基于DFSR模型的北方农牧交错区生态系统健康评价——以宁夏盐池县为例

张秀娟,周立华 (中国科学院寒区旱区环境与工程研究所,沙漠与沙漠化重点实验室,甘肃 兰州 730000)

北方农牧交错区是连接中国东部半湿润农耕区与西部半干旱草原牧区的过渡带,属于一个相对独立的自然—社会—经济的复合生态系统.它是中国少数民族的聚居区和北方主要江河的发源地,滋润着中下游广阔的农田和土地,同时也是遏止荒漠化和沙化向中国东中部地区移动的重要的生态屏障,其可持续发展在中国社会经济发展以及环境保护等方面具有十分重要的战略地位[1].但是由于受全球气候变化和区域沙漠化的影响,该区生态环境明显恶化,气候灾害增加,加之该区域土地资源质量差,在人为因素的剧烈扰动下,生态环境越来越脆弱.为有效地恢复和保护北方农牧交错区的生态环境,对其进行生态系统健康评价研究.

生态系统健康评价是衡量生态系统破碎和稳定程度的有效方法[2].由于生态系统自身的复杂性及其与自然、社会、经济系统的密切联系,生态系统健康评价应该将定性判断与定量评价有机结合,并综合考虑研究区域的社会、经济、生态等诸多因素.近年来,许多学者对湿地、森林、城市、农田、荒漠等不同类型的生态系统,采用指示物种法和指标体系法进行了多方面的研究,然而,由于许多因素很难准确定量,很难有一种囊括所有形态、在大的范围进行的生态系统健康评价方法和统一的标准[3].

本文以宁夏盐池县为研究区域,基于“驱动力-状态-响应”(DFSR)模型建立评价指标,采用GIS和RS技术辅佐北方农牧交错区生态系统健康评价,在理论与方法上将具有一定优越性.通过对典型的北方农牧交错区生态系统健康状况的分析,以期为盐池县环境保护决策的制定提供一定的科学依据,也可为其他农牧交错区的生态环境的评价和保护提供参考.

1 研究区域概况

盐池县(37°04′～38°10′N,106°30′～107°47′E)位于宁夏回族自治区东部,地处毛乌素沙漠的南缘,属于黄土丘陵向鄂尔多斯台地的过渡地带,是我国典型的北方农牧交错地带,全县辖4个镇,4个乡,101个行政村和675个自然村.盐池县地势南高北低,南部海拔1600～1800m,为黄土丘陵沟壑区,约占全县总面积的20%;中北部海拔1400～1600m,地势开阔平缓,为鄂尔多斯缓坡丘陵区,约占全县总面积的80%.盐池县属典型的温带大陆性季风气候,四季少雨多风,年平均降雨量296.4～355mm,年蒸发量 2095～2179.8mm,降雨主要集中在 7～9月,占全年总量的62%,形成了春夏冬季“十年九旱”、秋季山洪和地质灾害频发、冬春季扬沙和浮尘天气多的恶劣气候条件.盐池县自然降水是盐池县大多数农田和全部草原的主要水源,历史上境内地下水和地表水也完全依靠降雨补给形成.盐池县经济结构以农牧业为主,盐池县历来是我国沙漠化危害最严重的地区之一[4].

2 研究方法与数据来源

2.1 DSFR模型

1996年,由联合国可持续发展委员会(UNCSD)和联合国政策协调与可持续发展部(DPCSD)以“驱动力-状态-响应”(DFSR)模式初步构建了134个指标,其中经济指标23个、社会指标41个、环境指标55个、制度指标15个,涉及了公平、健康、教育、住房、安全、人口等 6类社会问题,形成了一个反映可持续发展的各项动态特征的有机体系[5].在 DFSR模型中,其组成包括:①驱动力.人类行为、过程和生活方式对可持续发展的影响;②状态.环境的质量和自然资源的数量;③响应.在可持续发展方面政策或其他反应的改变.DFSR模型实际上从社会、经济、环境和制度方面反映了可持续发展的不同侧面,为可持续发展评价提供了广泛接受的指标体系框架.

