第２０卷第４期２０１１年４月中ＣＨＩＮＡ国矿业Ｖ０１．２０．ＮＯ．４Ａｐｒ．２０１１ＭＩＮＩＮＧＭＡＧＡＺＩＮＥ基于模糊数学的复垦土壤综合肥力评价和趋势王卓理１，耿鹏旭１，王海荣２（１．平顶山学院环境与地理科学系，河南平顶山４６７０００；２．河南省有色金属地质矿产局第二地质大队，河南郑州４５００１６）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１１年、６年、４年和２年的土壤综合肥力指数为０．６９、０．７３、０．６５和０．６２；用ＳＰＳＳ１３．０对复量土壤的肥力演化进行了回归分析，提出了回归函数模璋！。为评价煤矿塌陷区复垦地土壤肥力质量水平，提供ｒ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：ＴＤ８８；Ｓ１５８文献标识码：Ａ文章编号：１００４—４０５１（２０１１）０４—００５１一０４ＣｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅａｓｓｅｓｓｍｅｎｔａｎｄｔｅｎｄｅｎｃｙａｎａｌｙｓｉｓｏｆｓｏｉｌｆｅｒｔｉｌｉｔｙｏｆｒｅｃｌａｉｍｅｄｌａｎｄｂａｓｅｄＷＡＮＧＺｈｕｏ－ｌｉｌ，ＧＥＮＧ（１．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆｏｎｆｕｚｚｙｍａｔｈｅｍａｔｉｃｓ１，ＷＡＮＧＨａｉ—ｒｏｎｇｚＰｅｎｇ－ｘｖｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｎｄｇｅｏｇｒａｐｈｙ，ＰｉｎｇｄｉｎｇｓｈａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｐｉｎｇｄｉｎｇｓｈａｎ４６７０００，Ｃｈｉｎａ；ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ２．Ｔｈｅｓｅｃｏｎｄｂａｔｔａｌｉｏｎｏｆｎｏｎ—ｆｅｒｒｏｕｓｍｅｔａｌｇｅｏｌｏｇｙａｎｄｍｉｎｅｒａｌｂｕｒｅａｕ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ４５００１６，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅｐａｐｅｒｔａｋｅｓｓｕｂｓｉｄｅｄｌａｎｄｉｎＰｉｎｇｄｉｎｇｓｈａｎＣｏａｌＭｉｎｅａｓａｎｅｘａｍｐｌｅ，ｓｕｒｆａｃｅｓｏｉｌｓａｍｐｌｅｓｐａｐｅｒｓｅｔｓｕｐｅ—ｏｆｒｅｃｌａｉｍｅｄｌａｎｄ，ｓｕｂｓｉｄｅｄｌａｎｄａｎｄｎｏｒｍａｌｃｕｌｔｉｖａｔｅｄｌａｎｄａｒｅｃｏｌｌｅｃｔｅｄａｎｄｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ．Ｔｈｅｉｎｄｉｃａｔｏｒｓｙｓｔｅｍｏｆｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｅｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆｓｏｉｌｓｆｅｒｔｉｌｉｔｙｏｆｒｅｃｌａｉｍｅｄｌａｎｄ．ＳｕｂｏｒｄｉｎａｔｅｆｕｎｃｔｉｏｎｓｏｆｖａｌｕａｔｉｏｎｉｎｄｅｘｅｓａｒｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄｂｙｔｈｅｗａｙｏｆＦｕｚｚｙｍａｔｈｅｍａｔｉｃｓ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｈｏｗｓｔｈａｔ：ｔｈｅｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｆｅｒｔｉｌｉｔｙｉｎｄｅｘｅｓｏｆｒｅｃｌａｉｍｅｄｓｏｉｌａｒｅ：１１ｙｅａｒｓ，０．６９；６ｙｅａｒｓ，０．７３；４ｙｅａｒｓ，０．６５；２ｙｅａｒｓ。０．６２．ＴｈｅｃｕｒｖｅｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎｏｆｃｈａｎｇｅｔｅｎｄｅｎｃｙｏｆｔｈｅｓｏｉｌｆｅｒｔｉｌｉｔｙｉｎｒｅｃｌａｉｍｅｄｌａｎｄｉｓｍａｄｅｂｙｕｓｉｎｇＳＰＳＳ１３．０．ｏｆｔｈｅｐａｐｅｒｉｓｔＯＡｎｄｔｈｅｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎｆｕｎｃｔｉｏｎｉｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．