农垦区土壤侵蚀及生态效益监测项目技术方案

农垦区土壤侵蚀及生态效益监测项目技术方案总体实施方案查阅国内外土壤侵蚀模型相关文献，研究土壤侵蚀模型，并根据模型运行要求，收集新疆兵团五期（80年代至今）基础数据，遥感数据，成果数据和相关统计资料等，结合两次野外调查监测数据，以一期（2010年）数据为例，提取模型所需相关因子进行模型试运行，调整相关参数，对结果进行验证分析；基于成功运行的土壤侵蚀模型，开发模型软件，应用于其他四期的土壤侵蚀监测中；以五期多源遥感影像为数据源，提取农垦区界线及土地利用类型，分析其变化规律，并与提取的相应时期的土壤侵蚀结果对比，分析农垦区对土壤侵蚀的影响状况。综合各种相关资料，选取研究示范区水土保持生态效益评价指标，建立指标体系，并提取五期水土保持生态效益指标数据结果，结合相应时期的水土保持措施情况，分析水土保持生态效益的变化规律，从而完成项目工作报告。技术流程土壤风蚀定量监测土壤风蚀模型选取与修正通过对国内外文献的大量查阅，发现国外模型中没有一种适合研究区特点的模型，继而转向国内研究，近年来，随着国内学者在野外风蚀观测、风洞实验模拟和数学模型理论研究方面的不断积累和努力，国内学者站在我国自身角度也提出了不少模型，最终基于中科院寒区旱区环境与工程研究所提出的风洞实验模型基础上，选择了该模型的大田推广模型。该模型是通过各类地表在不同植被和风力条件下计算土壤风蚀模数的估算方法。具体说，是将非风蚀地表类型（如水体、道路、城镇用地等）以外的易风蚀地表划分为耕地、林（草）地（包含退耕地）、沙地三大类，分别针对不同地表类型估算土壤风蚀量。原模型共分为三个子模型，耕地模型，林草地模型和沙地模型，分别为：（1）耕地模型（2）林草地模型（3）沙地模型结合研究区概况和风蚀影响因素的综合分析，对三个子模型分别进行了修正。由于研究区极端干旱农垦区的气候特点和耕作制度（耕地采用引水灌溉方法），加入土壤含水量因子（根据土壤含水率等级，对土壤含水量因子赋值），对风蚀起到阻碍作用；不同的土地利用类型中，土壤质地（粒径大于0.84mm，则对风蚀起到阻碍作用，根据粒径含量的百分比进行S因子的赋值（0-1之间））不同，对风蚀的阻碍作用也不同，故加入；干旱农垦区为保护性农田，在农田田埂周围种植防护林，对风蚀同样起到阻碍作用，在公路两边，设计草方格等沙障措施，对风蚀起到阻碍作用，故加入P因子（根据防护林和沙障对风蚀的影响强度和影响范围，给P因子赋值）。修正后的土壤风蚀定量模型仍然由三个模型公式组成，分别为耕地模型、林草地模型和沙地模型。具体模型公式如下：（1）耕地模型修正后为：式中：为耕地模型区土壤风蚀模数[t/hm2·a]；是大于临界侵蚀风速的第j级风速（指气象站统计的整点风速）；为风蚀活动发生月份内风速为Ui的累积时间（min）；第一个风速（大于临界侵蚀风速）等级为5.0-6.0m/s，取平均值5.5m/s，第二个风速等级为6.0-7.0m/s，取平均值6.5m/s，……。是最大风速（指气象站统计的整点风速）；a1、b1、c1为与土壤类型有关的常数项，暂取-9.208、0.018、1.955；为尺度修订系数，约为0.0018；A为风速修订系数，计算耕地模型区风蚀模数时需要利用当地气象站记录的风速资料，风洞轴线风速与气象站10米观测高度测定的风速有一定的差距，因此应将气象站记录的风速换算为风洞轴线风速，在假定风洞实验动力相似得到保证的前提下，A是与下垫面有关的风速修订系数。（2）林草地模型修正后为：式中：为林草地模型区林草地土壤风蚀模数[t/hm2·a]；是大于临界侵蚀风速的第j级风速（指气象站统计的整点风速）；为风蚀活动发生月份内风速为的累积时间（min）；为为尺度修订系数，约为0.0018；A为风速修订系数；a2、b2、c2为与土壤类型有关的常数项，暂取2.4869、-0.0014、-54.9472。