寧夏沙坡頭自然保護區生態系統健康評價

孟凡萍 黃銀洲 王岳光

摘要沙坡頭國家級自然保護區是我國荒漠自然保護區的重要示范點，其生態環境脆弱，土地利用相對復雜。以2005、2010和2013年土地利用變更數據和相關統計資料為主要數據源，利用生態綠當量、土地利用結構指數、生態系統價值，分別評價沙坡頭自然保護區土地利用結構合理性、土地利用結構變化以及生態系統健康。結果表明，2005～2013年沙坡頭自然保護區生態綠當量大于1，土地利用結構合理，立體綠化效果不斷提升；多樣性指數和均勻度指數不斷增加，優勢度指數不斷減少，表明保護區土地利用趨于多樣化和平均化，生態系統越來越穩定；沙坡頭自然保護區的相對生態價值在研究時段有所提升，生態健康狀況已轉向健康型。

關鍵詞沙坡頭自然保護區；生態綠當量；土地利用結構；生態系統健康

中圖分類號S759.9文獻標識碼A文章編號0517-6611（2015）31-268-04

Evaluation of the Ecosystem Health of the Ningxia Shapotou Nature Reserve

MENG Fanping， HUANG Yinzhou， WANG Yueguang

（College of Earth and Environmental Sciences， Lanzhou University， Lanzhou， Gansu 730000）

Abstract The Ningxia Shapotou Nature Reserve is typical in desert ecosystem. Its ecosystem is fragile and can be easily disturbed by human activities. Based on the land use data of Shapotou Nature Reserve in 2005， 2010 and 2013， ecological green equivalent， land use structure correlation index and relative ecological value were calculated in this paper to assess the rationality of land use structure， the change of land use structure and the regional ecological health. The results indicated that ecological green equivalent is above 1 from 2005 to 2013， the land use structure is reasonable， at same time stereoscopic green effect is increasing； during the period the diversity index and evenness index are increasing， the dominance index is decreasing， its meaning that the land use tends to diversity and average； the regional relative ecological value continuous increasing， the situation of regional ecological health has become better.

Key words Shapotou Nature Reserve； Ecological green equivalent； Land use structure； Ecosystem health

生態系統健康指在時間上具有維持其空間結構與生態過程、自我調節與更新能力和對脅迫的恢復能力，并能保障生態系統服務功能的持續、良好供給[1]。隨著人們對生態環境的關注，生態系統健康的研究也越來越重視，眾多的學者圍繞生態系統開展研究。當前可將生態系統健康的研究分為3個階段：思想萌芽、學科形成、評價實踐[2]。生態系統健康研究在理論體系、評價指標等方面取得重要進展，但仍有不少的爭議，如生態系統的概念存在懷疑，沒有公認的生態系統健康標準，生態系統健康評價的應用尚存在問題[3]等。

土地資源是人類活動的載體，土地利用作為人類最基本的實踐活動[4-6]，可以通過土地利用結構變化評估生態系統變化[7]。如程琳等[8]利用我國上海等9個超大城市的各土地利用類型面積，研究我國超大城市土地利用的變化及區域生態系統服務特征；劉春雨[9]等以民樂縣為例，利用灰色預測法和平均增長率法，研究我國西北干旱區土地利用變化導致的生態服務價值變化；王成等[4]運用景觀生態學原理與方法，以重慶市沙壩區為例，研究土地利用變化對區域生態健康的影響；陸麗珍等[10]以舟山島17個鄉鎮為評價單元，構建“活力-組織結構-恢復力-生態系統服務”評價指標體系，并利用GIS和RS技術，研究1970～2005年土地利用格局對海島生態系統健康的影響。

