林業(yè)生態(tài)修復(fù)中涵養(yǎng)水源恢復(fù)力定量評價方法探析

趙德祥

(重慶市永川區(qū)國有林場,重慶 永川 402160)

由于水資源短缺及水污染問題逐漸嚴(yán)重，林業(yè)生態(tài)修復(fù)的各項(xiàng)服務(wù)功能備受人們的關(guān)注和重視。為了改善生態(tài)環(huán)境，需要各種類型資源組成多樣性的生態(tài)環(huán)境從而滿足人類生產(chǎn)和生活的不同需要。但對特殊資源的森林，由于人口的快速膨脹，災(zāi)害的損失以及大量生態(tài)資源的利用，逐漸顯現(xiàn)出森林資源的不足，進(jìn)而引發(fā)更加嚴(yán)重的環(huán)境惡化問題產(chǎn)生。在林業(yè)生態(tài)修復(fù)過程中的涵養(yǎng)水源，通常起到整個林業(yè)生態(tài)系統(tǒng)對降水進(jìn)行攔截和存儲作用[1]。涵養(yǎng)水源的主要服務(wù)是整個林業(yè)生態(tài)修復(fù)服務(wù)功能中的重要組成部分，針對涵養(yǎng)水源的恢復(fù)力評價具有十分重要的理論和實(shí)踐意義。林業(yè)生態(tài)修復(fù)是當(dāng)前林業(yè)建設(shè)事業(yè)中的重要組成部分，可有效改善農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境、調(diào)整農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)整體結(jié)構(gòu)、保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)穩(wěn)定和高效、增加森林資源及副產(chǎn)品產(chǎn)量、促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的全面發(fā)展等[2]。針對恢復(fù)力的傳統(tǒng)定量評價是基于整個林業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的組成成分及結(jié)構(gòu)指標(biāo)對恢復(fù)力的自組織能力屬性進(jìn)行評價。但很少對自組織能力、適應(yīng)能力及抵抗能力等進(jìn)行全面、綜合的評價?；诖耍疚囊粤謽I(yè)生態(tài)修復(fù)為例，對其過程中的涵養(yǎng)水源恢復(fù)力的定量評價方法進(jìn)行了研究。

1 林業(yè)生態(tài)修復(fù)過程中涵養(yǎng)水源恢復(fù)力定量評價方法

1.1 建立涵養(yǎng)水源恢復(fù)力評價指標(biāo)體系

涵養(yǎng)水源恢復(fù)力評價指標(biāo)體系是本文林業(yè)生態(tài)修復(fù)過程中涵養(yǎng)水源恢復(fù)力定量評價方法中的核心部分，針對評價因子的選擇，遵循科學(xué)性、整體性、協(xié)調(diào)性等原則為基礎(chǔ)，根據(jù)林業(yè)生態(tài)修復(fù)工程整體實(shí)際特點(diǎn)，在眾多影響恢復(fù)力因素中選擇以下幾種作為因素，建立涵養(yǎng)水源恢復(fù)力評價指標(biāo)體系。首先將涵養(yǎng)水源恢復(fù)力的評價因素劃分為3個第一等級指標(biāo)，分別為自然因素、經(jīng)濟(jì)因素及社會因素[3]。每一個一級指標(biāo)當(dāng)中都包含多個二級指標(biāo)。

表1 涵養(yǎng)水源恢復(fù)力評價指標(biāo)體系各等級指標(biāo)

根據(jù)表1中確定的涵養(yǎng)水源恢復(fù)力評價指標(biāo)因素，得出本文涵養(yǎng)水源恢復(fù)力評價指標(biāo)體系中共包含3個一級指標(biāo)和12個二級指標(biāo)。

指標(biāo)A中，水源含量為生態(tài)區(qū)修復(fù)所處地區(qū)區(qū)域所有水資源的含量，將該因素作為評價體系中的指標(biāo)可以準(zhǔn)確地對涵養(yǎng)水源自身凈化污染的能力進(jìn)行評價，同時評價結(jié)果也能夠反映出涵養(yǎng)水源在受到外界環(huán)境施壓下自身所能夠降低這種壓力的能力；地下水含量是在一定時間范圍內(nèi)，能夠?yàn)樵摰貐^(qū)人員提供使用的量，屬于水源含量中的一部分，其數(shù)值評價結(jié)果能夠反映該地區(qū)整體的生態(tài)、環(huán)境；年降水量在該評價體系中表示從天空降落到地面上的固態(tài)或液態(tài)的降水量，在獲取該數(shù)據(jù)時不考慮其蒸發(fā)、滲透以及流失到水平面上聚集的深度數(shù)據(jù)；年蒸發(fā)量評價結(jié)果能夠有效反映該林業(yè)生態(tài)修復(fù)過程中該地區(qū)的蒸發(fā)能力，將其作為涵養(yǎng)水源循環(huán)動力可以準(zhǔn)確地反映出涵養(yǎng)水源的更新能力；涵養(yǎng)能力是指涵養(yǎng)水源的植被覆蓋情況，該因素評價結(jié)果可以反映涵養(yǎng)水源恢復(fù)中的調(diào)節(jié)、改善、水質(zhì)量等能力，評價結(jié)果數(shù)值越大，則能力相對越高，反之若評價結(jié)果數(shù)值越小，則能力越弱；濕度表示涵養(yǎng)水源周圍空氣的干濕程度，在相同溫度、相同空間條件下，含水汽越少則表示空氣越干燥，含水汽越多則表示空氣越濕潤。