（3）沙地模型修正后为：式中：为沙地模型区土壤风蚀模数[t/hm2·a]；是大于临界侵蚀风速的第j级风速（指气象站统计的整点风速）；沙地=5.5m/s；为风蚀活动发生月份内风速为的累积时间（min）。为尺度修订系数，约为0.0018，A为风速修订系数；VC为植被覆盖度（%）；a3、b3、c3为与土壤类型有关的常数项，暂取6.1689、-0.0743、-27.9613。关于修正模型的说明：第一，所采用的风蚀模型没有考虑地形的作用。在风蚀过程中，地形的作用远不如在水蚀过程中那样显著。第二，所采用的风蚀模型没有考虑林地和草地的区别，即将林、草地风蚀模数按相同的风蚀模数计算。第三，模型将除沙地以外的未利用地作为相当植被盖度下的林（草）地处理。修正后的模型更能反映干旱农垦区风蚀的特点，能更准确真实地反映其风蚀状况，提高模型在极端干旱农垦区的计算精度。根据模型运行特点，将模型区总共划分为四大类，分别为耕地模型区，林草地模型区（包含未利用地，不包含沙地），沙地模型区和非风蚀地表模型区。但通常在河流水面、滩涂、水库水面、建筑用地、坑塘水面、农田利用地等非风蚀地表类型，往往是风沙堆积和沙尘沉降的区域，几乎不会发生风蚀，其土壤风蚀量可视为零，故可采用GIS的空间分析功能，将以上地表类型抠除，使其不参与风蚀量计算中，一方面提高了模型运算的效率，另一方面也提高了模型计算精度，因此本报告中将只讨论耕地模型区、林草地模型区和沙地模型区三种类型。野外调查野外调查共分三次第一次（野外调查为主）：2010年10月28日至2010年11月17日，按照随机抽样的方式，产生13个抽样单元，对新疆兵团农一师垦区相关指标进行调查，包括土壤特性、土壤含水量、样区内的植被盖度及高度情况、作物高度及作物残茬高度、连续观测记录每月测钎高度变化情况。第二次（野外调查为主）:2011年4月9日至2011年6月17日，按照随机抽样的方式，产生48个抽样单元，对新疆兵团农一师垦区相关指标进行调查，包括周围地表状况、土地利用、植被盖度、土壤含水量、土壤质地、地表粗糙度、风蚀措施等。第三次（资料收集为主）：2011年7月-2012年6月包括各团年鉴资料、各团气象数据、各团团志资料、土地利用变化。数据预处理1、数据源获取1）遥感影像数据（1）1976年左右的LandsatMSS数据（8、9、10月）（2）1990年左右数据（LandsatTM）（7、8、9、10月）（3）2000年左右数据（LandsatETM）（6、8、9、10月）（4）2006年左右数据（LandsatETM）（5、6、9、10月）（5）2006年SPOT数据（7，8月份）（6）2010年HJ数据（3-6月份和9-11月份）2）矢量数据（1）2006年土地利用数据（人工数字化结果）（2）2006年植被盖度数据（人工数字化结果）（3）2006年土壤侵蚀数据（人工数字化结果）（4）农一师团界数据3）野外调查监测数据（1）1976、1990、2000、2006和2010年一团和五团气象数据（2）2010和2011年风蚀模型因子野外监测数据（地表粗糙度、土壤质地、植被盖度、土壤含水量、风蚀措施）4）新疆兵团农一师年鉴与统计数据2、数据预处理数据收集包括所有应用于项目的基础数据，遥感数据，监测数据和相关统计资料等。数据预处理包括文档资料整理，信息统计，空间数据信息的属性信息检查修正，投影信息统一，遥感数据的预处理等。五期遥感数据（1976、1990、2000、2006和2010年）经过几何校正或正射校正，波段叠加，辐射定标，反射率计算，植被指数计算，拼接，裁剪进行预处理；气象数据和农一师年鉴通过手工录入计算机，得到电子版数据；2010和2011年风蚀模型因子野外监测数据（地表粗糙度、土壤质地、植被盖度、土壤含水量、风蚀措施）经过处理后录入计算机得到电子版，再在ArcGIS中建立相应字段并为整个研究区所有土地利用类型赋值。