基于DFSR模型的北方農牧交錯區生態系統健康評價——以寧夏鹽池縣為例

張秀娟,周立華 (中國科學院寒區旱區環境與工程研究所,沙漠與沙漠化重點實驗室,甘肅 蘭州 730000)

北方農牧交錯區是連接中國東部半濕潤農耕區與西部半干旱草原牧區的過渡帶,屬于一個相對獨立的自然—社會—經濟的復合生態系統.它是中國少數民族的聚居區和北方主要江河的發源地,滋潤著中下游廣闊的農田和土地,同時也是遏止荒漠化和沙化向中國東中部地區移動的重要的生態屏障,其可持續發展在中國社會經濟發展以及環境保護等方面具有十分重要的戰略地位[1].但是由于受全球氣候變化和區域沙漠化的影響,該區生態環境明顯惡化,氣候災害增加,加之該區域土地資源質量差,在人為因素的劇烈擾動下,生態環境越來越脆弱.為有效地恢復和保護北方農牧交錯區的生態環境,對其進行生態系統健康評價研究.

生態系統健康評價是衡量生態系統破碎和穩定程度的有效方法[2].由于生態系統自身的復雜性及其與自然、社會、經濟系統的密切聯系,生態系統健康評價應該將定性判斷與定量評價有機結合,并綜合考慮研究區域的社會、經濟、生態等諸多因素.近年來,許多學者對濕地、森林、城市、農田、荒漠等不同類型的生態系統,采用指示物種法和指標體系法進行了多方面的研究,然而,由于許多因素很難準確定量,很難有一種囊括所有形態、在大的范圍進行的生態系統健康評價方法和統一的標準[3].

本文以寧夏鹽池縣為研究區域,基于“驅動力-狀態-響應”(DFSR)模型建立評價指標,采用GIS和RS技術輔佐北方農牧交錯區生態系統健康評價,在理論與方法上將具有一定優越性.通過對典型的北方農牧交錯區生態系統健康狀況的分析,以期為鹽池縣環境保護決策的制定提供一定的科學依據,也可為其他農牧交錯區的生態環境的評價和保護提供參考.

1 研究區域概況

鹽池縣(37°04′～38°10′N,106°30′～107°47′E)位于寧夏回族自治區東部,地處毛烏素沙漠的南緣,屬于黃土丘陵向鄂爾多斯臺地的過渡地帶,是我國典型的北方農牧交錯地帶,全縣轄4個鎮,4個鄉,101個行政村和675個自然村.鹽池縣地勢南高北低,南部海拔1600～1800m,為黃土丘陵溝壑區,約占全縣總面積的20%;中北部海拔1400～1600m,地勢開闊平緩,為鄂爾多斯緩坡丘陵區,約占全縣總面積的80%.鹽池縣屬典型的溫帶大陸性季風氣候,四季少雨多風,年平均降雨量296.4～355mm,年蒸發量 2095～2179.8mm,降雨主要集中在 7～9月,占全年總量的62%,形成了春夏冬季“十年九旱”、秋季山洪和地質災害頻發、冬春季揚沙和浮塵天氣多的惡劣氣候條件.鹽池縣自然降水是鹽池縣大多數農田和全部草原的主要水源,歷史上境內地下水和地表水也完全依靠降雨補給形成.鹽池縣經濟結構以農牧業為主,鹽池縣歷來是我國沙漠化危害最嚴重的地區之一[4].

2 研究方法與數據來源

2.1 DSFR模型

1996年,由聯合國可持續發展委員會(UNCSD)和聯合國政策協調與可持續發展部(DPCSD)以“驅動力-狀態-響應”(DFSR)模式初步構建了134個指標,其中經濟指標23個、社會指標41個、環境指標55個、制度指標15個,涉及了公平、健康、教育、住房、安全、人口等 6類社會問題,形成了一個反映可持續發展的各項動態特征的有機體系[5].在 DFSR模型中,其組成包括:①驅動力.人類行為、過程和生活方式對可持續發展的影響;②狀態.環境的質量和自然資源的數量;③響應.在可持續發展方面政策或其他反應的改變.DFSR模型實際上從社會、經濟、環境和制度方面反映了可持續發展的不同側面,為可持續發展評價提供了廣泛接受的指標體系框架.

2.2 指標體系及權重的確定

采用“驅動力—狀態—響應”(DFSR模型),緊緊圍繞生態系統功能和人類活動來綜合考慮區域的社會經濟發展、土地利用方式及狀況、自然資源分布及利用等因素,從驅動力、狀態、響應這3個層次共選取20個單項指標作為生態系統健康評價指標.由于各個指標數據性質、量綱不同,各指標之間沒有可比性,因此,通過極差標準化處理形成無量綱的數據.然后在 SPSS中對其進行層次聚類分析,按照從小到大的順序分別為每類單項指標賦值1、3、5、7、9.

