CN109615206A - 一种用于评价城市化进程中土壤生态服务功能的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于土壤评定技术领域，涉及一种用于评价城市化进程中土壤生态服务功能的方法。首先基于PSR模型建立一个应用于城市化中土壤生态服务功能评估的指标体系，再利用该指标体系及模糊综合评价方法对该区域土壤生态服务功能的状态进行评估并分析城市化对其影响机制。本发明将城市化因素和土壤生态服务功能因素结合，利用模糊综合评价对城市化中的土壤生态服务功能进行评估，并分析得到治理指标的优先级，从而基于整体层面，以针对性地提出规划治理措施和建设方案，制定具有可持续性的土壤管理措施，在管理层面高效的对土壤生态系统进行治理和保护，填补了对土壤生态服务功能方面的缺失。

Description

一种用于评价城市化进程中土壤生态服务功能的方法

技术领域

本发明属于土壤评定技术领域，涉及一种用于评价城市化进程中土壤生态服务功能的方法。

背景技术

土壤是维持社会经济可持续发展的至关重要的有限资源，为人类提供各种基本的生态服务功能，不仅包括有形的服务(食物，纤维和淡水)，也提供调节服务和支持过程维持其他服务等，这些服务统称为土壤生态系统服务。然而目前对于土壤生态服务的研究并不多，导致人们对其的认知和重视程度都不足，且缺少有效的、能应用于实际的评价、评估手段。

另一方面，由于人类活动造成的压力不断加大，导致土壤退化加剧并对生态系统服务造成严重的负面影响。其中，城市化的不断发展虽然带来了社会和经济效益，但往往会造成土地的占用和污染，造成土壤生态的退化。然而，城市化是世界高度发展的必然趋势，不可能被停止，对土壤生态造成的影响也不可能通过阻止城市化而停止，但是我们可以有针对性地调节城市化对土壤造成的影响，即在现阶段城市化不断发展的情况下，了解城市化对土壤生态影响严重的具体因素，通过调整这些影响因素以有效地减少城市化整体对土壤生态的影响，以平衡社会经济发展和环境保护两方面。

综上，了解土壤生态服务功能的状况，尤其是城市化中的土壤生态服务状况和影响因素是具有重要意义的。然而目前关于土壤生态服务功能的评估的研究不足，且多数是对于理论体系的研究：包括土壤和生态服务功能之间关系的研究；土壤生态服务功能估值的可能性和方法的研究；土壤生态系统服务对于土壤管理的作用；目前关于评估框架的研究，也多为关于评估角度和评估方向的研究和评估方法的研究。同时，目前大多数关于土壤生态服务的研究都只关注服务本身，忽视了环境整体、潜在的生态机制和土壤多功能性，大多数研究都集中在提供和调节土壤的生态服务功能上。同时尚未就土壤生态服务的分类、经济评价的综合框架或评估其重要性的系统方法形成共识，缺少实际研究案例。

发明内容

为了填补上诉缺失、解决上述问题，本发明提出一种用于评价城市化进程中土壤生态服务功能的状态和影响机制的方法：首先基于PSR(压力-状态-响应)模型建立一个应用于城市化中土壤生态服务功能评估的指标体系，再利用该指标体系及模糊综合评价方法对该区域土壤生态服务功能的状态进行评估并分析城市化对其影响机制。

本发明的技术方案：

一种用于评价城市化进程中土壤生态服务功能的方法，具体步骤如下：

(1)建立指标体系框架：PSR(Pressure-State-Response)模型，即“压力-状态-响应”模型被认为是用于环境现状汇报和环境指标组织的有效框架。本发明通过建立基于PSR模型的评价指标，将城市化因素和土壤生态服务功能因素结合在一起进行分析评价，得到对于土壤生态服务功能影响程度最大的指标，以此确定城市化对土壤生态服务功能的影响机制，以及土壤生态服务功能的状态。

指标体系分为四个评价层次，分别为目标层A、要素层B、子要素层C和指标层D；

目标层为土壤生态服务功能；

要素层基于PSR模型结构，分为压力层B1，状态层B2和响应层B3；

子要素层是对要素层进一步的细化：包括压力层子要素层、状态子要素层和响应层子要素层。

压力层子要素层：压力指标用以表征人类的社会活动、消费模式和经济系统对环境可持续发展造成的直接影响，以及对环境问题起着驱动作用的间接压力；选取社会经济C1、土地利用C2和环境污染C3作为压力层的子要素层；

