基于熵權(quán)灰色關(guān)聯(lián)法的巖溶石漠化區(qū)土地質(zhì)量評價——以畢節(jié)試驗區(qū)為例

王才軍,游泳,左太安,孫德亮

區(qū)域土地質(zhì)量的研究始于20世紀70年代中期[1]。目前,國際上已經(jīng)建立起針對7個具體的土地退化問題的土地質(zhì)量指標體系。包括土壤侵蝕、土壤肥力降低、森林開墾與森林退化、牧區(qū)土地退化、地下水位下降、鹽堿化與水浸[2]。和國外相比,我國土地質(zhì)量的研究還缺乏系統(tǒng)性,也缺乏長期觀測的數(shù)據(jù)用于土地質(zhì)量評價中。

本研究的主要目的是構(gòu)建巖溶地區(qū)的土地質(zhì)量評價指標體系,并應用熵權(quán)灰色關(guān)聯(lián)法對畢節(jié)試驗區(qū)8個縣市的土地質(zhì)量狀況進行系統(tǒng)的評價,以期為決策者采取合適的土地政策和管理措施,為退化土地的恢復重建提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

畢節(jié)試驗區(qū)地處貴州省西北部,在東經(jīng)103°36′-106°44′,北緯 26°21′-27°47′之間 ,轄畢節(jié) 、大方、黔西、金沙、織金、納雍、威寧、赫章等1市 7縣,幅員面積2.69萬km2。試驗區(qū)位于滇東高原向黔中高原過渡的東斜坡地帶,地層出露較齊全,地質(zhì)構(gòu)造復雜,褶皺斷裂交錯發(fā)育。地勢西高東低且隨山勢呈階梯式下降,境內(nèi)平均海拔1 600 m,最高處位于赫章縣珠市鄉(xiāng)與威寧縣交界的小韭菜坪2 900.6 m,最低海拔位于金沙與仁懷縣、古藺縣交界的赤水河谷,海拔457 m。氣候因地勢起伏不平,地面零星破碎,地方小氣候差異十分明顯,既有亞熱帶溫涼濕潤季風氣候,也有暖溫帶氣候和寒溫帶氣候,各縣市多年平均降雨量849～1 399 mm,全年降水以夏季最多,主要出現(xiàn)在4-9月。強烈的降水過程導致水土強烈流失并伴有崩塌、滑坡、泥石流等重力侵蝕的產(chǎn)生。畢節(jié)試驗區(qū)植被屬亞熱帶常綠闊葉林區(qū),森林植被主要包括闊葉林、櫟林、松林、柏木林、茶叢、常綠落葉混交林、漆樹、核桃林、草叢等類型,其中亞熱帶常綠闊葉林是主要植被類型。高人口密度和低環(huán)境承載力使該區(qū)人地關(guān)系矛盾突出,高生態(tài)環(huán)境的脆弱性與不合理土地利用方式的耦合使該區(qū)的貧困積重難返,同時也加劇該區(qū)的水土流失和石漠化。由此可見,畢節(jié)試驗區(qū)的土地質(zhì)量問題已成為該區(qū)生態(tài)經(jīng)濟發(fā)展的嚴重制約因素之一。

2 畢節(jié)巖溶地區(qū)土地質(zhì)量評價指標的建立

2.1 評價指標的選擇

影響土地質(zhì)量的因素很多,為了能夠突出反映巖溶地區(qū)的主要特點,對土地質(zhì)量進行客觀的評價,必須選取最能反映畢節(jié)巖溶石漠化區(qū)土地質(zhì)量的指標,并建立評價指標體系。本研究根據(jù)實際情況及分析建模的要求,在指標確定上要依據(jù)如下原則：(1)指標要具有可比性。(2)指標的分辨意義和差異性顯著,以避免選用指標因地域差異過小給歸類帶來困難。(3)指標不能高度相關(guān);(4)指標數(shù)據(jù)收集的可行性。

