基于評價指標為潛變量背景下的紙坊溝流域水土保持技術評估

喬 梅, 王繼軍,,*, 趙曉翠, 李 玥, 韓曉佳

1 西北農林科技大學, 楊凌 712100 2 中國科學院 水利部 水土保持研究所, 楊凌 712100

水土流失治理取得了重要進展,尤其十八大以來,共實施水土流失治理31.6萬km2,改造坡耕地2000萬km2,實施生態修復11.4萬km2,新建生態清潔小流域2000多條,林草覆蓋率增加10%—30%以上,平均每年減少土壤侵蝕量近4億t[1]。這一顯著成果離不開先進、成熟的水土保持技術。對各水土保持技術的綜合評估,有利于分析水土流失治理與經濟發展的耦合機制,實現政策協同性。因此,典型流域水土保持技術的評估對進一步優化水土保持技術體系以及合理配置水土保持措施具有重要的現實意義。目前相關研究主要是對水保技術應用效果的評估[2-3],也有部分對水保技術適宜性的評價[4-6],而對于水土保持技術本身及其與應用過程、應用效果相融合的評價鮮有報道。已有研究主要集中在技術效益以及適宜性等顯變量的評估,但水土保持技術的選擇、應用過程以及應用效果之間的互動關系是無法直接測量的,對“水土保持技術體系”表征涉及到的是無法直接測量的潛變量,一個潛變量對應若干個顯變量,潛變量可看做顯變量的抽象和概括,顯變量視為特定潛變量的反映指標[7]。潛變量的準確描述必須通過顯變量來實現,為了精確揭示水土保持技術本身、應用過程以及應用效果之間的互動關系,有必要對顯變量進行測量,但對于大部分區域而言,短期內無法獲得所需的顯變量值,例如土壤侵蝕模數、人均純收入等需要長期觀測反映某段時期的侵蝕程度以及農戶的經濟收入變化,因此,要結合經驗與理論,通過驗證性分析對潛變量本身來評估,既減少了顯變量的長期測算誤差,又快速對特定潛變量進行了評估,揭示被評估對象的本質。作為本課題的科學問題是：如何保證潛變量指標評估結果與顯變量評估結果相一致,并較精確的揭示被評估對象水土保持技術的本質,則要將潛變量指標與顯變量指標評估過程進行對比分析,確定二者的一致性。因此,首先要完成潛變量指標的評估,這是本文的重點。

紙坊溝流域在水土流失治理和水土保持技術應用中具有典型的代表性,因此,以紙坊溝流域為例,對其水土保持技術本身屬性及應用過程進行評估,以期為系統揭示水土保持技術與應用區域區位特征、農業系統耦合關系提供參考,為紙坊溝流域未來水土保持技術選擇提供參考。

1 研究思路與方法

科學合理的評價指標以及評價方法能夠精確揭示水土保持技術的本質,為同類型區水土保持技術選擇提供參考。由于水土保持技術是一項綜合性技術,技術的選擇與實施過程無法直接測量,并且大多數研究集中在顯變量的直接評估,為了精確揭示水土保持技術本身、應用過程以及應用效果之間的互動關系,減少顯變量誤差以及顯變量在其他潛變量上的負荷,對潛變量與顯變量的評估過程進行對比分析。因此,本文主要以潛變量的直接評估為主。首先,通過資料分析、調研對紙坊溝流域水土保持技術演變過程中的技術體系進行歸類,為構建科學合理的評價指標體系以及指標評判標度提供幫助;其次,對指標數據進行處理、計算、分析,精確揭示水土保持技術的本質。

按照上述研究思路,采取專家咨詢法以及層次分析等方法對紙坊溝流域水土保持技術進行評估。

2 指標體系構建及指標界定

2.1 指標體系構建

水土保持技術是指在水土流失地區,運用水土保持學原理及生態經濟等相關學科理論,以水土保持為目的,同時優化水土資源配置、協調發展農業生態資源與產業而采取的一系列技術的總稱,包括水土保持工程技術、水土保持耕作技術和水土保持生物技術[8]。水土保持技術是一項涉及多學科的綜合性技術,具有社會、生態以及經濟三大屬性?？紤]到水土保持技術是一項綜合技術的獨特性,借鑒課題“生態技術評價方法、指標與評價模型開發”研究成果,水土保持技術評價指標體系構建除遵循科學性、可操作性、系統性以及可比性等一般性原則之外,還應遵循以下原則：