采用層次分析法對目標層進行指標權重分配;指標層權重利用主成分分析法對單個指標進行權重分配.

表1 生態系統健康評價指標體系及各指標權重Table 1 Index system of the ecosystem health evaluation and their weights

生態系統彈性度是通過植被類型的變化來判斷生態系統的彈性力范圍,或者可變化的余地大小.計算公式如下:

式中:ECO為生態彈性度;Si為土地類型i所占的比例;iP為土地類型i的彈性分值;m為土地類型的數目.

2.3 評價等級的確定

表2 生態系統健康狀況的分級Table2 the gradations of ecosystem health state

2.4 評價單元的確定

以往生態健康評價的案例,其單元主要有基于面狀的矢量和點狀的柵格 2種.本文考慮到資源來源和研究目標,采用基于面狀的矢量作為評價單元,即以行政單元(縣)為計算單元.

2.5 數據來源

遙感數據:2000年與2002年的Landsat-7 ETM影像數據、2006～2009年的Landsat-5 TM影像數據(編號129-34,分辨率30m×30m).

其他數據:鹽池縣統計年鑒;自然、社會經濟方面的文字資料和圖件資料.

3 研究結果

3.1 鹽池縣各鄉鎮狀態指標分析

采用 ENVI對已校正過的遙感影像的各單波段進行融合,將融合后的影像在Arcgis中進行目視解譯、空間分析等,提取目標區域的景觀指標,并獲取土地利用圖.根據各指標值計算并繪制鹽池縣各鄉鎮狀態指標分值分布圖(圖1)及狀態指標分布圖(圖2).

由圖2可知,麻黃山、高沙窩、大水坑、青山鄉、惠安堡生態系統的狀態指標分值在各年份中的變動相對較小,尤其是麻黃山的狀態分值基本沒變且在各鄉鎮中最低.而馮記溝、王樂井、花馬池的分值在各年份中的變動較大.

圖1 鹽池縣各鄉鎮生態系統健康狀態指標分值分布Fig.1 Values of ecosystem health state index of all towns in Yanchi County

通過實地走訪及問卷調查可知,麻黃山位于鹽池縣最南部,該地區離縣城較遠且交通不便,居民的經濟收入較低,生態政策實施效果較差,因此麻黃山的狀態分值最低.花馬池、馮記溝、王樂井的狀態分值變化較大,尤其是花馬池.由于縣城位于花馬池,居民的經濟收入及文化程度較高,生態政策實施效果較好,例如2000年的退耕還林政策,2002年的禁牧政策.因此,花馬池的狀態分值發生較大變化.馮記溝和王樂井的居民經濟收入及文化程度較高,生態政策實施的初期效果較好,而后政府的引導力度不夠,政策實施效果較差.因此,王樂井和馮記溝的狀態分值發生較大變化.

從垂直方向上分析圖1可知,生態系統健康的狀態為一級及二級(即狀態分值分別為不小于9和不小于7)的區域,2000年分別有0個和3個;2002年分別有1個和2個;2006年分別有0個和2個;2007年分別有0個和2個;2008年分別有1個和1個;2009年分別有0個和2個.

圖2 鹽池縣生態系統健康狀態指標分布Fig.2 Distribution map of ecosystem health state index in Yanchi County

由圖2可知,鹽池縣生態系統健康的狀態指標分值呈現明顯的南北差異,中北部鄉鎮的狀態指標分值要高于南部.

鹽池縣地勢南高北低,南部為黃土丘陵溝壑區,中北部為鄂爾多斯緩坡丘陵區且地勢開闊平緩.因此,南部地區的交通不便,農民的收入來源較少,而中北部地區農牧業生產條件和工業經濟基礎較好,總體上中北部地區農民的經濟收入要高于南部.通過實地走訪及問卷調查,鹽池縣南部鄉鎮的教育水平總體上比北部鄉鎮要低.由于超載過牧和過度開墾,中北部的土地退化曾較為嚴重,風沙活動較為頻繁,近幾年施行了圍欄禁牧、退耕還林還草政策,沙漠化明顯減輕,自然環境有較大改善.因此,中北部的居民環保意識更為強烈,環境認知程度要高于南部.在生態保護政策的執行力度和監督方面,由于北部鄉鎮離縣城要近,生態保護政策的實施效果要好.綜合以上因素,南部的鄉鎮在多樣性、均勻度及生態彈性度方面比中北部的鄉鎮要低.

生態系統狀態指標也是對土地利用變化景觀格局的反映,因此,在分析鹽池縣各鄉鎮生態系統狀態指標的同時,應考慮鹽池縣各鄉鎮土地利用的變化.

