第二松花江流域坡耕地生態環境診斷及評價

隋媛媛，許曉鴻，劉明義，張瑜，劉艷軍，王永豐，孫傳生，張軍海

(吉林省水土保持科學研究院，吉林長春130033)

第二松花江為吉林省最大的河流，發源于長白山天池，在吉林省境內流域面積73 229 km2，占吉林省總面積的39.1%，水土流失面積為11 690.9 km2。區內主要市縣坡耕地總面積為21 647.12 km2，屬于東北黑土區糧食主產區［1］。第二松花江流域內地形復雜，涵蓋長白山中山低山區、中部低山丘陵區及漫川漫崗區，坡耕地坡面緩且長，是水土流失的主要發生區。水土流失的不斷剝蝕表土，致使黑土層變薄，養分流失，土壤肥力下降，土壤保水、保肥和通氣性能隨之下降，導致糧食生產能力明顯下降。防治第二松花江流域坡耕地水土流失已經成為保護東北地區土地資源安全、改善生態環境和保障糧食生產安全的迫切需要和重要內容。然而，在對流域進行水土流失防治及生態恢復重建過程中，對生態環境的評價多以定性描述為主，目前還沒有形成一套完整的指標體系用來進行流域系統的健康診斷，其科學性和系統性均較差。我們在對坡耕地進行野外實地調查和資料查詢的基礎上，運用層次分析法對其生態環境現狀進行診斷和分析評價，旨在為坡耕地水土流失防治和生態恢復提供科學依據，為保障東北黑土區糧食生產安全提供理論基礎。

1 坡耕地生態環境診斷指標體系建立

1.1 坡耕地生態環境診斷指標選擇原則

評價指標體系是建立在系統運行基礎上的指標集合，是一個有機的統一體，需要具備描述揭示功能、評價功能及預警功能［2］。經過綜合調查分析，在影響第二松花江流域坡耕地生態環境的諸多因素中，選取有代表性的、靈敏的、出現頻率高的和直接影響坡耕地生態環境的因素為初選指標參數，所選指標應該能反映客觀實際和具體問題，同時要求簡單、實用。

(1)科學性原則。明確反映目標與指標間的相關關系，指標體系的大小也必須適宜。評價指標與評價方法應符合生態學原理以及相關學科理論，并盡可能地應用現代化手段予以權衡和定量表達。

(2)客觀性原則。能準確反映坡耕地生態環境狀況，克服主觀因素的影響。對各種評價指標定義要清晰、準確。

(3)代表性原則。為使評價結果更加科學，評價指標應該能反映坡耕地目前生態環境狀況及其受干擾和破壞的程度。

(4)整體性原則。坡耕地生態環境診斷與評價的目的是對坡耕地水土流失進行防治，評價指標應具有一定的整體效應，能發揮整體功能，評價結果能提供有效的信息。

(5)重點性原則。按照水土保持的要求，可列出多個評價指標反映水土流失影響，這里就要考慮到需要與可能的問題，且應能計量表達。

(6)可操作性原則。指標體系中的指標內容應簡單明了，數據盡可能量化，對定量指標要確保其可信度，并且對非專業人員而言其測量過程也比較容易。

1.2 診斷指標的選取及評價體系建立

根據上述生態環境診斷指標的選取原則，以及坡耕地生態環境的實際調查情況，經過專家咨詢與分析識別，我們篩選和提出了影響坡耕地生態環境質量的4 類評價因子，分別為黑土層厚度、土壤侵蝕、土壤理化性狀、坡耕地治理，共選擇確定了10 個評價指標(圖1)。

圖1 坡耕地生態環境健康診斷及評價體系結構框架

2 坡耕地生態環境健康診斷

2.1 診斷分析指標權重的確定

本研究采用層次分析法(簡稱AHP 法)［3］確定各指標權重，其基本原理是把研究的復雜問題看成一個大系統，先對系統多個因素進行分析，劃分出各因素間相互聯系的有序層次，再對每一層次的各因素進行客觀判斷，并相應地給出重要性的定量表示，進而建立數學模型，計算出每一層次全部因素的相對重要性權值，加以排序，最后根據排序結果進行規劃決策并選擇解決問題的措施。

