浅析喀斯特生态系统健康影响因子及评价指标——以毕节地区为例

环境科学与管理

ENVIRONMENTALSCIENCEANDMANAGEMENTVol133No110

Oct.2008

文章编号:1673-1212(2008)10-0143-07

浅析喀斯特生态系统健康影响因子及评价指标

———以毕节地区为例

曹欢,苏维词

1

2,3

1

,范新瑞

(1.贵州大学资源与环境学院,贵州贵阳550003;2.贵州科学院山地资源研究所,贵州贵阳550001;

3.重庆师范大学地理学院,重庆400047)

摘　要:从喀斯特生态系统以及喀斯特生态系统健康评价的概念出发,以毕节地区为例,分析了影响喀斯特生

态系统健康的各类因子,如水土流失及石漠化、水资源、生物多样性、地貌、人类活动强度与方式、人-社会-生态健康可持续性等,利用因子载荷分析方法,从生态系统的结构功能、可持续利用能力、动态变化等三个方面筛选出26个因子构建了喀斯特生态系统健康评价的指标体系。关键词:生态系统健康;影响因子;因子分析,喀斯特中图分类号:X171　X820.3文献标识码:A

APreliminaryDiscussionontheKarstofEcosystemHealthFactorsandEvaluation

———ACaseStudyinBijie

CaoHuan,SuWeici

1

2,3

,FanXinrui

1

(1.ResourcesandEnvironmentCollegeofGuizhouUniversity,Guiyang550003,China;

2.ResearchInstituteofMountainResources,GuizhouAcademyofSciences,Guiyang550001,China;

3.GeographyCollegeofChongqingNormalUniversity,Chongqing400047,China;)

Abstract:TakeBijieTerritoryasanexample,fromtheconceptoftheecosystemaswellasthehealthappraisesofanecosys2teminKarst,analyzethefactoraffectingthehealthyofKarstecosystem:suchassoilerosionanddesertification,waterresources,

biodiversity,landscape,theintensityofhumanactivities,people-community-ecologicalsustainabilityofhealth.Useofloadfactoranalysis,fromthestructureandfunctionofecosystems,sustainableuseofcapacityanddynamicchangesthreeareas,select26factorsandconstructtheKarstecosystemhealthevaluationindexsystem.

Keywords:ecosystemhealth;impactfactor;factoranalysis,Karst

　　生态系统健康评价是一个新兴的学科领域,目前对各种类型的生态系统健康研究现多限于森林、湿地、河流、农业、城市等一般的生态系统[1-6]。而由于喀斯特生态系统所处的特殊地域,使得喀斯特生态系统健康的受胁迫因子及其作用机理、喀斯特生态系统演变的过程、方式、途径及其影响效应,都有别于其他地区生态系统的运行状况,但是目前针

收稿日期:2008-09-08基金项目:国家“十一五”科技支撑计划专题(2006BAC01A09-5);

贵州省科技攻关计划(黔科合S字[2007]1018);贵州省重大科技专项(黔科重大合计[2006]6014);贵州省发改

委高新技术产业化项目的部分内容

作者简介:曹欢(1983-),女,天津市人,贵州大学资源与环境工程学

院,环境科学专业,硕士研究生。

对喀斯特地区的各类生态系统健康评价的研究并不多。毕节的状况,具有很强的代表性和典型性,深刻地反映了贵州喀斯特连片贫困地带的一般状况和特点。本文通过定性和定量分析方法建立了一套相对完整的评价指标体系,为喀斯特地区生态系统健康评价提供参考依据。

1　喀斯特生态系统健康的概念

喀斯特是一种具有特殊物质、能量、结构和功能

[7]

的生态系统,具有生态敏感度高,环境容量低,抗干扰能力弱,稳定性差等特征,森林植被遭受破坏后,外加人为干扰极易造成水土流失,基岩裸露而石漠化。

健康的喀斯特生态系统具有恢复力,自我维持能力,不仅能保持和维护生态系统自身的良好服务功

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能,还能为人类社会发展提供支撑。喀斯特生态系统

健康评价在于诊断生态系统健康现状,确定生态系统破坏的最低和最高阈值,便于实施有效的生态系统管理。所以对喀斯特生态系统健康现状及影响因子的分析,是正确评价生态系统健康的关键。

