霍 妍

(遼寧省朝陽(yáng)縣水土保持局，遼寧 朝陽(yáng) 122000)

0 引 言

隨著人們對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，關(guān)于水土流失治理問(wèn)題越來(lái)越引起人們的重視，以區(qū)域生態(tài)治理模式逐漸成為區(qū)域水土保持規(guī)劃的重要依據(jù)。評(píng)價(jià)指標(biāo)的敏感性是反映指標(biāo)對(duì)生態(tài)效應(yīng)評(píng)價(jià)貢獻(xiàn)率大小或影響程度的重要參數(shù)，對(duì)指標(biāo)敏感性的科學(xué)分析不僅能夠?yàn)閰^(qū)域水土保持方案的優(yōu)化調(diào)整提供科學(xué)依據(jù)，而且可用于水保效應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的考察與調(diào)整。當(dāng)前，針對(duì)指標(biāo)敏感性問(wèn)題諸多學(xué)者從不同角度開展了一系列研究，為生態(tài)保護(hù)和治理效益評(píng)價(jià)方面取得了一些成果，如梁歡歡等通過(guò)改變指標(biāo)權(quán)重，運(yùn)用MCDA分析模塊驗(yàn)證、分析了權(quán)重賦值的準(zhǔn)確性，為風(fēng)險(xiǎn)控制和決策提供科學(xué)的指導(dǎo)；周同等針對(duì)綠色建筑評(píng)價(jià)敏感性指標(biāo)采用得分率統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行科學(xué)的分析，通過(guò)對(duì)較弱敏感性指標(biāo)成因的分析提出了評(píng)價(jià)此類參數(shù)的方法；蔡甲冰等針對(duì)冬小麥缺水問(wèn)題運(yùn)用通經(jīng)原理進(jìn)行了深入分析，從而確定了影響作物生長(zhǎng)的敏感性因子；張鵬、劉永杰等采用灰色關(guān)聯(lián)法和主成分法優(yōu)選了煤礦安全生產(chǎn)的敏感性因子；遲國(guó)泰等以財(cái)務(wù)報(bào)告敏感性和主成分原理為依據(jù)，通過(guò)對(duì)指標(biāo)權(quán)重和評(píng)價(jià)因子的篩選提出了更加科學(xué)有效的方法[1-7]。鑒于此，結(jié)合已有研究成果和主成分基本原理，針對(duì)區(qū)域生態(tài)效應(yīng)評(píng)價(jià)問(wèn)題分析了各指標(biāo)的敏感性程度，通過(guò)對(duì)敏感性指標(biāo)的綜合排序，為生態(tài)效應(yīng)評(píng)價(jià)、權(quán)重賦值和評(píng)價(jià)因子優(yōu)選提供一定決策依據(jù)。

1 研究方法

生態(tài)效應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取要考慮研究區(qū)水土保持的特點(diǎn)，各指標(biāo)實(shí)測(cè)數(shù)的據(jù)獲取方法有監(jiān)測(cè)站監(jiān)測(cè)、遙感影像和現(xiàn)場(chǎng)采樣等。為了客觀、準(zhǔn)確的反映生態(tài)效應(yīng)評(píng)價(jià)因子間的非線性復(fù)雜關(guān)系，將多維數(shù)據(jù)利用主成分分析法降維處理，選擇相互獨(dú)立的幾個(gè)主成分替代多個(gè)變量，通過(guò)線性組合的初始實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)構(gòu)成各主成分值。這些主成分?jǐn)y帶的有效信息彼此獨(dú)立，且能夠包含絕大部分初始數(shù)據(jù)信息[8-10]。

將生態(tài)效應(yīng)敏感性指標(biāo)利用主成分分析法評(píng)價(jià)，其原理為設(shè)定p、n分別為評(píng)價(jià)指標(biāo)和樣本數(shù)，從而構(gòu)造p×n階矩陣X，線性組合p個(gè)向量X1、X2、…、Xp，則矩陣X的互不相關(guān)的各主成分可表示為：

Zi=li1X1+li2X2+…+lipXp

(1)

式中：Zi、Xi為第i個(gè)主成分和n維向量；lij為系數(shù)。

根據(jù)下述流程實(shí)現(xiàn)生態(tài)效應(yīng)各主成分的識(shí)別，具體如下：

步驟一：采用監(jiān)測(cè)站監(jiān)測(cè)、遙感影像和現(xiàn)場(chǎng)采樣等方式獲取p個(gè)指標(biāo)關(guān)于研究區(qū)n組樣本的實(shí)測(cè)值，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化處理構(gòu)造實(shí)對(duì)稱的相關(guān)系數(shù)矩陣R。