ＴｈｅｐｕｒｐｏｓｅｔＯｐｒｏｖｉｄｅｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃｂａｓｉｓｆｏｒａｒｅａ．ａｐｐｒｏｖａｌａｎｄａｍｅｌｉｏｒａｔｉｏｎｏｆｓｏｉｌｓｏｆＫｅｙｗｏｒｄｓ：ｌａｎｄｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓｒｅｃｌａｉｍｅｄｌａｎｄ，ａｎｄｔａｋｅｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓｆｏｒｓｔｕｄｉｅｓｓｉｍｉｌａｒｒｅｃｌａｍａｔｉｏｎ；ｓｕｂｏｒｄｉｎａｔｅｆｕｎｃｔｉｏｎ；ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅａｓｓｅｓｓｍｅｎｔｏｆｔｈｅｓｏｉｌｆｅｒｔｉｌｉｔｙ；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：２０１０—１２—１７基金项目：河南省科技厅科技攻关计划项目“煤矿塌陷Ⅸ复垦地生态农业技术研究”（编号１０２１０２３１０２９７）；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（１９６６一），女．河南禹州人。硬士．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Ｄ，ｚ３，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－”胡以及重金属污染一’１０－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万方数据中国矿业的采煤塌陷地。研究区复垦面积约２００ｈｍ２，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。２００７年２～３月，在研究区复垦１１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１ｋｇ左右，在剖面点周围０．６ｈｍ２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２５个。土壤ｐＨ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¨１｜。采用盐酸一硝酸一氢氟酸一高氯酸全分解的方法消解土壤样品。土壤铜、锌、镍和总铬用ＡＡＳ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ＡＡ－－６６０１Ｆ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、全盐量和表ｌ采样点第２０卷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２３．ｏｏ％逐渐减少为１３．３６％，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１．１９～１．５３ｇ／ｃｍ３，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１．０ｇ／ｋｇ。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嗣内，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１１年的土壤，土体５０ｃｍ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。ｐＨ的值处于７．５～７．８９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。土壤表层混合样土壤质地、容重、全盐■和土壤剖面地下水位土壤颗粒组成／％土壤质地＜Ｏ．００２土壤容１／全盐置／地下水位／ｍ２～Ｏ．０２ｍｍ砂粒０．０２～Ｏ．００２ｍｌ－ｉｌ粉粒ｍｍ黏粒（美圜制）（ｇ／ｃｍ３）（ｇ／ｋｇ）复垦１１年复垦６年复垦４年复垦２年塌陷地ｌ塌陷地２对照样ｌ对照样２７．５６７．５３７．７９７．８９７．９６７．７６７．５７７．６２１０．７２７７．０８１０７．１３１１３．３３４４．８２７２．１２６４．０８４５．０６６３．２９１２０．７６２５．９ｌ５１．１６６．４１２２．０９１７．８０９．３３９．８４３６．５６８．４１１５．