基于模糊綜合評價法的表土替代材料養分指標評價

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，通過室內盆栽試驗測定其理化性質，對比分析各處理的養分指標，利用模糊綜合評價法對表土替代材料養分指標進行評價，選出最優配比。結果表明，pH是表土替代材料養分指標評價的重要因子，在各個養分指標的含量中速效鉀水平最高，其次為有效磷，而有機質和堿解氮的含量較低;變異系數從大到小依次為堿解氮>有機質>有效磷>速效鉀>pH。主成分分析結果表明，各指標權重分別為pH 0.28、速效鉀0.26、堿解氮0.23、有效磷0.21、有機質0.02;模糊綜合評價結果表明，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]是此次試驗的最優配比。

關鍵詞 表土替代材料;養分指標;模糊綜合評價;主成分分析

中圖分類號 S 156.99文獻標識碼 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（資源服務）標識碼（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

基金項目

中國煤炭科工集團有限公司科技創新創業資金專項重點資助項目（2018-2-ZD005）;中煤科工集團沈陽設計研究院有限公司科技創新項目（NK001-2018）。

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

收稿日期 2021-05-10;修回日期 2021-06-17

我國內蒙古地區露天礦資源豐富，露天開采形成大量的平臺和邊坡，表面積遠大于原開采區的表面積，導致表土資源匱乏，急需適宜的表土替代材料來解決土地復墾過程中表土資源不足的問題[1]。以采礦工作產生的剝離物作為基質，經人工配比、改良，促使其風化、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排土場生態恢復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各土層物理、化學、生物和環境特性及出苗率的情況分別進行探討，總結出較為適宜的配方[5]，但尚未形成一種系統的方法。模糊綜合評價法在土壤肥力綜合評價中應用較多，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，得出合理的結果，并且結果清晰、系統性強。

2019年6月，該研究在內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，進行室內盆栽試驗，采用主成分分析法確定表土替代材料的養分指標權重，土壤養分指標是評價土壤肥力的重要標志，能供應和協調植物生長的營養與環境條件，對土地的可持續利用具有重要作用[6-7]。筆者利用模糊綜合評價法對表土替代材料的養分指標進行綜合評價，最終篩選出該試驗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，該礦區位于內蒙古自治區通遼市西北端，地理坐標為119°08′～119°46′E、45°10′～45°40′N。1～4號剝離物位于采坑東幫，5號剝離物位于采坑西幫。1～5號剝離物取土點高程分別為874、914、940、978和982 m。采集露天礦剝離物后將其風干、破碎后過3 mm篩備用，各礦山剝離物的養分初始值見表1。

該試驗利用5種礦山剝離物為基質，根據不同礦山剝離物選用的粒徑范圍設置3個粒徑處理，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。每種礦山剝離物設置4個用量水平，基于3因素4水平正交試驗得到16個處理，每個處理設3個重復，每個處理用土量1 kg，各處理用土量比例見圖1。將3個粒徑范圍處理與16個用量處理組合得到48個處理。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的硬質塑料盆中，加300 mL去離子水造墑，室溫下放置14 d后進行種植。披堿草種子經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、有機質、堿解氮、有效磷和速效鉀含量。

1.2 測定方法

土壤理化性質的測定方法參見《土壤農化分析》[8]，該試驗所測化學指標包括pH、有機質、堿解氮、有效磷和速效鉀;pH采用電位法測定，有機質采用重鉻酸鉀-濃硫酸外加熱法測定，堿解氮采用堿解擴散法測定，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法測定。

1.3 數據處理與分析

利用SPSS 26.0進行數據處理和主成分分析，利用Excel 2010進行模糊綜合評價;主成分分析中，公因子提取采用主成分法（或其他方法），因子旋轉采用斜交旋轉法;模糊評價中采用主成分分析法確定權重[9]。

2 結果與分析

2.1 表土替代材料養分指標的描述性統計分析 48種表土替代材料理化性質見圖2～6。

對48個表土替代材料處理的養分指標數據進行統計分析，結果發現（表3），表土替代材料的速效鉀含量平均值為354.31 mg/kg，根據第二次全國土壤普查制定的土壤養分分級標準，速效鉀含量達到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到3級水平;有機質含量為7.25～27.03 g/kg，大部分處于3級和4級，僅有12.5%處于5級，有機質含量較貧乏;堿解氮含量水平最低，均處在4級和5級范圍內。pH的變異系數最低，為0.73%，屬于弱變異;有機質和堿解氮的變異系數較大，分別為6.65%和7.72%，相對而言屬于強變異，說明表土替代材料中有機質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分別為4.29%和1.88%，屬于中等變異強度。

2.2 表土替代材料模糊綜合評價養分指標權重的確定

對pH、有機質、堿解氮、有效磷、速效鉀5個養分指標進行主成分分析，公共因子總方差見表4，前3個公共因子的特征值較高，累計貢獻率達85.165%，表明原來5個指標所反映信息可以由前3個主成分來表征。

通過斜交旋轉得到各因子旋轉成分矩陣見表5。結果表明，第一主成分特征值為2.207，貢獻率占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較低，而有機質對第一主成分的貢獻為負值，說明隨著速效鉀和pH貢獻的增加，有機質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）、有機質（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。