步驟二：根據(jù)下述計(jì)算公式對(duì)水土保持生態(tài)效應(yīng)各指標(biāo)的特征向量和特征值進(jìn)行求解，即：

|R-λiI|=0

(2)

式中：I、λ為單位向量和矩陣特征值。

按照從大到小的原則將特征值進(jìn)行排序，則有λ1≥λ2≥…≥λp≥0，并將所對(duì)應(yīng)的向量ei進(jìn)行求解，其中i=1,2,…,p。

步驟三：累計(jì)方差貢獻(xiàn)率r和主成分貢獻(xiàn)率ωi的計(jì)算公式分別如下：

(3)

(4)

將生態(tài)效應(yīng)敏感性指標(biāo)運(yùn)用組成分分析法識(shí)別，選擇的主成分所包含的信息量一般為全部的70%-90%，按照方差累計(jì)貢獻(xiàn)率確定保留的主成分，為保證計(jì)算精度和評(píng)價(jià)結(jié)果可靠性按照累計(jì)方差>90%確定前k個(gè)主成分。

步驟四：分別利用下式計(jì)算主成分荷載lij和指標(biāo)敏感性，即：

(5)

(6)

式中：eij為主成分j關(guān)于向量ei的數(shù)值；βj為生態(tài)效應(yīng)敏感性指標(biāo)xj的貢獻(xiàn)率，指標(biāo)j的敏感性隨βj值的增大而增大，相應(yīng)的該指標(biāo)重要性越高；反之，則敏感性和重要性越低。

2 實(shí)例分析

2.1 區(qū)域概況

朝陽(yáng)縣地處遼西山地丘陵區(qū)，大凌河中上游，介于E119°52′-120°47′、N40°55′-41°54′之間，總面積3757km2。該區(qū)域平原面積較少，丘陵分布廣泛且地形多樣，地勢(shì)特征表現(xiàn)出自西北向東南傾斜、東南高而西北低的變化特征。境內(nèi)山脈縱貫，有沿深緩平的沖積平原、溝壑縱橫的丘陵和連綿起伏的中低山地，丘陵地區(qū)和山區(qū)存在較大的高差，約為300-600m，因此該區(qū)域?qū)儆谕潦|(zhì)低山丘陵區(qū)。該區(qū)域人類生產(chǎn)活動(dòng)頻繁、生態(tài)環(huán)境脆弱屬于國(guó)家重點(diǎn)水土流失治理區(qū)，由于歷史上干旱少雨、生態(tài)植被嚴(yán)重破壞和不合理的土地利用，當(dāng)?shù)赝寥垒^為貧瘠，植被稀少，土壤抗侵蝕力差，水土流失和生態(tài)環(huán)境破壞問(wèn)題十分突出，嚴(yán)重制約著當(dāng)?shù)乜沙掷m(xù)發(fā)展和城市生態(tài)環(huán)境保護(hù)，城市生態(tài)安全和人居環(huán)境面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

為改善當(dāng)?shù)刈匀簧鷳B(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件，加強(qiáng)荒山緩坡的治理力度，促進(jìn)農(nóng)民增收和帶動(dòng)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展，就必須將地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃與水土流失治理、污染控制、自然環(huán)境治理有效結(jié)合，開展以田園路村、山水林草為主的小流域綜合治理。朝陽(yáng)縣水土保持管理部門和生態(tài)環(huán)境工程技術(shù)服務(wù)企業(yè)，依據(jù)治理措施配置、經(jīng)濟(jì)社會(huì)條件、水土流失類型、地形地貌特征以及自然狀況等勘察資料，經(jīng)實(shí)地勘察開展實(shí)施了一系列的水土保持綜合治理項(xiàng)目。為了更加全面、客觀的反映水土保持的生態(tài)效應(yīng)，有必要考慮當(dāng)?shù)厮亮魇КF(xiàn)狀、特點(diǎn)及其成因，綜合評(píng)價(jià)高敏感性因子[11]。

2.2 指標(biāo)敏感性計(jì)算

遵循系統(tǒng)性、科學(xué)性、可獲取性、合理性和客觀性等原則，綜合考慮朝陽(yáng)縣地形地貌特征、水土流失特點(diǎn)和土壤侵蝕類型，結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)條件和水土資源開發(fā)利用規(guī)劃，依據(jù)水土保持相關(guān)資料獲取生態(tài)效應(yīng)敏感性指標(biāo)值，見表1。

表1 生態(tài)效益敏感性指標(biāo)實(shí)測(cè)值

由于不同指標(biāo)的量綱不同無(wú)法直接參與敏感性計(jì)算分析，為消除各指標(biāo)量綱差異性帶來(lái)的不可通透性需要采用Z-score法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后，其表達(dá)式為：