2　喀斯特地区生态系统健康影响因子及现

状分析

2.1　水土流失及石漠化

由人类不合理活动导致的水土流失、石漠化是喀斯特生态系统健康受损的重要表现。因此毕节地区的水土流失面积、石漠化面积反映了喀斯特地区生态系统的状况以及发展方向。目前毕节地区石漠化明显,全区石山、半石山已达1533平方千米,还在以每年13133～20平方千米的速度递增。水土流失面积约16000平方千米,年流失泥沙总量7000多万吨。导致毕节地区地力衰退,生产能力下降,生态系统的结构和功能受到严重破坏。

2.2　水资源的胁迫

丰富的可用水资源对喀斯特地区的各种生态系统的存在及良性健康发展有重要意义。评价指标包括:年降水量、水资源利用率等。毕节试验区水资源为雨源性水资源,总量虽然丰富,但水资源时空分布不均,而且与用水对象的匹配性差,能方便利用的水资源仍然短缺。2.3　生物多样性生物多样性具有保持能量合理流动、改良土壤、净化环境等众多方面的功能,是反映喀斯特生态环境系统健康的重要影响因子。喀斯特生态系统的植物群落特征(如植被覆盖率、植被类型、植被根系)通常被用来直接表现喀斯特区域生物系统多样性[8]。喀斯特地区植被覆盖率低,群落结构简单,生产者、消费者和分解者之间的物流量小而慢、能耗高,环境熵流大。毕节地区森林覆盖度普遍偏低,除农业植被占土地总面积的22%以外,高覆盖度的仅占15%、中覆盖度的占28%、而低覆盖度的却占35%,这种植被覆盖度,在降水季节较长、降水量较大的喀斯特地区,对于径流调节和保持土壤都很不利[9]。2.4　地貌

主要是地表坡度和地表破碎度。当地表坡度达到一定程度时,斜坡上的岩土体便极易发生块体滑移;同时坡度越大土层越浅薄,土壤持水能力低,植被不易生长,生态系统稳定性愈低,健康程度愈差。毕节地区破碎的地形特点导致了土地破碎,坡地比重较大,这是造成水土流失严重、生态健康失衡的重

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要原因。2.5　人类活动强度与方式

由于喀斯特地区环境人口容量小,所以造成生态系统退化的原因之一是人口的压力。现毕节地区人

口密度为272人/km2

,已经超过了该生态系统的承受能力,加速了喀斯特生态系统的退化。在目前以农耕为主且生产力水平较低的毕节喀斯特地区,人类活动强度可用人口密度来衡量,人口密度愈大,对流域土地构成的压力愈大。同时工业的发展带来的污染物质的随意排放也对生态系统健康产生了巨大影响。2000年,毕节地区工业废气处理率仅为29.61%,远低于全省平均水平。工业废水和生活污水任意排放、农业营养物径流、杀虫剂、除草剂径流造成生物多样性减少,水质下降,有毒物质增加。2000年,毕节地区工业废水排放达标率仅为10191%,工业废水处理排放达标率也仅为28146%,远远低于贵州省平均水平。同时生活污水及生活垃圾不断增加,而相应的城镇污水处理厂和生活垃圾处理场的建设未及时跟上,使得流经城镇的河段接纳了大量未处理的生活污水及生活垃圾,造成毕节地区大部分监测河段的水质劣于Ⅴ类水体要求,不能达到各自的水体功能区类别。Daily(1995)曾对造成生态退化的人类活动进行了排序(图1):过度开发(包含直接破坏和环境的污染等)占35%,毁林占30%,农业活动占28%,过度收获薪材占7%,生物工业占1%。

图1　人类活动造成生态退化的原因

2.6　人-社会-生态健康可持续

人对生态系统产生负向影响的同时,也有目的性的对生态系统产生正向影响,在一定程度上减缓了生态系统健康恶化的速度。

毕节地区逐年增加环保资金投入,对于各种污染物的排放也有严格的限定。影响因子主要有:工业固废综合利用率、工业废水排放达标率、工业废气处理率、区内水质达标率等。

喀斯特生态系统健康破坏的重要表现之一就是土壤退化,而土壤退化的主要原因之一就是滥砍滥伐及土地利用结构不合理。而加强农田基本建设和对土地利用结构调整,对喀斯特地区土壤生态系统健康有益,反映到评价因子就是植树造林面积、人均耕地面积等。