2.1.1 層次結構的建立

首先把系統問題條理化、層次化，構造出一個層次分析的結構模型。本研究將遞階層次分為3 層(表1)。

表1 坡耕地生態環境健康診斷及評價的層次結構

2.1.2 坡耕地生態環境診斷評價指標權重的確定

(1)準則層各指標權重的確定。在本研究中，目標層為坡耕地生態環境診斷及評價指標，其影響因素分別為:黑土層厚度U1;土壤侵蝕U2;土壤理化性狀U3;坡耕地治理U4。據此可以得到如下判斷矩陣(表2)。

根據以上判斷矩陣，利用和積法求得其最大特征值及其對應的特征向量，分別為:最大特征值λmax=4.033 3，對應的特征向量ω=(0.437 0，0.234 1，0.202 9，0.126 0)。準則層各指標權重見表3。

表2 準則層判斷矩陣構建

表3 準則層各指標權重

為保證所確定的相對重要性的可信度和準確性，必須對判斷矩陣進行一致性校驗。一致性校驗準則為一致性比率C.R.＜0.10。經計算，C.R.=0.012 ＜0.10，說明判斷矩陣的一致性是可以接受的，也就是準則層的黑土層厚度、土壤侵蝕、土壤理化性狀及坡耕地治理對坡耕地生態環境健康影響權重分別是0.437 0、0.234 1、0.202 9、0.126 0。

(2)指標層各指標權重的確定。由于指標層中各指標對相應準則層中各指標的影響程度差別很小，本研究中指標層權重的確定選用平均分配的方法。指標層各指標權重見表4。

2.2 評價指標實際值的調查與測定

2.2.1 評價指標實際值確定方法

(1)黑土層厚度(cm)。以縣為單位，采用專家咨詢、資料查閱的方法，并結合土壤剖面實測結果，復核確定各市縣不同坡度級耕地黑土層平均厚度。

(2)12°以下坡耕地比重(%)。通過資料收集與綜合調查、分析的方法確定12°以下坡耕地占坡耕地總面積的比重。

(3)年均降水量(mm)。通過資料收集及實地調查與分析，確定不同市縣坡耕地年平均降水量。

表4 指標體系各指標權重

(4)水土流失治理度(%)。通過資料收集及實地調查與分析，確定不同市縣坡耕地水土流失治理度。

(5)土壤侵蝕模數［t/(km2·a)］。通過資料收集及實地調查與分析，并向多位水土保持及土壤專家進行咨詢，利用降雨量作為修正系數，采用土壤侵蝕模數加權平均法計算并確定坡耕地平均土壤侵蝕模數。

土樣采集與樣點布設。以縣為單位，選取不同坡度坡耕地采集土壤樣品。由于不同地區地形、地勢及田塊大小均不同，長期耕作導致土壤肥力均勻性差，因而將坡面平分為坡上和坡下兩部分，分別采取蛇形采樣法進行采樣，采集土樣分0—10、10—20、20—30 和30—40 cm 四個層次。

(6)土壤有機質含量(%)。采用硫酸重鉻酸鉀法進行測定［4］。

(7)土壤全氮含量(%)。采用全自動凱氏定氮法測定。

(8)土壤全磷含量(%)。采用NaOH 熔融－鉬銻抗混合試劑比色法測定。

(9)土壤全鉀含量(%)。采用NaOH 熔融－原子吸收光譜法測定。

(10)土壤含水量(%)。采用土鉆法和烘干法進行測定。

2.2.2 評價指標實際值的調查與測定結果

根據以上評價指標實際值的調查與測定方法，分別對20 個主要市縣坡耕地10 個評價指標進行實際調查與分析，結果見表5 和表6。

2.2.3 坡耕地土壤侵蝕模數

依據伊通縣水保站提供的不同坡度坡耕地土壤侵蝕模數資料，結合各市縣年均降水量，通過進行專家咨詢及資料查詢，計算各市縣不同坡度級坡耕地土壤侵蝕模數，并確定不同坡度坡耕地的平均土壤侵蝕模數，結果見表7。

表5 評價指標實際值調查結果

表6 20 個市縣土壤養分平均含量%

利用水土保持規劃與普查數據結果，統計出不同坡度坡耕地占坡耕地總面積的比例(表8)，通過加權平均法計算出坡耕地平均土壤侵蝕模數。經計算，第二松花江流域坡耕地平均土壤侵蝕模數為1 004t/(km2·a)。

