向萬麗，戴全厚，鄧伊晗，董亞輝

(貴州大學(xué)林學(xué)院，550025，貴陽)

石漠化地區(qū)小流域生態(tài)系統(tǒng)健康定量評價(jià)

向萬麗，戴全厚?，鄧伊晗，董亞輝

(貴州大學(xué)林學(xué)院，550025，貴陽)

以石漠化地區(qū)竹林河小流域?yàn)槔瑥馁Y源環(huán)境、社會(huì)經(jīng)濟(jì)人文和生態(tài)綜合功能3方面，選擇15個(gè)因素作為評價(jià)指標(biāo)因子，建立該流域的生態(tài)系統(tǒng)評價(jià)指標(biāo)體系。以精度較高的標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)法確定指標(biāo)權(quán)重，運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)度分析方法建立流域生態(tài)系統(tǒng)綜合評價(jià)模型，對其生態(tài)系統(tǒng)健康狀況進(jìn)行定量評價(jià)。結(jié)果表明，該環(huán)境系統(tǒng)健康狀況相對穩(wěn)定，健康指數(shù)呈逐年上升趨勢，由2000年的0.341 5增大到2008年最優(yōu)狀態(tài)，結(jié)果達(dá)到了1。

生態(tài)系統(tǒng)健康;定量評價(jià);石漠化地區(qū);小流域

貴州省處于世界上成因最復(fù)雜、類型最齊全、分布面積最大的東亞喀斯特中心。貴州省喀斯特面積達(dá)13萬km2，占土地總面積的73.8%以上［1］。特定的生態(tài)地質(zhì)環(huán)境背景決定了喀斯特生態(tài)環(huán)境的脆弱性［2］，而脆弱生態(tài)系統(tǒng)又是石漠化形成的本質(zhì)原因［3］。石漠化已成為貴州乃至整個(gè)西南喀斯特山區(qū)生態(tài)建設(shè)與可持續(xù)發(fā)展的主要障礙［2，4］，是產(chǎn)生貧困的根本原因。治理石漠化已經(jīng)到了刻不容緩的地步［5］。隨著石漠化地區(qū)小流域生態(tài)系統(tǒng)退耕還林及石漠化綜合治理的開展，許多地方已初見成效，這表明喀斯特石漠化生態(tài)環(huán)境是可以治理改善的［1］;但如何科學(xué)地評價(jià)開展治理石漠化以來對其地區(qū)產(chǎn)生的成效呢?這需要基于生態(tài)系統(tǒng)健康理論，建立一套評價(jià)體系。

生態(tài)系統(tǒng)健康是20世紀(jì)80年代后期發(fā)展起來的生態(tài)學(xué)研究熱點(diǎn)，至今，已不再是單純的生態(tài)學(xué)定義，而是一個(gè)將生態(tài)-社會(huì)經(jīng)濟(jì)-人類健康3個(gè)領(lǐng)域整合在一起的綜合性定義［6］，并能反映生態(tài)系統(tǒng)為人類社會(huì)提供生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的質(zhì)量與可持續(xù)性，是目前最具活力的研究領(lǐng)域之一［7-9］;但我國研究還較少，尤其是在石漠化地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)方向的研究［5］。

筆者以六盤水市鐘山區(qū)老鷹山鎮(zhèn)竹林河退耕還林示范小流域?yàn)檠芯繉ο螅鶕?jù)流域特征及生態(tài)環(huán)境建設(shè)目標(biāo)，堅(jiān)持指標(biāo)體系的靈敏性、獨(dú)立性和協(xié)調(diào)性準(zhǔn)則，篩選出一系列評價(jià)指標(biāo)，建立該流域生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)指標(biāo)體系。借鑒相關(guān)學(xué)科的分析方法，比較已有的分析方法，優(yōu)選灰色關(guān)聯(lián)分析法，對石漠化地區(qū)小流域生態(tài)系統(tǒng)健康進(jìn)行定量評價(jià)，以進(jìn)一步了解石漠化地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康現(xiàn)狀、可持續(xù)發(fā)展水平以及制約可持續(xù)發(fā)展的因素，從而為區(qū)域石漠化治理提供標(biāo)尺和依據(jù)，最終實(shí)現(xiàn)石漠化地區(qū)生態(tài)健康與可持續(xù)發(fā)展。