荒漠自然保護區是指以荒漠生物和非生物環境共同形成的荒漠生態系統為主要保護對象的自然保護區，因其脆弱性、不穩定性，被列為我國陸地優先保護的生態系統之一。隨著社會經濟的發展，人類活動對荒漠自然保護區土地利用的干擾越來越大，生態負載不斷加重，影響生態系統的穩定和健康 [11]。沙坡頭自然保護區是我國北方干旱、半干旱地區第一個荒漠生態類型的自然保護區，因治沙成果顯著聞名世界。當前有關沙坡頭自然保護區研究眾多，如孫繼周等[12]基于沙坡頭自然保護區科學考察，研究該保護區植物群落的消長變化，最后提出可持續發展和保護的對策；劉遒發等[13]分別利用樣線法、鋏捕法，研究1986～1999年沙坡頭自然保護區動物資源種類和數量的變化；張迎梅等[14]系統地整理了沙坡頭自然保護區鳥類數量、種類等相關資料，并闡釋鳥類在維持沙漠生態系統平衡中的作用；來婷婷等[15]基于RS、GIS技術及Fragstats軟件系統，研究1990～2011年沙坡頭自然保護區的景觀變化。然而，目前系統評價沙坡頭自然保護區土地利用結構合理性及生態系統健康狀況的研究欠缺。筆者利用2005、2010和2013年沙坡頭自然保護區土地利用結構數據，應用生態綠當量、土地利用結構相關指數、生態系統健康指標體系，定量評價了該自然保護區土地利用的合理性和生態系統健康狀況，以期為該類型自然保護區土地資源合理利用與評價提供科學依據和政策支持。

1研究區概況

寧夏中衛沙坡頭國家級自然保護區地處寧夏回族自治區中衛市城區西部騰格里沙漠東南緣，地勢由西南部向東北傾斜，海拔高度1 300～1 500 m。屬溫帶大陸性氣候，年平均氣溫4.1 ℃，年均降水量約186.6 mm，年蒸發量約3 000 mm，是年平均降水量的16倍，干燥度2.4，風大沙多，常伴有沙塵暴[15]。

保護區總面積約140.44 km2，其中林地面積3 449 hm2，占24.56%；耕地面積1 391 hm2，占9.90%；水域面積1 130 hm2，占8.05%；建設用地面積447 hm2，占3.18%；園地面積196.19 hm2，占1.40%；草地面積77.67 hm2，占0.55%；其余為未利用土地。據統計，2011年保護區共有7 410人，人口密度約5.27人/km2[16]。

2研究方法

2.1數據來源

研究所用的土地利用數據主要來源于遙感解譯。其中，遙感影響數據的時間跨度為2005～2013年，共3個時間段，各時段的遙感數據分別為美國地質調查局（USGS）提供的軌道號（Path/Row）為130/34的2景Landsat5 TM（2005年4月5日、2010年9月10日）L1T級遙感影像及1景Landsat8 OLI（2013年7月16日）L1T級遙感影像，所選影像云量分別是0%、0%、18.83%。將土地利用數據掃描輸入計算機，進行投影處理，在ArcGIS環境下生成研究區矢量邊界圖層，并對3期遙感影像進行裁剪，得出2005、2010、2013年各土地利用類型面積。

2.2評價方法

2.2.1生態綠當量計算。

當前定量評價土地利用結構合理性的方法有多目標規劃方法結合灰色關聯技術[17]、基于熵權法改進傳統TOPSIS方法[18]、以模糊模式識別理論為基礎的模糊綜合評判法[19]等。因生態系統的健康、穩定與生態價值密切相關，主要研究土地利用類型與生態系統健康的關系，所以選擇基于土地利用生態服務價值的生態綠當量研究土地利用結構的合理性。

