北方農(nóng)牧交錯帶農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)脆弱性評價指標體系構(gòu)建

1生態(tài)系統(tǒng)脆弱性研究氣候變化問題最初從科學認知的角度提出，主要用于研究人類活動引起的溫室氣體增加與近世紀以來世界價值鏈之間的關(guān)系。然而，問題涉及多個學科和多個部門的合作，已發(fā)展成為一個全面的問題，包括科學、社會、經(jīng)濟、外交和法律。近十年來,氣候變化研究及其影響評價問題已日漸引起了各方面的關(guān)注,在政府間氣候變化委員會(IPCC)的領(lǐng)導和推動下,氣候變化及其影響評估研究取得了重大進展。IPCC先后于1990年、1995年和2001年發(fā)表了3次全球氣候變化的綜合評估報告,對全球的氣候變化及其影響研究做了較為科學的評估。但同時也發(fā)現(xiàn),由于不同系統(tǒng)的復雜性,其評估方法也應(yīng)有所不同,以便客觀地評估氣候變化對各個系統(tǒng)可能產(chǎn)生的影響。本文旨在針對農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性問題,在較全面了解氣候變化對農(nóng)業(yè)影響有關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上,研究農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)脆弱性的科學評估方法,為政府制訂長遠發(fā)展計劃,適應(yīng)未來氣候變化,發(fā)展地方農(nóng)業(yè)經(jīng)濟,調(diào)整種植結(jié)構(gòu)和發(fā)展可持續(xù)農(nóng)業(yè)等提供一定的參考,同時也可為更好地參與IPCC評估報告的工作打下基礎(chǔ)。農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性是指某一地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程對氣候、環(huán)境變化等敏感因素反應(yīng)的強弱,以及當?shù)厣鐣?jīng)濟、生產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境等要素對變化的適應(yīng)性的綜合不穩(wěn)定反應(yīng)(侯亞紅和劉文泉,2003),是農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)對外部壓力的敏感性及自身適應(yīng)能力的函數(shù)(IPCC,2001)。隨著氣候變化影響研究的深入,開展了一些關(guān)于生態(tài)系統(tǒng)氣候脆弱性的評估研究,與以往常規(guī)氣候變化影響等評估不同,它不僅要求研究者從氣候變化的角度分析系統(tǒng)的敏感性,也要為決策者提供解決脆弱性問題的戰(zhàn)略措施(殷永元和王桂新,2004)。Downing等(1992),IPCC(1997),蔡運龍和Smit(1996)定性地討論了局地相關(guān)系統(tǒng)對氣候變化的脆弱性,其研究范圍包括全球或半球、大陸或次大陸、國家或地區(qū)尺度。Reilly等(1994)提出了損失函數(shù)表示法,定義損失函數(shù)為氣候因素變化的可能性與農(nóng)業(yè)因子對氣候變化的敏感性的乘積,當災(zāi)害發(fā)生時,一個地區(qū)的損失函數(shù)值越大,說明該地區(qū)越脆弱。林而達等(1994)定性或定量分析了氣候變化背景下中國農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的敏感性和適應(yīng)性,并提出了一系列適應(yīng)氣候變化的對策建議。王馥棠等(2003)和劉文泉(2004)利用GCMs模式確定未來氣候變化情景,采用實地調(diào)查、專家打分法和層次分析法(AHP)等對黃土高原區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的氣候變化脆弱性進行了評估研究。也有很多關(guān)于生態(tài)系統(tǒng)脆弱性評估方法的研究可以用于農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)脆弱性研究中。趙桂久等(1995)和趙躍龍等(1998)在脆弱環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)分析研究中,提出通過選取多種影響敏感因子,確定不同因子的權(quán)重來計算脆弱度的方法,即綜合指標分析法。孫武等(2000)通過對北方農(nóng)牧交錯帶自然經(jīng)濟系統(tǒng)的研究,認為區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展水平波動性的高低實質(zhì)上是對農(nóng)林牧土地利用方式、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、人口超載狀況和整個系統(tǒng)穩(wěn)定性的綜合反映,因而也是度量生態(tài)脆弱帶脆弱度的實用指標之一。