石漠化地區(qū)小流域生態(tài)系統(tǒng)健康定量評價

向萬麗，戴全厚，鄧伊晗，董亞輝

(貴州大學林學院，550025，貴陽)

石漠化地區(qū)小流域生態(tài)系統(tǒng)健康定量評價

向萬麗，戴全厚?，鄧伊晗，董亞輝

(貴州大學林學院，550025，貴陽)

以石漠化地區(qū)竹林河小流域為例，從資源環(huán)境、社會經濟人文和生態(tài)綜合功能3方面，選擇15個因素作為評價指標因子，建立該流域的生態(tài)系統(tǒng)評價指標體系。以精度較高的標準差系數(shù)法確定指標權重，運用灰色關聯(lián)度分析方法建立流域生態(tài)系統(tǒng)綜合評價模型，對其生態(tài)系統(tǒng)健康狀況進行定量評價。結果表明，該環(huán)境系統(tǒng)健康狀況相對穩(wěn)定，健康指數(shù)呈逐年上升趨勢，由2000年的0.341 5增大到2008年最優(yōu)狀態(tài)，結果達到了1。

生態(tài)系統(tǒng)健康;定量評價;石漠化地區(qū);小流域

貴州省處于世界上成因最復雜、類型最齊全、分布面積最大的東亞喀斯特中心。貴州省喀斯特面積達13萬km2，占土地總面積的73.8%以上［1］。特定的生態(tài)地質環(huán)境背景決定了喀斯特生態(tài)環(huán)境的脆弱性［2］，而脆弱生態(tài)系統(tǒng)又是石漠化形成的本質原因［3］。石漠化已成為貴州乃至整個西南喀斯特山區(qū)生態(tài)建設與可持續(xù)發(fā)展的主要障礙［2，4］，是產生貧困的根本原因。治理石漠化已經到了刻不容緩的地步［5］。隨著石漠化地區(qū)小流域生態(tài)系統(tǒng)退耕還林及石漠化綜合治理的開展，許多地方已初見成效，這表明喀斯特石漠化生態(tài)環(huán)境是可以治理改善的［1］;但如何科學地評價開展治理石漠化以來對其地區(qū)產生的成效呢?這需要基于生態(tài)系統(tǒng)健康理論，建立一套評價體系。

生態(tài)系統(tǒng)健康是20世紀80年代后期發(fā)展起來的生態(tài)學研究熱點，至今，已不再是單純的生態(tài)學定義，而是一個將生態(tài)-社會經濟-人類健康3個領域整合在一起的綜合性定義［6］，并能反映生態(tài)系統(tǒng)為人類社會提供生態(tài)系統(tǒng)服務的質量與可持續(xù)性，是目前最具活力的研究領域之一［7-9］;但我國研究還較少，尤其是在石漠化地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康評價方向的研究［5］。

筆者以六盤水市鐘山區(qū)老鷹山鎮(zhèn)竹林河退耕還林示范小流域為研究對象，根據(jù)流域特征及生態(tài)環(huán)境建設目標，堅持指標體系的靈敏性、獨立性和協(xié)調性準則，篩選出一系列評價指標，建立該流域生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標體系。借鑒相關學科的分析方法，比較已有的分析方法，優(yōu)選灰色關聯(lián)分析法，對石漠化地區(qū)小流域生態(tài)系統(tǒng)健康進行定量評價，以進一步了解石漠化地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康現(xiàn)狀、可持續(xù)發(fā)展水平以及制約可持續(xù)發(fā)展的因素，從而為區(qū)域石漠化治理提供標尺和依據(jù)，最終實現(xiàn)石漠化地區(qū)生態(tài)健康與可持續(xù)發(fā)展。

