朝阳县水土保持生态效应高敏感性指标的评价研究

霍 妍

(辽宁省朝阳县水土保持局，辽宁 朝阳 122000)

0 引 言

随着人们对生态环境保护意识的增强和经济社会的不断发展，关于水土流失治理问题越来越引起人们的重视，以区域生态治理模式逐渐成为区域水土保持规划的重要依据。评价指标的敏感性是反映指标对生态效应评价贡献率大小或影响程度的重要参数，对指标敏感性的科学分析不仅能够为区域水土保持方案的优化调整提供科学依据，而且可用于水保效应评价指标的考察与调整。当前，针对指标敏感性问题诸多学者从不同角度开展了一系列研究，为生态保护和治理效益评价方面取得了一些成果，如梁欢欢等通过改变指标权重，运用MCDA分析模块验证、分析了权重赋值的准确性，为风险控制和决策提供科学的指导；周同等针对绿色建筑评价敏感性指标采用得分率统计方法进行科学的分析，通过对较弱敏感性指标成因的分析提出了评价此类参数的方法；蔡甲冰等针对冬小麦缺水问题运用通经原理进行了深入分析，从而确定了影响作物生长的敏感性因子；张鹏、刘永杰等采用灰色关联法和主成分法优选了煤矿安全生产的敏感性因子；迟国泰等以财务报告敏感性和主成分原理为依据，通过对指标权重和评价因子的筛选提出了更加科学有效的方法[1-7]。鉴于此，结合已有研究成果和主成分基本原理，针对区域生态效应评价问题分析了各指标的敏感性程度，通过对敏感性指标的综合排序，为生态效应评价、权重赋值和评价因子优选提供一定决策依据。

1 研究方法

生态效应评价指标的选取要考虑研究区水土保持的特点，各指标实测数的据获取方法有监测站监测、遥感影像和现场采样等。为了客观、准确的反映生态效应评价因子间的非线性复杂关系，将多维数据利用主成分分析法降维处理，选择相互独立的几个主成分替代多个变量，通过线性组合的初始实测数据构成各主成分值。这些主成分携带的有效信息彼此独立，且能够包含绝大部分初始数据信息[8-10]。

将生态效应敏感性指标利用主成分分析法评价，其原理为设定p、n分别为评价指标和样本数，从而构造p×n阶矩阵X，线性组合p个向量X1、X2、…、Xp，则矩阵X的互不相关的各主成分可表示为：

Zi=li1X1+li2X2+…+lipXp

(1)

式中：Zi、Xi为第i个主成分和n维向量；lij为系数。

根据下述流程实现生态效应各主成分的识别，具体如下：

步骤一：采用监测站监测、遥感影像和现场采样等方式获取p个指标关于研究区n组样本的实测值，通过标准化处理构造实对称的相关系数矩阵R。

步骤二：根据下述计算公式对水土保持生态效应各指标的特征向量和特征值进行求解，即：

|R-λiI|=0

(2)

式中：I、λ为单位向量和矩阵特征值。

按照从大到小的原则将特征值进行排序，则有λ1≥λ2≥…≥λp≥0，并将所对应的向量ei进行求解，其中i=1,2,…,p。

步骤三：累计方差贡献率r和主成分贡献率ωi的计算公式分别如下：

(3)

(4)

将生态效应敏感性指标运用组成分分析法识别，选择的主成分所包含的信息量一般为全部的70%-90%，按照方差累计贡献率确定保留的主成分，为保证计算精度和评价结果可靠性按照累计方差>90%确定前k个主成分。

步骤四：分别利用下式计算主成分荷载lij和指标敏感性，即：

(5)

(6)

式中：eij为主成分j关于向量ei的数值；βj为生态效应敏感性指标xj的贡献率，指标j的敏感性随βj值的增大而增大，相应的该指标重要性越高；反之，则敏感性和重要性越低。

2 实例分析

2.1 区域概况

朝阳县地处辽西山地丘陵区，大凌河中上游，介于E119°52′-120°47′、N40°55′-41°54′之间，总面积3757km2。该区域平原面积较少，丘陵分布广泛且地形多样，地势特征表现出自西北向东南倾斜、东南高而西北低的变化特征。境内山脉纵贯，有沿深缓平的冲积平原、沟壑纵横的丘陵和连绵起伏的中低山地，丘陵地区和山区存在较大的高差，约为300-600m，因此该区域属于土石质低山丘陵区。该区域人类生产活动频繁、生态环境脆弱属于国家重点水土流失治理区，由于历史上干旱少雨、生态植被严重破坏和不合理的土地利用，当地土壤较为贫瘠，植被稀少，土壤抗侵蚀力差，水土流失和生态环境破坏问题十分突出，严重制约着当地可持续发展和城市生态环境保护，城市生态安全和人居环境面临着严峻挑战。