劉振乾等(2001)建立了濕地生態(tài)脆弱性評價指標體系和方法,并利用該方法對三江平原濕地進行了評價。李雙成等(2005)在分析生態(tài)系統(tǒng)脆弱性特征和影響因素的基礎(chǔ)上,構(gòu)建了針對森林和草地生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性評價指標體系,涵蓋了生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能和生境3個方面,并認為人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型評價生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性是一條可行的途徑。王麗婧等(2005)對邛海流域生態(tài)脆弱性做了定量的評價研究,等等。生態(tài)系統(tǒng)脆弱性實際上是生態(tài)安全的一個方面,許多關(guān)于生態(tài)安全的研究涉及到了生態(tài)系統(tǒng)脆弱性問題。王根緒等(2003)對生態(tài)安全評價的一些方法及存在的問題做了概述;崔勝輝等(2005)關(guān)于生態(tài)安全的國內(nèi)外研究情況做了比較全面的總結(jié)。本文主要是以北方農(nóng)牧過渡帶為例,來討論農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)脆弱性的評價方法。2建立脆弱性評價指標體系，確定權(quán)重2.1敏感性和適應(yīng)性指標在綜合考慮了北方農(nóng)牧過渡帶農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)脆弱性的自然因素和人為因素以及當前的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)狀況等的基礎(chǔ)上,將指標因子分為敏感性和適應(yīng)性指標兩部分,選取氣候敏感類、環(huán)境敏感類、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)類、社會經(jīng)濟類等4大類共17項指標(圖1)。2.2確定因子權(quán)重20世紀70年代,美國運籌學專家薩蒂提出定量與定性相結(jié)合的方法層次分析法(AHP)。AHP是將復雜問題分解為若干組成部分,用九標度法(1—9)進行專家打分,再構(gòu)造判斷矩陣,計算出各因素的相對重要性。由于專家評分時,較難掌握分數(shù)的具體值,這里分兩個階段構(gòu)造判斷矩陣。首先采用較為簡便的三標度法(0,1,2)進行打分,構(gòu)造比較矩陣,第二階段通過計算將比較矩陣轉(zhuǎn)化為判斷矩陣,并證明它滿足一致性要求(朱茵等,2005)。層次分析法確定因子權(quán)重的步驟為:1)建立遞階層次結(jié)構(gòu),清楚地表明各層次之間的關(guān)系。2)用三標度法對同一層因子進行兩兩比較,建立比較矩陣An=(aij)n×n。其中?aij={210ai比aj重要ai與aj同等重要aj比ai重要(i,j=1,2,3,??,n)ri=n∑j=1aij3)采用極差法構(gòu)造判斷矩陣Cn=(cij)n×n,其中:cij=cbri-rj)/R,cb為一常量,在實踐中取9;R=rmax-rmin,稱為極差,rmax=max{r1,r2,……,rn},rmin=min{r1,r2,……,rn}。4)求解判斷矩陣的特征向量并歸一化和最大特征根λmax,進行一致性檢驗,以判別排序結(jié)果的可信度。檢驗公式為:CR=CI/RI其中,CR為判斷矩陣的隨機一致性比率,CI為判斷矩陣的一致性指標,可由下式計算:CΙ=1n-1(λmax-n)RI為平均隨機一致性指標,對于1—9階矩陣,RI值列于表1,如果CR<0.1,則認為矩陣具有可滿意一致性,否則需要重新調(diào)整判斷矩陣。2.3確定指標權(quán)重的步驟下面以氣候敏感類指標層(u11,u12,u13,u14,u15)為例說明指標因子權(quán)重的計算過程。1故水水質(zhì)分析An=(aij)n×n=[1221201002021021221200001]故r1=8,r2=3,r3=5,r4=8,r5=1,R=7。2添加量:n.0.423.Cn=(cij)n×n=[1.00004.80402.56402.56431.00000.20821.00000.53380.20821.87340.39001.87341.00000.39003.50981.00004.80402.56341.00009.00000.11110.53380.28490.11111.0000]3氣候敏感指標相對于基準層的權(quán)重Μi=n∏i=1cij?wi′=n√Μi,歸一化,wi=wi′/(n∑i=1wi′)即為氣候敏感指標相對于基準層U1的權(quán)重(0.3691,0.0768,0.1439,0.3691,0.0410)4測試基準層的權(quán)重最大特征根λmax=155∑i=1(CW)iwi=5.0001?CΙ=15-1(λmax-5)=0.000025,五階矩陣的隨機一致性指標RI=1.12,故CI/RI<0.1,判斷矩陣具有滿意的一致性。類似地求出其它基準層指標因子的權(quán)重,見表2。