北票市岳家溝小流域水土保持生態(tài)效益定量評價(jià)

劉 菲

(北票市水土保持局，遼寧 朝陽 122100)

0 引 言

在促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)、改良及保護(hù)水土資源、預(yù)防和減少水土流失等方面水保措施的貢獻(xiàn)率即為生態(tài)效益。一般地，水保措施的生態(tài)效益主要涉及改善大氣環(huán)境、恢復(fù)植被、涵養(yǎng)水源及改良土壤4個(gè)方面。為全面掌握水保措施改善生態(tài)條件、治理水土流失的效果，科學(xué)指導(dǎo)小流域水土流失治理措施，關(guān)于生態(tài)效益評價(jià)諸多學(xué)者開展了研究分析[1]。如王琦等[2]認(rèn)為文獻(xiàn)頻率法、專家經(jīng)驗(yàn)法和理論推導(dǎo)法等為評價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建的常用方法；康玲玲等[3]在遵循客觀性、科學(xué)性、系統(tǒng)性等原則的基礎(chǔ)上篩選了生態(tài)效益評價(jià)指標(biāo)，結(jié)合現(xiàn)有研究資料提出使用頻率較高的指標(biāo)有地表徑流模數(shù)、治理程度、林草覆蓋率和土壤侵蝕模數(shù)。另外，有學(xué)者根據(jù)區(qū)域特征和評價(jià)目標(biāo)的特點(diǎn)提出了具有較強(qiáng)針對性的指標(biāo)，如曹睿等[4]引入的風(fēng)蝕模數(shù)、沙化土地百分比和沙塵暴日等參數(shù)；丁立仲等[5]選取了病蟲害綜合防治率、秸稈綜合利用率和農(nóng)村新能源比重等指標(biāo)；余新曉等[6]選取了氧氣釋放、吸收有害氣體、減少風(fēng)水量等指標(biāo)。在生態(tài)效益評價(jià)方法中，DPSIR概念框架法[7]、灰色關(guān)聯(lián)法[8]、模糊綜合法和多目標(biāo)決策法等為國內(nèi)學(xué)者較常用的方法。同時(shí)，針對水保措施的生態(tài)效益國外一些學(xué)者也開展了相應(yīng)的研究，如Bekele將水保措施影響農(nóng)作物產(chǎn)量的程度選用隨機(jī)優(yōu)勢準(zhǔn)則進(jìn)行了分析；Park等利用GIS技術(shù)分析了土壤侵蝕與水保措施之間的作用關(guān)系；Rocha等采用SWAT模型揭示了營養(yǎng)物質(zhì)輸移、土壤侵蝕量、徑流量與水土保持措施在流域尺度下的變化規(guī)律。

針對生態(tài)效應(yīng)的評價(jià)研究雖然已獲得相應(yīng)的成果，積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，但對于水土保持的相關(guān)研究仍存在許多不足和空白之處，例如不同水保措施的生態(tài)效應(yīng)作用機(jī)制存在差異，從而使得評價(jià)體系的構(gòu)建不夠系統(tǒng)、全面。鑒于此，文章通過分析治理措施的生態(tài)功能物理過程，從多個(gè)不同方面選擇評判指標(biāo)，對各指標(biāo)權(quán)重考慮選用組合賦權(quán)法確定，并引入研究對象的綜合評價(jià)值和指標(biāo)響應(yīng)強(qiáng)度描述不同生態(tài)效應(yīng)的總體響應(yīng)趨勢，以北票市岳家溝小流域?yàn)槔?yàn)證了其科學(xué)合理性。

