基于多目標(biāo)決策灰色關(guān)聯(lián)投影法的不同退耕還林模式生態(tài)效益評(píng)價(jià)

鐘曉娟，孫保平，趙 巖，王多堯，周湘山，王引乾，馮 磊，邱一丹

（北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，北京 100083）

退耕還林工程是以防治水土流失，恢復(fù)植被，改變不合理的土地利用方式，改善生態(tài)環(huán)境為目標(biāo)的一項(xiàng)重要工程措施。生態(tài)效益的評(píng)價(jià)對(duì)退耕還林工程的建設(shè)成果至關(guān)重要，因此對(duì)退耕還林生態(tài)效益的評(píng)價(jià)引起了廣泛的關(guān)注。綜合國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀，目前已有很多關(guān)于生態(tài)系統(tǒng)及退耕還林地生態(tài)效益的研究。歐陽(yáng)志云等[1]對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的內(nèi)涵以及價(jià)值評(píng)估方法進(jìn)行了歸納；韓維棟等[2-3]對(duì)中國(guó)紅樹林生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)價(jià)值的評(píng)估使生態(tài)系統(tǒng)價(jià)值評(píng)估更加鮮明化；有學(xué)者研究了退耕還林地植被恢復(fù)過(guò)程中的水土保持效益[4-5]，不同退耕還林地改良土壤性能效益[6]；還有學(xué)者從整體上對(duì)退耕還林生態(tài)效益價(jià)值進(jìn)行了核算[7-9]。這些研究對(duì)退耕還林工程所取得的成效意義重大，但目前關(guān)于不同退耕還林模式生態(tài)效益對(duì)比的研究較少。本文從另外一個(gè)角度出發(fā)，以會(huì)澤縣退耕還林工程生態(tài)定位監(jiān)測(cè)站的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，運(yùn)用多目標(biāo)決策灰色關(guān)聯(lián)投影法，通過(guò)對(duì)不同退耕模式生態(tài)效益的比較，測(cè)算出生態(tài)效益最顯著的退耕模式，以期為西南地區(qū)的退耕還林模式設(shè)計(jì)方案，為退耕還林工程的進(jìn)一步實(shí)施提供參考。目前，多目標(biāo)灰色關(guān)聯(lián)投影法已在水土保持生態(tài)工程綜合效益評(píng)價(jià)、水土保持生態(tài)修復(fù)生態(tài)效益評(píng)價(jià)、森林生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)等多個(gè)領(lǐng)域中得到應(yīng)用[10-12]，在效益評(píng)價(jià)方面具有科學(xué)可行性。

1 研究區(qū)概況

會(huì)澤縣位于曲靖市西北部，地理位置為東經(jīng)103°03′～103°55′，北緯 25°48′～27°04′。全縣地勢(shì)西高東低，由西向東呈階梯狀遞降。最高點(diǎn)為縣境西南部大海梁子頂峰的大牯牛寨，海拔4 017m；最低點(diǎn)為北部小江與金沙江匯合處，海拔695 m，相對(duì)高差3 322m。縣境南北長(zhǎng)138 km，東西寬84 km。全縣山區(qū)面積占95%以上，山巒疊嶂，溝壑縱橫。全縣年平均氣溫12.8℃，>10℃積溫3 950℃，年日照時(shí)數(shù)2 077.1 h，年降水量560～1 200 mm，年均水面蒸發(fā)量1 861.9mm。全縣土壤類型共有11個(gè)土類，從干熱河谷地區(qū)的燥紅土到高山地區(qū)的亞高山草甸土均有發(fā)育。自退耕還林工程實(shí)施以來(lái)，會(huì)澤縣植被覆蓋率明顯提高，改善了土壤理化性質(zhì)，減少水土流失量。

2 研究方法

退耕還林生態(tài)效益評(píng)價(jià)的對(duì)象是復(fù)雜的區(qū)域生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)，包括水文、土壤、植被等各個(gè)方面，具有復(fù)雜性及信息不完全性的特點(diǎn)。因此，對(duì)退耕還林生態(tài)效益進(jìn)行評(píng)價(jià)實(shí)際上是一個(gè)灰色多目標(biāo)決策問(wèn)題。多目標(biāo)決策灰色關(guān)聯(lián)投影法是一個(gè)從矢量投影的角度出發(fā)，結(jié)合灰色系統(tǒng)理論的全新有效的綜合系統(tǒng)評(píng)價(jià)方法[13]，它將評(píng)價(jià)樣本的各項(xiàng)指標(biāo)視為矢量，分別向同一矢量(理想樣本)進(jìn)行投影，根據(jù)投影值的大小確定評(píng)價(jià)結(jié)果的優(yōu)劣。