土壤风蚀定量模型因子提取需要提取的土壤风蚀模型因子有风力因子，土壤含水量因子，土壤质地因子，植被盖度因子，地表粗糙度因子，风蚀措施因子等。土地利用类型图人工目视解译五期遥感影像图获得。风力因子计算为了对气象站逐日4次（2时、8时、14时、20时）观测的风速风向数据进行空间内插和外推计算。首先采用线性插值的方法，得到24小时整点风速估计值，然后按1m/s间隔统计全年≥5m/s的各等级风速的累积时间。根据公式（Ⅰ）计算相邻两个整点时刻的风速：（Ⅰ）式中：t1、t2—逐日4次风速风向统计表中相邻两个风速记录的时刻（2时、8时、14时、20时）；t—t1～t2之间的整点时间；Ui—与ti相对应的整点风速（m/s）；Ut1—与t1相对应的风速（m/s）；Ut2—与t2相对应的风速（m/s）；按1m/s间隔统计全年≥5m/s（5.0～5.9m/s、6.0～6.9m/s、7.0～7.9m/s、……最高风速统计到该气象站点记录到的最大风速）的各等级风速的累积时间。如统计全年5.0～5.9m/s风速发生的频数，每次代表1小时，按下式换算为该等级风速的累积时间。累积时间=频数×1hr/次×60min/hr为便于计算，介于5.0～5.9m/s的风速等级取平均值U＝5.5m/s，6.0～6.9m/s的风速等级取平均值U＝6.5m/s，依此类推。考虑到风力因子在空间上的变化是渐进的，即风速和风向在空间上是逐渐变化的，相邻气象站之间的风速和风向变化呈逐渐过渡关系。基于以上原理，运用距离倒数算法自主开发程序进行空间插值，并将每个气象站点作为空间上的一个点，生成1976、1990、2000、2006和2010年3～6月和9～11月的每月不同风力等级风速累计时间的30m分辨率栅格图。土壤含水量因子计算对于2010年土壤含水量因子的计算，可根据野外实测根据公式（Ⅱ）计算土壤含水量(Ⅱ)式中：m0—烘干空铝盒质量（g）；m1—烘干前铝盒及土样质量（g）；m2—烘干后铝盒及土样质量（g）；对于1976年、1990年、2000年和2006年的土壤含水量推算，采用如下估算方法：由于塔里木盆地平原农业区为干旱区，原始土壤多为荒漠土，普遍含盐，这里年降水量通常小于100mm，年蒸发量2200-2900mm，农业全部依靠灌概，是典型的干早灌溉农业区。土壤含水量影响因素较多，主要有气象（特别是日照数和降雨量）、作物、土壤质地、灌溉田间管理，但在本研究中，只考虑灌溉、蒸散发和降雨量三个主要因素。依据是否灌溉，首先将土地利用类型图分成两大类，一种为非灌溉土壤，一种为灌溉土壤。因为研究区域范围较大，不可能对每年每月每天每个点的土壤含水量进行实地测定，因此考虑采用气候资料，通过降雨、蒸发等数据建立经验模型，关键在于蒸散发的计算，它是水量平衡中的重要参数，对模型参数优选结果和模拟精度的影响很大。对于非灌溉土壤类型（主要有有林地、水土保持林、天然草地、荒草地、盐碱地、裸土地、裸岩石砾地、固定沙地、半固定沙地和流动沙地十类），只考虑降水和蒸发对其土壤含水量的影响。对于灌溉土壤类型（主要有灌溉水田、水浇地、果园和人工草地四类），只考虑降水、蒸发和灌溉三个主要因素对土壤含水量的影响。少量降雨对土壤含水量影响不大，但降雨量较大时，在短时间（一般持续1-2天）对土壤水分影响比较明显。而灌溉通常情况下则可以持续7天左右。据以上分析，土壤含水量因子提取流程图如下：图2-1土壤含水量因子提取流程图（1）对于非灌溉性土壤，首先根据平均气温，找出气温与蒸发量之间的关系，通过拟合回归，关系式如下：ET=49.158*EXP(0.0835*T)（式中：ET为蒸发量，T为平均气温，单位为℃，ET单位为mm）。