國(guó)家水土保持重點(diǎn)工程效益綜合評(píng)價(jià)模型研究

王海燕, 叢佩娟, 袁普金, 李斌斌, 王愛(ài)娟, 李 琦

(水利部 水土保持監(jiān)測(cè)中心, 北京 100055)

1983年，中國(guó)第一個(gè)國(guó)家水土保持重點(diǎn)工程——八片國(guó)家水土流失重點(diǎn)治理工程啟動(dòng)實(shí)施。之后國(guó)家先后啟動(dòng)實(shí)施了黃河中游、長(zhǎng)江上游、黃土高原淤地壩、京津風(fēng)沙源、東北黑土區(qū)和巖溶地區(qū)石漠化治理等一大批水土保持重點(diǎn)工程。對(duì)加快水土流失治理進(jìn)度，改善生態(tài)環(huán)境，建設(shè)美麗中國(guó)，維護(hù)國(guó)家和區(qū)域生態(tài)安全，以及推動(dòng)中國(guó)早日實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”和“碳中和”發(fā)揮了重要作用。截至 2018 年底，全國(guó)累計(jì)治理水土流失面積1.31×106km2，水土保持措施年均可保持土壤 1.60×109t，項(xiàng)目區(qū)生產(chǎn)生活條件顯著提升，糧食產(chǎn)量增加，農(nóng)民增收顯著，鄉(xiāng)村面貌煥然一新[1]。但是，從國(guó)家水土保持工程實(shí)踐來(lái)看，與水土保持規(guī)劃、科研、設(shè)計(jì)、施工建設(shè)以及工程項(xiàng)目管理等工作相比，水土保持工程實(shí)施效果后評(píng)價(jià)工作相對(duì)滯后。盡管一些專家學(xué)者和工程技術(shù)人員也進(jìn)行了有益的探索，在一些地方開展了小流域綜合治理效益評(píng)價(jià)，但并未形成一套受到相關(guān)各方廣泛認(rèn)可的、權(quán)威的水土保持工程重點(diǎn)實(shí)施效果評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和評(píng)價(jià)模型。

目前,國(guó)家水土保持重點(diǎn)工程績(jī)效評(píng)價(jià)等工作也僅停留在設(shè)計(jì)任務(wù)落實(shí)、項(xiàng)目管理和資金管理合規(guī)性等方面的考量，水土保持工程實(shí)施后對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響和改善作用并未在評(píng)價(jià)指標(biāo)中得到充分重視，因而對(duì)水土保持工程績(jī)效評(píng)價(jià)和下一階段項(xiàng)目安排布局發(fā)揮的作用十分有限。另外，現(xiàn)行技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中提出了有關(guān)效益評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和方法。例如，《水土保持綜合治理效益計(jì)算方法(GB/T15774-2008)》給出了一套水土保持工程生態(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，但其在實(shí)際應(yīng)用中存在較多問(wèn)題，主要包括： ①指標(biāo)太多，實(shí)際應(yīng)用比較復(fù)雜，有些指標(biāo)采集難度較大，影響評(píng)價(jià)結(jié)果準(zhǔn)確性； ②缺少對(duì)每個(gè)指標(biāo)權(quán)重賦值，僅對(duì)給定區(qū)域單一水土保持工程可以進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果不足以支撐不同區(qū)域、不同工程之間的比較，也不支撐工程實(shí)施對(duì)生態(tài)環(huán)境總體改善的定量評(píng)價(jià)； ③對(duì)水土保持基礎(chǔ)效果和衍生效果沒(méi)有進(jìn)行區(qū)分，指標(biāo)之間關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)。例如，增加地表徑流入滲與減少洪水流量，提高地面林草覆蓋度與增加植物固碳量等存在較強(qiáng)關(guān)聯(lián)性，是基礎(chǔ)效果和衍生效果的關(guān)系。隨著國(guó)家生態(tài)工程建設(shè)管理要求和項(xiàng)目管理水平不斷提高，定量開展生態(tài)建設(shè)工程投資實(shí)施效果評(píng)估工作也越來(lái)越受到重視，績(jī)效評(píng)價(jià)、后評(píng)估等各類水土保持工程實(shí)施效果后評(píng)價(jià)工作也逐步推進(jìn)，因而，亟需建立一套全面、系統(tǒng)、科學(xué)、操作簡(jiǎn)便的水土保持工程效益評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和評(píng)價(jià)模型支撐相關(guān)實(shí)踐工作。本文采用頻度分析法和層次分析法研究水土保持工程效益評(píng)價(jià)指標(biāo)體系、評(píng)價(jià)模型與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，旨在為國(guó)家水土保持重點(diǎn)工程績(jī)效評(píng)價(jià)、實(shí)施效果后評(píng)價(jià)等工作提供技術(shù)支撐。