依據(jù)以上原則,采用空間變異度分析和相關(guān)分析對指標進行篩選[3]。

式中：Cvj——變異系數(shù) ;Sj——標準差;Xj——均值。

將所屬各個區(qū)縣相關(guān)指標的原始數(shù)據(jù)代入式(1),經(jīng)定量運算,將相關(guān)系數(shù)大且空間變異小、分辨意義差的指標去掉,最后從畢節(jié)地區(qū)的自然干擾、社會干擾和石漠化景觀格局等3個方面入手,選擇最能反映畢節(jié)巖溶石漠化區(qū)土地質(zhì)量的13項影響因子作為評價指標,構(gòu)建評價指標體系(表1)。

數(shù)據(jù)主要來源于畢節(jié)市水利局水土保持辦、畢節(jié)年鑒(2008年)[4]、《貴州省地表自然形態(tài)信息數(shù)據(jù)量測研究》[5],部分來源于《喀斯特山區(qū)生態(tài)環(huán)境動態(tài)監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)集成與應用示范》自評價報告、《基于“3S”技術(shù)的貴州喀斯特生態(tài)系統(tǒng)健康評價及調(diào)控研究——以畢節(jié)試驗區(qū)為例》總報告。

2.2 研究方法

2.2.1 評價指標的無量綱化 為消除由評價指標物理量量綱不同帶來的影響,在評價之前需將樣本矩陣中各指標無綱量化處理。本文采用線性插值法的標準化方法對原始數(shù)據(jù)進行無量綱處理。一般情況下,區(qū)劃的所有指標可劃分為逆向指標和正向指標等。

表1 畢節(jié)地區(qū)8個巖溶縣市土地質(zhì)量評價指標現(xiàn)狀值

正向指標(效益型指標)是指數(shù)值越大越好的指標,其標準化方法：

式中：x min——該項指標最大值;x min——該項指標的最小值。

負向指標(成本型指標)是指數(shù)值越小越好的指標,其標準化方法：

式中：x max——該項指標最大值;x min——該項指標的最小值。

2.2.2 指標權(quán)重的確定 科學的確定各區(qū)劃指標的權(quán)數(shù)對綜合評價結(jié)果具有重要意義。熵值賦權(quán)法是根據(jù)某指標在各被評價對象之間的差異大小即分辨能力大小來確定權(quán)重大小的,比其他方法優(yōu)越,因此在多目標決策中廣泛應用,本文將用此方法賦權(quán)[6]。

式中：ej——第 j項指標的熵值;y ij——標準化之后的指標數(shù)據(jù),k＞0,k=1/ln m,0≤ej≤1,如果 yij為 0則用0.000 01代替計算。

式中：wj——第j項指標的權(quán)重;dj——指標 xj的差異系數(shù),d j=1-ej。

2.2.3 灰色關(guān)聯(lián)度模型的建立

(1)確定數(shù)列的最優(yōu)向量,由于進行對原始數(shù)據(jù)進行了標準化處理且都轉(zhuǎn)化為正向指標,所以最優(yōu)向量為[7]：

G=(g1,g2,…,gn)=

(y11vy12 v…vy 1m,y12 vy 22v…vy2m,y n1vyn2…vy nm)

(6)式中：v——取最大運算符;G——最優(yōu)向量;gn——第n項指標的最優(yōu)向量;y ij——標準化之后的指標數(shù)據(jù)。

(2)利用灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)公式計算第j個評價指標Yj與最優(yōu)向量G的關(guān)聯(lián)系數(shù)ξi(Y j,G)。

式中 ：miin mji n │y ij-gi│和maix majx│yij-gi│分別為兩級極小差和兩級極大差;ρ——分辨系數(shù),0＜ρ＜1,一般取ρ=0.5。

(3)計算第j個評價對象Yj與最優(yōu)向量G的關(guān)聯(lián)度R：

2.3 評價標準

在咨詢專家的基礎(chǔ)上,結(jié)合畢節(jié)試驗區(qū)土地質(zhì)量評價運算的結(jié)果,為了更好的反映土地質(zhì)量的類比特征,該研究僅設(shè)計了一個3級分級標準,并給出了相應的評語(見表2)。

表2 土地質(zhì)量水平分級標準

3 畢節(jié)試驗區(qū)土地質(zhì)量評價結(jié)果分析

3.1 運算分析

依據(jù)表1指標數(shù)據(jù),選取的指標有正向指標和負向指標,利用式(2)、式(3)把指標原始數(shù)據(jù)經(jīng)無量綱化處理得到指標的標準化數(shù)據(jù)。采用熵值賦權(quán)法,利用公式(4)、式(5)計算得出各指標的權(quán)重w j。

wj=(0.012,0.027,0.004,0.063,0.054,0.086,0.132,0.078,0.190,0.113,0.125,0.073,0.044)

