基于Markov模型的铝土矿露天采空区生态重建的环境预测评价

刘霁^{1, 2}，陈建宏³，李云²，周智勇³

 (1. 中南林业科技大学 土木工程与力学学院，湖南 长沙，410004；

2. 湖南城市学院 土木工程学院，湖南 益阳，413000；

3. 中南大学 资源与安全工程学院，湖南 长沙，410083)

摘  要：采用景观生态空间结构预测分析法对平果铝土矿生态重建的环境影响进行评价；在建立空间格局变化定量指标的基础上，利用Markov过程稳定状态方程组的随机运动过程数学模型，对平果铝土矿生态重建地区环境影响进行预测评价。研究结果表明：2005年预测模拟值与实测情况基本吻合，当矿区复垦土地的裸岩地面积减少到占总土地面积的19.92%时，矿区生态系统达到稳定状态，Markov过程模型对喀斯特石漠化地区环境影响预测与评价是可行的。

关键词：Markov过程模型；生态重建；平果铝土矿；转移概率；景观生态格局

中图分类号：X820.3          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2010)05-1931-07

Environmental prediction assessment on ecological reconstruction of opencast bauxite goaf by Markov process model

LIU Ji^{1, 2}, CHEN Jian-hong³, LI Yun², ZHOU Zhi-yong³

 (1. School of Civil Engineering and Mechanics, Central South University of Forestry & Technology,
Changsha 410004, China;

2. College of Civil Engineering, Hunan City University, Yiyang 413000, China;

3. School of Resource and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

Abstract: Environmental impact assessment of ecological reconstruction in Pingguo Bauxite mainly was made using landscape ecological spatial structure prediction analysis that is based on the construction of spatial pattern varietals quantitative index. Using randomly moving process mathematical model of Markov process state equation, the environmental impact prediction assessment on Pingguo Bauxite ecological reconstruction area was studied. The results show that the predictive simulative values and real measurement results in 2005 are basically coincident, when the proportion of the reclaimed land area of bare rock to the total land reduces to 19.92%, the mining ecosystem will be stable, and Markov process model is feasible for environmental impact prediction assessment on karst rocky desertification area.

Key words: Markov process model; ecological reconstruction; Pingguo Bauxite; transition probability; landscape ecological pattern

平果铝土矿位于被誉为“南国铝都”的广西壮族自治区百色市平果县。平果县地处东经107°21′~107°51′，北纬23°12′~23°51′，属高温多雨亚热带季风气候，光照充足，雨量充沛，年平均气温为22.09 ℃，年平均降雨量为1 313.76 mm，土地总面积2 485 km²(其中，石山区占48.0%，丘陵和谷地占34.3%，平原占17.7%)，是典型的喀斯特石漠化地区。土地石漠化已经成为西南喀斯特山区生态建设中最突出的问题并威胁该地区可持续发展。喀斯特土地石漠化指的是在湿润气候条件下，受喀斯特的作用及人类不合理活动的干扰，喀斯特山区地表土层流失，基岩大面积裸露，呈现出一种缺土缺水缺林、类似于荒漠化的景观现象与过    程^[1-2]。平果铝土矿矿区岩溶发育，地貌组合为峰林丛地、峰林洼地、峰林谷地、峰林平原及低山陡缓坡丘陵区。矿区分布范围广，约1 750 km²，矿体面积为203 km²，矿体多，厚度小，呈大范围水平展布，埋藏浅，覆盖层薄，矿床露天开采推进速度较快，占地速率高，平均每采出1万t铝土矿石需占用土地       0.3 hm^2[3](1 hm²=10⁴ m²)。在平果铝露天开采过程中，造成大面积的土地被占用、破坏，使原生态系统彻底破坏^[4]。因此，在露天开采矿产资源的同时，处理开采和生态重建的关系，研究生态重建及环境影响预测评价，是关系矿山可否持续发展的问题。在此，本文作者首先介绍广西平果铝土矿的生态重建的特点和技术，再利用Markov数学模型对广西平果铝土矿露天采空区的生态重建进行预测评价。