1 研究區(qū)概況

貴州喀斯特分布地區(qū)的石漠化呈現(xiàn)南部重、北部輕、西部重、東部輕的特點。貴州省六盤水市地處貴州西南部，是貴州石漠化面積分布較大的縣(市)之一［1］。研究區(qū)位于該市鐘山區(qū)老鷹山鎮(zhèn)竹林河小流域，內有中坡村、木橋村、陸家壩村。地理坐標是 E 104°30'～105°10'，N 26°26'～26°53'，年平均氣溫12.2℃，年積溫4474～4806℃，無霜期243 d，年降雨量約1 240mm，年日照時間為1 415～1 556 h，日照率35%左右，氣候高寒，屬于北亞熱帶濕潤季風氣候區(qū);地勢南北較高，東西較低，是云貴高原剝蝕、侵蝕區(qū)的一部分。土壤為山地黃棕壤土，土壤多呈中性、微酸性，pH值為5.5～7.5，耕作層厚20 cm左右。流域內有小河煤礦、小河鐵廠、老鷹山煤礦等國營大中型企業(yè)，始建于20世紀60年代，粗放型生產，工業(yè)“三廢”污染嚴重。研究區(qū)原生植被破壞嚴重，森林過伐，現(xiàn)狀植被均為次生植被和人工植被。喬木主要有華山松(Pinus armandiFranch.)、柳杉(Cryptomeria fortuneiHooibrenk ex Otto et Dietr.)、青岡(Cyclobalanopsis glauca(Thunb.)Oerst.)、猴樟(Cinnamomum bodinieriLevl.)等。原生植被破壞后，次生植被演替為以火棘(Hippophae rhamnoidesL.ssp.Sinensis Rousi)、懸鉤子(Rubus corchorifoliusLinn.f.)、馬桑(Coriaria nepalensisWall.)、野花椒(Zanthoxylum simulansHance)等為主的藤刺灌木。

研究區(qū)有典型的喀斯特石漠化類型和多時相不同退耕方式的土地，是珠江流域峰叢谷地輕、中度石漠化生態(tài)修復與農田基本建設導向型綜合治理區(qū)，從2000年開始實施退耕還林(草)等石漠化治理工程，經過多年的治理，其生態(tài)環(huán)境及社會人文狀況得到了較大改善。

2 健康評價指標體系建立

對生態(tài)系統(tǒng)健康的評價應該綜合生態(tài)學、地理學、社會經濟、人類健康及社會公共政策方面的原則和原理進行評價［10］?；谠搮^(qū)小流域綜合治理的目標與要求，從生態(tài)系統(tǒng)健康的內涵出發(fā)，堅持指標體系的靈敏性、獨立性、可操作性和協(xié)調性準則，構造能夠反映石漠化地區(qū)生態(tài)經濟系統(tǒng)健康現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢的指標體系，形成以資源環(huán)境指標(A1)、社會經濟及人文指標(A2)和生態(tài)綜合功能指標(A3)3個二級指標，X1，X2，X3，…，X15等 15 個具體指標作為三級層次的小流域生態(tài)經濟系統(tǒng)健康評價指標體系(Ecosystem Health Indicator，EHI)(圖1)。

圖1 石漠化地區(qū)小流域生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標體系Fig．1 Health evaluation indices system of ecosystem in small watershed on rocky desertification area

1)A1：人均基本農田X1(hm2)、畜牧人均存欄量X2(羊單位)、植被覆蓋率X3(%)、糧食單產潛勢實現(xiàn)率［11］X4(%)、巖石裸露率X5(%)、土壤侵蝕模數(shù)X6(t/(km2·a))。

2)A2：人均純收入X7(元)、總撫養(yǎng)比X8、人口密度X9(人/km2)、九年義務教育普及率X10(%)、恩格爾系數(shù)［12］X11。

3)A3：物種多樣性X12、土壤有機質質量分數(shù)X13(g/kg)、土壤水穩(wěn)性團聚體比例X14(%)、治理度X15(%)。

3 系統(tǒng)健康評價方法與模型

多指標評價的方法較多，其關鍵是指標權重的確定，權重的準確與否在很大程度上影響著診斷的準確性和科學性［13-14］。本研究采用精度較高且計算較為簡便的標準差系數(shù)法確定指標權重，并結合可進行多層次綜合評價的灰色關聯(lián)度法，最終得出各評價對象的健康指數(shù)，并在一定程度上反映流域的生態(tài)系統(tǒng)健康狀況。

3.1 指標權重確定

3.1.1 量綱歸一化處理 為了解決各指標不同量綱無法進行綜合分析的問題，需要對數(shù)據(jù)進行量綱歸一化處理。運用極值標準化方法［15］，設有n個樣本，每個樣本有p個指標，初始樣本矩陣為X=(xij)n×p，將Xij轉化為取值在［0，1］區(qū)間的相對化數(shù)據(jù)，設轉化后的指標值為yij，具體做法如下：

若評價指標為正作用指標，則

若評價指標為負作用指標，則

經過以上處理，不僅可消除不同量綱對指標綜合的影響，而且還可調整指標方向，增強了各指標的可比性。

3.1.2 權重確定 運用標準差系數(shù)法［15］確定權重，獲取各單項指標(xj)權重系數(shù)wj。

計算各項指標Xj的標準差系數(shù)

