梁朝銘，曹慶一，楊 柳，吳 濤，王琦琦

(中國礦業(yè)大學(北京) 地球科學與測繪工程學院，北京 100083)

長期以來，受持續(xù)增長的人口壓力、高強度的國土開發(fā)建設活動、自然資源大范圍開發(fā)利用等因素影響，我國部分地區(qū)生態(tài)系統退化嚴重[1]。十八大以來，習近平從生態(tài)文明建設的宏觀視野提出“山水林田湖草生命共同體”概念。山水林田湖草是一個生態(tài)有機體，人依賴于田，田依賴于水，水依賴于山，山依賴于土，土依賴于林草[2-3]。山水林田湖草各要素生態(tài)過程相互影響、相互制約，是不可分割的整體[4-5]。作為我國生態(tài)文明建設的重要內容，當前山水林田湖草生態(tài)保護修復試點工程正在如火如荼地進行當中，但針對山水林田湖草生態(tài)修復效果的評價體系尚不完善。因此，建立系統和有效的指標評價體系已成為我國生態(tài)修復工作亟待解決的重要內容。

生態(tài)修復的概念最早由美國的利奧博德(Leppold)等人于1935年提出，人類利用工程手段使得受到破壞的生態(tài)恢復到自然生態(tài)的面貌[6]。1987年，“生態(tài)修復”的定義在國際上被確立：在整體性的基礎上對生態(tài)系統進行修復及管理的科學，包括生態(tài)系統中的區(qū)域、生物、結構、生產、可持續(xù)等領域[7]。20世紀60年代，生態(tài)環(huán)境評價系統、生態(tài)環(huán)境評價程序2種理論被提出和逐漸豐富。生態(tài)環(huán)境評價系統主要應用于流域區(qū)域內生態(tài)質量評價，生態(tài)環(huán)境評價程序主要應用于篩選生態(tài)環(huán)境的影響因子[8-9]。1987年，Bradshaw[10]提出從生態(tài)可持續(xù)性、抵制入侵、自然生產力、營養(yǎng)物質、生物作用等標準來判斷生態(tài)恢復情況。1994年，Land[11]提出從林地指標、生態(tài)環(huán)境指標、經濟效益指標來評價森林生態(tài)修復效果。2004年，國際生態(tài)恢復協會(SBR)[12]提出從生態(tài)系統自然維持、抗干擾能力及能量交流3個方面的9個特征指標來評價生態(tài)系統恢復效果。Everaert等利用分類樹模型對歐洲某生態(tài)河岸的建設進行了評價。目前我國生態(tài)學者進行生態(tài)修復評價主要運用指示物種法和指標體系法兩大類方法[13-16]。指示物種法是選取某生態(tài)系統中主要的一種或者多種指示生物來對生態(tài)修復效果進行評價，指標體系法針對要評價的對象構建一套包含不同層面的評價指標體系來進行效果評價[17-18]。宋立偉[17]利用鳥類作為指示物種對深圳灣地區(qū)的河流生態(tài)修復效果進行了評估，并指出生態(tài)修復效果良好的河流區(qū)域鳥的種類和數量會明顯增多。呂晉[18]篩選了影響淺水湖泊浮游植物生長的生態(tài)因子并構建了湖泊生態(tài)修護評價指標體系。王晶晶[19]針對磷礦山生態(tài)修復工程，構建了基于生態(tài)效益分析的指標體系，并結合實際情況做出了評價。

目前，生態(tài)修復評價體系已在許多研究中被提出，但通常將礦山、河流、森林等生態(tài)子系統分割開來進行獨立研究[20-22]。近年來，我國山水林田湖草生態(tài)修復工程已在全國范圍內得到響應，但以生態(tài)綜合治理、系統治理為導向的生態(tài)修復效果評價體系仍亟待完善。本文以國內外文獻數據庫為基礎，應用文獻計量和頻度分析全面總結了國內外研究中關于山水林田湖草生態(tài)修復評價的常用指標。以銅川市為例，結合其山水林田湖草生態(tài)修復工程規(guī)劃，應用實際工程分析、層次分析法和專家打分法系統地構建了山水林田湖草生態(tài)修復評價指標體系，明確了指標權重，可為我國生態(tài)修復評價管理提供重要參考和借鑒。

