物，制成不同配比的表土替代材料，進(jìn)行室內(nèi)盆栽試驗(yàn)，采用主成分分析法確定表土替代材料的養(yǎng)分指標(biāo)權(quán)重，土壤養(yǎng)分指標(biāo)是評價(jià)土壤肥力的重要標(biāo)志，能供應(yīng)和協(xié)調(diào)植物生長的營養(yǎng)與環(huán)境條件，對土地的可持續(xù)利用具有重要作用[6-7]。筆者利用模糊綜合評價(jià)法對表土替代材料的養(yǎng)分指標(biāo)進(jìn)行綜合評價(jià)，最終篩選出該試驗(yàn)中最適宜的表土替代材料。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

2019年6月，在內(nèi)蒙古某礦山排土場選取5種露天礦剝離物，分別命名為1～5號剝離物，該礦區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)通遼市西北端，地理坐標(biāo)為119°08′～119°46′E、45°10′～45°40′N。1～4號剝離物位于采坑?xùn)|幫，5號剝離物位于采坑西幫。1～5號剝離物取土點(diǎn)高程分別為874、914、940、978和982 m。采集露天礦剝離物后將其風(fēng)干、破碎后過3 mm篩備用，各礦山剝離物的養(yǎng)分初始值見表1。

該試驗(yàn)利用5種礦山剝離物為基質(zhì)，根據(jù)不同礦山剝離物選用的粒徑范圍設(shè)置3個(gè)粒徑處理，各處理中1號、2號剝離物共用相同粒徑范圍，3號、4號共用相同粒徑范圍，各處理使用的粒徑范圍見表2。每種礦山剝離物設(shè)置4個(gè)用量水平，基于3因素4水平正交試驗(yàn)得到16個(gè)處理，每個(gè)處理設(shè)3個(gè)重復(fù)，每個(gè)處理用土量1 kg，各處理用土量比例見圖1。將3個(gè)粒徑范圍處理與16個(gè)用量處理組合得到48個(gè)處理。分別表示為1A～16A、1B～16B和1C～16C。各表土替代材料按配比要求共稱取1 kg，攪拌均勻后置于外口徑為15 cm、高10 cm的硬質(zhì)塑料盆中，加300 mL去離子水造墑，室溫下放置14 d后進(jìn)行種植。披堿草種子經(jīng)24 h恒溫催芽后，均勻地播種于室溫放置14 d的土壤中，播種深度為1.0～1.5 cm，每盆30粒。待披堿草出苗后第10天測定土壤的pH、有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷和速效鉀含量。

1.2 測定方法

土壤理化性質(zhì)的測定方法參見《土壤農(nóng)化分析》[8]，該試驗(yàn)所測化學(xué)指標(biāo)包括pH、有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷和速效鉀;pH采用電位法測定，有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀-濃硫酸外加熱法測定，堿解氮采用堿解擴(kuò)散法測定，有效磷采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定，速效鉀采用乙酸銨浸提火焰光度計(jì)法測定。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

利用SPSS 26.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和主成分分析，利用Excel 2010進(jìn)行模糊綜合評價(jià);主成分分析中，公因子提取采用主成分法（或其他方法），因子旋轉(zhuǎn)采用斜交旋轉(zhuǎn)法;模糊評價(jià)中采用主成分分析法確定權(quán)重[9]。

2 結(jié)果與分析

2.1 表土替代材料養(yǎng)分指標(biāo)的描述性統(tǒng)計(jì)分析 48種表土替代材料理化性質(zhì)見圖2～6。

對48個(gè)表土替代材料處理的養(yǎng)分指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)（表3），表土替代材料的速效鉀含量平均值為354.31 mg/kg，根據(jù)第二次全國土壤普查制定的土壤養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)，速效鉀含量達(dá)到1級水平;有效磷含量為11.22～17.29 mg/kg，各處理中有效磷含量均達(dá)到3級水平;有機(jī)質(zhì)含量為7.25～27.03 g/kg，大部分處于3級和4級，僅有12.5%處于5級，有機(jī)質(zhì)含量較貧乏;堿解氮含量水平最低，均處在4級和5級范圍內(nèi)。pH的變異系數(shù)最低，為0.73%，屬于弱變異;有機(jī)質(zhì)和堿解氮的變異系數(shù)較大，分別為6.65%和7.72%，相對而言屬于強(qiáng)變異，說明表土替代材料中有機(jī)質(zhì)和堿解氮含量受其他因素影響較大;有效磷和速效鉀變異系數(shù)分別為4.29%和1.88%，屬于中等變異強(qiáng)度。