1 研究區(qū)概況

貴州喀斯特分布地區(qū)的石漠化呈現(xiàn)南部重、北部輕、西部重、東部輕的特點(diǎn)。貴州省六盤水市地處貴州西南部，是貴州石漠化面積分布較大的縣(市)之一［1］。研究區(qū)位于該市鐘山區(qū)老鷹山鎮(zhèn)竹林河小流域，內(nèi)有中坡村、木橋村、陸家壩村。地理坐標(biāo)是 E 104°30'～105°10'，N 26°26'～26°53'，年平均氣溫12.2℃，年積溫4474～4806℃，無霜期243 d，年降雨量約1 240mm，年日照時(shí)間為1 415～1 556 h，日照率35%左右，氣候高寒，屬于北亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū);地勢南北較高，東西較低，是云貴高原剝蝕、侵蝕區(qū)的一部分。土壤為山地黃棕壤土，土壤多呈中性、微酸性，pH值為5.5～7.5，耕作層厚20 cm左右。流域內(nèi)有小河煤礦、小河鐵廠、老鷹山煤礦等國營大中型企業(yè)，始建于20世紀(jì)60年代，粗放型生產(chǎn)，工業(yè)“三廢”污染嚴(yán)重。研究區(qū)原生植被破壞嚴(yán)重，森林過伐，現(xiàn)狀植被均為次生植被和人工植被。喬木主要有華山松(Pinus armandiFranch.)、柳杉(Cryptomeria fortuneiHooibrenk ex Otto et Dietr.)、青岡(Cyclobalanopsis glauca(Thunb.)Oerst.)、猴樟(Cinnamomum bodinieriLevl.)等。原生植被破壞后，次生植被演替為以火棘(Hippophae rhamnoidesL.ssp.Sinensis Rousi)、懸鉤子(Rubus corchorifoliusLinn.f.)、馬桑(Coriaria nepalensisWall.)、野花椒(Zanthoxylum simulansHance)等為主的藤刺灌木。

研究區(qū)有典型的喀斯特石漠化類型和多時(shí)相不同退耕方式的土地，是珠江流域峰叢谷地輕、中度石漠化生態(tài)修復(fù)與農(nóng)田基本建設(shè)導(dǎo)向型綜合治理區(qū)，從2000年開始實(shí)施退耕還林(草)等石漠化治理工程，經(jīng)過多年的治理，其生態(tài)環(huán)境及社會(huì)人文狀況得到了較大改善。

2 健康評價(jià)指標(biāo)體系建立

對生態(tài)系統(tǒng)健康的評價(jià)應(yīng)該綜合生態(tài)學(xué)、地理學(xué)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、人類健康及社會(huì)公共政策方面的原則和原理進(jìn)行評價(jià)［10］?；谠搮^(qū)小流域綜合治理的目標(biāo)與要求，從生態(tài)系統(tǒng)健康的內(nèi)涵出發(fā)，堅(jiān)持指標(biāo)體系的靈敏性、獨(dú)立性、可操作性和協(xié)調(diào)性準(zhǔn)則，構(gòu)造能夠反映石漠化地區(qū)生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)健康現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢的指標(biāo)體系，形成以資源環(huán)境指標(biāo)(A1)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)及人文指標(biāo)(A2)和生態(tài)綜合功能指標(biāo)(A3)3個(gè)二級指標(biāo)，X1，X2，X3，…，X15等 15 個(gè)具體指標(biāo)作為三級層次的小流域生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)健康評價(jià)指標(biāo)體系(Ecosystem Health Indicator，EHI)(圖1)。

圖1 石漠化地區(qū)小流域生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)指標(biāo)體系Fig．1 Health evaluation indices system of ecosystem in small watershed on rocky desertification area

1)A1：人均基本農(nóng)田X1(hm2)、畜牧人均存欄量X2(羊單位)、植被覆蓋率X3(%)、糧食單產(chǎn)潛勢實(shí)現(xiàn)率［11］X4(%)、巖石裸露率X5(%)、土壤侵蝕模數(shù)X6(t/(km2·a))。

2)A2：人均純收入X7(元)、總撫養(yǎng)比X8、人口密度X9(人/km2)、九年義務(wù)教育普及率X10(%)、恩格爾系數(shù)［12］X11。