指標(biāo)B中，人均GDP評價結(jié)果能夠反映涵養(yǎng)水源地區(qū)社會經(jīng)濟(jì)總體發(fā)展情況，同時也能夠反映當(dāng)人類對該地區(qū)水源遭破壞時，采取的修復(fù)措施對涵養(yǎng)水源的治理和修復(fù)能力；農(nóng)業(yè)比重的評價結(jié)果數(shù)值越高，則說明涵養(yǎng)水源所處地區(qū)的原始綠地覆蓋面積較小，對于涵養(yǎng)水源的恢復(fù)能力不利影響越大，反之農(nóng)業(yè)比重的評價結(jié)果數(shù)值越低，則說明涵養(yǎng)水源所處地區(qū)的原始綠地覆蓋面積較大，對于涵養(yǎng)水源的恢復(fù)能力不利影響越??；工業(yè)比重中工業(yè)的種類較多，大部分工業(yè)對涵養(yǎng)水源周圍環(huán)境起到負(fù)面作用，尤其是水資源環(huán)境。

指標(biāo)C中，人口密度越高的地區(qū)往往生產(chǎn)最為密集，人類產(chǎn)生的生活垃圾會被源源不斷地輸入到水環(huán)境循環(huán)當(dāng)中，因此人口密度越高涵養(yǎng)水源恢復(fù)其原本狀態(tài)的速度將越慢；廢水治理設(shè)備的數(shù)量可以反映該涵養(yǎng)水源區(qū)域內(nèi)的環(huán)保意識，這決定涵養(yǎng)水源恢復(fù)原本狀態(tài)的時間進(jìn)程；道路長度是反映該涵養(yǎng)水源區(qū)域與外界溝通的能力，反映該區(qū)域人口素質(zhì)及發(fā)展?fàn)顟B(tài)，對部分道路長度共線度較小的地區(qū)，該指標(biāo)可忽略不計(jì)。

1.2 歸一化植被指數(shù)數(shù)據(jù)獲取

建立涵養(yǎng)水源恢復(fù)力評價指標(biāo)體系后，采用遙感方法，利用中分辨率成像光譜設(shè)備獲取林業(yè)生態(tài)修復(fù)過程中的涵養(yǎng)水源影響，從中提取植被指數(shù)用以代表涵養(yǎng)水源的恢復(fù)能力[4]。從獲取到的遙感影像當(dāng)中提取有關(guān)涵養(yǎng)水源周圍地表植被的光譜量數(shù)量，根據(jù)數(shù)量的多少可以準(zhǔn)確地反映出植被的生長情況，間接反映涵養(yǎng)水源恢復(fù)力，歸一化植被指數(shù)的計(jì)算公式為：

N=(P2-P1)/(P2+P1)

(1)

公式(1)中，N表示為歸一化植被指數(shù)；P1表示分辨率成像光譜設(shè)備第一波段反射率；P2表示分辨率成像光譜設(shè)備第二波段反射率。對每一個分辨率成像光譜設(shè)備影響，由于植被生長狀態(tài)以及云量都存在較大的差異，但均能夠有效反映出歸一化植被指數(shù)的合理性[5]。因此，選擇林業(yè)生態(tài)修復(fù)工程中的分辨率成像光譜設(shè)備影像進(jìn)行計(jì)算后作為歸一化植被指數(shù)數(shù)據(jù)。針對上述指標(biāo)中的各屬性數(shù)據(jù)可根據(jù)：自然因素指標(biāo)由涵養(yǎng)水源地區(qū)氣象觀測站點(diǎn)的測量數(shù)據(jù)及水利部門內(nèi)部相關(guān)文件中獲取；社會及經(jīng)濟(jì)因素指標(biāo)可通過涵養(yǎng)水源地區(qū)近幾年的相關(guān)統(tǒng)計(jì)年鑒獲取。

