基于组合赋权的水土保持生态效应定量评价模型

郭凯歌，王向东，殷小琳

(中国水利水电科学研究院泥沙研究所，北京 100048)

0 引 言

水土保持生态效应是指水土保持措施对于减弱和预防水土流失、保护和改良水土资源、促进生态系统良性循环的贡献[1]。通常地，水土保持措施产生的生态效应包括改善土壤、涵养水源、恢复植被和改善大气环境等四种类型。为深入了解水土保持措施对治理水土流失，改善生态条件的效果，并科学指导实施水土保持措施，已有不少学者开展了关于水土保持生态效应评价的研究。比如，在评价指标体系建立方面，王琦等[2]总结认为指标选取的常用方法包括理论推导法、专家经验法和文献频数法等；康玲玲等[3]认为进行指标筛选时应遵循科学性、客观性，并符合重点突出、意义明确等原则；在已有的研究成果[4,5]中，土壤侵蚀模数、林草覆盖率、治理程度和地表径流模数是四个采用频率较高的指标，另外，针对评价目标的重点和区域的特点，部分学者提出了一些针对性较强的评价指标，比如，丁立仲等[6]选取的农村新能源比重、秸秆综合利用率、病虫害综合防治率，余新晓等[7]选取的较少风水量、吸收有害气体、释放氧气和曹睿等[8]采用的沙尘暴日、沙化土地百分比、风蚀模数等评价指标。在评价方法选取方面，国内学者主要采用模糊综合分析法[9]、灰色关联分析法[10]、多目标综合决策法[11]、压力-状态-响应概念框架法[12]等，与此同时，国外学者也开展了关于水土保持措施的某类生态效应评价的研究，比如，Park等[13]采用GIS技术评价了水土保持措施对土壤侵蚀的影响，Bekele[14]采用随机优势准则分析了水土保持措施对农作物产量的影响，Rocha等[15]在流域尺度下采用SWAT软件模拟评价了水土保持措施对径流量、土壤侵蚀量和营养物质输移的影响。

目前，尽管针对水土保持生态效应评价的研究已取得了一些成果，但由于该类研究尚处于初期阶段，仍存在较多空白与不足之处，比如，由于对不同生态效应功能的物理过程机制认识不足，导致在评价指标体系建立时存在的缺陷。因此，本文试图基于对不同生态效应功能的物理过程机制分析，建立相应的生态效应评价指标体系，并采用组合赋权法计算各指标权重，然后引入指标的响应强度和评价对象的综合评价值，建立描述不同生态效应功能的响应程度及其总体响应趋势的方法，最后进行实例分析。

1 生态效应定量评价模型

1.1 指标体系

一般地，水土保持措施对区域带来的生态效应主要体现在4个方面，即减少土壤侵蚀和增加土壤肥力、减小区内地表径流、增加区内植被覆盖率和物种丰富度以及改善环境等。根据水土保持生态效应的四大体现及其成效机制，借鉴国内外有关生态效应评价指标体系的研究成果和实践经验，建立水土保持生态效应的评价指标体系，如表1所示。

表1 水土保持生态效应评价指标体系Tab.1 Evaluation index system of the ecological effect of soil and water conservation

从表1可知，所筛选的指标基本能够较全面地反映水土保持生态效应的四大体现。该指标体系既能在时间上反映出治理前后的直观变化，也能在空间上揭示出治理措施对生态系统结构产生的影响，具有较好的描述、评价和解释等功能。在上述评价指标体系中，目标层在总体上反映了水土保持生态效应的水平；准则层从本质上反映了维持地区水土保持生态效应水平的主要体现和内在原因；要素层中所列的指标均为可测、可比，能够给出直接的度量。通常地，评价指标大致包括效益型和成本型两类，前者主要指属性值与评价值成正相关的指标，后者反之。就表1中指标体系而言，属于成本型的指标有土壤侵蚀模数、容重、径流系数、大气二氧化碳含量，其余均属效益型指标。

1.2 指标权重

由于目前对水土保持生态效应四大体现成效机制的认识仍存在局限性，在进行具体评价之前，首先应该较合理地确定各个指标的权重。该过程中能够获取信息的多少将直接影响评价的精度和可靠性[16]。目前，确定指标权重的方法大致可分为主观性和客观性两类，前者的代表为层次分析法(AHP)[17]，考虑了专家的知识和经验，但主观随意性较大；后者的代表是熵权法[18]，虽然结果较为客观，但无法反映专家的知识和经验。为了使最终评价结果能够较好地符合实际情况，本文综合考虑主客观性，采用组合赋权的方法确定各个评价指标的权重：

ωi=αai+(1-α)bi

(1)

