山水林田湖草生态修复评价指标体系构建——以铜川市为例

梁朝铭，曹庆一，杨 柳，吴 涛，王琦琦

(中国矿业大学(北京) 地球科学与测绘工程学院，北京 100083)

长期以来，受持续增长的人口压力、高强度的国土开发建设活动、自然资源大范围开发利用等因素影响，我国部分地区生态系统退化严重[1]。十八大以来，习近平从生态文明建设的宏观视野提出“山水林田湖草生命共同体”概念。山水林田湖草是一个生态有机体，人依赖于田，田依赖于水，水依赖于山，山依赖于土，土依赖于林草[2-3]。山水林田湖草各要素生态过程相互影响、相互制约，是不可分割的整体[4-5]。作为我国生态文明建设的重要内容，当前山水林田湖草生态保护修复试点工程正在如火如荼地进行当中，但针对山水林田湖草生态修复效果的评价体系尚不完善。因此，建立系统和有效的指标评价体系已成为我国生态修复工作亟待解决的重要内容。

生态修复的概念最早由美国的利奥博德(Leppold)等人于1935年提出，人类利用工程手段使得受到破坏的生态恢复到自然生态的面貌[6]。1987年，“生态修复”的定义在国际上被确立：在整体性的基础上对生态系统进行修复及管理的科学，包括生态系统中的区域、生物、结构、生产、可持续等领域[7]。20世纪60年代，生态环境评价系统、生态环境评价程序2种理论被提出和逐渐丰富。生态环境评价系统主要应用于流域区域内生态质量评价，生态环境评价程序主要应用于筛选生态环境的影响因子[8-9]。1987年，Bradshaw[10]提出从生态可持续性、抵制入侵、自然生产力、营养物质、生物作用等标准来判断生态恢复情况。1994年，Land[11]提出从林地指标、生态环境指标、经济效益指标来评价森林生态修复效果。2004年，国际生态恢复协会(SBR)[12]提出从生态系统自然维持、抗干扰能力及能量交流3个方面的9个特征指标来评价生态系统恢复效果。Everaert等利用分类树模型对欧洲某生态河岸的建设进行了评价。目前我国生态学者进行生态修复评价主要运用指示物种法和指标体系法两大类方法[13-16]。指示物种法是选取某生态系统中主要的一种或者多种指示生物来对生态修复效果进行评价，指标体系法针对要评价的对象构建一套包含不同层面的评价指标体系来进行效果评价[17-18]。宋立伟[17]利用鸟类作为指示物种对深圳湾地区的河流生态修复效果进行了评估，并指出生态修复效果良好的河流区域鸟的种类和数量会明显增多。吕晋[18]筛选了影响浅水湖泊浮游植物生长的生态因子并构建了湖泊生态修护评价指标体系。王晶晶[19]针对磷矿山生态修复工程，构建了基于生态效益分析的指标体系，并结合实际情况做出了评价。

目前，生态修复评价体系已在许多研究中被提出，但通常将矿山、河流、森林等生态子系统分割开来进行独立研究[20-22]。近年来，我国山水林田湖草生态修复工程已在全国范围内得到响应，但以生态综合治理、系统治理为导向的生态修复效果评价体系仍亟待完善。本文以国内外文献数据库为基础，应用文献计量和频度分析全面总结了国内外研究中关于山水林田湖草生态修复评价的常用指标。以铜川市为例，结合其山水林田湖草生态修复工程规划，应用实际工程分析、层次分析法和专家打分法系统地构建了山水林田湖草生态修复评价指标体系，明确了指标权重，可为我国生态修复评价管理提供重要参考和借鉴。

1 研究区概况

铜川市位于陕西省中部，处于黄土高原向关中盆地的过渡地带，属暖温带大陆季风气候，四季分明，雨热同季，地区差异明显。铜川市地属鄂尔多斯地台向斜南缘挠褶带，南与渭河地堑毗邻，是土高原南缘的残塬区，境内地势北高南低，地形起伏较大，海拔在+543～+1 741 m，平均海拔1 132 m[23]。研究区坡度较大，全市土地总面积3 882 km2，其中山丘面积2 601 km2，台塬面积1 086 km2，川道面积194.7 km2。

