第二松花江流域坡耕地生态环境诊断及评价

隋媛媛，许晓鸿，刘明义，张瑜，刘艳军，王永丰，孙传生，张军海

(吉林省水土保持科学研究院，吉林长春130033)

第二松花江为吉林省最大的河流，发源于长白山天池，在吉林省境内流域面积73 229 km2，占吉林省总面积的39.1%，水土流失面积为11 690.9 km2。区内主要市县坡耕地总面积为21 647.12 km2，属于东北黑土区粮食主产区［1］。第二松花江流域内地形复杂，涵盖长白山中山低山区、中部低山丘陵区及漫川漫岗区，坡耕地坡面缓且长，是水土流失的主要发生区。水土流失的不断剥蚀表土，致使黑土层变薄，养分流失，土壤肥力下降，土壤保水、保肥和通气性能随之下降，导致粮食生产能力明显下降。防治第二松花江流域坡耕地水土流失已经成为保护东北地区土地资源安全、改善生态环境和保障粮食生产安全的迫切需要和重要内容。然而，在对流域进行水土流失防治及生态恢复重建过程中，对生态环境的评价多以定性描述为主，目前还没有形成一套完整的指标体系用来进行流域系统的健康诊断，其科学性和系统性均较差。我们在对坡耕地进行野外实地调查和资料查询的基础上，运用层次分析法对其生态环境现状进行诊断和分析评价，旨在为坡耕地水土流失防治和生态恢复提供科学依据，为保障东北黑土区粮食生产安全提供理论基础。

1 坡耕地生态环境诊断指标体系建立

1.1 坡耕地生态环境诊断指标选择原则

评价指标体系是建立在系统运行基础上的指标集合，是一个有机的统一体，需要具备描述揭示功能、评价功能及预警功能［2］。经过综合调查分析，在影响第二松花江流域坡耕地生态环境的诸多因素中，选取有代表性的、灵敏的、出现频率高的和直接影响坡耕地生态环境的因素为初选指标参数，所选指标应该能反映客观实际和具体问题，同时要求简单、实用。

(1)科学性原则。明确反映目标与指标间的相关关系，指标体系的大小也必须适宜。评价指标与评价方法应符合生态学原理以及相关学科理论，并尽可能地应用现代化手段予以权衡和定量表达。

(2)客观性原则。能准确反映坡耕地生态环境状况，克服主观因素的影响。对各种评价指标定义要清晰、准确。

(3)代表性原则。为使评价结果更加科学，评价指标应该能反映坡耕地目前生态环境状况及其受干扰和破坏的程度。

(4)整体性原则。坡耕地生态环境诊断与评价的目的是对坡耕地水土流失进行防治，评价指标应具有一定的整体效应，能发挥整体功能，评价结果能提供有效的信息。

(5)重点性原则。按照水土保持的要求，可列出多个评价指标反映水土流失影响，这里就要考虑到需要与可能的问题，且应能计量表达。

(6)可操作性原则。指标体系中的指标内容应简单明了，数据尽可能量化，对定量指标要确保其可信度，并且对非专业人员而言其测量过程也比较容易。

1.2 诊断指标的选取及评价体系建立

根据上述生态环境诊断指标的选取原则，以及坡耕地生态环境的实际调查情况，经过专家咨询与分析识别，我们筛选和提出了影响坡耕地生态环境质量的4 类评价因子，分别为黑土层厚度、土壤侵蚀、土壤理化性状、坡耕地治理，共选择确定了10 个评价指标(图1)。

图1 坡耕地生态环境健康诊断及评价体系结构框架

2 坡耕地生态环境健康诊断

2.1 诊断分析指标权重的确定

本研究采用层次分析法(简称AHP 法)［3］确定各指标权重，其基本原理是把研究的复杂问题看成一个大系统，先对系统多个因素进行分析，划分出各因素间相互联系的有序层次，再对每一层次的各因素进行客观判断，并相应地给出重要性的定量表示，进而建立数学模型，计算出每一层次全部因素的相对重要性权值，加以排序，最后根据排序结果进行规划决策并选择解决问题的措施。

