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生态质量是指一定时间或空间范围内生态系统的总体或部分生态因子的组合对人类生存及社会经济持续发展的适宜程度[1],生态质量现状是由自然环境背景、人类开发活动和环境管理共同作用下形成的结果。区域生态质量评价是一个综合过程,也是一门综合技术,包括生态数据采集、生态质量评估、生态质量评价基本结论以及解决生态问题的相关建议与对策[1]。美国环境监测与评价项目(EMAP,EnvironmentalMonitoringandAssessmentProject)将生态质量评价定义为:评价是对EMAP获取数据的解释与评估,旨在回答关于生态资源健康状况的相关政策问题。生态质量评价是根据选定的指标体系和质量标准,运用恰当的方法评价某区域生态质量的优劣及其影响,通过评价准确反映某一时段内的生态质量状况[2]。而气象评价就是从气象角度所作的生态质量评价。生态质量的评价及其方法研究,国内外有关学者已经做了一些工作,但尚未形成统一的概念和原理。这些工作包括评价指标的确定、对生态质量优劣的评定、改善生态的对策与建议等,研究对象包括单个生态系统如森林生态系统、湿地生态系统等,也有综合性的生态系统如某个保护区,又或者对某个特定区域的生态质量的综合评价,一般以行政区划或景观布局为单位。尺度不同,研究方法也有所不同,常见的方法有综合评价法[3]、指数评价法[4]、模糊评价法[5]、人工神经网络评价法[6]、物元分析评价法[7]等,主要差别体现在评价指标的选择和量化上。吴秀芹等[8]以2000年的TM影像为数据源,在RS和GIS技术的支持下提取了土地利用程度及植被类型因子,对参评指标因子进行量化处理,结合地下水位对塔里木河下游典型区进行了景观生态质量综合评价。刘鲁君等[9]对县域尺度的生态质量评价方法进行了研究,石金莲等[10]选取自然性、代表性、多样性、稀有性、生态脆弱性、面积适宜性、人类威胁等指标对辽宁老秃顶子自然保护区进行了评价。这些研究所选的指标和对指标的权重都不一样,但研究思路具有相同点即经过指标选取-确定-权重-加权,最终得到综合评价值。本文根据福建具体的生态环境监测数据,遵循指标选择的代表性、全面性、综合性、简明性、方便性、适应性原则,选择湿润指数、植被覆盖指数、水体密度指数、土地退化指数、灾害指数5个因子对福建省生态质量进行气象方面的评价,旨在探讨生态质量气象评价方法,寻求生态质量评价的量化指标,同时提供各地生态质量的量值,以期为生态环境的保护提供参考。
1资料与方法
1•1自然概况
福建省位于东南沿海(115°50′-120°43′E,23°32′-28°19′N),东西宽约540km,南北长约550km,土地面积1•214×104km2,其中山地丘陵占80%以上。福建属亚热带海洋性季风气候,年平均气温15•2~21•8℃,各地年平均降雨量基本在1000mm以上,年日照时数1754~2482h,气候资源得天独厚。福建省背山临海,其陆域基本由海拔1000m以上的山地与浙江、广东隔开,因而地貌上和水系上成为相对独立的地理单元。相对独立的地貌、水系及相应的气候、土壤和植被使得生态环境也表现出很强的相对独立性。福建海域处于东海和南海的交界处,全区多为台湾海峡所占据,由于陆域丘陵山地与台湾山地的制约使海域本身的气候、地貌和生物生态环境特征都具有一定的独立性。由于缺乏金门县的相关数据,在进行生态评价时未将金门县考虑进去。
1•2资料及其来源
采用福建省2006年7-9月全省67个台站的地面气象观测资料计算各地湿润指数和灾害指数,数据包括月平均气温(℃)、月降水量(mm)、月平均10m风速(m/s)、月平均相对湿度(%)、月平均气压(mb)、饱和水汽压(mb)、灾害面积(hm2),由福建省气象台提供。水体密度指数、植被覆盖指数、土地退化指数各评价因子的面积、类别数据来源于福建省各地土地利用数据,由福建省农业资源综合数据库提供。
1•3评价模型的建立
采用模糊综合评价法,通过建立隶属函数,经模糊变换,给每个评价因子赋予一个非负实数,得到评价结果,再与评语集相对照,最终确定评价区域的优劣等级[11]。
