喀斯特地区石漠化综合治理生态效益指标体系构建及评价
——以杠寨小流域为例

吴 鹏 ，朱 军 ，崔迎春 ，赵文君 ，侯 娜 ，张 喜

（1.贵州省林业科学研究院，贵州 贵阳 550005；2.中国林业科学研究院，北京 100091）

喀斯特地区石漠化综合治理生态效益指标体系构建及评价
——以杠寨小流域为例

吴 鹏1，2，朱 军1，崔迎春1，赵文君1，侯 娜1，张 喜1

（1.贵州省林业科学研究院，贵州 贵阳 550005；2.中国林业科学研究院，北京 100091）

以杠寨小流域为例，采用标准差系数法，从水源涵养、水土保持、改良土壤、固碳释氧、生物多样性和生物效应等6个方面，对初选指标进行了权重的确定及优选，最终确定了17项评价指标，构建了该流域石漠化综合治理生态效益评价指标体系。根据选定的评价指标，采用灰色关联度法对该流域综合治理的生态效益进行了评价. 结果表明：经过3年的石漠化综合治理，该流域的水源涵养、水土保持、固碳释氧和生物效益评价值均有所提高，其中以水土保持效益增幅最大，其效益评价值由治理初期的0.083 0上升到了0.092 1，效益增幅将近11%；综合生态效益评价值由治理初期的0.437 7上升到了0.450 7，效益增幅将近3%。不同植被类型的综合生态效益评价值，除了少数几个样地以外，其余各样地均有所提高。总体而言，该流域的石漠化综合治理在生态效益方面取得了一些成效，但还有很大提升空间，这也说明了石漠化治理的长期性和艰巨性。

杠寨小流域；喀斯特地貌；石漠化综合治理；生态效益；评价指标体系

喀斯特石漠化是制约贵州生态经济社会发展最严重的障碍，石漠化综合治理已成为贵州经济建设和生态恢复的重要目标[1-2]。许多学者对石漠化的本质规律、成因、治理措施和模式都做了较为深入研究[2-5]；对石漠化综合治理的效益评价也作了很多贡献[6-9]：主要从生态、经济、社会3方面对石漠化综合治理效益评价指标体系的构建进行研究；但是他们对评价指标的选取多采用的是专家打分的方式，带有较强的主观性、片面性，这样会导致构建的评价矩阵不能够准确反映出治理效益的内在机制，缺乏科学合理性，甚至会导致评价结果的失效。本研究以黔中杠寨小流域为例，采用标准差系数法，确定指标权重，对众多初选指标进行优选，构建了喀斯特地区石漠化综合治理生态效益的评价指标体系，同时结合该流域的实际情况，采用灰色关联度法，分别对2009年（石漠化综合治理初期）和2012年（石漠化综合治理3年后）不同植被类型的生态效益进行了定量评价，以期能为进一步加强石漠化综合治理水平、为喀斯特退化生态系统的恢复提供基础数据，为有关部门生态环境治理规划的决策提供科学依据[10]。

1 研究区概况[11]

研究地位于贵州省开阳县高寨苗族布依族乡杠寨小流域，流域面积3 020.15 hm2，属乌江水系的支流清水江流域，清水江是乌江中游右岸的大支流之一，发源于苗岭山脉北麓的平坝县活龙冷水冲；地处开阳县南面，地理位置107°70′～117°00′E，26°51′～ 26°55′N， 平 均 海 拔 600 ～1 350 m；岩溶地貌类型以丘原山地为主，主要出露岩石为石灰岩、白云岩、灰质白云岩、砂页岩；石漠化面积1 179.85 hm2，其中，轻度石漠化535.20 hm2，中度石漠化477.66 hm2，强度石漠化166.99 hm2，分别占流域石漠化面积的45.36%、40.48%和14.16%，石漠化程度较高；冬无严寒，夏无酷暑，年平均气温11.6～15.3℃，年无霜期250 d左右，常年降雨量约为1 200 mm，雨热同期，雨量充沛且多集中在夏季6、7、8三个月，占降雨量50%左右；森林覆盖率为35%，植被属亚热带常绿阔叶林和常绿针叶阔叶混交林，森林树种有马尾松、杉、柏等，经济林树种主要有核桃、桃子、李子等；土壤主要为地带性黄壤。林地植被主要有白栎Quercus fabriHance、毛栗Castanea seguinii、小果南烛Lyonia ovalifoliavar.elliptica、小果蔷薇Rosa cymosaTratt.、杜鹃Rhododendronsimsii& R.spp.、火棘Pyracantha fortuneana、山胡椒Lindera glauca.、石生鼠李Rhamnus davuricaPall.、盐肤木Rhus chinensisMill、芒Miscanthus、菜蕨Callipteris esculenta、盖蕨Athyrium minimumChing、狗脊蕨Woodwardia japonica、金星蕨Parathelypteris nipponica.、 蝴 蝶 花Herba IridisJaponicae、 苔 草Carex tristachya、茅草Imperata cylindrica。