下面，就多目標(biāo)決策灰色關(guān)聯(lián)投影模型的建立[13]展開討論。

（1）構(gòu)造多指標(biāo)決策域集合A及因素指標(biāo)集合V，并構(gòu)建最佳決策方案A0。A={方案1，方案2，…，方案 n}，V={指標(biāo) 1，指標(biāo) 2，…，指標(biāo) m}。方案 Ai對(duì)指標(biāo)Vj的屬性值記為Yij（i=1，2，…，n；j=1，2，…，m）。通常，指標(biāo)分為成本型和效益型兩種，成本型指標(biāo)是指屬性值愈小愈好的指標(biāo)；效益型指標(biāo)指屬性值愈大愈好的指標(biāo)。將最佳指標(biāo)Y0j組成的最佳決策方案A0與A組成的矩陣Y=（Yij）（n+1）×m（i=0，1，2，…，n；j=1，2，…，m）稱為對(duì)指標(biāo)集 V 的決策矩陣。

（2）初值化處理及關(guān)聯(lián)度rij。為了去除量綱以消除量綱單位不同帶來(lái)的不可公度性，將評(píng)價(jià)指標(biāo)按式（1）進(jìn)行初值化處理。經(jīng)過(guò)初值化處理后，Y′0j=1（j=1，2，…，m）為理想方案。然后，按（2）式可以得到其他方案與理想方案的關(guān)聯(lián)度rij。

式中，λ為分辨率，起調(diào)整環(huán)境的作用，通常取λ=0.5。

（3）由（n+1）×m個(gè)r構(gòu)造灰色關(guān)聯(lián)度判斷矩陣F。

（4）設(shè)多目標(biāo)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)的加權(quán)向量為W={W1，W2，…，Wm}T＞0，在 W 作用下構(gòu)成的增廣矩陣為加權(quán)灰色關(guān)聯(lián)矩陣F′，那么F′=FW。將每個(gè)決策方案看成一個(gè)行向量，則稱每個(gè)決策方案Ai與理想方案A*之間的夾角θi為灰色投影角，其余弦為ri，見式（4）。

ri愈大則決策方案與理想方案的變化方向越一致。設(shè)決策方案的模數(shù)為di，見式（5）

（5）根據(jù)各個(gè)投影值的大小，就可以對(duì)決策方案作出科學(xué)的評(píng)價(jià)。投影值越大，說(shuō)明該決策方案與理想方案越接近、越優(yōu)秀。

3 效益評(píng)價(jià)

3.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立

結(jié)合國(guó)內(nèi)外退耕還林生態(tài)效益評(píng)價(jià)指標(biāo)體系研究成果[14]，并綜合考慮其科學(xué)性、可操作性、簡(jiǎn)明和實(shí)用性的原則，從研究區(qū)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中篩選了不同退耕模式水源涵養(yǎng)、水土保持、改良土壤3個(gè)準(zhǔn)則層共14項(xiàng)指標(biāo)（表1）。其中水源涵養(yǎng)方面包括枯落物吸水量、活地被物持水量、土壤田間持水量等，水土保持方面包含泥沙量、徑流系數(shù)等，改良土壤方面包括土壤容重、土壤總孔隙度、毛管孔隙度、土壤有機(jī)質(zhì)含量、土壤腐殖質(zhì)層厚度、土壤N P K含量、土壤pH值等。

表1 研究區(qū)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

3.2 分析與評(píng)價(jià)

已知方案A＝{喬木林地，灌木林地，喬、灌地，喬、草地，…，未退耕地}，V＝{枯落物吸水量，活地被物持水量，土壤田間持水量，泥沙量，徑流系數(shù)，土壤容重，土壤總孔隙度，毛管孔隙度，土壤有機(jī)質(zhì)含量，土壤腐殖質(zhì)層厚度，土壤全氮含量，土壤全磷含量，土壤全鉀含量，土壤pH值}。就生態(tài)效益而言，泥沙量，徑流系數(shù)，土壤容重，土壤pH值為成本型指標(biāo)，其它為效益型指標(biāo)。分析過(guò)程如下。

（1）根據(jù)獲取的評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)，得到相對(duì)最佳設(shè)計(jì)方案A0的因素指標(biāo)。

由此，可得到方案集A對(duì)指標(biāo)集V的屬性矩陣Y。根據(jù)式（1）對(duì)矩陣Y進(jìn)行初值化處理，得到初值化矩陣Y′。

（2）在得到初始化矩陣 Y′后，根據(jù)公式（3），就可以得到灰色關(guān)聯(lián)判斷矩陣F。

（3）應(yīng)用變異系數(shù)權(quán)重法確定各指標(biāo)權(quán)重分配，得各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重為：

（4）根據(jù)式（7）可以得到各個(gè)方案的灰色關(guān)聯(lián)投影值Dj：

（5）根據(jù)投影值，不同退耕還林模式生態(tài)效益從大到小排列順序?yàn)椋簡(jiǎn)坦嗖莸兀締?、灌地＞喬、草地＞灌、草地＞喬木林地＞灌木林地＞草地＞?jīng)濟(jì)林地＞未退耕地。

