北票市岳家溝小流域水土保持生態效益定量評價

劉 菲

(北票市水土保持局，遼寧 朝陽 122100)

0 引 言

在促進生態系統良性循環、改良及保護水土資源、預防和減少水土流失等方面水保措施的貢獻率即為生態效益。一般地，水保措施的生態效益主要涉及改善大氣環境、恢復植被、涵養水源及改良土壤4個方面。為全面掌握水保措施改善生態條件、治理水土流失的效果，科學指導小流域水土流失治理措施，關于生態效益評價諸多學者開展了研究分析[1]。如王琦等[2]認為文獻頻率法、專家經驗法和理論推導法等為評價指標體系構建的常用方法；康玲玲等[3]在遵循客觀性、科學性、系統性等原則的基礎上篩選了生態效益評價指標，結合現有研究資料提出使用頻率較高的指標有地表徑流模數、治理程度、林草覆蓋率和土壤侵蝕模數。另外，有學者根據區域特征和評價目標的特點提出了具有較強針對性的指標，如曹睿等[4]引入的風蝕模數、沙化土地百分比和沙塵暴日等參數；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村新能源比重等指標；余新曉等[6]選取了氧氣釋放、吸收有害氣體、減少風水量等指標。在生態效益評價方法中，DPSIR概念框架法[7]、灰色關聯法[8]、模糊綜合法和多目標決策法等為國內學者較常用的方法。同時，針對水保措施的生態效益國外一些學者也開展了相應的研究，如Bekele將水保措施影響農作物產量的程度選用隨機優勢準則進行了分析；Park等利用GIS技術分析了土壤侵蝕與水保措施之間的作用關系；Rocha等采用SWAT模型揭示了營養物質輸移、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律。

針對生態效應的評價研究雖然已獲得相應的成果，積累了一定的經驗，但對于水土保持的相關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效應作用機制存在差異，從而使得評價體系的構建不夠系統、全面。鑒于此，文章通過分析治理措施的生態功能物理過程，從多個不同方面選擇評判指標，對各指標權重考慮選用組合賦權法確定，并引入研究對象的綜合評價值和指標響應強度描述不同生態效應的總體響應趨勢，以北票市岳家溝小流域為例驗證了其科學合理性。

1 生態效益定量評價模型

1.1 建立指標體系

通常情況下，水土保持措施的生態效益主要體現在改善環境、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個方面。根據國內外水土保持生態效益評價的實踐經驗、研究成果、四大體現及其成效機制，遵循層次性、系統性、可行性、科學性原則建立綜合評價指標體系。小流域生態效益評價體系及其數據來源，見表1。

表1 小流域生態效益評價體系及其數據來源

根據表1可知，小流域水土保持生態效益可通過選取的評價指標來反映。該評價體系不僅在空間上體現了生態系統結構與治理措施之間的影響關系，而且可直觀的反映治理小流域治理前后的變化特點，具有較強的揭示、評價和分析功能。在構建的層次結構框架中，生態效應主要體現在目標層，而各項治理措施的內在作用機理主要通過準則層來反映，要素層各參數可直接用于度量和計算。一般地，根據各參數的內涵和對生態效應的影響可分為成本型、效益型兩類，成本型指標的評價值與屬性值之間存在負相關關系，后者為正相關。表1中，處于成本型的參數有二氧化碳含量、徑流系數、土壤容重及侵蝕模數指標，其他為效益型參數。

1.2 計算指標權重

目前，關于水土保持措施改善大氣環境、恢復植被、改良土壤和涵養水源的成效機制研究仍存在一定的局限性，為獲取客觀、準確的評價結果必須采取合適的方法確定各參數權重，該過程直接決定著有效信息的獲取。主、客觀賦權法為當前權重計算的兩大類方法，其代表性方法分別為AHP法和熵權法，其中AHP法計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；而熵權法能夠大大降低人為因素對計算結果的主觀影響，但也增大了可能出現特殊或極端數據的概率。為了更加客觀、準確的反映小流域治理實際情況，對各評價指標權重考慮耦合了主、客觀性的組合賦權法確定，其表達式如下：

ωi=αai+(1-α)bi

(1)

式中：ai、bi分別為AHP法和熵權法計算得到的權重；α為權重折中系數，文中為0.5。

基于專家知識經驗確定各指標權重的層次分析法，其主要流程是依據實現目標的程度將評價對象進行若干層級的分解，通過對比分析兩兩元素之間的相對重要性構造具有一定相互關聯的判斷矩陣，最終計算確定各參數的權向量，詳細的計算流程見文獻。

