林業生態修復中涵養水源恢復力定量評價方法探析

趙德祥

(重慶市永川區國有林場,重慶 永川 402160)

由于水資源短缺及水污染問題逐漸嚴重，林業生態修復的各項服務功能備受人們的關注和重視。為了改善生態環境，需要各種類型資源組成多樣性的生態環境從而滿足人類生產和生活的不同需要。但對特殊資源的森林，由于人口的快速膨脹，災害的損失以及大量生態資源的利用，逐漸顯現出森林資源的不足，進而引發更加嚴重的環境惡化問題產生。在林業生態修復過程中的涵養水源，通常起到整個林業生態系統對降水進行攔截和存儲作用[1]。涵養水源的主要服務是整個林業生態修復服務功能中的重要組成部分，針對涵養水源的恢復力評價具有十分重要的理論和實踐意義。林業生態修復是當前林業建設事業中的重要組成部分，可有效改善農業生態環境、調整農業經濟整體結構、保證農業生產穩定和高效、增加森林資源及副產品產量、促進農業生產的全面發展等[2]。針對恢復力的傳統定量評價是基于整個林業生態系統的組成成分及結構指標對恢復力的自組織能力屬性進行評價。但很少對自組織能力、適應能力及抵抗能力等進行全面、綜合的評價。基于此，本文以林業生態修復為例，對其過程中的涵養水源恢復力的定量評價方法進行了研究。

1 林業生態修復過程中涵養水源恢復力定量評價方法

1.1 建立涵養水源恢復力評價指標體系

涵養水源恢復力評價指標體系是本文林業生態修復過程中涵養水源恢復力定量評價方法中的核心部分，針對評價因子的選擇，遵循科學性、整體性、協調性等原則為基礎，根據林業生態修復工程整體實際特點，在眾多影響恢復力因素中選擇以下幾種作為因素，建立涵養水源恢復力評價指標體系。首先將涵養水源恢復力的評價因素劃分為3個第一等級指標，分別為自然因素、經濟因素及社會因素[3]。每一個一級指標當中都包含多個二級指標。

表1 涵養水源恢復力評價指標體系各等級指標

根據表1中確定的涵養水源恢復力評價指標因素，得出本文涵養水源恢復力評價指標體系中共包含3個一級指標和12個二級指標。

指標A中，水源含量為生態區修復所處地區區域所有水資源的含量，將該因素作為評價體系中的指標可以準確地對涵養水源自身凈化污染的能力進行評價，同時評價結果也能夠反映出涵養水源在受到外界環境施壓下自身所能夠降低這種壓力的能力；地下水含量是在一定時間范圍內，能夠為該地區人員提供使用的量，屬于水源含量中的一部分，其數值評價結果能夠反映該地區整體的生態、環境；年降水量在該評價體系中表示從天空降落到地面上的固態或液態的降水量，在獲取該數據時不考慮其蒸發、滲透以及流失到水平面上聚集的深度數據；年蒸發量評價結果能夠有效反映該林業生態修復過程中該地區的蒸發能力，將其作為涵養水源循環動力可以準確地反映出涵養水源的更新能力；涵養能力是指涵養水源的植被覆蓋情況，該因素評價結果可以反映涵養水源恢復中的調節、改善、水質量等能力，評價結果數值越大，則能力相對越高，反之若評價結果數值越小，則能力越弱；濕度表示涵養水源周圍空氣的干濕程度，在相同溫度、相同空間條件下，含水汽越少則表示空氣越干燥，含水汽越多則表示空氣越濕潤。

指標B中，人均GDP評價結果能夠反映涵養水源地區社會經濟總體發展情況，同時也能夠反映當人類對該地區水源遭破壞時，采取的修復措施對涵養水源的治理和修復能力；農業比重的評價結果數值越高，則說明涵養水源所處地區的原始綠地覆蓋面積較小，對于涵養水源的恢復能力不利影響越大，反之農業比重的評價結果數值越低，則說明涵養水源所處地區的原始綠地覆蓋面積較大，對于涵養水源的恢復能力不利影響越小；工業比重中工業的種類較多，大部分工業對涵養水源周圍環境起到負面作用，尤其是水資源環境。

指標C中，人口密度越高的地區往往生產最為密集，人類產生的生活垃圾會被源源不斷地輸入到水環境循環當中，因此人口密度越高涵養水源恢復其原本狀態的速度將越慢；廢水治理設備的數量可以反映該涵養水源區域內的環保意識，這決定涵養水源恢復原本狀態的時間進程；道路長度是反映該涵養水源區域與外界溝通的能力，反映該區域人口素質及發展狀態，對部分道路長度共線度較小的地區，該指標可忽略不計。