2.2 指标体系及权重的确定

采用“驱动力—状态—响应”(DFSR模型),紧紧围绕生态系统功能和人类活动来综合考虑区域的社会经济发展、土地利用方式及状况、自然资源分布及利用等因素,从驱动力、状态、响应这3个层次共选取20个单项指标作为生态系统健康评价指标.由于各个指标数据性质、量纲不同,各指标之间没有可比性,因此,通过极差标准化处理形成无量纲的数据.然后在 SPSS中对其进行层次聚类分析,按照从小到大的顺序分别为每类单项指标赋值1、3、5、7、9.

采用层次分析法对目标层进行指标权重分配;指标层权重利用主成分分析法对单个指标进行权重分配.

表1 生态系统健康评价指标体系及各指标权重Table 1 Index system of the ecosystem health evaluation and their weights

生态系统弹性度是通过植被类型的变化来判断生态系统的弹性力范围,或者可变化的余地大小.计算公式如下:

式中:ECO为生态弹性度;Si为土地类型i所占的比例;iP为土地类型i的弹性分值;m为土地类型的数目.

2.3 评价等级的确定

表2 生态系统健康状况的分级Table2 the gradations of ecosystem health state

2.4 评价单元的确定

以往生态健康评价的案例,其单元主要有基于面状的矢量和点状的栅格 2种.本文考虑到资源来源和研究目标,采用基于面状的矢量作为评价单元,即以行政单元(县)为计算单元.

2.5 数据来源

遥感数据:2000年与2002年的Landsat-7 ETM影像数据、2006～2009年的Landsat-5 TM影像数据(编号129-34,分辨率30m×30m).

其他数据:盐池县统计年鉴;自然、社会经济方面的文字资料和图件资料.

3 研究结果

3.1 盐池县各乡镇状态指标分析

采用 ENVI对已校正过的遥感影像的各单波段进行融合,将融合后的影像在Arcgis中进行目视解译、空间分析等,提取目标区域的景观指标,并获取土地利用图.根据各指标值计算并绘制盐池县各乡镇状态指标分值分布图(图1)及状态指标分布图(图2).

由图2可知,麻黄山、高沙窝、大水坑、青山乡、惠安堡生态系统的状态指标分值在各年份中的变动相对较小,尤其是麻黄山的状态分值基本没变且在各乡镇中最低.而冯记沟、王乐井、花马池的分值在各年份中的变动较大.

图1 盐池县各乡镇生态系统健康状态指标分值分布Fig.1 Values of ecosystem health state index of all towns in Yanchi County

通过实地走访及问卷调查可知,麻黄山位于盐池县最南部,该地区离县城较远且交通不便,居民的经济收入较低,生态政策实施效果较差,因此麻黄山的状态分值最低.花马池、冯记沟、王乐井的状态分值变化较大,尤其是花马池.由于县城位于花马池,居民的经济收入及文化程度较高,生态政策实施效果较好,例如2000年的退耕还林政策,2002年的禁牧政策.因此,花马池的状态分值发生较大变化.冯记沟和王乐井的居民经济收入及文化程度较高,生态政策实施的初期效果较好,而后政府的引导力度不够,政策实施效果较差.因此,王乐井和冯记沟的状态分值发生较大变化.

从垂直方向上分析图1可知,生态系统健康的状态为一级及二级(即状态分值分别为不小于9和不小于7)的区域,2000年分别有0个和3个;2002年分别有1个和2个;2006年分别有0个和2个;2007年分别有0个和2个;2008年分别有1个和1个;2009年分别有0个和2个.

图2 盐池县生态系统健康状态指标分布Fig.2 Distribution map of ecosystem health state index in Yanchi County

由图2可知,盐池县生态系统健康的状态指标分值呈现明显的南北差异,中北部乡镇的状态指标分值要高于南部.

