基于突變級數(shù)法的南方紅壤侵蝕小流域的生態(tài)恢復(fù)評價
——以朱溪小流域?yàn)槔?/h1>

2014-01-15 01:51:37陳志強(qiáng)郭湘宇蘇曉玲

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關(guān)鍵詞：級數(shù)流域理論

陳志強(qiáng),郭湘宇, 蘇曉玲

(1.福建師范大學(xué) 濕潤亞熱帶生態(tài)—地理過程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州 350007；2.福建師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，福建 福州 350007)

0 引言

隨著20世紀(jì)80年代恢復(fù)生態(tài)學(xué)研究的興起，生態(tài)恢復(fù)評價對促進(jìn)恢復(fù)生態(tài)學(xué)研究發(fā)展發(fā)揮著越來越重要的作用[1]．由于生態(tài)恢復(fù)是一種動態(tài)過程，對這一動態(tài)過程進(jìn)行綜合評價分析，不僅可以指導(dǎo)生態(tài)系統(tǒng)管理，進(jìn)一步為生態(tài)恢復(fù)服務(wù)，而且還有助于減少生態(tài)建設(shè)的盲目性，為生態(tài)建設(shè)和確保社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展提供決策支持，對促進(jìn)區(qū)域生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展具有重大意義[2]．因而，生態(tài)恢復(fù)評價的研究已成為當(dāng)前國內(nèi)外生態(tài)學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)問題之一．近年來，從生態(tài)恢復(fù)的評價方法這個角度來看，目前主要有線性回歸模型[3，4]、生態(tài)學(xué)模型[3]、記分卡法[4]、層次分析法[5，6]、PSR框架模型[7]等．然而，生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)具有動態(tài)演替變化的特征，系統(tǒng)受到外界干擾具有累積性，當(dāng)干擾累積到一定程度或超過臨界狀態(tài)時，系統(tǒng)就會發(fā)生突變，而上述研究方法中多數(shù)并未考慮生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)所具有突變性[8-10]．突變級數(shù)法能夠反映生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)演變過程中的突變特性，并能對生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與重建進(jìn)行多準(zhǔn)則、多層次的綜合評價，因而在生態(tài)恢復(fù)評價中具有廣闊應(yīng)用前景[11-12]．

本研究將突變理論應(yīng)用于南方紅壤侵蝕小流域的典型代表朱溪小流域生態(tài)恢復(fù)評價，確立退化生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)恢復(fù)度，以期科學(xué)地揭示退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與重建的演變過程和機(jī)理，把握突變的條件及規(guī)律，控制生態(tài)系統(tǒng)向安全穩(wěn)定狀態(tài)發(fā)展，對未來我國南方紅壤侵蝕區(qū)退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)．

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

朱溪小流域位于25°38′15″～25°42′55″N和116°23′30″～116°30′30″E之間，地處福建省長汀縣河田鎮(zhèn)的東部和南山鎮(zhèn)的西北部，轄朱溪、明光、松林、游坊、寒坊、晨光、下街、南塘8個行政村．流域內(nèi)的地貌以低山丘陵為主，屬于中亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候．多年平均氣溫18.3 ℃，最熱月七月平均氣溫27.1 ℃，最冷月一月最低平均氣溫7.9 ℃，歷史上的極端最高氣溫39.4 ℃，極端最低氣溫-8.0 ℃，多年平均降雨量為1 730.4 mm，降雨年內(nèi)分配為雙峰型，降雨量集中，降雨強(qiáng)度大，3～8月的降雨總量為1 318.3 mm，占全年的76.18%，風(fēng)向季節(jié)性變化顯著，每年夏季盛行偏南風(fēng)，冬季盛行西北風(fēng)[13]．

流域土地總面積52 km2，其中耕地面積3.9 km2，山地面積44.7 km2．流域內(nèi)植被覆蓋度15～40%，輕度以上水土流失面積29.0 km2，占流域總面積的55.8%，占山地總面積的65%．流域內(nèi)集中了面蝕、溝蝕、工程侵蝕等不同水土流失類型及程度，具丘陵紅壤侵蝕區(qū)的典型特征，其中有較大崩切溝328 條，平均7.3條/km2，流域平均土壤侵蝕模數(shù)6 850 t/km2·a[14]．

1.2 研究方法

(1)突變模型簡介．突變級數(shù)法的理論基礎(chǔ)是突變理論[15]．突變理論建立于拓?fù)鋭恿W(xué)、微積分、奇點(diǎn)理論及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性理論之上．該理論利用動態(tài)系統(tǒng)的拓?fù)淅碚搧順?gòu)造數(shù)學(xué)模型，用來描述一系列連續(xù)性的量變?nèi)绾窝葑兂商S式的質(zhì)變，是目前唯一研究由漸變引起突變的理論[16-17]．突變理論的研究對象是系統(tǒng)的勢函數(shù)．勢函數(shù)中的變量有兩類：①狀態(tài)變量x,它表示系統(tǒng)的行為狀態(tài)；②控制變量a、b、c、d，它表示影響行為狀態(tài)的諸要素．