状态层子要素层：状态指标指一定时间范围内表征系统状态和系统变化状况，体现环境政策的最终目标；选取土壤生态系统服务的供给服务C4、调节服务C5、文化服务C6和支持服务C7作为状态层的子要素层；

响应层子要素层：响应指标用以表征人类为减轻、恢复和预防对环境的负面作用，以促进可持续发展进程所采取的对策；选取与压力层相对应的社会经济C8、土地利用C9和环境治理C10作为响应层的子要素层。

指标层的指标根据文献和资料及重要性筛选得到：社会经济压力指标选择城市化水平D1、单位GDP能耗D2和人口密度D3；土地利用压力指标选择建设用地比例D4和人均耕地面积D5；环境污染压力指标选择废水排放强度D6和固废排放强度D7；供给服务指标选择土壤肥力综合指数D8和土地可利用率D9；调节服务指标选择土壤重金属吸附量D10、植被覆盖率D11、碳储存量D12和温室气体减排量D13；文化服务指标选择自然文化历史性D14和美学景观价值D15；支持服务指标选择生物多样性指数D16和土壤保持量D17；环境污染压力指标选择R&D占GDP比例D18和环保投入占GDP比例D19；土地利用响应指标选择地均经济投入D20和建成区绿化覆盖率D21；环境治理响应指标选择污水处理率D22和废弃物综合利用率D23。

(2)根据步骤(1)建立的指标体系对区域内指标进行数据收集，得到指标体系内各个指标的隶属度及权重值：

(2.1)隶属度：各个指标的隶属度表示区域内各指标的现状值对状态等级的隶属程度，状态等级设为P＝{优，良，中，差，劣}，表示指标的五种状态，其中，p＝1为优；p＝2为良；p＝3为中；p＝4为差；p＝5为劣；相对应的得分向量为G＝{100，75，50，25，0}；隶属度R(p,x)表示指标x对于状态等级p的隶属程度，R(p,x)越接近于1，表示指标x属于状态等级p的程度越高，R(p,x)越接近于0，表示指标x属于状态等级p的程度越低。

通过专家打分法得到区域内各个指标的数据，专家根据现状对每个指标所属的状态等级p进行选择，得到每个指标对于每个状态等级的隶属度R(p,x)。

(2.2)权重值：权重值表示各部分所占总体部分的大小及影响整体能力重要程度，权重向量表示以单行矩阵形式汇总多个权重值，权重矩阵表示多个指标隶属度的矩阵形式汇总。根据层次分析法AHP计算权重值，通过构造判断矩阵，利用专家打分法基于相对重要性进行打分，计算得到权重值并进行一致性检验。

权重值包括两种：

a、每个评价层的指标对于目标层A的权重值，用Q_i表示评价层i对目标层的权重向量，包括评价层i内的每个指标对于目标层的权重值；

b、每个评价层的指标对于其所属的上一评价层的权重值，用W_i表示评价层i的下级各指标相对于评价层i的权重向量，包括所有属于该评价层i的下一层次内的指标对于评价层i的权重值。

(3)结合权重值和隶属度对区域进行模糊综合评价：

综合评价法是根据模糊数学的隶属度理论把定性评价转化为定量评价，即用模糊数学对受到多种因素制约的事物或对象做出一个总体的评价。本发明应用模糊综合评价法，将隶属度与权重值结合运算，得到各评价层的模糊综合评价结果，最终得到目标层的模糊综合评价结果，即该区域土壤生态服务功能的评分。

根据公式(1)计算每一评价层的模糊综合评价结果，即评价层的隶属度矩阵：

P_i＝W_i×R′_i (1)

式中：P_i为评价层指标i的模糊综合评价结果；W_i为评价层i的下级各指标相对于评价层i的权重向量；R′_i为评价层i下的全部指标的隶属度矩阵。

具体过程为：a、利用指标层隶属度矩阵结合子要素层对于指标层的权重值，根据公式(1)得到子要素层的模糊综合评价结果，即子要素层的隶属度；b、利用子要素层的隶属度矩阵结合要素层对与子要素层的权重值，根据公式(1)得到要素层的模糊综合评价结果；c、利用要素层的隶属度矩阵结合目标层对于子要素层的权重值，根据公式(1)最终得到目标层的模糊综合评价结果，即该区域土壤生态服务功能状态等级隶属度。

(4)计算综合评价值和加权平均评价值：

(4.4.1)综合评价值表示各指标的现状，根据公式(2)基于各级综合评价矩阵计算各评价层中指标的现状值综合得分Z_i。

Z_i＝R_i×G (2)