2 样地调查与土壤分析

2.1 样地的设置与调查

根据典型调查方法，研究选择了该流域主要的森林植被类型，包括麻栎乔木林、马尾松和华山松混交林（幼龄林和中龄林）、柳杉幼林、马尾松和华山松成熟林、火棘灌丛、麻栎灌丛等15块(面积均为20 m×20 m)固定样地，于2009年12月和2012年12月分别对样地中胸径5 cm以上的所有树种进行每木检尺，记录其林分起源、林龄、树种组成、郁闭度、胸径、树高、冠幅等；另外每个样地分别设置3个5 m×5 m和1 m×1 m的小样方进行灌木和草本的调查，记录其种类、数量、盖度、高度等；环境因子的调查包括经纬度、海拔、坡度、枯落物厚度等；样地具体情况见表1。

2.2 土壤采集与测定

土壤样品的采集：分别于2009年12月和2012年12月在每个样地沿坡面从左到右等间距布设3个重复采样点，分别采集0～10和10～20 cm的土样各一份，然后采用四分法取样品1 kg左右，带回室内风干后，以测定土壤的化学性状[11]；另外，在各采样点分别用环刀取0～10、10～20和20～40 cm的原状土以测定土壤水分-物理性质。

土壤样品的测定[11-12]：土壤容重和土壤水分-物理性质的测定采用环刀法《LY/T 1215-1999》；土壤渗透率的测定采用环刀法《LY/T1218-1999》；土壤全N的测定采用扩散法《LY/T1228-1999》；土壤全K采用的测定采用碱熔-火焰光度法《LY/T1234-1999》；土壤全P的测定采用碱熔法《LY/T1232-1999》；土壤水解性N的测定采用碱解-扩散法《LY/T1229-1999》；土壤速效K的测定采用乙酸浸提-火焰光度法《LY/T1236-1999》；土壤有效P的测定采用盐酸和硫酸溶液浸提法《LY/T1233-1999》；土壤pH值的测定《LY/T1239-1999》；土壤有机质采用外加热重铬酸钾-浓硫酸氧化-容量法《LY/T1237-1999》；土壤阳离子交换量的测定采用乙酸铵交换法《LY/T1243-1999》。

表 1 样地基本情况Table 1 Basic conditions of sample plots

3 评价指标体系的构建

对任何项目进行多指标的综合评价，都必须建立相应的指标体系[9,13]，它是进行喀斯特地区石漠化综合治理生态效益评价的首要工作。评价指标的种类和精度都将直接影响到效益评价的客观准确性，因此，正确选择和确定指标体系尤为重要[9]。

3.1 指标体系构建的原则

（1）客观性：指标必须客观存在，符合流域实际情况[14-15]；

（2）科学性：所选指标应具有一定的代表性[14,16]；

（3）独立性：单个指标应反映流域的某一侧面，指标之间应尽量不相互重叠，不存在运算或因果关系[14,17]；

（4）系统性：指标体系作为一个统一整体，应能够反映和评价流域的主要特征和状况[8-9,15]；

（5）层次性：指标体系应根据评价对象和内容分出层次，并在此基础上将指标体系分类，以使指标结构清晰、便于应用[16]；

（6）可量化性：指标可以用数量表达，每一项具体数值同反映的效益内容相一致[13,18]；

（7）可操作性：指标必须的资料容易取得，必须的计算方法容易操作；避免计算复杂，采集困难的指标[8,16]。

3.2 评价指标选择的步骤

（1） 指标的初选：根据流域特征、治理目标、发展趋势以及生态效益评价目的，在对前人的相关成果研究分析的基础上[4，7-8，13-24]，尽可能涵盖可以描述该系统各层次状态的所有指标，全方位考虑，以免遗漏重要指标[9]。