在本次研究中狀態(tài)變量的個數(shù)為1，共有4種突變模型見表1．

表1 突變模型相關(guān)公式[18-19]

(2)生態(tài)恢復(fù)評價指標(biāo)體系的構(gòu)建．朱溪小流域是一個社會—經(jīng)濟(jì)—自然—人類的復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)，本文據(jù)此來確定生態(tài)恢復(fù)評價指標(biāo)，將土壤肥力指標(biāo)、水土流失指標(biāo)、植被指標(biāo)和熱量指標(biāo)作為生態(tài)恢復(fù)的評價因子．依據(jù)綜合性、代表性、可比性和數(shù)據(jù)實(shí)際可取性的原則建立了一個四層評價指標(biāo)體系(見圖1)．

圖1 朱溪小流域生態(tài)恢復(fù)評價指標(biāo)體系

(3)評價指標(biāo)相對重要性的排序．朱溪小流域生態(tài)恢復(fù)評價指標(biāo)體系中各層狀態(tài)變量都有多個控制變量，因此可以通過偏相關(guān)分析計算出各控制變量與相應(yīng)的狀態(tài)變量之間的偏相關(guān)系數(shù)，從而確定各層要素指標(biāo)之間的相對重要性[19](見圖1)．本文運(yùn)用SPSS軟件進(jìn)行偏相關(guān)分析．先假設(shè)第五層(四級)指標(biāo)各變量的相對重要性相等均為1，由歸一公式進(jìn)行綜合量化運(yùn)算，得到第四層數(shù)據(jù)的狀態(tài)變量值．再通過SPSS軟件偏相關(guān)分析得到第五層(四級)指標(biāo)的各控制變量和相應(yīng)第四層(三級)指標(biāo)的狀態(tài)變量的相關(guān)系數(shù)．最后根據(jù)它們之間的相關(guān)系數(shù)來確定各控制變量的相對重要性，并對各級指標(biāo)按照相對重要程度排序．(得分排序i+1的相對重要性小于i(i=1、2、3……))

(4)突變模型的構(gòu)建．本文提出的朱溪小流域生態(tài)恢復(fù)評價指標(biāo)體系共五層(見圖1)．第五層(四級)指標(biāo)分為7組，根據(jù)突變模型的特征，從左到右依次為尖點(diǎn)模型、尖點(diǎn)模型、尖點(diǎn)模型；第四層(三級)指標(biāo)組成一個燕尾模型，第三層(二級)指標(biāo)可組成一個蝴蝶模型；第二層(一級)4指標(biāo)組成一個蝴蝶模型．

1.3 數(shù)據(jù)處理

系統(tǒng)的指標(biāo)往往具有不同的量綱和量綱單位，為了解決模型參數(shù)的量綱統(tǒng)一問題，需要對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化處理，使各數(shù)據(jù)無量綱化后的值都落在0～1之間．本文運(yùn)用極差變換法對數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化處理．

效益型指標(biāo)(越大越好的指標(biāo))公式為：

(1)

成本型指標(biāo)(越小越好的指標(biāo))公式為：

(2)

利用數(shù)據(jù)的無量綱化的初始相對值，按照突變模型相對應(yīng)的歸一公式，計算出對應(yīng)的多個狀態(tài)變量值(xa、xb、xc、xd)．再根據(jù)“互補(bǔ)”與“非互補(bǔ)”原則，求出狀態(tài)變量的突變隸屬函數(shù)值．所謂“互補(bǔ)”原則按均值取值，其各控制變量之間可以相互彌補(bǔ)各自的不足；“非互補(bǔ)”原則按大中取小取值，其各控制變量之間不可以彌補(bǔ)各自的不足[20]．本文各控制變量的選取具有相互獨(dú)立性，具有互補(bǔ)性，則取各狀態(tài)變量值的平均值最為最終狀態(tài)值．結(jié)合模糊理論，用歸一公式逐層遞歸運(yùn)算．由于本文對朱溪流域生態(tài)恢復(fù)度的評價只針對于實(shí)施治理措施的林地、草地等，因此剔除未治理的部分(耕地、交通用地、水域、園地、居住地與工礦用地)，得到整個朱溪流域的生態(tài)恢復(fù)度值(見圖2)．