主觀與客觀相結合。水土保持技術通常由政府主導實施,農民采用,農民的水土保持意識以及當地的社會、生態、經濟背景對水土保持技術的采用有正面或負面的影響,因此,構建水土保持技術評價指標時應有機結合主、客觀指標,使其內外統一。

內部與外在相結合。水土保持技術與作為一項相對成熟的生態技術,既有技術的本質屬性又包括所技術使用的條件以及后期產生的各項效益。因此,要合理結合其本身屬性、限制條件以及技術效益。

自然與經濟社會屬性相結合。水土保持技術使用有自然、社會以及經濟條件的限制,同時,既要防止水土流失,又要促進區域經濟社會發展。自然指標和經濟社會指標之間存在相互聯系、相互作用的關系,總體來說,揭示自然的指標與經濟社會的指標共同構成水土保持技術評價指標體系的整體。

圖1 水土保持技術評估體系基本構成 Fig.1 Basic composition of soil and water conservation technology assessment system

綜上所述,水土保持技術的核心是技術本身特點,涉及到技術的適宜性、技術實施過程產生的各項費用、農戶的生產經營理念以及各利益體之間的利益關系等。因此,水土保持技術評估體系構建從技術屬性、適宜性和效益三個方面推進(圖 1)。

技術屬性主要是水土保持技術本身的特點以及性質,包括技術構成要素、結構及配置等,以及是否能穩定發揮作用,在應用過程中是否易于被應用者接受等,這是技術能否發揮作用的基礎。所以,技術屬性包括技術成熟度及技術應用難度。

關于水土保持技術適宜性,國內外近年來取得了一些研究成果[9],為技術相宜性的表征提供了相應的參考。劉剛才等人提出包括區域自然適宜性、區域社會條件適宜性等指標的“求-供”指標體系[10],技術相宜性是其使用的前提,除社會生態經濟相宜性之外,還包括目標以及政策法規的相宜性[11],因此,技術相宜性包括立地相宜性、目標相宜性、經濟發展相宜性以及政策法規相宜性。

關于水土保持技術效益評價方面的研究到目前為止相對比較成熟,主要包括社會效益、生態效益以及經濟效益三方面[12-13]。同時,根據國家區域發展戰略需求以及新時期社會經濟條件,技術在本區域未來發揮效益的持續性相對重要。因此,效益評價指標考慮社會、生態以及經濟的同時,還要包括技術在未來使用的持續性。

綜上,結合課題“生態技術評價方法、指標與評價模型開發”的相關研究結果,選取技術成熟度、技術應用難度、技術適宜性、技術效益以及技術推廣潛力等五個指標作為水土保持技術評估的一級指標,選擇技術完整性、應用成本等14個水土保持技術評估的二級指標(表1)。這些指標可較為全面的反映出水土保持技術的屬性、適宜性以及效益等本質規定。

各指標權重參考課題“生態技術評價方法、指標與評價模型開發”中生態技術評價指標權重的計算方法,邀請長期從事水土保持工作的專家、具有豐富水土保持意識和有水土保持措施實施經驗的農民參加問卷調查,對指標重要程度進行打分。最后,通過層次分析法計算得到各指標的相對權重(表 1)。