铜川市地处黄土高原地区独特的自然地理条件下，长期的农业开垦和煤炭、石灰石等矿产开发，加之城市扩张，造成水土流失严重，森林植被分布不均，土地养分整体下降，与水资源短缺河流断流和水体污染等问题叠加，进一步加剧全市范围整体的生态环境脆弱化[24-27]。2017年1月，铜川市被选为全国生态修复试点城市，建设工期为3年，目前尚在生态修复期内。铜川市山水林田湖生态保护修复工程以《生态文明体制改革总体方案》《陕西省黄土高原生态保护修复实施方案》为指导，对山水林田湖草实行系统规划，综合治理。工程实施目标包括整治矿山环境、保护水资源和控制水污染、提高森林覆盖率、梯田改造等，以增强生态系统服务与保障功能，提高资源环境承载能力。

2 研究方法

2.1 文献计量分析

本工作以中国web of science和中国知网文献数据库为资料来源，系统调研了国内外文献中报道的有关山水林田湖草生态修复评价的各类指标。共设定25个检索关键词，获取有效文献数据239篇，提取评价指标588个，文献时间跨度为2000—2019年(表1)。

表1 文献检索信息

2.2 评价指标权重确定

生态修复评价的主要方法包括层次分析法(AHP法)、专家打分法、模糊评价法、综合评价法、构建模型法等[28-31]。研究在指标体系构建的基础上，结合AHP法和专家打分法来确定生态修复评价指标权重。主要工作内容如下。

(1)构造判别矩阵。利用在线问卷调查的方式邀请了4位生态学领域的专家对各评价层指标间的相对重要等级进行打分，从而得到重要等级矩阵，即判别矩阵。此次专家打分表的数字表示方法采用5级数字标度法(1分、3分、5分、7分、9分)，分数越大代表重要程度越高。

(2)计算矩阵特征值。矩阵特征值的计算利用Matlab实现，经归一化处理得到特征值总排序，计算得到最大特征λmax。该特征值即为各指标权重。

(3)一致性检验。一致性检验是对判别矩阵的可行性验证，通过一致性检验可避免因判别矩阵自身存在矛盾、造成结果不准确的现象。例如指标Ⅰ的重要性小于指标Ⅱ，指标Ⅱ的重要性小于指标Ⅲ，此时如果指标Ⅰ的重要性大于指标Ⅲ，则存在错误，需要修正和调整判别矩阵。一致性检验过程见式(1)—式(3)。

CR=CI/RI

(1)

CI=(λmax-n)/(n-1)

(2)

(3)

其中，CR为随机一致性比率，其值不能为负；CI为一致性指标；RI为平均随机一致性检验指标；n为矩阵的阶数。

通常，当CR<0.1时，认为该判别矩阵通过一致性检验。

(4)可信度评估。由于判别矩阵是根据专家的经验和主观判断获得，因此计算所得的指标权重可行性会受到评判专家的评判方法、对生态领域的熟悉程度以及评价自信程度的影响[32]。本文采用可信度衡量法(表2)来提高指标权重赋值的可行性和可信度，该方法曾被广泛应用于涉及专家打分法的相关研究中。

表2 专家可信度自评

3 结果分析

3.1 山水林田湖草生态评价指标筛选

3.1.1 矿山生态评价指标筛选

基于文献调研结果，共获取涉及矿山生态评价的有效文献42篇，从中提取相关指标124个。由于部分指标意义相近或评价信息重复(如“植被覆盖率”和“绿化率”)，经整合后得到68个评价指标。运用频度分析法对这68个指标进行频度统计发现，常用矿山生态评价指标频度以0.2为界近似呈正态分布。故以0.2作为矿山指标频度筛选阈值，最终得到矿山生态评价常用指标22个(表3)。根据各指标所表达的矿山生态特征，可将其归纳为9大类：景观格局类指标(景观多样性指数)，土壤特征类(土地容重、土壤有机质、土壤pH值、有效土层厚度、重金属污染评价指数)，群落结构类(物种多样性指数、优势度指数、植被覆盖率)，涵养水源类(地表径流量、降水量、土壤侵蚀模数)，净化水质类(水资源质量指数)，净化环境类(空气质量指数)，地质灾害控制类(地质灾害发生次数、地质灾害治理率、固体废弃物处理、地质环境保护与恢复治理、沉陷裂缝区生态恢复治理)，土地复垦类(土地复垦面积)，地形地貌类(坡度、平均海拔)。

