第二松花江流域坡耕地生態(tài)環(huán)境診斷及評(píng)價(jià)

隋媛媛，許曉鴻，劉明義，張瑜，劉艷軍，王永豐，孫傳生，張軍海

(吉林省水土保持科學(xué)研究院，吉林長春130033)

第二松花江為吉林省最大的河流，發(fā)源于長白山天池，在吉林省境內(nèi)流域面積73 229 km2，占吉林省總面積的39.1%，水土流失面積為11 690.9 km2。區(qū)內(nèi)主要市縣坡耕地總面積為21 647.12 km2，屬于東北黑土區(qū)糧食主產(chǎn)區(qū)［1］。第二松花江流域內(nèi)地形復(fù)雜，涵蓋長白山中山低山區(qū)、中部低山丘陵區(qū)及漫川漫崗區(qū)，坡耕地坡面緩且長，是水土流失的主要發(fā)生區(qū)。水土流失的不斷剝蝕表土，致使黑土層變薄，養(yǎng)分流失，土壤肥力下降，土壤保水、保肥和通氣性能隨之下降，導(dǎo)致糧食生產(chǎn)能力明顯下降。防治第二松花江流域坡耕地水土流失已經(jīng)成為保護(hù)東北地區(qū)土地資源安全、改善生態(tài)環(huán)境和保障糧食生產(chǎn)安全的迫切需要和重要內(nèi)容。然而，在對(duì)流域進(jìn)行水土流失防治及生態(tài)恢復(fù)重建過程中，對(duì)生態(tài)環(huán)境的評(píng)價(jià)多以定性描述為主，目前還沒有形成一套完整的指標(biāo)體系用來進(jìn)行流域系統(tǒng)的健康診斷，其科學(xué)性和系統(tǒng)性均較差。我們?cè)趯?duì)坡耕地進(jìn)行野外實(shí)地調(diào)查和資料查詢的基礎(chǔ)上，運(yùn)用層次分析法對(duì)其生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀進(jìn)行診斷和分析評(píng)價(jià)，旨在為坡耕地水土流失防治和生態(tài)恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)，為保障東北黑土區(qū)糧食生產(chǎn)安全提供理論基礎(chǔ)。

1 坡耕地生態(tài)環(huán)境診斷指標(biāo)體系建立

1.1 坡耕地生態(tài)環(huán)境診斷指標(biāo)選擇原則

評(píng)價(jià)指標(biāo)體系是建立在系統(tǒng)運(yùn)行基礎(chǔ)上的指標(biāo)集合，是一個(gè)有機(jī)的統(tǒng)一體，需要具備描述揭示功能、評(píng)價(jià)功能及預(yù)警功能［2］。經(jīng)過綜合調(diào)查分析，在影響第二松花江流域坡耕地生態(tài)環(huán)境的諸多因素中，選取有代表性的、靈敏的、出現(xiàn)頻率高的和直接影響坡耕地生態(tài)環(huán)境的因素為初選指標(biāo)參數(shù)，所選指標(biāo)應(yīng)該能反映客觀實(shí)際和具體問題，同時(shí)要求簡單、實(shí)用。

(1)科學(xué)性原則。明確反映目標(biāo)與指標(biāo)間的相關(guān)關(guān)系，指標(biāo)體系的大小也必須適宜。評(píng)價(jià)指標(biāo)與評(píng)價(jià)方法應(yīng)符合生態(tài)學(xué)原理以及相關(guān)學(xué)科理論，并盡可能地應(yīng)用現(xiàn)代化手段予以權(quán)衡和定量表達(dá)。

(2)客觀性原則。能準(zhǔn)確反映坡耕地生態(tài)環(huán)境狀況，克服主觀因素的影響。對(duì)各種評(píng)價(jià)指標(biāo)定義要清晰、準(zhǔn)確。

(3)代表性原則。為使評(píng)價(jià)結(jié)果更加科學(xué)，評(píng)價(jià)指標(biāo)應(yīng)該能反映坡耕地目前生態(tài)環(huán)境狀況及其受干擾和破壞的程度。

(4)整體性原則。坡耕地生態(tài)環(huán)境診斷與評(píng)價(jià)的目的是對(duì)坡耕地水土流失進(jìn)行防治，評(píng)價(jià)指標(biāo)應(yīng)具有一定的整體效應(yīng)，能發(fā)揮整體功能，評(píng)價(jià)結(jié)果能提供有效的信息。

(5)重點(diǎn)性原則。按照水土保持的要求，可列出多個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)反映水土流失影響，這里就要考慮到需要與可能的問題，且應(yīng)能計(jì)量表達(dá)。