式中：R_i为评价层i的隶属度向量；G为得分向量{100，75，50，25，0}。

(4.4.2)加权平均评价值E_i表示各指标对于目标层的影响数值，基于各级综合评价得分和各层级对目标层A的权重根据公式(3)进行计算。

E_i＝Z_i×Q_i (3)

式中：Q_i为该评价层对目标层的权重向量。

(5)分析影响因素，提出改善意见：

(5.1)根据最终得到的目标层的模糊综合评价结果判断该区域城市化进程中的土壤生态服务功能状态；

(5.2)根据加权平均评价值得到指标体系内某一指标对于土壤生态服务状态的影响程度，通过比较，得到对于土壤生态服务功能影响程度较大的指标；

(5.3)根据综合评价值判断指标体系内某一指标的现状；

(5.4)结合加权平均评价值和综合评价值，分析各指标治理的优先级：优先治理对土壤生态服务功能影响程度大且现状较差的指标；对于影响程度较大，现状较好的指标应将强保护、维持现状；对于影响程度一般，但现状值较差的指标也应进行治理和调整；对于影响程度较小且现状较好的指标的优先级可以滞后。

本发明的效果和益处：本发明基于PSR模型建立了一套指标体系，分为三个要素层：压力、状态、响应，10个子要素层和23个具体指标，将城市化因素和土壤生态服务功能因素结合，利用模糊综合评价对城市化中的土壤生态服务功能进行评估，并分析得到治理各指标的优先级，从而基于整体层面，以针对性地提出规划治理措施和建设方案，制定具有可持续性的土壤管理措施，在管理层面高效的对土壤生态系统进行治理和保护，填补了对评价土壤生态服务功能方面的缺失。

附图说明

图1为最终评价指标体系示意图。

图2为本发明的指标体系实际应用流程图。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

最终评价指标见图1，最终指标体系内各指标定义及介绍见表1。

表1最终指标体系内各指标定义及介绍

图2为本发明提供的利用该指标体系评估城市化中土壤生态服务功能的流程图，如图所示，该方法主要包括如下步骤：

以辽宁省大连市为例，评价土壤生态服务功能状况及城市化因素对其影响。

(1)根据指标体系收集区域相关数据

采用专家打分法获取大连市各指标现状评分和权重值数据，将调查问卷发送给10位大连市相关行业的专家，并邀请他们根据各指标的相关标准，和大连市的实际情况进行两方面评分：1、对各指标所属的状态进行判断，选择各指标所属状态等级；2、对指标相对重要性进行判断。

(2)计算隶属度和权重值

(2.1)汇总指标层指标隶属度，如表2。

表2指标现状隶属度

(2.2)利用层次分析法计算指标体系权重

利用层次分析法和专家打分法来分析计算各个指标的权重，对每层指标体系分别建立判断矩阵，计算权重，并进行一致性检验。所有判断矩阵的一致性检验值均小于0.1，说明偏差在可接受范围之内，可以使用。最终的权重计算结果如表3。

表3城市化中土壤生态服务功能评价指标体系权重值

(3)结合权重值和隶属度对区域进行模糊综合评价

(3.1)子要素层C评价矩阵。基于表2和指标层D对子要素层C的权重，计算子要素层C各指标的模糊综合评价矩阵，见表4。

表4指标体系一级模糊综合评价结果

(3.2)要素层B评价矩阵

基于表4和子要素层C对要素层B的权重，计算要素层B各指标的模糊综合评价矩阵，见表5。

表5指标体系二级模糊综合评价结果

(3.3)目标层A评价矩阵

基于表5和要素层B对目标层A的权重，计算目标层A模糊综合评价矩阵，见表6。

表6大连市土壤生态服务功能模糊综合评价结果

(4)计算加权平均评价值和综合评价值

根据公式(2)和(3)计算各评价层指标的加权平均评价值(E_i)和综合评价值(Z_i)见表7。

表7各评价层加权平均评价值(E_i)和综合评价值(Z_i)

(5)分析影响因素，提出改善意见

(5.1)目标层最终综合得分为47.93，按得分向量G＝{100，75，50，25，0}达到中等偏下的水平，与大连市土壤现状相符合。由表6可看出，“中”和“差”评价分布范围最大，“优”评价分布范围最小，说明大连市土壤生态服务中，更多相关指标状态属于中等偏下，较少指标状态属于“优”，且存在一部分指标状态为“劣”，说明需要对大连市土壤生态服务功能进行治理改善。