为改善当地自然生态环境和农业生产条件，加强荒山缓坡的治理力度，促进农民增收和带动地方经济发展，就必须将地方经济发展规划与水土流失治理、污染控制、自然环境治理有效结合，开展以田园路村、山水林草为主的小流域综合治理。朝阳县水土保持管理部门和生态环境工程技术服务企业，依据治理措施配置、经济社会条件、水土流失类型、地形地貌特征以及自然状况等勘察资料，经实地勘察开展实施了一系列的水土保持综合治理项目。为了更加全面、客观的反映水土保持的生态效应，有必要考虑当地水土流失现状、特点及其成因，综合评价高敏感性因子[11]。

2.2 指标敏感性计算

遵循系统性、科学性、可获取性、合理性和客观性等原则，综合考虑朝阳县地形地貌特征、水土流失特点和土壤侵蚀类型，结合现有技术条件和水土资源开发利用规划，依据水土保持相关资料获取生态效应敏感性指标值，见表1。

表1 生态效益敏感性指标实测值

由于不同指标的量纲不同无法直接参与敏感性计算分析，为消除各指标量纲差异性带来的不可通透性需要采用Z-score法进行标准化处理后，其表达式为：

(7)

根据标准化处理后的矩阵和主成分原理求解特征值，然后采用累积方差、贡献率计算方法和矩阵特征值计算结果，确定主成分贡献率，如表3。

表2 生态效益敏感性指标标准值

表3 生态效应评价累计方差和主成分贡献率

从表3可以看出，累计方差贡献率在前2项成分可达到97.11%，所以保留第一、二主成分即可满足信息量>90%的要求。然后对各指标敏感性和主成分荷载分别利用计算式(5)、(6)进行计算，结果如表4。

表4 指标敏感性及主成分荷载

2.3 结果分析

1)按照从小到大的原则将各指标敏感性进行排序，即沙尘暴日、风蚀模数、耕地面积占比、沙化土体占比、土壤风蚀面积占比、盐碱地比和林草覆盖率。生态效应评价结果受林草覆盖率指标的影响最大，对水土保持评价的贡献率最高；相对于其他指标沙尘暴日的影响程度最弱，应结合朝阳县地形地貌特征、水土流失特点及土壤侵蚀类型进一步分析该指标敏感性弱的原因，根据分析结果提取切实有效的治理措施。

2)根据敏感性指标评价结果，为揭示水保措施的作用效应和生态效应指标权重提供一种新的途径。采用下式计算确定指标权重αi，即：

(8)

按照以上公式确定指标x1-x7的权重依次为0.145、0.150、0.146、0.144、0.128、0.140、0.147。较传统的层次分析法和专家评分法确定的权重，该方法能够有效避免专家主观判断对生态效应评价的影响，从而提高结果的客观性和准确性，为区域水土保持规划和综合效应评价提供科学依据。

3)在指标敏感性分析过程中，该方法弥补了以往方法权重计算和贡献率不合理的缺陷，综合考虑各参数的贡献率大小赋予权重。

4)在生态效应预测性指标选取时提供科学的判别依据，通过对较高敏感性指标的长期监测预测未来水土流失的可能发展变化，从而为水土保持方案的科学制定和水土保持规划提供参考，揭示各项治理措施的作用机理，进一步完善并修订综合治理方案提供一定指导作用。

3 结 论

1)对辽西低山丘陵区朝阳县水土保持生态效益敏感性指标利用主成分分析法评价，科学合理的确定各指标对生态效应评价的贡献率大小，可为水土保持方案的设计和综合效应评价提供科学依据。结果显示，前2项主成分盐碱地占比和林草覆盖率的累计方差贡献率可达到97.11%，所以保留第一、二主成分即可满足信息量>90%的要求。

2)在指标敏感性分析过程中，主成分分析法弥补了以往方法权重计算和贡献率不合理的缺陷。然而，综合考虑各参数的贡献率大小赋予权重针对生态效应总体评价中敏感性指标分析的应用、弱敏感性指标的应对策略及其成因分析，前瞻性、适用性指标的选取问题扔需要进一步深入研究。