(6)可操作性原則。指標(biāo)體系中的指標(biāo)內(nèi)容應(yīng)簡單明了，數(shù)據(jù)盡可能量化，對(duì)定量指標(biāo)要確保其可信度，并且對(duì)非專業(yè)人員而言其測(cè)量過程也比較容易。

1.2 診斷指標(biāo)的選取及評(píng)價(jià)體系建立

根據(jù)上述生態(tài)環(huán)境診斷指標(biāo)的選取原則，以及坡耕地生態(tài)環(huán)境的實(shí)際調(diào)查情況，經(jīng)過專家咨詢與分析識(shí)別，我們篩選和提出了影響坡耕地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的4 類評(píng)價(jià)因子，分別為黑土層厚度、土壤侵蝕、土壤理化性狀、坡耕地治理，共選擇確定了10 個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)(圖1)。

圖1 坡耕地生態(tài)環(huán)境健康診斷及評(píng)價(jià)體系結(jié)構(gòu)框架

2 坡耕地生態(tài)環(huán)境健康診斷

2.1 診斷分析指標(biāo)權(quán)重的確定

本研究采用層次分析法(簡稱AHP 法)［3］確定各指標(biāo)權(quán)重，其基本原理是把研究的復(fù)雜問題看成一個(gè)大系統(tǒng)，先對(duì)系統(tǒng)多個(gè)因素進(jìn)行分析，劃分出各因素間相互聯(lián)系的有序?qū)哟危賹?duì)每一層次的各因素進(jìn)行客觀判斷，并相應(yīng)地給出重要性的定量表示，進(jìn)而建立數(shù)學(xué)模型，計(jì)算出每一層次全部因素的相對(duì)重要性權(quán)值，加以排序，最后根據(jù)排序結(jié)果進(jìn)行規(guī)劃決策并選擇解決問題的措施。

2.1.1 層次結(jié)構(gòu)的建立

首先把系統(tǒng)問題條理化、層次化，構(gòu)造出一個(gè)層次分析的結(jié)構(gòu)模型。本研究將遞階層次分為3 層(表1)。

表1 坡耕地生態(tài)環(huán)境健康診斷及評(píng)價(jià)的層次結(jié)構(gòu)

2.1.2 坡耕地生態(tài)環(huán)境診斷評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定

(1)準(zhǔn)則層各指標(biāo)權(quán)重的確定。在本研究中，目標(biāo)層為坡耕地生態(tài)環(huán)境診斷及評(píng)價(jià)指標(biāo)，其影響因素分別為:黑土層厚度U1;土壤侵蝕U2;土壤理化性狀U3;坡耕地治理U4。據(jù)此可以得到如下判斷矩陣(表2)。

根據(jù)以上判斷矩陣，利用和積法求得其最大特征值及其對(duì)應(yīng)的特征向量，分別為:最大特征值λmax=4.033 3，對(duì)應(yīng)的特征向量ω=(0.437 0，0.234 1，0.202 9，0.126 0)。準(zhǔn)則層各指標(biāo)權(quán)重見表3。

表2 準(zhǔn)則層判斷矩陣構(gòu)建

表3 準(zhǔn)則層各指標(biāo)權(quán)重

為保證所確定的相對(duì)重要性的可信度和準(zhǔn)確性，必須對(duì)判斷矩陣進(jìn)行一致性校驗(yàn)。一致性校驗(yàn)準(zhǔn)則為一致性比率C.R.＜0.10。經(jīng)計(jì)算，C.R.=0.012 ＜0.10，說明判斷矩陣的一致性是可以接受的，也就是準(zhǔn)則層的黑土層厚度、土壤侵蝕、土壤理化性狀及坡耕地治理對(duì)坡耕地生態(tài)環(huán)境健康影響權(quán)重分別是0.437 0、0.234 1、0.202 9、0.126 0。

(2)指標(biāo)層各指標(biāo)權(quán)重的確定。由于指標(biāo)層中各指標(biāo)對(duì)相應(yīng)準(zhǔn)則層中各指標(biāo)的影響程度差別很小，本研究中指標(biāo)層權(quán)重的確定選用平均分配的方法。指標(biāo)層各指標(biāo)權(quán)重見表4。

2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)實(shí)際值的調(diào)查與測(cè)定

2.2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)實(shí)際值確定方法

(1)黑土層厚度(cm)。以縣為單位，采用專家咨詢、資料查閱的方法，并結(jié)合土壤剖面實(shí)測(cè)結(jié)果，復(fù)核確定各市縣不同坡度級(jí)耕地黑土層平均厚度。

