遼寧西部北票市生態修復區生態退化驅動力分析

王華偉，高 鵬，呂圣橋，丁福俊，王 亮

（1.山東農業大學 林學院／山東省土壤侵蝕與生態修復重點實驗室，山東 泰安 271018；2.遼寧朝陽市水土保持局，遼寧 朝陽 122000）

關于生態系統退化的驅動力因素研究，受到人們的普遍關注［1］。那巴特爾和王海青等分別對西北地區的黨河和黑河流域生態退化進行研究，得出氣候的干旱性和生態環境的脆弱性是流域生態退化的前提，而最大干擾因素是人類經濟活動［2－3］；趙振勇和馬愛霞對導致荒漠和草地生態系統退化的自然和人為干擾因素進行了分析［4－5］；賀金生 等［6］研究 了長江三峽地區不同退化類型、不同退化程度植物群落的物種多樣性特征；孟國才等［7］對岷江上游地區環境問題及其驅動力研究發現，生態環境退化是系統內在特性和外在干擾體綜合作用的結果。總之，關于流域生態系統退化與發生演化的驅動力機制的研究主要集中于流域退化現狀的評價、退化原因和演化趨勢分析等方面［8］；從研究區域上，主要集中在黃河流域和長江流域，而在我國東北漫崗丘陵水土流失類型區剛剛起步。因此，本文以代表東北漫崗丘陵水土流失類型區典型區域的遼寧西部北票市生態修復區為研究區域，采用主成分分析和多元回歸分析方法，對研究區生態退化的主導驅動力因子進行定量研究，可為探討我國東北漫崗丘陵水土流失類型區生態退化成因及其修復工程的建設提供科學依據。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

北票市水土保持生態修復區位于遼寧西部朝陽市的東北部，大凌河中游。地處東經120°15′－121°18′，北緯41°23′－42°17′。區域總面積4469 km2，屬遼西山地丘陵區，是我國東北漫崗丘陵水土流失類型區的典型區域。氣候類型為半干旱、半濕潤大陸性季風氣候，多年平均氣溫8℃；多年平均降水量410～550mm，其中6－8月降水量占全年的80%以上。植被區劃屬華北植物區系的北界，由于與內蒙古和長白植物區系相毗鄰，是華北、長白、內蒙古三個植物區系的交匯地帶。土壤類型分為兩類，棕色土分布于海拔600m以上的山坡和植被茂密的陰坡山腳；淋溶褐土分布于海拔600m以下的山坡及河谷耕地［9］。

1.2 研究方法

1.2.1 生態退化及其驅動力指標的確定 生態退化及其驅動力指標的確定遵循自然環境因子與社會經濟（人為）因子兼顧，以人為因子選擇為主的原則，結合社會訪問、專家技術咨詢和外業實地調查結果［10］，共選取10項指標（表1），其中，驅動力評價指標9個（2項自然環境指標和7項社會經濟指標）；生態退化指標以北票市生態修復區29個鄉鎮的土壤侵蝕面積比（即各鄉鎮土壤侵蝕面積占鄉鎮總面積的百分比）為空間序列。土壤侵蝕數據是基于北票市生態修復區1998年、2003年和2008年三期土壤遙感解譯數據。

1.2.2 生態退化驅動力統計分析方法

（1）生態退化驅動因子的主成分分析。主成分分析是綜合處理多個變量之間相關關系的一種強有力的方法［11］。本文應用該方法對影響北票市生態修復區的9個驅動力指標進行降維和排序，以此分析該地區生態退化的主導驅動因子。

表1 生態退化及其驅動力評價指標體系

（2）生態退化驅動因子的多元回歸分析。多元線性回歸分析的基本原理是:設隨機變量Y與m個自變量之間存在線性關系，其數學模型為［12］:

利用n（i＝1，2，3，…，n）組觀測值（X1i，X2i，…，Xmi，Yi），根據最小二乘法原理求出式中的待定系數B0，B1，B2，…，Bm。

以主成分分析中得出的主導驅動因子為自變量，以土壤侵蝕面積比為因變量，運用Stepwise方法進行逐步回歸分析，建立北票市生態修復區土壤侵蝕面積比與驅動因子的多元回歸模型。在Stepwise方法中，進入概率≤0.05，移出概率≥0.1［13］。

