基于組合賦權(quán)的水土保持生態(tài)效應(yīng)定量評價(jià)模型

郭凱歌，王向東，殷小琳

(中國水利水電科學(xué)研究院泥沙研究所，北京 100048)

0 引 言

水土保持生態(tài)效應(yīng)是指水土保持措施對于減弱和預(yù)防水土流失、保護(hù)和改良水土資源、促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)的貢獻(xiàn)[1]。通常地，水土保持措施產(chǎn)生的生態(tài)效應(yīng)包括改善土壤、涵養(yǎng)水源、恢復(fù)植被和改善大氣環(huán)境等四種類型。為深入了解水土保持措施對治理水土流失，改善生態(tài)條件的效果，并科學(xué)指導(dǎo)實(shí)施水土保持措施，已有不少學(xué)者開展了關(guān)于水土保持生態(tài)效應(yīng)評價(jià)的研究。比如，在評價(jià)指標(biāo)體系建立方面，王琦等[2]總結(jié)認(rèn)為指標(biāo)選取的常用方法包括理論推導(dǎo)法、專家經(jīng)驗(yàn)法和文獻(xiàn)頻數(shù)法等；康玲玲等[3]認(rèn)為進(jìn)行指標(biāo)篩選時(shí)應(yīng)遵循科學(xué)性、客觀性，并符合重點(diǎn)突出、意義明確等原則；在已有的研究成果[4,5]中，土壤侵蝕模數(shù)、林草覆蓋率、治理程度和地表徑流模數(shù)是四個(gè)采用頻率較高的指標(biāo)，另外，針對評價(jià)目標(biāo)的重點(diǎn)和區(qū)域的特點(diǎn)，部分學(xué)者提出了一些針對性較強(qiáng)的評價(jià)指標(biāo)，比如，丁立仲等[6]選取的農(nóng)村新能源比重、秸稈綜合利用率、病蟲害綜合防治率，余新曉等[7]選取的較少風(fēng)水量、吸收有害氣體、釋放氧氣和曹睿等[8]采用的沙塵暴日、沙化土地百分比、風(fēng)蝕模數(shù)等評價(jià)指標(biāo)。在評價(jià)方法選取方面，國內(nèi)學(xué)者主要采用模糊綜合分析法[9]、灰色關(guān)聯(lián)分析法[10]、多目標(biāo)綜合決策法[11]、壓力-狀態(tài)-響應(yīng)概念框架法[12]等，與此同時(shí)，國外學(xué)者也開展了關(guān)于水土保持措施的某類生態(tài)效應(yīng)評價(jià)的研究，比如，Park等[13]采用GIS技術(shù)評價(jià)了水土保持措施對土壤侵蝕的影響，Bekele[14]采用隨機(jī)優(yōu)勢準(zhǔn)則分析了水土保持措施對農(nóng)作物產(chǎn)量的影響，Rocha等[15]在流域尺度下采用SWAT軟件模擬評價(jià)了水土保持措施對徑流量、土壤侵蝕量和營養(yǎng)物質(zhì)輸移的影響。

目前，盡管針對水土保持生態(tài)效應(yīng)評價(jià)的研究已取得了一些成果，但由于該類研究尚處于初期階段，仍存在較多空白與不足之處，比如，由于對不同生態(tài)效應(yīng)功能的物理過程機(jī)制認(rèn)識不足，導(dǎo)致在評價(jià)指標(biāo)體系建立時(shí)存在的缺陷。因此，本文試圖基于對不同生態(tài)效應(yīng)功能的物理過程機(jī)制分析，建立相應(yīng)的生態(tài)效應(yīng)評價(jià)指標(biāo)體系，并采用組合賦權(quán)法計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重，然后引入指標(biāo)的響應(yīng)強(qiáng)度和評價(jià)對象的綜合評價(jià)值，建立描述不同生態(tài)效應(yīng)功能的響應(yīng)程度及其總體響應(yīng)趨勢的方法，最后進(jìn)行實(shí)例分析。

