民勤綠洲生態系統適宜程度指標體系的構建

石媛媛，紀永福，張恒嘉

(1.甘肅農業大學水利水電工程學院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省治沙研究所，甘肅 蘭州 730070)

生態系統適宜程度是指在生態系統中各影響因素的共同作用下，使得生態系統的結構穩定、功能效應發揮正常、資源形成良性循環、動植物種群和諧有序發展的狀態。它是人類意識形態下劃分的產物，是綜合考慮社會、經濟、人口等因素下的復雜指標，隨生態系統改變、社會經濟發展、科技水平提高的變化而變化。

由于人們無法直接觀測或準確了解現有生態系統的變化過程和驅動機制，需要建立多種指標體系來描述生態系統存在的狀態。如采用PSR模型，分析各類退化機制壓力及人類干擾與紅樹林生長的響應關系，構建紅樹林退化機制的評估指標體系[1]；運用荒漠化模型的概念，提取自然因素、土地狀況因子、社會因素和經濟因子，建立了基于PSR石漠化風險評估體系，以此揭示人類活動對石漠化的影響程度[2]。王少麗等[3]基于模糊模式識別模型，對農田排水再利用進行分析，并劃分為5級適應性。為了準確衡量城市生態優劣程度，引入逆生態化、城區生境等概念，并應用模糊邏輯工具箱(fuzzy logic toolbox)對城市生態適宜性指標體系進行模糊評價；運用最小累積抵抗理論，構建生態適宜性的綜合土地利用安全模型，并將土地劃分為重點保護區、緩沖區保護區、中度發達區和優化開發區[4-5]。蔣桂芹等[6-7]基于“驅動力—壓力—狀態—響應”模式，選取了氣象干旱指標、農業干旱指標、水文干旱指標、社會經濟干旱指標等，研究干旱驅動機制與評估方法；采用徑向基函數網絡模型對喀斯特石漠化風險進行評估，并對風險的研究區進行分類。劉麟[8]從宏觀和微觀同時著手，系統全面地總結了黑河流域中、上游生態環境監測的各種單因素、多因素指標。高志海等[9-11]以民勤為例，利用RS和GIS技術，采用遙感影像處理與模擬相結合的方法，以尺度為線索，研究了植被覆蓋變化過程，并將植被覆蓋度劃分為低蓋度植被、中等蓋度植被和高蓋度植被3個等級，提出綠洲荒漠化的遙感評價方法；與此同時應用GIS的空間數據，并結合主成分分析和支持向量機模型，討論了石漠化風險評估方法和實施過程，認為風險評估模型PSO-SVM在石漠化解釋中更為準確。陳賀等[12]運用Mann-Kendall檢驗法，對白洋淀生態系統受干擾程度進行評價。孫蘭東等[13-14]采用綜合指標法選取了4類13項指標，定義敏感度及適應能力概念，構建了石羊河流域生態系統脆弱性評價指標體系。

而民勤荒漠綠洲生態系統在其獨特的地理環境、降水形成條件、人類生存等干擾因素綜合影響下呈現非良性循環，河道斷流、水庫干涸、綠洲面積減少、地下水位下降、沙塵暴危害加劇等已經嚴重危害到人類自身發展。鑒于民勤荒漠綠洲存在諸多不和諧因素，有必要構建一個適宜程度識別指標體系，通過對指標體系的評估結果分析，準確定位民勤荒漠綠洲生態系統所處的狀態，明晰該生態系統演化方向，并通過改變指標來影響整個生態系統運行的趨勢，對生態系統進行跟蹤監測和反饋控制。

1 研究區概況

民勤縣位于甘肅省西北部，河西走廊東北部，石羊河流域下游，是阻隔巴丹吉林沙漠和騰格里沙漠合攏的生態屏障。處在東經101°49′41″～104°12′10″和北緯38°3′45″～39°27′37″之間，總面積約為1.6×106hm2。民勤縣屬于大陸性干旱氣候，多風沙、少降雨，全年平均日照時數3 100 h，年平均風速2.7 m·s-1，多年平均降雨量為116 mm，多年平均有效降雨為64.4 mm，蒸發量在2 300 mm左右。據統計，民勤縣人均水資源占有量為520 m3，僅為世界水平的1/8[15]。民勤縣上游來水量由1956年的5.14×108m3，逐年減少至2002的0.620×108m3，地下水開采成為支撐人類生存和經濟發展的必要措施，經過半個世紀的無序開采，地下水水位平均下降10～20 m，有些地方水位下降30 m。不合理的土地利用導致民勤盆地荒漠化嚴重、生態環境脆弱、植被種類及覆蓋度變化，影響到整個生態系統的結構和功能以及區域水文循環、物種多樣性等。民勤盆地天然沙生植被有70%以上退化，近年來該縣一直致力于建設防風固沙林、農田林網等，人工造林保存面積達到15.324×104hm2以上，有效阻止了沙漠入侵并使部分沙化土地轉為人工綠洲。