1  平果铝土矿矿区生态重建的特点

广西喀斯特石漠化地区是中国典型的生态环境脆弱区，在人类驱动下的土地利用或土地覆被变化直接影响着该区土地石漠化的形成和演变过程^[5]。平果铝土矿矿区由那豆、太平、教美、新安和果化5个矿区组成，如图1所示。露天开采后形成的采空区形态、面积、深度、底板类型及底板坡度均不相同。各采空区之间自然封闭互不连接，大部分位于山坡间的谷地、洼地中，为中低山阻隔，另一部分位于陡坡和缓坡丘陵地貌中。开采导致基岩大面积裸露，土地生产力急剧下降，矿区景观破坏，地表出现类似荒漠景观的土地退化过程。采空区将成为生态重建场地的基地，其生态重建呈现如下特点：

(1) 复垦条件差。矿体底板或为灰岩石岩，其中，一期工程首采矿段灰岩底板面积约占48%，二期工程首采矿段灰岩底板面积达到70%以上；矿体底板或为黏土，高低起伏，变化多端，且矿体覆盖层薄，剥离土少，复垦的客观条件较差。

(2) 复垦工程量大。矿体底板灰岩多且起伏变化大，采空区坑深、坎高、坡陡，基层爆破平整的土石方工程量较大，平整量达1.8×10⁴ m³/hm²，复垦成本高。

(3) 复垦周期短。根据年开采占地面积与年复垦面积基本平衡的原则，当年结束采矿的采空区当年完成土地复垦，复垦的规模、时间要与开采占地的速率相匹配，在占地周期4~5 a中，复垦周期不超过2 a。

(4) 复垦技术难度大。矿体底板灰岩多且变化大，部分底板黏土贫瘠等复垦基础条件较差，不仅工程复垦任务艰巨，而且生物复垦难度也较大，从而使复垦的总体技术难度加大。

(5) 恢复耕地为主。采空区土地复垦优先复垦为农业耕地，提高复地率。

图1  平果铝矿区分布图

Fig.1  Distribution maps of Pingguo Bauxite

2  平果铝土矿采空区生态重建技术

平果铝土矿采空区生态重建经过长期的研究和工程运用，建立剥离—采矿—复垦联合工艺系统，提出了“采矿无痕，绿色矿山”理念。生态重建采用了工程复垦技术方法、生物复垦技术方法和内生菌根技术。

2.1  工程复垦技术

将工程复垦与采矿作业结合起来，建立采矿—复垦联合工艺系统，实现边采矿边复垦，即在开挖的地方，利用快速转换技术，先把表层土壤取走，加以保存，以便工程结束后再把它们放回原地。这样，尽管地面的植被损坏，但土壤仍保持原样，使采矿占地周期和复垦周期最短，复垦成本最低，复垦效果最好。在工程复垦施工设计中，根据采空区实际情况，按照复垦地利用方向的总体要求，平衡土石方挖填工程量，布置平台地或缓坡地及必要的防洪、排涝工程，确定各地段的最终标高与坡度，有效指导工程复垦施工。工程复垦技术中对缺少表土耕作层采用滤饼法施工。由于平果铝矿本身缺少表土，附近农田耕土层极薄，没有理想的可以直接取得的新耕层材料，可供利用的材料只有来自少量矿山的剥离土、矿床底板黏土和洗选厂工业废物即尾矿泥。铝业公司自备电厂排放的粉煤灰有可能作为改良土壤的添加剂，用来改善耕作层土壤的理化性状。复垦地基层土壤采用矿体底板土或压滤滤饼泥，复垦地耕层土壤优先采用矿体表层剥离土，不足时采用底板土、滤饼泥、自备电厂粉煤灰等替代材料，按最佳配比形成人工再造耕作层，为生物复垦创造良好条件。