采用熵值法確定指標權重其主要依據為各參數構成的判斷矩陣，信息量越大則該參數提供的有效信息越大，在評價過程中的重要程度就越高，所以賦予的權值就越大；反之，信息量越低則樣本提供的信息就越少，在評價過程中該樣本的重要程度越低，因此確定的權值就越小。采用下式計算確定客觀權重，即：

(2)

式中：xij為第i各評價指標關于第j個研究對象的標準化量值。

不同評價指標對小流域生態效應的影響具有正、負之分，因此在評價前需要對各參數原始屬性進行歸一化處理，其表達式如下：

(3)

式中：Xij為指標i關于評價對象j的初始屬性值。

1.3 確定評價方法

為更加系統科學的揭示水保措施的成效機制及其生態效應變化特征，必須對小流域不同階段的各指標變幅進行評價分析。通過對評價樣本的綜合評價和單項指標變化的敏感性分析，可準確揭示小流域總體響應趨勢及其生態效應在不同方面的響應趨勢。

一般地，不同的指標要素所表征的生態效益響應方式存在一定差異，各評價指標在相同時間尺度內的響應幅度也存在不同。因此，在評價分析小流域生態效應時，對長期、短期內的生態效應所考慮的評價因子也不盡相同，針對不同指標在同一時期內的響應響度可按下式計算確定，即：

(4)

上式中：Xi1、Xik分別i指標在治理前和治理后某時期k的屬性值。

根據各指標權重計算結果和不同時間段內小流域的實際狀況，利用下式計算確定綜合評價值，即：

(5)

式中：Wj為評價小流域j的綜合評價值。

依據以上計算公式可確定評價對象的Wj值，然后依據其大小關系可確定生態效益的優劣排序。

2 實例分析

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，加之原有生態系統因土地開發利用遭到嚴重破壞，河道防洪安全、河道淤積等因素，嚴重影響著小流域可持續發展和水土流失狀況，并已成為制約當地經濟發展和人居環境改善的瓶頸。

岳家溝小流域治理項目位于遼西低山丘陵區大凌河流域中游，地勢特征呈現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，該地區的地形特點為坡地溝谷交錯、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、重建小流域生態系統并為當地經濟發展提供生態環境安全保障，帶動地方經濟發展和加強荒山荒坡治理，北票市水利局和相關單位結合當地社會經濟條件、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，設計編制了綜合治理方案，即完成作業路面12.0km，完成水保林300hm2，作業路12.0 km，動用土方23.7萬m3，總用工7.95萬工日，計劃總投資499.7萬元。

根據岳家溝小流域水保措施實施前、后的有關監測資料，獲取各評價指標在2014年、2017年的實測數據。岳家溝小流域生態效益評價指標實測值，見表2。

表2 岳家溝小流域生態效益評價指標實測值

2.2 結果分析

對參數初始屬性值利用計算公式(3)進行歸一化處理，并對各指標主、客觀權重和組合權重采用文中相關公式計算確定。根據計算公式(4)和各指標實測值確定響應強度，生態效益評價指標響應程度，見表3。

表3 生態效益評價指標響應程度

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

根據各參數相應強度可以發現，相對于其他指標的變化植被覆蓋率、徑流系數和土壤侵蝕模數更加顯著，由此表明水保措施對小流域的調水、保土效應的響應更加迅速。根據各參數響應程度和計算公式(5)，可確定小流域治理前后的綜合評價值為0.42、0.58，可見水保措施的實施有利于小流域生態環境的修復，該評價結果和小流域真實狀況基本保持一致。

3 結論

根據水保措施的成效機制及其在改善大氣環境、增加植被覆蓋率、減少地表徑流和土壤侵蝕等方面的體現，結合工程實踐經驗和國內外相關研究成果，在遵循代表性、科學性和有效性原則的基礎上選擇二氧化碳、物種豐富度、土壤容重、侵蝕模數、徑流系數、土壤肥力指數、植被覆蓋率7項典型指標構成評判體系。然后對各參數權重考慮選用耦合了熵權法和AHP法的組合賦權法確定，為表征水保措施在不同時間段內的生態效應，引入指標響應強度揭示了其四大方面的總體響應趨勢。

通過實例分析驗證了生態效應定量模型的科學性與可行性，結果表明基于組合賦權的權重計算更加科學合理，水保措施對小流域的調水、保土效應的響應更加迅速，水保治理項目的實施有利于小流域生態環境的修復。基于生態效應成效機制構建的評價指標體系，綜合考慮了生態效應在四個方面的變化特征，能夠更加系統、客觀的體現水保措施實施前后的變化狀況。