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对于能源结构的调整,全区大力在农村推广使

用以沼气为主的生物质能,减少商品质能的使用比例;积极推广使用有机肥,逐步减少化肥的使用量;开展秸秆氨化养畜示范项目。指标为农田化肥平均使用量、农村人均用电量等。

除以上所讨论的因子外,农村产业、民众的生态环保意识和管理水平等都直接或间接地影响喀斯特生态系统健康。

　　经过以上分析,初步选定50个因子作为喀斯特生态系统健康评价的指标体系,各指标样本数据见表1。用SPSS软件采用因子分析法(FactorAnaly2sis)对喀斯特生态系统健康的初级指标体系进行定量分析,筛选、合并那些带有重复信息的指标。

因子分析法是一种揭示大样本、多变量数据中各个变量之间内在关系的一种方法,在尽可能保存原有资料信息的前提下,用较少的维数去表示原来的数据

[10]

结构,简化数据(降维),以便发现规律或本质。

3　喀斯特生态系统健康评价指标体系

表1　2003年-2006年毕节地区喀斯特生态系统健康评价指标体系

序号

var001var002var003var004var005var006var007var008var009var010var011var012var013var014var015var016var017var018var019var020var021var022var023var024var025var026var027var028var029var030var031var032var033var034var035var036var037

指标园地面积比率(%)草地面积比率(%)耕地面积比率(%)

建设用地面积比率(%)

2003年0.2923.2813.3.140.9373.3931.25301131.88265217.7659.450.56288.21153.06.513.5121.765.6356.4

2004年0.220.613.573.080.773.3931.301132.52266237.1659.70.6536334.041123.362.71432.2221.765.71.957.02358.440.0657272.2449.7229.5636.7132.0769.920.9817.91135511.08772.4136.33

2005年0.3526.6713.63.021.1373.3931.95301133.92270229.7810.680.6768340.081084.861.11473.8621.765.7753.357.8233.980.0677486.0348.3329.7035.13801.2319.46143.5502.51665.6733.71

2006年0.2724.6113.572.960.9573.3932.12301134.84272218.38115.10.6873342.941063.7760.211516.721.765.8250.27.09304.670.0785.47100.7739.8430.8736.1138.290.081.4121.01153498.977.6538.62

水域面积比率(%)

喀斯特土地面积占全区土地面积比率(%)

山地、丘陵占总土地面积(%)自然保护区覆盖率(%)

植物种类(种)森林覆盖率(%)人口密度(人/km2)年降水量(亿m3)水资源利用率(%)粮食亩产(kg/m)人均占有粮食(kg)年日照时间(h)

水土流失面积占全区土地面积比率(%)

农田化肥平均使用量(kg/hm2)

25°以上的坡耕地占有效耕地(%)

2

石山半石山占全区土地面积比率(%)

区域环境噪声平均值(db)年月平均降尘量(吨/平方公里

工业固体废弃物排放量(t)可吸入颗粒物浓度年日均值(mg/m3)生活污水排放占污水排放总量比率(%)

经济密度(GDP)(万元/km2)社会固定资产投资占GDP比重(%)

第三产业占GDP比重(%)工业固废综合利用率(%)工业废水排放达标率(%)工业废气处理率(%)环保资金投资占GDP比率(%)

农民人均住房面积(m2)人均综合用水量(m3/人)人均耕地面积(m2/人)植树造林面积(km2)农村人均用电(kw

h/人)

月)

9.49366.650.0457858.752.3931.2837.0121.6159.840.7716.36128510.41815.5931.87

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(续)表1　2003年-2006年毕节地区喀斯特生态系统健康评价指标体系

序号

var038var039var040var041var042var043var044var045var046var047var048var049var050

指标

农业人口占总人口比重(%)

万人占有公路(km)人均占有水资源量(m/人)

城镇化率(%)农机总动力(万千瓦)农民人均纯收入(元/年)年均降水pH平均值人口自然增长率(‰)农业灌溉用水量(亿m3)农灌亩均用水量(m3/亩)全区年平均温度(℃)生态环境用水量(亿m3)水资源总量(亿m)