2 結果與分析

2.1 生態退化驅動因子的主成分分析

（1）提取主成分。主成分分析方法中的特征值與特征向量及主成分貢獻率與累計貢獻率的計算是借助SPSS（Statistical Package for the Social Sciences）軟件來完成。計算得特征值及各個主成分的貢獻率與累計貢獻率（見表2）。由表2可知，第一、第二兩個主成分因子的累積貢獻率已經超過了85.064%，完全達到分析的要求（因子碎石圖見圖1），并得到主成分載荷矩陣（表3）。第一、第二兩個主成分因子表達式為

由表3看出，Y1為第一個主成分，在X4（土地墾殖率）、X7（人均養畜量）、X6（人均經濟林面積）上有很大的載荷（表3），且相關系數都在0.940以上，這三個變量分別代表了北票市生態修復區土地開發和種植業發展程度（X4）、畜牧業的發展程度（X7）、經濟林的發展程度（X6）。表明北票市生態修復區生態退化與農業結構狀況（種植業、林果業、畜牧業）密切相關，主要體現在坡耕地的耕種、飼養牲畜對林草地較強的依賴性以及坡地經濟林地的開發利用上。第一主成分與社會經濟因子中的X3（人口密度）、X9（人均糧食產量），也有較高的相關性，相關性在0.884以上（表3），說明人口壓力大、人為活動強度高、糧食自給量高的地區有較大可能發生生態退化和水土流失的潛力。第一主成分與自然因子中的X2（地面坡度）、X1（年均降水量）的相關性在0.849以上，說明自然因子也是生態退化和水土流失增加的重要影響因素。由此可見，社會經濟因子在北票市生態修復區的生態退化中占據支配地位，而自然環境因素是生態退化發生的前提和基礎。第一主成分對生態退化的貢獻率為79.017%，是生態退化的主導驅動因子。

表2 特征值與主成分貢獻率

圖1 主成分碎石圖

Y2為第二個主成分，在X5（人均耕地面積）上有較大荷載（表3），人均耕地資源的減少，在一定條件下將促進農業集約經營水平的提高，從而提高單位面積產量及精耕細作，減輕水土流失。因此，人均耕地面積多的區域，可能對生態退化產生一定的影響。第二個主成分對生態退化的貢獻率為6.047%，對生態退化也產生了一定的影響。

（2）生態退化驅動因子排序。按驅動因子對北票市生態修復區生態退化的貢獻可以計算得出9個原始變量的得分值，并對其排序即:X4（土地墾殖率）＞X7（人均養畜量）＞X6（人均經濟林面積）＞X3（人口密度）＞X9（人均糧食產量）＞X2（地面坡度）＞X1（年均降水量）＞X5（人均耕地面積）＞X8（人均農業產值）。可見，北票市生態修復區生態退化的主要驅動因子為以自然環境因子為前提和基礎下的社會經濟因子；在社會經濟因子中，體現農業結構狀況的土地墾殖率、人均養畜量和人均經濟林面積等社會經濟因子，對該地區生態退化的影響較為明顯。

表3 主成分載荷矩陣

2.2 生態退化驅動因子的多元回歸分析

（1）多元逐步回歸模型的建立。北票市生態修復區29個鄉鎮的土壤侵蝕面積比與生態退化主導驅動因子的多元逐步回歸模型為

式中:X4——土地墾 殖率；X7——人 均 養 畜量；X2——地面坡度；Y——土壤侵蝕面積比。

由回歸模型（1）可知，土壤侵蝕面積比與土地墾殖率、人均養畜量、地面坡度成正比，復相關系數R為0.980（表4），說明土壤侵蝕面積比（Y）與X7（人均養畜量）、X4（土地墾殖率）、X2（地面坡度）之間具有比較顯著的相關關系。由偏相關系數（表5）可知，對土壤侵蝕面積比（Y）的影響由大到小依次為X7＞X4＞X2。X7和X4均是人為驅動因子，可見，人為驅動因子是第一位的；而作為自然環境因子的X2（地面坡度）是第二位的。說明超載放牧、土地資源的過度開發是導致北票市生態修復區水土流失與生態退化的主導驅動因素，這與上述主成分分析結果基本吻合。