1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建原則

水土保持工程效益評(píng)價(jià)指標(biāo)體系是由反映水土流失綜合治理效果各方面特性及其相互聯(lián)系的多個(gè)指標(biāo)所構(gòu)成的有機(jī)整體，構(gòu)建指標(biāo)體系遵循以下原則。

(1) 科學(xué)性原則。指標(biāo)體系構(gòu)建要從改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)區(qū)域人與自然和諧，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展出發(fā)，遵循生態(tài)學(xué)的基本規(guī)律，較為準(zhǔn)確地反映水土流失治理效果的客觀實(shí)際和固有特性以及各指標(biāo)之間的真實(shí)關(guān)系。

(2) 系統(tǒng)性原則。評(píng)價(jià)指標(biāo)之間要有一定的邏輯關(guān)系，從不同角度反映生態(tài)技術(shù)實(shí)施效果的不同特征，綜合所有指標(biāo)即能刻畫出生態(tài)技術(shù)實(shí)施效果的主要特征和狀態(tài)。各指標(biāo)之間相互獨(dú)立，又彼此聯(lián)系，共同構(gòu)成一個(gè)有機(jī)整體。同時(shí)，指標(biāo)體系層次清晰，自上而下，從宏觀到具體，形成一個(gè)不可分割的有機(jī)整體。

(3) 典型性原則。評(píng)價(jià)指標(biāo)應(yīng)具有一定的典型代表性，盡可能準(zhǔn)確地反映特定區(qū)域的環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)變化的綜合特征，即使在減少指標(biāo)數(shù)量的情況下，也要便于數(shù)據(jù)計(jì)算和提高結(jié)果的可靠性。另外，評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的設(shè)置、權(quán)重在各指標(biāo)間的分配及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的劃分都應(yīng)該與水土流失治理效果特性相對(duì)應(yīng)。

(4) 簡(jiǎn)明性原則。評(píng)價(jià)指標(biāo)設(shè)置應(yīng)本著簡(jiǎn)明性原則，在滿足基本要求的前提下，盡量選擇具有典型性和代表性的指標(biāo)，避免指標(biāo)過(guò)多過(guò)細(xì)和相互重疊。各指標(biāo)盡量簡(jiǎn)單明了，數(shù)據(jù)容易獲取，計(jì)算方法簡(jiǎn)單易行。

2 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系篩選

水土保持工程效益是指水土流失防治措施實(shí)施后促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)的改善以及由此帶來(lái)經(jīng)濟(jì)收益和社會(huì)收益，也就是生態(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的總稱。本質(zhì)上，水土保持工程效益主要包括最基礎(chǔ)的固持土壤、涵養(yǎng)水源、改善生態(tài)，以及糧食等農(nóng)林牧產(chǎn)品收益的增加和水旱風(fēng)沙災(zāi)害的減少。