由此得出蒸发量，然后根据2010年的降水量、蒸发量和实测土壤含水量值，通过线性拟合回归，得到关系式如下：y=0.0183x1-0.0009x2+1.2771，（式中：y表示土壤含水量，x1表示降水量，x2表示蒸发量，所有值的单位均为mm）。（2）对于灌溉性土壤，以2010年降雨量、蒸发量和灌溉量作为自变量，土壤含水量作为因变量，拟合回归公式如下：y=0.1216x1-0.0248x2+0.0100x3+6.7640，（式中：y表示土壤含水量，x1表示降雨量，x2表示蒸发量，x3表示灌溉量）。土壤质地因子计算土壤中粒径小于0.84mm的颗粒最容易发生风蚀（Chepil，1955）。在衡量不同土地利用类型的抗风蚀能力时，值越大表明该土地利用类型的土壤抗风蚀能力越强。通过对野外调查监测过程中选取的几种具有代表性的土地利用类型的土样，通过环刀法沿S型取五处表层（0-5cm深度内）土壤，进行取样分析，用20目手动土壤筛筛选出小于0.84mm土壤颗粒，然后用天平称重，从而得到其土壤粒径组成情况以及不同土地利用类型的不可蚀性颗粒（>0.84mm）所占质量百分比。式中：m1—不可蚀性颗粒的质量（g）；m—土样质量（g）；地表粗糙度因子计算地表粗糙度Z0是耕地模型运行必不可少的因子。随着作物的生长，高度和盖度会发生变化，其地表粗糙度值也会相应发生变化，在水浇地（棉花）、小麦和新垦地三种土地利用类型下于2010年3-6月和9-11月进行连续监测。对于2010年地表粗糙度的计算，采用如下方法：先对风速求平均，再根据公式（Ⅲ）得到下垫面地表粗糙度。（Ⅲ）其中，Z1,Z2为两个观测高度，V1,V2为两个观测高度上的风速。对于1976年、1990年、2000年和2006年的地表粗糙度，采用作物高度估算的方法。首先通过野外调查实测，结合研究区农作物种植结构状况，记录主要作物（棉花、水稻、玉米、小麦）每月生长高度。然后对每月作物的高度求平均，估测每月作物平均高度。查阅《空气动力学粗糙度》文献，得知植被覆盖地表的空气动力学粗糙度公式，其中玉米地表粗糙度Z0=0.025*H^(1.1)，其他作物地表粗糙度Z0=0.04*H^(1.417)。参考第一次全国水利普查不同下垫面粗糙度值，耙平无垄农田地表粗糙度为0.06，留茬无垄农田地表粗糙度为0.18，通过对研究区调查和分析，水稻（10月至次年3月）、棉花（11月至次年3月）、玉米（10月至次年4月）、小麦（9月至10月）收割后均留茬，水稻和棉花在4月上旬至中旬留茬，4月中旬至下旬翻耕，故地表粗糙度取两者平均，确定为0.12。植被盖度因子计算包括五期（1976、1990、2000、2006和2010年）遥感数据的几何校正或正射校正，波段叠加，辐射定标，反射率计算，植被指数计算，拼接，裁剪，植被盖度计算，地表覆盖因子计算等。植被盖度因子（C）描述了植被对土壤风蚀的影响。C因子代表了农作物、土地覆盖、生物量、干扰土特性等因子，主要反映植被、作物对土壤侵蚀量的影响，C因子都小于或等于1，其相对变化范围较其它因子大。在植被盖度提取预处理工作完成以后，我们选择归一化差分植被指数（NDVI）反演植被盖度的方法。首先需要计算归一化植被指数，该指数是近红外波段与红光波段反射率比值的一种变换形式，即：（IV）具体的处理过程中会出现NDVI大于1和小于-1的情况，故在ERDAS中建模，CONDITIONAL{(ndvi<-1)-1,(ndvi>1)1,(-1=<ndvi<=1)ndvi)}，将大于1的数据改为1，小于-1的数据改为-1。然后，通过基于植被指数的方法来反演植被盖度，其常用方法为——像元二分法，公式(V)计算植被盖度。（V）式中，NDVImax和NDVImin为纯植被与纯土壤的植被指数；NDVI为待求象元的植被指数。