1 研究區(qū)概況

銅川市位于陜西省中部，處于黃土高原向關中盆地的過渡地帶，屬暖溫帶大陸季風氣候，四季分明，雨熱同季，地區(qū)差異明顯。銅川市地屬鄂爾多斯地臺向斜南緣撓褶帶，南與渭河地塹毗鄰，是土高原南緣的殘塬區(qū)，境內地勢北高南低，地形起伏較大，海拔在+543～+1 741 m，平均海拔1 132 m[23]。研究區(qū)坡度較大，全市土地總面積3 882 km2，其中山丘面積2 601 km2，臺塬面積1 086 km2，川道面積194.7 km2。

銅川市地處黃土高原地區(qū)獨特的自然地理條件下，長期的農業(yè)開墾和煤炭、石灰石等礦產開發(fā)，加之城市擴張，造成水土流失嚴重，森林植被分布不均，土地養(yǎng)分整體下降，與水資源短缺河流斷流和水體污染等問題疊加，進一步加劇全市范圍整體的生態(tài)環(huán)境脆弱化[24-27]。2017年1月，銅川市被選為全國生態(tài)修復試點城市，建設工期為3年，目前尚在生態(tài)修復期內。銅川市山水林田湖生態(tài)保護修復工程以《生態(tài)文明體制改革總體方案》《陜西省黃土高原生態(tài)保護修復實施方案》為指導，對山水林田湖草實行系統規(guī)劃，綜合治理。工程實施目標包括整治礦山環(huán)境、保護水資源和控制水污染、提高森林覆蓋率、梯田改造等，以增強生態(tài)系統服務與保障功能，提高資源環(huán)境承載能力。

2 研究方法

2.1 文獻計量分析

本工作以中國web of science和中國知網文獻數據庫為資料來源，系統調研了國內外文獻中報道的有關山水林田湖草生態(tài)修復評價的各類指標。共設定25個檢索關鍵詞，獲取有效文獻數據239篇，提取評價指標588個，文獻時間跨度為2000—2019年(表1)。

表1 文獻檢索信息

2.2 評價指標權重確定

生態(tài)修復評價的主要方法包括層次分析法(AHP法)、專家打分法、模糊評價法、綜合評價法、構建模型法等[28-31]。研究在指標體系構建的基礎上，結合AHP法和專家打分法來確定生態(tài)修復評價指標權重。主要工作內容如下。

(1)構造判別矩陣。利用在線問卷調查的方式邀請了4位生態(tài)學領域的專家對各評價層指標間的相對重要等級進行打分，從而得到重要等級矩陣，即判別矩陣。此次專家打分表的數字表示方法采用5級數字標度法(1分、3分、5分、7分、9分)，分數越大代表重要程度越高。

(2)計算矩陣特征值。矩陣特征值的計算利用Matlab實現，經歸一化處理得到特征值總排序，計算得到最大特征λmax。該特征值即為各指標權重。

(3)一致性檢驗。一致性檢驗是對判別矩陣的可行性驗證，通過一致性檢驗可避免因判別矩陣自身存在矛盾、造成結果不準確的現象。例如指標Ⅰ的重要性小于指標Ⅱ，指標Ⅱ的重要性小于指標Ⅲ，此時如果指標Ⅰ的重要性大于指標Ⅲ，則存在錯誤，需要修正和調整判別矩陣。一致性檢驗過程見式(1)—式(3)。

CR=CI/RI

(1)

CI=(λmax-n)/(n-1)

(2)

(3)

其中，CR為隨機一致性比率，其值不能為負；CI為一致性指標；RI為平均隨機一致性檢驗指標；n為矩陣的階數。

通常，當CR<0.1時，認為該判別矩陣通過一致性檢驗。

(4)可信度評估。由于判別矩陣是根據專家的經驗和主觀判斷獲得，因此計算所得的指標權重可行性會受到評判專家的評判方法、對生態(tài)領域的熟悉程度以及評價自信程度的影響[32]。本文采用可信度衡量法(表2)來提高指標權重賦值的可行性和可信度，該方法曾被廣泛應用于涉及專家打分法的相關研究中。