(2)12°以下坡耕地比重(%)。通過資料收集與綜合調(diào)查、分析的方法確定12°以下坡耕地占坡耕地總面積的比重。

(3)年均降水量(mm)。通過資料收集及實(shí)地調(diào)查與分析，確定不同市縣坡耕地年平均降水量。

表4 指標(biāo)體系各指標(biāo)權(quán)重

(4)水土流失治理度(%)。通過資料收集及實(shí)地調(diào)查與分析，確定不同市縣坡耕地水土流失治理度。

(5)土壤侵蝕模數(shù)［t/(km2·a)］。通過資料收集及實(shí)地調(diào)查與分析，并向多位水土保持及土壤專家進(jìn)行咨詢，利用降雨量作為修正系數(shù)，采用土壤侵蝕模數(shù)加權(quán)平均法計(jì)算并確定坡耕地平均土壤侵蝕模數(shù)。

土樣采集與樣點(diǎn)布設(shè)。以縣為單位，選取不同坡度坡耕地采集土壤樣品。由于不同地區(qū)地形、地勢(shì)及田塊大小均不同，長期耕作導(dǎo)致土壤肥力均勻性差，因而將坡面平分為坡上和坡下兩部分，分別采取蛇形采樣法進(jìn)行采樣，采集土樣分0—10、10—20、20—30 和30—40 cm 四個(gè)層次。

(6)土壤有機(jī)質(zhì)含量(%)。采用硫酸重鉻酸鉀法進(jìn)行測(cè)定［4］。

(7)土壤全氮含量(%)。采用全自動(dòng)凱氏定氮法測(cè)定。

(8)土壤全磷含量(%)。采用NaOH 熔融－鉬銻抗混合試劑比色法測(cè)定。

(9)土壤全鉀含量(%)。采用NaOH 熔融－原子吸收光譜法測(cè)定。

(10)土壤含水量(%)。采用土鉆法和烘干法進(jìn)行測(cè)定。

2.2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)實(shí)際值的調(diào)查與測(cè)定結(jié)果

根據(jù)以上評(píng)價(jià)指標(biāo)實(shí)際值的調(diào)查與測(cè)定方法，分別對(duì)20 個(gè)主要市縣坡耕地10 個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行實(shí)際調(diào)查與分析，結(jié)果見表5 和表6。

2.2.3 坡耕地土壤侵蝕模數(shù)

依據(jù)伊通縣水保站提供的不同坡度坡耕地土壤侵蝕模數(shù)資料，結(jié)合各市縣年均降水量，通過進(jìn)行專家咨詢及資料查詢，計(jì)算各市縣不同坡度級(jí)坡耕地土壤侵蝕模數(shù)，并確定不同坡度坡耕地的平均土壤侵蝕模數(shù)，結(jié)果見表7。

表5 評(píng)價(jià)指標(biāo)實(shí)際值調(diào)查結(jié)果

表6 20 個(gè)市縣土壤養(yǎng)分平均含量%

利用水土保持規(guī)劃與普查數(shù)據(jù)結(jié)果，統(tǒng)計(jì)出不同坡度坡耕地占坡耕地總面積的比例(表8)，通過加權(quán)平均法計(jì)算出坡耕地平均土壤侵蝕模數(shù)。經(jīng)計(jì)算，第二松花江流域坡耕地平均土壤侵蝕模數(shù)為1 004t/(km2·a)。

2.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)量化與綜合診斷評(píng)判

2.3.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)量化

(1)評(píng)價(jià)指標(biāo)實(shí)際值與目標(biāo)值的確定。根據(jù)本研究中建立的診斷評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，采取綜合調(diào)查與實(shí)地測(cè)定分析、資料統(tǒng)計(jì)分析的方法，有針對(duì)性地收集和測(cè)量了坡耕地與生態(tài)環(huán)境相關(guān)的數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)整理出分析診斷所需各單項(xiàng)指標(biāo)的實(shí)際值。各單項(xiàng)指標(biāo)的目標(biāo)值是以國家及該地區(qū)水土保持生態(tài)建設(shè)目標(biāo)為依據(jù)，參照國內(nèi)外現(xiàn)代化和可持續(xù)發(fā)展報(bào)告［5］、《中國21 世紀(jì)議程》、《吉林省21 世紀(jì)議程行動(dòng)計(jì)劃》、《吉林省生態(tài)省建設(shè)總體規(guī)劃綱要》、《吉林省生態(tài)環(huán)境保護(hù)規(guī)劃》、《吉林省水土保持“十一五”規(guī)劃》和流域現(xiàn)狀實(shí)際，進(jìn)行綜合分析確定(表9)。

