民勤绿洲生态系统适宜程度指标体系的构建

石媛媛，纪永福，张恒嘉

(1.甘肃农业大学水利水电工程学院，甘肃 兰州 730070；2.甘肃省治沙研究所，甘肃 兰州 730070)

生态系统适宜程度是指在生态系统中各影响因素的共同作用下，使得生态系统的结构稳定、功能效应发挥正常、资源形成良性循环、动植物种群和谐有序发展的状态。它是人类意识形态下划分的产物，是综合考虑社会、经济、人口等因素下的复杂指标，随生态系统改变、社会经济发展、科技水平提高的变化而变化。

由于人们无法直接观测或准确了解现有生态系统的变化过程和驱动机制，需要建立多种指标体系来描述生态系统存在的状态。如采用PSR模型，分析各类退化机制压力及人类干扰与红树林生长的响应关系，构建红树林退化机制的评估指标体系[1]；运用荒漠化模型的概念，提取自然因素、土地状况因子、社会因素和经济因子，建立了基于PSR石漠化风险评估体系，以此揭示人类活动对石漠化的影响程度[2]。王少丽等[3]基于模糊模式识别模型，对农田排水再利用进行分析，并划分为5级适应性。为了准确衡量城市生态优劣程度，引入逆生态化、城区生境等概念，并应用模糊逻辑工具箱(fuzzy logic toolbox)对城市生态适宜性指标体系进行模糊评价；运用最小累积抵抗理论，构建生态适宜性的综合土地利用安全模型，并将土地划分为重点保护区、缓冲区保护区、中度发达区和优化开发区[4-5]。蒋桂芹等[6-7]基于“驱动力—压力—状态—响应”模式，选取了气象干旱指标、农业干旱指标、水文干旱指标、社会经济干旱指标等，研究干旱驱动机制与评估方法；采用径向基函数网络模型对喀斯特石漠化风险进行评估，并对风险的研究区进行分类。刘麟[8]从宏观和微观同时着手，系统全面地总结了黑河流域中、上游生态环境监测的各种单因素、多因素指标。高志海等[9-11]以民勤为例，利用RS和GIS技术，采用遥感影像处理与模拟相结合的方法，以尺度为线索，研究了植被覆盖变化过程，并将植被覆盖度划分为低盖度植被、中等盖度植被和高盖度植被3个等级，提出绿洲荒漠化的遥感评价方法；与此同时应用GIS的空间数据，并结合主成分分析和支持向量机模型，讨论了石漠化风险评估方法和实施过程，认为风险评估模型PSO-SVM在石漠化解释中更为准确。陈贺等[12]运用Mann-Kendall检验法，对白洋淀生态系统受干扰程度进行评价。孙兰东等[13-14]采用综合指标法选取了4类13项指标，定义敏感度及适应能力概念，构建了石羊河流域生态系统脆弱性评价指标体系。

而民勤荒漠绿洲生态系统在其独特的地理环境、降水形成条件、人类生存等干扰因素综合影响下呈现非良性循环，河道断流、水库干涸、绿洲面积减少、地下水位下降、沙尘暴危害加剧等已经严重危害到人类自身发展。鉴于民勤荒漠绿洲存在诸多不和谐因素，有必要构建一个适宜程度识别指标体系，通过对指标体系的评估结果分析，准确定位民勤荒漠绿洲生态系统所处的状态，明晰该生态系统演化方向，并通过改变指标来影响整个生态系统运行的趋势，对生态系统进行跟踪监测和反馈控制。

1 研究区概况

民勤县位于甘肃省西北部，河西走廊东北部，石羊河流域下游，是阻隔巴丹吉林沙漠和腾格里沙漠合拢的生态屏障。处在东经101°49′41″～104°12′10″和北纬38°3′45″～39°27′37″之间，总面积约为1.6×106hm2。民勤县属于大陆性干旱气候，多风沙、少降雨，全年平均日照时数3 100 h，年平均风速2.7 m·s-1，多年平均降雨量为116 mm，多年平均有效降雨为64.4 mm，蒸发量在2 300 mm左右。据统计，民勤县人均水资源占有量为520 m3，仅为世界水平的1/8[15]。民勤县上游来水量由1956年的5.14×108m3，逐年减少至2002的0.620×108m3，地下水开采成为支撑人类生存和经济发展的必要措施，经过半个世纪的无序开采，地下水水位平均下降10～20 m，有些地方水位下降30 m。不合理的土地利用导致民勤盆地荒漠化严重、生态环境脆弱、植被种类及覆盖度变化，影响到整个生态系统的结构和功能以及区域水文循环、物种多样性等。民勤盆地天然沙生植被有70%以上退化，近年来该县一直致力于建设防风固沙林、农田林网等，人工造林保存面积达到15.324×104hm2以上，有效阻止了沙漠入侵并使部分沙化土地转为人工绿洲。

