石媛媛，紀(jì)永福，張恒嘉

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省治沙研究所，甘肅 蘭州 730070)

生態(tài)系統(tǒng)適宜程度是指在生態(tài)系統(tǒng)中各影響因素的共同作用下，使得生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、功能效應(yīng)發(fā)揮正常、資源形成良性循環(huán)、動(dòng)植物種群和諧有序發(fā)展的狀態(tài)。它是人類意識(shí)形態(tài)下劃分的產(chǎn)物，是綜合考慮社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、人口等因素下的復(fù)雜指標(biāo)，隨生態(tài)系統(tǒng)改變、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、科技水平提高的變化而變化。

由于人們無法直接觀測(cè)或準(zhǔn)確了解現(xiàn)有生態(tài)系統(tǒng)的變化過程和驅(qū)動(dòng)機(jī)制，需要建立多種指標(biāo)體系來描述生態(tài)系統(tǒng)存在的狀態(tài)。如采用PSR模型，分析各類退化機(jī)制壓力及人類干擾與紅樹林生長的響應(yīng)關(guān)系，構(gòu)建紅樹林退化機(jī)制的評(píng)估指標(biāo)體系[1]；運(yùn)用荒漠化模型的概念，提取自然因素、土地狀況因子、社會(huì)因素和經(jīng)濟(jì)因子，建立了基于PSR石漠化風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系，以此揭示人類活動(dòng)對(duì)石漠化的影響程度[2]。王少麗等[3]基于模糊模式識(shí)別模型，對(duì)農(nóng)田排水再利用進(jìn)行分析，并劃分為5級(jí)適應(yīng)性。為了準(zhǔn)確衡量城市生態(tài)優(yōu)劣程度，引入逆生態(tài)化、城區(qū)生境等概念，并應(yīng)用模糊邏輯工具箱(fuzzy logic toolbox)對(duì)城市生態(tài)適宜性指標(biāo)體系進(jìn)行模糊評(píng)價(jià)；運(yùn)用最小累積抵抗理論，構(gòu)建生態(tài)適宜性的綜合土地利用安全模型，并將土地劃分為重點(diǎn)保護(hù)區(qū)、緩沖區(qū)保護(hù)區(qū)、中度發(fā)達(dá)區(qū)和優(yōu)化開發(fā)區(qū)[4-5]。蔣桂芹等[6-7]基于“驅(qū)動(dòng)力—壓力—狀態(tài)—響應(yīng)”模式，選取了氣象干旱指標(biāo)、農(nóng)業(yè)干旱指標(biāo)、水文干旱指標(biāo)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)干旱指標(biāo)等，研究干旱驅(qū)動(dòng)機(jī)制與評(píng)估方法；采用徑向基函數(shù)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)喀斯特石漠化風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，并對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的研究區(qū)進(jìn)行分類。劉麟[8]從宏觀和微觀同時(shí)著手，系統(tǒng)全面地總結(jié)了黑河流域中、上游生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)的各種單因素、多因素指標(biāo)。高志海等[9-11]以民勤為例，利用RS和GIS技術(shù)，采用遙感影像處理與模擬相結(jié)合的方法，以尺度為線索，研究了植被覆蓋變化過程，并將植被覆蓋度劃分為低蓋度植被、中等蓋度植被和高蓋度植被3個(gè)等級(jí)，提出綠洲荒漠化的遙感評(píng)價(jià)方法；與此同時(shí)應(yīng)用GIS的空間數(shù)據(jù)，并結(jié)合主成分分析和支持向量機(jī)模型，討論了石漠化風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法和實(shí)施過程，認(rèn)為風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型PSO-SVM在石漠化解釋中更為準(zhǔn)確。陳賀等[12]運(yùn)用Mann-Kendall檢驗(yàn)法，對(duì)白洋淀生態(tài)系統(tǒng)受干擾程度進(jìn)行評(píng)價(jià)。孫蘭東等[13-14]采用綜合指標(biāo)法選取了4類13項(xiàng)指標(biāo)，定義敏感度及適應(yīng)能力概念，構(gòu)建了石羊河流域生態(tài)系統(tǒng)脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