4 討 論

應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)投影法對(duì)會(huì)澤縣退耕還林生態(tài)效益進(jìn)行評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)的結(jié)果表明，9種退耕還林模式生態(tài)效益大小順序?yàn)椋簡(jiǎn)坦嗖莸兀締?、灌地＞喬、草地＞灌、草地＞喬木林地＞灌木林地＞草地＞?jīng)濟(jì)林地＞未退耕地。該結(jié)果表明：（1）退耕還林模式中，喬灌草地生態(tài)效益最佳，喬、灌地次之，未退耕林地生態(tài)效益最差，這一結(jié)果與退耕還林工程預(yù)期相一致，證明了灰色關(guān)聯(lián)投影法應(yīng)用于退耕還林生態(tài)效益評(píng)價(jià)的科學(xué)性與可行性；（2）多目標(biāo)決策灰色關(guān)聯(lián)投影法以各方案在理想方案上的投影值大小作為退耕還林生態(tài)效益比較的標(biāo)準(zhǔn)，使得不同退耕還林模式生態(tài)效益的評(píng)估更接近客觀實(shí)際，其方法簡(jiǎn)單，評(píng)價(jià)更加全面，雖是僅對(duì)會(huì)澤縣退耕還林模式生態(tài)效益的評(píng)價(jià)，但結(jié)果符合退耕還林工程初衷，在其它退耕地區(qū)也同樣具有一定的推廣價(jià)值；（3）在今后的退耕還林實(shí)際工作中，在考慮當(dāng)?shù)馗鞣矫鏃l件下要適當(dāng)加大喬灌草地退耕還林模式的比例。

本文旨在運(yùn)用多目標(biāo)決策灰色關(guān)聯(lián)投影法對(duì)會(huì)澤縣退耕還林模式生態(tài)效益進(jìn)行研究，將在下一步工作中加大各種退耕還林模式評(píng)價(jià)指標(biāo)的測(cè)算，使評(píng)價(jià)結(jié)果的精準(zhǔn)度不斷提高。

致謝：本文得到云南省林業(yè)局的大力支持與幫助，特此致謝！

[1] 歐陽(yáng)志云，王如松，趙景柱.生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能及其生態(tài)經(jīng)濟(jì)價(jià)值評(píng)價(jià)[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，1999，10（5）：635-640.

[2] 韓維棟，高秀梅，盧昌義，等.中國(guó)紅樹林生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)價(jià)值評(píng)估[J].生態(tài)科學(xué)，2000，19（1）：40-46.

[3] 周 游，董成森.城市生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)研究進(jìn)展[J].湖南農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009，（12）：108-111.

[4] 楊 光，丁國(guó)棟，趙廷寧，等.黃土丘陵溝壑區(qū)退耕還林的水土保持效益研究——以陜西省吳旗縣為例[J].水土保持通報(bào)，2006，26（2）：88-99.

[5] 孔祥麗，王克林.喀斯特地區(qū)退耕還林工程的生態(tài)經(jīng)濟(jì)效益分析——以桂西北河池市為例[J].江西農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2009，21（11）：138-142.

[6] 楊 光，丁國(guó)棟，常國(guó)梁，等.黃土高原不同退耕還林地森林植被改良土壤特性研究[J].水土保持研究，2006，13（3）：204-210.

[7] 賴亞飛，朱清科，張宇清，等.吳旗縣退耕還林生態(tài)效益價(jià)值評(píng)估[J].水土保持學(xué)報(bào)，2006，20（3）：83-87.

[8]仝小林，馬 麗，畢俊國(guó)，等.延安市退耕還林生態(tài)效益評(píng)價(jià)[J].江西農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2009，21（2）：123-126.

[9] 賈曉娟，常慶瑞，薛阿亮，等.黃土高原丘陵溝壑區(qū)退耕還林生態(tài)效應(yīng)評(píng)價(jià)[J].水土保持通報(bào)，2008，28（3）：182-185.

[10] 王宏興，王 曉，楊秀英，等.多目標(biāo)決策灰色關(guān)聯(lián)投影法在小流域水土保持生態(tài)工程綜合效益評(píng)價(jià)中的應(yīng)用 [J].水土保持研究，2003，10（4）：43-45.

[11]馬 騫，楊子峰，于興修，等.基于多目標(biāo)決策灰色關(guān)聯(lián)投影法的水土保持生態(tài)修復(fù)生態(tài)效益動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià) [J].水土保持研究，2009，16（4）：100-103.

[12]張晶晶，趙 忠，宋西德，等.基于灰色關(guān)聯(lián)投影法的森林生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià) [J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010，38（8）：97-103.

[13]呂 鋒，崔曉輝.多目標(biāo)決策灰色關(guān)聯(lián)投影法及其應(yīng)用[J].系統(tǒng)工程理論與實(shí)踐，2002，（1）：103-107.

[14]王曉光，王珠娜，余雪標(biāo)，等.退耕還林生態(tài)效益評(píng)價(jià)指標(biāo)體系研究[J].防護(hù)林科技，2006，（6）：51-53.