綠當量是其他綠色植被的綠量相對于等量森林面積綠量的比率，它是衡量單位面積森林和其他綠色植被生態環境功能強弱的量化值[20]。狹義上指補償某單位污染物所需要的綠量；廣義是指最低滿足全部綠地功能所需要的最大綠當量[21]。當前生態綠當量計算有兩種方法，一是劉艷芳等[20]提出的最佳森林覆蓋率，二是孫建衛等[22]提出的基于生態綠當量的林地覆蓋率。基于沙坡頭自然保護區的氣候、土壤等特征，采用孫建衛等提出的基于生態綠當量的林地覆蓋率計算綠當量，計算公式為：

x=x林+ni=1（Si×giS林×100%）

gi=FiF林×Gi

式中，x為區域總生態綠當量；x林為實際林地的生態綠當量，是區域實際森林面積與基于生態綠當量的林地面積的比值；S林為基于生態綠當量的林地面積，即除耕地、建設用地、水域和難以利用土地之外的總面積；Si為i類用地面積；gi為i類生態系統的平均綠當量；

Fi為第i類地表綠色覆被生態系統的服務總分值；F林為林地生態系統的生態服務總分值，參照日本學者通過調查法得出的生態系統各種環境保護功能進行評價[23]；Gi為區域內其他綠色植物的生長期系數，因研究區位于我國西北地區，所以生長期系數取0.46。

若x≥1，表明土地利用結構滿足生態要求，區域土地利用結構合理；若x<1，表明區域當前土地利用結構不足以滿足生態要求，需調整土地利用結構。

綠色容積率（GPR）是指一個地塊面積與所有植物的單面葉面積總和之比[21]，簡稱綠容率。基于綠當量，利用GPR可以進一步衡量綠地的立體綠化效果，反映生物生產力和生態服務功能大小。模型如下：

GPR=G總/S總

式中，G總為區域的總綠量，根據不同植被類型的綠色容積率得出（草地、花園或小灌木、農田作物、以喬木為主的高密度植物群落、濕地的綠色容積率分別為1、3、4、6、6）；S總為區域總面積。

2.2.2土地利用結構分析。

采用景觀生態學中有關結構數量分析的方法[24]，對研究區土地利用結構變化進行定量分析。

景觀多樣性指數的大小反映了景觀要素的多少和各景觀要素所占比例的變化[25]。

多樣性常通過吉布斯-馬丁多樣化指數（GM）和景觀類型多樣性指數（H）反映，具體計算公式為：

GM=1-nj=1X2ij/（nj=1Xij）2

Hi=-nj=1pijlnpij

式中，Xij為第i年第j種土地利用類型面積；pij為第i年第j種土地利用類型面積比例。

景觀類型多樣性指數反映在土地利用圖上是單位面積內信息量的大小，即地圖上信息容量的大小[26]。

土地利用集中性主要反映研究區內土地利用類型面積分布的集聚程度及主要土地利用類型對整個研究區的控制程度[27]，揭示研究區各類土地利用所處的區域優勢狀況[28]，常用優勢度指數、均勻度指數來測定。

優勢度指數（D）用于測定景觀多樣性對最大多樣性的偏離程度，或描述景觀由少數幾個主要景觀類型控制的程度[25]；均勻度指數（E）描述景觀中不同景觀類型的分配均勻程度[25]，計算公式分別為：

Di=Hmax+mj=1pijlnpij

Ei=Hi/Hmax×100%

Hmax=lnm

式中，Hmax為最大多樣性指數；m為給定區域景觀類型的數量；pij為第i年第j種土地利用類型面積比例；

Hi為景觀多樣性指數。

2.2.3生態系統的健康狀況判定。

如果該生態系統提供服務的價值量不隨時間的推移而減少，則通常認為該生態系統處于比較理想的健康狀態[29]。生態價值模型如下：

V=mi=1Pi×EVimf

式中，V是區域的生態價值；m是土地利用類型數量；Pi為第i類土地利用類型的面積占土地總面積的百分比；EVi為第i類土地利用類型的相對生態價值，以Costanza等[30]測算的全球不同生態系統類型服務價值的平均值間的比例關系為基礎，參照區域土地利用類型的相對生態價值和不同土地利用方式產生價值，確定不同土地利用類型的相對生態價值（EVi）：耕地0.31、林地1、園地0.975、水域0.623、建設用地0.015、草地0.352 6、未利用土地0.035；f為權數。