表3 矿山生态评价指标频度分析结果

3.1.2 河流生态评价指标筛选

基于79篇涉及河流生态评价的有效文献中提取出179个评价指标。通过对意义相近和评价信息重叠的指标进行整合，并去除极难获取的指标后，得到可用指标88个。经频数分析表明，常用河流生态评价指标的频度界线为0.17。以此为阈值，最终得到20个常用指标(表4)。可分为：水文条件类(生态流量满足程度、流速)，水质条件类(水质综合污染指数、水功能区水质达标率)，生物特征类(浮游植物多样性指数、底栖动物多样性指数、浮游动物多样性指数、鱼类生物多样性指数)，河岸带状况类(景观多样性指数、河道蜿蜒度)，形态结构类(水土流失率、河岸稳定性、河床稳定性、河流连通性指数、湿地保留率)，社会服务功能类(污水处理率、防洪河道措施完善率、水资源开发利用率、公众满意程度、防洪能力)。

表4 河流生态评价指标频度分析结果

3.1.3 森林生态评价指标筛选

从涉及森林生态评价的40篇有效文献中共提取出40个评价指标。其中，单位面积活力木生长量、林相整齐度、土壤pH值、平均枝下高、年森林消长比例这5个指标出现频数仅为1，因频度过低被弃用。通过对其余35个指标频度进行分析发现，森林生态评价研究指标选取上较为均匀，以0.35为界分布。故以0.35为筛选阈值，得到17个森林生态评价常用指标(表5)。

表5 森林生态评价指标频度分析结果

3.1.4 农田生态评价指标筛选

从涉及农田生态健康和生态评价的18篇文献中共提取评价指标48个，经去重合并整理得到38个评价指标。由频度分析得到，常用农田生态评价指标频度以0.25为界呈近似正态分布。故以0.25作为农田生态评价指标频率筛选阈值，得到13个常用指标，其中农田结构、环境、生产力、持续力、景观格局、土壤特征指标个数分别为2个、2个、4个、3个、1个、1个。

农田生态评价指标频度分析见表6。

表6 农田生态评价指标频度分析结果

3.1.5 湖泊生态评价指标筛选

从43篇有效文献中提取处143个涉及湖泊生态评价的指标，经去重、合并后得到82个评价指标。基于频度统计，得到常用湖泊生态评价指标频度筛选阈值为0.15，最终筛选出26个常用指标。其中水文、水质、生物、湖岸带、形态结构、社会服务功能常用指标个数分别为4个、3个、5个、4个、5个、5个(表7)。

表7 湖泊生态评价指标频度分析结果

3.1.6 草地生态评价指标筛选

基于17篇有效文献，提取出54个草地生态评价指标，经去重、合并后得到37个评价指标。基于频度统计，筛选出常用草地生态评价指标8个，筛选频度阈值为0.40。其中草地结构、土壤状况、活力、干扰度常用指标个数分别为1个、2个、4个、1个。

3.2 铜川市山水林田湖草评价指标体系构建

3.2.1 评价指标筛选

参考国内外现有相关研究中提出的生态评价指标，并结合铜川市生态修复工程实际，以科学性、系统性、代表性、数据可得性、动态性为指标选取原则，在初步构建指标评价体系的基础上经专家修正补充，最终构建了铜川市山水林田湖草评价指标体系。该体系从生态结构、生态功能和工程措施3个准则层对山、水、林、田、湖、草6个生态子系统生态修复效果进行评价。其中，生态结构主要从生态系统构造角度进行系统健康的评价；生态功能是基于生态系统维持能力角度进行评价；工程措施评价主要体现工程的动态修复进程。