2.1 篩選方法

本研究擬采用較為常用的文獻(xiàn)頻度分析法[2-3]，結(jié)合定性分析篩選出水土保持工程實(shí)施效益評(píng)價(jià)指標(biāo)?；趪?guó)內(nèi)1999—2021年的文獻(xiàn)樣本，以及《美麗中國(guó)建設(shè)評(píng)估指標(biāo)體系》《水土保持綜合治理效益計(jì)算方法(GB/T15774-2008)》等資料，對(duì)符合的樣本進(jìn)行篩選分析，統(tǒng)計(jì)指標(biāo)頻次，初步確定評(píng)價(jià)指標(biāo)因子。通過(guò)定性分析，判斷指標(biāo)之間關(guān)聯(lián)性較低，具有相對(duì)獨(dú)立性。在此基礎(chǔ)上，采用層次分析法，依據(jù)相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜液褪痉饵c(diǎn)工程技術(shù)人員評(píng)價(jià)結(jié)果，確定各個(gè)指標(biāo)的優(yōu)先關(guān)系及其權(quán)重，建立二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

2.2 指標(biāo)篩選

從文獻(xiàn)初步統(tǒng)計(jì)出水土流失治理效益評(píng)價(jià)指標(biāo)45個(gè)[4-8]，其中土壤固持與保護(hù)類16個(gè)，水源涵養(yǎng)類8個(gè)，生態(tài)改善類9個(gè)，收益增加類6個(gè)，防災(zāi)減災(zāi)類5個(gè)(表1)。

表1 文獻(xiàn)樣本中水土保持工程效益評(píng)價(jià)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

2.2.1 土壤固持與保護(hù)類 主要包括土壤肥力[9]、土壤理化性狀、土壤孔隙率、土壤密度、水土流失面積比、土壤侵蝕模數(shù)、土壤退化、崩塌土石方量、產(chǎn)沙量、洪水泥沙含量、土壤保持量、耕地防護(hù)比、耕作層厚度、水土流失治理度、攔蓄泥沙量、水土保持率共16個(gè)指標(biāo)。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果發(fā)現(xiàn)頻度最高的指標(biāo)是土壤侵蝕模數(shù)(26%)，最小為水土保持率(1%)。水土保持率是2019年水利部部長(zhǎng)鄂竟平同志在江河流域水資源管理現(xiàn)場(chǎng)會(huì)上首次提出的。2020年該指標(biāo)納入了美麗中國(guó)建設(shè)評(píng)估指標(biāo)體系，相關(guān)研究文獻(xiàn)較少。其次，土壤理化性狀、土壤肥力、土壤保持量、水土流失治理度、水土流失面積比分別為11%，9%，10%，7%和6%，其他均小于5%。這些指標(biāo)中，土壤理化性狀與土壤肥力、土壤孔隙率、土壤密度為同類指標(biāo)可以合并，以降低指標(biāo)離散度；同理，對(duì)水土流失面積比、水土流失治理度、水土保持率也進(jìn)行合并，優(yōu)化后水土保持率頻度為18%，土壤理化性狀頻度為22%(圖1)。

圖1 土壤固持和保護(hù)類指標(biāo)

參照國(guó)內(nèi)學(xué)者采用頻度分析法研究構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系方法，選擇頻度高于20%的作為初步選定指標(biāo)。在此基礎(chǔ)上，分析各類指標(biāo)間的相互關(guān)系，將符合指標(biāo)體系構(gòu)建原則的指標(biāo)作為篩選最終結(jié)果。其中，水土保持率為新出現(xiàn)概念，作為美麗中國(guó)建設(shè)22個(gè)評(píng)估指標(biāo)其中一個(gè)，是當(dāng)前評(píng)價(jià)水土流失防治效果較為常用的一個(gè)重要指標(biāo)，應(yīng)當(dāng)作為本研究選定的一個(gè)指標(biāo)；土壤理化性狀指標(biāo)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)和改善具有重要意義，進(jìn)行優(yōu)化處理后超過(guò)了20%，也應(yīng)保留。因此，土壤固持和保護(hù)類指標(biāo)選定土壤侵蝕模數(shù)、土壤理化性狀、水土保持率。