2.1.1 层次结构的建立

首先把系统问题条理化、层次化，构造出一个层次分析的结构模型。本研究将递阶层次分为3 层(表1)。

表1 坡耕地生态环境健康诊断及评价的层次结构

2.1.2 坡耕地生态环境诊断评价指标权重的确定

(1)准则层各指标权重的确定。在本研究中，目标层为坡耕地生态环境诊断及评价指标，其影响因素分别为:黑土层厚度U1;土壤侵蚀U2;土壤理化性状U3;坡耕地治理U4。据此可以得到如下判断矩阵(表2)。

根据以上判断矩阵，利用和积法求得其最大特征值及其对应的特征向量，分别为:最大特征值λmax=4.033 3，对应的特征向量ω=(0.437 0，0.234 1，0.202 9，0.126 0)。准则层各指标权重见表3。

表2 准则层判断矩阵构建

表3 准则层各指标权重

为保证所确定的相对重要性的可信度和准确性，必须对判断矩阵进行一致性校验。一致性校验准则为一致性比率C.R.＜0.10。经计算，C.R.=0.012 ＜0.10，说明判断矩阵的一致性是可以接受的，也就是准则层的黑土层厚度、土壤侵蚀、土壤理化性状及坡耕地治理对坡耕地生态环境健康影响权重分别是0.437 0、0.234 1、0.202 9、0.126 0。

(2)指标层各指标权重的确定。由于指标层中各指标对相应准则层中各指标的影响程度差别很小，本研究中指标层权重的确定选用平均分配的方法。指标层各指标权重见表4。

2.2 评价指标实际值的调查与测定

2.2.1 评价指标实际值确定方法

(1)黑土层厚度(cm)。以县为单位，采用专家咨询、资料查阅的方法，并结合土壤剖面实测结果，复核确定各市县不同坡度级耕地黑土层平均厚度。

(2)12°以下坡耕地比重(%)。通过资料收集与综合调查、分析的方法确定12°以下坡耕地占坡耕地总面积的比重。

(3)年均降水量(mm)。通过资料收集及实地调查与分析，确定不同市县坡耕地年平均降水量。

表4 指标体系各指标权重

(4)水土流失治理度(%)。通过资料收集及实地调查与分析，确定不同市县坡耕地水土流失治理度。

(5)土壤侵蚀模数［t/(km2·a)］。通过资料收集及实地调查与分析，并向多位水土保持及土壤专家进行咨询，利用降雨量作为修正系数，采用土壤侵蚀模数加权平均法计算并确定坡耕地平均土壤侵蚀模数。

土样采集与样点布设。以县为单位，选取不同坡度坡耕地采集土壤样品。由于不同地区地形、地势及田块大小均不同，长期耕作导致土壤肥力均匀性差，因而将坡面平分为坡上和坡下两部分，分别采取蛇形采样法进行采样，采集土样分0—10、10—20、20—30 和30—40 cm 四个层次。

(6)土壤有机质含量(%)。采用硫酸重铬酸钾法进行测定［4］。

(7)土壤全氮含量(%)。采用全自动凯氏定氮法测定。

(8)土壤全磷含量(%)。采用NaOH 熔融－钼锑抗混合试剂比色法测定。

(9)土壤全钾含量(%)。采用NaOH 熔融－原子吸收光谱法测定。

(10)土壤含水量(%)。采用土钻法和烘干法进行测定。

2.2.2 评价指标实际值的调查与测定结果

根据以上评价指标实际值的调查与测定方法，分别对20 个主要市县坡耕地10 个评价指标进行实际调查与分析，结果见表5 和表6。

2.2.3 坡耕地土壤侵蚀模数

依据伊通县水保站提供的不同坡度坡耕地土壤侵蚀模数资料，结合各市县年均降水量，通过进行专家咨询及资料查询，计算各市县不同坡度级坡耕地土壤侵蚀模数，并确定不同坡度坡耕地的平均土壤侵蚀模数，结果见表7。

表5 评价指标实际值调查结果

表6 20 个市县土壤养分平均含量%

利用水土保持规划与普查数据结果，统计出不同坡度坡耕地占坡耕地总面积的比例(表8)，通过加权平均法计算出坡耕地平均土壤侵蚀模数。经计算，第二松花江流域坡耕地平均土壤侵蚀模数为1 004t/(km2·a)。