1 生態(tài)效應(yīng)定量評價(jià)模型

1.1 指標(biāo)體系

一般地，水土保持措施對區(qū)域帶來的生態(tài)效應(yīng)主要體現(xiàn)在4個(gè)方面，即減少土壤侵蝕和增加土壤肥力、減小區(qū)內(nèi)地表徑流、增加區(qū)內(nèi)植被覆蓋率和物種豐富度以及改善環(huán)境等。根據(jù)水土保持生態(tài)效應(yīng)的四大體現(xiàn)及其成效機(jī)制，借鑒國內(nèi)外有關(guān)生態(tài)效應(yīng)評價(jià)指標(biāo)體系的研究成果和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，建立水土保持生態(tài)效應(yīng)的評價(jià)指標(biāo)體系，如表1所示。

表1 水土保持生態(tài)效應(yīng)評價(jià)指標(biāo)體系Tab.1 Evaluation index system of the ecological effect of soil and water conservation

從表1可知，所篩選的指標(biāo)基本能夠較全面地反映水土保持生態(tài)效應(yīng)的四大體現(xiàn)。該指標(biāo)體系既能在時(shí)間上反映出治理前后的直觀變化，也能在空間上揭示出治理措施對生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響，具有較好的描述、評價(jià)和解釋等功能。在上述評價(jià)指標(biāo)體系中，目標(biāo)層在總體上反映了水土保持生態(tài)效應(yīng)的水平；準(zhǔn)則層從本質(zhì)上反映了維持地區(qū)水土保持生態(tài)效應(yīng)水平的主要體現(xiàn)和內(nèi)在原因；要素層中所列的指標(biāo)均為可測、可比，能夠給出直接的度量。通常地，評價(jià)指標(biāo)大致包括效益型和成本型兩類，前者主要指屬性值與評價(jià)值成正相關(guān)的指標(biāo)，后者反之。就表1中指標(biāo)體系而言，屬于成本型的指標(biāo)有土壤侵蝕模數(shù)、容重、徑流系數(shù)、大氣二氧化碳含量，其余均屬效益型指標(biāo)。

1.2 指標(biāo)權(quán)重

由于目前對水土保持生態(tài)效應(yīng)四大體現(xiàn)成效機(jī)制的認(rèn)識仍存在局限性，在進(jìn)行具體評價(jià)之前，首先應(yīng)該較合理地確定各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重。該過程中能夠獲取信息的多少將直接影響評價(jià)的精度和可靠性[16]。目前，確定指標(biāo)權(quán)重的方法大致可分為主觀性和客觀性兩類，前者的代表為層次分析法(AHP)[17]，考慮了專家的知識和經(jīng)驗(yàn)，但主觀隨意性較大；后者的代表是熵權(quán)法[18]，雖然結(jié)果較為客觀，但無法反映專家的知識和經(jīng)驗(yàn)。為了使最終評價(jià)結(jié)果能夠較好地符合實(shí)際情況，本文綜合考慮主客觀性，采用組合賦權(quán)的方法確定各個(gè)評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重：

ωi=αai+(1-α)bi

(1)

式中：α為權(quán)重折中系數(shù)，取為0.5；αi為AHP確定的指標(biāo)權(quán)重；bi為熵權(quán)法確定的指標(biāo)權(quán)重。

采用層次分析法確定指標(biāo)的權(quán)重主要是基于專家的經(jīng)驗(yàn)知識，其基本思路是先將問題分為若干層次，然后構(gòu)造各層要素之間的判斷矩陣，最后計(jì)算得到指標(biāo)要素的權(quán)重向量，具體計(jì)算步驟可參考文獻(xiàn)[9]。采用熵權(quán)法確定指標(biāo)權(quán)重主要基于信息熵原理，當(dāng)指標(biāo)熵值越小，表示其變異程度越大，即指標(biāo)所攜帶的有效信息量也越大，則分配權(quán)重也應(yīng)越大，反之，則權(quán)重值越小。具體可按下式計(jì)算：

