石漠化地区小流域生态系统健康定量评价

向万丽，戴全厚，邓伊晗，董亚辉

(贵州大学林学院，550025，贵阳)

石漠化地区小流域生态系统健康定量评价

向万丽，戴全厚†，邓伊晗，董亚辉

(贵州大学林学院，550025，贵阳)

以石漠化地区竹林河小流域为例，从资源环境、社会经济人文和生态综合功能3方面，选择15个因素作为评价指标因子，建立该流域的生态系统评价指标体系。以精度较高的标准差系数法确定指标权重，运用灰色关联度分析方法建立流域生态系统综合评价模型，对其生态系统健康状况进行定量评价。结果表明，该环境系统健康状况相对稳定，健康指数呈逐年上升趋势，由2000年的0.341 5增大到2008年最优状态，结果达到了1。

生态系统健康;定量评价;石漠化地区;小流域

贵州省处于世界上成因最复杂、类型最齐全、分布面积最大的东亚喀斯特中心。贵州省喀斯特面积达13万km2，占土地总面积的73.8%以上［1］。特定的生态地质环境背景决定了喀斯特生态环境的脆弱性［2］，而脆弱生态系统又是石漠化形成的本质原因［3］。石漠化已成为贵州乃至整个西南喀斯特山区生态建设与可持续发展的主要障碍［2，4］，是产生贫困的根本原因。治理石漠化已经到了刻不容缓的地步［5］。随着石漠化地区小流域生态系统退耕还林及石漠化综合治理的开展，许多地方已初见成效，这表明喀斯特石漠化生态环境是可以治理改善的［1］;但如何科学地评价开展治理石漠化以来对其地区产生的成效呢?这需要基于生态系统健康理论，建立一套评价体系。

生态系统健康是20世纪80年代后期发展起来的生态学研究热点，至今，已不再是单纯的生态学定义，而是一个将生态-社会经济-人类健康3个领域整合在一起的综合性定义［6］，并能反映生态系统为人类社会提供生态系统服务的质量与可持续性，是目前最具活力的研究领域之一［7-9］;但我国研究还较少，尤其是在石漠化地区生态系统健康评价方向的研究［5］。

笔者以六盘水市钟山区老鹰山镇竹林河退耕还林示范小流域为研究对象，根据流域特征及生态环境建设目标，坚持指标体系的灵敏性、独立性和协调性准则，筛选出一系列评价指标，建立该流域生态系统健康评价指标体系。借鉴相关学科的分析方法，比较已有的分析方法，优选灰色关联分析法，对石漠化地区小流域生态系统健康进行定量评价，以进一步了解石漠化地区生态系统健康现状、可持续发展水平以及制约可持续发展的因素，从而为区域石漠化治理提供标尺和依据，最终实现石漠化地区生态健康与可持续发展。

1 研究区概况

贵州喀斯特分布地区的石漠化呈现南部重、北部轻、西部重、东部轻的特点。贵州省六盘水市地处贵州西南部，是贵州石漠化面积分布较大的县(市)之一［1］。研究区位于该市钟山区老鹰山镇竹林河小流域，内有中坡村、木桥村、陆家坝村。地理坐标是 E 104°30'～105°10'，N 26°26'～26°53'，年平均气温12.2℃，年积温4474～4806℃，无霜期243 d，年降雨量约1 240mm，年日照时间为1 415～1 556 h，日照率35%左右，气候高寒，属于北亚热带湿润季风气候区;地势南北较高，东西较低，是云贵高原剥蚀、侵蚀区的一部分。土壤为山地黄棕壤土，土壤多呈中性、微酸性，pH值为5.5～7.5，耕作层厚20 cm左右。流域内有小河煤矿、小河铁厂、老鹰山煤矿等国营大中型企业，始建于20世纪60年代，粗放型生产，工业“三废”污染严重。研究区原生植被破坏严重，森林过伐，现状植被均为次生植被和人工植被。乔木主要有华山松(Pinus armandiFranch.)、柳杉(Cryptomeria fortuneiHooibrenk ex Otto et Dietr.)、青冈(Cyclobalanopsis glauca(Thunb.)Oerst.)、猴樟(Cinnamomum bodinieriLevl.)等。原生植被破坏后，次生植被演替为以火棘(Hippophae rhamnoidesL.ssp.Sinensis Rousi)、悬钩子(Rubus corchorifoliusLinn.f.)、马桑(Coriaria nepalensisWall.)、野花椒(Zanthoxylum simulansHance)等为主的藤刺灌木。

