清河流域水生态系统功能评价及主要驱动因子识别

赵璐璐　李艳红　惠婷婷　苑芷茜　贾文娟

(辽宁省环境监测实验中心，辽宁 沈阳　110161)

清河流域水生态系统功能评价及主要驱动因子识别

赵璐璐李艳红惠婷婷苑芷茜贾文娟

(辽宁省环境监测实验中心，辽宁 沈阳110161)

【摘要】以辽宁省铁岭市清河流域为研究区，构建了包括4大类16个因子的水生态系统功能评价指标体系，并结合2000-2007年研究区基础数据，综合运用主成分分析法，熵权综合指数法和相关性分析法对研究区水生态系统功能进行评价并识别主要驱动因子，结果表明：信息功能>生产功能>调节功能>生境功能，主要驱动因子为：水质综合污染指数、底栖动物多样性指数、藻类多样性指数、GDP、粮食总产量、水产品产量、绿化覆盖率和旅游收入，评价结果为功能分区和水资源合理利用、地方经济发展提供了参考和依据。

【关键词】清河流域；水生态系统功能；驱动因子

中图分类号：X21

文献标识码：码：A

文章编号：号：1673-288X(2015)05-0159-03

Abstract：A system of candidate indices，including 4 classes and 16 factors，was set based on the basic data collected from Qing River Basin in 2000-2007.Principal component analysis，entropy methods and correlation analysis were used to evaluate the function. The results showed that information function was stronger than production function，regulation function and habitat function，which would provide useful information and foundation for functional division，reasonable use of water and economic development.

Keywords：qing river basin；aquatic ecosystem function；driving factor

作者简介：黄玉源，教授，博士，主要从事城市生态、生态经济与植物生态研究

1引言

我国传统的河流及流域管理是在行政单元划分的基础上实行按区管理，但从生态学角度来讲这并不科学，故而近年来一些学者试图从生态系统功能角度入手，将河流及流域进行分区管理[1]，这就需要将生态系统功能进行分类识别。本文以辽宁省铁岭市清河流域为研究区，对水生态系统功能进行分类，并识别其强弱和主要驱动因子，一方面为功能分区提供参考，另一方面为水资源的合理利用和地方经济发展提供依据。

2研究区概况

清河流域位于我国辽宁省铁岭市东北部，铁岭市清河区、开原市、西丰县和抚顺市清原县辖区内，流域面积5674.28km2，属丘陵地区，大部分属农耕地[2]。

3评价指标与方法

3.1　评价指标体系与数据来源

水生态系统功能是指水生态系统及其生态过程所形成及所维持的人类赖以生存的自然环境条件与效用[3]。基于Groot 对生态系统功能的定义和4种基本类型划分[4]，借鉴Costanza 等1997 年关于生态系统服务研究成果[5-6]，结合研究区实际，依据主导性、科学性和基础数据的可获取性等原则筛选评价指标，建立评价指标体系见表1。分析所用数据来源于2000-2007 年《辽宁统计年鉴》、《辽宁经济统计年鉴》、《辽宁省环境质量报告书》。个别年份缺失数据依实际情况取均值替代或参照临近年份赋值。

表1　清河流域水生态系统功能评价指标体系

3.2　评价方法

首先运用主成分分析法对四组因子层指标，即A11～A18、A21～A23、A31～A33、A41～A42分别进行分析[7-9]，得到目标层2四种功能的评价结果，然后应用熵权综合指数法[7]对其进行客观赋权，计算综合得分，得到目标层1清河流域水生态系统功能得分，进而计算目标层2与目标层1的相关系数[10-12]，得到功能强弱排序，最后进行目标层1与因子层数据的相关性分析，得出清河流域水生态系统功能主要驱动因子。

4结果与讨论

4.1　主成分分析(以调节功能为例)

将数据进行“正向化”、“标准化”处理，标准化后的数据记作ZA11-ZA18。对A11-A18进行主成分分析可得到主成分的特征值和方差贡献率，依据累积方差贡献率≥85%的原则，确定主成分个数为4。计算初始因子载荷矩阵，得到主成分表达式为：