式中σj和μj分別為Xj的標準差和均值。

計算各項指標Xj的權重

對于二級層次指標(Ai)的權重系數(shù)wa需要基于二級層次指標健康指數(shù)，最后同理計算獲取即可。

3.2 系統(tǒng)健康評價模型

為進一步研究診斷該區(qū)系統(tǒng)的健康狀況，本研究構建了健康診斷模型——健康指數(shù)。系統(tǒng)健康指數(shù)是該區(qū)綜合治理和生態(tài)環(huán)境建設及系統(tǒng)經濟發(fā)展等總體水平的集中體現(xiàn)。

3.2.1 二級層次指標健康指數(shù) 依據(jù)系統(tǒng)指標體系特征，運用灰色關聯(lián)度法［16］對二級層次指標(Ai)進行求解。

1)確定最優(yōu)向量。由于進行量綱歸一化處理時已將所有指標調整為正指標，故最優(yōu)向量gj為各項指標中的最大值。

2)計算關聯(lián)系數(shù)。利用灰色關聯(lián)系數(shù)公式計算第i個評價對象與第j個指標的最優(yōu)向量的關聯(lián)系數(shù)

式中ξij為關聯(lián)系數(shù)。

3.2.2 系統(tǒng)健康指數(shù) 二級層次指標中每一指標均是從不同側面來反映系統(tǒng)的健康水平，總體水平必須進行綜合評價，則基于二級層次指標健康指數(shù)(RA)，再次選用灰色關聯(lián)法對系統(tǒng)健康指數(shù)(RH)進行求解。|yij-gj|分別為兩級極小差和兩級極大差;ρ為分辨率，一般取0.5。

3)二級層次指標健康指數(shù)

4 實例分析——竹林河小流域生態(tài)系統(tǒng)健康評價

4.1 指標獲取及權重確定

在建立的指標體系基礎上，結合指標涵義，根據(jù)試驗、觀測及調查資料進行分析計算得到了2000—2008年石漠化地區(qū)竹林河小流域生態(tài)系統(tǒng)健康評價各單項指標的量化值(表1)。運用上述方法，計算得到了各指標的權重系數(shù)(表2)。從表2可以看出系統(tǒng)的各二級評價指標權重的差異較大，其中：生態(tài)綜合指標的權重最大，為0.470 6;其次是社會經濟及人文指標，為0.351 5;最小的是資源環(huán)境指標，為0.177 9。這不僅表明該小流域生態(tài)經濟系統(tǒng)各指標間的協(xié)調性較弱，而且也說明生態(tài)綜合指標的變化對整個流域的生態(tài)系統(tǒng)健康影響較大;所以應加強生態(tài)修復工作，確保生態(tài)系統(tǒng)健康的同時，也兼顧協(xié)調好資源環(huán)境的改善及社會經濟人文的發(fā)展。

4.2 系統(tǒng)的健康評價

運用灰色關聯(lián)度法分別計算得到了2000—2008年的二級層次指標健康指數(shù)(RA)和該流域生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)(RH)，繪制了其動態(tài)曲線(圖2和圖3)。

從圖2可知，總體來看，資源環(huán)境指標、社會經濟及人文指標和生態(tài)綜合功能指標的健康指數(shù)均隨時間呈上升趨勢，其健康指數(shù)資源環(huán)境指標從2000年的0.227 4上升到2008年的0.314 4;社會經濟及人文指標從2000年的0.101 3上升到2008年的0.267 5;生態(tài)綜合功能指標從2000年的0.091 4上升到2008年的0.274 2。但具體而言，還存在一些波動，社會經濟及人文指標和生態(tài)綜合指標健康指數(shù)從開始就呈上升趨勢，而資源環(huán)境指標健康指數(shù)呈先下降后上升的趨勢，這是由于石漠化治理之初退耕整地還林(草)，對資源環(huán)境有一定的破壞作用，隨著林草植被的恢復，其健康指數(shù)呈不斷上升趨勢。此外，從這3個指標的健康指數(shù)來看數(shù)值都不算大，表明其恢復潛力較大。

表1 竹林河小流域生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標量化值Tab．1 Indicators value for health evaluation of ecosystem in Zhulinhe small watershed

表2 竹林河小流域生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標權重Tab．2 Weight of indicators for health evaluation of ecosystem in Zhulinhe small watershed

圖3顯示，竹林河小流域生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)隨時間呈上升趨勢，經歷了生態(tài)系統(tǒng)健康的相對穩(wěn)定階段，健康指數(shù)從2000年的0.341 5提高到2008年的最優(yōu)狀態(tài)，結果達到了1。