表1 水土保持技術評價指標體系及權重

2.2 指標解釋與評判標準

經過多次專家討論以及2016年、2017年農戶調研過程的感性認識,對各指標進行如下解釋,并給出相應的評判標準(表 2)。

表2 水土保持技術評價指標解釋與評判標準

續表一級指標Primary indicator自定義方法Custom method二級指標Secondary indicators自定義方法Custom methodx4技術效益x4 Technical benefit效果非常好-5;效果良好-4;效果較好-3;效果一般-2;效果不明顯-1x41生態效益技術實施對生態環境改善效果非常好-5;技術實施對生態環境改善效果良好-4;技術實施對生態環境改善效果較好-3;技術實施對生態環境改善效果一般-2;技術實施對生態環境改善效果不明顯-1x42經濟效益技術實施對經濟增長的貢獻效果非常好-5;技術實施對經濟增長的貢獻效果良好-4;技術實施對經濟增長的貢獻效果較好-3;技術實施對經濟增長的貢獻效果一般-2;技術實施對經濟增長的貢獻效果不明顯-1x43社會效益技術實施對社會公共利益和社會發展的貢獻效果非常好-5;技術實施對社會公共利益和社會發展的貢獻效果良好-4;技術實施對社會公共利益和社會發展的貢獻效果較好-3;技術實施對社會公共利益和社會發展的貢獻效果一般-2;技術實施對社會公共利益和社會發展的貢獻效果不明顯-1x5技術推廣潛力 x5 Technology promotion po-tential 大-5;較大-4;中等-3;較小-2;小-1x51技術與未來發展關聯度技術與未來發展趨勢的關聯程度大-5;技術與未來發展趨勢的關聯程度較大-4;技術與未來發展趨勢的關聯程度中等-3;技術與未來發展趨勢的關聯程度較小-2;技術與未來發展趨勢的關聯程度小-1x52技術可替代性現使用技術非常容易被其他同等效果技術替代-5;現使用技術比較容易被其他同等效果技術替代-4;現使用技術容易被其他同等效果技術替代-3;現使用技術不易被其他同等效果技術替代-2;現使用技術不能被其他同等效果技術替代-1

3 紙坊溝流域水土保持技術評估

3.1 研究區概況

紙坊溝流域位于黃土高土原丘陵溝壑區第二副區,屬暖溫帶半干旱氣候區,年平均降雨量483 mm,降雨主要集中在6—9月,以暴雨為主;降雨量占全年的73.6%,尤其是集中于7—8月,占全年降雨量的46.3%。流域內梁峁起伏,地形破碎,溝壑密度達8.06k m/km2,海拔1100—1400 m。相關資料顯示：1938年紙坊溝流域林草茂盛,林草覆蓋率76.5%,糧食單產 724.5 kg/hm2,生態系統處于自然平衡狀態。從1940年開始,隨著農耕地不斷擴大,耕墾指數高達51.5%,植被破壞殆盡,到1958年水土流失極為嚴重,就僅存果樹和灌木0.35 km2,土壤侵蝕模數高達14000 t/(km2·a),生態系統極度惡化,陷于“越窮越墾,越墾越窮”的狀態[14]。

該流域總面積8.27 km2,有3個自然村,以農業種植為主,其中,農耕地有64 hm2(2015年),主要種植糧食作物有玉米、洋芋以及谷子等,以蘋果為主導產業,2015年果園面積49.53 hm2。據統計,2015年全流域共有124戶,598人,從事農業勞動有209人,全流域人均純收入7102.17元,其中農業純收入占人均純收入16.9%。

自20世紀70年代以來,紙坊溝流域實施了“山水田林路綜合治理”、“小流域綜合治理”、“退耕還林工程”等水土保持措施,其中,梯田、淤地壩、退耕還林(草)等較典型[15]。經過40多年的綜合治理,截止到2015年,流域內林草地面積達385.67 hm2,水土流失治理度77.64%,生態系統逐漸恢復,并步入良性循環的軌道。

3.2 數據處理及評價過程

3.2.1主要水土保持技術體系集成

水土流失治理是水土保持綜合技術的應用過程,水土保持技術及配置體系直接決定了水土流失的治理效果,對水土保持技術體系評估,可為本區域未來水土保持技術選擇提供依據。參考王繼軍[16-17]等人的研究結果,明確紙坊溝流域不同時期水土保持技術體系的異同,形成不同的水土保持技術體系,根據其演變過程,重點評估紙坊溝流域1973—1983年(階段Ⅰ)、1984—1998年(階段Ⅱ)、1999年之后(階段Ⅲ)三個時期的水土保持技術體系。