將旋轉成分矩陣荷載系數計算結果歸一化處理后確定各指標權重分別為pH 0.28、速效鉀0.26、堿解氮0.23、有效磷0.21、有機質0.02。

2.3 模糊綜合評價表土替代材料養分指標

對照第二次全國土壤普查制定的土壤養分分級表，根據各個養分指標所處范圍難以綜合判別表土替代材料的養分指標高低，故引用模糊綜合評價法進行綜合評判。該試驗采用模糊綜合評價的單級評判模型，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，包括pH、速效鉀、堿解氮、有效磷和有機質5個指標，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分分級表，該試驗中表土替代材料各指標的評價等級分為很高、高、中、低4個等級，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，而該試驗中表土替代材料的pH均為7.6～8.1，已在最適宜范圍內，故在此次評價中pH在7.6～8.7，等級均為很高。

（3）確定權重A={a 1，a 2，…，a n}。采用主成分分析結果確定各指標的權重[9]，該試驗中各指標權重見表6。

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

根據各養分指標與植物生長的關系[10]，該試驗中土壤pH、有機質、速效鉀、堿解氮和有效磷含量（X）與產量（Y）呈S型曲線關系[11]，隸屬函數為：

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為指標值，x max為指標中最大值，x min為指標中最小值，x 0為臨界值，從U到V的模糊關系矩陣為：

R=r 11…r 1m

r n1…r nm（2）

（5）進行綜合評判。由于U中的各因素有不同的側重，因此對每個因素賦予不同的權重。在該試驗中，權重矩陣為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，得到最終評判結果，需要對評判等級賦值，得出相當于各評判等級規定的參數列向量C=（c 1，c 2，…，c m）T，得出等級參數的評判結果：p=B×C，p是一個實數，可將各個指標綜合效應量化。評價結果見表7。

評價結果表明（表7），表土替代材料不同配比的養分指標評價結果（p值）在0.049 65～0.072 51，結合評價結果，并參考分等定級方法[12]，將表土替代材料養分指標等級劃分為4個等級，如表8所示。

48個表土替代材料配比等級見圖7，其中達到1級的表土替代材料配比為3C和11B，占比為4.17%，是此次配比試驗中最優的兩組配比，養分指標含量處于較高水平。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%，養分指標含量處于中等水平;4級表土替代材料僅有一個配比為15B，其占比為2.08%。

運用相同的評價體系對48個配比的初始養分指標進行評價，并將48個配比的養分指標評價結果與初始養分指標值相減，結果如圖8所示，其中35個配比的評價結果大于初始評價值，該試驗取土地較為集中，可以排除地理位置產生的差異。究其原因，表土替代材料的初始有機質含量為34.46 g/kg，而種植披堿草后有機質含量為7.25～27.03 g/kg，表明在植物生長期間有機質分解轉化為其他養分[13-16]，導致其含量顯著降低。

綜合養分指標等級與養分指標評價差值的結果，4號配比的評價結果優于其他配比，養分指標評價差值均較大，整體評價結果較好，3組配比中養分指標評價大小關系為4A>4C>4B，這表明A組配比選取的粒徑范圍較B、C兩組更加利于養分發揮作用。此次表土替代材料配比試驗中篩選出的最優配比為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 表土替代材料各養分指標情況

對48個表土替代材料處理的養分指標數據進行統計分析，發現表土替代材料的pH的變異系數最低，這與試驗中5種礦山剝離物本身pH相差不大有關;根據第二次全國土壤普查制定的土壤養分分級標準，速效鉀含量達到1級水平，有效磷含量均達到3級水平，有機質含量較低，有研究表明[17-18]，土壤有機質的含量與地形息息相關，高海拔有利于有機質的積累，而該試驗中所用剝離物均長時間處于地下較深處，不利于有機質的積累。堿解氮含量水平最低，均處在4級和5級范圍內，在無外源氮肥施入的情況下，土壤氮素的主要來源是有機質的分解，其次是生物固氮作用和大氣氮沉降[19]，而該試驗中有機質含量也較低，通過有機質分解獲得的氮素極少，因此后續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 模糊綜合評價養分指標權重的確定方法

在模糊綜合評價中構建權重向量至關重要，權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個養分指標進行綜合評價，結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重，采用模糊綜合評價法對建甌市毛竹林土壤肥力開展評價，結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指標權重分別為pH 0.28、速效鉀0.26、堿解氮0.23、有效磷0.21、有機質0.02，其中有機質由于在主成分分析中貢獻率較低導致其權重最低，權重的大小與表土替代材料養分指標的含量和變異系數關系密切。

3.3 模糊綜合評價結果

根據模糊綜合評價養分指標的結果，3組配比中養分指標評價大小關系為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，大粒徑有利于提高表土替代材料的通透性[21-22]，增強呼吸作用，減少板結，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分的礦化分解，因此養分含量較高[23]。而B組和C組的0.5～1.0 mm粒徑較多，粒徑較小導致表土替代材料透水性差，易板結，不利于植物生長。

4 結論

該研究利用模糊綜合評價法對表土替代材料養分指標進行評價，結果表明，pH是表土替代材料養分指標評價的重要因子，在各個養分指標的含量中速效鉀水平最高，其次為有效磷，而有機質和堿解氮的含量較低;變異系數從大到小依次為堿解氮>有機質>有效磷>速效鉀>pH。主成分分析結果表明，各指標的權重分別為pH 0.28、速效鉀0.26、堿解氮0.23、有效磷0.21、有機質0.02。

模糊綜合評價結果表明，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]明顯優于其他配比，為此次試驗篩選出的最優配比。

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