而民勤荒漠綠洲生態(tài)系統(tǒng)在其獨(dú)特的地理環(huán)境、降水形成條件、人類生存等干擾因素綜合影響下呈現(xiàn)非良性循環(huán)，河道斷流、水庫干涸、綠洲面積減少、地下水位下降、沙塵暴危害加劇等已經(jīng)嚴(yán)重危害到人類自身發(fā)展。鑒于民勤荒漠綠洲存在諸多不和諧因素，有必要構(gòu)建一個(gè)適宜程度識(shí)別指標(biāo)體系，通過對(duì)指標(biāo)體系的評(píng)估結(jié)果分析，準(zhǔn)確定位民勤荒漠綠洲生態(tài)系統(tǒng)所處的狀態(tài)，明晰該生態(tài)系統(tǒng)演化方向，并通過改變指標(biāo)來影響整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)運(yùn)行的趨勢(shì)，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)和反饋控制。

1 研究區(qū)概況

民勤縣位于甘肅省西北部，河西走廊東北部，石羊河流域下游，是阻隔巴丹吉林沙漠和騰格里沙漠合攏的生態(tài)屏障。處在東經(jīng)101°49′41″～104°12′10″和北緯38°3′45″～39°27′37″之間，總面積約為1.6×106hm2。民勤縣屬于大陸性干旱氣候，多風(fēng)沙、少降雨，全年平均日照時(shí)數(shù)3 100 h，年平均風(fēng)速2.7 m·s-1，多年平均降雨量為116 mm，多年平均有效降雨為64.4 mm，蒸發(fā)量在2 300 mm左右。據(jù)統(tǒng)計(jì)，民勤縣人均水資源占有量為520 m3，僅為世界水平的1/8[15]。民勤縣上游來水量由1956年的5.14×108m3，逐年減少至2002的0.620×108m3，地下水開采成為支撐人類生存和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的必要措施，經(jīng)過半個(gè)世紀(jì)的無序開采，地下水水位平均下降10～20 m，有些地方水位下降30 m。不合理的土地利用導(dǎo)致民勤盆地荒漠化嚴(yán)重、生態(tài)環(huán)境脆弱、植被種類及覆蓋度變化，影響到整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能以及區(qū)域水文循環(huán)、物種多樣性等。民勤盆地天然沙生植被有70%以上退化，近年來該縣一直致力于建設(shè)防風(fēng)固沙林、農(nóng)田林網(wǎng)等，人工造林保存面積達(dá)到15.324×104hm2以上，有效阻止了沙漠入侵并使部分沙化土地轉(zhuǎn)為人工綠洲。

2010年民勤縣國內(nèi)生產(chǎn)總值32.85億元，比上年增長13%，其中第一產(chǎn)業(yè)增加值13.68億元，增長5.9%；第二產(chǎn)業(yè)增加值9.1億元，增長24.9%；第三產(chǎn)業(yè)增加值10.07億元，增長14.8%。到2015年，民勤縣國內(nèi)生產(chǎn)總值69.56億元，比上年增長9%，其中第一產(chǎn)業(yè)增加值23.71億元，增長6.1%；第二產(chǎn)業(yè)增加值21.95億元，增長7.7%；第三產(chǎn)業(yè)增加值23.91億元，增長11.3%。民勤縣人口呈穩(wěn)步增長趨勢(shì)，截止2011年年末，全縣人口27.47萬人。全縣常住人口24.11萬人，其中農(nóng)村常住17.94萬人，城鎮(zhèn)常住6.17萬人。

2 民勤荒漠綠洲生態(tài)系統(tǒng)適宜程度指標(biāo)體系的構(gòu)建

2.1 指標(biāo)體系的構(gòu)建過程及指標(biāo)選擇

生態(tài)系統(tǒng)一般具有多層性、相關(guān)性和環(huán)境適應(yīng)性，而荒漠綠洲生態(tài)系統(tǒng)具有多樣性、多變性、整體性、統(tǒng)計(jì)性、自組織性、臨界性等特征，且各影響因子之間存在復(fù)雜的非線性耦合關(guān)系，因此不能完全采用定量計(jì)算的方法來評(píng)價(jià)生態(tài)系統(tǒng)的適宜程度[16],必須要建立一個(gè)多層次、多要素的評(píng)價(jià)系統(tǒng)，采用定性與定量有機(jī)結(jié)合的方法，以科學(xué)合理的運(yùn)算體系使得復(fù)雜的評(píng)價(jià)問題明朗化[17-18]。