3)A3：物種多樣性X12、土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)X13(g/kg)、土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體比例X14(%)、治理度X15(%)。

3 系統(tǒng)健康評價(jià)方法與模型

多指標(biāo)評價(jià)的方法較多，其關(guān)鍵是指標(biāo)權(quán)重的確定，權(quán)重的準(zhǔn)確與否在很大程度上影響著診斷的準(zhǔn)確性和科學(xué)性［13-14］。本研究采用精度較高且計(jì)算較為簡便的標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)法確定指標(biāo)權(quán)重，并結(jié)合可進(jìn)行多層次綜合評價(jià)的灰色關(guān)聯(lián)度法，最終得出各評價(jià)對象的健康指數(shù)，并在一定程度上反映流域的生態(tài)系統(tǒng)健康狀況。

3.1 指標(biāo)權(quán)重確定

3.1.1 量綱歸一化處理 為了解決各指標(biāo)不同量綱無法進(jìn)行綜合分析的問題，需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行量綱歸一化處理。運(yùn)用極值標(biāo)準(zhǔn)化方法［15］，設(shè)有n個(gè)樣本，每個(gè)樣本有p個(gè)指標(biāo)，初始樣本矩陣為X=(xij)n×p，將Xij轉(zhuǎn)化為取值在［0，1］區(qū)間的相對化數(shù)據(jù)，設(shè)轉(zhuǎn)化后的指標(biāo)值為yij，具體做法如下：

若評價(jià)指標(biāo)為正作用指標(biāo)，則

若評價(jià)指標(biāo)為負(fù)作用指標(biāo)，則

經(jīng)過以上處理，不僅可消除不同量綱對指標(biāo)綜合的影響，而且還可調(diào)整指標(biāo)方向，增強(qiáng)了各指標(biāo)的可比性。

3.1.2 權(quán)重確定 運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)法［15］確定權(quán)重，獲取各單項(xiàng)指標(biāo)(xj)權(quán)重系數(shù)wj。

計(jì)算各項(xiàng)指標(biāo)Xj的標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)

式中σj和μj分別為Xj的標(biāo)準(zhǔn)差和均值。

計(jì)算各項(xiàng)指標(biāo)Xj的權(quán)重

對于二級層次指標(biāo)(Ai)的權(quán)重系數(shù)wa需要基于二級層次指標(biāo)健康指數(shù)，最后同理計(jì)算獲取即可。

3.2 系統(tǒng)健康評價(jià)模型

為進(jìn)一步研究診斷該區(qū)系統(tǒng)的健康狀況，本研究構(gòu)建了健康診斷模型——健康指數(shù)。系統(tǒng)健康指數(shù)是該區(qū)綜合治理和生態(tài)環(huán)境建設(shè)及系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展等總體水平的集中體現(xiàn)。

3.2.1 二級層次指標(biāo)健康指數(shù) 依據(jù)系統(tǒng)指標(biāo)體系特征，運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)度法［16］對二級層次指標(biāo)(Ai)進(jìn)行求解。

1)確定最優(yōu)向量。由于進(jìn)行量綱歸一化處理時(shí)已將所有指標(biāo)調(diào)整為正指標(biāo)，故最優(yōu)向量gj為各項(xiàng)指標(biāo)中的最大值。

2)計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù)。利用灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)公式計(jì)算第i個(gè)評價(jià)對象與第j個(gè)指標(biāo)的最優(yōu)向量的關(guān)聯(lián)系數(shù)

式中ξij為關(guān)聯(lián)系數(shù)。

3.2.2 系統(tǒng)健康指數(shù) 二級層次指標(biāo)中每一指標(biāo)均是從不同側(cè)面來反映系統(tǒng)的健康水平，總體水平必須進(jìn)行綜合評價(jià)，則基于二級層次指標(biāo)健康指數(shù)(RA)，再次選用灰色關(guān)聯(lián)法對系統(tǒng)健康指數(shù)(RH)進(jìn)行求解。|yij-gj|分別為兩級極小差和兩級極大差;ρ為分辨率，一般取0.5。

3)二級層次指標(biāo)健康指數(shù)

4 實(shí)例分析——竹林河小流域生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)