1•3•1评价因子集遵循代表性、全面性、综合性、简明性、方便性、适应性原则,选择5个因子为评价因子,则评价因子集V={湿润指数,植被覆盖指数,水体密度指数,土地退化指数,灾害指数},然后采用文献[12]中的数据处理方法对各评价因子进行标准化。各评价因子定义如下:(1)湿润指数为降水量与潜在蒸散量的比值,是判断某一地区气候干、湿程度的指标。湿润指数K=R/ET,该指数能够客观地反映一地的水热平衡状况。按季度进行评价时,季度湿润指数K=Rs/(∑ETi),Rs为季度降水量,∑ETi为该季度三个月潜在蒸散量之和。根据文献[13],月平均潜在蒸散量ETi=22di(1•6+U1/2i)Woi(1-hi)P1/2i(273•2+ti)1/4其中,i是月份编号,Pi为月平均气压(mb),ti为月平均气温(℃),di是月天数,Ui是10m高度观测的月平均风速(m/s),Woi是温度为ti时的饱和水汽压(mb),hi是月平均相对湿度(%)。计算区域生态质量等级时,当K>1时,取K=1。(2)植被覆盖指数指被评价区域内林地、草地及农田三种土地类型面积占被评价区域面积的比重,用于反映被评价区域植被覆盖的程度。(3)水体密度指数指被评价区域内水域面积占被评价区域面积的比重,水域包括河流、湖泊、水库等。(4)土地退化指数指被评价区域内风蚀、水蚀、重力侵蚀、冻融侵蚀和工程侵蚀的面积占被评价区域面积的比重,是反映生态系统功能退化程度的一个重要指数。(5)灾害指数指单位面积上担负的灾害强度、频率等灾害总量,即评价区域内农田、森林等生态系统遭受气象灾害的面积占被评价区域面积的比重。
1•3•2评价因子权重由于不同的综合评价因子对农业资源可持续利用的影响是不一样的,因此需要对参评因子进行权重系数测定。各层次因子权重参照《生态质量气象评价规范(试行)》[13]、采用专家打分法取得,结果见表1。
1•3•3属性同一化根据不同属性因子对总体生态质量的影响方向不同,对全部因子属性进行正相化处理[14]。5项因子中有2项为负相因子(土地退化指数和灾害指数),其正相化指标=1-负相指标。
1•3•4生态综合评价指数根据权重集Q={0•25,0•3,0•2,0•15,0•1}和评价因子隶属函数值集合R={K,V,W,L,D},可计算得到生态综合评价指数其中,O为算子;i为各区域编号,本文i=1,2,3,…,67,Ai表示福建省各县(市)生态质量的综合评价值。#p#分页标题#e#
1•3•5评语集评价区域的生态质量分为5个等级,评语集Z={优,良,一般,较差,差},各等级评语见表2,等级划分参照《评价规范》[13]。
2结果与分析
2•1湿润指数
福建省2006年7-9月湿润指数分布如图1所示。由图中可见:此时段内福建省湿润指数普遍较高,各地湿润指数均在1•0以上;东部地区湿润指数明显高于西部山区,其中东部如平和、诏安、寿宁、永春、云霄、霞浦、宁德、南靖、长泰等地湿润指数较高,均在4•00以上。湿润指数等级较低的地区基本集中在西部如建阳、顺昌、将乐、长汀、永安等,主要是由于7-9月福建省受台风影响比较多,导致东部降水多于西部。根据《评价规范》[13],当K>1时表示大气降水总体上大于植被生理过程需水量,降水条件一般不成为当地植被生理需水的限制因子,说明福建省该季度降水满足作物生长的需水量,有利于作物及其它植物的生长发育。
2•2水体密度指数
福建省2006年7-9月水体密度指数分布如图2所示。由图中可见,福建省各地水体密度指数因地理位置、海拔差异和人类生产活动强度的差异而有所不同。东部沿海地区水体密度指数较高,如漳州的诏安县、龙海市、福州管辖下的平潭县、福清市和厦门市等地,最高可达0•15,主要是因为沿海天然水体面积大,同时由于加上养殖业的开展,人工沟渠、围塘数量大,使得沿海水体密度明显高于中西部;中部地区作为三溪汇合点的南平市延平区和古田水库所在古田县水体密度指数也比较高,介于0•037~0•05;西北部作为粮食生产基地的光泽县、武夷山市、建阳市等地水体密度指数稍低,其指数范围为0•016~0•025;中部地区的长汀县、连城县、永安市、大田县等地因海拔较高,人工水库、水塘等较少,因而水体密度指数明显偏低,指数介于0•008~0•016。
2•3植被覆盖指数
福建省2006年7-9月植被覆盖指数分布如图3所示。从图3可见,福建植被覆盖度整体较高,多数县(市)植被覆盖指数可达0•40以上,植被覆盖指数最高的县达到0•56。从图3中还可看出,沿海经济发达地区植被指数相对较低,如厦门、晋江、石狮、莆田、长乐等地,内陆植被覆盖指数则明显较高,指数在0•4以上的县(市)有49个,占行政区总数的73•1%,指数值大于0•5的行政区有6个,为武夷山市、松溪县、政和县、大田县、永泰县、华安县。植被指数最高的为武夷山市,原因是其界内包括了武夷山国家级自然保护区。武夷山自然保护区位于福建省西北部的武夷山脉脊部,拥有世界上同纬度带现存面积最大、保存最完整的中亚热带森林生态系统,典型的地带性森林类型为常绿阔叶林群落,植被覆盖度很高。图32006年7-9月福建省植被覆盖指数分布
2•4土地退化指数