圖2 朱溪小流域生態(tài)恢復(fù)度分級圖

2 結(jié)果與分析

2.1 生態(tài)恢復(fù)評價各指標(biāo)權(quán)重的確定

權(quán)重的確定方法較多，本研究為避免人為主觀因素的干擾，采用因子分析法計算各指標(biāo)的權(quán)重值．利用SPSS軟件對生態(tài)恢復(fù)評價各指標(biāo)的數(shù)據(jù)進(jìn)行因子分析，利用主成分分析法提取因子，并選取特征值大于1作為選取主因子的條件，并由因子載荷矩陣提取公因子方差，最后確定權(quán)重值．

從結(jié)果可得出，影響研究區(qū)生態(tài)恢復(fù)最大的因素是植被蓋度，其影響因素大小排序?yàn)椋褐脖簧w度>水土流失強(qiáng)度>土壤肥力>地表溫度．各生態(tài)恢復(fù)評價指標(biāo)總體上以植被蓋度、水土流失強(qiáng)度、土壤肥力指標(biāo)所占權(quán)重相對較大，相差并不明顯，地表溫度指標(biāo)影響較?。@也與研究區(qū)的情況較為一致，由于研究區(qū)長期人為干擾較少的區(qū)域由于封禁措施的施行，植被覆蓋較高，水土流失較少，土壤肥力相對于來說較好，因此這幾個生態(tài)恢復(fù)評價指標(biāo)的權(quán)重相對較大．

2.2 生態(tài)恢復(fù)評價分級標(biāo)準(zhǔn)的制定

針對突變級數(shù)法通過歸一公式算出的評價值一般較高的特點(diǎn)制定合適的評價標(biāo)準(zhǔn)．本文中，通過設(shè)底層評價指標(biāo)的相對隸屬度依次為0、0.2、0.4、0.6、0.8、1，通過突變模型的相應(yīng)公式計算出絕對意義上的等級標(biāo)準(zhǔn)值．并用等級標(biāo)準(zhǔn)值將評價結(jié)果由低到高劃分為很不好(Ⅰ)、不好(Ⅱ)、一般(Ⅲ)、好(Ⅳ)、很好(Ⅴ)[14]見表2．

長汀朱溪小流域生態(tài)恢復(fù)總體較好，大部分流失區(qū)都可恢復(fù)到Ⅲ級以上(含Ⅲ級),其生態(tài)恢復(fù)度重要性大小排序?yàn)椋褐脖簧w度>水土流失指數(shù)>土壤肥力指數(shù)>地表溫度．植被蓋度比較高的林地區(qū)域，其原先水土流失較輕，且封禁治理措施的實(shí)施，生物多樣性復(fù)雜多樣，生態(tài)系統(tǒng)比較穩(wěn)定，生態(tài)恢復(fù)好．反之，流域的下游地區(qū)以及農(nóng)居用地和耕地的周邊，由于人為活動較多，植被蓋度較低，物種單一環(huán)境下的生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)強(qiáng)度小，生態(tài)恢復(fù)較差．

表2 朱溪小流域生態(tài)恢復(fù)評價等級標(biāo)準(zhǔn)

3 結(jié)論

本文通過突變級數(shù)法對長汀朱溪小流域生態(tài)恢復(fù)情況進(jìn)行綜合評價，得到以下結(jié)論：

本研究充分表明突變級數(shù)法汲取了各分析法的優(yōu)點(diǎn)，不僅避免了人為制定權(quán)重的主觀性，理論清晰，計算簡捷，操作性強(qiáng)，也反映了生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)演變過程的突變特征，更為科學(xué)地揭示了生態(tài)恢復(fù)過程的本質(zhì)規(guī)律．同時本研究中仍存在一些不足．如，本文雖然采用被學(xué)術(shù)界廣為認(rèn)可的指標(biāo)體系，但是在各指標(biāo)的選取過程中不可避免的受到人為主觀因素的影響．同時各指標(biāo)間的相對重要性可能會隨著社會-經(jīng)濟(jì)-自然環(huán)境的變化而變化．

然而長汀朱溪小流域生態(tài)恢復(fù)評價的結(jié)果與事實(shí)相符，這表明本文所選突變級數(shù)法的評價結(jié)果較為合理，基本能夠反映長汀朱溪小流域生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)狀況，不僅完善了生態(tài)恢復(fù)評價體系，還能夠?qū)ζ渌I(lǐng)域研究有一定的借鑒意義，評價結(jié)果也能夠?yàn)橹煜×饔蛭磥砩鷳B(tài)系統(tǒng)的建設(shè)與改良提供科學(xué)依據(jù)．當(dāng)然，突變理論作為一門新興的數(shù)學(xué)理論，雖然在處理突變型問題時存在實(shí)際應(yīng)用價值，但其存在的相關(guān)規(guī)律和機(jī)理的揭示不夠深入等理論問題，仍需進(jìn)一步研究深入．

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