近35年科爾沁沙地生態系統健康診斷研究——以巴林右旗為例

張 寧, 田美榮， 高吉喜, 錢金平

(1.河北師范大學 資源與環境科學學院, 石家莊 050024; 2.環境保護部南京環境科學研究所, 南京 210042)

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近35年科爾沁沙地生態系統健康診斷研究
——以巴林右旗為例

張 寧1,2, 田美榮2， 高吉喜2, 錢金平1

(1.河北師范大學 資源與環境科學學院, 石家莊 050024; 2.環境保護部南京環境科學研究所, 南京 210042)

干旱區沙地生態系統健康狀況不僅決定其所提供生態服務大小，也決定著區域生態安全等級。因此，開展生態系統健康診斷，對摸清生態系統本底值，進而提高生態修復效率具有重要意義。以科爾沁沙地源頭巴林右旗為研究對象，運用PSR模型構建生態系統健康診斷指標體系，將熵權法與綜合評價法有機結合，確定了研究區生態系統健康指標權重和綜合健康狀況，并對研究區生態系統健康進行了分級診斷。結果顯示：所選指標中圍封草場面積的覆蓋率熵權值Wj=0.0655為最大值，表明圍封草場面積是影響沙地生態系統健康的最主要指標。還發現近35 a中有32 a科爾沁沙地處于生態系統亞健康狀態，1982年、2009年、2010年處于不健康狀態。這主要在于生態系統健康和狀態指標呈正相關，人類活動可以輔助生態系統健康狀態的恢復，同時，過度干擾生態系統的結構狀態將影響生態系統的健康狀況。

科爾沁沙地; 生態系統健康; 熵權法

科爾沁沙地位于我國北方農牧交錯帶的中東部，是我國四大沙地中面積最大的沙地，其自然環境具有典型的過渡性和脆弱性特點[1]。改革開放以來，長期以墾殖和放牧為主的粗放式經營[2]，致使科爾沁沙地流動、半固定沙丘移動較快，沙地面積不斷擴大，僅1985—1992年沙化草地面積就擴大了41.4%[3]。為治理土地沙化，2000年以來我國在科爾沁沙地先后啟動了“天然林保護工程”、“退耕還林還草工程”、“京津冀治沙防沙工程”，沙化面積雖有所減緩，但生態系統健康仍面臨威脅。為了更好的保護科爾沁草原，有效治理科爾沁沙地，首先必須摸清其生態系統健康狀況，才能“對癥下藥”對其進行生態修復。本文以科爾沁沙地的風源地巴林右旗為例，對沙地生態系統健康進行診斷，意義在于明確巴林右旗沙地系統生態健康狀況，為提高生態修復效率提供數據支撐，為提升沙地生態系統監控和環境管理水平提供科學基礎，使科爾沁沙地能為人類的生存和發展提供多種服務功能[4-5]。

生態系統健康診斷評價主要有三種方法：指示物種法、指示區域法、指標體系法。指示物種法主要是通過檢測生態系統中指示物種受到環境影響時的反映[6]，該方法在水生生態系統中應用較多。孔紅梅等[7]總結出了水生生態系統和森林生態系統的常用指示物種，如：浮游生物、低棲無脊椎動物等。指示區域法是采用一些關鍵的敏感區域作為生態系統健康的指示器，David Schindller提出建議將湖泊作為評價生態系統健康的“警報器”[8]。指標體系法主要是將所需的指標根據不同的分類標準分成不同的類別，典型的方法有Costanza提出的VOR[9]、聯合國OECD和UNEP提出的PSR(Pressure-State-Response)方法[10]，王雪[11]等基于PSR模型以豐都縣為例對其區域土地生態安全進行了評價，羅遵蘭等[12]運用該模型對松花江流域濕地生態系統健康進行了評價，胡秀芳[13]等設計了草原生態安全評價的PSR的概念模型。

指標體系法中PSR模型具有較好的操作性，被學者廣泛采用。主要因為PSR模型中壓力、狀態和響應指標之間沒有明確的界線，模型框架邏輯性強，因果關系清晰，三個指標相互制約、相互影響、并強調結合具體的實際情況，應用起來較為靈活[14]。因此，本文也采用PSR模型構建生態系統健康診斷指標體系。在模型診斷中，指標的權重系數確定非常重要，熵權法作為客觀綜合定權法，注重多項評價指標間的聯系，通過度量指標所提供的有效信息量來確定其權重[15-16]，具有完備性、客觀性和可操作性。本文為使指標權重更加客觀合理，將熵權法與綜合評價法有機結合，對研究區進行生態系統健康診斷，明確生態系統的健康狀況與級別，為生態系統的保護與發展提供一定的依據。