2.2 表土替代材料模糊綜合評價(jià)養(yǎng)分指標(biāo)權(quán)重的確定

對pH、有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀5個(gè)養(yǎng)分指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，公共因子總方差見表4，前3個(gè)公共因子的特征值較高，累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)85.165%，表明原來5個(gè)指標(biāo)所反映信息可以由前3個(gè)主成分來表征。

通過斜交旋轉(zhuǎn)得到各因子旋轉(zhuǎn)成分矩陣見表5。結(jié)果表明，第一主成分特征值為2.207，貢獻(xiàn)率占44.146%，此主成分中荷載最大的因子為速效鉀（0.793），其次為pH（0.763）。堿解氮和有效磷對第一主成分貢獻(xiàn)較低，而有機(jī)質(zhì)對第一主成分的貢獻(xiàn)為負(fù)值，說明隨著速效鉀和pH貢獻(xiàn)的增加，有機(jī)質(zhì)對第一主成分的作用減弱，因此，第一主成分為速效鉀和pH綜合因子。

第二主成分特征值為1.091，貢獻(xiàn)率為21.826%，此成分荷載最大的因子為堿解氮（0.957），而后依次為pH（0.358）、速效鉀（0.303）、有機(jī)質(zhì)（0.201）和有效磷（0.057），這些因素荷載較低，因此第二主成分可以命名為堿解氮因子。

第三主成分特征值為0.960，貢獻(xiàn)率為19.193%，此成分荷載最大的因子為有效磷（0.983），其他因素荷載較低，因此，第三主成分可以命名為有效磷因子。

將旋轉(zhuǎn)成分矩陣荷載系數(shù)計(jì)算結(jié)果歸一化處理后確定各指標(biāo)權(quán)重分別為pH 0.28、速效鉀0.26、堿解氮0.23、有效磷0.21、有機(jī)質(zhì)0.02。

2.3 模糊綜合評價(jià)表土替代材料養(yǎng)分指標(biāo)

對照第二次全國土壤普查制定的土壤養(yǎng)分分級表，根據(jù)各個(gè)養(yǎng)分指標(biāo)所處范圍難以綜合判別表土替代材料的養(yǎng)分指標(biāo)高低，故引用模糊綜合評價(jià)法進(jìn)行綜合評判。該試驗(yàn)采用模糊綜合評價(jià)的單級評判模型，步驟如下：

（1）建立評判對象的因素集U={u 1，u 2，…，u n}，即表土替代材料肥力指標(biāo)，包括pH、速效鉀、堿解氮、有效磷和有機(jī)質(zhì)5個(gè)指標(biāo)，n=5。

（2）建立評判集V={v 1，v 2，…，v m}。參照第二次全國土壤普查制定的土壤養(yǎng)分分級表，該試驗(yàn)中表土替代材料各指標(biāo)的評價(jià)等級分為很高、高、中、低4個(gè)等級，即m=4，分別賦值2.0、1.0、0.5、-1.0，其中披堿草最適宜生長的pH在7.6～8.7，而該試驗(yàn)中表土替代材料的pH均為7.6～8.1，已在最適宜范圍內(nèi)，故在此次評價(jià)中pH在7.6～8.7，等級均為很高。

（3）確定權(quán)重A={a 1，a 2，…，a n}。采用主成分分析結(jié)果確定各指標(biāo)的權(quán)重[9]，該試驗(yàn)中各指標(biāo)權(quán)重見表6。

（4）建立單因素模糊綜合判斷矩陣。首先求得歸一化指標(biāo)關(guān)于等級的隸屬度，從而得到單因素評判矩陣R i={r i1，r i2，…，r in}，根據(jù)隸屬度函數(shù)構(gòu)建從U到V的模糊關(guān)系矩陣。

根據(jù)各養(yǎng)分指標(biāo)與植物生長的關(guān)系[10]，該試驗(yàn)中土壤pH、有機(jī)質(zhì)、速效鉀、堿解氮和有效磷含量（X）與產(chǎn)量（Y）呈S型曲線關(guān)系[11]，隸屬函數(shù)為：

u（x）=r ij=1（x ij≥x 0）

x 0-x ijx max-x min（x ij<x 0）（1）

式中，x ij為指標(biāo)值，x max為指標(biāo)中最大值，x min為指標(biāo)中最小值，x 0為臨界值，從U到V的模糊關(guān)系矩陣為：