盐池县地势南高北低,南部为黄土丘陵沟壑区,中北部为鄂尔多斯缓坡丘陵区且地势开阔平缓.因此,南部地区的交通不便,农民的收入来源较少,而中北部地区农牧业生产条件和工业经济基础较好,总体上中北部地区农民的经济收入要高于南部.通过实地走访及问卷调查,盐池县南部乡镇的教育水平总体上比北部乡镇要低.由于超载过牧和过度开垦,中北部的土地退化曾较为严重,风沙活动较为频繁,近几年施行了围栏禁牧、退耕还林还草政策,沙漠化明显减轻,自然环境有较大改善.因此,中北部的居民环保意识更为强烈,环境认知程度要高于南部.在生态保护政策的执行力度和监督方面,由于北部乡镇离县城要近,生态保护政策的实施效果要好.综合以上因素,南部的乡镇在多样性、均匀度及生态弹性度方面比中北部的乡镇要低.

生态系统状态指标也是对土地利用变化景观格局的反映,因此,在分析盐池县各乡镇生态系统状态指标的同时,应考虑盐池县各乡镇土地利用的变化.

由图3可知,从时间序列上,盐池县各乡镇土地利用结构总体上呈农牧交错结构,但逐渐呈现均衡的趋势;各乡镇的耕地面积存在较大差异,主要集中分布在麻黄山、大水坑、惠安堡、青山乡等南部黄土丘陵区和中部风沙干旱区;草地占据该地区整个景观格局的主导地位,有发展畜牧业的优势,但景观异质性较小,这样不利于能量、信息、物质的交流,影响了该地区生态系统的自我调节能力;盐池县各乡镇的林地面积大体上呈增加趋势,主要是由于退耕还林工程、扬黄工程及其他防沙治沙工程的大规模开展.

图3 盐池县各乡镇土地利用变化Fig.3 The land use changes in Yanchi County

3.2 盐池县生态系统健康状况分析

由图4可知,2000年、2002年、2006～2008年,生态系统健康驱动力分值、状态分值、响应分值及综合分值逐年增加,表明盐池县生态系统健康状况呈上升趋势;2009年生态系统健康驱动力分值和状态分值均增加,但响应分值减少,生态系统健康的综合分值基本上没有改变,表明生态系统的健康状况呈现稳定的状态.

图4 盐池县生态系统健康各指标分值及综合分值分布Fig.4 Values of all ecosystem health index of Yanchi County

2000年以来,盐池县围绕国家和自治区重点林业生态工程,实施了“退耕还林还草工程”、“天然林保护工程”、“三北防护林四期工程”、“日援治沙工程”、“天然草原保护与建设工程”和“盐环定扬黄工程”六大生态工程,进行了因地制宜、分类指导的沙漠化土地综合治理[6],如图 4的评价结果,盐池县生态建设日趋好转.但是,根据实地考察和问卷调查的结果,盐池县的生态系统健康仍然存在一些问题:

(1) 土地利用结构不合理.如图3所示,盐池县土地利用结构总体上呈农牧交错结构,耕地主要集中分布在麻黄山、大水坑、惠安堡、青山乡等南部黄土丘陵区和中部风沙干旱区,草地面积最大,林地面积与耕地、草地相比较少.通过遥感影像目视解译及实地考察发现,耕地基本上为旱地,且部分耕地较分散,与草地交错分布.这样不仅耕种不方便,而且严重影响草地的放牧利用,更重要的是耕地的发展没有区域限制,使得整个土地利用在管理上遇到困难.

(2) 社会经济水平低.盐池县人均GDP较其他地区低,第三产业占GDP的比重为40%～50%,农牧产值占农林牧渔总产值的75%～87%,经济水平低,产业结构单一.同时,社会经济水平制约了人们的购买力,迫使人们开发利用现有资源,在遵循个人利益最大化的原则下选择适宜自己的生计对策[7].例如,在草地产权不明晰的情况下,农户盲目扩大耕地、滥采、滥樵、过度放牧等,严重破坏了地表植被,加剧了生态环境的恶化.