1　研究區概況

巴林右旗位于內蒙古赤峰市北部，西拉沐淪河北岸，大興安嶺南段山地。地理坐標為東經118°12′09″—120°01′42″,北緯43°12′55″—44°27′52″，總面積10 256 km2。在其南部傾斜沖擊平原區，廣泛分布著流動、半流動和固定沙丘，構成沙丘與丘間地相間排列的地貌組合。其沙地面積占全旗面積的34%，占到科爾沁沙地總面積的6.5%，是科爾沁防風固沙功能區的重要組成部分[17]。該旗屬于溫帶半干旱大陸性季風氣候，年日照時效為3 000～3 200 h，平均氣溫為4.9℃。年平均降水量為358 mm且相對變率大達22%，年蒸發量為2 103 mm，相當于降水量的6倍，濕潤度多年平均值為0.35。全年風沙日數達70 d左右，干旱，多風沙是該地的主要氣候特點。

2　研究方法

2.1PSR模型

本文應用PSR(Pressure-State-Response)模型作為科爾沁沙地典型區生態系統健康診斷指標體系的基本框架(圖1)。在PSR模型中，生態系統健康可由壓力—狀態—響應三個不同但相互聯系的指標類型來表達：壓力指標反映人類活動對生態系統造成的負荷；狀態指標表征自然資源、生態系統的狀況；響應指標表征人類面對生態系統健康問題作出的反映。沙地生態系統健康診斷的指標框架有非常清晰的因果關系，即人類活動對生態系統施加一定的壓力，生態系統狀態發生相應的變化，而人類針對生態系統發生的變化作出反映，以期維持生態系統健康的狀態。

圖1　沙地生態系統壓力—狀態—響應模型

2.2評價指標體系的構建

根據以上表述和PSR模型的評價思路，構建了4個層次的指標體系，切實反映科爾沁沙地生態系統健康狀況(圖2)。第1個層次是目標層：即科爾沁沙地典型區生態系統健康診斷；第2個層次是準則層：即壓力、狀態、響應3個準則層；第3個層次是要素層：即每個評價準則層具體由哪些要素來表征；第4個層次是指標層：整理所需的指標層數據來源于1977—1996年巴林右旗統計資料、1994—2013年巴林右旗統計年鑒、巴林右旗輝煌的五十年、1989—2013年內蒙古統計年鑒。

運用定量評價對沙地生態系統健康進行診斷，所選用的具體指標要能夠表征生態系統的自然、社會和經濟狀況。其指標數據來源如下：

圖2　沙地生態系統診斷指標體系

(1) 壓力指標。主要是指人類活動，經濟發展給環境帶來的壓力和影響。與自然的沙地生態系統相比，巴林右旗位于科爾沁沙地的風沙源地，屬于農牧交錯帶，生態環境脆弱，抗干擾能力差，區域內的人類活動往往對生態系統健康產生強烈而長期的影響。指標選擇有人口密度表征人口增長的壓力、人均GDP表征經濟發展的壓力、第二產業占GDP的比例表征經濟增長的質量、土地墾殖系數、載畜量、化肥施用強度等分別表征農業，牧業發展在發展過程中對生態系統造成的壓力。從人口、經濟、農業、牧業較為全面的來表征沙地生態系統所受到的壓力。

(2) 狀態指標。主要描述生態系統自然環境和系統內部結構的狀態，體現環境要素的變化和采取環境政策的結果。指標選擇生態系統的自然要素、結構狀態及服務功能，其中自然要素包括年降水量、八級以上風速、全年日照時數；結構狀態包括林業及牧業，用于表征其結構的實時和實際的狀態，包括圍封草場面積覆蓋率、年造林面積覆蓋率等；服務功能反映生態系統為人類生存和發展所提供的物質基礎，包括羊毛絨年增長率、人均肉類擁有量、單位面積糧食和大豆產量、人均牛奶擁有產量等。其狀態指標的實際意義在于，在自然要素的前提下，人為對生態系統的結構狀態進行干擾，而相應的得到系統服務功能的回饋。