表8 草地生态评价指标频度分析

(1)矿山评价指标筛选。矿山环境是由自然因素(如地貌、矿产类型、矿山规模等)和人为因素共同作用的结果[33]，在对矿山进行生态健康评价时，需要考虑生态因素、人为生态破坏因素和人工修复因素。铜川市的废弃矿山主要是由于煤炭开采使原始应力平衡状态遭到破坏，造成了植被破坏、水土流失和地表水环境污染以及滑坡、泥石流的地质灾害隐患，进而导致黄土高原矿山的生态功能更加脆弱，矿山环境治理难度进一步加大。基于铜川市矿山的生态现状和工程修复措施，并综合有关矿山生态评价的研究进行分析，对铜川市矿山生态修复效果从矿山结构、生态破坏和工程措施3个层面进行评价(图1)。矿山结构准则层包括植被覆盖度、生物多样性、土地复垦面积、景观完整性4个指标；生态破坏准则层包括土壤损毁度、固体废弃物安置面积、水污染程度3个指标；工程措施准则层包括道路设施完善率1个指标。

图1 铜川市山水林田湖草生态修护评价指标体系及权重

(2)河流评价指标筛选。河流具有供水、运输、排污等众多功能，具有十分重要的生态价值和景观价值[12]。铜川市河流问题突出，主要表现在生态基流不足、自净能力和水景观等功能基本丧失、河流水质及生态功能直线下降(由农村面源污染、工业点源污染、道路运输扬尘污染、城区生活污水污染等引起)等方面。结合铜川市河流生态整治措施，由河流结构、水质水量和工程措施3个准则层构成河流生态修复效果评价体系(图1)。其中，河流结构包括河流总长度、生物多样性、河流连通性3个指标；水质水量包括河流水质和流量保证率2个指标；工程措施包括河道生态整治率、防洪完善率、人工湿地面积、污水处理率4个指标。

(3)森林评价指标筛选。森林生态修复效果直接影响到黄土高原的水土保持能力。铜川市针对森林生态问题，采取了退耕还林、林草植被恢复、林草地改良等的工程措施。铜川市森林生态修复效果评价包含森林结构、生态功能和工程措施3个准则层。构建森林覆盖率、生物多样性、土壤肥力水平和景观完整性4个指标以评价生态结构；森林生态功能指标由水土保持能力、木材利用率、水源涵养能力3个指标构成；工程措施用水土保持造林和封山育林2个指标进行评价(图1)。

(4)农田评价指标筛选。农田生态系统具有气体调节、气候调节、水源涵养、土壤形成与保护、废物处理、生物多样性保护、食物生产、原材料和娱乐文化等功能[34]。受黄土高原地域限制，铜川市耕地面积和土壤质量水平较低，农田生产条件差，灌排等设备基础薄弱，导致农田生态系统退化，也削弱了农田涵养水源、防治水土流失和控制沙尘等生态功能。结合农田生态系统健康评价的相关研究，构建铜川市农田生态修复评价体系(图1)。该评价体系包含农田结构、生态功能和工程措施3个准则层。农田结构由农田总面积、生物多样性、土壤条件3个指标构成；生态功能主要用农田生产力来评价；工程措施包含土地综合整治和工程设备配套率2个指标。

(5)湖泊评价指标筛选。铜川市境内湖泊面积占比较少。针对湖泊生态，铜川市采取了湖泊水源地涵养林建设、湿地植被保护恢复等措施。和河流生态评价类似，铜川市湖泊生态修复评价体系分为湖泊结构、水质水量和工程措施3个准则层。湖泊结构包括湖泊总面积、生物多样性和河湖连通性3个指标；水质水量包括湖泊蓄水量和湖泊水质2个指标；工程措施包括湖岸线整治、周边湿地建设和调蓄能力3个指标(图1)。