2.2.2 水源涵養(yǎng)類 主要包括徑流模比、減水模數(shù)、土壤保水能力、削減洪水量、水源涵養(yǎng)量、提升流域濕度、流域年徑流量、地表水水質(zhì)優(yōu)良共8個(gè)指標(biāo)。經(jīng)頻度分析，徑流模比和水源涵養(yǎng)量分別為37%和23%，減水模數(shù)、削減洪水量均為13%，其余均小于5%(圖2)。由于地表水水質(zhì)優(yōu)良是美麗中國(guó)建設(shè)評(píng)估指標(biāo)體系的一個(gè)指標(biāo)，對(duì)評(píng)價(jià)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量具有重要作用，同時(shí)鑒于美麗中國(guó)評(píng)估指標(biāo)體系是在大量研究和調(diào)研的基礎(chǔ)上形成，且得到相關(guān)各方認(rèn)可，因此，水源涵養(yǎng)類指標(biāo)選定徑流模比、水源涵養(yǎng)量、地表水水質(zhì)3個(gè)指標(biāo)。

圖2 水源涵養(yǎng)類指標(biāo)

2.2.3 生態(tài)改善類 主要包括生物量、單位產(chǎn)值生態(tài)擾動(dòng)系數(shù)、生態(tài)環(huán)境容納度、水土保持服務(wù)價(jià)值[10]、植被覆蓋度[11]、生物多樣性、釋氧量、固碳量、水土保持服務(wù)能值共9個(gè)指標(biāo)。經(jīng)頻度初步分析，植被覆蓋度出現(xiàn)頻度為43%，水土保持服務(wù)價(jià)值和水土保持服務(wù)能值分別為15%和13%，生物多樣性為11%，其余均為2%。其中，水土保持服務(wù)能值是水保持服務(wù)價(jià)值的一種計(jì)量方法，二者應(yīng)歸為同類指標(biāo)。水土保持服務(wù)價(jià)值包含了釋氧量、固碳量、生物多樣性以及“保土、保肥、保水”等指標(biāo)，是一個(gè)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)，這個(gè)指標(biāo)應(yīng)作為評(píng)價(jià)水土流失治理效益的綜合指標(biāo)，是等同于水土流失治理效益層次的一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，不應(yīng)包含在生態(tài)改善類指標(biāo)中，應(yīng)加以剔除。釋氧量和固碳量應(yīng)為同類指標(biāo)進(jìn)行整合而成釋氧固碳量。優(yōu)化后進(jìn)行頻度分析，植被覆蓋度的頻度為59%，釋氧固碳量為18%，生物多樣性為16%(圖3)。中國(guó)于2020年9月向世界宣布了新的碳達(dá)峰和碳中和愿景，因此，未來(lái)生態(tài)建設(shè)中碳匯將是一個(gè)重要目標(biāo)，釋氧固碳應(yīng)納入評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。同時(shí)生物多樣性也是評(píng)價(jià)生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展演化程度和質(zhì)量的一個(gè)重要因素，也應(yīng)納入。因此，生態(tài)改善類指標(biāo)選定植被覆蓋度、生物多樣性和釋氧固碳量3個(gè)指標(biāo)。

圖3 生態(tài)改善類指標(biāo)

2.2.4 收益增加類 主要包括糧食產(chǎn)量、林業(yè)產(chǎn)量、畜牧業(yè)產(chǎn)量、載畜量、土地生產(chǎn)效率、土地利用變化6個(gè)指標(biāo)[12]。經(jīng)頻度分析，土地利用變化的頻度為42%，糧食產(chǎn)量和土地生產(chǎn)效率的頻度均為17%，林業(yè)產(chǎn)量、畜牧業(yè)產(chǎn)量、載畜量均為8%。其中，林業(yè)產(chǎn)量、畜牧業(yè)產(chǎn)量和載畜量可折算成生態(tài)工程實(shí)施區(qū)農(nóng)牧民人均年農(nóng)林牧收入；土地生產(chǎn)效率與土地利用變化整合，優(yōu)化后指標(biāo)如圖4所示。收益增加類選定土地利用變化、農(nóng)牧民人均年農(nóng)林牧收入、糧食產(chǎn)量3個(gè)指標(biāo)。

圖4 收益增加類指標(biāo)

