植被水土保持功能評價方法及應用探討

紀 和，程 巖

(1.深圳市水務規(guī)劃設計院股份有限公司,廣東 深圳 518022;2.湖北省城市規(guī)劃設計研究院,湖北 武漢 430070)

1 引言

我國是世界上水土流失最為嚴重的國家之一，水土流失帶來的土地退化、生產力下降、生態(tài)環(huán)境惡化等，對社會經濟可持續(xù)發(fā)展構成威脅，使水土流失成為我國面臨的重大的生態(tài)環(huán)境問題[1～3]?；謴突蛟黾訁^(qū)域植被是重要的水土保持措施，多數(shù)研究認為增加植被覆蓋是控制水土流失、改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境的重要舉措[1, 4，5]。

2 植被水土保持功能概述

植被是地表某一區(qū)域內所覆蓋的植物群落的總體，是影響區(qū)域水土流失的重要因子之一，植被類型、覆蓋狀況和垂直結構都影響著植被水土保持功能的發(fā)揮[1,6，7]。在我國，許多學者從不同角度對植被的水土保持功能進行了研究，例如，在黃土高原的研究表明，森林植被在涵養(yǎng)水源，抑制水土流失，改善生態(tài)環(huán)境等方面作用顯著，發(fā)揮了巨大的水土保持效益[4,9]；在南方水土流失區(qū)的研究表明，草被建植是一項重要的水土保持植物措施，其在生態(tài)恢復與重建中具不可替代的作用[7]。

植被的水土保持功能主要體現(xiàn)在以下多個方面：截留降水、削減降雨侵蝕動能、降低地表徑流、增強土壤抗侵蝕性、增加土壤入滲、改善土壤結構、減沙固沙等[6～11]。植被冠層通過葉片直接吸收水分、葉片匯集雨滴，可有效攔截、分散、滯留大氣降水，減弱雨滴的動能，實現(xiàn)在植被覆蓋下地表降水量小于外界降水量，同時減少雨滴直接擊濺土壤的侵蝕作用[6，7,11]。草本層、枯枝落葉層通過延緩地表匯流，減小徑流速度，有效地減小地表徑流量，降低徑流能量，從而削弱地表徑流對土壤沖刷，起到降低侵蝕、保育土壤的作用[6,10,13，14]。植被生長過程中形成的有機質、腐殖質等參與土壤水穩(wěn)性團聚體的形成，植物根系與土壤密集交織，這些都有助于改良土壤結構、改善土壤理化性質，從而增強土壤穩(wěn)定性、提高土壤的抗沖和抗蝕性和增加土壤的下滲能力[7～9]。地表植被尤其林地郁閉度的增加能夠有效降低風速，削弱風的攜沙能力，有效阻截、固定、控制流沙，在固土固沙等方面發(fā)揮功能[6,15]。諸如此類不同空間層次上的綜合作用，極大地促進了植被保持水土的功能，發(fā)揮其在涵養(yǎng)水源、保育土壤、減水截留、固土固沙等方面的功能。

3 植被水土保持功能評價指標的選擇

3.1 選擇原則

植被的水土保持功能不僅受到植被類型、垂直結構和覆蓋狀況等系統(tǒng)內部因子的影響，還受到系統(tǒng)外部自然條件和人類活動干擾等因素影響[1,5]。評價指標的選擇應綜合考慮與研究區(qū)域植被水土保持功能相對應的指標，也要控制指標數(shù)量，所選指標應易于量化、重要性程度高，確保從理論指標體系向實際指標體系的轉化[5,8,16]。一般來講，植被的水土保持功能評價指標選擇應考慮以下幾點原則[5,8]。

3.1.1 科學性原則

應依據(jù)區(qū)域內有關水土流失、植被水土保持功能研究等,科學、客觀地研究成果，對指標的選擇應運用科學思維方法和數(shù)學工具、遵循科學決策的程序。

3.1.2 綜合性原則

植被的水土保持功能多方面的，與之對應有不同的表征指標。應根據(jù)評價目標進行系統(tǒng)分析，建立的綜合性的評價指標體系，從本質上反映植被水土保持作用。

3.1.3 主導性原則

反映植被水土保持功能的指標比較復雜，種類較多，應基于水土流失成因分析結果，應優(yōu)先選擇影響植被水土保持功能發(fā)揮的具有代表性的、核心指標，突出重點。