（2）指标的优选：通过对初选指标的权重分析，并结合指标体系构建原则，对初选指标进行优选（选用所占权重大且相互独立的指标）。

（3）指标的确定：结合流域治理现状和指标取得的难易程度，最终确定指标体系，形成完整的指标体系框架[9]。

3.3 评价指标体系的框架

杠寨小流域石漠化综合治理生态效益评价指标体系分为了目标层、准则层和指标层等3个层次[8-9]，包含了6个子系统：水源涵养（B1）、水土保持（B2）、改良土壤（B3）、固碳释氧（B4）、生物多样性（B5）和生物效应（B6）；初选指标包含 C11、C12、C13、…、C624等 42项（详见表2）。

4 指标权重确定和评价方法

目前，多指标综合评价的方法有很多[7,14,20]，其关键是指标权重的确定，权重的准确与否在很大程度上影响着评价的准确性和科学性[8]。本研究采用精度较高且计算较为简便的标准差系数法确定指标权重，并结合可进行多层次综合评价的灰色关联度法[2]，对杠寨小流域石漠化综合治理不同植被类型的生态效益进行评价，在一定程度上可反映该流域石漠化综合治理的生态效益。

表2 杠寨小流域生态效益评价指标初选†Table 2 Primary choice of eco-efficiency evaluation indexes of Gangzhai small watershed

4.1 指标权重确定

4.1.1 指标的无量纲化处理

为了解决各指标不同量纲无法进行综合分析的问题，需要对数据进行量纲归一化处理[2,9,20-21,25]。运用极值标准化方法，具体转换公式如下：

式中：max(Xj)和min(Xj)分别为指标集中每一指标下（列）中的最大值和最小值，i=1，2，3，…，n；j=1，2，3，…，m。

4.1.2 权重确定

运用标准差系数法确定权重，获取各单项指标（Xj）权重系数Wj[2,25]：

分别为Xj的标准差、均值和标准差系数。对子系统（Bi）的权重系数Wa需要基于对子系统的生态效益评价，然后用上述方法同理计算获取即可。

4.2 生态效益评价

4.2.1 子系统（Bi）生态效益评价

依据系统指标体系特征，运用灰色关联度法对子系统（Bi）进行生态效益评价[2,26]。

1）确定最优向量：由于进行量纲归一化处理时已将所有指标调整为正指标，故最优向量gi为各项指标中的最大值[2,26]。

2）计算关联系数：利用灰色关联系数公式计算第i个评价对象与第j个指标的最优向量的关联系数[26-27]：

式中：ξij为关联系数；Zij为各指标量化值；minmin|Zij-gj|和maxmax|Zij-gj|分别为两级极小差和两级极大差；ρ为分辨率，一般取0.5。

3）子系统（Bi）生态效益评价：

4.2.2 生态效益评价

对子系统（Bi）的生态效益评价均是从不同侧面来反映系统的生态效益，系统总体的生态效益则必须进行综合评价[2]。基于对子系统（Bi）生态效益评价（RB），再次选用灰色关联法对系统的总体生态效益（RA）进行评价。

5 结果与分析

5.1 数据获取

在评价指标体系构建完成基础上，通过对杠寨小流域15个固定样地的调查、监测以及相关本底资料的收集，并对这些资料进行归纳、分析、计算，得到了2009年和2012年该小流域石漠化综合治理不同植被类型生态效益评价各单项指标的量化值（表3）。