3.2 關(guān)聯(lián)系數(shù)和關(guān)聯(lián)度的計算

依據(jù)標準化之后的數(shù)據(jù),確定數(shù)列的最優(yōu)向量G=(1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1),把最優(yōu)向量G和標準化后的數(shù)據(jù)代入公式(7),得關(guān)聯(lián)系數(shù)ξ如式(9)所示。

將以上關(guān)聯(lián)系數(shù)ξ代入公式(8),得出畢節(jié)試驗區(qū)8個縣(市)的土地質(zhì)量水平和理想的最優(yōu)向量G之間的關(guān)聯(lián)度。R綜合=(0.600,0.547,0.585,0.592,0.725,0.611,0.523,0.727)。

應用以上相同的方法分別得到畢節(jié)試驗區(qū)8個縣(市)的土地質(zhì)量在自然干擾方面、社會干擾方面、石漠化景觀格局方面與理想的最優(yōu)向量G之間的關(guān)聯(lián)度,用以結(jié)果分析。

R自然=(0.411,0.427,0.789,0.575,0.533,0.602,0.445,0.408)

R社會=(0.530,0.464,0.447,0.600,0.722,0.497,0.706,0.645)

R格局=(0.682,0.623,0.633,0.590,0.765,0.686,0.420,0.842)

3.3 結(jié)果分析

3.3.1 畢節(jié)試驗區(qū)土地質(zhì)量區(qū)劃 畢節(jié)試驗區(qū)的生態(tài)環(huán)境狀況不但影響到畢節(jié)試驗區(qū)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定和社會經(jīng)濟發(fā)展,而且也對烏江下游生態(tài)環(huán)境安全產(chǎn)生重要影響。綜合自然、社會、景觀格局指標,得出畢節(jié)試驗區(qū)8個縣(市)的土地質(zhì)量之間的關(guān)聯(lián)度R=∑W ×ξ=(0.600,0.547,0.585,0.592,0.725,0.611,0.523,0.727)。說明8個縣市土地質(zhì)量水平從高到低的順序是威寧縣＞金沙縣＞黔西縣＞畢節(jié)市＞赫章縣＞織金縣＞大方縣＞納雍縣。與表2中確定的土地質(zhì)量水平標準進行比較,可以把畢節(jié)地區(qū)8個縣市按照土地質(zhì)量劃分為2類(圖1)。

圖1 畢節(jié)試驗區(qū)土地質(zhì)量等級

3.3.2 土地質(zhì)量區(qū)劃結(jié)果分析

(1)從分類結(jié)果可以看出,畢節(jié)試驗區(qū)土地質(zhì)量水平是自然干擾、社會干擾、景觀格局3個方面共同作用的結(jié)果。威寧縣從自然干擾因子方面來看,得分最低,土地質(zhì)量水平屬第3類。但由于該縣農(nóng)業(yè)人口密度小,對土地的壓力較小,在社會干擾和石漠化景觀格局方面表現(xiàn)了較好狀態(tài),得分最高,土地質(zhì)量相對最好。所以綜合自然干擾因子、社會干擾因子及景觀格局因子,土地質(zhì)量得分最高。

(2)單獨從準則層自然干擾、社會干擾、景觀格局三個方面分析,畢節(jié)試驗區(qū)8個縣市土地質(zhì)量均劃分為3個等級(圖2),但綜合評價結(jié)果顯示了兩個等級。這說明畢節(jié)試驗區(qū)8個縣市均是典型的喀斯特山區(qū),由于自然和社會經(jīng)濟的原因,處于相對封閉的一個區(qū)域內(nèi),彼此區(qū)間差異小,土地質(zhì)量水平較接近,區(qū)分并不明顯。

