北票市岳家沟小流域水土保持生态效益定量评价

刘 菲

(北票市水土保持局，辽宁 朝阳 122100)

0 引 言

在促进生态系统良性循环、改良及保护水土资源、预防和减少水土流失等方面水保措施的贡献率即为生态效益。一般地，水保措施的生态效益主要涉及改善大气环境、恢复植被、涵养水源及改良土壤4个方面。为全面掌握水保措施改善生态条件、治理水土流失的效果，科学指导小流域水土流失治理措施，关于生态效益评价诸多学者开展了研究分析[1]。如王琦等[2]认为文献频率法、专家经验法和理论推导法等为评价指标体系构建的常用方法；康玲玲等[3]在遵循客观性、科学性、系统性等原则的基础上筛选了生态效益评价指标，结合现有研究资料提出使用频率较高的指标有地表径流模数、治理程度、林草覆盖率和土壤侵蚀模数。另外，有学者根据区域特征和评价目标的特点提出了具有较强针对性的指标，如曹睿等[4]引入的风蚀模数、沙化土地百分比和沙尘暴日等参数；丁立仲等[5]选取了病虫害综合防治率、秸秆综合利用率和农村新能源比重等指标；余新晓等[6]选取了氧气释放、吸收有害气体、减少风水量等指标。在生态效益评价方法中，DPSIR概念框架法[7]、灰色关联法[8]、模糊综合法和多目标决策法等为国内学者较常用的方法。同时，针对水保措施的生态效益国外一些学者也开展了相应的研究，如Bekele将水保措施影响农作物产量的程度选用随机优势准则进行了分析；Park等利用GIS技术分析了土壤侵蚀与水保措施之间的作用关系；Rocha等采用SWAT模型揭示了营养物质输移、土壤侵蚀量、径流量与水土保持措施在流域尺度下的变化规律。

针对生态效应的评价研究虽然已获得相应的成果，积累了一定的经验，但对于水土保持的相关研究仍存在许多不足和空白之处，例如不同水保措施的生态效应作用机制存在差异，从而使得评价体系的构建不够系统、全面。鉴于此，文章通过分析治理措施的生态功能物理过程，从多个不同方面选择评判指标，对各指标权重考虑选用组合赋权法确定，并引入研究对象的综合评价值和指标响应强度描述不同生态效应的总体响应趋势，以北票市岳家沟小流域为例验证了其科学合理性。

1 生态效益定量评价模型

1.1 建立指标体系

通常情况下，水土保持措施的生态效益主要体现在改善环境、增加小流域物种丰富度及植被覆盖率、减少地表径流、增大土壤肥力及减少土壤侵蚀4个方面。根据国内外水土保持生态效益评价的实践经验、研究成果、四大体现及其成效机制，遵循层次性、系统性、可行性、科学性原则建立综合评价指标体系。小流域生态效益评价体系及其数据来源，见表1。

表1 小流域生态效益评价体系及其数据来源

根据表1可知，小流域水土保持生态效益可通过选取的评价指标来反映。该评价体系不仅在空间上体现了生态系统结构与治理措施之间的影响关系，而且可直观的反映治理小流域治理前后的变化特点，具有较强的揭示、评价和分析功能。在构建的层次结构框架中，生态效应主要体现在目标层，而各项治理措施的内在作用机理主要通过准则层来反映，要素层各参数可直接用于度量和计算。一般地，根据各参数的内涵和对生态效应的影响可分为成本型、效益型两类，成本型指标的评价值与属性值之间存在负相关关系，后者为正相关。表1中，处于成本型的参数有二氧化碳含量、径流系数、土壤容重及侵蚀模数指标，其他为效益型参数。

1.2 计算指标权重

目前，关于水土保持措施改善大气环境、恢复植被、改良土壤和涵养水源的成效机制研究仍存在一定的局限性，为获取客观、准确的评价结果必须采取合适的方法确定各参数权重，该过程直接决定着有效信息的获取。主、客观赋权法为当前权重计算的两大类方法，其代表性方法分别为AHP法和熵权法，其中AHP法计算过程较为简便且原理清晰，但是易受人为主观因素影响而存在较大偏差；而熵权法能够大大降低人为因素对计算结果的主观影响，但也增大了可能出现特殊或极端数据的概率。为了更加客观、准确的反映小流域治理实际情况，对各评价指标权重考虑耦合了主、客观性的组合赋权法确定，其表达式如下：

ωi=αai+(1-α)bi

(1)

式中：ai、bi分别为AHP法和熵权法计算得到的权重；α为权重折中系数，文中为0.5。

基于专家知识经验确定各指标权重的层次分析法，其主要流程是依据实现目标的程度将评价对象进行若干层级的分解，通过对比分析两两元素之间的相对重要性构造具有一定相互关联的判断矩阵，最终计算确定各参数的权向量，详细的计算流程见文献。

采用熵值法确定指标权重其主要依据为各参数构成的判断矩阵，信息量越大则该参数提供的有效信息越大，在评价过程中的重要程度就越高，所以赋予的权值就越大；反之，信息量越低则样本提供的信息就越少，在评价过程中该样本的重要程度越低，因此确定的权值就越小。采用下式计算确定客观权重，即：