由圖3可知,從時間序列上,鹽池縣各鄉鎮土地利用結構總體上呈農牧交錯結構,但逐漸呈現均衡的趨勢;各鄉鎮的耕地面積存在較大差異,主要集中分布在麻黃山、大水坑、惠安堡、青山鄉等南部黃土丘陵區和中部風沙干旱區;草地占據該地區整個景觀格局的主導地位,有發展畜牧業的優勢,但景觀異質性較小,這樣不利于能量、信息、物質的交流,影響了該地區生態系統的自我調節能力;鹽池縣各鄉鎮的林地面積大體上呈增加趨勢,主要是由于退耕還林工程、揚黃工程及其他防沙治沙工程的大規模開展.

圖3 鹽池縣各鄉鎮土地利用變化Fig.3 The land use changes in Yanchi County

3.2 鹽池縣生態系統健康狀況分析

由圖4可知,2000年、2002年、2006～2008年,生態系統健康驅動力分值、狀態分值、響應分值及綜合分值逐年增加,表明鹽池縣生態系統健康狀況呈上升趨勢;2009年生態系統健康驅動力分值和狀態分值均增加,但響應分值減少,生態系統健康的綜合分值基本上沒有改變,表明生態系統的健康狀況呈現穩定的狀態.

圖4 鹽池縣生態系統健康各指標分值及綜合分值分布Fig.4 Values of all ecosystem health index of Yanchi County

2000年以來,鹽池縣圍繞國家和自治區重點林業生態工程,實施了“退耕還林還草工程”、“天然林保護工程”、“三北防護林四期工程”、“日援治沙工程”、“天然草原保護與建設工程”和“鹽環定揚黃工程”六大生態工程,進行了因地制宜、分類指導的沙漠化土地綜合治理[6],如圖 4的評價結果,鹽池縣生態建設日趨好轉.但是,根據實地考察和問卷調查的結果,鹽池縣的生態系統健康仍然存在一些問題:

(1) 土地利用結構不合理.如圖3所示,鹽池縣土地利用結構總體上呈農牧交錯結構,耕地主要集中分布在麻黃山、大水坑、惠安堡、青山鄉等南部黃土丘陵區和中部風沙干旱區,草地面積最大,林地面積與耕地、草地相比較少.通過遙感影像目視解譯及實地考察發現,耕地基本上為旱地,且部分耕地較分散,與草地交錯分布.這樣不僅耕種不方便,而且嚴重影響草地的放牧利用,更重要的是耕地的發展沒有區域限制,使得整個土地利用在管理上遇到困難.

(2) 社會經濟水平低.鹽池縣人均GDP較其他地區低,第三產業占GDP的比重為40%～50%,農牧產值占農林牧漁總產值的75%～87%,經濟水平低,產業結構單一.同時,社會經濟水平制約了人們的購買力,迫使人們開發利用現有資源,在遵循個人利益最大化的原則下選擇適宜自己的生計對策[7].例如,在草地產權不明晰的情況下,農戶盲目擴大耕地、濫采、濫樵、過度放牧等,嚴重破壞了地表植被,加劇了生態環境的惡化.

(3) 人口壓力.對生態環境保護不利因素首先是人口壓力,并且這一因素近期難以改變.如圖5A 所示,鹽池縣人口增長率約為10%,雖然在前期兩者有較大幅度的波動,但總體上仍呈現均衡且略微降低的趨勢.教育水平的高低,影響著人們對其生存的環境的認識、對資源的開發利用、資源利用程度以及人類活動的環境后果.圖 5B是從217份調查問卷中統計出的教育水平分布圖.由圖5可知,鹽池縣的教育文化水平偏低,多為初中及以下的文化程度.

圖5 鹽池縣人口及教育水平分布Fig.5 Distribution of population and education level in Yanchi County

(4) 生態環境保護政策的實施存在一些問題.生態環境保護政策往往是從生態的角度出發,許多政策與農戶的利益產生了矛盾.在問卷調查中發現,由于完全禁牧政策的實施,部分農戶的收益下降,農戶選擇夜間偷牧,草地依舊在一定程度上遭到破壞.部分地方官員為躲避政府檢查而作假,使得政策在執行和檢查上存在困難.此外,政府的政策引導力度也不夠.在實地調查中,很多農戶反映,由于完全禁牧,牧草未能得到合理利用,而且完全不允許在草場放牧也不利于牧草自身的生長.總之,生態環境保護工作無法將政策的執行和農戶的配合統一,無法處理好生態環境和農戶生計之間的矛盾,也只能是治標不治本,無法達到生態環境建設的預期目標.