本文從生態(tài)系統(tǒng)的目的性和層次性出發(fā)，運(yùn)用層次分析法(AHP)建立荒漠綠洲生態(tài)系統(tǒng)的遞階層次結(jié)構(gòu)，分別為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層。對(duì)同一層次的各元素關(guān)于上一層次中某一準(zhǔn)則的重要性進(jìn)行兩兩比較，構(gòu)造兩兩比較判斷矩陣，并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。由判斷矩陣計(jì)算被比較要素對(duì)于該準(zhǔn)則的相對(duì)權(quán)重。計(jì)算各層要素對(duì)該荒漠綠洲生態(tài)系統(tǒng)適宜性的總權(quán)重，結(jié)合現(xiàn)有指標(biāo)數(shù)據(jù)及評(píng)價(jià)尺度，對(duì)各要素進(jìn)行定位和打分，最后對(duì)現(xiàn)狀荒漠綠洲生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行適宜程度評(píng)價(jià)[19-20]。對(duì)于指標(biāo)的選擇應(yīng)具有代表性、可操控性、可獲取性以及真實(shí)可靠性。在此基礎(chǔ)上確定了1個(gè)目的層，5個(gè)準(zhǔn)則層，包含19個(gè)指標(biāo)，見圖1。

2.2 指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

首先用A表示目標(biāo)層，B1～B5分別表示準(zhǔn)則層的5個(gè)元素，C1～C19分別表示指標(biāo)層的19個(gè)影響因素，同時(shí)利用1-9標(biāo)度法構(gòu)造判斷矩陣A:

(1)

(2)

(3)

為檢驗(yàn)各層元素重要度之間的協(xié)調(diào)性，明確已構(gòu)造判斷矩陣是否符合要求，進(jìn)而判斷權(quán)重系數(shù)是否合理，需進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。計(jì)算公式為：

(4)

(5)

C.I.為一致性指標(biāo)，R.I.為平均隨機(jī)一致性指標(biāo)，C.R.為一致性比例。當(dāng)C.I.=0時(shí)，有完全的一致性；C.I.越接近于0，有滿意的一致性；C.I.越大，不一致越嚴(yán)重。R.I.為同階隨機(jī)判斷矩陣的一致性指標(biāo)的平均值，引入R.I.可在一定程度上克服一致性判斷指標(biāo)隨n的增大而明顯增大的弊端。若一致性檢驗(yàn)不通過或檢驗(yàn)結(jié)果為負(fù)值，則需要重新構(gòu)造判斷矩陣或調(diào)整矩陣中數(shù)值的兩兩關(guān)系，再進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，數(shù)據(jù)處理用Microsoft Office Excel 2007、MATLAB 2014。

表1 三階矩陣系數(shù)

圖1 指標(biāo)層次及分類Fig.1 Index layers and classification

2.3 荒漠綠洲生態(tài)系統(tǒng)適宜性評(píng)價(jià)尺度

生態(tài)系統(tǒng)處于適宜發(fā)展的狀態(tài)，是各指標(biāo)值都處在一個(gè)范圍而非固定值。按照國際現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)及國內(nèi)外專家學(xué)者論述統(tǒng)計(jì)，建立綠洲荒漠生態(tài)系統(tǒng)適宜性評(píng)價(jià)尺度表，完善指標(biāo)適宜度閾值區(qū)間，見表2。根據(jù)民勤治沙綜合試驗(yàn)站資料及民勤縣統(tǒng)計(jì)局統(tǒng)計(jì)資料匯編對(duì)各參評(píng)指標(biāo)進(jìn)行匯總，計(jì)算了各指標(biāo)權(quán)重，各指標(biāo)層均通過一致性檢驗(yàn)，C.I.值均小于0.1，C.R.均小于0.1，見表3。

將荒漠綠洲生態(tài)系統(tǒng)劃分為適宜、較適宜、穩(wěn)定、不適宜、嚴(yán)重不適宜5個(gè)等級(jí)，通過對(duì)專家評(píng)及科研人員的評(píng)分意見的統(tǒng)計(jì)，評(píng)分等級(jí)劃分見表4。