2010年民勤县国内生产总值32.85亿元，比上年增长13%，其中第一产业增加值13.68亿元，增长5.9%；第二产业增加值9.1亿元，增长24.9%；第三产业增加值10.07亿元，增长14.8%。到2015年，民勤县国内生产总值69.56亿元，比上年增长9%，其中第一产业增加值23.71亿元，增长6.1%；第二产业增加值21.95亿元，增长7.7%；第三产业增加值23.91亿元，增长11.3%。民勤县人口呈稳步增长趋势，截止2011年年末，全县人口27.47万人。全县常住人口24.11万人，其中农村常住17.94万人，城镇常住6.17万人。

2 民勤荒漠绿洲生态系统适宜程度指标体系的构建

2.1 指标体系的构建过程及指标选择

生态系统一般具有多层性、相关性和环境适应性，而荒漠绿洲生态系统具有多样性、多变性、整体性、统计性、自组织性、临界性等特征，且各影响因子之间存在复杂的非线性耦合关系，因此不能完全采用定量计算的方法来评价生态系统的适宜程度[16],必须要建立一个多层次、多要素的评价系统，采用定性与定量有机结合的方法，以科学合理的运算体系使得复杂的评价问题明朗化[17-18]。

本文从生态系统的目的性和层次性出发，运用层次分析法(AHP)建立荒漠绿洲生态系统的递阶层次结构，分别为目标层、准则层和指标层。对同一层次的各元素关于上一层次中某一准则的重要性进行两两比较，构造两两比较判断矩阵，并进行一致性检验。由判断矩阵计算被比较要素对于该准则的相对权重。计算各层要素对该荒漠绿洲生态系统适宜性的总权重，结合现有指标数据及评价尺度，对各要素进行定位和打分，最后对现状荒漠绿洲生态系统进行适宜程度评价[19-20]。对于指标的选择应具有代表性、可操控性、可获取性以及真实可靠性。在此基础上确定了1个目的层，5个准则层，包含19个指标，见图1。

2.2 指标权重计算

首先用A表示目标层，B1～B5分别表示准则层的5个元素，C1～C19分别表示指标层的19个影响因素，同时利用1-9标度法构造判断矩阵A:

(1)

(2)

(3)

为检验各层元素重要度之间的协调性，明确已构造判断矩阵是否符合要求，进而判断权重系数是否合理，需进行一致性检验。计算公式为：

(4)

(5)

C.I.为一致性指标，R.I.为平均随机一致性指标，C.R.为一致性比例。当C.I.=0时，有完全的一致性；C.I.越接近于0，有满意的一致性；C.I.越大，不一致越严重。R.I.为同阶随机判断矩阵的一致性指标的平均值，引入R.I.可在一定程度上克服一致性判断指标随n的增大而明显增大的弊端。若一致性检验不通过或检验结果为负值，则需要重新构造判断矩阵或调整矩阵中数值的两两关系，再进行一致性检验，数据处理用Microsoft Office Excel 2007、MATLAB 2014。

表1 三阶矩阵系数

图1 指标层次及分类Fig.1 Index layers and classification

2.3 荒漠绿洲生态系统适宜性评价尺度

生态系统处于适宜发展的状态，是各指标值都处在一个范围而非固定值。按照国际现行标准及国内外专家学者论述统计，建立绿洲荒漠生态系统适宜性评价尺度表，完善指标适宜度阈值区间，见表2。根据民勤治沙综合试验站资料及民勤县统计局统计资料汇编对各参评指标进行汇总，计算了各指标权重，各指标层均通过一致性检验，C.I.值均小于0.1，C.R.均小于0.1，见表3。

将荒漠绿洲生态系统划分为适宜、较适宜、稳定、不适宜、严重不适宜5个等级，通过对专家评及科研人员的评分意见的统计，评分等级划分见表4。

3 分析评价结果

民勤荒漠绿洲生态系统适宜综合得分见表5。通过从水文水资源、气象、土地利用类型、社会经济、人口5个方面选取多个指标建立民勤荒漠绿洲生态适宜程度指标体系，对民勤2010-2015年的指标分析得出，准则层B1～B5的权重分别为0.526、0.071、0.176、0.165、0.062，适宜性综合得分值分别为32.73、37.84、50.73、58.22、75.23、80.79(见表5)。适宜程度从2010年到2015年分别为不适宜、不适宜、稳定、稳定、较适宜和较适宜。虽然分值所处的适宜程度相同，根据分值的不同却有很大差异。由2010的32.73分上升到2015年的80.79分，分值呈稳定增大趋势。由图2可知，B1从2010年到2013年增速缓慢，2013年之后呈现较大增长趋势，由于B1权重系数最大，它的增长对综合评分值影响也最大；B2的年际变化波动较大，这与民勤气候有关，不容易改变，但由于B2的权重为0.071，所以对整体的评分值影响较小；B3从2011年到2013年呈现大幅增长，之后出现波动，增速放缓，B3所占权重为0.176，处于重要地位；B4从2010年到2014年变化不大，人均GDP与第三产业占比虽然增长迅速，但农民纯收入却变化不大，2014年到2015年的B1增长主要取决于人均GDP增长；B5对综合得分的影响较小，但因其一直保持较稳定的增长趋势，在一定程度上保证了综合得分持续上升。由图3可知，从2010年到2015年的综合得分增长率分别是13.50%、25.41%、12.86%、22.61%、6.88%。