土地退化是自然侵蚀和人文因子相互作用的结果,是生态系统退化的重要表征之一。福建省坡地多、雨量大,特别是多陡坡、多暴雨的自然环境为水土流失提供了客观的基础。福建省2006年7-9月土地退化指数分布如图4所示,从图中可见,各县(市)土地退化指数在0•002~0•030,泉州地区的南安市土地退化相对严重,其土地退化指数为0•030,寿宁县、安溪县、华安县、平和县土地退化指数较高,介于0•024~0•030,而武夷山、邵武、建阳、漳平、上杭、龙海、漳浦等地退化指数较低,指数值均在0•009以下。
2•5灾害指数
7-9月福建的主要灾害性天气为台风,分析期影响的台风有:7月14日在霞浦县北壁镇登陆的“碧利斯”,7月25日在晋江市围头镇登陆的“格美”,8月10日在闽浙交界处的浙江省苍南县马站镇沿海(距离边界约10km)登陆的第8号超强台风“桑美”。据灾情统计:“碧利斯”对宁德、福州、莆田、龙岩、泉州、漳州等六个地区造成了严重影响,造成10933•5hm2农作物受灾,4240•0hm2成灾,762•5hm2绝收。“格美”也对6个地区造成严重影响,其中农作物受灾面积29975•2hm2,成灾面积13056•6hm2,绝收面积1288•7hm2。“桑美”持续时间短,主要影响到南平和宁德,受灾面积4921•4hm2,成灾3259•7hm2,绝收819•3hm2。8月中旬-9月天气转好,未出现重大气象灾害。福建省2006年7-9月灾害指数分布如图5所示。由图中可见,各地区灾害指数介于0•000~0•094,灾害指数地区差异明显,漳州地区灾害指数较高,宁德次之,厦门、南平、三明等地灾害指数值较小。
2•6生态综合评价指数
最终计算得到福建省2006年7-9月生态综合评价指数分布结果(见表3)。对照生态质量评价分级标准(表2)可见,此季节内福建省各地生态质量等级差异不明显,生态质量综合评价指数介于0•54~0•67,其中有66个地区的生态质量气象评价等级为良好,多数县(市)综合评价值达到0•60以上,区域生态质量等级接近优。
3结论与讨论
本研究中,选取福建省各地湿润指数、水体密度指数、植被覆盖指数、土地退化指数、灾害指数作为评价因子可综合反映评价区域的生态质量状况。湿润指数反映了该段时间的气候资源状况;植被指数反映了当地森林、草地、农田等生态系统的情况,是生态质量水平的最大贡献者;水体是“地球之肾”,是人类及其它生物赖以生存的根本,而水体密度指数在某一方面也反映了区域生态质量的优劣程度;土地退化及其它自然灾害一直都是影响区域生态质量的重要因素,土地退化程度越低、自然灾害越小,区域生态质量越高。7-9月福建省正处夏季,各地水热平衡差异明显,降水丰富,台风等气象灾害频繁发生,各种气候特征明显,在全年中具有典型的代表性。2006年在福建省是特殊的一年,期间灾害特别是台风频繁发生,共有3次台风影响本省。因此,选取福建省2006年7-9月的生态气象质量为研究对象,一方面能够提供福建夏季特殊的生态质量状况,为以后与其它季节或其它年份的气象评价的对比分析奠定基础;另一方面,地区间各气象要素的差异也便于检验评价方法的优劣程度,过于相似的评价因子难以反映不同地区指标水平的差异,不利于评价方法的探讨研究。2006年7-9月,福建省的生态质量较好,地区间生态质量水平差异较小,主要原因归结如下:1)各地植被覆盖指数基本介于0•40~0•56,该指数是所有指标中权重值最高的指数,对综合评价指数的影响也最大;2)7-9月福建省各地降水普遍偏多,各地湿润指数K在1•0以上,计算综合评价指数时取K=1;据专家意见,湿润指数在气象评价中占有的权重值为0•25,仅次于植被覆盖指数,对综合评价指数值的贡献度也比较高;3)其余三个指数尽管各地差异比较明显,但由于指数值普遍较小,权重值也较小,因此对综合评价指数值的影响比较小。研究结果与曾从盛等[15]提到的福建省生态因子在空间展布方式和分布范围上的一致和叠合现象相对应,说明该评价结果是可取的、相对客观的。#p#分页标题#e#
福建省生态质量气象评价研究表明,通过因子选定、因子权重等评价操作,可以根据所得出的各地(市)的评价因子的指数值,最终得到区域生态质量的综合评价指数,确定地区的生态质量等级,判断某一区域生态质量的水平及重要性等级。该方法的优越性在于:它可以将现有大量的、相对零散的地面气象观测、土地利用数据整合,得出一个直观而量化的等级指数,以便于为生态环境的保护提供更为直观的参考;而且,由于在因子选择时考虑到湿润指数、水体密度指数、植被覆盖指数、土地退化指数、灾害指数等众多因素,模糊综合分析得出的评价指数是一个综合的结论,而非简单地通过一两个数据就得出结论,避免了评价过程中可能出现的以偏概全的不科学现象。因此,该方法在生态环境的保护与管理中具有良好的应用前景,评价人还可以根据评价对象的具体情况选择更多的评价因子,使得评价结果更加合理。