5.2 权重确定及指标优选

运用上述方法，通过对2009年和2012年各初选指标的平均值权重进行计算、分析（表2），并结合指标体系构建原则，剔除相关联的指标，本位最终优选了17项评价指标，构建了该流域石漠化综合治理生态效益评价指标体系；分别计算了2009年和2012年各优选指标的权重（表4）。

表3 调查数据标准化Table 3 Standardized values of survey data

由表4可以看出，石漠化综合治理初期（2009年）和3年后（2012年）指标层各指标所占权重有一定差异，所占权重较大的5个指标具体排序：2009年为土壤的全K含量＞乔木层固碳量＞土壤初渗速率＞土壤稳渗速率＞枯落物层固碳量；2012年为土壤初渗速率＞土壤稳渗速率＞土壤有效P含量＞乔木层固碳量＞枯落物层固碳量；可见，石漠化综合治理初期，土壤的全K含量对生态效益的影响最大，而综合治理3年后，土壤的初渗速率对其影响最大。

不同治理时期该体系各子系统（准则层）所占权重均为水土保持（0.2606、0.2897）＞改良土壤（0.2072、0.2096）＞水源涵养（0.2054、0.2060）＞固碳释氧（0.1707、0.1606）＞生物效应（0.1561、0.1341），表明水土保持的综合指标对该流域石漠化综合治理的生态效益影响较大（所占权重的比例增幅也最大（11.18%）），改良土壤和水源涵养的综合指标对其影响次之，生物效应的综合指标对其影响最小；由此可见石漠化综合治理工程的首要作用就是要抑制该区域的水土流失，其次是改良土壤，提高其水源涵养性能；这与我省石漠化综合治理工程的实施目的正好相符，说明分析结果与贵州省的实际情况基本一致，证明该评价体系是正确的、可行的。

表4 杠寨小流域生态效益评价指标优选Table 4 Eco-efficiency evaluation index optimization of Gangzhai small watershed

5.3 生态效益评价

运用灰色关联度法，分别计算得到了2009年和2012年杠寨小流域石漠化综合治理不同植被类型各子系统的生态效益以及综合生态效益的评价值（见表5）。

由表5可知，通过3年的石漠化综合治理：杠寨小流域综合生态效益的评价值由治理初期的0.437 7上升到了0.450 7，效益增幅将近3%；固碳释氧、生物效应、改良土壤和水土保持效益均有所提高，其中，以水土保持效益的增幅为最大，其效益评价值由2009年的0.083 0提高到了2012年的0.092 1，增幅将近11%。从不同植被类型来看，除了6、9、12和14号样地以外，其余各样地的综合生态效益评价值均有所提高，其中以8号样地（刺槐和柳杉混交林）的效益增幅为最大，其效益评价值由2009年的0.371 2提高到了2012年的0.436 7，增幅达到了17.65%。

表5 杠寨小流域生态效益评价结果Table 5 Results of eco-efficiency evaluation of Gangzhai small watershed

6 结论与讨论

（1）运用标准差系数法，并结合指标体系构建原则，对初选的42项指标进行了优选，最终确定了17项评价指标，分别为：枯落物持水量、坡面径流量、土壤初渗速率和稳渗速率、非毛管孔隙度、土壤全K含量、有效P含量和速率K含量、阳离子交换量、乔木层、枯落物层、灌木层和草本层的固碳量、乔木层的胸径、树高、密度以及草本层的密度，构建了该流域石漠化综合治理生态效益评价指标体系。

（2）通过对构建的该指标体系各子系统所占权重进行分析计算，以水土保持效益所占权重为最大，表明水土保持的综合指标对该流域石漠化综合治理的生态效益影响最大。

（3）采用灰色关联度法分别对杠寨小流域石漠化综合治理初期和治理3年后的生态效益评价值进行了分析计算，结果表明：该小流域的综合生态效益评价值由治理初期的0.437 7上升到了0.450 7，效益增幅将近3%；除改良土壤效益以外，其余各子系统的效益评价值均有所增加，其中以水土保持效益的增幅为最大。