3.1.4 可操作性原則

指標的選取應結合實際情況，指標應可量化、計算相對簡便，數(shù)據(jù)可通過調查、搜集、觀測、試驗等方式獲取，具備可操作性。

3.1.5 因地制宜原則

應從研究區(qū)域實際出發(fā)，區(qū)分區(qū)域水土流失現(xiàn)狀、地形地貌、自然條件、植被結構等差異狀況，堅持問題導向，因地制宜地地選取合適的評價指標。

3.2 常用指標

受水土、地域、氣候等自然因素及人類活動影響，不同地域的水土流失情況不盡相同，植被對區(qū)域水土保持過程的作用機制也存在差異。植被的覆蓋程度是影響植被水土保持功能的重要因子，大量的研究成果也證明植被覆蓋度與降雨截留、土壤入滲、徑流、泥沙量諸多水土保持功能指標存在密切相關性[4,12,17～20]。植被覆蓋度這一指標長期以來廣泛應用于我國的植被水土保持功能評價研究與實踐。隨著植被水土保持作用機理研究的深入，一些研究發(fā)現(xiàn)植被垂直結構、植被類型等也對植被的水土保持功能具有重要影響[7,14,17,22，23]。因此，許多學者提出選擇多種定量指標反映植被水土保持功能，采用多個指標體系進行綜合評價。例如，于法展等[5]以江西廬山自然保護區(qū)內森林植被為對象，從植被覆蓋、多樣性、枯落物持水能力、土壤理化形狀等方面選取15個指標構建了多層次多指標的評價體系，并對植被的水土保持功能進行綜合評價。夏曉平等[11]選取總產流量、總產沙量、徑流含沙量、產流速率等指標研究了北京山區(qū)河岸帶不同植被類型水土保持效果差異。表1簡要總結了近年來我國植被水土保持功能評價研究常用指標狀況。

表1 植被水土保持功能評價常用指標

4 植被水土保持功能評價方法及其應用

4.1 單因子評價法

單因子評價是指選擇一種主導性、代表性指標對植被水土保持功能進行評價。早期大量研究表明[1,4,19,21]，植被水土保持功能主要受植被覆蓋度影響，植被的水土保持功能與其覆蓋程度呈正相關關系。長期以來，我國植被水土保持功能評價研究主要以單一指標—植被覆蓋度(森林覆蓋率)為主[1]。例如，羅偉祥[21]利用單因子(植被覆蓋度)評價法對黃土高原林地和草地的土壤抗侵蝕能力進行了評價。還有一些指標可以高度綜合、概括各類信息，例如葉面積指數(shù)，也被應用于植被水保功能評價。韋洪波[12]利用遙感技術提取植被葉面積指數(shù)信息，驗證了其與輸沙模數(shù)間的相關關系，從區(qū)域尺度對我國黑龍江省南部、西北黃土高原區(qū)、西南川貴區(qū)、東南區(qū)植被水土保持功能進行了評價。

4.2 綜合評價法

隨著對植被水土保持功能機理認識的進一步加深，采用多樣化的指標建立綜合性指標體系對植被水土保持功能進行綜合評價是主要趨勢[5,8,11，12,25～30]。比較常見的綜合評價方法主要有以下幾類。

4.2.1 加權綜合法

加權綜合法計算過程相對簡單，是一種比較普遍的綜合評價方法。加權綜合法方法是指對每個評價指標進行權重，用不同評價指標的實測值乘以其對應的權重或系數(shù)并進一步求和[12]。例如，黃進等[12]采用專家打分法為各水土保持功能指標賦值權重，進一步加權綜合法對浙江省開化生態(tài)公益林主要森林類型的水土保持功能進行了比較和評價。