(3) 人口压力.对生态环境保护不利因素首先是人口压力,并且这一因素近期难以改变.如图5A 所示,盐池县人口增长率约为10%,虽然在前期两者有较大幅度的波动,但总体上仍呈现均衡且略微降低的趋势.教育水平的高低,影响着人们对其生存的环境的认识、对资源的开发利用、资源利用程度以及人类活动的环境后果.图 5B是从217份调查问卷中统计出的教育水平分布图.由图5可知,盐池县的教育文化水平偏低,多为初中及以下的文化程度.

图5 盐池县人口及教育水平分布Fig.5 Distribution of population and education level in Yanchi County

(4) 生态环境保护政策的实施存在一些问题.生态环境保护政策往往是从生态的角度出发,许多政策与农户的利益产生了矛盾.在问卷调查中发现,由于完全禁牧政策的实施,部分农户的收益下降,农户选择夜间偷牧,草地依旧在一定程度上遭到破坏.部分地方官员为躲避政府检查而作假,使得政策在执行和检查上存在困难.此外,政府的政策引导力度也不够.在实地调查中,很多农户反映,由于完全禁牧,牧草未能得到合理利用,而且完全不允许在草场放牧也不利于牧草自身的生长.总之,生态环境保护工作无法将政策的执行和农户的配合统一,无法处理好生态环境和农户生计之间的矛盾,也只能是治标不治本,无法达到生态环境建设的预期目标.

3.3 盐池县生态系统可持续发展的对策与措施

3.3.1 土地资源利用方式从粗放型向集约型转变 结合当地的实际情况,发展滴灌、利用生物肥料提高土壤肥力等先进农牧业技术,提高农业技术人员的配比和技术水平,建立科学的耕作和畜牧耦合模式,实现集约化经营.要转变传统的单纯依靠天然草场进行游牧的生产经营方式,应根据地形、牧草生长情况及水源条件等因素,建立轮牧、休闲、培育制度[6,8-10].实施舍饲圈养或半舍饲圈养,同时对天然草场实行刈割和轮刈,为天然牧草创造休养生息的空间.

3.3.2 发展特色产业,建立循环经济 首先,结合盐池县自然资源优势,引进适合盐池县的先进技术,发展特色生态农牧业,不仅有助于改善生态环境,又能调动农民积极参与生态环境保护.其次是发展壮大行业龙头企业,建设规模化、规范化的园区,拉长产业链,带动其他服务行业的发展,构建良性循环的生产格局[11].

3.3.3 营造有利的人口环境 以人为本,以教育为基础,培养和引进全方位的科学技术人才,促进人力资本的积累,为可持续发展提供动力.

3.3.4 制定合理的保护政策,建立有效的检测管理系统 政府的生态保护政策应该在一定的弹性尺度内,将政策的执行和农户的配合统一起来,实现人民生活水平逐步提高,生态环境日益改善的双赢局面[12].逐步建立科学有效的检测管理系统,把资源开发利用、保护治理与资产增值有机结合起来,形成持续平衡健康的生态系统.

4 结论

4.1 采用“驱动力-状态-响应”DFSR模型,从驱动力、状态、响应 3个目标层,人口、资源、经济、气候、活力、组织结构、恢复力、自然-生态、社会-经济九个准则层,选取具有代表性的因子,构建了盐池县生态系统健康评价的指标体系.结合GIS和RS技术计算各个单因子.

4.2 从时间序列上分析了盐池县各乡镇的生态系统健康状况的变化,2000年、2002年、2002～2008年,生态系统健康驱动力分值、状态分值、响应分值及综合分值逐年增加,表明盐池县生态系统健康状况呈上升趋势;2009年生态系统健康驱动力分值和状态分值均增加,但响应分值减少,生态系统健康的综合分值基本没有改变,表明生态系统和健康状况呈现稳定的状态.

4.3 结合实地考察和问卷调查的结果分析了盐池县生态系统健康方面存在的问题,并为盐池县生态系统的可持续发展提供了对策与措施.

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致谢：本研究所用的遥感图像来自中国科学院对地观测与数字地球科学中心和国际科学数据服务平台,在此表示感谢.