2.3 评价指标量化与综合诊断评判

2.3.1 评价指标量化

(1)评价指标实际值与目标值的确定。根据本研究中建立的诊断评价指标体系，采取综合调查与实地测定分析、资料统计分析的方法，有针对性地收集和测量了坡耕地与生态环境相关的数据，统计整理出分析诊断所需各单项指标的实际值。各单项指标的目标值是以国家及该地区水土保持生态建设目标为依据，参照国内外现代化和可持续发展报告［5］、《中国21 世纪议程》、《吉林省21 世纪议程行动计划》、《吉林省生态省建设总体规划纲要》、《吉林省生态环境保护规划》、《吉林省水土保持“十一五”规划》和流域现状实际，进行综合分析确定(表9)。

表7 不同坡度坡耕地土壤平均侵蚀模数t/(km2·a)

表8 不同坡度坡耕地面积及比例

(2)评价指标量化。指标量化与综合诊断评价是流域系统诊断的关键，评价体系中的10 个指标基本可以分为两类:一是对系统健康持续发展起正作用的指标，如黑土层厚度、土壤有机质含量等，此种指标值越大越好;二是对系统健康持续发展起副作用的指标，如土壤侵蚀模数，此种指标值越小越好。两种类型的指标应采取不同的量化方法。为此，本研究引入了模糊集合的隶属函数［6］进行指标量化。设xj和tj分别为单项指标的实际值与目标值，则该单项指标的量化值为:当x 为正作用指标时，aj=(xj/tj)C×100%;当x 为副作用指标时，aj=(tj/xj)C×100%。式中，C 为刻画模糊度的常数，一般C ＞1，这里取1.1。各指标量化结果见表9。

表9 坡耕地生态环境系统健康诊断单项指标评估量化结果

2.3.2 坡耕地生态环境健康综合诊断评判

流域综合调查分析诊断指标体系中的每一单项指标均是从不同侧面来反映系统健康持续发展状况，因而必须对总体状况进行综合评判。本研究采用多目标线性加权函数法［7］进行计算和评判，其具体分级如表10 所示。

表10 坡耕地生态环境系统诊断评判标准

根据多目标线性加权函数法的计算结果，第二松花江流域坡耕地生态环境系统综合健康诊断指数为18.10，依据表10 生态环境系统诊断评判标准，可知该系统发展运行的健康水平，等级为劣。

3 结 论

坡耕地生态环境健康诊断与评价，是充分了解和掌握坡耕地生态现状的有效途径，也是改善和提高坡耕地生态环境、防治生态恶化的基础和前提，能够为采取合理的防治措施和治理技术提供指导。通过对坡耕地生态环境现状进行调查以及专家咨询与分析，我们筛选出了黑土层厚度、土壤侵蚀、土壤理化性状及坡耕地治理4 类评价因子，利用层次分析法构建了坡耕地生态环境诊断及评价体系结构，并确定了10 个评价指标权重。将野外调查、测量与室内试验相结合，测定并计算出第二松花江流域主要市县坡耕地生态环境评价指标实际值，利用多目标线性加权函数法计算出第二松花江流域坡耕地生态环境系统综合健康诊断指数为18.10，健康等级为劣。评判结果说明，目前亟需加强对第二松花江流域坡耕地生态环境的治理力度，遵照“因地制宜，因害设防”的原则，提出坡耕地土壤侵蚀的有效防治技术，以降低黑土层流失速度和土壤侵蚀模数，改善和提高土壤肥力，切实保护坡耕地，促进坡耕地的可持续利用。

［1］张德新.吉林省地表水功能区划［M］.长春:吉林人民出版社，2005:29－32.

［2］王慧敏，徐明.都江堰可持续发展评价体系［J］.水利学报，1999(5):13－18.

［3］王莲芬，许树柏.层次分析法引论［M］.北京:中国人民大学出版社，1990:32－58.

［4］鲍士旦.土壤农化分析［M］.北京:农业出版社，1986:33－89.

［5］张光宇，刘永清.土地可持续利用的系统学思考［J］.中国人口．资源与环境，1998，8(1):11－14.

［6］彭补拙，安旭东，陈浮，等.长江三角洲土地资源可持续利用研究［J］．自然资源学报，2001，16(4):305－312.

［7］戴全厚，刘国彬，刘明义，等.小流域生态经济系统可持续发展评价——以东北低山丘陵区黑牛河小流域为例［J］.地理学报，2005，60(2):209－218.