安徽農業科學2015年

3結果與分析

3.1生態綠當量由表1可知，2005～2013年沙坡頭自然保護區生態綠當量x≥1，達到合理綠地覆蓋率要求，保護區土地利用結構滿足生態發展要求。2010年比2005年的綠當量增加了11.18%；2013年比2005年的綠當量增加了910%，比2010年減少了190%。總體上看，2005～2013年綠當量呈不斷增加趨勢。原因是2010年林地、耕地、水面、園地的面積均大于2005年，特別是林地、耕地、水面三者綠當量之和比2005年增加了0154，雖草地面積減少135.95 hm2，但草地的綠當量只減少0023；2013年林地面積比2010年增加636.27 hm2，綠當量增加0.012，但耕地、水面面積減少，導致這兩者的綠當量減少，雖然園地面積比2010年增加了11.89 hm2，但合理綠地面積增加，最終也導致園地的綠當量減少。從保護區具有綠當量的土地利用類型來看，2005～2013年只有草地面積和對應的綠當量減少，林地、耕地、水面、園地面積和各對應的綠當量增加，所以研究期間總綠當量增加。這是因為沙坡頭自然保護區管理局積極致力于沙坡頭荒漠化治理，造林面積不斷擴大，林木覆蓋率逐漸增加，發展水面養殖，沙區治理面積逐年增加，土地荒漠化治理程度不斷提高，使沙坡頭自然保護區的生態環境得到一定程度的改善，促進保護區土地利用結構不斷優化。

沙坡頭自然保護區綠容率從2005年的1.308增至2013年的2.400，增長了83.49%，主要是因為保護區的總面積沒有變化，但未利用土地逐漸轉化為林地、耕地，此外水面面積不斷增加。綠容率數值較小，沒有超過3，表面上看保護區主要以草坪和小灌木為主，實際是因為保護區是以沒有綠色容積率的未利用土地為主。這說明雖然保護區未利用土地占主導地位，但保護區生物生產力和生態服務功能仍逐漸提升。

3.2土地利用結構

由圖1可知，表征沙坡頭自然保護區土地利用類型分配多樣性的多樣化指數（GM）、多樣性指數（H）以及表征土地利用結構均勻度的均勻度指數（E）均呈上升趨勢，分別從2005年的0.43、0.41、0.48升至2013年的065、0.57、0.68；而表征幾種最主要土地利用類型對沙坡頭自然保護區土地利用控制程度的優勢度指數（D）卻呈減少趨勢，從2005年的0.44降至2013年的0.27。說明自2005年以來沙坡頭自然保護區各土地利用類型的面積分配更趨于平均化和多樣化。這主要與沙坡頭自然保護區的經濟發展有關，經濟發展水平越高的地區，土地利用越均勻多樣；經濟水平越落后的地區，土地利用越集中。沙坡頭幾年來經濟發展水平不斷提高，尤其是沙坡頭旅游區知名度越來越高，景區面積不斷擴大，保護區的旅游收入不斷增加，所以土地利用結構不斷趨于多樣化和平均化。在區域土地利用結構合理的情況下，土地利用的多樣性指數越大，則生態系統越穩定[1，10]，根據生態綠當量的計算結果可知，沙坡頭自然保護區土地利用結構自2005年以來是合理的，所以2005年之后該荒漠生態系統越來越穩定。

3.3生態系統健康由表2可知，2005～2013年林地生態子系統的生態價值增加最大，其次是水面和耕地；未利用土地和草地的生態價值減少。主要因為沙坡頭自然保護區管理局近年來注重荒漠化防治，這期間大量開展生態基地、生態園林等生態建設。與此同時，注重開挖荒地合理擴大耕地面積，使未利用土地面積不斷減少，生態型用地不斷增加，區域的生態環境得到改善，生態價值越來越高。