3 分析評(píng)價(jià)結(jié)果

民勤荒漠綠洲生態(tài)系統(tǒng)適宜綜合得分見表5。通過從水文水資源、氣象、土地利用類型、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、人口5個(gè)方面選取多個(gè)指標(biāo)建立民勤荒漠綠洲生態(tài)適宜程度指標(biāo)體系，對(duì)民勤2010-2015年的指標(biāo)分析得出，準(zhǔn)則層B1～B5的權(quán)重分別為0.526、0.071、0.176、0.165、0.062，適宜性綜合得分值分別為32.73、37.84、50.73、58.22、75.23、80.79(見表5)。適宜程度從2010年到2015年分別為不適宜、不適宜、穩(wěn)定、穩(wěn)定、較適宜和較適宜。雖然分值所處的適宜程度相同，根據(jù)分值的不同卻有很大差異。由2010的32.73分上升到2015年的80.79分，分值呈穩(wěn)定增大趨勢(shì)。由圖2可知，B1從2010年到2013年增速緩慢，2013年之后呈現(xiàn)較大增長趨勢(shì)，由于B1權(quán)重系數(shù)最大，它的增長對(duì)綜合評(píng)分值影響也最大；B2的年際變化波動(dòng)較大，這與民勤氣候有關(guān)，不容易改變，但由于B2的權(quán)重為0.071，所以對(duì)整體的評(píng)分值影響較小；B3從2011年到2013年呈現(xiàn)大幅增長，之后出現(xiàn)波動(dòng)，增速放緩，B3所占權(quán)重為0.176，處于重要地位；B4從2010年到2014年變化不大，人均GDP與第三產(chǎn)業(yè)占比雖然增長迅速，但農(nóng)民純收入?yún)s變化不大，2014年到2015年的B1增長主要取決于人均GDP增長；B5對(duì)綜合得分的影響較小，但因其一直保持較穩(wěn)定的增長趨勢(shì)，在一定程度上保證了綜合得分持續(xù)上升。由圖3可知，從2010年到2015年的綜合得分增長率分別是13.50%、25.41%、12.86%、22.61%、6.88%。

表2 荒漠綠洲生態(tài)系統(tǒng)適宜性評(píng)價(jià)參評(píng)指標(biāo)尺度分級(jí)

表3 2010—2015年各指標(biāo)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)及權(quán)重

4 結(jié)論與討論

適宜程度就是在考量各種影響因素的前提下，對(duì)總體變化趨勢(shì)進(jìn)行把控。研究得出綜合得分增長率變化較大，但總體分值呈增大趨勢(shì)，即民勤荒漠綠洲的適宜性增強(qiáng)，已經(jīng)從分值較小的不適宜狀態(tài)慢慢過渡到分值較小的適宜性狀態(tài)，這種狀態(tài)變化是對(duì)人類活動(dòng)及保護(hù)生態(tài)環(huán)境結(jié)果的響應(yīng)。協(xié)調(diào)社會(huì)各職能部門發(fā)展，提高民勤荒漠綠洲生態(tài)安全性[21]，側(cè)面反映了生態(tài)適宜程度的發(fā)展趨勢(shì)。