在此，通过NDVI直方图（可由ERDAS影像窗口中的attribute导出统计）确定植被整个生长季NDVI的最大值和最小值，分别为NDVImax和NDVImin。最大植被指数和最小植被指数的确定，非常关键，其精度将影响到研究区植被盖度提取的准确性，在实际操作过程中，由于3~6和9~11月植被长势变化较大，因而反映到植被盖度反演图像中的亮度最亮和亮度最低的位置以及范围就会有所不同，为保证验证精度，我们通过野外实地调查并拍照的方法，找到最亮像元和最暗像元所在位置，根据其当地植被覆盖度的实际情况确定出NDVImax和NDVImin。模型运行要求每个月的植被盖度数据，对于遥感数据资料不全的1976年、1990年、2000年和2006年植被盖度因子的计算，采用2010年各月植被盖度数据为参考，为不同地物类型计算盖度平均值，并根据土地利用数据，为不同地物类型赋平均值作为该月份的研究区域的植被盖度数据。通过前四期相应月份的植被盖度数据与2010年相应月份植被盖度数据的映射，得到前四期各月的植被盖度数据。风蚀措施因子计算风蚀措施因子就是指为有效防止土壤风蚀，所采取的措施，主要分为两大类人工措施和自然措施。风蚀措施包括工程措施、林草措施和保护性耕作措施；对于风沙地区工程措施主要采用机械沙障和化学固沙等方法；林草措施即生物措施，主要是通过造林、种草以及封山育林、育草等措施，提高植被覆盖率；保护性耕作措施较常见的有带状间作、沟垄耕作、深耕免耕、留茬覆盖、豆科牧草种植，如苜蓿等，从而改良土壤结构，增强土壤抗风蚀能力。新疆兵团农一师垦区地处塔克拉玛干沙漠北缘，根据野外调查和搜集资料总结出新疆兵团农一师垦区采取的防治土壤风蚀措施包括经济林、农田防护林网、护路林、防风固沙林、沙漠公路两侧机械沙障、沟垄耕作措施、地膜覆盖措施、带状间作措施、作物留茬、深耕和种植豆科牧草11种风蚀措施。参照国内外相关文献和研究，为每种风蚀措施类型确定其估算值，并给每种土地利用类型赋相应的风蚀措施值，从而将风蚀措施因子面域化。土壤风蚀模型运行图2-2土壤风蚀模型运行方式针对修正后的土壤风蚀定量模型中不同模型参数特点，进行大量野外调查、取样分析以及实地风蚀量监测，并通过新疆兵团农一师大风和沙尘暴天气历史资料分析，确立风蚀发生时段为3-6月和9-11月，从而为下一步模型修正结果的验证、模型尺度修正系数的调整，以及各风蚀影响因子的提取奠定基础。由于遥感数据资料的限制，模型运行步长设置为以月为时间尺度，三个子模型分别计算3-6月和9-11月的月土壤风蚀模数，累加得到年土壤风蚀模数，最后乘以各自模型区的面积，从而计算出整个农垦区的年土壤风蚀量。土壤风蚀模型验证本研究选取的土壤风蚀模型主要是对各类地表土壤风蚀模数的估算，修正后能够预报新疆地区不同风力、不同植被状况下的月土壤风蚀量，进而预报不同年份的土壤风蚀量。具体说，是将易风蚀地表划分为耕地、林草地、沙地三大类，分别针对不同地表类型估算土壤风蚀量。为了对修正模型的适用性进行检验，通过野外调查通过数据监测，研究区气象、水文、土壤数据，用土壤风蚀模型计算出每月的土壤风蚀量，将研究区2010年土壤风蚀模型计算结果和2010年野外调查实际测量的月土壤风蚀量进行对比分析。通过模拟结果与2010年实际测量的月土壤风蚀量的对比分析，来验证模型的准确度。土壤风蚀动态变化分析以五期多源遥感影像为数据源，提取研究区界线及种植类型，分析其变化规律，与提取的相应时期土壤侵蚀结果对比分析，分析其对土壤侵蚀的影响状况，并结合野外实测数据与土壤风蚀模型运行结果数据，分析研究区因子动态变化、土壤风蚀模数和风蚀强度动态变化情况。垦区建设对土壤侵蚀影响研究结合野外实测数据与土壤风蚀模型运行结果数据，分析研究区5期垦区的面积变化与土壤风蚀的变化，总结垦区建设对土壤侵蚀影响变化规律。