2010年民勤縣國內生產總值32.85億元，比上年增長13%，其中第一產業增加值13.68億元，增長5.9%；第二產業增加值9.1億元，增長24.9%；第三產業增加值10.07億元，增長14.8%。到2015年，民勤縣國內生產總值69.56億元，比上年增長9%，其中第一產業增加值23.71億元，增長6.1%；第二產業增加值21.95億元，增長7.7%；第三產業增加值23.91億元，增長11.3%。民勤縣人口呈穩步增長趨勢，截止2011年年末，全縣人口27.47萬人。全縣常住人口24.11萬人，其中農村常住17.94萬人，城鎮常住6.17萬人。

2 民勤荒漠綠洲生態系統適宜程度指標體系的構建

2.1 指標體系的構建過程及指標選擇

生態系統一般具有多層性、相關性和環境適應性，而荒漠綠洲生態系統具有多樣性、多變性、整體性、統計性、自組織性、臨界性等特征，且各影響因子之間存在復雜的非線性耦合關系，因此不能完全采用定量計算的方法來評價生態系統的適宜程度[16],必須要建立一個多層次、多要素的評價系統，采用定性與定量有機結合的方法，以科學合理的運算體系使得復雜的評價問題明朗化[17-18]。

本文從生態系統的目的性和層次性出發，運用層次分析法(AHP)建立荒漠綠洲生態系統的遞階層次結構，分別為目標層、準則層和指標層。對同一層次的各元素關于上一層次中某一準則的重要性進行兩兩比較，構造兩兩比較判斷矩陣，并進行一致性檢驗。由判斷矩陣計算被比較要素對于該準則的相對權重。計算各層要素對該荒漠綠洲生態系統適宜性的總權重，結合現有指標數據及評價尺度，對各要素進行定位和打分，最后對現狀荒漠綠洲生態系統進行適宜程度評價[19-20]。對于指標的選擇應具有代表性、可操控性、可獲取性以及真實可靠性。在此基礎上確定了1個目的層，5個準則層，包含19個指標，見圖1。

2.2 指標權重計算

首先用A表示目標層，B1～B5分別表示準則層的5個元素，C1～C19分別表示指標層的19個影響因素，同時利用1-9標度法構造判斷矩陣A:

(1)

(2)

(3)

為檢驗各層元素重要度之間的協調性，明確已構造判斷矩陣是否符合要求，進而判斷權重系數是否合理，需進行一致性檢驗。計算公式為：

(4)

(5)

C.I.為一致性指標，R.I.為平均隨機一致性指標，C.R.為一致性比例。當C.I.=0時，有完全的一致性；C.I.越接近于0，有滿意的一致性；C.I.越大，不一致越嚴重。R.I.為同階隨機判斷矩陣的一致性指標的平均值，引入R.I.可在一定程度上克服一致性判斷指標隨n的增大而明顯增大的弊端。若一致性檢驗不通過或檢驗結果為負值，則需要重新構造判斷矩陣或調整矩陣中數值的兩兩關系，再進行一致性檢驗，數據處理用Microsoft Office Excel 2007、MATLAB 2014。

表1 三階矩陣系數

圖1 指標層次及分類Fig.1 Index layers and classification

2.3 荒漠綠洲生態系統適宜性評價尺度

生態系統處于適宜發展的狀態，是各指標值都處在一個范圍而非固定值。按照國際現行標準及國內外專家學者論述統計，建立綠洲荒漠生態系統適宜性評價尺度表，完善指標適宜度閾值區間，見表2。根據民勤治沙綜合試驗站資料及民勤縣統計局統計資料匯編對各參評指標進行匯總，計算了各指標權重，各指標層均通過一致性檢驗，C.I.值均小于0.1，C.R.均小于0.1，見表3。

將荒漠綠洲生態系統劃分為適宜、較適宜、穩定、不適宜、嚴重不適宜5個等級，通過對專家評及科研人員的評分意見的統計，評分等級劃分見表4。

3 分析評價結果

民勤荒漠綠洲生態系統適宜綜合得分見表5。通過從水文水資源、氣象、土地利用類型、社會經濟、人口5個方面選取多個指標建立民勤荒漠綠洲生態適宜程度指標體系，對民勤2010-2015年的指標分析得出，準則層B1～B5的權重分別為0.526、0.071、0.176、0.165、0.062，適宜性綜合得分值分別為32.73、37.84、50.73、58.22、75.23、80.79(見表5)。適宜程度從2010年到2015年分別為不適宜、不適宜、穩定、穩定、較適宜和較適宜。雖然分值所處的適宜程度相同，根據分值的不同卻有很大差異。由2010的32.73分上升到2015年的80.79分，分值呈穩定增大趨勢。由圖2可知，B1從2010年到2013年增速緩慢，2013年之后呈現較大增長趨勢，由于B1權重系數最大，它的增長對綜合評分值影響也最大；B2的年際變化波動較大，這與民勤氣候有關，不容易改變，但由于B2的權重為0.071，所以對整體的評分值影響較小；B3從2011年到2013年呈現大幅增長，之后出現波動，增速放緩，B3所占權重為0.176，處于重要地位；B4從2010年到2014年變化不大，人均GDP與第三產業占比雖然增長迅速，但農民純收入卻變化不大，2014年到2015年的B1增長主要取決于人均GDP增長；B5對綜合得分的影響較小，但因其一直保持較穩定的增長趨勢，在一定程度上保證了綜合得分持續上升。由圖3可知，從2010年到2015年的綜合得分增長率分別是13.50%、25.41%、12.86%、22.61%、6.88%。