1973—1983(階段Ⅰ),處于生態系統不穩定恢復階段,水土流失治理以水土保持耕作技術為主,輔以工程技術+少量生物技術,形成了“‘整地+輪作’(<5°)、‘(人工)窄條梯田+輪作’(5°—15°),‘(人工)窄條梯田+輪作’(15°—25°),‘魚鱗坑/反坡梯田+生態林’(大于25°),‘溝沿線植柳樹+淤地壩’(溝道)”防治技術體系。

1984—1998(階段Ⅱ),處于生態系統穩定恢復時期,水土流失治理以水土保持工程技術和生物技術為主,輔以耕作技術,形成了“‘川地+壟溝種植+地膜覆蓋+輪作’、‘(人工)窄條梯田/(機修)寬幅梯田+壟溝種植+地膜覆蓋+輪作’、‘(人工)窄條梯田+果樹’、‘坡地+水平溝種植、(人工)窄梯田+生態林(5°—15°)’,‘(人工)窄條梯田+蘋果’,‘(人工)窄條梯田/(機修)寬幅梯田+輪作+套種’,‘魚鱗坑/水平溝/反坡梯田+生態林’、‘人工種草’、‘草糧帶狀間輪作’、‘草灌帶狀間作’(15°—25°),‘魚鱗坑+造林’、‘草灌帶狀間輪作’(>25°),‘造林’、‘淤地壩’、‘柳谷坊’(溝道)”防治技術體系。

1999—(階段Ⅲ),處于生態系統穩定恢復與功能提升期,水土流治理與防治以水土保持生物技術為主,以工程和耕作技術作為補充與配套技術體系,形成了“‘壟溝種植+地膜覆蓋+輪作’(<5°),‘(機修)寬幅梯田+果樹’、‘魚鱗坑/反坡梯田/窄梯田+生態林’(5°—15°),‘魚鱗坑/窄條梯田/反坡梯田+生態林’、‘封育’、‘封禁’(15°—25°),‘封育’(>25°)”的水土保持技術體系。

3.2.2數據來源與標準化處理

于2018年5月在紙坊溝流域展開農戶調查,采取典型隨機抽樣的方法獲取第一手資料,調查涉及流域內紙坊溝、寺崾峴以及瓦樹塌3個自然村,重點調查對農戶水土保持技術實施過程的感性認識、對技術實施效果的評價以及政府在水土保持技術與實施過程中的扶持狀況。調查持續10天,選取農戶中主要從事農業生產的成員,每戶大約持續1—1.5h,共調查35戶,其中有效問卷30戶。調研基本信息如(表3)。

表3 調研表基本信息

3.2.3數據標準化處理

本文指標數據均為調研獲得的第一手數據,不同指標單位、量級不同,存在不可度量性。因此,對各指標數值進行無量綱處理,轉化為標準數值,再進行分析。本文采用閾值法無量綱處理。

閾值也稱臨界值,閾值法是直線型無量綱化方法之一,即用指標實際值與閾值相比得到指標的無量綱化值。

為了保證綜合評價結果的可靠性,采用閾值法消除各指標數據數量級和量綱差異,使之處于[0,1]區間上。無量綱化處理結果如(表4)。

表4 紙坊溝流域水土保持技術評價各指標數據的無量綱化

3.2.4結果與分析

依據上述水土保持技術演變過程中形成的技術體系,對紙坊溝流域水土保持技術進行綜合評價。

按照線性加權求和法(Linear Weighted Sxm Method),對各階段得分進行計算。

式中：R為綜合評價得分,Wj為第j個指標的權重。Xj為j項指標的標準化數值。

采取兩種計算方式,第一種：將一級指標各指標無量綱化數值與其對應權重相乘再累加,得出紙坊溝流域三個階段水土保持技術評價體系5個一級指標得分以及綜合得分(表4);第二種：用二級指標各指標的無量綱化數值與其對應權重相乘再相加再乘以對應的一級指標權重,得出5個一級指標得分以及綜合得分(表5)。