(2)

式中：xij为第i各评价指标关于第j个研究对象的标准化量值。

不同评价指标对小流域生态效应的影响具有正、负之分，因此在评价前需要对各参数原始属性进行归一化处理，其表达式如下：

(3)

式中：Xij为指标i关于评价对象j的初始属性值。

1.3 确定评价方法

为更加系统科学的揭示水保措施的成效机制及其生态效应变化特征，必须对小流域不同阶段的各指标变幅进行评价分析。通过对评价样本的综合评价和单项指标变化的敏感性分析，可准确揭示小流域总体响应趋势及其生态效应在不同方面的响应趋势。

一般地，不同的指标要素所表征的生态效益响应方式存在一定差异，各评价指标在相同时间尺度内的响应幅度也存在不同。因此，在评价分析小流域生态效应时，对长期、短期内的生态效应所考虑的评价因子也不尽相同，针对不同指标在同一时期内的响应响度可按下式计算确定，即：

(4)

上式中：Xi1、Xik分别i指标在治理前和治理后某时期k的属性值。

根据各指标权重计算结果和不同时间段内小流域的实际状况，利用下式计算确定综合评价值，即：

(5)

式中：Wj为评价小流域j的综合评价值。

依据以上计算公式可确定评价对象的Wj值，然后依据其大小关系可确定生态效益的优劣排序。

2 实例分析

2.1 小流域概况

由于历史上干旱少雨、土地不合理利用、植被过度砍伐等不利因素影响，北票市地区的土壤较为贫瘠，植被稀少，土壤抗侵蚀力差，水土流失和土地资源破坏问题十分突出，加之原有生态系统因土地开发利用遭到严重破坏，河道防洪安全、河道淤积等因素，严重影响着小流域可持续发展和水土流失状况，并已成为制约当地经济发展和人居环境改善的瓶颈。

岳家沟小流域治理项目位于辽西低山丘陵区大凌河流域中游，地势特征呈现出自西北向东南倾斜的变化特征。在长期的水力侵蚀下沟壑纵横、地势起伏较大且地形破碎，该地区的地形特点为坡地沟谷交错、山地丘陵河谷相间，地面坡度处于5°-20°，沟壑密度为4.2km/km2。为恢复、重建小流域生态系统并为当地经济发展提供生态环境安全保障，带动地方经济发展和加强荒山荒坡治理，北票市水利局和相关单位结合当地社会经济条件、小流域治理措施配置、水土流失类型、地形地貌特征和自然状况的资料，设计编制了综合治理方案，即完成作业路面12.0km，完成水保林300hm2，作业路12.0 km，动用土方23.7万m3，总用工7.95万工日，计划总投资499.7万元。

根据岳家沟小流域水保措施实施前、后的有关监测资料，获取各评价指标在2014年、2017年的实测数据。岳家沟小流域生态效益评价指标实测值，见表2。

表2 岳家沟小流域生态效益评价指标实测值

2.2 结果分析

对参数初始属性值利用计算公式(3)进行归一化处理，并对各指标主、客观权重和组合权重采用文中相关公式计算确定。根据计算公式(4)和各指标实测值确定响应强度，生态效益评价指标响应程度，见表3。

表3 生态效益评价指标响应程度

从表3可以看出，对不同方法计算确定的结果存在较大差异，如基于熵权法确定的二氧化碳含量、土壤容重、土壤肥力指标的权重值趋近于0，因此可选用考虑了主观判断的层次分析法计算确定。所以，组合权重计算结果更加符合实际情况。

根据各参数相应强度可以发现，相对于其他指标的变化植被覆盖率、径流系数和土壤侵蚀模数更加显著，由此表明水保措施对小流域的调水、保土效应的响应更加迅速。根据各参数响应程度和计算公式(5)，可确定小流域治理前后的综合评价值为0.42、0.58，可见水保措施的实施有利于小流域生态环境的修复，该评价结果和小流域真实状况基本保持一致。

3 结论

根据水保措施的成效机制及其在改善大气环境、增加植被覆盖率、减少地表径流和土壤侵蚀等方面的体现，结合工程实践经验和国内外相关研究成果，在遵循代表性、科学性和有效性原则的基础上选择二氧化碳、物种丰富度、土壤容重、侵蚀模数、径流系数、土壤肥力指数、植被覆盖率7项典型指标构成评判体系。然后对各参数权重考虑选用耦合了熵权法和AHP法的组合赋权法确定，为表征水保措施在不同时间段内的生态效应，引入指标响应强度揭示了其四大方面的总体响应趋势。

通过实例分析验证了生态效应定量模型的科学性与可行性，结果表明基于组合赋权的权重计算更加科学合理，水保措施对小流域的调水、保土效应的响应更加迅速，水保治理项目的实施有利于小流域生态环境的修复。基于生态效应成效机制构建的评价指标体系，综合考虑了生态效应在四个方面的变化特征，能够更加系统、客观的体现水保措施实施前后的变化状况。