水土保持生态效益评价研究区水土保持及荒漠化防治概况兵团垦区水土保持的具体治理工作主要为防风治沙、防洪治水、改良盐碱地三大方面。表现在以下几方面：(1)防风治沙体系趋于完善，防护范围不断扩大；(2)防洪护岸，河道整治力度不断加大；(3)改良盐碱地技术提高，防止盐碱化措施加强（资料来源于《新疆生产建设兵团水土保持规划-报批稿》）。兵团自成立以来，在原有的荒漠戈壁上营造450万hm2的绿洲生态系统，极大地改善了兵团垦区范围内水土流失状况，绿洲生态系统的建成有效地阻止了风沙对人类的侵害，阻止洪水对人类的威胁，为兵团的建设发展营造了良好的生态环境。2000-2010年水土保持治理措施规划中提出：新增治理措施面积87.04万hm2，其中新建改造农田防护林5.4万hm2，新建改造防风固沙林15.6万hm2，新建经济林2.64万hm2，人工种草0.6万hm2，改良草场3万hm2，盐碱地改良17.9万hm2，退耕还林(草)5.2万hm2，封禁36.02万hm2，其它措施0.68万hm2。工程措施有护岸工程200km，小型水保工程360处（资料来源于《新疆生产建设兵团水土保持规划-报批稿》）。水土保持生态效益及评价的意义生态效益是水土流失治理综合效益的重要组成部分，是生物种群能力、物质转化效率及维持生态环境稳定能力的反映。水土保持生态效益是指水土保持对人类和生态环境在有序结构维持和动态平衡保持方面输出效益之和，包括控制土壤侵蚀、改良土壤、调节气候，涵养水源，减少灾害、保存物种、改善水资源环境条件等。水土流失生态效益综合表现为：保持水土，改善生态环境，增强生态系统的稳定性、承载力，最终实现系统内经济、社会效益的增加。进行生态效益的综合评价，可以考察水土流失治理及荒漠化防治综合目标的实现程度。生态效益评价指标体系构建1、生态效益评价指标选取原则（1）地理区域性差异原则；（2）主导因素原则；（3）具体指标的可操作性原则；（4）具体指标的不可替代性原则。根据研究区水土流失及荒漠化的发生条件、发展程度及治理情况，选取最能反映研究区水土保持及荒漠化防治的效益作用的指标。2、水土保持生态效益评价指标体系（1）耕地面积占区域总面积百分比耕地面积占区域总面积百分比=耕地（水浇地和灌溉水田）面积/研究区域总面积（2）林草覆盖率林草覆盖率=林草（林地、草地、园地）面积/研究区域总面积（3）盐碱化面积百分比盐碱地面积百分比=盐碱地（重度盐碱、中度盐碱、轻度盐碱）面积/研究区域总面积（4）沙化面积百分比沙化面积百分比=荒漠化土地（沙地、盐碱地和裸岩石砾地）/研究区域总面积（5）沙尘暴日数风沙日包括浮尘日、扬沙日和沙尘暴日。是荒漠化治理后减少就地起沙、荒漠化程度减轻的显著指标。和灾害风降低率、土壤风蚀量减少率等相关因子相比，后者适用的尺度偏小，数据获取困难。本报告采用沙尘暴日数作为评价指标。（数据来源于：18:81/scbweb/index.htm）（6）土壤风蚀模数土壤风蚀模数的大小直观地反映了土壤的风蚀程度。土壤风蚀模数的大小可由耕地、林草地、沙地经验模型计算得到。（7）风蚀面积占区域总面积百分比风蚀面积占区域总面积百分比=受风蚀土地面积（处水库、坑塘水面外的土地面积）/区域土地总面积表2-1水土保持生态效益评价指标体系目标层（A）制约层（B）指标层（C）水土保持生态效益（A）维持生态系统稳定性（B1）耕地面积占区域总面积百分比（C11）林草覆盖率（C12）改良土壤功能（B2）盐碱化面积百分比（C21）沙化面积百分比（C22）防沙治沙功能（B3）沙尘暴日数（C31）土壤风蚀模数（C32）土壤风蚀面积占区域总面积百分比（C33）评价指标权重确定由于各指标因子在指标体系中的作用不同，对于生态环境状况影响程度的有差异性，为了区分其对系统影响的差异性，常采用加权评价法。