表5 紙坊溝流域各階段水土保持技術評價結果

“各指標下對應的一級指標數值”即基于一級指標下的計算結果,“各指標下對應的二級指標數值”即基于二級指標下的計算結果

為了便于分析,參照已有研究結果[18],并根據y值高低,將紙坊溝流域水土保持技術綜合評價結果劃分為5個標度,(0, 0.2]為極差,(0.2, 0.4]為較差,(0.4, 0.6]為一般,(0.6, 0.8]為較好,(0.8, 1]為最好。

如表4所示,無論一級指標計算結果,或二級指標計算結果,從第一階段到第三階段得分依次增加,即水土保持技術體系在不斷完善、效果在不斷提升。并且,基于一級指標和二級指標的測算結果基本一致,通過與當地部分農民交流,評判結果與現實相符。

近40余年來,紙坊溝流域水土保持技術及其應用綜合效果不斷提升,主要動因是水土保持技術體系不斷優化,技術選擇與應用的要素耦合度不斷提升,并與農戶理念趨近。如表3所示,三個階段水土保持技術相宜性指標始終排在第一位,尤其是立地相宜性較高,即所選用的水土保持技術總體上適合于區位特征,特別是適宜于當地地貌、氣候等自然條件,同時,水土保持技術選擇主要服務于區域生態條件和國家戰略目標,相對來說考慮經濟發展和社會需求較少,因此,在今后水土保持技術研發與選擇時,如果能夠綜合考慮區域生態修復、經濟發展以及國家戰略定位等需求,技術可用性則更強。就水土保持技術本身而言,其核心要素已具備,能夠穩定發揮作用,并容易被掌握和采納。水土保持技術應用后,生態效應大于經濟效應,社會效應最低,這與初始選擇水土保持技術時力求改變“越墾越窮,越窮越墾”的惡性循環理念相一致;由于水土保持技術核心是水土流失治理,同一背景下的水土保持技術變動彈性較小,可持續性較強,這就提示我們在水土保持技術選擇時,一定要注意其技術適宜性和技術效益。

基于以上總體評價的基礎,對二級指標下的水土保持技術進一步詳細評價、分析。根據評價模型與所獲得的數據,紙坊溝流域不同階段水土保持技術基于二級指標的具體評價結果如圖2所示。

圖2 紙坊溝流域水土保持技術綜合評價結果Fig.2 Comprehensive evaluation results of soil and water conservation technology in the Zhifanggou watershed

如圖2所示,第一階段紙坊溝流域水土保持技術評價結果為0.5191,得分在(0.4, 0.6]之間,處于一般。水土流失治理在這一階段處于不穩定恢復期。以基本農田建設為中心,實行山水田林路綜合治理,控制25°以上坡地水土流失,減輕水土流失災害,提升流域內糧食產量。由于大多數水土保持技術由政府投資并組織實施,在新中國成立初期,國家部分政策不夠完善,為了改善極其嚴重的水土流失現象,技術相宜性對水土保持技術實施的影響相對較大,社會效益、技術可替代性以及技術先進性短時間內相對考慮程度較低,這一結果與此時的社會生態經濟背景有密切關系。因此,主要實施水土保持耕作技術為主,輔以工程與生物技術。

第二階段紙坊溝流域水土保持技術評價結果為0.6628,得分在(0.6, 0.8]之間,處于較好。流域內水土流失治理也處于穩定恢復期,實行小流域綜合治理。形成以村莊為中心的平面圈狀配置以及坡面立體梯層配置,水土流失治理的同時兼顧區域經濟發展,到1990年人均純收入增長至591.01元[19]。由于各技術實施逐步見效,水土流失狀況以及其他生態環境都穩步恢復,并且大多數使用技術為類似區域試驗推廣的能夠穩定發揮作用并且相對成熟的技術,容易被掌握和采納?？傮w上,主要采取了工程技術和生物技術,輔以耕作技術,在穩定糧食產量的同時穩固退耕還林、還草的初期成果。