(2)

其中，

式中：xij為第j(j=1,2,3,…,m)個(gè)評價(jià)對象的第i(i=1,2,3,…n)個(gè)評價(jià)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化量值。

考慮到參與評價(jià)的各個(gè)指標(biāo)對生態(tài)效應(yīng)的貢獻(xiàn)存在正負(fù)效應(yīng)的區(qū)別，需要對評價(jià)指標(biāo)的原始屬性值進(jìn)行統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)度量的處理，方法如下：

(3)

式中：Xij為第j(j=1,2,3,…,m)個(gè)評價(jià)對象的第i(i=1,2,3,…n)個(gè)評價(jià)指標(biāo)的原始屬性值。

1.3 評價(jià)方法

為了較全面地揭示和理解水土保持措施引起的生態(tài)效應(yīng)變化及其成效機(jī)制，需要進(jìn)行評價(jià)指標(biāo)的變幅分析和不同階段研究區(qū)域的生態(tài)評價(jià)。一方面單項(xiàng)指標(biāo)變化的敏感分析可反映區(qū)域內(nèi)生態(tài)效應(yīng)四大方面的響應(yīng)強(qiáng)度；另一方面對區(qū)域的綜合評價(jià)可以揭示評價(jià)對象的總體響應(yīng)趨勢。

通常地，評價(jià)指標(biāo)要素反映生態(tài)效應(yīng)四大方面的方式是不同的，在相同的時(shí)間尺度內(nèi)，不同指標(biāo)發(fā)生的成效響應(yīng)幅度也是不同的，因此在進(jìn)行生態(tài)效應(yīng)評價(jià)時(shí)，對于短期和長期的生態(tài)效應(yīng)所需關(guān)注的指標(biāo)要素也應(yīng)有所不同，可按下式計(jì)算同一時(shí)期內(nèi)不同指標(biāo)的響應(yīng)強(qiáng)度：

(4)

式中：Xi1為治理前指標(biāo)i的屬性值；Xik為治理后某時(shí)期k的指標(biāo)i的屬性值。

在確定各指標(biāo)權(quán)重之后，結(jié)合各指標(biāo)要素的比重，便可計(jì)算各個(gè)評價(jià)對象(評價(jià)區(qū)不同時(shí)間段所處的狀態(tài))的綜合評價(jià)值，可按下式計(jì)算：

(5)

式中：Wj為第j個(gè)評價(jià)對象的綜合評價(jià)值。根據(jù)Wj由大到小的關(guān)系，即可對生態(tài)效應(yīng)進(jìn)行優(yōu)劣排序。

2 生態(tài)效應(yīng)評價(jià)實(shí)例

選擇國家水土保持生態(tài)修復(fù)試點(diǎn)工程山東省平邑縣項(xiàng)目區(qū)為評價(jià)對象，如圖1所示，采用該區(qū)在實(shí)施水土保持措施前后，即2002年和2005年的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行評價(jià)分析，其實(shí)測數(shù)據(jù)[10]，如表2所示。

指標(biāo)C1/(t·km-2·a-1)C2/(SFI)C3/(g·m-3)C4C5/%C6C7/(mg·L-1)A1治理前939．100．7801．4080．2741．8235343A2治理后529．620．8281．4140．1956．8638346

根據(jù)表2中的實(shí)測數(shù)據(jù)，首先采用式(3)對評價(jià)指標(biāo)的原始屬性值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，并運(yùn)用式(2)計(jì)算各個(gè)指標(biāo)的客觀性權(quán)重；再采用層次分析法計(jì)算各個(gè)指標(biāo)的主觀性權(quán)重，然后根據(jù)式(1)計(jì)算得到各指標(biāo)的組合權(quán)重；由各指標(biāo)的實(shí)測值按式(4)可計(jì)算其響應(yīng)強(qiáng)度，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 各個(gè)指標(biāo)的比重、權(quán)重和響應(yīng)強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果Tab.3 Calculation results of the weight and response strength of each index