迄今为止，对权重的确定问题已经进行了大量的研究，有以研究人员的实践经验和主观判断为主来确定权重的，也有用各种数学方法来确定权重，本研究报告主要是采用层次分析方法（AHP）来确定县级生态状况的各评价参数的权重，咨询有关专家意见，构成判断矩阵，获得各层指标权数及随机一致性率值。1、层次分析法概述层次分析法（AHP（AnalyticHierarchyProcess））：是由美国匹兹堡大学教授T.LSaaty最早提出的一种定性与定量分析结合的多目标评价决策方法。它将决策者对复杂系统的评价思维过程数学化，其基本思路是决策者通过把复杂问题分解为若干层次和要素，在各要素之间简单地进行比较、判断和计算，然后再转为对这些元素的整体权重进行排序判断，最后确立各元素的权重。该方法的原理和应用步骤如下：（1）构建层次结构模型构建层次结构模型之前，首先要对研究的对象进行系统分析，根据既定目标把所考虑的因素按其属性层次化、条理化，构造系统的层次模型。一般的决策层次分析模型可以分为三层，即最高层、中间层和最底层。最高层是目标层，代表要解决问题的预期目标或理想结果；中间层是准则层（也称为条件层），是对上层目标的具体化和度量，对下层而言，则是用来评价各种备选方案的优劣；最底层是方案层，是实现目标的方案、方法和途径。（2）构造判断矩阵各个评价指标权重的确定在综合评价中占有非常重要的位置，权重的大小对评估结果十分重要，它反映了各指标的相对重要性。其含义为:在纵向上，评价指标权重反映了该指标变化对生态综合效益变化所起作用的大小；在横向上，评价指标权重表示了该指标在同一评价指标层次中所处的地位，权重确定的合理与否将直接影响评判结果。依据层次分析法，请教有关从事该领域的专家，结合新疆兵团中现有的生态环境，构造两两比较判断矩阵。判断矩阵中的标度值依据Saaty提出的1-9及其倒数作为衡量尺度的标度方法给出。表2-2层次分析法评价指标重要程度标度值及其含义标度含义1表示第i个因素与第j个因素的影响相同3表示第i个因素比第j个因素的影响稍强5表示第i个因素比第j个因素的影响强7表示第i个因素比第j个因素的影响明显强9表示第i个因素比第j个因素的影响绝对地强2、4、6、8表示第i个因素相对于第j个因素的影响介于上述两个相邻等级之间倒数设因素i与因素j比较得判断，则因素j与因素i的重要性之比为ɑji=1/ɑij（3）层次单排序层次单排序主要计算判断矩阵的最大特征根及其对应的特征向量和特征根，即计算满足：(1)由矩阵理论可知道，式中为判断矩阵唯一非零的最大特征根，为其所对应的特征向量，则式3-1可改写为：(2)式（3-2）的解经过归一化处理后，即为同一层次各因素对于上一层次某一准则相对重要性的排序权重。a、权重的计算1）设一与判断矩阵同阶的正规化初始向量，例如：；2）对于3）令4）对于预先给定的精度，当成立时则停止计算，取，即为所求的特征向量。否则继续进行第二步计算。最后取(3)b、计算一致性指标，检查判断思维的一致性当判断矩阵A的阶数为1或2时，判断矩阵总是一致的。当判断矩阵A的阶数大于2时，计算一致性指标=(4)是一致性或判断可靠性的度量，为了度量不同阶的判断矩阵是否具有满意的一致性，还要引入判断矩阵的平均随机一致性指标值，对于1～12阶判断矩阵的值如下表所示。表2-3多阶判断矩阵平均随机一致性指标RI值矩阵阶数123456789101112000.580.9021.411.451.491.511.54计算一致性比例：当时，认为判断矩阵的一致性是可以接受的。（4）层次总排序为了得到递阶层次结果中每层次中所有元素相对于总目标的相对权重，需把前一步计算的结果进行适当的组合，已计算出总排序的相对权重，并进行层次和结构一致性检验。因此，要由上至下逐层进行，最后得出最低层次元素，即决策方案优先顺序的相对权重和整个递阶层次模型的判断一致性。