2.2.5 防災(zāi)減災(zāi)類 主要包括減少洪災(zāi)、減少旱災(zāi)、減少沙塵暴、減少泥石流、減少滑坡等指標(biāo)。經(jīng)頻度分析，減少沙塵暴的頻度為67%，減少洪災(zāi)和減少旱災(zāi)的頻度均為11%，減少泥石流、減少滑坡的頻度均為6%(圖5)。盡管目前相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)水土流失治理減少洪災(zāi)和旱災(zāi)關(guān)注較少，但因中國(guó)特殊的自然地理?xiàng)l件，許多生態(tài)退化區(qū)往往洪澇災(zāi)害與生態(tài)退化密切相關(guān)，水土流失治理工程實(shí)施的一個(gè)重要作用就是減少洪災(zāi)和旱災(zāi)，這兩個(gè)指標(biāo)應(yīng)納入評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。防災(zāi)減災(zāi)類選定減少沙塵暴、減少洪災(zāi)、減少旱災(zāi)3個(gè)指標(biāo)。

圖5 防災(zāi)減災(zāi)類指標(biāo)

2.3 水土保持工程效益評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

綜上分析，本研究最終選定5類、15個(gè)指標(biāo)構(gòu)成水土保持工程效益評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。指標(biāo)體系為二級(jí)指標(biāo)結(jié)構(gòu)，一級(jí)指標(biāo)包括土壤固持與保護(hù)、水源涵養(yǎng)、生態(tài)改善、收益增加、防災(zāi)減災(zāi)5個(gè)，二級(jí)指標(biāo)有15個(gè)(表2)。

表2 水土保持重點(diǎn)工程效益評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

3 評(píng)價(jià)模型確定

3.1 一級(jí)指標(biāo)參數(shù)確定

3.1.1 建立判斷矩陣 對(duì)照層次分析法中的指標(biāo)標(biāo)度(表3)標(biāo)準(zhǔn)，收集有關(guān)專家、示范點(diǎn)工程技術(shù)人員以及研究組成員評(píng)價(jià)意見(jiàn)，對(duì)一級(jí)、二級(jí)指標(biāo)分別進(jìn)行對(duì)比評(píng)價(jià)[13]。

表3 指標(biāo)標(biāo)度及其含義

對(duì)土壤固持與保護(hù)(C1)、水源涵養(yǎng)(C2)、生態(tài)改善(C3)、收益增加(C4)、防災(zāi)減災(zāi)(C5)5個(gè)一級(jí)指標(biāo)進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。依據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果構(gòu)建判斷矩陣P如下：

(1)

3.1.2 計(jì)算指標(biāo)權(quán)重 根據(jù)矩陣P，求出最大特征值對(duì)應(yīng)的特征向量，特征向量就是評(píng)價(jià)因子重要性次序，即權(quán)重分配。本研究采用和積法求特征向量：

(1) 對(duì)判斷矩陣每一列進(jìn)行歸一化處理，處理方法如下：

(2)

式中：uij是第i單元中第y個(gè)因子的值。

得出正規(guī)化的判斷矩陣P為：

(3)

(2) 對(duì)正規(guī)化處理后的判斷矩陣P按行相加，得：

(4)

(5)

計(jì)算得，W1=0.404，W2=0.238，W3=0.120，W4=0.047，W5=0.191，求得特征向量W=(0.404，0.223，0.120，0.047，0.191)T

(4) 計(jì)算判斷矩陣最大特征值。

(6)

3.1.3 一致性檢驗(yàn) 根據(jù)公式(7)計(jì)算層次總排序一致性比例CR，當(dāng)CR<0.1時(shí)，可以認(rèn)為層次總排序的計(jì)算結(jié)果具有滿意的一致性。

CR=CI/RI

(7)

式中：CI為層次總排序一致性指標(biāo)，依據(jù)公式(8)計(jì)算

(8)

RI為平均一致性指標(biāo)，僅與矩陣階數(shù)有關(guān)。對(duì)于1—8階矩陣平均一致性指標(biāo)RI，其取值詳見(jiàn)表4。

表4 平均一致性指標(biāo)RI值

按照公式(9)計(jì)算CR

CR=CI/RI

(9)