表2 專家可信度自評

3 結果分析

3.1 山水林田湖草生態(tài)評價指標篩選

3.1.1 礦山生態(tài)評價指標篩選

基于文獻調研結果，共獲取涉及礦山生態(tài)評價的有效文獻42篇，從中提取相關指標124個。由于部分指標意義相近或評價信息重復(如“植被覆蓋率”和“綠化率”)，經整合后得到68個評價指標。運用頻度分析法對這68個指標進行頻度統計發(fā)現，常用礦山生態(tài)評價指標頻度以0.2為界近似呈正態(tài)分布。故以0.2作為礦山指標頻度篩選閾值，最終得到礦山生態(tài)評價常用指標22個(表3)。根據各指標所表達的礦山生態(tài)特征，可將其歸納為9大類：景觀格局類指標(景觀多樣性指數)，土壤特征類(土地容重、土壤有機質、土壤pH值、有效土層厚度、重金屬污染評價指數)，群落結構類(物種多樣性指數、優(yōu)勢度指數、植被覆蓋率)，涵養(yǎng)水源類(地表徑流量、降水量、土壤侵蝕模數)，凈化水質類(水資源質量指數)，凈化環(huán)境類(空氣質量指數)，地質災害控制類(地質災害發(fā)生次數、地質災害治理率、固體廢棄物處理、地質環(huán)境保護與恢復治理、沉陷裂縫區(qū)生態(tài)恢復治理)，土地復墾類(土地復墾面積)，地形地貌類(坡度、平均海拔)。

表3 礦山生態(tài)評價指標頻度分析結果

3.1.2 河流生態(tài)評價指標篩選

基于79篇涉及河流生態(tài)評價的有效文獻中提取出179個評價指標。通過對意義相近和評價信息重疊的指標進行整合，并去除極難獲取的指標后，得到可用指標88個。經頻數分析表明，常用河流生態(tài)評價指標的頻度界線為0.17。以此為閾值，最終得到20個常用指標(表4)?？煞譃椋核臈l件類(生態(tài)流量滿足程度、流速)，水質條件類(水質綜合污染指數、水功能區(qū)水質達標率)，生物特征類(浮游植物多樣性指數、底棲動物多樣性指數、浮游動物多樣性指數、魚類生物多樣性指數)，河岸帶狀況類(景觀多樣性指數、河道蜿蜒度)，形態(tài)結構類(水土流失率、河岸穩(wěn)定性、河床穩(wěn)定性、河流連通性指數、濕地保留率)，社會服務功能類(污水處理率、防洪河道措施完善率、水資源開發(fā)利用率、公眾滿意程度、防洪能力)。

表4 河流生態(tài)評價指標頻度分析結果

3.1.3 森林生態(tài)評價指標篩選

從涉及森林生態(tài)評價的40篇有效文獻中共提取出40個評價指標。其中，單位面積活力木生長量、林相整齊度、土壤pH值、平均枝下高、年森林消長比例這5個指標出現頻數僅為1，因頻度過低被棄用。通過對其余35個指標頻度進行分析發(fā)現，森林生態(tài)評價研究指標選取上較為均勻，以0.35為界分布。故以0.35為篩選閾值，得到17個森林生態(tài)評價常用指標(表5)。

表5 森林生態(tài)評價指標頻度分析結果

3.1.4 農田生態(tài)評價指標篩選

從涉及農田生態(tài)健康和生態(tài)評價的18篇文獻中共提取評價指標48個，經去重合并整理得到38個評價指標。由頻度分析得到，常用農田生態(tài)評價指標頻度以0.25為界呈近似正態(tài)分布。故以0.25作為農田生態(tài)評價指標頻率篩選閾值，得到13個常用指標，其中農田結構、環(huán)境、生產力、持續(xù)力、景觀格局、土壤特征指標個數分別為2個、2個、4個、3個、1個、1個。

農田生態(tài)評價指標頻度分析見表6。

表6 農田生態(tài)評價指標頻度分析結果

3.1.5 湖泊生態(tài)評價指標篩選

從43篇有效文獻中提取處143個涉及湖泊生態(tài)評價的指標，經去重、合并后得到82個評價指標?；陬l度統計，得到常用湖泊生態(tài)評價指標頻度篩選閾值為0.15，最終篩選出26個常用指標。其中水文、水質、生物、湖岸帶、形態(tài)結構、社會服務功能常用指標個數分別為4個、3個、5個、4個、5個、5個(表7)。

表7 湖泊生態(tài)評價指標頻度分析結果

3.1.6 草地生態(tài)評價指標篩選

基于17篇有效文獻，提取出54個草地生態(tài)評價指標，經去重、合并后得到37個評價指標?；陬l度統計，篩選出常用草地生態(tài)評價指標8個，篩選頻度閾值為0.40。其中草地結構、土壤狀況、活力、干擾度常用指標個數分別為1個、2個、4個、1個。