2、研究区评价指标权重计算（1）构建层次模型如上表2-1所示。（2）构建判断矩阵表2-4A-B判断矩阵计算表后者前者维持生态系统稳定性改良土壤功能防沙治沙功能一致性比维持生态系统稳定性1.00000.33330.25000.0707改良土壤功能3.00001.00000.3333防沙治沙功能4.00003.00001.0000表2-5B1-C判断矩阵计算表后者前者农垦区面积占区域总面积百分比林草覆盖面积一致性比耕地面积占区域总面积百分比1.00000.25000.0000林草覆盖面积4.00001.0000表2-6B2-C判断矩阵计算表后者前者风蚀期平均土壤湿度盐碱地面积占区域总面积百分比荒漠化土地面积占区域总面积百分比一致性比盐碱化面积占区域总面积百分比3.00001.00000.50000.0000沙化土地面积占区域总面积百分比3.00002.00001.0000表2-7B3-C判断矩阵计算表后者前者沙尘暴日数土壤风蚀模数土壤风蚀面积占区域总面积百分比一致性比沙尘暴日数1.00000.20002.00000.0279土壤风蚀模数5.00001.00006.0000土壤风蚀面积占区域总面积百分比0.50000.16671.0000（3）权重计算表2-8水土保持生态效益评价指标权重汇总表目标层（A）制约层（B）指标层（C）水土保持生态效益（A）维持生态系统稳定性（B1）(0.1172)耕地面积占区域总面积百分比（C11）(0.0234)林草覆盖率（C12）(0.0938)改良土壤功能（B2）(0.2684)盐碱地面积百分比（C21）(0.1342)沙化面积百分比（C22）(0.1342)防沙治沙功能（B3）(0.6144)沙尘暴日数（C31）(0.1058)土壤风蚀模数（C32）(0.446)土壤风蚀面积占区域总面积百分比（C33）(0.0627)评价指标数据标准化由于本文选取的评价指标原始数据的量纲不同，即具体的数据单位不同，无法进行比较，必须对原始数据进行标准化处理。数据标准化的方法有多种，在本文中采用极差化处理。具体计算公式如下：式中：、分别为观测值的最大值和最小值。评价指标中盐碱地面积百分比、荒漠化面积百分比和沙尘暴日数、土壤风蚀模数、和土壤风蚀面积占区域总面积百分比都为负向指标，因此在进行同量纲化处理之前需对其进行同向化处理，本报告采用的是倒数法。综合评价模型选择由单项评价值计算综合评价值的方法及综合评价的方法有很多，常用的有计分法、指数法、功效系数法等，本报告采用加权指数法计算：其中，为单项指标权重；为标准化后的单项指标值。评价等级划分1、等级划分结果将标准化后的指标作用分值乘以对应的权重，逐级分层次计算，最后可得到水土保持生态效益的综合指数得分。综合指数得分多少与水土保持及荒漠化治理效益水平呈正相关，得分越高，治理效益越好。根据研究，可以把效益分析结果可以划分为5个不同的等级及其相对应的综合指数见表。表2-9水土保持生态效益等级划分表水土保持生态效益等级划分综合指数得分优0.8-1良0.6-0.8中0.4-0.6较差0.2-0.4差0-0.22、等级说明对于已经划分的评价等级结果，其不同的等级反映了不同的荒漠化治理效益。表2-10水土保持生态效益分级级别优良中较差差0.8-10.6-0.80.4-0.60.2-0.40-0.2状态和治理前相比，生态系统已经稳定，盐碱化和荒漠化土地基本消失。风蚀面积小、强度弱。和治理前相比，生态系统基本稳定，盐碱化和荒漠化土地大部分消失，风蚀面积相对较小、强度较弱。和治理前相比，生态系统极趋于稳定，荒漠化和盐碱化土地得到有效治理，风蚀面积减小、强度减弱。和治理前相比，生态系统尚不稳定，土地荒漠化和盐碱化较为严重，风蚀面积较大、强度较强。