表4 北票市生態修復區生態退化驅動因子多元回歸模型

表5 北票生態修復區生態退化驅動因子多元回歸回歸系數表

（2）回歸模型的顯著性檢驗。通過對回歸模型（1）進行F檢驗（表6），得到方差分析的顯著性概率sig.＝0.000遠小于0.05，因此，回歸模型（1）有意義，線性回歸效果顯著。從回歸模型（1）的標準化殘差的直方圖（圖2a）和殘差累積概率圖（圖2b）看出，樣本的殘差近似于正態分布，圖中的散點密切地散布在斜線（對應著一個均值為0的正態分布）附近，說明隨機變量殘差服從正態分布，回歸模型（1）通過顯著性檢驗。

表6 北票市生態修復區生態退化驅動因子多元回歸模型顯著性檢驗

圖2 標準化殘差的直方圖（a）和標準化殘差的累積概率圖（b）

3 結論與建議

3.1 結 論

（1）主成分分析結果表明，以自然環境因子為前提和基礎下的社會經濟因子是導致北票市生態修復區生態退化的主要驅動因子，其中，社會經濟因子中體現農業結構狀況的土地墾殖率、人均養畜量和人均經濟林面積等社會經濟因子，對該地區生態退化的影響較為明顯。

（2）多元回歸分析結果表明，在北票市生態修復區內，超載放牧、土地資源的過度開發是導致該地區水土流失與生態退化的主導驅動因子，而作為自然環境因子的地面坡度是第二位的，是發生水土流失與生態退化的前提和基礎。這與主成分分析結果基本吻合。

3.2 建 議

遼寧西部北票市生態修復區生態退化的主要原因是社會經濟因素對生態系統的干擾，而且是疊加于脆弱的自然環境因素之上。在社會經濟因素中，超載放牧、土地資源過度墾殖、人口壓力不斷增大等是北票市生態修復區生態退化和水土流失發生發展的重要驅動力。因此，該地區的生態修復工程建設，首先，應加大封山育林（草）、退耕還林（草）和禁牧圈養等生態修復工程的力度，適度實施具有水土保持工程整地措施的經濟林建設，使區域林草植被蓋度盡快得到恢復，提高區域的綜合生態防護功能；其次，應加速坡耕地整治工程，實施農耕地保育措施，杜絕挖沙開礦等開發建設活動；再次，限制人口增長，緩解人口增長給生態環境帶來的巨大壓力。

［1］章家恩，徐琪.生態退化的形成原因探討［J］.生態科學，1999，18（3）:27－32.

［2］那·巴特爾.黨河中上游生態退化機制與保護對策［J］.草原與草坪，2008（2）:13－17.

［3］王海青，張勃.黑河流域40多年來生態環境變化驅動力分析及對策［J］.干旱區資源與環境，2007，21（10）:43－47.

［4］趙振勇，王讓會，張慧芝，等.塔里木河下游荒漠生態系統退化機制分析［J］.中國沙漠，2006，26（2）:220－225.

［5］馬愛霞.甘肅黃河上游主要生態功能區草原退化成因及治理對策淺析［J］.草地生態，2009（4）:31－34.

［6］賀金生，陳偉烈，江明喜，等.長江三峽地區退化生態系統植物群落物種多樣性特征［J］.生態學報，1998，18（4）:399－407.

［7］孟國才，馬東濤，王士革，等.岷江上游地區環境問題及其驅動力［J］.干旱區地理，2007，30（5）:759－765.

［8］李春艷，鄧玉林.我國流域生態系統退化研究進展［J］.生態學雜志，2009，28（3）:535－541.

［9］楊慧玲，高鵬，王華偉，等.大黑山水土保持生態修復區典型植被類型土壤顆粒的分形特征［J］.中國水土保持科學，2009，7（5）:52－57.

［10］章家恩，徐琪.退化生態系統的診斷特征及其評價指標體系［J］.長江流域資源與環境，1999，8（2）:215－220.

［11］徐雅靜，汪遠征.主成分分析應用方法的改進［J］.數學的實踐與認識，2006，36（6）:68－75.

［12］劉春龍.改進的主成分分析法及其在水質評價中的應用［J］.安徽農業科學，2009，37（22）:10642－10643.

［13］臧淑英，那曉東，李雁，等.大慶地區草地退化驅動機制分析［J］.北京林業大學學報，2007，29（增刊2）:216－221.