1.2 歸一化植被指數數據獲取

建立涵養水源恢復力評價指標體系后，采用遙感方法，利用中分辨率成像光譜設備獲取林業生態修復過程中的涵養水源影響，從中提取植被指數用以代表涵養水源的恢復能力[4]。從獲取到的遙感影像當中提取有關涵養水源周圍地表植被的光譜量數量，根據數量的多少可以準確地反映出植被的生長情況，間接反映涵養水源恢復力，歸一化植被指數的計算公式為：

N=(P2-P1)/(P2+P1)

(1)

公式(1)中，N表示為歸一化植被指數；P1表示分辨率成像光譜設備第一波段反射率；P2表示分辨率成像光譜設備第二波段反射率。對每一個分辨率成像光譜設備影響，由于植被生長狀態以及云量都存在較大的差異，但均能夠有效反映出歸一化植被指數的合理性[5]。因此，選擇林業生態修復工程中的分辨率成像光譜設備影像進行計算后作為歸一化植被指數數據。針對上述指標中的各屬性數據可根據：自然因素指標由涵養水源地區氣象觀測站點的測量數據及水利部門內部相關文件中獲取；社會及經濟因素指標可通過涵養水源地區近幾年的相關統計年鑒獲取。

1.3 數據標準化定量處理及權重確定

完成評價方法中各類指標數據的獲取后，采用ArcGIS Server 9.2軟件中的相關應用程序對自然因素、經濟因素和社會因素中的各項數據進行疊加運算，對數據進行量化處理[6]。由于影響林業生態修復過程中涵養水源恢復力的各項指標數據從分級值和計量單位上，都不具有可比性，因此為保證評價結果公平和合理，在評價前應當對數據進行統一的標準化處理，從而使其在參與評價過程中，保證在分級數量不同的情況下，也不失去因子要素的公平公正性。設置各個指標數據屬性特征數值均在0～1范圍內。指標體系中與涵養水源恢復力呈正向相關的指標數據可用公式(2)表示：

K1=(Mi-Mmin)/(Mmax-Mmin)

(2)

指標體系中與涵養水源恢復力呈逆向相關的指標數據可用公式(3)表示：

K2=(Mmax-Mi)/(Mmax-Mmin)

(3)

公式(2)和公式(3)中，K1表示為正相關指標評價結果，包括：A1、A2、A3、A5、A6、C2、C3；K2表示為逆向相關指標評價結果，包括：A4、B1、B2、B3、C1；Ki表示獲取到的指標數據；Kmin表示為某一評價指標中的最小標準值；Kmax表示為某一評價指標中的最大標準值。

本文評價體系中的各項指標權重采用多層因子分析方法確定，具體權重分配如表2所示。

根據表2中的權重分配和公式(1)～(3)計算出各個涵養水源恢復力的定量評價結果，再根據公式(4)計算得出綜合評價結果：

(4)

公式(4)中，H表示為最終的評價結果；K表示為評價單元標準化后的定量值K1或K2；Q表示為各個評價指標對涵養水源恢復力評價的影響重要性分配權重。通過公式(4)得出最終林業生態修復過程中涵養水源恢復力的定量評價結果[7]。評價結果H≥0.800，表示涵養水源恢復力優；0.600

2 實驗論證分析

本文實驗研究區域選擇某湖區附近正在進行林業生態修復的區域，該湖區與地面區域的總面積為13 536 km2。該林業生態修復工程的主要內容是涵養水源、改善水文地質環境、調節濕地區域水循環等。分別選用本文提出的評價方法與傳統評價方法對該地區涵養水源的恢復力進行評價。數據來源主要選擇該地區近幾年的森林資源二類調查數據、相關統計年鑒等。為了避免獲取的數據出現遺漏，還對該地區周圍各項影響恢復力評價結果的因素進行實地考察。分別設置評價方法為實驗組，傳統評價方法為對照組，對比實驗組與對照組的評價結果矢量。矢量值越高，則說明該評價方法的精度越高。根據上述實驗結果繪制成圖(圖1)。

圖1 實驗組與對照組評價矢量值對比圖

根據圖1中的兩條矢量值對比曲線可以看出，實驗組的評價矢量值明顯高于對照組，且通過計算得出，實驗組在對該地區涵養水源恢復力進行評價的過程中平均矢量值為0.89，而對照組的平均矢量值為0.34。同時，實驗組隨著評價情況百分比的增加矢量值逐漸接近實際，而對照組在整個評價過程中的矢量值存在明顯的波動。因此，通過實驗證明，本文提出的涵養水源恢復力定量評價方法具有更高的評價精度，更能滿足林業生態修復過程中對涵養水源情況的評價需要。