1 生態(tài)效益定量評價(jià)模型

1.1 建立指標(biāo)體系

通常情況下，水土保持措施的生態(tài)效益主要體現(xiàn)在改善環(huán)境、增加小流域物種豐富度及植被覆蓋率、減少地表徑流、增大土壤肥力及減少土壤侵蝕4個(gè)方面。根據(jù)國內(nèi)外水土保持生態(tài)效益評價(jià)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、研究成果、四大體現(xiàn)及其成效機(jī)制，遵循層次性、系統(tǒng)性、可行性、科學(xué)性原則建立綜合評價(jià)指標(biāo)體系。小流域生態(tài)效益評價(jià)體系及其數(shù)據(jù)來源，見表1。

表1 小流域生態(tài)效益評價(jià)體系及其數(shù)據(jù)來源

根據(jù)表1可知，小流域水土保持生態(tài)效益可通過選取的評價(jià)指標(biāo)來反映。該評價(jià)體系不僅在空間上體現(xiàn)了生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與治理措施之間的影響關(guān)系，而且可直觀的反映治理小流域治理前后的變化特點(diǎn)，具有較強(qiáng)的揭示、評價(jià)和分析功能。在構(gòu)建的層次結(jié)構(gòu)框架中，生態(tài)效應(yīng)主要體現(xiàn)在目標(biāo)層，而各項(xiàng)治理措施的內(nèi)在作用機(jī)理主要通過準(zhǔn)則層來反映，要素層各參數(shù)可直接用于度量和計(jì)算。一般地，根據(jù)各參數(shù)的內(nèi)涵和對生態(tài)效應(yīng)的影響可分為成本型、效益型兩類，成本型指標(biāo)的評價(jià)值與屬性值之間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，后者為正相關(guān)。表1中，處于成本型的參數(shù)有二氧化碳含量、徑流系數(shù)、土壤容重及侵蝕模數(shù)指標(biāo)，其他為效益型參數(shù)。

1.2 計(jì)算指標(biāo)權(quán)重

目前，關(guān)于水土保持措施改善大氣環(huán)境、恢復(fù)植被、改良土壤和涵養(yǎng)水源的成效機(jī)制研究仍存在一定的局限性，為獲取客觀、準(zhǔn)確的評價(jià)結(jié)果必須采取合適的方法確定各參數(shù)權(quán)重，該過程直接決定著有效信息的獲取。主、客觀賦權(quán)法為當(dāng)前權(quán)重計(jì)算的兩大類方法，其代表性方法分別為AHP法和熵權(quán)法，其中AHP法計(jì)算過程較為簡便且原理清晰，但是易受人為主觀因素影響而存在較大偏差；而熵權(quán)法能夠大大降低人為因素對計(jì)算結(jié)果的主觀影響，但也增大了可能出現(xiàn)特殊或極端數(shù)據(jù)的概率。為了更加客觀、準(zhǔn)確的反映小流域治理實(shí)際情況，對各評價(jià)指標(biāo)權(quán)重考慮耦合了主、客觀性的組合賦權(quán)法確定，其表達(dá)式如下：

ωi=αai+(1-α)bi

(1)

式中：ai、bi分別為AHP法和熵權(quán)法計(jì)算得到的權(quán)重；α為權(quán)重折中系數(shù)，文中為0.5。

基于專家知識經(jīng)驗(yàn)確定各指標(biāo)權(quán)重的層次分析法，其主要流程是依據(jù)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的程度將評價(jià)對象進(jìn)行若干層級的分解，通過對比分析兩兩元素之間的相對重要性構(gòu)造具有一定相互關(guān)聯(lián)的判斷矩陣，最終計(jì)算確定各參數(shù)的權(quán)向量，詳細(xì)的計(jì)算流程見文獻(xiàn)。

采用熵值法確定指標(biāo)權(quán)重其主要依據(jù)為各參數(shù)構(gòu)成的判斷矩陣，信息量越大則該參數(shù)提供的有效信息越大，在評價(jià)過程中的重要程度就越高，所以賦予的權(quán)值就越大；反之，信息量越低則樣本提供的信息就越少，在評價(jià)過程中該樣本的重要程度越低，因此確定的權(quán)值就越小。采用下式計(jì)算確定客觀權(quán)重，即：