計(jì)算得出判斷矩陣具有滿意的一致性，說(shuō)明權(quán)重分配是合理可信的。

得出水土流失治理效益評(píng)價(jià)模型為：

(10)

式中：C1為土壤固持與保護(hù);C2為水源涵養(yǎng);C3為生態(tài)改善;C4為收益增加;C5為防災(zāi)減災(zāi)。

3.2 二級(jí)指標(biāo)參數(shù)確定

土壤固持與保護(hù)(C1)、水源涵養(yǎng)(C2)、生態(tài)改善(C3)、收益增加(C4)和防災(zāi)減災(zāi)(C5)判斷矩陣詳見(jiàn)表5—9。

表5 土壤固持與保護(hù)二級(jí)指標(biāo)判斷矩陣(C1)

表6 水源涵養(yǎng)二級(jí)指標(biāo)判斷矩陣(C2)

表7 生態(tài)改善二級(jí)指標(biāo)判斷矩陣(C3)

表8 收益增加二級(jí)指標(biāo)判斷矩陣(C4)

表9 防災(zāi)減災(zāi)二級(jí)指標(biāo)判斷矩陣(C5)

對(duì)土壤固持與保護(hù)判斷矩陣(C1)、水源涵養(yǎng)判斷矩陣(C2)、生態(tài)改善判斷矩陣(C3)、收益增加判斷矩陣(C4)、防災(zāi)減災(zāi)判斷矩陣(C5)一致性檢驗(yàn)結(jié)果詳見(jiàn)表10。CR值均小于0.1，具有很好的一致性。因此，基于層次分析法得到二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重是合理可信的。

表10 二級(jí)指標(biāo)判斷矩陣一致性檢驗(yàn)結(jié)果

依據(jù)上述分析，構(gòu)建水土保持工程實(shí)施效益評(píng)價(jià)指標(biāo)體系詳見(jiàn)表11。

表11 水土工程實(shí)施效益評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

3.3 評(píng)價(jià)模型

確定國(guó)家水土保持重點(diǎn)工程效益評(píng)價(jià)模型為：

(11)

式中：E為國(guó)家水土保持工程治理效果評(píng)價(jià)結(jié)果;k為指標(biāo)權(quán)重;A為標(biāo)準(zhǔn)化指標(biāo)值。標(biāo)準(zhǔn)化處理可以采用總和標(biāo)準(zhǔn)化、最大值標(biāo)準(zhǔn)化等方法。

3.4 評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與獲取

篩選確定的評(píng)價(jià)指標(biāo)，均為常用指標(biāo)，可以通過(guò)常用方法測(cè)算獲取或者現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查獲得。

3.4.1 固持土壤與保護(hù)類指標(biāo) 土壤侵蝕模數(shù)采用國(guó)際上通行的通用土壤流失方程測(cè)得。

A=R·K·L·S·C·P

(12)

式中：A為年均土壤流失量〔t/(km2·a)〕;R為降雨侵蝕力因子〔MJ·mm/(hm2·h·a)〕;K為土壤可蝕性因子〔t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)〕;L為坡長(zhǎng)因子;S為坡度因子;C為植被覆蓋與管理因子;P為水土保持措施因子。

土壤理化性狀主要包括土壤養(yǎng)分狀況、化學(xué)條件等。一般而言，主要考慮土壤容重和重量直徑，有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、pH值等，通常采用常規(guī)方法測(cè)定土樣獲得相關(guān)數(shù)據(jù)。其中，土壤平均重量直徑是一定粒級(jí)團(tuán)聚體的重量百分比Wi乘以這一粒級(jí)的平均直徑Xi，所有所測(cè)粒級(jí)的上述乘積之和，即為平均重量直徑(MWD)。

(13)

水土保持率(SWC)是指區(qū)域內(nèi)水土保持狀況良好的面積(非水土流失面積)占國(guó)土面積的比例，是反映水土保持總體狀況的宏觀管理指標(biāo)[14]。計(jì)算公式如下為：