(5.2)由表7，从要素层分析于大连市土壤生态服务功能状态：

(5.2.1)从现状角度，响应层面指标状态较其他两层面指标状态较好，说明大连市在响应层面做的较好，即对环境治理采取了一定的有效措施；压力层面状态稍差，说明大连市在压力层面，及源头控制和减量化方面做的不足，土壤生态受到一定程度压力影响。

(5.2.2)从对总体评价结果影响角度看，状态层得分最高，说明对于状态层指标的改善可以有效的提高评价结果，同时侧面说明，状态层指标对土壤生态影响重大，需要进行治理和重点保护；响应层分数最低，结合响应层现状值，说明响应层对最终结果相较其他层面较小，在制定治理措施时，可将优先级后调；压力层得分稍高于状态层，结合压力层状态值，说明需要重点改善压力层指标现状，制定相对应的治理措施。

(5.3)由表7，从子要素层分析于大连市土壤生态服务功能状态：

(5.3.1)从现状角度，供给服务、环境污染压力和土地利用压力状态最差，应优先重点治理；文化服务和土地利用响应得分最高，应加强维持和保护。

(5.3.2)从对总体评价结果影响角度看，调节服务权重最高，但状态一般，综合分最高，应进行改善；供给服务权重第二，状态较差，综合得分一般，应加强治理；土地利用压力，权重中等，状态较差，得分较低，说明对土地利用压力存在较大的改善空间，且对于土壤服务状态的改善有较大影响，可优先进行治理；社会经济压力权重较大，状态一般，得分较高，可提高治理优先级。

(5.4)由表7，从指标层分析于大连市土壤生态服务功能状态：

(5.4.1)从现状角度，人均耕地面积和美学景观价值状态相对较好，人口密度、建成区绿化覆盖率和土壤保持量状态其次，城市化水平、土地可利用率、碳储存量和建设用地比例这状态最差。

(5.4.2)从对总体评价结果影响角度看，土地可利用率权重很大，状态较差，得分中等，有较大的提升空间，且对整体评价结果影响较大，应进行重点治理改善；城市化水平权重较大，状态很差，得分较低，应进行重点改善；碳储存量权重中等，状态较差，得分较差，应加强改善；建设用地比例权重一般，状态很差，得分很低，应加强改善；植被覆盖率权重最大，状态较好，得分最高，应重点维持和保护；土壤保持量权重很高，状态较好，得分较高，应进行保持和维护。

综上，由上诉评价结果可以看出：大连市土壤生态服务功能状态属于中等偏下，多数指标状态中等，状态为“优”的指标较少，部分指标状态为“劣”；主要的影响因素是土壤面积的利用程度，城市化程度，碳储存量和建设用地占用比例，为了提高土壤生态服务功能状况，从管理层面应主要从调整城市化发展速度，优化土地面积利用；并加强维护植被覆盖率和土壤保持量。

本发明能够对区域土壤生态服务功能状态进行比较准确的评估，弥补了对于土壤生态服务功能进行价值评估方面的缺失。

本发明基于PSR模型进行指标体系建立，将城市化因素和土壤生态服务功能因素结合进行评价、分析，对城市化的压力和响应都能基于评价和分析，避免对土壤生态功能单一研究导致忽视环境整体、潜在的生态机制和土壤多功能性的问题。

本发明能够从管理层角度提出改善意见，对与城市化压力层面和响应层面基于评价的同时，相对应的提出针对性改善建议，从而减小城市化这一人类活动对土壤生态服务功能的影响。并为今后的相关研究提供有益的参考。

Claims (1)

1.一种用于评价城市化进程中土壤生态服务功能的方法，其特征在于，具体步骤如下：

(1)建立指标体系框架：

指标体系分为四个评价层次，分别为目标层A、要素层B、子要素层C和指标层D；

目标层为土壤生态服务功能；

要素层基于PSR模型结构，分为压力层B1，状态层B2和响应层B3；

子要素层包括压力层子要素层、状态子要素层和响应层子要素层；选取社会经济C1、土地利用C2和环境污染C3作为压力层子要素层；选取土壤生态系统服务的供给服务C4、调节服务C5、文化服务C6和支持服务C7作为状态层子要素层；选取与压力层相对应的社会经济C8、土地利用C9和环境治理C10作为响应层子要素层；