3.3 鹽池縣生態系統可持續發展的對策與措施

3.3.1 土地資源利用方式從粗放型向集約型轉變 結合當地的實際情況,發展滴灌、利用生物肥料提高土壤肥力等先進農牧業技術,提高農業技術人員的配比和技術水平,建立科學的耕作和畜牧耦合模式,實現集約化經營.要轉變傳統的單純依靠天然草場進行游牧的生產經營方式,應根據地形、牧草生長情況及水源條件等因素,建立輪牧、休閑、培育制度[6,8-10].實施舍飼圈養或半舍飼圈養,同時對天然草場實行刈割和輪刈,為天然牧草創造休養生息的空間.

3.3.2 發展特色產業,建立循環經濟 首先,結合鹽池縣自然資源優勢,引進適合鹽池縣的先進技術,發展特色生態農牧業,不僅有助于改善生態環境,又能調動農民積極參與生態環境保護.其次是發展壯大行業龍頭企業,建設規模化、規范化的園區,拉長產業鏈,帶動其他服務行業的發展,構建良性循環的生產格局[11].

3.3.3 營造有利的人口環境 以人為本,以教育為基礎,培養和引進全方位的科學技術人才,促進人力資本的積累,為可持續發展提供動力.

3.3.4 制定合理的保護政策,建立有效的檢測管理系統 政府的生態保護政策應該在一定的彈性尺度內,將政策的執行和農戶的配合統一起來,實現人民生活水平逐步提高,生態環境日益改善的雙贏局面[12].逐步建立科學有效的檢測管理系統,把資源開發利用、保護治理與資產增值有機結合起來,形成持續平衡健康的生態系統.

4 結論

4.1 采用“驅動力-狀態-響應”DFSR模型,從驅動力、狀態、響應 3個目標層,人口、資源、經濟、氣候、活力、組織結構、恢復力、自然-生態、社會-經濟九個準則層,選取具有代表性的因子,構建了鹽池縣生態系統健康評價的指標體系.結合GIS和RS技術計算各個單因子.

4.2 從時間序列上分析了鹽池縣各鄉鎮的生態系統健康狀況的變化,2000年、2002年、2002～2008年,生態系統健康驅動力分值、狀態分值、響應分值及綜合分值逐年增加,表明鹽池縣生態系統健康狀況呈上升趨勢;2009年生態系統健康驅動力分值和狀態分值均增加,但響應分值減少,生態系統健康的綜合分值基本沒有改變,表明生態系統和健康狀況呈現穩定的狀態.

4.3 結合實地考察和問卷調查的結果分析了鹽池縣生態系統健康方面存在的問題,并為鹽池縣生態系統的可持續發展提供了對策與措施.

[1]李春陽,秦紅靈,高旺盛.北方農牧交錯帶農田生態系統健康評價 [J]. 中國農學通報, 2006,22(2):347-350.

[2]Rapport D J, McMichael A J, Costanza R. Assessing ecosystem health [J]. Trends in Ecology and Evolution, 1999,14(2):69-70.

[3]楊 斌,隋 鵬,陳源泉,等.生態系統健康評價研究進展 [J]. 中國農學通報, 2010,26(21):291-296.

[4]樊勝岳,周立華,馬永歡.寧夏鹽池縣生態保護政策對農戶的影響 [J]. 中國人口?資源與環境, 2005,15(3):124-128.

[5]徐中民,張志強,程國棟.生態經濟學理論方法與應用 [M]. 鄭州:黃河水利出版社, 2003.

[6]璩向寧.寧夏鹽池縣土地資源可持續利用探討 [J]. 農業科學研究, 2005,26(4):78-82.

[7]謝花林,李 波,劉黎明.基于壓力-狀態-響應模型的農業生態系統健康評價方法 [J]. 農業現代化研究, 2005,26(5):366-369.

[8]吳 璇,李洪遠,張 良,等.天津濱海新區生態系統服務評估及空間分級 [J]. 中國環境科學, 2011,31(12):2091-2096.

[9]王 瑾,錢 新,洪堅平,等.忻州市土地利用現狀的環境敏感區分析 [J]. 中國環境科學, 2010,30(12):1702-1707.

[10]李晉昌,王文麗,胡光印,等.瑪曲縣土地利用/覆蓋變化對區域生態系統服務價值的影響 [J]. 中國環境科學, 2010,30(11):1579-1584.

[11]馬永歡,周立華.我國循環經濟的梯度推進戰略與區域發展模式[J]. 中國軟科學, 2008(2):82-88.

[12]張克斌,王錦林,侯瑞萍,等.我國農牧交錯區土地退化研究 [J].中國水土保持科學, 2003,1(1):85-90.

致謝：本研究所用的遙感圖像來自中國科學院對地觀測與數字地球科學中心和國際科學數據服務平臺,在此表示感謝.