2005～2010年生態價值增加最大的是林地，其次是耕地和水面；園地面積增加了79.3 hm2，建設用地增加64.42 hm2，增加面積相差不大，但園地的相對生態價值遠高于建設用地，所以園地的生態價值增加高于建設用地；未利用土地和草地的面積減少，所以導致其相對生態價值減少。2010～2013年生態價值變化最大的仍是林地，但耕地和未利用土地生態價值減少，草地生態價值沒有變化。環保試驗基地外擴增加了園地面積，所以園地的生態價值提高。同時保護區為進一步促進經濟發展，加強基礎設施建設，不斷擴大沙坡頭景區面積，使建設用地增加面積高于園地增加面積，但因相對生態價值較小，所以建設用地的生態價值增加低于園地。

從總體上看，沙坡頭自然保護區生態健康狀況為健康型。2005～2013年，區域生態價值不斷上升。2005～2010年區域生態價值年均增加26.01%，2010～2013區域生態價值年均增加率為24.71%，2005～2013年，區域生態價值年平均增加25.52%。這表明區域土地利用變化帶來較好的生態效益，土地利用整體生態效益持續提高，盡管草地面積不斷減少，但在土地利用過程中，充分考慮了土地利用的生態、社會、經濟效益，并沒有忽視生態建設，區域生態系統已由較健康型轉向健康型。

4結論

（1）利用生態綠當量，綜合考慮沙坡頭自然保護區具有生態服務的土地利用類型、面積、結構和質量等因素，發現2005～2013年沙坡頭自然保護區生態綠當量都超過1，說明土地利用結構滿足保護區生態發展要求。同時，綠容率不斷增加，表明保護區立體的綠化效果和生態服務功能不斷提升。

（2）通過多樣性和集中性描述沙坡頭自然保護區土地利用結構的動態變化程度，結果顯示2005～2013年保護區多樣性指數、多樣化指數、均勻度指數均增加，優勢度指數降低，說明沙坡頭自然保護區土地利用類型分配趨于多樣化和平均化，該荒漠生態系統的復雜性和穩定性有所增強。

（3）2013年沙坡頭自然保護區的生態價值為5.15，比2005年增加了2.04，其中林地的增加最大，水面和耕地次之。2005～2013年沙坡頭自然保護區土地利用生態價值總體上呈快速增長態勢。該保護區生態價值并沒有隨著時間的變化而減少，沙坡頭自然保護區荒漠生態系統已越來越健康。參考文獻

[1] RAPPORT D J.What constitutes ecosystem health？ [J].Perspectives in biology and medicine，1989，33：120-132.

[2]侯扶江，徐磊.生態系統健康的研究歷史與現狀[J].草業學報，2009，18（6）：210-216.

[3] 馬克明，孔紅梅，關文彬，等.生態系統健康評價：方法與方向[J].生態學報，2001，21（12）：2112-2113.

[4]王成，魏朝富，高明.土地利用結構變化對區域生態健康的影響：以重慶市沙坪壩區為例[J].應用生態學報，2005，16（12）：2296-2298.

[5] JANSEN L J M，GREGORIO A D.Parametric land cover and land use classifications as tools for environmental change detection [J].Agriculture ecosystems &environment，2002，91：89-100.

[6] SEMWAL R L，NAUTIYAL S，SEN K K，et al.Patterns and ecological implications of agricultural landuse changes：A case study from central Himalaya，India[J].Agricultural ecosystem & environment，2004，102：81-92.

[7] ONEIL R V，HUNSAKER C T，JONES K B，et al.Monitoring environmental quality at the landscape scale[J].Bop Science，1997，47（8）：513-519.

[8] 程琳，李鋒，鄧華鋒.中國超大城市土地利用狀況及其生態系統服務動態演變[J].生態學報，2011，31（20）：6194-6202.