由表3可知，主觀賦權(quán)和客觀賦權(quán)的計(jì)算結(jié)果存在較明顯的差別，比如土壤肥力指數(shù)、土壤容重和大氣二氧化碳含量等指標(biāo)，在采用熵權(quán)法計(jì)算相應(yīng)權(quán)重時(shí)，該值接近于零，而采用層次分析法計(jì)算時(shí)可由主觀判斷加以考慮，因此，采用主觀性和客觀性相結(jié)合的組合賦權(quán)法是更為合理的。

從治理后各指標(biāo)的響應(yīng)強(qiáng)度來看，土壤侵蝕模數(shù)、徑流系數(shù)和植被覆蓋率的變化較其他指標(biāo)更為明顯，說明該地區(qū)在實(shí)施水土保持措施后保土和調(diào)水效應(yīng)的響應(yīng)時(shí)間更短。將表3中的計(jì)算結(jié)果代入式(5)計(jì)算得項(xiàng)目區(qū)在治理前后的綜合評價(jià)值為0.40和0.60，由此表明，項(xiàng)目區(qū)在實(shí)施水土保持措施后對生態(tài)環(huán)境是有積極影響的，這與基于多目標(biāo)決策灰色關(guān)聯(lián)投影法[10]的分析結(jié)論一致。

3 結(jié) 語

根據(jù)水土保持生態(tài)效應(yīng)在減少土壤侵蝕、減小地表徑流、增加植被覆蓋率和改善大氣環(huán)境等四方面的主要體現(xiàn)及其成效機(jī)制，借鑒國內(nèi)外有關(guān)生態(tài)效應(yīng)評價(jià)指標(biāo)體系的研究成果和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，建立了包含土壤侵蝕模數(shù)、土壤肥力指數(shù)、土壤容重、徑流系數(shù)、植被覆蓋率、物種豐富度和大氣二氧化碳等七個(gè)指標(biāo)要素的評價(jià)指標(biāo)體系；采用層次分析法和熵權(quán)法相結(jié)合的組合賦權(quán)法確定各指標(biāo)權(quán)重；引入了指標(biāo)的響應(yīng)強(qiáng)度用于揭示評價(jià)區(qū)內(nèi)生態(tài)效應(yīng)四大體現(xiàn)的成效程度，并通過計(jì)算評價(jià)區(qū)的綜合評價(jià)值分析其不同時(shí)間段的生態(tài)效應(yīng)值，以揭示評價(jià)對象的總體響應(yīng)趨勢。

采用文中建立的水土保持生態(tài)效應(yīng)定量評價(jià)模型進(jìn)行實(shí)例分析發(fā)現(xiàn)，主客觀相結(jié)合的組合賦權(quán)法確定指標(biāo)的權(quán)重更為合理；生態(tài)效應(yīng)中的保土和調(diào)水作用響應(yīng)時(shí)間更短；水土保持措施對于改善生態(tài)環(huán)境是有積極作用的。由于該評價(jià)模型中的評價(jià)指標(biāo)體系是基于生態(tài)效應(yīng)的成效機(jī)制所建立，能夠體現(xiàn)生態(tài)效應(yīng)幾個(gè)主要方面的變化，可以較為全面地描述實(shí)施水土保持措施前后區(qū)域內(nèi)實(shí)際情況的變化。另外，與已有的生態(tài)效應(yīng)評價(jià)方法相比，該模型不僅可以從整體評價(jià)研究區(qū)的生態(tài)效應(yīng)，還可以評價(jià)不同時(shí)間段內(nèi)各個(gè)指標(biāo)的響應(yīng)程度，從而揭示生態(tài)效應(yīng)4個(gè)主要方面的響應(yīng)程度。

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