1.3 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化定量處理及權(quán)重確定

完成評價方法中各類指標(biāo)數(shù)據(jù)的獲取后，采用ArcGIS Server 9.2軟件中的相關(guān)應(yīng)用程序?qū)ψ匀灰蛩亍⒔?jīng)濟(jì)因素和社會因素中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加運(yùn)算，對數(shù)據(jù)進(jìn)行量化處理[6]。由于影響林業(yè)生態(tài)修復(fù)過程中涵養(yǎng)水源恢復(fù)力的各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)從分級值和計(jì)量單位上，都不具有可比性，因此為保證評價結(jié)果公平和合理，在評價前應(yīng)當(dāng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化處理，從而使其在參與評價過程中，保證在分級數(shù)量不同的情況下，也不失去因子要素的公平公正性。設(shè)置各個指標(biāo)數(shù)據(jù)屬性特征數(shù)值均在0～1范圍內(nèi)。指標(biāo)體系中與涵養(yǎng)水源恢復(fù)力呈正向相關(guān)的指標(biāo)數(shù)據(jù)可用公式(2)表示：

K1=(Mi-Mmin)/(Mmax-Mmin)

(2)

指標(biāo)體系中與涵養(yǎng)水源恢復(fù)力呈逆向相關(guān)的指標(biāo)數(shù)據(jù)可用公式(3)表示：

K2=(Mmax-Mi)/(Mmax-Mmin)

(3)

公式(2)和公式(3)中，K1表示為正相關(guān)指標(biāo)評價結(jié)果，包括：A1、A2、A3、A5、A6、C2、C3；K2表示為逆向相關(guān)指標(biāo)評價結(jié)果，包括：A4、B1、B2、B3、C1；Ki表示獲取到的指標(biāo)數(shù)據(jù)；Kmin表示為某一評價指標(biāo)中的最小標(biāo)準(zhǔn)值；Kmax表示為某一評價指標(biāo)中的最大標(biāo)準(zhǔn)值。

本文評價體系中的各項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重采用多層因子分析方法確定，具體權(quán)重分配如表2所示。

根據(jù)表2中的權(quán)重分配和公式(1)～(3)計(jì)算出各個涵養(yǎng)水源恢復(fù)力的定量評價結(jié)果，再根據(jù)公式(4)計(jì)算得出綜合評價結(jié)果：

(4)

公式(4)中，H表示為最終的評價結(jié)果；K表示為評價單元標(biāo)準(zhǔn)化后的定量值K1或K2；Q表示為各個評價指標(biāo)對涵養(yǎng)水源恢復(fù)力評價的影響重要性分配權(quán)重。通過公式(4)得出最終林業(yè)生態(tài)修復(fù)過程中涵養(yǎng)水源恢復(fù)力的定量評價結(jié)果[7]。評價結(jié)果H≥0.800，表示涵養(yǎng)水源恢復(fù)力優(yōu)；0.600

2 實(shí)驗(yàn)論證分析

本文實(shí)驗(yàn)研究區(qū)域選擇某湖區(qū)附近正在進(jìn)行林業(yè)生態(tài)修復(fù)的區(qū)域，該湖區(qū)與地面區(qū)域的總面積為13 536 km2。該林業(yè)生態(tài)修復(fù)工程的主要內(nèi)容是涵養(yǎng)水源、改善水文地質(zhì)環(huán)境、調(diào)節(jié)濕地區(qū)域水循環(huán)等。分別選用本文提出的評價方法與傳統(tǒng)評價方法對該地區(qū)涵養(yǎng)水源的恢復(fù)力進(jìn)行評價。數(shù)據(jù)來源主要選擇該地區(qū)近幾年的森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)、相關(guān)統(tǒng)計(jì)年鑒等。為了避免獲取的數(shù)據(jù)出現(xiàn)遺漏，還對該地區(qū)周圍各項(xiàng)影響恢復(fù)力評價結(jié)果的因素進(jìn)行實(shí)地考察。分別設(shè)置評價方法為實(shí)驗(yàn)組，傳統(tǒng)評價方法為對照組，對比實(shí)驗(yàn)組與對照組的評價結(jié)果矢量。矢量值越高，則說明該評價方法的精度越高。根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制成圖(圖1)。

圖1 實(shí)驗(yàn)組與對照組評價矢量值對比圖

根據(jù)圖1中的兩條矢量值對比曲線可以看出，實(shí)驗(yàn)組的評價矢量值明顯高于對照組，且通過計(jì)算得出，實(shí)驗(yàn)組在對該地區(qū)涵養(yǎng)水源恢復(fù)力進(jìn)行評價的過程中平均矢量值為0.89，而對照組的平均矢量值為0.34。同時，實(shí)驗(yàn)組隨著評價情況百分比的增加矢量值逐漸接近實(shí)際，而對照組在整個評價過程中的矢量值存在明顯的波動。因此，通過實(shí)驗(yàn)證明，本文提出的涵養(yǎng)水源恢復(fù)力定量評價方法具有更高的評價精度，更能滿足林業(yè)生態(tài)修復(fù)過程中對涵養(yǎng)水源情況的評價需要。