3.2 銅川市山水林田湖草評價指標體系構建

3.2.1 評價指標篩選

參考國內外現有相關研究中提出的生態(tài)評價指標，并結合銅川市生態(tài)修復工程實際，以科學性、系統性、代表性、數據可得性、動態(tài)性為指標選取原則，在初步構建指標評價體系的基礎上經專家修正補充，最終構建了銅川市山水林田湖草評價指標體系。該體系從生態(tài)結構、生態(tài)功能和工程措施3個準則層對山、水、林、田、湖、草6個生態(tài)子系統生態(tài)修復效果進行評價。其中，生態(tài)結構主要從生態(tài)系統構造角度進行系統健康的評價；生態(tài)功能是基于生態(tài)系統維持能力角度進行評價；工程措施評價主要體現工程的動態(tài)修復進程。

表8 草地生態(tài)評價指標頻度分析

(1)礦山評價指標篩選。礦山環(huán)境是由自然因素(如地貌、礦產類型、礦山規(guī)模等)和人為因素共同作用的結果[33]，在對礦山進行生態(tài)健康評價時，需要考慮生態(tài)因素、人為生態(tài)破壞因素和人工修復因素。銅川市的廢棄礦山主要是由于煤炭開采使原始應力平衡狀態(tài)遭到破壞，造成了植被破壞、水土流失和地表水環(huán)境污染以及滑坡、泥石流的地質災害隱患，進而導致黃土高原礦山的生態(tài)功能更加脆弱，礦山環(huán)境治理難度進一步加大?；阢~川市礦山的生態(tài)現狀和工程修復措施，并綜合有關礦山生態(tài)評價的研究進行分析，對銅川市礦山生態(tài)修復效果從礦山結構、生態(tài)破壞和工程措施3個層面進行評價(圖1)。礦山結構準則層包括植被覆蓋度、生物多樣性、土地復墾面積、景觀完整性4個指標；生態(tài)破壞準則層包括土壤損毀度、固體廢棄物安置面積、水污染程度3個指標；工程措施準則層包括道路設施完善率1個指標。

圖1 銅川市山水林田湖草生態(tài)修護評價指標體系及權重

(2)河流評價指標篩選。河流具有供水、運輸、排污等眾多功能，具有十分重要的生態(tài)價值和景觀價值[12]。銅川市河流問題突出，主要表現在生態(tài)基流不足、自凈能力和水景觀等功能基本喪失、河流水質及生態(tài)功能直線下降(由農村面源污染、工業(yè)點源污染、道路運輸揚塵污染、城區(qū)生活污水污染等引起)等方面。結合銅川市河流生態(tài)整治措施，由河流結構、水質水量和工程措施3個準則層構成河流生態(tài)修復效果評價體系(圖1)。其中，河流結構包括河流總長度、生物多樣性、河流連通性3個指標；水質水量包括河流水質和流量保證率2個指標；工程措施包括河道生態(tài)整治率、防洪完善率、人工濕地面積、污水處理率4個指標。

(3)森林評價指標篩選。森林生態(tài)修復效果直接影響到黃土高原的水土保持能力。銅川市針對森林生態(tài)問題，采取了退耕還林、林草植被恢復、林草地改良等的工程措施。銅川市森林生態(tài)修復效果評價包含森林結構、生態(tài)功能和工程措施3個準則層。構建森林覆蓋率、生物多樣性、土壤肥力水平和景觀完整性4個指標以評價生態(tài)結構；森林生態(tài)功能指標由水土保持能力、木材利用率、水源涵養(yǎng)能力3個指標構成；工程措施用水土保持造林和封山育林2個指標進行評價(圖1)。

(4)農田評價指標篩選。農田生態(tài)系統具有氣體調節(jié)、氣候調節(jié)、水源涵養(yǎng)、土壤形成與保護、廢物處理、生物多樣性保護、食物生產、原材料和娛樂文化等功能[34]。受黃土高原地域限制，銅川市耕地面積和土壤質量水平較低，農田生產條件差，灌排等設備基礎薄弱，導致農田生態(tài)系統退化，也削弱了農田涵養(yǎng)水源、防治水土流失和控制沙塵等生態(tài)功能。結合農田生態(tài)系統健康評價的相關研究，構建銅川市農田生態(tài)修復評價體系(圖1)。該評價體系包含農田結構、生態(tài)功能和工程措施3個準則層。農田結構由農田總面積、生物多樣性、土壤條件3個指標構成；生態(tài)功能主要用農田生產力來評價；工程措施包含土地綜合整治和工程設備配套率2個指標。

(5)湖泊評價指標篩選。銅川市境內湖泊面積占比較少。針對湖泊生態(tài)，銅川市采取了湖泊水源地涵養(yǎng)林建設、濕地植被保護恢復等措施。和河流生態(tài)評價類似，銅川市湖泊生態(tài)修復評價體系分為湖泊結構、水質水量和工程措施3個準則層。湖泊結構包括湖泊總面積、生物多樣性和河湖連通性3個指標；水質水量包括湖泊蓄水量和湖泊水質2個指標；工程措施包括湖岸線整治、周邊濕地建設和調蓄能力3個指標(圖1)。