（4）不同植被类型的综合生态效益评价值，除了6、9、12和14号样地以外，其余各样地均有所提高，其中以8号样地（刺槐和柳杉混交林）的效益增幅为最大。

（5）经过3年的石漠化综合治理，杠寨小流域在生态效益方面取得了一些成效，但是我们也应看到其综合治理效果还有很大的提升空间，这也说明了石漠化治理的长期性和艰巨性。总体而言，杠寨小流域石漠化综合治理生态效益指标体系构建及评价结果为喀斯特地区进一步加强石漠化综合治理水平，为生态环境治理的合理规划，为小流域综合治理效益评价向科学化、规范化发展提供了重要的参考。

[1] 邓坤丰, 刘肇军, 肖时珍, 等. 石漠化防治区综合治理效益指标体系的构建及评价研究——以贵州关岭-贞丰花江示范区为例[J]. 中国农学通报, 2012, 28(17): 187-194.

[2] 向万丽, 戴全厚, 邓伊晗, 等. 石漠化地区小流域生态系统健康定量评价[J]. 中国水土保持科学, 2011, 9(4): 11-15.

[3] 白晓勇, 熊康宁, 李阳兵, 等. 喀斯特山区不同强度石漠化与人口因素空间差异性的定量研究[J]. 山地学报, 2006,24(2):242-248.

[4] 李瑞玲, 王世杰, 熊康宁,等. 喀斯特石漠化评价指标体系探讨——以贵州省为例[J]. 热带地理, 2004,24(2):145-149.

[5] 吴克华. 喀斯特地区不同等级石漠化综合治理的生态效应研究——以贵州省花江示范区查尔岩喀斯特小流域为例[D]. 贵阳: 贵州师范大学, 2006.

[6] 左兴俊, 左太安, 徐树建. 贵州省典型喀斯特石漠化治理模式效益评价研究[J]. 安徽农业科学, 2010,38 (28):15792-15795.

[7] 王德炉, 喻理飞, 熊康宁. 喀斯特石漠化综合治理效果的初步评价——以花江为例[J]. 山地农业生物学报,2005,24(3): 233-238.

[8] 杨小青, 胡宝清, 曹少英. 喀斯特山区石漠化生态效益模糊综合评价——以广西都安瑶族自治县为例[J]. 生态与农村环境学报, 2008,24(2):22-26.

[9] 陈洪云. 喀斯特石漠化综合治理生态监测与效益评价[D]. 贵阳: 贵州师范大学, 2007.

[10] 王德光. 基于系统理论的小流域喀斯特石漠化治理模式研究[D]. 福州: 福建师范大学, 2012.

[11] 吴 鹏, 朱 军, 崔迎春, 等. 黔中杠寨小流域不同植被类型土壤抗蚀性研究[J].中南林业科技大学学报,2012,32(8):56-62.

[12] 中华人民共和国林业行业标准. 森林土壤分析方法[M]. 国家林业局发布，1999.

[13] 李智广, 李 锐, 杨勤科. 小流域治理综合效益评价指标体系研究[J]. 水土保持通报, 1998,18(7):71-75.

[14] 肖辉杰, 魏自刚, 王 庆, 等. 北京山区小流域生态经济效益评价——以雁栖河小流域为例[J]. 应用生态学报, 2012,23(12): 3479-3487.

[15] 张文普. 金沙江干热河谷五官小流域综合治理效益评价[D].雅安: 四川农业大学, 2010.

[16] 孙艳红. 延庆县小流域综合治理模式及效益评价研究[D]. 北京: 北京林业大学, 2011.

[17] 雷孝章, 王金锡, 彭沛好, 等.中国生态林业工程效益评价指标体系[J]. 自然资源学报, 1999, 14(2): 175-182.

[18] 王 琦, 杨勤科. 区域水土保持效益评价指标体系及评价方法研究[J]. 水土保持研究, 2010, 17(2): 32-36,40.

[19] 曹 睿, 岳德鹏, 薛莎莎, 等. 新疆典型垦区水土保持生态效益评价——以阿克苏农—师垦区为例[J]. 中南林业科技大学学报, 2013, 33(4): 76-81.