(3) 響應指標。主要反映了社會或個人受到生態系統服務功能影響，以及為了預防、減少、停止或恢復生態系統的不健康狀態和不利于人類生存、發展的環境狀況所采取的措施。主要是從文化教育水平，體現人口素質對生態系統健康程度的影響；生活水平和民生健康，體現生態系統的服務功能對社會和個人發展的反饋。

2.3綜合健康指數法

為了能用定量的方法對沙地生態系統健康狀態進行評價與診斷，需建立一個綜合健康指數(Comprehensive Health Index,CHI)。其閾值范圍為0～1，0值表征健康狀態最差，1值表征健康狀態最好。為了更清晰的表述生態系統的健康狀態，對綜合健康指數值進行健康狀態的分級[18]，可分為5級：很健康、健康、亞健康、不健康、病態。綜合健康指數模型公式如下：

(1)

式中：n為評價指標的個數；wi為指標i的權重值；bij為指標i的歸一化值。

2.4熵權法賦權指標權重法

由于指標體系中指標層的類型復雜，各指標系數間的量綱不統一，指標權重的確定尤為重要。熵權法為客觀賦權法，反映信息無序化程度，可以度量信息量的大小，在沙地典型生態區健康評價和診斷中，某一指標反映的信息越多，表明該指標所在評價中起到的作用越大，得到的熵值越小，反之熵值亦大[15]，因此，運用熵權法對指標反映的信息進行度量，其各評價指標的權重值，最終由評價指標構成的判斷矩陣來確定。熵權法賦權步驟如下：

(1) 構建評價指標的判斷矩陣：

R=(rij)m×n

(2)

式中：rij為第j個評價對象在第i個評價指標上的統計值；n為評價指標；m為評價對象，其中(i=1,2,3，…，n;j=1,2,3，…，m)。

(2) 利用極差標準化方法對構成的判斷矩陣進行歸一化處理，其中評價指標中，有些指標與生態系統健康狀態成正相關，即值越大越滿意，如：圍封草場面積覆蓋率指標；有些指標與生態系統健康成負相關，即值越小越滿意，如：土地墾殖系數。計算公式如下：

越大越滿意的指標：

(3)

越小越滿意的指標：

(4)

式中：rmax為同一指標不同評價對象中最滿意者，則rmin為最不滿意者；式(4)中：rmax為同一指標不同評價對象中最不滿意者，則rmin為最滿意者。

(3) 計算各評價指標的熵為：

(i=1,2,3，…，n;j=1,2,3，…，m)

(5)

(6)

(4) 各評價指標的熵權為:

(7)

2.5綜合健康指數及分級

沙地CHI的值為0～1，用連續的實數表示其等級標準，及值為1時為最好，值為0時為最差[18]。(1) 0～0.2，表征PSR模型中壓力過大，狀態紊亂，響應過小，整個生態系統已失去其正常的功能；(2) 0.2～0.4，表征模型中壓力較小，人類活動開始對生態系統的狀態進行調節；(3) 0.4～0.6，表征生態系統仍承受一定的壓力，但狀態良好，響應及時；(4) 0.6～0.8，表征整個生態系統壓力—狀態—響應趨于合理，進入持續發展的階段；(5) 0.8～1.0表征生態系統極其穩固。

表1　沙地生態系統健康指數分級標準

3　結果與分析

(1) 權重。利用極差方法對評價指標的原始判斷矩陣進行歸一化處理，然后根據熵權法賦權計算得到熵值Hj。Hj是沙地生態系統中所選指標無序程度的一個度量值，其值越小，所提供的信息就越大，而其Wj權重值就越大。在壓力指標中，如：人口密度的Hj值最小為0.993 7，表示人口密度在沙地生態系統健康診斷中影響最大，人口密度越大，Hj值越小，Wj值越大，使得沙地生態系統趨向不健康狀態。表2為結果顯示：生態壓力指標中，人口密度Wj值所占比重最大，為0.050 6，其次為土地墾殖系數0.043 0，載畜量0.041 1，第二產業占GDP的比重0.040 0，表明人口的發展以及對生態系統能源的消耗對生態系統健康造成的壓力最大。狀態指標中，圍封草場面積覆蓋率、人均牛奶擁有產量、人均肉類擁有量所占的比重較大，其Wj值依次為0.065 5，0.059 8，0.051 3，反映人類生產活動對生態健康狀況的影響起主要作用。尤其是圍封草場面積的大小，圍封草場面積越大越利于沙地生態系統趨向健康狀態發展。響應指標中，人口素質0.030 2，教育水平0.050 0，所占比重較大，說明其對沙地生態系統健康的保護與恢復影響最大。人口素質和受教育水平直接影響著對沙地生態系統的保護意識程度。