研究区有典型的喀斯特石漠化类型和多时相不同退耕方式的土地，是珠江流域峰丛谷地轻、中度石漠化生态修复与农田基本建设导向型综合治理区，从2000年开始实施退耕还林(草)等石漠化治理工程，经过多年的治理，其生态环境及社会人文状况得到了较大改善。

2 健康评价指标体系建立

对生态系统健康的评价应该综合生态学、地理学、社会经济、人类健康及社会公共政策方面的原则和原理进行评价［10］。基于该区小流域综合治理的目标与要求，从生态系统健康的内涵出发，坚持指标体系的灵敏性、独立性、可操作性和协调性准则，构造能够反映石漠化地区生态经济系统健康现状及发展趋势的指标体系，形成以资源环境指标(A1)、社会经济及人文指标(A2)和生态综合功能指标(A3)3个二级指标，X1，X2，X3，…，X15等 15 个具体指标作为三级层次的小流域生态经济系统健康评价指标体系(Ecosystem Health Indicator，EHI)(图1)。

图1 石漠化地区小流域生态系统健康评价指标体系Fig．1 Health evaluation indices system of ecosystem in small watershed on rocky desertification area

1)A1：人均基本农田X1(hm2)、畜牧人均存栏量X2(羊单位)、植被覆盖率X3(%)、粮食单产潜势实现率［11］X4(%)、岩石裸露率X5(%)、土壤侵蚀模数X6(t/(km2·a))。

2)A2：人均纯收入X7(元)、总抚养比X8、人口密度X9(人/km2)、九年义务教育普及率X10(%)、恩格尔系数［12］X11。

3)A3：物种多样性X12、土壤有机质质量分数X13(g/kg)、土壤水稳性团聚体比例X14(%)、治理度X15(%)。

3 系统健康评价方法与模型

多指标评价的方法较多，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诊断的准确性和科学性［13-14］。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，最终得出各评价对象的健康指数，并在一定程度上反映流域的生态系统健康状况。

3.1 指标权重确定

3.1.1 量纲归一化处理 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。运用极值标准化方法［15］，设有n个样本，每个样本有p个指标，初始样本矩阵为X=(xij)n×p，将Xij转化为取值在［0，1］区间的相对化数据，设转化后的指标值为yij，具体做法如下：

若评价指标为正作用指标，则

若评价指标为负作用指标，则

经过以上处理，不仅可消除不同量纲对指标综合的影响，而且还可调整指标方向，增强了各指标的可比性。

3.1.2 权重确定 运用标准差系数法［15］确定权重，获取各单项指标(xj)权重系数wj。

计算各项指标Xj的标准差系数

式中σj和μj分别为Xj的标准差和均值。

计算各项指标Xj的权重

对于二级层次指标(Ai)的权重系数wa需要基于二级层次指标健康指数，最后同理计算获取即可。

3.2 系统健康评价模型

为进一步研究诊断该区系统的健康状况，本研究构建了健康诊断模型——健康指数。系统健康指数是该区综合治理和生态环境建设及系统经济发展等总体水平的集中体现。

3.2.1 二级层次指标健康指数 依据系统指标体系特征，运用灰色关联度法［16］对二级层次指标(Ai)进行求解。

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gj为各项指标中的最大值。

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

式中ξij为关联系数。

3.2.2 系统健康指数 二级层次指标中每一指标均是从不同侧面来反映系统的健康水平，总体水平必须进行综合评价，则基于二级层次指标健康指数(RA)，再次选用灰色关联法对系统健康指数(RH)进行求解。|yij-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)二级层次指标健康指数

4 实例分析——竹林河小流域生态系统健康评价

4.1 指标获取及权重确定

在建立的指标体系基础上，结合指标涵义，根据试验、观测及调查资料进行分析计算得到了2000—2008年石漠化地区竹林河小流域生态系统健康评价各单项指标的量化值(表1)。运用上述方法，计算得到了各指标的权重系数(表2)。从表2可以看出系统的各二级评价指标权重的差异较大，其中：生态综合指标的权重最大，为0.470 6;其次是社会经济及人文指标，为0.351 5;最小的是资源环境指标，为0.177 9。这不仅表明该小流域生态经济系统各指标间的协调性较弱，而且也说明生态综合指标的变化对整个流域的生态系统健康影响较大;所以应加强生态修复工作，确保生态系统健康的同时，也兼顾协调好资源环境的改善及社会经济人文的发展。