[20] 王晓荣, 刘学全, 唐万鹏, 等. 丹江口库区龙口林场水源涵养林林分质量评价[J]. 南京林业大学学报:自然科学版, 2013,37(4): 63-68.

[21] 孙 昕, 李德成, 梁 音. 南方红壤区小流域水土保持综合效益定量评价方法探讨——以江西兴国县为例[J]. 土壤学报,2009,46(3):273-280.

[22] 王晓光, 王珠娜, 余雪标, 等. 退耕还林生态效益评价指标体系研究[J]. 防护林科技, 2006,75:51-53.

[23] 康玲玲, 王云璋, 王 霞. 小流域水土保持综合治理效益指标体系及其应用[J]. 土壤与环境, 2002, 11(3): 274-278.

[24] 刘启慎. 太行山低山石灰岩区小流域综合治理效益评价[J].北京林业大学学报, 1994, 16(3): 42-47.

[25] 钟 霞, 钟怀军. 多指标综合评价方法及应用[J]. 内蒙古大学学报, 2004, 36(4): 107-111.

[26] 金贞珍. 关于多指标综合评价方法及其权数问题的讨论[D].吉林: 延边大学, 2007.

[27] 李荣平, 李剑玲. 多指标统计综合评价方法研究[J]. 河北科技大学学报, 2004, 25(1):85-88.

Construction of eco-eff i ciency index system for preventing and controlling rocky desertif i cation in Gangzhai karst small watershed, Kaiyang,Guizhou and system evaluation

WU Peng1,2, ZHU Jun1, CUI Ying-chun1, ZHAO Wen-jun1, HOU Na1, ZHANG Xi1
(1. Guizhou Forestry Academy, Guiyang 550005, Guizhou, China; 2. Chinese Academy of Forestry, Beijing 100091, China)

By taking the Gangzhai small watershed as an example, and using standard deviation coeff i cient method, from six aspects of water conservation, water and soil conservation, soil improvement, carbon fi xation and oxygen release, biological diversity and biological effects, the primary selected indexes’ weights were determined and then the weighted indexes were screened, there were 17 evaluating indexes to be reserved for constructing a evaluating system, fi nally, the eco-eff i ciency index system for preventing and controlling rocky desertif i cation in Gangzhai karst small watershed, Kaiyang, Guizhou were set up. Moreover, According the 17 evaluating indexes, and by using gray relevancy method, the ecological benef i ts of the watershed’s comprehensive control were evaluated. The results show that after the rocky desertif i cation comprehensive treatment for 3 years, the basin’s evaluating values of water conservation, soil and water conservation, carbon sequestration and release oxygen, and the biological eff i ciency evaluation were all enhanced, of them the soil and water conservation benef i t had the largest increase, the benef i t evaluation values rose from 0.0830 to 0.0921 at the early stage of the governance, and eff i ciency increase amplitude was nearly 11%; the integrated evaluation of ecological benef i t values rose from 0.4377 to 0.4507 at the early stage of the governance and the eff i ciency increase amplitude was nearly 3%. The comprehensive ecological benef i t evaluation values of different vegetation types, except a few of samples, the rest all increased. In general, the basin’s rocky desertif i cation comprehensive treatment had achieved some successes in aspect of ecological benef i ts, but also had the very big promotion space, it also illustrated that there were long-term and arduous nature for desertif i cation control.

Gangzhai small watershed; karst landform; comprehensive treatment of rocky desertification; ecological efficiency;evaluation index system

2013-09-04

贵州喀斯特地区石漠化综合治理监测评价指标体系与监测示范（黔科合0Z 字[2009]2）；石漠化不同植被恢复模式生态效益监测与评价（黔科合SY字[2014]3039号）；典型石漠化小流域植被恢复技术集成推广与示范（黔科合0Z 字[2010]05）

吴 鹏（1983-），男，助理研究员，山西高平人，从事森林培育及喀斯特森林生态系统定位观测研究；

E-mail：zuishaoxu@163.com

朱 军，研究员，从事森林土壤及“3S”技术研究，E-mail：zhujun8821@vip.163.com

S718.55+7

A

1673-923X(2014)10-0095-07

[本文编校：吴 彬]