植被水土保持功能评价方法及应用探讨

纪 和，程 岩

(1.深圳市水务规划设计院股份有限公司,广东 深圳 518022;2.湖北省城市规划设计研究院,湖北 武汉 430070)

1 引言

我国是世界上水土流失最为严重的国家之一，水土流失带来的土地退化、生产力下降、生态环境恶化等，对社会经济可持续发展构成威胁，使水土流失成为我国面临的重大的生态环境问题[1～3]。恢复或增加区域植被是重要的水土保持措施，多数研究认为增加植被覆盖是控制水土流失、改善区域生态环境的重要举措[1, 4，5]。

2 植被水土保持功能概述

植被是地表某一区域内所覆盖的植物群落的总体，是影响区域水土流失的重要因子之一，植被类型、覆盖状况和垂直结构都影响着植被水土保持功能的发挥[1,6，7]。在我国，许多学者从不同角度对植被的水土保持功能进行了研究，例如，在黄土高原的研究表明，森林植被在涵养水源，抑制水土流失，改善生态环境等方面作用显著，发挥了巨大的水土保持效益[4,9]；在南方水土流失区的研究表明，草被建植是一项重要的水土保持植物措施，其在生态恢复与重建中具不可替代的作用[7]。

植被的水土保持功能主要体现在以下多个方面：截留降水、削减降雨侵蚀动能、降低地表径流、增强土壤抗侵蚀性、增加土壤入渗、改善土壤结构、减沙固沙等[6～11]。植被冠层通过叶片直接吸收水分、叶片汇集雨滴，可有效拦截、分散、滞留大气降水，减弱雨滴的动能，实现在植被覆盖下地表降水量小于外界降水量，同时减少雨滴直接击溅土壤的侵蚀作用[6，7,11]。草本层、枯枝落叶层通过延缓地表汇流，减小径流速度，有效地减小地表径流量，降低径流能量，从而削弱地表径流对土壤冲刷，起到降低侵蚀、保育土壤的作用[6,10,13，14]。植被生长过程中形成的有机质、腐殖质等参与土壤水稳性团聚体的形成，植物根系与土壤密集交织，这些都有助于改良土壤结构、改善土壤理化性质，从而增强土壤稳定性、提高土壤的抗冲和抗蚀性和增加土壤的下渗能力[7～9]。地表植被尤其林地郁闭度的增加能够有效降低风速，削弱风的携沙能力，有效阻截、固定、控制流沙，在固土固沙等方面发挥功能[6,15]。诸如此类不同空间层次上的综合作用，极大地促进了植被保持水土的功能，发挥其在涵养水源、保育土壤、减水截留、固土固沙等方面的功能。

3 植被水土保持功能评价指标的选择

3.1 选择原则

植被的水土保持功能不仅受到植被类型、垂直结构和覆盖状况等系统内部因子的影响，还受到系统外部自然条件和人类活动干扰等因素影响[1,5]。评价指标的选择应综合考虑与研究区域植被水土保持功能相对应的指标，也要控制指标数量，所选指标应易于量化、重要性程度高，确保从理论指标体系向实际指标体系的转化[5,8,16]。一般来讲，植被的水土保持功能评价指标选择应考虑以下几点原则[5,8]。

3.1.1 科学性原则

应依据区域内有关水土流失、植被水土保持功能研究等,科学、客观地研究成果，对指标的选择应运用科学思维方法和数学工具、遵循科学决策的程序。

3.1.2 综合性原则

植被的水土保持功能多方面的，与之对应有不同的表征指标。应根据评价目标进行系统分析，建立的综合性的评价指标体系，从本质上反映植被水土保持作用。

3.1.3 主导性原则

反映植被水土保持功能的指标比较复杂，种类较多，应基于水土流失成因分析结果，应优先选择影响植被水土保持功能发挥的具有代表性的、核心指标，突出重点。

3.1.4 可操作性原则

指标的选取应结合实际情况，指标应可量化、计算相对简便，数据可通过调查、搜集、观测、试验等方式获取，具备可操作性。

3.1.5 因地制宜原则

应从研究区域实际出发，区分区域水土流失现状、地形地貌、自然条件、植被结构等差异状况，坚持问题导向，因地制宜地地选取合适的评价指标。

3.2 常用指标

受水土、地域、气候等自然因素及人类活动影响，不同地域的水土流失情况不尽相同，植被对区域水土保持过程的作用机制也存在差异。植被的覆盖程度是影响植被水土保持功能的重要因子，大量的研究成果也证明植被覆盖度与降雨截留、土壤入渗、径流、泥沙量诸多水土保持功能指标存在密切相关性[4,12,17～20]。植被覆盖度这一指标长期以来广泛应用于我国的植被水土保持功能评价研究与实践。随着植被水土保持作用机理研究的深入，一些研究发现植被垂直结构、植被类型等也对植被的水土保持功能具有重要影响[7,14,17,22，23]。因此，许多学者提出选择多种定量指标反映植被水土保持功能，采用多个指标体系进行综合评价。例如，于法展等[5]以江西庐山自然保护区内森林植被为对象，从植被覆盖、多样性、枯落物持水能力、土壤理化形状等方面选取15个指标构建了多层次多指标的评价体系，并对植被的水土保持功能进行综合评价。夏晓平等[11]选取总产流量、总产沙量、径流含沙量、产流速率等指标研究了北京山区河岸带不同植被类型水土保持效果差异。表1简要总结了近年来我国植被水土保持功能评价研究常用指标状况。