２４２．９２６．２７９．４５９５．１８１１８．２８１２９．６０１５１．３７１１０．０２６．４４９．８４８．５４７．Ｓ９万方数据第４期王卓理，等：基于模糊数学的复垦士壤综合肥力评价和趋势表３土壤表层混合样重金属含量Ｉｍｇ／ｋｇ）及综合污染指数氏５３样品号Ｃｄ１．１５Ｉ．０６３．１２１，０２１－９７０．５４０．９９０．６１Ｐｂ７８．３ｌ１０４．２１４１．９２４５．１５５３．５６６８．３５６６．８５１１２．１２２１．９３５０Ｃｕ２９．６８Ｚｎ５４．６８５３．２３５０．２４２８．８１１２９．７３３．４３３４．００１６．０１７１．１３００Ｎｉ１２．１８９．４１１９．６８１５．１２３８．３８７３．２１１３．２９４９．６５２９．６６０（：ｒ３６５．０１３８９．０９６９８．３２７６３．４０７ＺＯ．５７４４９．００氏１・４４１・３５３．８３２・２６２．５０１．３８２．３５１．３４复垦１１年复垦６年５５．６４４２．２９４５．０ｌ４７．９１３９．９ｌ１７．２６２９．５７２４．１１００复基４年复垦２年塌陷地ｌ塌陷地２对照样ｌ７１１．５８４４６．０６６６．６２５０对照样２土壤背景值０．１０国家二级土壤标准０．６３．３复垦土壤重金属含量的变化复垦土壤中Ｃｄ、Ｐｂ、Ｃｒ含量均高于土壤背景４复垦±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、ｐＨ值、重金属综合污染指数（ＰＮ）等９个指标组成。采用统计软件ＳＰＳＳ１３．０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、ｐＨ、有机质、碱解氮、有效磷、速效钾、Ｐｘ分别是０．０９、０．１１、０．０９、０．１２、０．１１、０．１３、０．１３、值ｎ２１和国家二级土壤标准Ｈ引，且Ｃｄ含量高于塌陷地和对照样。Ｚｎ和Ｎｉ的含量均低于土壤背景值和国家二级土壤标准，Ｃｕ的含量高于土壤背景值而低于国家二级土壤标准。Ｃｒ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［１４］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；复基２年和４年的土壤综合污染指数较高，污染等级为巾度及重度污染。土壤表层混合样重金属含量及综合污染指数情况，见表３。０．１２、０．１０。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１．８隶属甬数ｐ２１弘一１．８８—０．６８×Ｄ“＝５．９８—３．３Ｚ×Ｄ弘５０容重／（ｇ／ｃｍ３）抛物线Ｄ≤１．３１．３＜Ｄ≤１．５５１．Ｓ５＜Ｄ≤１．８１．８≤Ｄ地下水位／ｍＳＷＨ≥２ＷＨ＜２ｐＨ２．０弘＝１“＝ＷＨ／２５．０８．５抛物线６．５≤ｐＨ≤７．５５＜ｐＨ＜６．５７．５＜ｐＨ＜８．５ｐＨ≤５，ｐＨ≥８．５ｐ＝１ｕ一０．１＋０．９×（ｐＨ一５）／（６．５—５）Ⅱ＝１—０．９Ｘ（ｐＨ一７．５）／（８．５—７．５）｜｜＝Ｏ．１有机质／（ｇ．ｋｇ“）ＳＯＭ７≥Ｚ０１０２０ｐ。ｌＩＩ＝Ｏ．１＋Ｏ．９×（ＯＭ一１０）／（２０一１０）ｕ＝０．１１０≤ＯＭ＜２００Ｍ＜１０碱解氮／（ｒａｇ／ｋｇ）ＳＡＮ≥７５１５≤ＡＮ＜７５ＡＮ＜１５１５７５芦一１Ｉｌ一０．１＋Ｏ．９Ｘ（ＡＮ一１５）／（７５—１５）Ｍ－一０．１速效磷／（ｍｇ／ｋｇ）ＳＡＰ≥１０５≤ＡＰ＜１０５１０“＝ｌ且一０．１＋０．９Ｘ（ＡＰ－５）／（１０一５）ｕ一０．１ＡＰ＜５速效钾／（ｍｇ／ｋｇ）ＳＡＫ≥１００５０≤ＡＫ＜１００ＡＫ＜５０ＰＮ反ＳＰＮ≤ｌ１３５０１００“＝ｌ“＝０．１＋０．９×（ＡＫ一５０）／（１００－５０）“＝０。ｌｐ＝ｌｕ＝；（３一ＰＮ）／２１＜ＰＮ＜３万方数据５４中国矿业第２０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ｎ５＿１８‘，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ｎ引，土壤综合肥力的指数值ＩＦＩ（ＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＦｅｒｔｉｌｉｔｙＩｎｄｅｘ）采用下式来计算：腰Ｊ一∑Ｆ，×Ｗ式中：ＩＦＩ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１１年、６年、４年和２年的评价指数为０．６９、０．７３、０．６５和０．６２；塌陷地为０．５８和０．９０；对照样为０．７４和０．８４。