2.2  生物复垦技术

采用生态学、农学、林学、工程学等多学科综合技术，快速重建矿区生态系统。复垦缓坡地时，采用小台阶植被工艺，按照试验确定坡地小台阶植被工艺参数，把坡地的坡面划分为若干个小台阶，在小台阶上选择具有固土封坡和水土保持能力的优良先锋植被品种进行条播植被。这些小台阶缩短了坡面长度，紊乱了泾流方向，使坡地增加了蓄水能力，并且有效地阻止了泾流携带泥沙，有利于种子的“着床”、萌发和迅速生长，快速实现立体郁闭。5号复垦试验区应用该项技术，实现了坡地人工植被的快速和高质量覆盖，复垦半年即达到了70%~80%的植被覆盖率。平台耕地采用筛选的优良绿肥作物轮作压青技术，配合真菌菌根技术进行强化培肥，加速生土熟化，缩短复垦周  期。选用优良的抗逆作物品种，并采用先进的栽培技术，提高复垦地的单产水平，满足复垦地的主导利用方向即农业用地的要求。

2.3  内生菌根技术

土壤微生物是土壤中一个非常重要的组成部分，它的种类和数量是反映土壤性质和土壤熟化程度的重要标志之一^[6-8]。应用微生物肥料加快生土熟化过程，是培肥土壤的重要技术途径。

施用细菌肥料是一种人工施入优质菌株的方法，可以通过接种土壤微生物，尤其是利用植物根茎微生物的生命活动，挖掘土壤的潜在肥力，加速自然土壤向农业土壤的转化过程，在改善植物营养条件的同时，使生土熟化，提高土壤肥力。平果铝矿筛选到优势土著VA真菌菌种(Etunlcatum)的3个优势菌株E11，E16

和E20；初步筛选到适合平果铝矿区生态条件的2个引进的广幅适生VA真菌菌株：Mosseae91(M91)和Mosseae93(M93)；引入的M93和M91菌株都能与当地土著菌种的3个优势菌株E11，E16和E20有协同作用；筛选的优势菌株对矿区复垦的先锋植物即大豆、玉米、银合欢、宽叶雀稗等有较强的感染能力，试验表明玉米可增产14%~30%。平果铝矿复垦可以采用菌根化育苗的技术，实现果树、材林和水保林的低成本栽培并可获得较高经济效益和生态效益。再生菌根技术能够提高生物复垦工程质量，提高重建植被群落的速度，是一种无污染的绿色长效肥料。

平果铝土矿采空区通过生态重建，从1999—2005年，平果铝土矿已完成71个采场采空区的土地复垦，复垦总面积累计已达190.133 hm²，其中耕地面积157.1762 hm²，复垦周期1~2 a。平果铝土矿2000—2005年复垦验收合格土地情况如表1所示。

3  平果铝矿区生态重建环境影响预测评价分析

3.1  景观生态空间结构预测分析法

矿区生态重建环境影响评价作为复垦效果评价的重要部分，是对拟议中重要决策或者开发活动可能对环境产生的物理性、化学性或者生物性的作用及其造成的环境变化和对人体健康造成的影响进行系统分析和评估，并提出减免这些影响的对策和措施^[9-10]。景观生态格局变化在于外界的干扰作用，这些干扰作用往往是综合的，它包括自然环境、多种生物及人类社会活动之间的复杂相互作用。矿区的开发建设是以人类干扰为主的景观生态结构变化，这种景观生态格局出于人的主观臆断，而从景观生态学结构和功能相匹配的观点出发，结构是否合理也决定了景观生态功能状况的优劣。随着矿山建设项目的实施，会使矿区原

表1  平果铝土矿2000—2005年复垦验收合格土地情况

Table 1  Qualified reclamation land by acceptance reclamation in Pingguo Bauxite during the years of 2000-2005

有的景观生态结构发生变化，原来的生态功能、景观生态格局、景观的组成发生变化，会对区域的生态环境产生深远的影响^[11-12]。

3.2  Markov预测模型

平果铝土矿区经过剥离—采矿—复垦后，生态环境恢复到剥离之前要经过一段时间，此时，对环境生态评价要建立一种可靠预测模型。Markov的数学模型是一种特殊的随机运动过程，它反映了在一系列特定的时间间隔下，一个亚稳定系统由t时刻状态向t+1时刻状态转化的一系列过程。其最大的特点是在t+1时刻的状态只与t时刻的状态有关，与以前的状态无关^[13-15]。这一特性用于土地复垦生态环境变化预测是合理的。Markov过程稳定状态的方程组如下：