4.1 指標(biāo)獲取及權(quán)重確定

在建立的指標(biāo)體系基礎(chǔ)上，結(jié)合指標(biāo)涵義，根據(jù)試驗(yàn)、觀測及調(diào)查資料進(jìn)行分析計(jì)算得到了2000—2008年石漠化地區(qū)竹林河小流域生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)各單項(xiàng)指標(biāo)的量化值(表1)。運(yùn)用上述方法，計(jì)算得到了各指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)(表2)。從表2可以看出系統(tǒng)的各二級評價(jià)指標(biāo)權(quán)重的差異較大，其中：生態(tài)綜合指標(biāo)的權(quán)重最大，為0.470 6;其次是社會(huì)經(jīng)濟(jì)及人文指標(biāo)，為0.351 5;最小的是資源環(huán)境指標(biāo)，為0.177 9。這不僅表明該小流域生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)各指標(biāo)間的協(xié)調(diào)性較弱，而且也說明生態(tài)綜合指標(biāo)的變化對整個(gè)流域的生態(tài)系統(tǒng)健康影響較大;所以應(yīng)加強(qiáng)生態(tài)修復(fù)工作，確保生態(tài)系統(tǒng)健康的同時(shí)，也兼顧協(xié)調(diào)好資源環(huán)境的改善及社會(huì)經(jīng)濟(jì)人文的發(fā)展。

4.2 系統(tǒng)的健康評價(jià)

運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)度法分別計(jì)算得到了2000—2008年的二級層次指標(biāo)健康指數(shù)(RA)和該流域生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)(RH)，繪制了其動(dòng)態(tài)曲線(圖2和圖3)。

從圖2可知，總體來看，資源環(huán)境指標(biāo)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)及人文指標(biāo)和生態(tài)綜合功能指標(biāo)的健康指數(shù)均隨時(shí)間呈上升趨勢，其健康指數(shù)資源環(huán)境指標(biāo)從2000年的0.227 4上升到2008年的0.314 4;社會(huì)經(jīng)濟(jì)及人文指標(biāo)從2000年的0.101 3上升到2008年的0.267 5;生態(tài)綜合功能指標(biāo)從2000年的0.091 4上升到2008年的0.274 2。但具體而言，還存在一些波動(dòng)，社會(huì)經(jīng)濟(jì)及人文指標(biāo)和生態(tài)綜合指標(biāo)健康指數(shù)從開始就呈上升趨勢，而資源環(huán)境指標(biāo)健康指數(shù)呈先下降后上升的趨勢，這是由于石漠化治理之初退耕整地還林(草)，對資源環(huán)境有一定的破壞作用，隨著林草植被的恢復(fù)，其健康指數(shù)呈不斷上升趨勢。此外，從這3個(gè)指標(biāo)的健康指數(shù)來看數(shù)值都不算大，表明其恢復(fù)潛力較大。

表1 竹林河小流域生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)指標(biāo)量化值Tab．1 Indicators value for health evaluation of ecosystem in Zhulinhe small watershed

表2 竹林河小流域生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)指標(biāo)權(quán)重Tab．2 Weight of indicators for health evaluation of ecosystem in Zhulinhe small watershed

圖3顯示，竹林河小流域生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)隨時(shí)間呈上升趨勢，經(jīng)歷了生態(tài)系統(tǒng)健康的相對穩(wěn)定階段，健康指數(shù)從2000年的0.341 5提高到2008年的最優(yōu)狀態(tài)，結(jié)果達(dá)到了1。

圖2 資源環(huán)境、社會(huì)經(jīng)濟(jì)及人文和生態(tài)綜合功能健康指數(shù)動(dòng)態(tài)Fig．2 Variance of resource-environment，social-economic state and eco-comprehensive function of health index

圖3 竹林河小流域生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)動(dòng)態(tài)Fig．3 Variance of health index in Zhulinhe small watershed

5 結(jié)論與討論

該小流域生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)呈逐年上升趨勢，由2000年的0.341 5增大到2008年的1。這表明，該地區(qū)的石漠化治理已見成效，生態(tài)系統(tǒng)健康逐漸恢復(fù)，且相對穩(wěn)定。此外，從資源環(huán)境、社會(huì)經(jīng)濟(jì)及人文和生態(tài)綜合功能3個(gè)方面來看，都擁有較大的恢復(fù)潛力。因此，在今后還應(yīng)大力加強(qiáng)石漠化的治理及生態(tài)環(huán)境保護(hù)，并將其重點(diǎn)落在生態(tài)環(huán)境修復(fù)工作上，不僅確保生態(tài)系統(tǒng)健康的同時(shí)，也兼顧協(xié)調(diào)好資源環(huán)境的改善及社會(huì)經(jīng)濟(jì)人文的發(fā)展。同時(shí)，不斷改善和提高當(dāng)?shù)厝嗣裆顥l件與水平及加強(qiáng)環(huán)境資源的保護(hù)，從而促進(jìn)該小流域生態(tài)系統(tǒng)的健康水平，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