表2 荒漠綠洲生態系統適宜性評價參評指標尺度分級

表3 2010—2015年各指標統計數據及權重

4 結論與討論

適宜程度就是在考量各種影響因素的前提下，對總體變化趨勢進行把控。研究得出綜合得分增長率變化較大，但總體分值呈增大趨勢，即民勤荒漠綠洲的適宜性增強，已經從分值較小的不適宜狀態慢慢過渡到分值較小的適宜性狀態，這種狀態變化是對人類活動及保護生態環境結果的響應。協調社會各職能部門發展，提高民勤荒漠綠洲生態安全性[21]，側面反映了生態適宜程度的發展趨勢。

綜合得分增長率有兩個高峰，分別是2012年相對于2011年增長12.89分，增長率為25.41%，其中B1單項增長9.96分，對綜合分值貢獻5.60分。水文水資源改變是導致生態系統狀態變化的最主要驅動因素[22]，提高分值的途徑是增加生態用水、增加地表供水量等。在水資源問題嚴峻的大環境下，水資源壓力指數由2000年的0.627減小到2009年的0.329，這與人類調控及預測是密不可分的[15]。B2單項增長40.08分，對綜合分值貢獻2.846分，大氣環流和下墊面變化是氣象干旱的主要因素[6]。B3單項增長25.03分，對綜合分值貢獻4.41分，B3的波動主要來自于人工造林面積的變化而非天然植被面積。蔣友嚴等[24]建立了環境評價模型，研究得出民勤綠洲生態脆弱性的變化，極度脆弱、高度脆弱、中度和輕度脆弱分別為荒漠區、綠洲荒漠交錯帶和綠洲區域。從2000年到2010年內部中度脆弱區域明顯增多，北部外圍島狀綠洲區域增多，民勤荒漠與綠洲的交界區域部分轉化為綠洲區,這是人工造林、工程壓沙、退耕還林等影響因素共同作用的結果。文星等[23]研究指出2000年到2010年民勤綠洲面積增加了327.87 km2，但林地和草地的范圍在縮小，綠洲的破碎度增加而連通性降低，綠洲的穩定性和自我調節功能受到影響，使得生態建設單項分值出現波動。2014年相對于2013年增長17.01分，增長率為22.61%，其中B1單項增長33.73分，對綜合分值貢獻17.74分，由B3單項遞減15.39分，使得綜合分值減少2.71分從而抵消了一部分來自B1的增長分值。地表供水量及生態用水量的增多引起單項分值大幅增長，遞減則是由人工造林面積縮小造成。從2014年到2015年增速放緩，增長率下降為6.88%，其中B2、B3、B4、B5單項分值都在增大，但增長幅度不大，對綜合分值貢獻率都比較小。B4的主要增加值來自于人均GDP，農村經濟發展水平在一定程度上能增強生態系統的適宜程度，但農民人均純收入增長緩慢、第三產業占比小也成為發展的阻力[21]。隨著國民素質的提高，人口數量并不是阻礙生態適宜程度改善的主要因素,但農業人口比重大是B5增長的短板。

表4 適宜程度評分區間

圖2 指標變化趨勢圖Fig.2 Trend of indicator change

圖3 綜合得分增長率Fig.3 Growth rate of comprehensive score

年份Year準則層(權重) Guideline layer(weight)B1(0.526)B2(0.071)B3(0.176)B4(0.165)B5(0.062)A綜合得分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

按照當前趨勢，增速放緩并不影響生態發展趨勢，只要在閾值范圍內對資源進行有效調控，就可以保持生態系統的適宜性，通過這幾年人為的調控，穩定狀態良性循環到一定程度就過渡到分值較低的較適宜狀態，是生態系統中積極因素的累積并發揮效應的過程。民勤荒漠綠洲現處在低分值較適宜狀態，說明現行的人為調控水資源分配比較合理，自 2001 年調水以來民勤綠洲面積從8.93% 增加到2010的11.98% ，民勤綠洲植被生態恢復取得了較好的效果[24]。雖然在分級上屬于較適宜狀態，但因為荒漠綠洲系統本身的脆弱性，還存在生態系統退化的風險，若不重視保護和調控，生態系統抗逆性被消耗殆盡，超過臨界值，就會發展成為具有新功能結構的系統取代原有生態系統，威脅人類生存。因此，在低分值較適宜狀態下，只有按照既定調控機制對現有生態環境繼續進行保護和調節，特別是需要注意在權重系數相對較大、對環境影響非常巨大時，要加大或繼續保持現有的調節模式，才能使生態系統呈現穩定發展趨勢，從而實現人類與其生存環境之間的交互循環過程。