林业生态修复中涵养水源恢复力定量评价方法探析

赵德祥

(重庆市永川区国有林场,重庆 永川 402160)

由于水资源短缺及水污染问题逐渐严重，林业生态修复的各项服务功能备受人们的关注和重视。为了改善生态环境，需要各种类型资源组成多样性的生态环境从而满足人类生产和生活的不同需要。但对特殊资源的森林，由于人口的快速膨胀，灾害的损失以及大量生态资源的利用，逐渐显现出森林资源的不足，进而引发更加严重的环境恶化问题产生。在林业生态修复过程中的涵养水源，通常起到整个林业生态系统对降水进行拦截和存储作用[1]。涵养水源的主要服务是整个林业生态修复服务功能中的重要组成部分，针对涵养水源的恢复力评价具有十分重要的理论和实践意义。林业生态修复是当前林业建设事业中的重要组成部分，可有效改善农业生态环境、调整农业经济整体结构、保证农业生产稳定和高效、增加森林资源及副产品产量、促进农业生产的全面发展等[2]。针对恢复力的传统定量评价是基于整个林业生态系统的组成成分及结构指标对恢复力的自组织能力属性进行评价。但很少对自组织能力、适应能力及抵抗能力等进行全面、综合的评价。基于此，本文以林业生态修复为例，对其过程中的涵养水源恢复力的定量评价方法进行了研究。

1 林业生态修复过程中涵养水源恢复力定量评价方法

1.1 建立涵养水源恢复力评价指标体系

涵养水源恢复力评价指标体系是本文林业生态修复过程中涵养水源恢复力定量评价方法中的核心部分，针对评价因子的选择，遵循科学性、整体性、协调性等原则为基础，根据林业生态修复工程整体实际特点，在众多影响恢复力因素中选择以下几种作为因素，建立涵养水源恢复力评价指标体系。首先将涵养水源恢复力的评价因素划分为3个第一等级指标，分别为自然因素、经济因素及社会因素[3]。每一个一级指标当中都包含多个二级指标。

表1 涵养水源恢复力评价指标体系各等级指标

根据表1中确定的涵养水源恢复力评价指标因素，得出本文涵养水源恢复力评价指标体系中共包含3个一级指标和12个二级指标。

指标A中，水源含量为生态区修复所处地区区域所有水资源的含量，将该因素作为评价体系中的指标可以准确地对涵养水源自身净化污染的能力进行评价，同时评价结果也能够反映出涵养水源在受到外界环境施压下自身所能够降低这种压力的能力；地下水含量是在一定时间范围内，能够为该地区人员提供使用的量，属于水源含量中的一部分，其数值评价结果能够反映该地区整体的生态、环境；年降水量在该评价体系中表示从天空降落到地面上的固态或液态的降水量，在获取该数据时不考虑其蒸发、渗透以及流失到水平面上聚集的深度数据；年蒸发量评价结果能够有效反映该林业生态修复过程中该地区的蒸发能力，将其作为涵养水源循环动力可以准确地反映出涵养水源的更新能力；涵养能力是指涵养水源的植被覆盖情况，该因素评价结果可以反映涵养水源恢复中的调节、改善、水质量等能力，评价结果数值越大，则能力相对越高，反之若评价结果数值越小，则能力越弱；湿度表示涵养水源周围空气的干湿程度，在相同温度、相同空间条件下，含水汽越少则表示空气越干燥，含水汽越多则表示空气越湿润。

指标B中，人均GDP评价结果能够反映涵养水源地区社会经济总体发展情况，同时也能够反映当人类对该地区水源遭破坏时，采取的修复措施对涵养水源的治理和修复能力；农业比重的评价结果数值越高，则说明涵养水源所处地区的原始绿地覆盖面积较小，对于涵养水源的恢复能力不利影响越大，反之农业比重的评价结果数值越低，则说明涵养水源所处地区的原始绿地覆盖面积较大，对于涵养水源的恢复能力不利影响越小；工业比重中工业的种类较多，大部分工业对涵养水源周围环境起到负面作用，尤其是水资源环境。

指标C中，人口密度越高的地区往往生产最为密集，人类产生的生活垃圾会被源源不断地输入到水环境循环当中，因此人口密度越高涵养水源恢复其原本状态的速度将越慢；废水治理设备的数量可以反映该涵养水源区域内的环保意识，这决定涵养水源恢复原本状态的时间进程；道路长度是反映该涵养水源区域与外界沟通的能力，反映该区域人口素质及发展状态，对部分道路长度共线度较小的地区，该指标可忽略不计。