式中：α为权重折中系数，取为0.5；αi为AHP确定的指标权重；bi为熵权法确定的指标权重。

采用层次分析法确定指标的权重主要是基于专家的经验知识，其基本思路是先将问题分为若干层次，然后构造各层要素之间的判断矩阵，最后计算得到指标要素的权重向量，具体计算步骤可参考文献[9]。采用熵权法确定指标权重主要基于信息熵原理，当指标熵值越小，表示其变异程度越大，即指标所携带的有效信息量也越大，则分配权重也应越大，反之，则权重值越小。具体可按下式计算：

(2)

其中，

式中：xij为第j(j=1,2,3,…,m)个评价对象的第i(i=1,2,3,…n)个评价指标的标准化量值。

考虑到参与评价的各个指标对生态效应的贡献存在正负效应的区别，需要对评价指标的原始属性值进行统一标准度量的处理，方法如下：

(3)

式中：Xij为第j(j=1,2,3,…,m)个评价对象的第i(i=1,2,3,…n)个评价指标的原始属性值。

1.3 评价方法

为了较全面地揭示和理解水土保持措施引起的生态效应变化及其成效机制，需要进行评价指标的变幅分析和不同阶段研究区域的生态评价。一方面单项指标变化的敏感分析可反映区域内生态效应四大方面的响应强度；另一方面对区域的综合评价可以揭示评价对象的总体响应趋势。

通常地，评价指标要素反映生态效应四大方面的方式是不同的，在相同的时间尺度内，不同指标发生的成效响应幅度也是不同的，因此在进行生态效应评价时，对于短期和长期的生态效应所需关注的指标要素也应有所不同，可按下式计算同一时期内不同指标的响应强度：

(4)

式中：Xi1为治理前指标i的属性值；Xik为治理后某时期k的指标i的属性值。

在确定各指标权重之后，结合各指标要素的比重，便可计算各个评价对象(评价区不同时间段所处的状态)的综合评价值，可按下式计算：

(5)

式中：Wj为第j个评价对象的综合评价值。根据Wj由大到小的关系，即可对生态效应进行优劣排序。

2 生态效应评价实例

选择国家水土保持生态修复试点工程山东省平邑县项目区为评价对象，如图1所示，采用该区在实施水土保持措施前后，即2002年和2005年的监测数据进行评价分析，其实测数据[10]，如表2所示。

指标C1/(t·km-2·a-1)C2/(SFI)C3/(g·m-3)C4C5/%C6C7/(mg·L-1)A1治理前939．100．7801．4080．2741．8235343A2治理后529．620．8281．4140．1956．8638346

根据表2中的实测数据，首先采用式(3)对评价指标的原始属性值进行标准化处理，并运用式(2)计算各个指标的客观性权重；再采用层次分析法计算各个指标的主观性权重，然后根据式(1)计算得到各指标的组合权重；由各指标的实测值按式(4)可计算其响应强度，计算结果如表3所示。

表3 各个指标的比重、权重和响应强度计算结果Tab.3 Calculation results of the weight and response strength of each index

由表3可知，主观赋权和客观赋权的计算结果存在较明显的差别，比如土壤肥力指数、土壤容重和大气二氧化碳含量等指标，在采用熵权法计算相应权重时，该值接近于零，而采用层次分析法计算时可由主观判断加以考虑，因此，采用主观性和客观性相结合的组合赋权法是更为合理的。

从治理后各指标的响应强度来看，土壤侵蚀模数、径流系数和植被覆盖率的变化较其他指标更为明显，说明该地区在实施水土保持措施后保土和调水效应的响应时间更短。将表3中的计算结果代入式(5)计算得项目区在治理前后的综合评价值为0.40和0.60，由此表明，项目区在实施水土保持措施后对生态环境是有积极影响的，这与基于多目标决策灰色关联投影法[10]的分析结论一致。

3 结 语

根据水土保持生态效应在减少土壤侵蚀、减小地表径流、增加植被覆盖率和改善大气环境等四方面的主要体现及其成效机制，借鉴国内外有关生态效应评价指标体系的研究成果和实践经验，建立了包含土壤侵蚀模数、土壤肥力指数、土壤容重、径流系数、植被覆盖率、物种丰富度和大气二氧化碳等七个指标要素的评价指标体系；采用层次分析法和熵权法相结合的组合赋权法确定各指标权重；引入了指标的响应强度用于揭示评价区内生态效应四大体现的成效程度，并通过计算评价区的综合评价值分析其不同时间段的生态效应值，以揭示评价对象的总体响应趋势。

采用文中建立的水土保持生态效应定量评价模型进行实例分析发现，主客观相结合的组合赋权法确定指标的权重更为合理；生态效应中的保土和调水作用响应时间更短；水土保持措施对于改善生态环境是有积极作用的。由于该评价模型中的评价指标体系是基于生态效应的成效机制所建立，能够体现生态效应几个主要方面的变化，可以较为全面地描述实施水土保持措施前后区域内实际情况的变化。另外，与已有的生态效应评价方法相比，该模型不仅可以从整体评价研究区的生态效应，还可以评价不同时间段内各个指标的响应程度，从而揭示生态效应4个主要方面的响应程度。

□

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