表7 不同坡度坡耕地土壤平均侵蝕模數(shù)t/(km2·a)

表8 不同坡度坡耕地面積及比例

(2)評(píng)價(jià)指標(biāo)量化。指標(biāo)量化與綜合診斷評(píng)價(jià)是流域系統(tǒng)診斷的關(guān)鍵，評(píng)價(jià)體系中的10 個(gè)指標(biāo)基本可以分為兩類:一是對(duì)系統(tǒng)健康持續(xù)發(fā)展起正作用的指標(biāo)，如黑土層厚度、土壤有機(jī)質(zhì)含量等，此種指標(biāo)值越大越好;二是對(duì)系統(tǒng)健康持續(xù)發(fā)展起副作用的指標(biāo)，如土壤侵蝕模數(shù)，此種指標(biāo)值越小越好。兩種類型的指標(biāo)應(yīng)采取不同的量化方法。為此，本研究引入了模糊集合的隸屬函數(shù)［6］進(jìn)行指標(biāo)量化。設(shè)xj和tj分別為單項(xiàng)指標(biāo)的實(shí)際值與目標(biāo)值，則該單項(xiàng)指標(biāo)的量化值為:當(dāng)x 為正作用指標(biāo)時(shí)，aj=(xj/tj)C×100%;當(dāng)x 為副作用指標(biāo)時(shí)，aj=(tj/xj)C×100%。式中，C 為刻畫模糊度的常數(shù)，一般C ＞1，這里取1.1。各指標(biāo)量化結(jié)果見表9。

表9 坡耕地生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)健康診斷單項(xiàng)指標(biāo)評(píng)估量化結(jié)果

2.3.2 坡耕地生態(tài)環(huán)境健康綜合診斷評(píng)判

流域綜合調(diào)查分析診斷指標(biāo)體系中的每一單項(xiàng)指標(biāo)均是從不同側(cè)面來反映系統(tǒng)健康持續(xù)發(fā)展?fàn)顩r，因而必須對(duì)總體狀況進(jìn)行綜合評(píng)判。本研究采用多目標(biāo)線性加權(quán)函數(shù)法［7］進(jìn)行計(jì)算和評(píng)判，其具體分級(jí)如表10 所示。

表10 坡耕地生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)診斷評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)多目標(biāo)線性加權(quán)函數(shù)法的計(jì)算結(jié)果，第二松花江流域坡耕地生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)綜合健康診斷指數(shù)為18.10，依據(jù)表10 生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)診斷評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，可知該系統(tǒng)發(fā)展運(yùn)行的健康水平，等級(jí)為劣。

3 結(jié) 論

坡耕地生態(tài)環(huán)境健康診斷與評(píng)價(jià)，是充分了解和掌握坡耕地生態(tài)現(xiàn)狀的有效途徑，也是改善和提高坡耕地生態(tài)環(huán)境、防治生態(tài)惡化的基礎(chǔ)和前提，能夠?yàn)椴扇『侠淼姆乐未胧┖椭卫砑夹g(shù)提供指導(dǎo)。通過對(duì)坡耕地生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)查以及專家咨詢與分析，我們篩選出了黑土層厚度、土壤侵蝕、土壤理化性狀及坡耕地治理4 類評(píng)價(jià)因子，利用層次分析法構(gòu)建了坡耕地生態(tài)環(huán)境診斷及評(píng)價(jià)體系結(jié)構(gòu)，并確定了10 個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重。將野外調(diào)查、測(cè)量與室內(nèi)試驗(yàn)相結(jié)合，測(cè)定并計(jì)算出第二松花江流域主要市縣坡耕地生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)實(shí)際值，利用多目標(biāo)線性加權(quán)函數(shù)法計(jì)算出第二松花江流域坡耕地生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)綜合健康診斷指數(shù)為18.10，健康等級(jí)為劣。評(píng)判結(jié)果說明，目前亟需加強(qiáng)對(duì)第二松花江流域坡耕地生態(tài)環(huán)境的治理力度，遵照“因地制宜，因害設(shè)防”的原則，提出坡耕地土壤侵蝕的有效防治技術(shù)，以降低黑土層流失速度和土壤侵蝕模數(shù)，改善和提高土壤肥力，切實(shí)保護(hù)坡耕地，促進(jìn)坡耕地的可持續(xù)利用。

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