R=r 11…r 1m

r n1…r nm（2）

（5）進(jìn)行綜合評判。由于U中的各因素有不同的側(cè)重，因此對每個(gè)因素賦予不同的權(quán)重。在該試驗(yàn)中，權(quán)重矩陣為A={0.28，0.26，0.23，0.21，0.02}，在R與A求出之后，模糊綜合評判為B=A×R。綜合評判后，B可看作是V上的模糊向量，即為B={b 1，b 2，…，b m}，采用最大隸屬法則處理，得到最終評判結(jié)果，需要對評判等級賦值，得出相當(dāng)于各評判等級規(guī)定的參數(shù)列向量C=（c 1，c 2，…，c m）T，得出等級參數(shù)的評判結(jié)果：p=B×C，p是一個(gè)實(shí)數(shù)，可將各個(gè)指標(biāo)綜合效應(yīng)量化。評價(jià)結(jié)果見表7。

評價(jià)結(jié)果表明（表7），表土替代材料不同配比的養(yǎng)分指標(biāo)評價(jià)結(jié)果（p值）在0.049 65～0.072 51，結(jié)合評價(jià)結(jié)果，并參考分等定級方法[12]，將表土替代材料養(yǎng)分指標(biāo)等級劃分為4個(gè)等級，如表8所示。

48個(gè)表土替代材料配比等級見圖7，其中達(dá)到1級的表土替代材料配比為3C和11B，占比為4.17%，是此次配比試驗(yàn)中最優(yōu)的兩組配比，養(yǎng)分指標(biāo)含量處于較高水平。其粒徑配比分別為3C中1號剝離物（1.0～2.0 mm）∶2號剝離物（1.0～2.0 mm）∶3號剝離物（0.5～1.0 mm）∶4號剝離物（0.5～1.0 mm）∶5號剝離物（2.0～3.0 mm）=1∶1∶1∶1∶1;11B中，1號剝離物（0.5～1.0 mm）∶2號剝離物（0.5～1.0 mm）∶3號剝離物（2.0～3.0 mm）∶4號剝離物（2.0～3.0 mm）∶5號剝離物（1.0～2.0 mm）=2∶4∶4∶3∶1。2級和3級表土替代材料占比較大，分別為58.33%和35.42%，養(yǎng)分指標(biāo)含量處于中等水平;4級表土替代材料僅有一個(gè)配比為15B，其占比為2.08%。

運(yùn)用相同的評價(jià)體系對48個(gè)配比的初始養(yǎng)分指標(biāo)進(jìn)行評價(jià)，并將48個(gè)配比的養(yǎng)分指標(biāo)評價(jià)結(jié)果與初始養(yǎng)分指標(biāo)值相減，結(jié)果如圖8所示，其中35個(gè)配比的評價(jià)結(jié)果大于初始評價(jià)值，該試驗(yàn)取土地較為集中，可以排除地理位置產(chǎn)生的差異。究其原因，表土替代材料的初始有機(jī)質(zhì)含量為34.46 g/kg，而種植披堿草后有機(jī)質(zhì)含量為7.25～27.03 g/kg，表明在植物生長期間有機(jī)質(zhì)分解轉(zhuǎn)化為其他養(yǎng)分[13-16]，導(dǎo)致其含量顯著降低。

綜合養(yǎng)分指標(biāo)等級與養(yǎng)分指標(biāo)評價(jià)差值的結(jié)果，4號配比的評價(jià)結(jié)果優(yōu)于其他配比，養(yǎng)分指標(biāo)評價(jià)差值均較大，整體評價(jià)結(jié)果較好，3組配比中養(yǎng)分指標(biāo)評價(jià)大小關(guān)系為4A>4C>4B，這表明A組配比選取的粒徑范圍較B、C兩組更加利于養(yǎng)分發(fā)揮作用。此次表土替代材料配比試驗(yàn)中篩選出的最優(yōu)配比為4A配比，其粒徑配比1號剝離物（2.0～3.0 mm）∶2號剝離物（2.0～3.0 mm）∶3號剝離物（1.0～2.0 mm）∶4號剝離物（1.0～2.0 mm）∶5號剝離物（0.5～1.0 mm）=4∶4∶2∶1∶3。