(2)

式中：xij為第i各評價(jià)指標(biāo)關(guān)于第j個(gè)研究對象的標(biāo)準(zhǔn)化量值。

不同評價(jià)指標(biāo)對小流域生態(tài)效應(yīng)的影響具有正、負(fù)之分，因此在評價(jià)前需要對各參數(shù)原始屬性進(jìn)行歸一化處理，其表達(dá)式如下：

(3)

式中：Xij為指標(biāo)i關(guān)于評價(jià)對象j的初始屬性值。

1.3 確定評價(jià)方法

為更加系統(tǒng)科學(xué)的揭示水保措施的成效機(jī)制及其生態(tài)效應(yīng)變化特征，必須對小流域不同階段的各指標(biāo)變幅進(jìn)行評價(jià)分析。通過對評價(jià)樣本的綜合評價(jià)和單項(xiàng)指標(biāo)變化的敏感性分析，可準(zhǔn)確揭示小流域總體響應(yīng)趨勢及其生態(tài)效應(yīng)在不同方面的響應(yīng)趨勢。

一般地，不同的指標(biāo)要素所表征的生態(tài)效益響應(yīng)方式存在一定差異，各評價(jià)指標(biāo)在相同時(shí)間尺度內(nèi)的響應(yīng)幅度也存在不同。因此，在評價(jià)分析小流域生態(tài)效應(yīng)時(shí)，對長期、短期內(nèi)的生態(tài)效應(yīng)所考慮的評價(jià)因子也不盡相同，針對不同指標(biāo)在同一時(shí)期內(nèi)的響應(yīng)響度可按下式計(jì)算確定，即：

(4)

上式中：Xi1、Xik分別i指標(biāo)在治理前和治理后某時(shí)期k的屬性值。

根據(jù)各指標(biāo)權(quán)重計(jì)算結(jié)果和不同時(shí)間段內(nèi)小流域的實(shí)際狀況，利用下式計(jì)算確定綜合評價(jià)值，即：

(5)

式中：Wj為評價(jià)小流域j的綜合評價(jià)值。

依據(jù)以上計(jì)算公式可確定評價(jià)對象的Wj值，然后依據(jù)其大小關(guān)系可確定生態(tài)效益的優(yōu)劣排序。

2 實(shí)例分析

2.1 小流域概況

由于歷史上干旱少雨、土地不合理利用、植被過度砍伐等不利因素影響，北票市地區(qū)的土壤較為貧瘠，植被稀少，土壤抗侵蝕力差，水土流失和土地資源破壞問題十分突出，加之原有生態(tài)系統(tǒng)因土地開發(fā)利用遭到嚴(yán)重破壞，河道防洪安全、河道淤積等因素，嚴(yán)重影響著小流域可持續(xù)發(fā)展和水土流失狀況，并已成為制約當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展和人居環(huán)境改善的瓶頸。

岳家溝小流域治理項(xiàng)目位于遼西低山丘陵區(qū)大凌河流域中游，地勢特征呈現(xiàn)出自西北向東南傾斜的變化特征。在長期的水力侵蝕下溝壑縱橫、地勢起伏較大且地形破碎，該地區(qū)的地形特點(diǎn)為坡地溝谷交錯(cuò)、山地丘陵河谷相間，地面坡度處于5°-20°，溝壑密度為4.2km/km2。為恢復(fù)、重建小流域生態(tài)系統(tǒng)并為當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展提供生態(tài)環(huán)境安全保障，帶動(dòng)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展和加強(qiáng)荒山荒坡治理，北票市水利局和相關(guān)單位結(jié)合當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)條件、小流域治理措施配置、水土流失類型、地形地貌特征和自然狀況的資料，設(shè)計(jì)編制了綜合治理方案，即完成作業(yè)路面12.0km，完成水保林300hm2，作業(yè)路12.0 km，動(dòng)用土方23.7萬m3，總用工7.95萬工日，計(jì)劃總投資499.7萬元。