表2中氣候敏感基準層相對于目標層的權(quán)重為0.6×0.4=0.24,類似地,環(huán)境敏感因素、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)因素、社會經(jīng)濟因素的權(quán)重分別為0.16、0.36、0.24。而各指標相對于目標層的權(quán)重=各指標相對于基準層的權(quán)重×基準層相對于目標層的權(quán)重。3農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)脆弱性綜合評價3.1嚴重脆弱性嚴重脆弱采用模糊綜合評判對農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)脆弱性進行評價,需要建立評判集合V,并將其分為4個等級,即V={V1(較不脆弱)、V2(一般脆弱)、V3(比較脆弱)、V4(嚴重脆弱)}。由于各指標與脆弱性存在正向與負向兩種關(guān)系,正向關(guān)系就是評價因子增大時,脆弱性變大(如水土流失比例、土壤侵蝕模數(shù)等),即:μ(x)={10xij<x≤xij+1x≤xij?x>xij+1逆向關(guān)系就是當評價因子增大時,脆弱性減輕(人均GDP、糧食播種單產(chǎn)等),即:μ(x)={10xij<x≤xij-1x≤xij?x>xij-1采用均勻分布建立隸屬函數(shù),根據(jù)各縣統(tǒng)計數(shù)據(jù)找出最大值和最小值,再將兩者之間的差值四等分從而得到每項指標的不同分級標準,見表3。3.2模糊映射處理根據(jù)此標準,可得出各縣的判斷矩陣R:Rij=[r11r12r13r14r21r22r23r24????????r171r172r173r174]建立從U到V的模糊映射,根據(jù)公式B=A·R對指標系統(tǒng)的權(quán)重集A(各指標相對基準層權(quán)重)和評判矩陣R進行模糊合成運算。采用M(·,+)模型(加權(quán)平均型),bi=∑ai·rij計算綜合判斷向量B中各元素的值,再根據(jù)最大隸屬度法判斷評價等級,即若,b′k=max(b1′,b′2,…b′m)則可判定此縣的脆弱性評價等級為Vk級。4生態(tài)系統(tǒng)脆弱性評價河北省張北縣是典型的農(nóng)牧過渡帶上農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)較為脆弱的地區(qū),全面收集到農(nóng)業(yè)、生態(tài)、社會和經(jīng)濟等相關(guān)資料選擇張北縣為例來說明脆弱性評價的具體過程。4.1一、三級評估4.1.1[00]B1=A1?R1=(0.3691?0.0768?0.1439?0.3691?0.411)?[00100010100001000100]=(0.1439,0.4102,0.4459,0)4.1.2[2.0.5290.犯罪軟指數(shù)..4.3.3B2=A2?R2=(0.2568?0.1214?0.5594?0.0623)?[0001001000100010]=(0,0,0.7431,0.2568)4.1.3[13]B3=A3?R3=(0.4516?0.1506?0.0869?0.0502?0.2608)?[0010000100010001]=(0,0,0.4516,0.5485)4.1.4計算[0.400010][4.1338]B4=A4?R4=(0.0769?0.6923?0.2308)?[000101000010]=(0,0.6923,0.2308,0.0769)4.2氣候脆弱性綜合評判B=A?R=(0.24?0.16?0.36?0.24)?[0.14390.41020.44590000.74310.2568000.45160.548500.69230.23080.0769]得出張北縣氣候脆弱性綜合評判向量B=(0.0345,0.2646,0.4245,0.2764)=(b1′,b2′,b3′,b4′),其中b′3=0.4245為最大值,對應(yīng)于第V3級,因此張北縣農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)屬于比較脆弱。5生態(tài)系統(tǒng)脆弱性評價指標體系的構(gòu)建綜合考慮了該地區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)脆弱性的自然因素和人為因素以及當前的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)狀況等基礎(chǔ)上,將農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)脆弱性指標因子分為敏感性和適應(yīng)性指標2部分,并選取氣候敏感指標、環(huán)境敏感指標、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)指標、社會經(jīng)濟指標等4大類共17項指標構(gòu)成脆弱性評價的指標體系。采用層次分析法確定指標因子的權(quán)重,最后采用模糊綜合評判的方法對農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)脆弱性進行總的評價。由于生態(tài)系統(tǒng)脆弱性評價方法研究是近10年才開始的,迄今沒有