                (1)

式中：a_i和a_j为各复垦土地利用类型的面积百分比；p_ij为复垦土地类型i转化为复垦土地类型j的转移概率；n为土地利用类型的数量；i=1, 2, …, n; j=1, 2, …, n。复垦土地利用类型转移概率矩阵的数学表达式如下：

          (2)

转移概率矩阵的每一项元素需要满足条件：0≤P_ij≤1；，即每行元素之和为1。应用Markov过程的基本方程：

       (3)

依据该方程即可计算出系统经n步转移后，达到的转移概率矩阵。设a_ij(i≠j)为状态i到状态j的转移概率，则在时间间隔dt内处于状态i的过程转移到状态j的概率是a_ijdt(i≠j)。状态作出2次或更多次转移的概率与(dt)²或更高次方同阶，在分析复垦土地利用变化过程时，时间间隔dt取1 a，所以，得到的转移速率矩阵与上述转移概率矩阵等效。在时间间隔dt内，系统状态未发生转移，即i=j时的转移概率为：

               (4)

若现有的外界干扰条件不变且一直持续下去，n趋向无穷大，则转移概率达到相对稳定状态，此时，各种土地利用类型面积所占比例与初始状态无关。

3.3  复垦土地空间格局变化定量指标

剥离—采矿—复垦联合工艺系统是平果铝土矿露天开采土地利用空间变化的形式。平果铝采空区土地利用是由不同面积的斑块组成，斑块的空间分布称为格局。采用生态景观空间格局的定量描述指标，可对土地利用空间格局进行定量分析，对剥离、采矿、复垦不同时期的指标进行比较，就可以把土地利用格局的空间特征和时间过程联系起来。土地利用空间变化具体指标如下。

(1) 多样性指数(H)。H是指土地复垦利用中类型的数量与复杂程度。其表达式为：

               (5)

式中：P_i是第i种复垦土地利用类型占总面积的比；n为矿区内土地复垦利用类型总数。

(2) 优势度指数(D)。D是度量土地复垦利用结构中一种或几种利用类型支配整个土地利用变化格局的程度，其表达式为：

             (6)

                (7)

(3) 均匀指数(E)。E是描述土地复垦利用变化的分配均匀程度，表达式为：

             (8)

(4) 强度指数(L_UI)。L_UI是指某一区域单位面积上某一类型用地从x时期到y时期发生的变化，其计算公式为：

         (9)

式中：L_Ui为土地复垦利用类型j在某一空间单元i(采空复垦区)内土地利用空间变化的强度指数；K_xj和K_yj分别为研究期x及研究末期y土地利用类型j在空间单元i内的面积；L_i为空间单元i的土地面积；T为研究末期和初期的时间间隔。

(5) 生态环境指数(E_Vt)。综合考虑矿区内各复垦土地所具有的生态质量及面积比，定量地表征矿区内生态环境质量的总体状况，其表达式为：

            (10)

式中：C_i为该矿区内t时期第i种复垦土地利用类型所具有的面积；T_A为该矿区占地总面积。

(6) 贡献率(L_Ei)。L_Ei是指某一种复垦土地利用变化类型所导致的矿区生态质量的改变量，其表达式为：

            (11)

式中：L_Ei+1和L_Ei分别为某一种复垦土地利用变化类型所反映的变化末期和初期土地利用类型所具有的生态质量指数；L_A为复垦变化类型的面积。

4  预测评价的研究结果

4.1  平果铝土矿区复垦土地利用变化特征

将1999—2005年的土地利用现状信息层分别叠加即可得到矿区两个时期的土地利用变化图。统计2个时期各主要土地利用变化类型面积得出近7 a矿区复垦土地利用变化的特点：坡耕地呈现增长趋势，主要分布在那豆、太平、教美、新安4个矿区；林地不断地增加，增加幅度较大的为那豆、太平、教美、新安、果化5个矿区；灌丛地的面积呈现减少的态势，裸岩地呈扩大趋势；草地和水变化不大；建设用地不断扩展。