(14)

式中：Sn指治理區(qū)內(nèi)土壤侵蝕強(qiáng)度輕度以下的現(xiàn)狀國(guó)土面積;S是指區(qū)域國(guó)土面積。

3.4.2 水源涵養(yǎng)類指標(biāo) 水源涵養(yǎng)量采用水量平衡法計(jì)算，計(jì)算公式為：

采用Excel 2007和SPSS17.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與統(tǒng)計(jì)分析，用單因素方差分析比較處理間的差異性。

Ew=(P-ET)×A

(15)

式中：Ew為治理區(qū)水源涵養(yǎng)量(m3);P為治理區(qū)年降水量(mm); ET為治理區(qū)年蒸散量(mm);A為治理區(qū)面積。

3.4.3 生態(tài)改善類指標(biāo) 植被覆蓋指數(shù)(NDVI)計(jì)算公式為：

NDVI=(NIR-R)/(NIR+R)

(16)

式中：R表示紅外波段的灰度值,NIR表示近紅外波段的灰度值。NDVI取值范圍是-1～1,負(fù)值表示地面覆蓋度為云、水、雪等; 0表示巖石或裸地; 正值表示植被覆蓋,其數(shù)值越接近1,說(shuō)明區(qū)域植被覆蓋度越高、植被生長(zhǎng)狀況越好。

生物多樣性指數(shù)計(jì)算公式為：

(17)

式中：H為多樣性指數(shù);s為樣地中的物種總數(shù);Pi為第i種物種的個(gè)體數(shù)占所有種個(gè)體總數(shù)的比例。

固定CO2的物質(zhì)量的計(jì)算公式為：

ECO2=NPP×1.63×A

(18)

式中：ECO2為固定CO2的物質(zhì)量(t); NPP為年凈初級(jí)生產(chǎn)力(t/km2);A為治理區(qū)域面積。

釋放O2物質(zhì)量的計(jì)算公式為：

EO2=NPP×1.19×A

(19)

中：EO2為釋放O2的物質(zhì)量(t)。

3.4.4 收益增加類指標(biāo) 一定時(shí)期內(nèi)區(qū)域內(nèi)土地利用變化狀況一般用土地利用變化動(dòng)態(tài)度表示。土地利用變化動(dòng)態(tài)度通常包括單一土地利用變化動(dòng)態(tài)度和綜合土地利用變化動(dòng)態(tài)度。單一土地利用動(dòng)態(tài)度表示在一定時(shí)期內(nèi)不同土地利用類型的變化速度和幅度。計(jì)算公式如下：

(20)

式中：K為治理區(qū)域某一時(shí)段內(nèi)某一土地利用類型變化速率(%);Si,Sj為水土流失治理前和治理后土地利用類型面積(km2);T為研究時(shí)段。

綜合土地利用變化動(dòng)態(tài)度用來(lái)定量治理區(qū)域某一時(shí)期的土地利用變化速率，是預(yù)測(cè)未來(lái)土地變化趨勢(shì)的指標(biāo)。計(jì)算公式為：

(21)

式中：Lc為治理區(qū)域內(nèi)某時(shí)段內(nèi)土地利用變化速率(%); ΔSi-j為治理期內(nèi)第i類土地利用類型的土地轉(zhuǎn)化為j類型土地面積總和(km2);T為研究時(shí)段。

農(nóng)民年均收入、糧食產(chǎn)量等指標(biāo)可以通過(guò)查閱統(tǒng)計(jì)部門數(shù)據(jù)或現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查獲取。

3.4.5 防災(zāi)減災(zāi)類指標(biāo) 減少水旱風(fēng)沙災(zāi)害可以通過(guò)查閱水文、氣象以及統(tǒng)計(jì)部門數(shù)據(jù)獲取，也可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查獲取。

減少洪水災(zāi)害采用洪水頻率變化度表示，計(jì)算公式為：

(22)