33

2003年93.0611.03122114.8798.1514606.7511.23.6530913.390.0386.606

2004年92.8714.78139315.43103.4916656.788.173.5253213.380.0399.598

2005年92.10.02102016.14139.95187678.593.1551713.250.08122.714

2006年92.817.15102017.831.1421376.8.883.7657213.340.0774.503

　　数据来源:贵州统计年鉴、贵州年鉴、毕节地区年鉴、贵州省水资源公报、毕节地区国民经济和社会发展统计公报、贵州省土地利用总体规

划资料和毕节地区环境质量报告书。

　　首先去除四年内没有变化的指标var006、var007、var009、var019,用SPSS软件,计算各个指标的初始特征值、方差贡献率和累计贡献率(如表2)。

表2　总方差分解表

因子

序号

123

相关系数矩阵的特征值

特征值

30.0029.1806.818

方差贡献

率(%)

65.22119.95814.822

累计贡献率(%)

65.22185.178100.000

　　将各因子关联的方差散点按大小排序组成碎石图(ScreePlot)(如图2)

从图2中可以看出前三个因子的特征值较大,图中折线陡峭,从第四个因子以后,折线平缓。因此,选择三个公因子。

得出因子载荷矩阵,但各因子的典型代表变量(除个别变量外)并不突出,不能对因子做出很好的解释和命名。因此,对因子载荷矩阵施行方差最大正交旋转使因子载荷系数取值更加极端,并按载荷系数数值大小排列。(如表3)。

图2　碎石图

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表3　因子旋转后载荷矩阵

序号

var021var043var026var034var004var033var031var041var018var027var020var032var017var016var010var008var030var038var042var011var013var014var037var024var047var035var015var022var001var005var002var029var048var023var044var036var046var040var049var039var028var012var025var045var050var003

因子名称

区域环境噪声平均值(db)农民人均纯收入(元/年)经济密度(GDP)(万元/km2)人均综合用水量(m3/人)建设用地面积比率(%)农民人均住房面积(m2)工业废气处理率(%)

城镇化率(%)

农田化肥平均使用量(kg/hm2)社会固定资产投资占GDP比重(%)石山半石山占全区土地面积比率(%)

环保资金投资占GDP比率(%)水土流失面积占全区土地面积比率(%)

年日照时间(h)森林覆盖率(%)自然保护区覆盖率(%)工业废水排放达标率(%)农业人口占总人口比重(%)

农机总动力(万千瓦)人口密度(人/km2)水资源利用率(%)粮食亩产(kg/m2)农村人均用电(kw

h/人)

因　　　　子

1-0.9850.9840.9800.979-0.9780.9780.9780.9760.974-0.9690.9680.9-0.952-0.9510.9500.9380.931-0.9260.9230.9220.9170.8830.8810.8700.867-0.8610.841-0.781-0.0070.1720.335-0.156-0.388-0.4860.569-0.4340.152-0.5730.7020.696-0.120-0.0760.581-0.628-0.2390.508

2-0.1030.1770.1990.200-0.2070.2070.2070.0710.1750.0580.2110.261-0.265-0.3000.3090.3350.1250.1250.3400.373-0.0320.147-0.4610.056-0.070-0.4500.0930.2780.9720.9510.9150.1-0.8-0.8370.784-0.748-0.726-0.7250.712-0.709-0.074-0.136-0.0820.00.6350.569

3-0.1410.024-0.0090.0400.027-0.027-0.0270.206-0.146-0.239-0.134-0.0470.1560.0720.056-0.0-0.3420.3550.1800.0980.398-0.447-0.105-0.490-0.493-0.236-0.5330.5590.2370.2560.226-0.4260.3210.251-0.2490.5030.670-0.383-0.0220.1150.990-0.9880.8100.776-0.735-0.6

可吸入颗粒物浓度年日均值(mg/m3)

农灌亩均用水量(m3/亩)人均耕地面积(m2/人)人均占有粮食(kg)

年月平均降尘量(吨/平方公里月)

园地面积比率(%)水域面积比率(%)草地面积比率(%)工业固废综合利用率(%)全区年平均温度(℃)工业固体废弃物排放量(t)

年均降水ph平均值植树造林面积(km)农业灌溉用水量(亿m3)人均占有水资源量(m3/人)生态环境用水量(亿m3)万人占有公路(km)第三产业占GDP比重(%)

年降水量(亿m3)

生活污水排放占污水排放总量比率(%)

人口自然增长率(‰)水资源总量(亿m3)

耕地面积比率(%)

2

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　　对剩余的因子进行筛选,对于重复较大的因子保留其一。对于第一公因子中各指标载荷值得到,正向指标较大的有:var008、var011、var014、var018、var020、var025、var026、var030、var031、var032、var041,负向指标较大的有:var016;