4.2.2 層次分析法

層次分析法是一種定性和定量分析相結合的系統(tǒng)分析方法，將目標有序分解，劃分層次，基于定量計算排序結果分析和解決復雜的多目標決策問題。層次分析法具有運算簡單、實用性強等優(yōu)點，被廣泛應用于植被水土保持功能綜合評價當中。例如，于立忠等[31]運用層次分析法對遼東地區(qū)主要林型涵養(yǎng)水源能力進行了評估。胡建忠等[23]運用層次分析法對黃河上游地區(qū)退耕地人工植被水土保持功能進行了綜合評價。孫浩等[28]采用層次分析法建立林分生態(tài)水文功能的層次結構模型，并用綜合評分方法對6種典型林分生態(tài)水文功能進行了評價。

4.2.3 主成分分析法

主成分分析也稱主分量分析，是多元統(tǒng)計分析的一個分支，屬于多變量綜合評價方法旨在利用降維的思想，把多指標轉化為少數(shù)幾個綜合指標。應用主成分分析方法綜合評價植被的水土保持功能，能夠進一步厘清主導因子，對進一步從整體上揭示植被保持水土的實質具有實際意義。例如，賀堯等[28]遴選植被冠層截留量、植被冠層高度、喬灌郁閉度、基部蓋度、枯枝落葉層截留量、枯枝落葉層厚度和有效根密度等指標建立水保功能評價體系，并運用主成分分析法對煤矸石山不同類型植被的水土保持功能進行了評價。

4.2.4 人工神經網(wǎng)絡分析

人工神經網(wǎng)絡從信息處理角度擬腦神經系統(tǒng)的結構和功能，通過大量處理單元互聯(lián)構建形成人工網(wǎng)絡。BP(BackPropagation)算法是一種適用于多層網(wǎng)絡的學習算法，其可以通過對大量輸入樣本的反復學習訓練自行歸納問題的特征并得到相對客觀的權重，適合于因果關系復雜的非確定性推理、判斷、識別和分類等問題[32]。例如，桂凌等[33]利用人工神經網(wǎng)絡技術和遺傳算法，構建了等級評價模型，對鄂爾多斯人工沙棘林的水土保持功能進行綜合評價。

4.2.5 多屬性評價法

多屬性評價法是從多個方案篩選最優(yōu)方案，解決多對象、多屬性決策問題的評價方法[34]。TOPSIS 逼近理想點分析法是多屬性評價法的一種，其通過對各評價對象與最優(yōu)、最劣方案間的相對距離進行排序，選擇最優(yōu)方案的分析方法[27]。例如，周巧稚[16]對晉西黃土區(qū)不同密度刺槐林的涵養(yǎng)水源、保育土壤、生物多樣性保護、理水減沙功能進行研究，并運用TOPSIS評價方法對刺槐林水土保持功能做出綜合評價。譚正鑫[34]結合運用 AHP 層次分析法，TOPSIS 逼近理想點法，構建了多層次指標評價體系，對淮河下游盱眙月亮山人工林地的水土保持功能進行了評價和分析。李亦然等[27]以魯中南山區(qū)混交林為研究對象，綜合13項水土保持效益指標，運用熵權法計算權重，基于TOPSIS原理對各混交林模式進行評價，篩選出適合石灰?guī)r山地和砂石山地的混交林。

5 展望

綜合評價法目前已成為植被水土保持功能評價的主導方法，眾多學者采用多樣化的評價方法進行了有益的探索，取得了大量研究成果。但由于植物水土保持功能的形成機制、作用過程比較復雜，受諸多因素影響較多，至今尚未形成統(tǒng)一確定的評價指標體系。在植被水土保持功能研究中，部分指標受到外界環(huán)境和人為因素的干擾，不可避免地具有一定的主觀性。因此，在今后研究中，應加強觀測研究，基于科學實驗結果篩選出更為合理的指標，更為全面、客觀的評價植被水土保持功能。同時，現(xiàn)階段的植被水土保持功能評價多以靜態(tài)評價為主，僅僅依靠短期的試驗和觀測,許多現(xiàn)象往往難以發(fā)現(xiàn)從而影響評價的科學性、客觀性。未來研究中應加強對植被水土保持功能動態(tài)監(jiān)測與評價研究，逐步適用于不同區(qū)域特點的植被水土保持功能指標體系和評價方法。