1.2 归一化植被指数数据获取

建立涵养水源恢复力评价指标体系后，采用遥感方法，利用中分辨率成像光谱设备获取林业生态修复过程中的涵养水源影响，从中提取植被指数用以代表涵养水源的恢复能力[4]。从获取到的遥感影像当中提取有关涵养水源周围地表植被的光谱量数量，根据数量的多少可以准确地反映出植被的生长情况，间接反映涵养水源恢复力，归一化植被指数的计算公式为：

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

(1)

公式(1)中，N表示为归一化植被指数；P1表示分辨率成像光谱设备第一波段反射率；P2表示分辨率成像光谱设备第二波段反射率。对每一个分辨率成像光谱设备影响，由于植被生长状态以及云量都存在较大的差异，但均能够有效反映出归一化植被指数的合理性[5]。因此，选择林业生态修复工程中的分辨率成像光谱设备影像进行计算后作为归一化植被指数数据。针对上述指标中的各属性数据可根据：自然因素指标由涵养水源地区气象观测站点的测量数据及水利部门内部相关文件中获取；社会及经济因素指标可通过涵养水源地区近几年的相关统计年鉴获取。

1.3 数据标准化定量处理及权重确定

完成评价方法中各类指标数据的获取后，采用ArcGIS Server 9.2软件中的相关应用程序对自然因素、经济因素和社会因素中的各项数据进行叠加运算，对数据进行量化处理[6]。由于影响林业生态修复过程中涵养水源恢复力的各项指标数据从分级值和计量单位上，都不具有可比性，因此为保证评价结果公平和合理，在评价前应当对数据进行统一的标准化处理，从而使其在参与评价过程中，保证在分级数量不同的情况下，也不失去因子要素的公平公正性。设置各个指标数据属性特征数值均在0～1范围内。指标体系中与涵养水源恢复力呈正向相关的指标数据可用公式(2)表示：

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

(2)

指标体系中与涵养水源恢复力呈逆向相关的指标数据可用公式(3)表示：

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

(3)

公式(2)和公式(3)中，K1表示为正相关指标评价结果，包括：A1、A2、A3、A5、A6、C2、C3；K2表示为逆向相关指标评价结果，包括：A4、B1、B2、B3、C1；Ki表示获取到的指标数据；Kmin表示为某一评价指标中的最小标准值；Kmax表示为某一评价指标中的最大标准值。

本文评价体系中的各项指标权重采用多层因子分析方法确定，具体权重分配如表2所示。

根据表2中的权重分配和公式(1)～(3)计算出各个涵养水源恢复力的定量评价结果，再根据公式(4)计算得出综合评价结果：

(4)

公式(4)中，H表示为最终的评价结果；K表示为评价单元标准化后的定量值K1或K2；Q表示为各个评价指标对涵养水源恢复力评价的影响重要性分配权重。通过公式(4)得出最终林业生态修复过程中涵养水源恢复力的定量评价结果[7]。评价结果H≥0.800，表示涵养水源恢复力优；0.600

2 实验论证分析

本文实验研究区域选择某湖区附近正在进行林业生态修复的区域，该湖区与地面区域的总面积为13 536 km2。该林业生态修复工程的主要内容是涵养水源、改善水文地质环境、调节湿地区域水循环等。分别选用本文提出的评价方法与传统评价方法对该地区涵养水源的恢复力进行评价。数据来源主要选择该地区近几年的森林资源二类调查数据、相关统计年鉴等。为了避免获取的数据出现遗漏，还对该地区周围各项影响恢复力评价结果的因素进行实地考察。分别设置评价方法为实验组，传统评价方法为对照组，对比实验组与对照组的评价结果矢量。矢量值越高，则说明该评价方法的精度越高。根据上述实验结果绘制成图(图1)。

图1 实验组与对照组评价矢量值对比图

根据图1中的两条矢量值对比曲线可以看出，实验组的评价矢量值明显高于对照组，且通过计算得出，实验组在对该地区涵养水源恢复力进行评价的过程中平均矢量值为0.89，而对照组的平均矢量值为0.34。同时，实验组随着评价情况百分比的增加矢量值逐渐接近实际，而对照组在整个评价过程中的矢量值存在明显的波动。因此，通过实验证明，本文提出的涵养水源恢复力定量评价方法具有更高的评价精度，更能满足林业生态修复过程中对涵养水源情况的评价需要。