(6)草地評價指標篩選。草地具有涵養(yǎng)水源、改良土壤、保持水土、防風固沙、調節(jié)氣候、維護生物多樣性等重要諸多生態(tài)功能和產草產畜等生產功能[35]。為了改善草地質量，銅川市實施草原植被帶的建設和林草改良政策，達到降低水土流失治理度、修復區(qū)域生態(tài)的目的。銅川市草地生態(tài)修復評價體系包括草地結構、生態(tài)功能和工程措施3準則層。草地結構主要從草地蓋度、土壤條件和生物多樣性3個指標進行評價；生態(tài)功能包括水源涵養(yǎng)量、凈初級生產力2個指標進行評價；工程措施由生態(tài)護岸指標進行反映(圖1)。

3.2.2 評價指標權重確定

按照銅川市山水林田湖草生態(tài)修復評價指標體系的結構，各指標權重賦值過程按照如下步驟展開：①將礦山、河流、森林、農田、湖泊和草地生態(tài)修復評價視為6個獨立的子系統，按照式(4)—式(8)計算得到指標層各具體指標的權重；②按照相同的方法計算得到準則層賦值權重值；③獲得6個評價子系統的權重值。

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為專家代號；Wt為專家自評綜合值；at、bt、ct、dt分別為專家對職稱、評判依據、對該領域的熟悉程度、評價的自信程度4個評價內容的自評分數；St為可信度向量；n為專家人數，本工作中n=4；Sn×1表示基于n位專家自評結果得到的信度矩陣；Zm×n為由n位專家確定m個指標的權重矩陣；θ為指標權重向量。

通過對指標權重賦值結果進行檢驗，各層級指標權重均通過一致性檢驗，表明權重分配滿足合理性要求。計算得到銅川市山水林田湖草生態(tài)修復績效評價指數模型，如式(9)所示。最終的銅川市山水林田湖草生態(tài)修復績效評價指標體系和權重如圖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為山水林田湖生態(tài)修復效果評價總目標層；f、g、h、i、g、k分別為礦山、河流、森林、農田、湖泊和草地生態(tài)修復效果評價分目標層。

4 討論

近年來，我國一直高度重視生態(tài)文明建設，大力踐行“綠水青山就是金山銀山”的理念，統籌推進山水林田湖草綜合治理，全面打造“美麗中國”新局面。本文以“生命共同體”為思想核心，系統地建立了包含礦山、河流、森林、農田、湖泊和草地生態(tài)子系統的生態(tài)修復評價體系，評價結構更加系統，評價范圍更加全面，避免了各生態(tài)修復工程各自為戰(zhàn)、要素分割的局面。

此外，與生態(tài)評價相比，生態(tài)修復評價指標的選取更應注重指標的代表性和指標評價數據獲取的難易程度。在初步建立指標體系后，經專家打分和整體因素分析，部分指標由于不具代表性或數據難以獲取等原因被刪除。例如，在對礦山生態(tài)修復效果評價時，原先擬定采用指標“大氣污染程度”因不具有典型性被剔除。這是由于，銅川市的礦山修復主要針對的是廢棄礦山的整合整治(損毀土地的改善和水土流失的治理)，對大氣環(huán)境有一定影響，但并不是評價的重點；再比如，雖然“(森林)植物群落結構” 和“湖水交換能力”指標高頻的出現在生態(tài)評價的相關研究中(表5、表7)，但對于生態(tài)修復評價而言，存在評價數據不易獲取的缺點，因此同樣從評價指標體系中被剔除。綜上體現出本工作所建立的生態(tài)修復評價體系具有整體性、代表性以及可操作性強等優(yōu)勢。

5 結論

本文基于239篇文獻系統總結了國內外研究中關于山水林田湖草生態(tài)評價的106個常用指標?；阢~川市生態(tài)修復現狀，構建了銅川市山水林田湖草生態(tài)修復評價指標體系。該體系包括礦山、河流、森林、農田、湖泊和草地生態(tài)修復6個分目標層，18個準則層，46個子指標層。提出了山水林田湖草生態(tài)修復評價指數模型：E=0.187 0f+ 0.106 5g+ 0.463 0h+ 0.083 8i+ 0.063 7j+ 0.096 0k。研究可為山水林田湖草生態(tài)修復績效評價的理論研究和實際應用提供重要參考。