对于第二公因子中各指标载荷值得到,正向指标较大的有:var002、var003、var005、var010、var029、var049、var050,负向指标较大的有:var017、var023、var036;

对于第三公因子中各指标载荷值得到,正向指标较大的有:var022、var028、var045,负向指标较大的有:var024;

分别以第1、第2、第3主因子为X轴、Y轴和Z轴,根据旋转后的因子载荷矩阵作图。如图3,在这个图中可以看出旋转后各成分的变量的分布集中程度。

序号

var002var003var005var016var008

图3　旋转后的三维因子载荷散点图

4　小结

综合以上分析,结合毕节地区的实际情况,通过

因子分析法最终保留26个指标组成毕节地区喀斯特生态系统健康评价指标体系(如表4)。

表4　喀斯特生态系统健康评价指标体系

指　　标草地面积比率(%)耕地面积比率(%)水域面积比率(%)

年日照时间(h)自然保护区覆盖率(%)森林覆盖率(%)水资源总量(亿立方米)人口密度(人/km2)粮食亩产(kg/m2)城镇化率(%)经济密度(GDP)(万元/km2)第三产业占GDP比重(%)环保资金投资占GDP比率(%)工业固废综合利用率(%)工业废水排放达标率(%)工业废气处理率(%)植树造林面积(km)

水土流失面积占全区土地面积比率(%)

人口自然增长率(‰)

石山半石山占全区土地面积比率(%)

生态环境用水量(亿m3)年月平均降尘量(吨/平方公里

工业固体废弃物排放量(t)可吸入颗粒物浓度年日均值(mg/m)生活污水排放占污水排放总量比率(%)

农田化肥平均使用量(kg/hm2)

3

2

意　　义

对喀斯特生态系统健康影响较大的景观

指标

表示生态系统获得能量多少的指标表明人与自然的协调程度反映森林栖息地的数量反映生态系统水资源含量

生态系统抚养人类的功能指标,人口活动强度、资源利用和环境压力的重要变量。反映生态系立性的指标表示社会化对生态系统影响的指标表示经济发展平衡程度的指标反映毕节地区生态系统产业结构的质量反映了对环境保护的重视程度,以及环保意识的普及程度

反映出固体废物资源的综合利用程度反映废水治理程度的重要指标反映废气治理程度的重要指标反映森林生态系统变化的指标反映土地生态系统变化的指标反映人口变化对生态系统的压力反映石漠化程度的指标反映生态环境对水的要求的指标

月)

大气污染的指标固体废弃物的污染指标

反映大气污染指数的一个重要指标反映水污染的指标

间接反映土壤肥力的高低及化肥使用对生态系统的影响结构

结构功能活力var010var050var011

功能

var014var041var026

经济

可持续利用能力

环境

var028var032var029var030var031var036var017

生态变化

var045var020var049

动态变化

var022var023

环境污染

var024var025var018

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　　本文仅对喀斯特生态系统健康的影响因子进行初步分析和提取,为了形成一套针对喀斯特生态系统完整的评价指标体系,还需要对每个指标进行分级标准的确定。

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康评价的植物群落组织力测定[J].生态学报,2004,24(8):

(上接第142页)

　　(5)建议将吊顶改为弹簧吊筋代替木龙骨,吊顶与楼板间采用软连接,以减少吊顶振动向楼板的传播

[2]

楼内居民区及周边楼群的传导,控制振动的传播。使KTV、慢摇吧在正常营业的同时,不会干扰附近居民的日常生活和休息。

参考文献:

[1]吴硕贤.建筑声学设计原理[M].上海:中国建筑工

。

经过上述改造后,慢摇吧内的振动通过各种措施被有效阻挡,使其不能通过楼板、梁柱、上下水管道等建筑构建进行固体传声,使噪声对上层住户的影响明显减小,达到了治理的目的。

业出版社,2000:76-96.

[2]洪宗辉.环境噪声控制技术[M].北京:高等教育出

4　总结

经过以上分析可以看出,对于KTV、慢摇吧这一类娱乐场所产生的噪声,根据其低频声为主,真感强,衰减小的特点,要加强隔声与隔振,阻隔声波向

版社,2002:135-165.

[3]康玉成.建筑隔声设计———空气声隔声技术[M].北

京:中国建筑工业出版社,2004:83-103.

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