(3)自然干擾方面表現(xiàn)較差威寧縣和金沙縣,由于在社會干擾和景觀格局方面的表現(xiàn),綜合土地質(zhì)量水平相對較好。大方縣、畢節(jié)市、織金縣和黔西縣等縣在自然干擾和社會干擾方面得分較低,但景觀格局方面表現(xiàn)較好,根據(jù)土地質(zhì)量等級劃分標準均劃分為第二類。這也說明雖然在自然干擾、社會干擾方面對畢節(jié)試驗區(qū)生態(tài)環(huán)境壓力很大,但由于近年來國家對西南石漠化現(xiàn)象的重視,一系列石漠化治理工程落戶畢節(jié),畢節(jié)試驗區(qū)生態(tài)環(huán)境景觀方面有了較大的提高。

圖2 畢節(jié)土地質(zhì)量等級

4 結(jié)語

本研究選取與石漠化最為密切的影響因子作為評價指標,構(gòu)建相對性的評價標準,并基于熵權(quán)灰色關(guān)聯(lián)法對畢節(jié)地區(qū)8個縣市進行了土地質(zhì)量的評價分析。

(1)綜合分析結(jié)果表明：畢節(jié)試驗區(qū)土地質(zhì)量水平從高到低的順序是威寧縣＞金沙縣＞黔西縣＞畢節(jié)市＞赫章縣＞織金縣＞大方縣＞納雍縣。土地質(zhì)量水平較好的是威寧縣和金沙縣,土地質(zhì)量水平一般的為黔西縣、畢節(jié)市、赫章縣、織金縣、大方縣和納雍縣。

(2)本研究以畢節(jié)地區(qū)8個石漠化縣(市)為例,通過合理選取與巖溶區(qū)土地質(zhì)量最為密切的影響因子巖溶地區(qū)土地質(zhì)量評價指標體系,指標體系結(jié)構(gòu)簡明,便于操作,并運用熵權(quán)灰色關(guān)聯(lián)法進行土地質(zhì)量的等級劃分,為決策者采取合適的土地政策和管理措施,進行退化土地的恢復重建提供了一定的科學依據(jù)。

(3)熵權(quán)灰色關(guān)聯(lián)法是一種將熵權(quán)法與灰色關(guān)聯(lián)法有機結(jié)合研究方法,熵權(quán)法在很大程度上減少了人為主觀性對評價過程的干擾,使評價結(jié)果能夠更為準確地反映區(qū)域農(nóng)業(yè)發(fā)展客觀實際情況?；疑P(guān)聯(lián)法在研究不確定性方面也有其獨到的一面。該方法概念清晰,結(jié)構(gòu)簡單,計算簡潔,評價結(jié)果與現(xiàn)實結(jié)果基本一致,為巖溶石漠化區(qū)的土地質(zhì)量綜合評價提供了一種新方法。

(4)從運算的結(jié)果來看,畢節(jié)試驗區(qū)8個縣市均是典型的喀斯特山區(qū),土地質(zhì)量水平較接近,區(qū)分并不明顯。本研究在劃分土地質(zhì)量等級標準的時采用的8個縣市相對性的評價標準,僅劃分了3個等級,是對巖溶石漠化區(qū)土地質(zhì)量研究的一次探索。

[1] Dumanski J,Pieri C.Land quality indicators：research plan[J].Agriculture Ecosystems Environment,2000,81：93-102.

[2] Dumanski J,Gameda S,Pieri C.Indicators of land quality and sustainable land management：An annotated bibliograph.Environmentally and Socially Sustainable development series：Rural development[M].U S：Washington D C,The International Bank for Reconstruction and Development/The World Bank,1998.

[3] 秦耀辰.區(qū)域系統(tǒng)模型及其應用[M].河南開封：河南大學出版社,1994：118-119.

[4] 畢節(jié)地區(qū)年鑒編輯部.畢節(jié)年鑒(2009)[M].貴陽：貴州人民出版社,2009.

[5] 貴州師范大學地理研究所,貴州省農(nóng)業(yè)資源區(qū)劃辦公室.貴州省地表自然形態(tài)信息數(shù)據(jù)量測研究[M].貴陽：貴州科技出版社,2000.

[6] 郭秀云.灰色關(guān)聯(lián)法在區(qū)域競爭力評價中的應用[J].決策參考,2004,5(11)：54-59.

[7] 劉勇,劉友兆,徐萍.區(qū)域土地資源生態(tài)安全評價：以浙江嘉興市為例[J].資源科學,2004,26(3)：69-75.