綜合得分增長率有兩個(gè)高峰，分別是2012年相對(duì)于2011年增長12.89分，增長率為25.41%，其中B1單項(xiàng)增長9.96分，對(duì)綜合分值貢獻(xiàn)5.60分。水文水資源改變是導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)變化的最主要驅(qū)動(dòng)因素[22]，提高分值的途徑是增加生態(tài)用水、增加地表供水量等。在水資源問題嚴(yán)峻的大環(huán)境下，水資源壓力指數(shù)由2000年的0.627減小到2009年的0.329，這與人類調(diào)控及預(yù)測(cè)是密不可分的[15]。B2單項(xiàng)增長40.08分，對(duì)綜合分值貢獻(xiàn)2.846分，大氣環(huán)流和下墊面變化是氣象干旱的主要因素[6]。B3單項(xiàng)增長25.03分，對(duì)綜合分值貢獻(xiàn)4.41分，B3的波動(dòng)主要來自于人工造林面積的變化而非天然植被面積。蔣友嚴(yán)等[24]建立了環(huán)境評(píng)價(jià)模型，研究得出民勤綠洲生態(tài)脆弱性的變化，極度脆弱、高度脆弱、中度和輕度脆弱分別為荒漠區(qū)、綠洲荒漠交錯(cuò)帶和綠洲區(qū)域。從2000年到2010年內(nèi)部中度脆弱區(qū)域明顯增多，北部外圍島狀綠洲區(qū)域增多，民勤荒漠與綠洲的交界區(qū)域部分轉(zhuǎn)化為綠洲區(qū),這是人工造林、工程壓沙、退耕還林等影響因素共同作用的結(jié)果。文星等[23]研究指出2000年到2010年民勤綠洲面積增加了327.87 km2，但林地和草地的范圍在縮小，綠洲的破碎度增加而連通性降低，綠洲的穩(wěn)定性和自我調(diào)節(jié)功能受到影響，使得生態(tài)建設(shè)單項(xiàng)分值出現(xiàn)波動(dòng)。2014年相對(duì)于2013年增長17.01分，增長率為22.61%，其中B1單項(xiàng)增長33.73分，對(duì)綜合分值貢獻(xiàn)17.74分，由B3單項(xiàng)遞減15.39分，使得綜合分值減少2.71分從而抵消了一部分來自B1的增長分值。地表供水量及生態(tài)用水量的增多引起單項(xiàng)分值大幅增長，遞減則是由人工造林面積縮小造成。從2014年到2015年增速放緩，增長率下降為6.88%，其中B2、B3、B4、B5單項(xiàng)分值都在增大，但增長幅度不大，對(duì)綜合分值貢獻(xiàn)率都比較小。B4的主要增加值來自于人均GDP，農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平在一定程度上能增強(qiáng)生態(tài)系統(tǒng)的適宜程度，但農(nóng)民人均純收入增長緩慢、第三產(chǎn)業(yè)占比小也成為發(fā)展的阻力[21]。隨著國民素質(zhì)的提高，人口數(shù)量并不是阻礙生態(tài)適宜程度改善的主要因素,但農(nóng)業(yè)人口比重大是B5增長的短板。

表4 適宜程度評(píng)分區(qū)間

圖2 指標(biāo)變化趨勢(shì)圖Fig.2 Trend of indicator change

圖3 綜合得分增長率Fig.3 Growth rate of comprehensive score

年份Year準(zhǔn)則層(權(quán)重) Guideline layer(weight)B1(0.526)B2(0.071)B3(0.176)B4(0.165)B5(0.062)A綜合得分Overall score201026.8535.7429.9752.2435.2432.73201132.6137.1741.1852.2435.2437.84201242.5777.2566.2152.2441.7250.73201348.1472.5289.6854.5844.3758.22201481.8786.5374.2957.5155.8075.23201581.8792.0882.4975.7867.3280.79

按照當(dāng)前趨勢(shì)，增速放緩并不影響生態(tài)發(fā)展趨勢(shì)，只要在閾值范圍內(nèi)對(duì)資源進(jìn)行有效調(diào)控，就可以保持生態(tài)系統(tǒng)的適宜性，通過這幾年人為的調(diào)控，穩(wěn)定狀態(tài)良性循環(huán)到一定程度就過渡到分值較低的較適宜狀態(tài)，是生態(tài)系統(tǒng)中積極因素的累積并發(fā)揮效應(yīng)的過程。民勤荒漠綠洲現(xiàn)處在低分值較適宜狀態(tài)，說明現(xiàn)行的人為調(diào)控水資源分配比較合理，自 2001 年調(diào)水以來民勤綠洲面積從8.93% 增加到2010的11.98% ，民勤綠洲植被生態(tài)恢復(fù)取得了較好的效果[24]。雖然在分級(jí)上屬于較適宜狀態(tài)，但因?yàn)榛哪G洲系統(tǒng)本身的脆弱性，還存在生態(tài)系統(tǒng)退化的風(fēng)險(xiǎn)，若不重視保護(hù)和調(diào)控，生態(tài)系統(tǒng)抗逆性被消耗殆盡，超過臨界值，就會(huì)發(fā)展成為具有新功能結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)取代原有生態(tài)系統(tǒng)，威脅人類生存。因此，在低分值較適宜狀態(tài)下，只有按照既定調(diào)控機(jī)制對(duì)現(xiàn)有生態(tài)環(huán)境繼續(xù)進(jìn)行保護(hù)和調(diào)節(jié)，特別是需要注意在權(quán)重系數(shù)相對(duì)較大、對(duì)環(huán)境影響非常巨大時(shí)，要加大或繼續(xù)保持現(xiàn)有的調(diào)節(jié)模式，才能使生態(tài)系統(tǒng)呈現(xiàn)穩(wěn)定發(fā)展趨勢(shì)，從而實(shí)現(xiàn)人類與其生存環(huán)境之間的交互循環(huán)過程。