(6)草地评价指标筛选。草地具有涵养水源、改良土壤、保持水土、防风固沙、调节气候、维护生物多样性等重要诸多生态功能和产草产畜等生产功能[35]。为了改善草地质量，铜川市实施草原植被带的建设和林草改良政策，达到降低水土流失治理度、修复区域生态的目的。铜川市草地生态修复评价体系包括草地结构、生态功能和工程措施3准则层。草地结构主要从草地盖度、土壤条件和生物多样性3个指标进行评价；生态功能包括水源涵养量、净初级生产力2个指标进行评价；工程措施由生态护岸指标进行反映(图1)。

3.2.2 评价指标权重确定

按照铜川市山水林田湖草生态修复评价指标体系的结构，各指标权重赋值过程按照如下步骤展开：①将矿山、河流、森林、农田、湖泊和草地生态修复评价视为6个独立的子系统，按照式(4)—式(8)计算得到指标层各具体指标的权重；②按照相同的方法计算得到准则层赋值权重值；③获得6个评价子系统的权重值。

Wt=atbtctdt

(4)

(5)

Sn×1=(S1，S2，…，Sn)T

(6)

(7)

θ=Zm×n×Sn×1=(θ1，θ2，…，θm)T

(8)

式中，t为专家代号；Wt为专家自评综合值；at、bt、ct、dt分别为专家对职称、评判依据、对该领域的熟悉程度、评价的自信程度4个评价内容的自评分数；St为可信度向量；n为专家人数，本工作中n=4；Sn×1表示基于n位专家自评结果得到的信度矩阵；Zm×n为由n位专家确定m个指标的权重矩阵；θ为指标权重向量。

通过对指标权重赋值结果进行检验，各层级指标权重均通过一致性检验，表明权重分配满足合理性要求。计算得到铜川市山水林田湖草生态修复绩效评价指数模型，如式(9)所示。最终的铜川市山水林田湖草生态修复绩效评价指标体系和权重如图1所示。

E=0.187 0f+0.106 5g+0.463 0h+0.083 8i+0.063 7j+0.096 0k

(9)

式中，E为山水林田湖生态修复效果评价总目标层；f、g、h、i、g、k分别为矿山、河流、森林、农田、湖泊和草地生态修复效果评价分目标层。

4 讨论

近年来，我国一直高度重视生态文明建设，大力践行“绿水青山就是金山银山”的理念，统筹推进山水林田湖草综合治理，全面打造“美丽中国”新局面。本文以“生命共同体”为思想核心，系统地建立了包含矿山、河流、森林、农田、湖泊和草地生态子系统的生态修复评价体系，评价结构更加系统，评价范围更加全面，避免了各生态修复工程各自为战、要素分割的局面。

此外，与生态评价相比，生态修复评价指标的选取更应注重指标的代表性和指标评价数据获取的难易程度。在初步建立指标体系后，经专家打分和整体因素分析，部分指标由于不具代表性或数据难以获取等原因被删除。例如，在对矿山生态修复效果评价时，原先拟定采用指标“大气污染程度”因不具有典型性被剔除。这是由于，铜川市的矿山修复主要针对的是废弃矿山的整合整治(损毁土地的改善和水土流失的治理)，对大气环境有一定影响，但并不是评价的重点；再比如，虽然“(森林)植物群落结构” 和“湖水交换能力”指标高频的出现在生态评价的相关研究中(表5、表7)，但对于生态修复评价而言，存在评价数据不易获取的缺点，因此同样从评价指标体系中被剔除。综上体现出本工作所建立的生态修复评价体系具有整体性、代表性以及可操作性强等优势。

5 结论

本文基于239篇文献系统总结了国内外研究中关于山水林田湖草生态评价的106个常用指标。基于铜川市生态修复现状，构建了铜川市山水林田湖草生态修复评价指标体系。该体系包括矿山、河流、森林、农田、湖泊和草地生态修复6个分目标层，18个准则层，46个子指标层。提出了山水林田湖草生态修复评价指数模型：E=0.187 0f+ 0.106 5g+ 0.463 0h+ 0.083 8i+ 0.063 7j+ 0.096 0k。研究可为山水林田湖草生态修复绩效评价的理论研究和实际应用提供重要参考。