基于模糊综合评价法的表土替代材料养分指标评价

摘要 为了筛选出一种适宜的表土替代材料，以5种采矿剥离物为原料，制成不同粒径配比的表土替代材料，通过室内盆栽试验测定其理化性质，对比分析各处理的养分指标，利用模糊综合评价法对表土替代材料养分指标进行评价，选出最优配比。结果表明，pH是表土替代材料养分指标评价的重要因子，在各个养分指标的含量中速效钾水平最高，其次为有效磷，而有机质和碱解氮的含量较低;变异系数从大到小依次为碱解氮>有机质>有效磷>速效钾>pH。主成分分析结果表明，各指标权重分别为pH 0.28、速效钾0.26、碱解氮0.23、有效磷0.21、有机质0.02;模糊综合评价结果表明，4A配比[其粒径配比1号剥离物（2.0～3.0 mm）：2号剥离物（2.0～3.0 mm）：3号剥离物（1.0～2.0 mm）：4号剥离物（1.0～2.0 mm）：5号剥离物（0.5～1.0 mm）=4∶4∶2∶1∶3]是此次试验的最优配比。

关键词 表土替代材料;养分指标;模糊综合评价;主成分分析

中图分类号 S 156.99文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2022）02-0066-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.02.018

开放科学（资源服务）标识码（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

基金项目

中国煤炭科工集团有限公司科技创新创业资金专项重点资助项目（2018-2-ZD005）;中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司科技创新项目（NK001-2018）。

作者简介 杨卓（1985—），女，黑龙江伊春人，高级工程师，硕士，从事土地复垦与生态重建、绿色矿山建设等方面研究。

收稿日期 2021-05-10;修回日期 2021-06-17

我国内蒙古地区露天矿资源丰富，露天开采形成大量的平台和边坡，表面积远大于原开采区的表面积，导致表土资源匮乏，急需适宜的表土替代材料来解决土地复垦过程中表土资源不足的问题[1]。以采矿工作产生的剥离物作为基质，经人工配比、改良，促使其风化、熟化后的材料是较为理想的表土替代材料。适宜的表土替代材料可以为矿区排土场生态恢复植物提供良好的立地条件[2-4]。目前表土替代材料的筛选方法尚停留于根据各土层物理、化学、生物和环境特性及出苗率的情况分别进行探讨，总结出较为适宜的配方[5]，但尚未形成一种系统的方法。模糊综合评价法在土壤肥力综合评价中应用较多，但尚未有人将这一方法用于筛选表土替代材料，这个方法很好地解决了各种不确定的、难以量化的问题，得出合理的结果，并且结果清晰、系统性强。

2019年6月，该研究在内蒙古某矿山排土场选取5种露天矿剥离物，制成不同配比的表土替代材料，进行室内盆栽试验，采用主成分分析法确定表土替代材料的养分指标权重，土壤养分指标是评价土壤肥力的重要标志，能供应和协调植物生长的营养与环境条件，对土地的可持续利用具有重要作用[6-7]。笔者利用模糊综合评价法对表土替代材料的养分指标进行综合评价，最终筛选出该试验中最适宜的表土替代材料。

1 材料与方法

1.1 样品采集

2019年6月，在内蒙古某矿山排土场选取5种露天矿剥离物，分别命名为1～5号剥离物，该矿区位于内蒙古自治区通辽市西北端，地理坐标为119°08′～119°46′E、45°10′～45°40′N。1～4号剥离物位于采坑东帮，5号剥离物位于采坑西帮。1～5号剥离物取土点高程分别为874、914、940、978和982 m。采集露天矿剥离物后将其风干、破碎后过3 mm筛备用，各矿山剥离物的养分初始值见表1。