Hj值的大小代表該指標在該問題中，提供有效信息量的多寡程度。其Wj值則表征該指標對沙地生態系統健康的影響程度，值越大對生態系統健康的影響程度越大。對沙地生態系統健康影響較大的指標為圍封草場面積、人均牛奶擁有量、人均肉類擁有量、單位面積青貯飼料青貯數、人口密度等指標，其在總指標體系中的Wj權重分別為0.065 5，0.059 8，0.051 3，0.050 8與0.050 6，表明以上指標為影響巴林右旗1977—2013年沙地生態系統健康的主要指標。圍封草場面積的增加，抑制土地沙化，減少沙化程度，促進沙地生態系統的健康恢復。人均牛奶擁有量、人均肉類擁有量等Wj值較大，表明對沙地生態系統的能量流、物質流索取較多，導致生態系統內部結構失衡，趨向不健康狀態。

(2) 健康診斷。根據綜合健康指數計算得出各準則層和目標層的綜合得分情況，并依照生態系統健康指數分級標準進行分級，得出1978—2013年，改革開放以來近35 a中有32 a科爾沁沙地處于生態系統亞健康狀態，1982年、2009年、2010年處于不健康狀態。1982年沙地生態系統處于不健康狀態。原因是1982年狀態綜合得分較低。對該年狀態綜合得分影響較大的指標為圍封草場面積覆蓋率、經濟林面積占年造林面積比例。該年圍封草場面積87 356 hm2，接近35 a來最低值，經濟林面積較1981年增加了619.9 hm2，不僅未能抑制和減少沙化面積，并且經濟林面積的擴大使得沙地生態系統的服務功能壓力過大，致使1982年沙地生態系統處于不健康狀態；2009年出現不健康狀態主要原因為2009年響應指標中的農民人均純收入偏低，農民人均純收入增長率僅1.1%；未能為沙地生態系統的恢復提供一定的經濟基礎，降低了個人、家庭以及社會對沙地生態恢復的動力和積極性。2010年也出現不健康的狀態，除受到2009年的影響外，2010年的狀態綜合得分也較低，該年造林面積5 694 hm2，僅用材林面積就占到53.5%，致使沙地生態系統的結構功能狀態嚴重失衡。

表2　各指標權重值

依據沙地生態系統構建的指標體系，由圖3可以直觀、連續地反映35 a來其健康狀況的發展趨勢，由模型綜合得分和CHI趨勢線顯示，有兩個明顯的波谷，即為沙地生態系統健康狀況下滑，致使1982年、2009年和2010年出現不健康的狀態。而近幾年呈現迅速上升趨勢，其原因在于近幾年巴林右旗進行防風固沙的治理，加大對流動、半流動沙丘的固化，使得生態系統健康狀況顯著好轉。

壓力、狀態和響應的變化趨勢并不是同步的，壓力和響應的變化趨勢具有一定的相似性，壓力逐年呈現下降的趨勢；響應總體趨勢有所下降但變化相對平穩；狀態則一直呈現上升趨勢。隨著經濟社會的發展，人口發展壓力與經濟發展壓力在不斷增大，1978年人口密度為13.72 km2/人，至2013年增加到19.01 km2/人；2013年的GDP與1978年相比增加了67.75倍；第二產業占GDP的比例由1978年的9.3%到2013年上升至56.6%，與此同時，2000年以來巴林右旗實施了退耕還林、禁牧等措施。使得載畜量、化肥施用強度、農藥使用強度逐年降低，促使生態環境壓力相對減輕，因此至2000年以來，生態環境壓力減輕量抵消了人口發展壓力、經濟發展壓力的增加量，使得壓力綜合得分降低，整體壓力相對減輕。

利用SPSS軟件，對狀態得分和模型綜合得分進行散點圖和相關關系分析，得出皮爾遜相關系數0.741，sig 值為0.000，回歸系數為1.107，表明狀態得分與模型的綜合得分呈正相關的關系，狀態的變化對沙地生態系統的健康起主導作用。自然狀態、結構狀態以及服務狀態是影響沙地生態系統健康的重要指標。良好的自然狀態，相對合理的結構狀態和平衡的服務狀態才能使得沙地生態系統可持續健康的發展。