4.2 系统的健康评价

运用灰色关联度法分别计算得到了2000—2008年的二级层次指标健康指数(RA)和该流域生态系统健康指数(RH)，绘制了其动态曲线(图2和图3)。

从图2可知，总体来看，资源环境指标、社会经济及人文指标和生态综合功能指标的健康指数均随时间呈上升趋势，其健康指数资源环境指标从2000年的0.227 4上升到2008年的0.314 4;社会经济及人文指标从2000年的0.101 3上升到2008年的0.267 5;生态综合功能指标从2000年的0.091 4上升到2008年的0.274 2。但具体而言，还存在一些波动，社会经济及人文指标和生态综合指标健康指数从开始就呈上升趋势，而资源环境指标健康指数呈先下降后上升的趋势，这是由于石漠化治理之初退耕整地还林(草)，对资源环境有一定的破坏作用，随着林草植被的恢复，其健康指数呈不断上升趋势。此外，从这3个指标的健康指数来看数值都不算大，表明其恢复潜力较大。

表1 竹林河小流域生态系统健康评价指标量化值Tab．1 Indicators value for health evaluation of ecosystem in Zhulinhe small watershed

表2 竹林河小流域生态系统健康评价指标权重Tab．2 Weight of indicators for health evaluation of ecosystem in Zhulinhe small watershed

图3显示，竹林河小流域生态系统健康指数随时间呈上升趋势，经历了生态系统健康的相对稳定阶段，健康指数从2000年的0.341 5提高到2008年的最优状态，结果达到了1。

图2 资源环境、社会经济及人文和生态综合功能健康指数动态Fig．2 Variance of resource-environment，social-economic state and eco-comprehensive function of health index

图3 竹林河小流域生态系统健康指数动态Fig．3 Variance of health index in Zhulinhe small watershed

5 结论与讨论

该小流域生态系统健康指数呈逐年上升趋势，由2000年的0.341 5增大到2008年的1。这表明，该地区的石漠化治理已见成效，生态系统健康逐渐恢复，且相对稳定。此外，从资源环境、社会经济及人文和生态综合功能3个方面来看，都拥有较大的恢复潜力。因此，在今后还应大力加强石漠化的治理及生态环境保护，并将其重点落在生态环境修复工作上，不仅确保生态系统健康的同时，也兼顾协调好资源环境的改善及社会经济人文的发展。同时，不断改善和提高当地人民生活条件与水平及加强环境资源的保护，从而促进该小流域生态系统的健康水平，实现可持续发展。

生态系统健康作为一个新兴的学科，已被逐渐运用在新的环境管理与生态系统管理之中，为科学管理提供依据。但由于研究起步晚，还存在很多问题有待解决：1)总体来说，生态系统健康评价方法很多，但多以定性为主，定量化的研究较少。2)健康评价标准的确定是目前进行生态系统健康评价的困难之一，要确定生态系统的健康与否，首先必须有一个健康的标准，而目前采取的方法是通过在同一生物地理区系内寻找同一生态类型的未受或者少受人类干扰的系统作为研究对象的健康评价标准;但在当今人类足迹几乎遍及世界各个角落的前提下，要寻找到这样的健康标准是十分困难的。所以本文没有对其研究区的健康程度做出评价。3)石漠化地区生态系统健康研究尚属空白，尤其是评价指标体系建立，应着重考虑石漠化地区特殊的自然地理环境。如岩石裸露率不仅可以反映该系统的资源情况，还可以间接反映该系统的生态脆弱程度。因此本文将岩石裸露率作为评价指标之一。但从目前的石漠化评价指标体系总体研究状况来看，石漠化评价大都以定性描述为主，评价指标繁冗，且相互重叠、多为间接性指标，指标不易获取，可操作性差。所以，在指标选取上还是存在一些不足，不过仍可为以后的研究起到抛砖引玉的作用。

6 参考文献

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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

国家自然科学基金“喀斯特坡耕地产流产沙特征及过程研究”(41061029);贵州省社发攻关项目“铅锌矿、矿山废弃地植被恢复技术研发与示范”(黔科合SZ字［2009］3003);贵州省优秀科技教育人才省长专项基金“喀斯特地区坡面径流及产沙过程模拟试验研究”(黔科教办(2008)04号)

向万丽(1987—)，女，硕士研究生。主要研究方向：区域土壤侵蚀研究与评价技术。E-mail：xiangwanli 1987@126.com

†责任作者简介：戴全厚(1969—)，男，博士，教授。主要研究方向：水土保持与生态恢复重建。E-mail：qhdai@sohu.com

(责任编辑：程 云)