2.3 評價指標量化與綜合診斷評判

2.3.1 評價指標量化

(1)評價指標實際值與目標值的確定。根據本研究中建立的診斷評價指標體系，采取綜合調查與實地測定分析、資料統計分析的方法，有針對性地收集和測量了坡耕地與生態環境相關的數據，統計整理出分析診斷所需各單項指標的實際值。各單項指標的目標值是以國家及該地區水土保持生態建設目標為依據，參照國內外現代化和可持續發展報告［5］、《中國21 世紀議程》、《吉林省21 世紀議程行動計劃》、《吉林省生態省建設總體規劃綱要》、《吉林省生態環境保護規劃》、《吉林省水土保持“十一五”規劃》和流域現狀實際，進行綜合分析確定(表9)。

表7 不同坡度坡耕地土壤平均侵蝕模數t/(km2·a)

表8 不同坡度坡耕地面積及比例

(2)評價指標量化。指標量化與綜合診斷評價是流域系統診斷的關鍵，評價體系中的10 個指標基本可以分為兩類:一是對系統健康持續發展起正作用的指標，如黑土層厚度、土壤有機質含量等，此種指標值越大越好;二是對系統健康持續發展起副作用的指標，如土壤侵蝕模數，此種指標值越小越好。兩種類型的指標應采取不同的量化方法。為此，本研究引入了模糊集合的隸屬函數［6］進行指標量化。設xj和tj分別為單項指標的實際值與目標值，則該單項指標的量化值為:當x 為正作用指標時，aj=(xj/tj)C×100%;當x 為副作用指標時，aj=(tj/xj)C×100%。式中，C 為刻畫模糊度的常數，一般C ＞1，這里取1.1。各指標量化結果見表9。

表9 坡耕地生態環境系統健康診斷單項指標評估量化結果

2.3.2 坡耕地生態環境健康綜合診斷評判

流域綜合調查分析診斷指標體系中的每一單項指標均是從不同側面來反映系統健康持續發展狀況，因而必須對總體狀況進行綜合評判。本研究采用多目標線性加權函數法［7］進行計算和評判，其具體分級如表10 所示。

表10 坡耕地生態環境系統診斷評判標準

根據多目標線性加權函數法的計算結果，第二松花江流域坡耕地生態環境系統綜合健康診斷指數為18.10，依據表10 生態環境系統診斷評判標準，可知該系統發展運行的健康水平，等級為劣。

3 結 論

坡耕地生態環境健康診斷與評價，是充分了解和掌握坡耕地生態現狀的有效途徑，也是改善和提高坡耕地生態環境、防治生態惡化的基礎和前提，能夠為采取合理的防治措施和治理技術提供指導。通過對坡耕地生態環境現狀進行調查以及專家咨詢與分析，我們篩選出了黑土層厚度、土壤侵蝕、土壤理化性狀及坡耕地治理4 類評價因子，利用層次分析法構建了坡耕地生態環境診斷及評價體系結構，并確定了10 個評價指標權重。將野外調查、測量與室內試驗相結合，測定并計算出第二松花江流域主要市縣坡耕地生態環境評價指標實際值，利用多目標線性加權函數法計算出第二松花江流域坡耕地生態環境系統綜合健康診斷指數為18.10，健康等級為劣。評判結果說明，目前亟需加強對第二松花江流域坡耕地生態環境的治理力度，遵照“因地制宜，因害設防”的原則，提出坡耕地土壤侵蝕的有效防治技術，以降低黑土層流失速度和土壤侵蝕模數，改善和提高土壤肥力，切實保護坡耕地，促進坡耕地的可持續利用。

［1］張德新.吉林省地表水功能區劃［M］.長春:吉林人民出版社，2005:29－32.

［2］王慧敏，徐明.都江堰可持續發展評價體系［J］.水利學報，1999(5):13－18.

［3］王蓮芬，許樹柏.層次分析法引論［M］.北京:中國人民大學出版社，1990:32－58.

［4］鮑士旦.土壤農化分析［M］.北京:農業出版社，1986:33－89.

［5］張光宇，劉永清.土地可持續利用的系統學思考［J］.中國人口．資源與環境，1998，8(1):11－14.

［6］彭補拙，安旭東，陳浮，等.長江三角洲土地資源可持續利用研究［J］．自然資源學報，2001，16(4):305－312.

［7］戴全厚，劉國彬，劉明義，等.小流域生態經濟系統可持續發展評價——以東北低山丘陵區黑牛河小流域為例［J］.地理學報，2005，60(2):209－218.