[9] 劉春雨，董曉峰，劉英英.西北干旱區土地利用結構變化及生態服務價值的響應：以民樂縣為例[J].蘭州大學學報（自然科學版），2013，49（5）：675-687.

[10] 陸麗珍，詹遠增，葉艷妹，等.基于土地利用空間格局的區域生態系統健康評價：以舟山島為例[J].生態學報，2010，30（1）：245-251.

[11] 李鋒，王如松.城市綠地系統的生態服務功能評價、規劃與預測研究[J].生態學報，2003，23（9）：1930-1934.

[12] 孫繼周，吳洪斌，劉榮國，等.沙坡頭自然保護區植物群落的消長變化及可持續發展研究[J].西北植物學報，2003，23（4）：544-549.

[13] 劉遒發，黃族豪，吳洪斌，等.寧夏沙坡頭國家級自然保護區動物資源的消長[J].生物多樣性，2002，10（2）：156-162.

[14] 張迎梅，王香亭.寧夏沙坡頭自然保護區鳥類區系與沙漠治理[J].蘭州大學學報（自然科學版），1990，26（3）：88-98.

[15] 來婷婷，王乃昂，高翔，等.1990-2011年沙坡頭自然保護區景觀變化[J].干旱區地理，2014，37（1）：115-124.

[16] 華東師范大學河口海岸學國家重點實驗室，寧夏中衛沙坡頭國家級自然保護區管理局.氣候變化對寧夏沙坡頭國家級自然保護區生物多樣性影響評估與對策（一期）[R].寧夏中衛沙坡頭國家級自然保護區管理局，2014：22.

[17] 劉耀彬，劉衛東，譚術魁.城鄉土地利用結構合理性評判研究：以舟山市定海區為例[J].人文地理，2008（3）：46.

[18] 熊琛，李名勇.福建省土地利用結構合理性動態分析[J].亞熱帶水土保持，2010，22（3）：6-7.

[19] 武建軍，楊思全.基于模糊模式識別理論的土地利用合理性分析[J].地理科學進展，2002，21（3）：230.

[20] 劉艷芳，明冬萍，楊建宇.基于生態綠當量的土地利用結構優化[J].武漢大學學報（信息科學版），2002，27（5）：493-500.

[21] 趙丹，李鋒，王如松.基于生態綠當量的城市土地利用結構優化：以寧國市為例[J].生態學報，2011，31（20）：6243-6246.

[22] 孫建衛，黃賢金.基于生態綠當量的江蘇省土地利用現狀研究[M]//劉彥隨，胡寶清，楊子生.中國土地資源戰略與區域協調發展研究.北京：氣象出版社，2006：60-63.

[23] 毛文永.生態環境影響評價概論（修訂版）[M].北京：中國環境科學出版社，2007：67-69，123-124.

[24] 唐禮俊.佘山風景區景觀空間格局分析及其規劃初探[J].地理學報，1998，53（5）：429-437.

[25] 賈生元.生態影響評價理論與技術[M].北京：中國環境出版社，2013：124-125.

[26] 李杰.土地利用圖的評價方法[J].寧夏大學學報（自然科學版），1996，17（2）：65.

[27] 陳士銀，劉耀林，周飛.湛江市土地利用結構及生態服務價值研究[J].地理與地理信息科學，2007，23（3）：83-85.

[28] 周生路，黃勁松.東南沿海低山丘陵區土地利用結構的地域分異研究：以溫州市為例[J].土壤學報，2003，40（1）：38，43.

[29] RAPPORT D J，WHITEFORD W G.How ecosystems respond to stress：Common properties of arid and aquatic system[J].Biosicence，1989，49：193-203.

[30] COSTANZA R，DARGE R，DE GROOT R，et al.The value of the worlds ecosystem services and nature[J].Nature，1997，387：253-260.