生態(tài)系統(tǒng)健康作為一個(gè)新興的學(xué)科，已被逐漸運(yùn)用在新的環(huán)境管理與生態(tài)系統(tǒng)管理之中，為科學(xué)管理提供依據(jù)。但由于研究起步晚，還存在很多問題有待解決：1)總體來說，生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)方法很多，但多以定性為主，定量化的研究較少。2)健康評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的確定是目前進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)的困難之一，要確定生態(tài)系統(tǒng)的健康與否，首先必須有一個(gè)健康的標(biāo)準(zhǔn)，而目前采取的方法是通過在同一生物地理區(qū)系內(nèi)尋找同一生態(tài)類型的未受或者少受人類干擾的系統(tǒng)作為研究對象的健康評價(jià)標(biāo)準(zhǔn);但在當(dāng)今人類足跡幾乎遍及世界各個(gè)角落的前提下，要尋找到這樣的健康標(biāo)準(zhǔn)是十分困難的。所以本文沒有對其研究區(qū)的健康程度做出評價(jià)。3)石漠化地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康研究尚屬空白，尤其是評價(jià)指標(biāo)體系建立，應(yīng)著重考慮石漠化地區(qū)特殊的自然地理環(huán)境。如巖石裸露率不僅可以反映該系統(tǒng)的資源情況，還可以間接反映該系統(tǒng)的生態(tài)脆弱程度。因此本文將巖石裸露率作為評價(jià)指標(biāo)之一。但從目前的石漠化評價(jià)指標(biāo)體系總體研究狀況來看，石漠化評價(jià)大都以定性描述為主，評價(jià)指標(biāo)繁冗，且相互重疊、多為間接性指標(biāo)，指標(biāo)不易獲取，可操作性差。所以，在指標(biāo)選取上還是存在一些不足，不過仍可為以后的研究起到拋磚引玉的作用。

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Quantitative evaluation on ecosystem health in small watershed in rocky desertification area

Xiang Wanli，Dai Quanhou，Deng Yihan，Dong Yahui
(Forestry College of Guizhou University，550025，Guiyang，China)

A case study were conducted in Zhulinhe small watershed in rocky desertification area.Total 15 factors were selected as evaluation indices from three aspects：resource-environment，social-economy state，and eco-comprehensive function.Evaluation index system for small watershed ecosystem was established to give health assessment.Themethod of high precision of standard deviation coefficient was used to calculate the weight，and grey relational analysismethod was introduced to build comprehensive evaluationmodel for watershed ecosystem.Ecosystem health situation was evaluated quantitatively.Results showed that the watershed ecosystem was relatively stable and the health index has an increasing trend from 0.341 5 in 2000 to 1 in 2008.

ecosystem health;quantitative evaluation;rocky desertification;small watershed

2010-10-26

2011-05-26

國家自然科學(xué)基金“喀斯特坡耕地產(chǎn)流產(chǎn)沙特征及過程研究”(41061029);貴州省社發(fā)攻關(guān)項(xiàng)目“鉛鋅礦、礦山廢棄地植被恢復(fù)技術(shù)研發(fā)與示范”(黔科合SZ字［2009］3003);貴州省優(yōu)秀科技教育人才省長專項(xiàng)基金“喀斯特地區(qū)坡面徑流及產(chǎn)沙過程模擬試驗(yàn)研究”(黔科教辦(2008)04號)

向萬麗(1987—)，女，碩士研究生。主要研究方向：區(qū)域土壤侵蝕研究與評價(jià)技術(shù)。E-mail：xiangwanli 1987@126.com

?責(zé)任作者簡介：戴全厚(1969—)，男，博士，教授。主要研究方向：水土保持與生態(tài)恢復(fù)重建。E-mail：qhdai@sohu.com

(責(zé)任編輯：程 云)