基于層次分析法的礦山高陡巖質邊坡生態修復綠化效果評價研究

趙金召，張兆長，李艷晨，楊 陽，南貴軍，何佳林，郭 姍

(河北省地質礦產勘查開發局國土資源勘查中心(河北省礦山和地質災害應急救援中心)，河北 石家莊 050081)

0 引 言

石材開采在推動社會經濟快速發展的同時，也形成了大量裸露高陡巖質的邊坡，造成了一系列嚴重的礦山生態環境問題，嚴重阻礙了社會的可持續發展，破壞了人與自然和諧共處，造成生態系統的不平衡[1-2]。2012年起，全國各地陸續開展“礦山復綠”行動[3]，習近平總書記在主持浙江工作期間，形成了以綠色為基調的生態文明思想，體現了以人為本、人與自然和諧為核心的生態理念和以綠色為導向的生態發展觀。十八大以來，習近平總書記明確把生態文明作為繼農業文明和工業文明之后的一個新階段，指出生態文明建設是政治，是關乎人民主體地位的體現、共產黨執政基礎的鞏固和中華民族偉大復興中國夢的實現。習近平總書記提出過不少關于生態文明建設的金句，“綠水青山就是金山銀山”“要像保護眼睛一樣保護生態環境”“良好生態環境是最普惠的民生福祉”“生態環境是關系黨的使命宗旨的重大政治問題”“山水林田湖草是生命共同體”“用最嚴格制度最嚴密法治保護生態環境”“共謀全球生態文明建設，深度參與全球環境治理”等。因此，高陡巖質邊坡的生態修復工作亟需進行。

目前，高陡巖質邊坡綠化技術主要有藤蔓垂直綠化技術[4]、植生袋技術[5-6]、三維植被網噴播技術[7-8]、爆破燕窩生態修復技術[9]、植被混凝土生態防護技術[10-11]、客土噴播施工技術[12-13]等，這些技術大多是采用工程技術對高陡巖質邊坡進行綠化，但關于高陡巖質邊坡生態修復綠化效果的評價卻鮮有研究。基于此，本文開創性地引入層次分析法建立了一套適合高陡巖質邊坡生態修復綠化效果的評價體系。

高陡巖質邊坡生態修復綠化效果評價是當前環境科學研究的熱點之一。目前，學者們對礦山環境評價的主要方法有層次分析法[14-16]、變權模糊綜合法[17]、FUZZY[18]、RS和GIS[19]、物元分析法[20-21]、遙感生態指數[22]等。其中，層次分析法是美國運籌學家SAATY等[23]提出的定性分析與定量分析相結合的多目標決策分析方法。該方法是一種簡單、方便、靈活、實用的多準則決策方法，量化了決策者的經驗，適用于數據缺乏、目標結構復雜的情況[13]。

1 評價體系的建立

生態環境評價面對的是一個多屬性、多標準和多層次的綜合系統，其指標體系的建立屬于多屬性評價問題[24]。影響高陡巖質邊坡生態環境的因素很多，本文以植被的生態適應性、復綠效果、經濟性和應用潛力為準則層，建立了以耐旱性、耐貧瘠性、耐高溫性、抗風性、生長速度、葉期、覆蓋度、成本、后期管護、資源量和后期市場為指標層的評價體系結構模型(圖1)。

圖1 評價體系結構模型Fig.1 Evaluation architecture model

1.1 適應性(B1)

植被的生態適應性直接關系到高陡巖質邊坡生態修復的成功與否。高陡巖質邊坡綠化植被的生態適應性包括耐旱性、耐貧瘠性、耐高溫性和抗風性四個指標，具體如下所述。

1.1.1 耐旱性(P1)

植物的耐旱性是植物對干旱的適應與抵抗能力，包括干旱屏蔽和干旱抵抗。高陡巖質邊坡生態修復后期植被養護困難，難以及時澆水。由于礦山綠化覆土較薄，保水時間和持水時間有限，這就要求綠化植被有較強的耐旱性，因此，植被抗旱性是高陡巖質邊坡生態修復的關鍵指標。

1.1.2 耐貧瘠性(P2)

植物的耐貧瘠性主要指植物在非生物因素和生物因素的影響下不適宜植物成長的特性。礦山生態修復使用的土壤多為生土，覆土層厚度遠小于農業和林業用土，大多數為基坑土，直接覆蓋在基巖上面。由于土壤稀薄，缺乏植被生長所需的養分，因此植被的耐貧瘠性是高陡巖質邊坡生態修復的重要指標。

1.1.3 耐高溫性(P3)

植物的耐高溫性是指植物對高溫脅迫的適應性和抵抗性。由于高陡巖質的陽坡夏季溫度特別高，因此高溫對植被的生理特性有較大影響，有些植被在高溫的情況下會致命，因此植被的耐高溫性是高陡巖質邊坡生態修復的尤為重要的指標。

1.1.4 抗風性(P4)

植物的抗風性是指植物適應和抵抗風倒、風折的能力。高陡巖質邊坡綠色植被的抗風性一般指攀援類植被吸附巖壁的強弱，主要是指早春大風下綠化植被吸附巖壁的強弱，因此抗風性是高陡巖質邊坡生態修復的重要指標。

1.2 復綠效果(B2)

復綠效果包括植被生長速度、葉期和覆蓋度三個指標，具體如下所述。

1.2.1 生長速度(P5)