3 討論

3.1 表土替代材料各養(yǎng)分指標(biāo)情況

對48個(gè)表土替代材料處理的養(yǎng)分指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)表土替代材料的pH的變異系數(shù)最低，這與試驗(yàn)中5種礦山剝離物本身pH相差不大有關(guān);根據(jù)第二次全國土壤普查制定的土壤養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)，速效鉀含量達(dá)到1級水平，有效磷含量均達(dá)到3級水平，有機(jī)質(zhì)含量較低，有研究表明[17-18]，土壤有機(jī)質(zhì)的含量與地形息息相關(guān)，高海拔有利于有機(jī)質(zhì)的積累，而該試驗(yàn)中所用剝離物均長時(shí)間處于地下較深處，不利于有機(jī)質(zhì)的積累。堿解氮含量水平最低，均處在4級和5級范圍內(nèi)，在無外源氮肥施入的情況下，土壤氮素的主要來源是有機(jī)質(zhì)的分解，其次是生物固氮作用和大氣氮沉降[19]，而該試驗(yàn)中有機(jī)質(zhì)含量也較低，通過有機(jī)質(zhì)分解獲得的氮素極少，因此后續(xù)對表土替代材料的改良可考慮施加外源性氮肥來提高氮素含量。

3.2 模糊綜合評價(jià)養(yǎng)分指標(biāo)權(quán)重的確定方法

在模糊綜合評價(jià)中構(gòu)建權(quán)重向量至關(guān)重要，權(quán)重的確定方法一般有專家打分法、AHP法、主成分分析法等，其中主成分分析法應(yīng)用較為廣泛。劉少春等[20]采用主成分分析法對蔗田土壤12個(gè)養(yǎng)分指標(biāo)進(jìn)行綜合評價(jià)，結(jié)果表明蔗田土壤肥力水平總體偏低。趙蛟等[9]利用主成分分析法確定權(quán)重，采用模糊綜合評價(jià)法對建甌市毛竹林土壤肥力開展評價(jià)，結(jié)果表明建甌市毛竹林地土壤肥力總體屬于中上等水平。該研究采用主成分分析法確定模糊綜合評價(jià)指標(biāo)權(quán)重分別為pH 0.28、速效鉀0.26、堿解氮0.23、有效磷0.21、有機(jī)質(zhì)0.02，其中有機(jī)質(zhì)由于在主成分分析中貢獻(xiàn)率較低導(dǎo)致其權(quán)重最低，權(quán)重的大小與表土替代材料養(yǎng)分指標(biāo)的含量和變異系數(shù)關(guān)系密切。

3.3 模糊綜合評價(jià)結(jié)果

根據(jù)模糊綜合評價(jià)養(yǎng)分指標(biāo)的結(jié)果，3組配比中養(yǎng)分指標(biāo)評價(jià)大小關(guān)系為4A>4C>4B，從A、B、C 3組表土替代材料的粒徑配比情況來看，2.0～3.0 mm粒徑含量較多是A組表土替代材料的顯著特點(diǎn)，大粒徑有利于提高表土替代材料的通透性[21-22]，增強(qiáng)呼吸作用，減少板結(jié)，增加表土替代材料的孔隙度，提高持水量，并且由于水分含量高，不易于表土替代材料養(yǎng)分的礦化分解，因此養(yǎng)分含量較高[23]。而B組和C組的0.5～1.0 mm粒徑較多，粒徑較小導(dǎo)致表土替代材料透水性差，易板結(jié)，不利于植物生長。

4 結(jié)論

該研究利用模糊綜合評價(jià)法對表土替代材料養(yǎng)分指標(biāo)進(jìn)行評價(jià)，結(jié)果表明，pH是表土替代材料養(yǎng)分指標(biāo)評價(jià)的重要因子，在各個(gè)養(yǎng)分指標(biāo)的含量中速效鉀水平最高，其次為有效磷，而有機(jī)質(zhì)和堿解氮的含量較低;變異系數(shù)從大到小依次為堿解氮>有機(jī)質(zhì)>有效磷>速效鉀>pH。主成分分析結(jié)果表明，各指標(biāo)的權(quán)重分別為pH 0.28、速效鉀0.26、堿解氮0.23、有效磷0.21、有機(jī)質(zhì)0.02。

模糊綜合評價(jià)結(jié)果表明，4A配比[其粒徑配比1號剝離物（2.0～3.0 mm）∶2號剝離物（2.0～3.0 mm）∶3號剝離物（1.0～2.0 mm）∶4號剝離物（1.0～2.0 mm）∶5號剝離物（0.5～1.0 mm）=4∶4∶2∶1∶3]明顯優(yōu)于其他配比，為此次試驗(yàn)篩選出的最優(yōu)配比。

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