F1=0.490*ZA11+0.530*ZA12-0.100*ZA14-0.010*ZA15-0.320*ZA16-0.360*ZA17+0.480*ZA18

F2=0.210*ZA11+0.180*ZA12+0.530*ZA13+0.600*ZA14+0.310*ZA15+0.250*ZA16+0.330*ZA17+0.140*ZA18

F3=-0.100*ZA11-0.170*ZA12-0.360*ZA13-0.010*ZA14+0.650*ZA15-0.460*ZA16+0.360*ZA17+0.180*ZA18

F4=-0.170*ZA11-0.250*ZA12-0.380*ZA13+0.380*ZA14+0.070*ZA15+0.440*ZA16-0.440*ZA17+0.480*ZA18

以方差贡献率为主成分权重则调节功能FA1表达式为：

FA1=0.34287*F1+0.28992*F2+0.21702*F3+0.08284*F4

以此类推，生境功能FA2、生产功能FA3、信息功能FA4计算得到评价结果

4.2　熵权综合指数法分析

进行数据“正向化”处理，计算各指标对全部样本的比重、熵值和熵权，见表2。

表2　各指标熵值和熵权

则清河流域水生态系统功能综合得分FA表达式为：

FA=0.19*FA1+0.25*FA2+0.32*FA3+0.25*FA4

4.3　相关性分析

进行正态分布检验得FA、FA1、FA2、FA3、FA4均符合正态分布，计算pearson相关系数，结果见表3，根据相关系数绝对值大小得出功能强弱排序。

表3　FA与FA1、FA2、FA3、FA4的相关系数

清河流域水生态系统功能评价结果为：信息功能>生产功能>调节功能>生境功能。

同理，先进行正态分布检验，再计算FA与ZA11-ZA42的相关系数，结果见表4。根据相关性分析结果，认为相关系数值大于0.8为显著相关，则清河流域水生态功能主要驱动因子为：水质综合污染指数、底栖动物多样性指数、藻类多样性指数、GDP、粮食总产量、水产品产量、绿化覆盖率、旅游收入。

表4　FA与ZA11-ZA42的相关系数

5结论

(1)将辽宁省铁岭市清河流域水生态系统功能分为调节、生境、生产、信息4大类。其中调节功能选取空气综合污染指数、年均气温、年均降水量等8个因子；生境功能选取藻类多样性指数和底栖动物多样性指数3个因子；生产功能选取GDP、水产品产量和粮食总产量3个因子；信息功能选取绿化覆盖率和旅游收入2个因子作为评价指标。构建出清河流域水生态系统功能评价指标体系。

(2)利用2000-2007年基础数据，综合运用主成分分析法、熵权综合指数法和相关性分析法，识别出辽宁省辽河流域水生态系统功能强弱和主要驱动因子，即信息功能>生产功能>调节功能>生境功能，主要驱动因子为水质综合污染指数、底栖动物多样性指数、藻类多样性指数、GDP、粮食总产量、水产品产量、绿化覆盖率和旅游收入。

(3)功能强弱和主要驱动因子的识别结果，为从生态系统功能角度进行河流及流域分区管理提供了依据。可将研究区按照生态系统4大类功能分区，依据地理空间上生态系统功能强弱制定不同的地方发展战略，扬长避短，使管理更加科学，同时达到生态效益，经济效益和社会效益的最大化。

参考文献：

[1]孟伟，张远，郑丙辉.水生态系统区划方法及其在中国的应用前景[J].水科学进展2007，18(2)：293-300.

[2]毕彤等.2001-2005 辽宁省环境质量报告书[R].辽宁：辽宁省环境保护局，2006：4.

[3]Daily G.C.Nature’s Services：Societal Dependence on Natural Ecosystems[M].Washington D.C：Island Press，1997.

[4]DE GROOT R S，WILSON M A，BOUMANS R M J.A typology for the classification，description and valuation of ecosystem functions，goods and services[J].Ecological Economics，2002，41(3)：393-408.

[5]Seidl A F，M oraes A S.Global valuation of ecosystem services：application to the Pantanal da Nhecolandia，Brazil[J].Ecological Economics，2000，33(http：//211.82.164.129 /kns50 /detai.l aspx QueryID=99&CurRec=31)：1-6.

[6]刘丽梅.内蒙古旅游业发展的实践分析及总体评价[J].干旱区 资源与环境，2006，20(1)：62-67.

[7]张瑞龙.基于熵权与AHP 的上市公司经营绩效评价—以路桥类上市公司为例[D].南京：南京理工大学，2007：29，26-42.

[8]马文明.基于主成分分析法和熵值法的我国指数基金综合评价[D].湖南：中南大学，2007：34-52.

[9]何志云.SPSS 软件在南宁市内河水质综合评价中的应用[J].硅谷：106-107.

[10]郑丙辉，张远，李英博.辽河流域河流栖息地评价指标与评价方法研究[J].环境科学学报，2007，27(6)：928-936.

[11]张楠，孟伟，张远，郑丙辉.辽河流域河流生态系统健康的多指标评价方法[J].环境科学研究，2009，22(2)：162-170.

[12]张红兵，贾来喜，李潞.SPSS 宝典[M].北京，2007：226-228，240-243.

Assessment of Aquatic Ecosystem Function of Qing River

Basin and the Main Factors

ZHAO LuluLI YanhongHUI TingtingYUAN ZhiqianJIA Wenjuan

(Environmental Monitoring Testing Center of Liaoning Province，Shenyang 110161，China)

《环境与可持续发展》学术影响因子逼近2.000

位列环境保护部主管期刊第一名

在全国收录环境科学类66种期刊中排位第六名

据知网2014年12月16日发布的《中国学术期刊影响因子年报(自然科学与工程技术(2014版)》，我刊学术影响因子显著大幅度提高。由2011年0.831和2012年1.030，提高到2013年逼近2.000大关，为1.971，名列环境保护部主管期刊第一名。在全国收录环境科学类66种期刊中排位第6名，其中2012年位列全国第18名，2011年第29名，2010年第33名。

项目资助：深圳市人居环境委员会项目(SZGX2012118F-SCZJ)；深圳市环境监测中心站委托项目(D1141320)

引用文献格式：黄玉源.以南宁市为例分析实施生态经济战略的重大效益[J].环境与可持续发展，2015，40(5)：162-164.