植物的生長速度是指單位時間內植物重量、面積、長度、直徑或葉片數的增加量。高陡巖質邊坡的邊坡長度一般為幾十米至幾百米長，綠化工期短，這就要求綠化植被有較強的生長速度。因此，生長速度是高陡巖質邊坡生態修復特別重要的指標。

1.2.2 葉期(P6)

植物的葉期是指植被一年中生長葉子的期間。葉期內的植被不僅具有視覺美化作用，還有固氮釋氧、增濕降溫的生態效益。因此葉期是高陡巖質邊坡生態修復特別重要的指標。

1.2.3 覆蓋度(P7)

植物的覆蓋度指某一地區植物的垂直投影面積與該地區面積的比例，用百分比表示。通過植物莖葉向地面的投影面積來計算。覆蓋度是描述生態系統的重要技術數據，也是區域生態系統環境變化的重要指標，因此覆蓋度是高陡巖質邊坡生態修復的重要指標。

1.3 經濟性(B3)

經濟性包括成本和后期管護兩項指標，具體如下所述。

1.3.1 成本

成本是指單位綠化面積的價格。礦山高陡巖質邊坡的綠化不同于公路、鐵路沿線的綠化。由于沒有大量的資金支持，其綠化技術和綠化效果無法與沿線項目的邊坡綠化相比，這就需要綠化時最大程度地降低成本。因此成本是高陡巖質邊坡生態修復必須考慮的指標。

1.3.2 后期管護

后期管護是指對已完成的綠化工程的澆水、施肥、病蟲害防治、修剪、除草、養護等管理費用和當年種植的苗木、樹籬等植物的費用。礦山綠化往往是工程建成后的初始植被復綠效果較好，但后期由于綠化植被維護不足造成綠化植被死亡，因此后期管護是高陡巖質邊坡生態修復必須考慮的指標。

1.4 應用潛力(B4)

應用潛力包括資源量和后期市場兩項指標，具體如下所述。

1.4.1 資源量

植物資源量是指一定區域內植物的數量總和，包括植物的分布、密度等。礦山復綠要求復綠植被資源量豐富，可以滿足綠化的需求。因此，資源量是高陡巖質邊坡生態修復需要考慮的指標。

1.4.2 后期市場

后期市場指未來礦山綠化所需該種植物的數量。產量由銷量決定，在遵循市場規律的前提下，才能更好地開拓市場。

2 判斷矩陣構造及權重計算

2.1 標度分級與相對重要性判斷

在層次分析法綜合評價體系中，判斷矩陣的構造與層次單排序是根據目標層的要求，由礦山專業人員判斷各因素的相對重要性，并采用1～9分值標度對其進行量化(表1)，形成兩兩比較判斷矩陣，得到各指標的權重值。一致性檢驗是指對目標層A確定不一致的允許范圍，當一致性比率CR<0.10，判斷矩陣具有令人滿意的一致性，否則，重新進行兩兩比較判斷，計算公式見式(1)和式(2)。

表1 標度及相對重要性判斷Table 1 Scale and the relative importance of judgement

CR=CI/RI

(1)

CI=(λmax-n)/(n-1)

(2)

式中：λmax為最大特征根；n為判斷矩陣階數；RI為隨機一致性指標。

2.2 評分標準制定

各具體指標的評分標準根據入選綠色植物的生態適應性、綠化效果、經濟性和應用潛力，通過參考以往的評價體系和咨詢專家意見，制定評分標準(表2)。這一評分標準的得分采用10分制，以10分、8分、6分、4分、2分分別代表好、較好、中、差、極差。

表2 綠化植物篩選指標的評分標準Table 2 Scoring standard of greening plant screening index

2.3 構建判斷矩陣及一致性檢驗

構造目標層A相對于準則層B1、B2、B3(A-B)以及準則層Bi相對于標準層Pi(B1-Pi、B2-Pi、B3-Pi、B4-Pi)的判斷矩陣(表3)。將判斷矩陣中的數值輸入YA-AHP層次分析軟件中得到表4中的數值，結果表明，5個判斷矩陣一致性比率(表5)CR在0.005 4～0.017 6，均小于0.10，說明判斷矩陣具有較好的一致性，模型可靠。

表3 判斷矩陣及各指標權重值Table 3 Judgment matrix and weight of each factor

續表3

表4 指標層權重值的總排序Table 4 Total ranking of index layer weight values

續表4

表5 一致性檢驗Table 5 Consistency test

3 結 語

本文建立了一套適合高陡巖質邊坡生態修復綠化效果評價體系，并基于層次分析法構建判斷矩陣，確定了各指標的相對權重，為評價高陡巖質邊坡的復綠效果提供參考依據。從兩兩判斷矩陣及特征向量W的計算結果來看，耐旱性、生長速度、耐高溫和造價4個指標的權重值均大于0.10，且權重值較高，是本模型中反映綠化效果的關鍵指標。耐貧瘠性、資源量、葉期和后期管護4個指標的權重值在0.05～0.10之間，且權重值居中，是本次模型中反映綠化效果的重要指標。抗風性、后期市場和覆蓋度3個指標的權重值均低于0.05，是本次模型中反映綠化效果的一般指標。

復綠植被的生長受多種因素影響，植物本身、地下生境、地上環境和養護水平都會影響復綠植被的生長，從而影響生態修復的效果。作為高陡巖質邊坡生態修復綠化效果的評價體系，不可能考慮到所有的影響因素。因此，本研究在植被存活的前提下，構建了具有直觀指標的評價體系，為科學客觀評價高陡巖質邊坡綠生態修復效果提供了新思路。