指标层的指标根据文献和资料及重要性筛选得到：社会经济压力指标选择城市化水平D1、单位GDP能耗D2和人口密度D3；土地利用压力指标选择建设用地比例D4和人均耕地面积D5；环境污染压力指标选择废水排放强度D6和固废排放强度D7；供给服务指标选择土壤肥力综合指数D8和土地可利用率D9；调节服务指标选择土壤重金属吸附量D10、植被覆盖率D11、碳储存量D12和温室气体减排量D13；文化服务指标选择自然文化历史性D14和美学景观价值D15；支持服务指标选择生物多样性指数D16和土壤保持量D17；环境污染压力指标选择R&D占GDP比例D18和环保投入占GDP比例D19；土地利用响应指标选择地均经济投入D20和建成区绿化覆盖率D21；环境治理响应指标选择污水处理率D22和废弃物综合利用率D23；

(2)根据步骤(1)建立的指标体系对区域内指标进行数据收集，得到指标体系内各个指标的隶属度及权重值：

(2.1)隶属度：各个指标的隶属度表示区域内各指标的现状值对状态等级的隶属程度，状态等级设为P＝{优，良，中，差，劣}，表示指标的五种状态，其中，p＝1为优；p＝2为良；p＝3为中；p＝4为差；p＝5为劣；相对应的得分向量为G＝{100，75，50，25，0}；隶属度R(p,x)表示指标x对于状态等级p的隶属程度，R(p,x)越接近于1，表示指标x属于状态等级p的程度越高，R(p,x)越接近于0，表示指标x属于状态等级p的程度越低；

通过专家打分法得到区域内各个指标的数据，专家根据现状对每个指标所属的状态等级p进行选择，得到每个指标对于每个状态等级的隶属度R(p,x)；

(2.2)权重值：根据层次分析法AHP计算权重值，通过构造判断矩阵，利用专家打分法基于相对重要性进行打分，计算得到权重值并进行一致性检验；

权重值包括两种：

a、每个评价层的指标对于目标层A的权重值，用Q_i表示评价层i对目标层的权重向量，包括评价层i内的每个指标对于目标层的权重值；

b、每个评价层的指标对于其所属的上一评价层的权重值，用W_i表示评价层i的下级各指标相对于评价层i的权重向量，包括所有属于该评价层i的下一层次内的指标对于评价层i的权重值；

(3)结合权重值和隶属度对区域进行模糊综合评价：

应用模糊综合评价法，将隶属度与权重值结合运算，得到各评价层的模糊综合评价结果，最终得到目标层的模糊综合评价结果，即该区域土壤生态服务功能的评分；

根据公式(1)计算每一评价层的模糊综合评价结果，即评价层的隶属度矩阵：

P_i＝W_i×R′_i(1)

式中：P_i为评价层指标i的模糊综合评价结果；W_i为评价层i的下级各指标相对于评价层i的权重向量；R′_i为评价层i下的全部指标的隶属度矩阵；

具体过程为：a、利用指标层隶属度矩阵结合子要素层对于指标层的权重值，根据公式(1)得到子要素层的模糊综合评价结果，即子要素层的隶属度；b、利用子要素层的隶属度矩阵结合要素层对与子要素层的权重值，根据公式(1)得到要素层的模糊综合评价结果；c、利用要素层的隶属度矩阵结合目标层对于子要素层的权重值，根据公式(1)最终得到目标层的模糊综合评价结果，即该区域土壤生态服务功能状态等级隶属度；

(4)计算综合评价值和加权平均评价值：

(4.4.1)综合评价值表示各指标的现状，根据公式(2)基于各级综合评价矩阵计算各评价层中指标的现状值综合得分Z_i；

Z_i＝R_i×G (2)

式中：R_i为评价层i的隶属度向量；G为得分向量{100，75，50，25，0}；

(4.4.2)加权平均评价值E_i表示各指标对于目标层的影响数值，基于各级综合评价得分和各层级对目标层A的权重根据公式(3)进行计算；

E_i＝Z_i×Q_i (3)

式中：Q_i为该评价层对目标层的权重向量；

(5)分析影响因素，提出改善意见：

(5.1)根据最终得到的目标层的模糊综合评价结果判断该区域城市化进程中的土壤生态服务功能状态；

(5.2)根据加权平均评价值得到指标体系内某一指标对于土壤生态服务状态的影响程度，通过比较，得到对于土壤生态服务功能影响程度较大的指标；

(5.3)根据综合评价值判断指标体系内某一指标的现状；

(5.4)结合加权平均评价值和综合评价值，分析各指标治理的优先级：优先治理对土壤生态服务功能影响程度大且现状较差的指标；对于影响程度较大，现状较好的指标应将强保护、维持现状；对于影响程度一般，但现状值较差的指标也应进行治理和调整；对于影响程度较小且现状较好的指标的优先级可以滞后。