表1 植被水土保持功能评价常用指标

4 植被水土保持功能评价方法及其应用

4.1 单因子评价法

单因子评价是指选择一种主导性、代表性指标对植被水土保持功能进行评价。早期大量研究表明[1,4,19,21]，植被水土保持功能主要受植被覆盖度影响，植被的水土保持功能与其覆盖程度呈正相关关系。长期以来，我国植被水土保持功能评价研究主要以单一指标—植被覆盖度(森林覆盖率)为主[1]。例如，罗伟祥[21]利用单因子(植被覆盖度)评价法对黄土高原林地和草地的土壤抗侵蚀能力进行了评价。还有一些指标可以高度综合、概括各类信息，例如叶面积指数，也被应用于植被水保功能评价。韦洪波[12]利用遥感技术提取植被叶面积指数信息，验证了其与输沙模数间的相关关系，从区域尺度对我国黑龙江省南部、西北黄土高原区、西南川贵区、东南区植被水土保持功能进行了评价。

4.2 综合评价法

随着对植被水土保持功能机理认识的进一步加深，采用多样化的指标建立综合性指标体系对植被水土保持功能进行综合评价是主要趋势[5,8,11，12,25～30]。比较常见的综合评价方法主要有以下几类。

4.2.1 加权综合法

加权综合法计算过程相对简单，是一种比较普遍的综合评价方法。加权综合法方法是指对每个评价指标进行权重，用不同评价指标的实测值乘以其对应的权重或系数并进一步求和[12]。例如，黄进等[12]采用专家打分法为各水土保持功能指标赋值权重，进一步加权综合法对浙江省开化生态公益林主要森林类型的水土保持功能进行了比较和评价。

4.2.2 层次分析法

层次分析法是一种定性和定量分析相结合的系统分析方法，将目标有序分解，划分层次，基于定量计算排序结果分析和解决复杂的多目标决策问题。层次分析法具有运算简单、实用性强等优点，被广泛应用于植被水土保持功能综合评价当中。例如，于立忠等[31]运用层次分析法对辽东地区主要林型涵养水源能力进行了评估。胡建忠等[23]运用层次分析法对黄河上游地区退耕地人工植被水土保持功能进行了综合评价。孙浩等[28]采用层次分析法建立林分生态水文功能的层次结构模型，并用综合评分方法对6种典型林分生态水文功能进行了评价。

4.2.3 主成分分析法

主成分分析也称主分量分析，是多元统计分析的一个分支，属于多变量综合评价方法旨在利用降维的思想，把多指标转化为少数几个综合指标。应用主成分分析方法综合评价植被的水土保持功能，能够进一步厘清主导因子，对进一步从整体上揭示植被保持水土的实质具有实际意义。例如，贺尧等[28]遴选植被冠层截留量、植被冠层高度、乔灌郁闭度、基部盖度、枯枝落叶层截留量、枯枝落叶层厚度和有效根密度等指标建立水保功能评价体系，并运用主成分分析法对煤矸石山不同类型植被的水土保持功能进行了评价。

4.2.4 人工神经网络分析

人工神经网络从信息处理角度拟脑神经系统的结构和功能，通过大量处理单元互联构建形成人工网络。BP(BackPropagation)算法是一种适用于多层网络的学习算法，其可以通过对大量输入样本的反复学习训练自行归纳问题的特征并得到相对客观的权重，适合于因果关系复杂的非确定性推理、判断、识别和分类等问题[32]。例如，桂凌等[33]利用人工神经网络技术和遗传算法，构建了等级评价模型，对鄂尔多斯人工沙棘林的水土保持功能进行综合评价。

4.2.5 多属性评价法

多属性评价法是从多个方案筛选最优方案，解决多对象、多属性决策问题的评价方法[34]。TOPSIS 逼近理想点分析法是多属性评价法的一种，其通过对各评价对象与最优、最劣方案间的相对距离进行排序，选择最优方案的分析方法[27]。例如，周巧稚[16]对晋西黄土区不同密度刺槐林的涵养水源、保育土壤、生物多样性保护、理水减沙功能进行研究，并运用TOPSIS评价方法对刺槐林水土保持功能做出综合评价。谭正鑫[34]结合运用 AHP 层次分析法，TOPSIS 逼近理想点法，构建了多层次指标评价体系，对淮河下游盱眙月亮山人工林地的水土保持功能进行了评价和分析。李亦然等[27]以鲁中南山区混交林为研究对象，综合13项水土保持效益指标，运用熵权法计算权重，基于TOPSIS原理对各混交林模式进行评价，筛选出适合石灰岩山地和砂石山地的混交林。

5 展望

综合评价法目前已成为植被水土保持功能评价的主导方法，众多学者采用多样化的评价方法进行了有益的探索，取得了大量研究成果。但由于植物水土保持功能的形成机制、作用过程比较复杂，受诸多因素影响较多，至今尚未形成统一确定的评价指标体系。在植被水土保持功能研究中，部分指标受到外界环境和人为因素的干扰，不可避免地具有一定的主观性。因此，在今后研究中，应加强观测研究，基于科学实验结果筛选出更为合理的指标，更为全面、客观的评价植被水土保持功能。同时，现阶段的植被水土保持功能评价多以静态评价为主，仅仅依靠短期的试验和观测,许多现象往往难以发现从而影响评价的科学性、客观性。未来研究中应加强对植被水土保持功能动态监测与评价研究，逐步适用于不同区域特点的植被水土保持功能指标体系和评价方法。