采用景观空间格局定量分析模型，得出那豆、太平、教美、新安、果化5个矿区土地利用空间格局指数；采用不同动态监测模型，得到平果铝土矿区从1999—2005年间各土地利用类型的变化速度，如表2所示。

4.2  复垦土地利用的预测分析

将平果铝土矿区复垦土地利用变化趋势按复垦时期分成几个阶段，先求出初始状态各土地利用类型的转移概率矩阵，以年为基本时间单位，再求出各时间段内复垦土地利用的年平均转移概率。

借助MATLAB软件求出1999年后各年任何一年的土地利用类型的转移概率矩阵P⁽ⁿ⁾及各土地利用所占比例A_n，由此模拟出各土地利用类型所占比例的变化情况，进行土地利用转移过程的校验。从初始状态经过n=6转移到2005年的转移概率矩阵预测2005年各土地利用类型所占比例，结果如表3所示。在1999年初始状态矩阵和初始状态转移概率的基础上，用马氏过程模拟的2005年的数据与从影像数据中提取的数据计算值进行比较，结果如表4所示。从表4可以看出：有林地、疏林地、草地、坡耕地和水体的模拟

表2  平果铝土矿区1999—2005年复垦土地利用程度指标/覆被空间格局指数

Table 2  Index on land utilization level/cover spatial pattern index in Pingguo Bauxite during the years of 1999-2005

表3  1999—2005年各复垦土地利用类型的转移概率(n=6)

Table 3  Transition probability of various reclaimed land use types during the year of 1999-2005 (n=6)

表4  Markov过程模拟2005年各复垦土地利用类型所占面积与区域土地总面积所占比例

Table 4  Proportion of area of various reclaimed land use types to total area of redaimed land in 2005 by  Markov’s course imitation                                   %

表5  2010年平果铝土矿区各土地利用占区域土地总面积的比例

Table 5  Proportion of area of various redaimed land use types to total area of redamed land in Pingguo Bauxite in 2010   %

结果与2005年的实测情况差异小，两者较吻合。这说明采用土地利用类型之间的面积转移矩阵所确定的转移概率，通过Markov过程模型来预测土地利用格局的变化是可行的。

据Markov过程稳定状态定义，稳定状态转移概率之值就是土地利用类型达到相对稳定状态时所占面积百分比。为了预测平果铝土矿区2005年以后复垦土地利用变化趋势，计算出该矿区2010年各土地利用占区域土地总面积的百分比，结果如表5所示。从表5可以看出：2010年间，平果铝土矿区沟谷耕地和裸岩地面积呈现不断减少的趋势，其他用地情况增加，其中，建设用地地面增加最大。依照1999—2005年间的矿区复垦土地利用变化趋势，当矿区复垦土地的裸岩地面积减少到占总土地面积的19.92%时，矿区生态系统达到稳定状态。

5  结论

(1) 平果铝土矿矿区通过剥离—采矿—复垦联合工艺系统，导致矿区土地景观生态空间格局发生变化，根据空间变化的特征建立了Markov过程预测模型和6个定量指标。

(2) 基于Markov的数学模型的景观生态空间结构预测分析，对平果铝土矿矿区生态重建2005年的生态环境进行了验证评价，与2005的实测情况基本吻合。对2010年和土地类型的数量n→时进行了预测，发现当矿区复垦土地的裸岩地面积减少到占总土地面积的19.92%时，矿区生态系统达到稳定状态。

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(编辑 刘华森)

收稿日期：2009-10-30；修回日期：2010-01-29

基金项目：国家自然科学基金资助项目(50774092)；全国优秀博士学位论文专项基金资助项目(200449)

通信作者：刘霁(1974-)，男，湖南常德人，博士，副教授，从事资源与环境经济学研究；电话：13017373141；E-mail: liyunliuji@163.com