根據(jù)岳家溝小流域水保措施實(shí)施前、后的有關(guān)監(jiān)測資料，獲取各評價(jià)指標(biāo)在2014年、2017年的實(shí)測數(shù)據(jù)。岳家溝小流域生態(tài)效益評價(jià)指標(biāo)實(shí)測值，見表2。

表2 岳家溝小流域生態(tài)效益評價(jià)指標(biāo)實(shí)測值

2.2 結(jié)果分析

對參數(shù)初始屬性值利用計(jì)算公式(3)進(jìn)行歸一化處理，并對各指標(biāo)主、客觀權(quán)重和組合權(quán)重采用文中相關(guān)公式計(jì)算確定。根據(jù)計(jì)算公式(4)和各指標(biāo)實(shí)測值確定響應(yīng)強(qiáng)度，生態(tài)效益評價(jià)指標(biāo)響應(yīng)程度，見表3。

表3 生態(tài)效益評價(jià)指標(biāo)響應(yīng)程度

從表3可以看出，對不同方法計(jì)算確定的結(jié)果存在較大差異，如基于熵權(quán)法確定的二氧化碳含量、土壤容重、土壤肥力指標(biāo)的權(quán)重值趨近于0，因此可選用考慮了主觀判斷的層次分析法計(jì)算確定。所以，組合權(quán)重計(jì)算結(jié)果更加符合實(shí)際情況。

根據(jù)各參數(shù)相應(yīng)強(qiáng)度可以發(fā)現(xiàn)，相對于其他指標(biāo)的變化植被覆蓋率、徑流系數(shù)和土壤侵蝕模數(shù)更加顯著，由此表明水保措施對小流域的調(diào)水、保土效應(yīng)的響應(yīng)更加迅速。根據(jù)各參數(shù)響應(yīng)程度和計(jì)算公式(5)，可確定小流域治理前后的綜合評價(jià)值為0.42、0.58，可見水保措施的實(shí)施有利于小流域生態(tài)環(huán)境的修復(fù)，該評價(jià)結(jié)果和小流域真實(shí)狀況基本保持一致。

3 結(jié)論

根據(jù)水保措施的成效機(jī)制及其在改善大氣環(huán)境、增加植被覆蓋率、減少地表徑流和土壤侵蝕等方面的體現(xiàn)，結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和國內(nèi)外相關(guān)研究成果，在遵循代表性、科學(xué)性和有效性原則的基礎(chǔ)上選擇二氧化碳、物種豐富度、土壤容重、侵蝕模數(shù)、徑流系數(shù)、土壤肥力指數(shù)、植被覆蓋率7項(xiàng)典型指標(biāo)構(gòu)成評判體系。然后對各參數(shù)權(quán)重考慮選用耦合了熵權(quán)法和AHP法的組合賦權(quán)法確定，為表征水保措施在不同時(shí)間段內(nèi)的生態(tài)效應(yīng)，引入指標(biāo)響應(yīng)強(qiáng)度揭示了其四大方面的總體響應(yīng)趨勢。

通過實(shí)例分析驗(yàn)證了生態(tài)效應(yīng)定量模型的科學(xué)性與可行性，結(jié)果表明基于組合賦權(quán)的權(quán)重計(jì)算更加科學(xué)合理，水保措施對小流域的調(diào)水、保土效應(yīng)的響應(yīng)更加迅速，水保治理項(xiàng)目的實(shí)施有利于小流域生態(tài)環(huán)境的修復(fù)?；谏鷳B(tài)效應(yīng)成效機(jī)制構(gòu)建的評價(jià)指標(biāo)體系，綜合考慮了生態(tài)效應(yīng)在四個(gè)方面的變化特征，能夠更加系統(tǒng)、客觀的體現(xiàn)水保措施實(shí)施前后的變化狀況。