圖2 資源環(huán)境、社會經濟及人文和生態(tài)綜合功能健康指數(shù)動態(tài)Fig．2 Variance of resource-environment，social-economic state and eco-comprehensive function of health index

圖3 竹林河小流域生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)動態(tài)Fig．3 Variance of health index in Zhulinhe small watershed

5 結論與討論

該小流域生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)呈逐年上升趨勢，由2000年的0.341 5增大到2008年的1。這表明，該地區(qū)的石漠化治理已見成效，生態(tài)系統(tǒng)健康逐漸恢復，且相對穩(wěn)定。此外，從資源環(huán)境、社會經濟及人文和生態(tài)綜合功能3個方面來看，都擁有較大的恢復潛力。因此，在今后還應大力加強石漠化的治理及生態(tài)環(huán)境保護，并將其重點落在生態(tài)環(huán)境修復工作上，不僅確保生態(tài)系統(tǒng)健康的同時，也兼顧協(xié)調好資源環(huán)境的改善及社會經濟人文的發(fā)展。同時，不斷改善和提高當?shù)厝嗣裆顥l件與水平及加強環(huán)境資源的保護，從而促進該小流域生態(tài)系統(tǒng)的健康水平，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

生態(tài)系統(tǒng)健康作為一個新興的學科，已被逐漸運用在新的環(huán)境管理與生態(tài)系統(tǒng)管理之中，為科學管理提供依據(jù)。但由于研究起步晚，還存在很多問題有待解決：1)總體來說，生態(tài)系統(tǒng)健康評價方法很多，但多以定性為主，定量化的研究較少。2)健康評價標準的確定是目前進行生態(tài)系統(tǒng)健康評價的困難之一，要確定生態(tài)系統(tǒng)的健康與否，首先必須有一個健康的標準，而目前采取的方法是通過在同一生物地理區(qū)系內尋找同一生態(tài)類型的未受或者少受人類干擾的系統(tǒng)作為研究對象的健康評價標準;但在當今人類足跡幾乎遍及世界各個角落的前提下，要尋找到這樣的健康標準是十分困難的。所以本文沒有對其研究區(qū)的健康程度做出評價。3)石漠化地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康研究尚屬空白，尤其是評價指標體系建立，應著重考慮石漠化地區(qū)特殊的自然地理環(huán)境。如巖石裸露率不僅可以反映該系統(tǒng)的資源情況，還可以間接反映該系統(tǒng)的生態(tài)脆弱程度。因此本文將巖石裸露率作為評價指標之一。但從目前的石漠化評價指標體系總體研究狀況來看，石漠化評價大都以定性描述為主，評價指標繁冗，且相互重疊、多為間接性指標，指標不易獲取，可操作性差。所以，在指標選取上還是存在一些不足，不過仍可為以后的研究起到拋磚引玉的作用。

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Quantitative evaluation on ecosystem health in small watershed in rocky desertification area

Xiang Wanli，Dai Quanhou，Deng Yihan，Dong Yahui
(Forestry College of Guizhou University，550025，Guiyang，China)

A case study were conducted in Zhulinhe small watershed in rocky desertification area.Total 15 factors were selected as evaluation indices from three aspects：resource-environment，social-economy state，and eco-comprehensive function.Evaluation index system for small watershed ecosystem was established to give health assessment.Themethod of high precision of standard deviation coefficient was used to calculate the weight，and grey relational analysismethod was introduced to build comprehensive evaluationmodel for watershed ecosystem.Ecosystem health situation was evaluated quantitatively.Results showed that the watershed ecosystem was relatively stable and the health index has an increasing trend from 0.341 5 in 2000 to 1 in 2008.

ecosystem health;quantitative evaluation;rocky desertification;small watershed

2010-10-26

2011-05-26

國家自然科學基金“喀斯特坡耕地產流產沙特征及過程研究”(41061029);貴州省社發(fā)攻關項目“鉛鋅礦、礦山廢棄地植被恢復技術研發(fā)與示范”(黔科合SZ字［2009］3003);貴州省優(yōu)秀科技教育人才省長專項基金“喀斯特地區(qū)坡面徑流及產沙過程模擬試驗研究”(黔科教辦(2008)04號)

向萬麗(1987—)，女，碩士研究生。主要研究方向：區(qū)域土壤侵蝕研究與評價技術。E-mail：xiangwanli 1987@126.com

?責任作者簡介：戴全厚(1969—)，男，博士，教授。主要研究方向：水土保持與生態(tài)恢復重建。E-mail：qhdai@sohu.com

(責任編輯：程 云)