与对照样相对比，复垦２年、４年、６年、１１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Ｔ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１１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ＳＰＳｓ１３．０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—ｅ（一０．３１６—０．３３０／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）；（Ｒ２＝０．６８０）。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，计算复垦的时间。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，但无明显规万方数据律；ｐＨ的值均处于７．５～７．８９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１１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口］．中国矿业，２００８，１７（３）：３５—３７．［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．２０００，１４（１）：６—１１．［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［刀．资源科学，２０００，２２（５）：３７—４１．［４］李树志．矸石农业复垦的土壤特性及剖面结构分析［Ｊ］．煤矿环境保护。１９９５。１０（４）：２５—２７．［６］张蕾娜，冯永军．采煤塌陷区复垦土地的肥力状况研究ＥＪ］．福建水土保持，２００１，１３（１）：５７—６０．［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。２００６．１５（１１）；４３—４５．［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，１９９９，１３（２）：６一１１．［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，１９９９，２８（５）：４４９—４５２．［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，２００４，２４（３）Ｉ３１１—３１５．ｒ１０３ＢｏｕｌａｒｂａｈＡ。ＳｃｈｗａｒｔｚＣ，ＢｉｔｔｏｎＧ，ｅｔａ１．ＨｅａｖｙｍｅｔａｌｃｏｎｔａｍｉｎａｔｉｏｎｆｒｏｍｍｉｎｉｎｇｓｉｔｅｓｉｎＳｏｕｔｈＭｏｒｏｃｃｏｌ２．Ａｓ—ｓｅｓｓｍｅｎｔｏｆｍｅｔａｌａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｔｏｘｉｃｉｔｙｉｎｐｌａｎｔｓ［Ｊ］．Ｃｈｅｍｏｓｐｈｅｒｅ，２００６，６３（５）：８１ｌ一８１７．［１１］中国土壤学会．土壤农业化学分析方法（第ｌ版）［Ｍ］．北京：中国农业科技出版社，２０００．［１２］国家环境监测总站．中国土壤元素背景值［Ｍ］．北京：中国环境科学出版社。１９９０：９３—２５６．［１３］国家环境保护局．土壤环境质量标准（ＧＢｌ５６１８—１９９５）Ｉｓ］．北京：中国标准出版社。１９９５．［１４］国家环境保护局．ＨＪ／Ｔ１６—２００４土壤环境监测技术规范［ｓ］．北京：中国环境科学出版社。２００４．［１５］王建国．杨林章，单艳红．模糊数学在土壤质量评价中的应用研究［Ｊ］．土壤学报，２００１。３８（２）：１７６—１８３．［１６］吴长悦．矿区复垦农业用地验收标准研究［Ｄ］．［硕士论文］河北理１＝大学，２００６．［１７］夏建国，李廷轩．主成分分析法在耕地质量评价中的应用［Ｊ］．西南农业学报，２０００，１３（２）；５１～５５．［１８］ＢｕｒｒｏｕｇｈＰＡ．Ｆｕｚｚｙｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｅｔｈｏｄｓｆｏｒｓｏｉｌｓｕｒｖｅｙａｎｄｌａｎｄｅｖａｌｕａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌｏｆｓｏｉｌｓｃｉｅｎｃｅ，１９８９，４０；４４７—４９２．唐晓平，陈健飞．Ｆｕｚｚｙ综合评判法在紫色土肥力评价中的应用［Ｊ］．福建师范大学学报，１９９６，１２（２）：１０７—１１３．［１９］