第三階段紙坊溝流域水土保持技術評價結果為0.7748,得分在(0.6, 0.8]之間,處于較好。流域內生態系統處于穩定恢復與功能提升期,隨著1999年國家開始全國范圍內實施退耕還林,并頒布相應政策法規,綜合效益得以提高。2015年流域內人均純收入達7102.17元/人,林草覆蓋率達46.7%,糧食單產達268.75 kg/hm2。各技術在適宜流域地形、氣候以及經濟等條件的前提下,為了響應國家可持續發展戰略、生態文明建設等方針,逐步注重流域內產業結構調整以及農業基礎設施建設。

水土保持技術的合理配置是提升水土保持效益的有效方法,從紙坊溝流域發展過程來看,水土保持技術體系不斷完善,從單一的工程、耕作技術實施到小流域綜合治理,再到目前的生態文明建設,既實現了土地資源的合理利用,又改善區域生態環境,提升了經濟發展水平;但在生態文明的時代背景下,依據“兩山”理論以及生態文明共生的需求,在水土保持技術選擇、應用過程及應用效果之間的耦合系統尚需進一步優化。

4 結論與討論

4.1 結論

本研究以安塞縣紙坊溝流域為研究區,針對對水土保持技術選擇、應用過程及應用效果之間互動過程評估的空白以及潛變量、顯變量評估的優缺點,構建2種情境下水土保持技術評價指標體系,指標體系包括技術成熟度、技術應用難度、技術相宜性、技術效益、技術推廣潛力5個一級指標,技術完整性等在內的14個二級指標,各指標評估標準劃分5標度。通過對紙坊溝流域不同階段水土保持技術的綜合評估驗證了2種情境下水土保持技術評估指標的合理性和可行性。

紙坊溝流域水土保持技術評價結果表明：流域內水土保持技術選擇與應用的要素耦合度不斷提升,采取一二級指標相互印證的方法,無論是基于一級指標的計算結果、或者二級指標的計算結果,紙坊溝流域水土保持技術各指標在三個階段的得分依次提升,0.5399(0.5191),0.6724(0.6628),0.7866(0.7748)(括號內為基于二級指標的測算結果)并且技術適宜性排首位,即流域內所用水土保持技術尤其適宜于流域的氣候、地形條件,評判結果與現實相符。

4.2 討論

(1)紙坊溝流域經歷了“破壞-恢復-破壞-修復”的完整演變過程,在長期的水土流失治理過程中所形成的水土保持技術體系： “‘壟溝種植+地膜覆蓋+輪作’(<5°),‘(機修)寬幅梯田+果樹’、‘魚鱗坑/反坡梯田/窄梯田+生態林’(5°—15°),‘魚鱗坑/窄條梯田/反坡梯田+生態林’、‘封育’、‘封禁’(15°—25°),‘封育’(>25°)”這一技術體系,對黃土丘陵區水土流失治理具有重要的應用和借鑒價值。

(2)紙坊溝流域水土保持技術演變過程中,在第Ⅰ階段,以水土保持耕作技術和工程技術為主,其中耕作技術的核心技術是輪作,工程技術的核心技術是人工梯田技術,造林技術和淤地壩技術則為該階段輔助技術;在第Ⅱ階段,以工程技術和生物技術為主,其中工程技術的核心技術是梯田、淤地壩,生物技術的核心技術是植樹造林,輪作等技術則為該階段的輔助技術;在第Ⅲ階段,以生物技術為主,其核心技術是植樹造林和封育技術。對于同類型區而言,在現階段的水土流失治理中,要以生態修復為主,將封育和封禁作為首選治理技術。

(3)“技術適宜性”在評價指標體系中占有重要地位,所以在水土保持技術選擇時,首先要考慮的是技術相宜性;其次,區域經濟社會的發展現狀以及發展趨勢對于水土保持技術的選擇來說也相當重要,也要充分考慮這一點。為了滿足國家生態文明建設等需求,依據“兩山論”、“新農村建設”的新要求,接下來構建三級指標時,要重視水土保持技術本身、水土保持技術應用過程與應用效益之間互動關系的定量評估,進一步對潛變量的評估結果進行驗證。