圖3　壓力、狀態、響應變化趨勢及擬合曲線

4　結 論

(1) 沙地生態系統健康評價與診斷是沙地生態治理的前提，目前對沙地生態系統健康的診斷仍然較少。本文以生態系統健康的理論為基礎，以PSR為評價思路，構建沙地生態系統健康與診斷評價體系模型，運用熵權法賦權進行定量分析。診斷結果顯示研究區近35 a的健康狀況雖有波動，但變化不大，其中32 a處在亞健康狀態，1982年、2009年、2010年處于不健康狀態。如期望沙地生態系統逐漸朝向健康的趨勢發展，必須要合理的處理好人類活動與生態系統的關系，調整好生態系統的結構狀態和服務功能。否則恢復科爾沁沙地生態系統健康狀態較為困難，在短時間內難以實現。

(2) 由于國內外還沒有統一的沙地生態系統健康診斷的指標體系與標準，本文依據巴林右旗的實際情況，參考其他研究者對該方法的應用，對科爾沁沙地生態系統健康狀態進行了診斷，其診斷結果雖可判斷科爾沁沙地生態系統健康的變化情況，但由于缺少地面植被調查，針對具體年份診斷結果精度需進一步提高。下一步研究中將加強野外實地調查，生態系統健康指標增加退化種、優勢種等各項指標，使生態系統健康診斷結果更加符合實際。因此，隨著診斷指標體系的不斷改進和完善，沙地的自然演變、人類對沙地生態系統健康期望值的改變及對其科學認知的加深，科爾沁沙地生態系統健康診斷也會更加準確[19]。

(3) 為促使沙地生態系統的恢復，實現生態系統的健康發展，提出一些行之有效的途徑：以自然恢復為主[20]，但仍需人工輔助；在保護原有植被基礎上，對土地進行規劃管理，實施人工封育，科學的進行人工或機械播種固沙抗旱植物；實施牧場承包到戶，責任到人，產權穩定，對于公共牧場制定一系列較為完善的“禁牧、輪牧、休牧”的管理辦法；對局部沙化嚴重區，實施生態移民，將人畜立即遷出，使人沙矛盾得到緩解[21]；以養殖業為基礎，發展提供產品、創新特色、優質加工、擴大銷路的一體化經濟發展模式，提高農牧民的經濟

水平，改善以破壞環境求得發展的落后模式。

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Studies on Diagnosis of Ecosystem Health Nearly 35 Years in Horqin Sandy land—A Case Study in Balinyouqi

ZHANG Ning1,2, TIAN Meirong2, GAO Jixi2, QIAN Jinping1

(1.CollegeofResourcesandEnvironmentalScience,HebeiNormalUniversity,Shijiazhuang050024,China; 2.NanjingInstituteofEnvironmentalScience,MinistryofEnvironmentalProtection,Nanjing210042,China)

The health condition of arid sandy ecosystem determines not only the size of the ecological services they provide, but also the level of regional ecological security. Therefore, carrying out ecosystem health diagnosis is of great importance to the background value of ecosystem and to the increase of ecological restoration efficiency. We took Balinyouqi of Horqin Sandy Land as research site, used PSR model to construct the index system of ecosystem health diagnosis, and determine the ecosystem health index and overall health condition of the study area with the combination of entropy method and comprehensive evaluation method. And we also diagnosed the ecosystem health of the study area at different levels. The results show that the coverage rate of the enclosed grassland area in the selected index reaches to a maximum (0.065 5), indicating that the area of enclosed pasture is the main indicator influencing the health of sandy ecosystem. It also finds that in the recent 35 years, the ecological system of Horqin Sandy Land has been in the sub-healthy state for 32 years and was in unhealthy state in 1982, 2009 and 2010, which results from that the ecosystem health and state indexes are positively correlated. Human activities can assist the recovery of ecosystem health while excessive interference of ecosystem structure will affect the ecosystem health.

Horqin Sandy Land; ecosystem health; entropy weight method

2015-06-23

2015-07-23

國家環境保護公益性行業科研專項項目“重要生態功能區退化生態系統生態修復模式研究與應用”(201409055);中央級公益性科研院所基本科研業務專項“基于生態保護紅線的生態廊道構建技術研究”

張寧(1989—),女,河北邢臺人,碩士研究生,主要從事區域生態與恢復等方面的研究。E-mail:zhangning1989zhxy@126.com

田美榮(1981—),女,內蒙古鄂爾多斯人,副研究員,博士,主要從事區域生態與恢復等方面的研究工作。E-mail:tianmeirong007@163.com

X171.1

A

1005-3409(2016)04-0206-06