表2 荒漠绿洲生态系统适宜性评价参评指标尺度分级

表3 2010—2015年各指标统计数据及权重

4 结论与讨论

适宜程度就是在考量各种影响因素的前提下，对总体变化趋势进行把控。研究得出综合得分增长率变化较大，但总体分值呈增大趋势，即民勤荒漠绿洲的适宜性增强，已经从分值较小的不适宜状态慢慢过渡到分值较小的适宜性状态，这种状态变化是对人类活动及保护生态环境结果的响应。协调社会各职能部门发展，提高民勤荒漠绿洲生态安全性[21]，侧面反映了生态适宜程度的发展趋势。

综合得分增长率有两个高峰，分别是2012年相对于2011年增长12.89分，增长率为25.41%，其中B1单项增长9.96分，对综合分值贡献5.60分。水文水资源改变是导致生态系统状态变化的最主要驱动因素[22]，提高分值的途径是增加生态用水、增加地表供水量等。在水资源问题严峻的大环境下，水资源压力指数由2000年的0.627减小到2009年的0.329，这与人类调控及预测是密不可分的[15]。B2单项增长40.08分，对综合分值贡献2.846分，大气环流和下垫面变化是气象干旱的主要因素[6]。B3单项增长25.03分，对综合分值贡献4.41分，B3的波动主要来自于人工造林面积的变化而非天然植被面积。蒋友严等[24]建立了环境评价模型，研究得出民勤绿洲生态脆弱性的变化，极度脆弱、高度脆弱、中度和轻度脆弱分别为荒漠区、绿洲荒漠交错带和绿洲区域。从2000年到2010年内部中度脆弱区域明显增多，北部外围岛状绿洲区域增多，民勤荒漠与绿洲的交界区域部分转化为绿洲区,这是人工造林、工程压沙、退耕还林等影响因素共同作用的结果。文星等[23]研究指出2000年到2010年民勤绿洲面积增加了327.87 km2，但林地和草地的范围在缩小，绿洲的破碎度增加而连通性降低，绿洲的稳定性和自我调节功能受到影响，使得生态建设单项分值出现波动。2014年相对于2013年增长17.01分，增长率为22.61%，其中B1单项增长33.73分，对综合分值贡献17.74分，由B3单项递减15.39分，使得综合分值减少2.71分从而抵消了一部分来自B1的增长分值。地表供水量及生态用水量的增多引起单项分值大幅增长，递减则是由人工造林面积缩小造成。从2014年到2015年增速放缓，增长率下降为6.88%，其中B2、B3、B4、B5单项分值都在增大，但增长幅度不大，对综合分值贡献率都比较小。B4的主要增加值来自于人均GDP，农村经济发展水平在一定程度上能增强生态系统的适宜程度，但农民人均纯收入增长缓慢、第三产业占比小也成为发展的阻力[21]。随着国民素质的提高，人口数量并不是阻碍生态适宜程度改善的主要因素,但农业人口比重大是B5增长的短板。

表4 适宜程度评分区间

图2 指标变化趋势图Fig.2 Trend of indicator change

图3 综合得分增长率Fig.3 Growth rate of comprehensive score

年份Year准则层(权重) Guideline layer(weight)B1(0.526)B2(0.071)B3(0.176)B4(0.165)B5(0.062)A综合得分Overall score201026.8535.7429.9752.2435.2432.73201132.6137.1741.1852.2435.2437.84201242.5777.2566.2152.2441.7250.73201348.1472.5289.6854.5844.3758.22201481.8786.5374.2957.5155.8075.23201581.8792.0882.4975.7867.3280.79

按照当前趋势，增速放缓并不影响生态发展趋势，只要在阈值范围内对资源进行有效调控，就可以保持生态系统的适宜性，通过这几年人为的调控，稳定状态良性循环到一定程度就过渡到分值较低的较适宜状态，是生态系统中积极因素的累积并发挥效应的过程。民勤荒漠绿洲现处在低分值较适宜状态，说明现行的人为调控水资源分配比较合理，自 2001 年调水以来民勤绿洲面积从8.93% 增加到2010的11.98% ，民勤绿洲植被生态恢复取得了较好的效果[24]。虽然在分级上属于较适宜状态，但因为荒漠绿洲系统本身的脆弱性，还存在生态系统退化的风险，若不重视保护和调控，生态系统抗逆性被消耗殆尽，超过临界值，就会发展成为具有新功能结构的系统取代原有生态系统，威胁人类生存。因此，在低分值较适宜状态下，只有按照既定调控机制对现有生态环境继续进行保护和调节，特别是需要注意在权重系数相对较大、对环境影响非常巨大时，要加大或继续保持现有的调节模式，才能使生态系统呈现稳定发展趋势，从而实现人类与其生存环境之间的交互循环过程。