式中：F為項(xiàng)目區(qū)治理前后洪水頻率變化度(%);Fi,Fj為治理前與治理后項(xiàng)目區(qū)洪水頻率(次/a)。

減少旱災(zāi)采用旱災(zāi)發(fā)生頻率變化度表示，計(jì)算公式為：

(23)

式中：D為項(xiàng)目區(qū)治理前后旱災(zāi)發(fā)生頻率變化度(%);Di,Dj治理前與治理后項(xiàng)目區(qū)旱災(zāi)發(fā)生頻率(次/a)。

減少沙塵暴采用沙塵暴發(fā)生頻率變化度表示，計(jì)算公式如下：

(24)

式中：W為項(xiàng)目區(qū)治理前后沙塵暴發(fā)生頻率變化度(%);Wi,Wj治理前與治理后項(xiàng)目區(qū)沙塵暴發(fā)生頻率(次/a)。

3.5 水土保持工程實(shí)施效益評(píng)價(jià)

上述評(píng)價(jià)指標(biāo)單位各不相同，正向指標(biāo)和負(fù)向指標(biāo)都存在(指標(biāo)值越大對(duì)生態(tài)環(huán)境改善越有利的為正向指標(biāo)，指標(biāo)值越大對(duì)生態(tài)環(huán)境改善越不利的為負(fù)向指標(biāo))。因此，在獲取原始數(shù)據(jù)后需要進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。按照上述評(píng)價(jià)模型測(cè)算得出的評(píng)價(jià)結(jié)果是在0～100范圍內(nèi)的分值。根據(jù)水土流失治理效果評(píng)價(jià)分值，結(jié)合定性指標(biāo)要求，確定水土保持工程實(shí)施效果評(píng)價(jià)結(jié)論，可分為優(yōu)秀、良好、緩慢改善、惡化、極度惡化5個(gè)級(jí)別[15]。限于實(shí)際樣本數(shù)限制，本研究?jī)H從每類指標(biāo)中抽取1個(gè)指標(biāo)，分別在西北黃土高原、西南巖溶區(qū)選取1個(gè)小流域進(jìn)行試算，初步提出了國(guó)家水土保持重點(diǎn)工程效益評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(表12)。

表12 國(guó)家水土保持重點(diǎn)工程效益評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

4 討論與結(jié)論

本研究在大量查閱文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，提出了國(guó)家水土保持重點(diǎn)工程效益評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。評(píng)價(jià)指標(biāo)體系基本涵蓋了通常水土流失治理效益評(píng)價(jià)的生態(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，包括土壤固持與保護(hù)類、水源涵養(yǎng)類、生態(tài)改善類、收益增加類和防災(zāi)減災(zāi)類5大類，以及土壤侵蝕模數(shù)、土壤理化性狀、水土保持率、水源涵養(yǎng)量、地表水水質(zhì)優(yōu)良、徑流模比、植被覆蓋度、生物多樣性、固碳釋氧量、土地利用變化、農(nóng)牧民人均年農(nóng)林牧收入、糧食產(chǎn)量、減少沙塵暴、減少洪災(zāi)、減少旱災(zāi)15個(gè)指標(biāo)。其中，土壤固持與保護(hù)類指標(biāo)中，土壤侵蝕模數(shù)主要表征土壤侵蝕嚴(yán)重程度，水土保持率實(shí)質(zhì)反映的是水土流失空間分布情況，土壤理化性狀主要表征土壤生產(chǎn)力大小，這3個(gè)指標(biāo)分別側(cè)重于水土流失嚴(yán)重程度、空間分布范圍、土地生產(chǎn)力，因而是相對(duì)獨(dú)立的。

本研究提出的評(píng)價(jià)模型需要在后續(xù)研究中跟蹤國(guó)家水土保持重點(diǎn)工程實(shí)踐，收集相關(guān)基礎(chǔ)資料，不斷驗(yàn)證和完善。同時(shí)，限于樣本數(shù)及數(shù)據(jù)不足，本研究初步提出了國(guó)家水土保持重點(diǎn)工程效益評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，需要通過(guò)增加樣本數(shù)和大量數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證和完善，才能作為實(shí)踐支撐。