该试验利用5种矿山剥离物为基质，根据不同矿山剥离物选用的粒径范围设置3个粒径处理，各处理中1号、2号剥离物共用相同粒径范围，3号、4号共用相同粒径范围，各处理使用的粒径范围见表2。每种矿山剥离物设置4个用量水平，基于3因素4水平正交试验得到16个处理，每个处理设3个重复，每个处理用土量1 kg，各处理用土量比例见图1。将3个粒径范围处理与16个用量处理组合得到48个处理。分别表示为1A～16A、1B～16B和1C～16C。各表土替代材料按配比要求共称取1 kg，搅拌均匀后置于外口径为15 cm、高10 cm的硬质塑料盆中，加300 mL去离子水造墒，室温下放置14 d后进行种植。披碱草种子经24 h恒温催芽后，均匀地播种于室温放置14 d的土壤中，播种深度为1.0～1.5 cm，每盆30粒。待披碱草出苗后第10天测定土壤的pH、有机质、碱解氮、有效磷和速效钾含量。

1.2 测定方法

土壤理化性质的测定方法参见《土壤农化分析》[8]，该试验所测化学指标包括pH、有机质、碱解氮、有效磷和速效钾;pH采用电位法测定，有机质采用重铬酸钾-浓硫酸外加热法测定，碱解氮采用碱解扩散法测定，有效磷采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定，速效钾采用乙酸铵浸提火焰光度计法测定。

1.3 数据处理与分析

利用SPSS 26.0进行数据处理和主成分分析，利用Excel 2010进行模糊综合评价;主成分分析中，公因子提取采用主成分法（或其他方法），因子旋转采用斜交旋转法;模糊评价中采用主成分分析法确定权重[9]。

2 结果与分析

2.1 表土替代材料养分指标的描述性统计分析 48种表土替代材料理化性质见图2～6。

对48个表土替代材料处理的养分指标数据进行统计分析，结果发现（表3），表土替代材料的速效钾含量平均值为354.31 mg/kg，根据第二次全国土壤普查制定的土壤养分分级标准，速效钾含量达到1级水平;有效磷含量为11.22～17.29 mg/kg，各处理中有效磷含量均达到3级水平;有机质含量为7.25～27.03 g/kg，大部分处于3级和4级，仅有12.5%处于5级，有机质含量较贫乏;碱解氮含量水平最低，均处在4级和5级范围内。pH的变异系数最低，为0.73%，属于弱变异;有机质和碱解氮的变异系数较大，分别为6.65%和7.72%，相对而言属于强变异，说明表土替代材料中有机质和碱解氮含量受其他因素影响较大;有效磷和速效钾变异系数分别为4.29%和1.88%，属于中等变异强度。

2.2 表土替代材料模糊综合评价养分指标权重的确定

对pH、有机质、碱解氮、有效磷、速效钾5个养分指标进行主成分分析，公共因子总方差见表4，前3个公共因子的特征值较高，累计贡献率达85.165%，表明原来5个指标所反映信息可以由前3个主成分来表征。

通过斜交旋转得到各因子旋转成分矩阵见表5。结果表明，第一主成分特征值为2.207，贡献率占44.146%，此主成分中荷载最大的因子为速效钾（0.793），其次为pH（0.763）。碱解氮和有效磷对第一主成分贡献较低，而有机质对第一主成分的贡献为负值，说明随着速效钾和pH贡献的增加，有机质对第一主成分的作用减弱，因此，第一主成分为速效钾和pH综合因子。

第二主成分特征值为1.091，贡献率为21.826%，此成分荷载最大的因子为碱解氮（0.957），而后依次为pH（0.358）、速效钾（0.303）、有机质（0.201）和有效磷（0.057），这些因素荷载较低，因此第二主成分可以命名为碱解氮因子。

第三主成分特征值为0.960，贡献率为19.193%，此成分荷载最大的因子为有效磷（0.983），其他因素荷载较低，因此，第三主成分可以命名为有效磷因子。

将旋转成分矩阵荷载系数计算结果归一化处理后确定各指标权重分别为pH 0.28、速效钾0.26、碱解氮0.23、有效磷0.21、有机质0.02。