(7)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理后的矩陣和主成分原理求解特征值，然后采用累積方差、貢獻(xiàn)率計(jì)算方法和矩陣特征值計(jì)算結(jié)果，確定主成分貢獻(xiàn)率，如表3。

表2 生態(tài)效益敏感性指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值

表3 生態(tài)效應(yīng)評(píng)價(jià)累計(jì)方差和主成分貢獻(xiàn)率

從表3可以看出，累計(jì)方差貢獻(xiàn)率在前2項(xiàng)成分可達(dá)到97.11%，所以保留第一、二主成分即可滿足信息量>90%的要求。然后對(duì)各指標(biāo)敏感性和主成分荷載分別利用計(jì)算式(5)、(6)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表4。

表4 指標(biāo)敏感性及主成分荷載

2.3 結(jié)果分析

1)按照從小到大的原則將各指標(biāo)敏感性進(jìn)行排序，即沙塵暴日、風(fēng)蝕模數(shù)、耕地面積占比、沙化土體占比、土壤風(fēng)蝕面積占比、鹽堿地比和林草覆蓋率。生態(tài)效應(yīng)評(píng)價(jià)結(jié)果受林草覆蓋率指標(biāo)的影響最大，對(duì)水土保持評(píng)價(jià)的貢獻(xiàn)率最高；相對(duì)于其他指標(biāo)沙塵暴日的影響程度最弱，應(yīng)結(jié)合朝陽(yáng)縣地形地貌特征、水土流失特點(diǎn)及土壤侵蝕類型進(jìn)一步分析該指標(biāo)敏感性弱的原因，根據(jù)分析結(jié)果提取切實(shí)有效的治理措施。

2)根據(jù)敏感性指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果，為揭示水保措施的作用效應(yīng)和生態(tài)效應(yīng)指標(biāo)權(quán)重提供一種新的途徑。采用下式計(jì)算確定指標(biāo)權(quán)重αi，即：

(8)

按照以上公式確定指標(biāo)x1-x7的權(quán)重依次為0.145、0.150、0.146、0.144、0.128、0.140、0.147。較傳統(tǒng)的層次分析法和專家評(píng)分法確定的權(quán)重，該方法能夠有效避免專家主觀判斷對(duì)生態(tài)效應(yīng)評(píng)價(jià)的影響，從而提高結(jié)果的客觀性和準(zhǔn)確性，為區(qū)域水土保持規(guī)劃和綜合效應(yīng)評(píng)價(jià)提供科學(xué)依據(jù)。

3)在指標(biāo)敏感性分析過(guò)程中，該方法彌補(bǔ)了以往方法權(quán)重計(jì)算和貢獻(xiàn)率不合理的缺陷，綜合考慮各參數(shù)的貢獻(xiàn)率大小賦予權(quán)重。

4)在生態(tài)效應(yīng)預(yù)測(cè)性指標(biāo)選取時(shí)提供科學(xué)的判別依據(jù)，通過(guò)對(duì)較高敏感性指標(biāo)的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)未來(lái)水土流失的可能發(fā)展變化，從而為水土保持方案的科學(xué)制定和水土保持規(guī)劃提供參考，揭示各項(xiàng)治理措施的作用機(jī)理，進(jìn)一步完善并修訂綜合治理方案提供一定指導(dǎo)作用。

3 結(jié) 論

1)對(duì)遼西低山丘陵區(qū)朝陽(yáng)縣水土保持生態(tài)效益敏感性指標(biāo)利用主成分分析法評(píng)價(jià)，科學(xué)合理的確定各指標(biāo)對(duì)生態(tài)效應(yīng)評(píng)價(jià)的貢獻(xiàn)率大小，可為水土保持方案的設(shè)計(jì)和綜合效應(yīng)評(píng)價(jià)提供科學(xué)依據(jù)。結(jié)果顯示，前2項(xiàng)主成分鹽堿地占比和林草覆蓋率的累計(jì)方差貢獻(xiàn)率可達(dá)到97.11%，所以保留第一、二主成分即可滿足信息量>90%的要求。

2)在指標(biāo)敏感性分析過(guò)程中，主成分分析法彌補(bǔ)了以往方法權(quán)重計(jì)算和貢獻(xiàn)率不合理的缺陷。然而，綜合考慮各參數(shù)的貢獻(xiàn)率大小賦予權(quán)重針對(duì)生態(tài)效應(yīng)總體評(píng)價(jià)中敏感性指標(biāo)分析的應(yīng)用、弱敏感性指標(biāo)的應(yīng)對(duì)策略及其成因分析，前瞻性、適用性指標(biāo)的選取問(wèn)題扔需要進(jìn)一步深入研究。