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

生態(tài)系統(tǒng)健康評價是衡量生態(tài)系統(tǒng)破碎和穩(wěn)定程度的有效方法[2].由于生態(tài)系統(tǒng)自身的復雜性及其與自然、社會、經(jīng)濟系統(tǒng)的密切聯(lián)系,生態(tài)系統(tǒng)健康評價應該將定性判斷與定量評價有機結(jié)合,并綜合考慮研究區(qū)域的社會、經(jīng)濟、生態(tài)等諸多因素.近年來,許多學者對濕地、森林、城市、農(nóng)田、荒漠等不同類型的生態(tài)系統(tǒng),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(tài)、在大的范圍進行的生態(tài)系統(tǒng)健康評價方法和統(tǒng)一的標準[3].

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

1 研究區(qū)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(qū)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(nóng)牧交錯地帶,全縣轄4個鎮(zhèn),4個鄉(xiāng),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(qū),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(qū),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(fā)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(zhì)災害頻發(fā)、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(shù)農(nóng)田和全部草原的主要水源,歷史上境內(nèi)地下水和地表水也完全依靠降雨補給形成.鹽池縣經(jīng)濟結(jié)構以農(nóng)牧業(yè)為主,鹽池縣歷來是我國沙漠化危害最嚴重的地區(qū)之一[4].

2 研究方法與數(shù)據(jù)來源

2.1 DSFR模型

1996年,由聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展委員會(UNCSD)和聯(lián)合國政策協(xié)調(diào)與可持續(xù)發(fā)展部(DPCSD)以“驅(qū)動力-狀態(tài)-響應”(DFSR)模式初步構建了134個指標,其中經(jīng)濟指標23個、社會指標41個、環(huán)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(xù)發(fā)展的各項動態(tài)特征的有機體系[5].在 DFSR模型中,其組成包括:①驅(qū)動力.人類行為、過程和生活方式對可持續(xù)發(fā)展的影響;②狀態(tài).環(huán)境的質(zhì)量和自然資源的數(shù)量;③響應.在可持續(xù)發(fā)展方面政策或其他反應的改變.DFSR模型實際上從社會、經(jīng)濟、環(huán)境和制度方面反映了可持續(xù)發(fā)展的不同側(cè)面,為可持續(xù)發(fā)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(qū)動力—狀態(tài)—響應”(DFSR模型),緊緊圍繞生態(tài)系統(tǒng)功能和人類活動來綜合考慮區(qū)域的社會經(jīng)濟發(fā)展、土地利用方式及狀況、自然資源分布及利用等因素,從驅(qū)動力、狀態(tài)、響應這3個層次共選取20個單項指標作為生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標.由于各個指標數(shù)據(jù)性質(zhì)、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(shù)據(jù).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(tài)系統(tǒng)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(tài)系統(tǒng)彈性度是通過植被類型的變化來判斷生態(tài)系統(tǒng)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(tài)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(shù)目.

2.3 評價等級的確定

表2 生態(tài)系統(tǒng)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(tài)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(shù)據(jù)來源

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

其他數(shù)據(jù):鹽池縣統(tǒng)計年鑒;自然、社會經(jīng)濟方面的文字資料和圖件資料.

3 研究結(jié)果

3.1 鹽池縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)狀態(tài)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(qū)域的景觀指標,并獲取土地利用圖.根據(jù)各指標值計算并繪制鹽池縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)狀態(tài)指標分值分布圖(圖1)及狀態(tài)指標分布圖(圖2).

由圖2可知,麻黃山、高沙窩、大水坑、青山鄉(xiāng)、惠安堡生態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)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(tài)分值基本沒變且在各鄉(xiāng)鎮(zhèn)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(xiāng)鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)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(diào)查可知,麻黃山位于鹽池縣最南部,該地區(qū)離縣城較遠且交通不便,居民的經(jīng)濟收入較低,生態(tài)政策實施效果較差,因此麻黃山的狀態(tài)分值最低.花馬池、馮記溝、王樂井的狀態(tài)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(jīng)濟收入及文化程度較高,生態(tài)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(tài)分值發(fā)生較大變化.馮記溝和王樂井的居民經(jīng)濟收入及文化程度較高,生態(tài)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(tài)分值發(fā)生較大變化.

從垂直方向上分析圖1可知,生態(tài)系統(tǒng)健康的狀態(tài)為一級及二級(即狀態(tài)分值分別為不小于9和不小于7)的區(qū)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(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)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(tài)系統(tǒng)健康的狀態(tài)指標分值呈現(xiàn)明顯的南北差異,中北部鄉(xiāng)鎮(zhèn)的狀態(tài)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(qū),中北部為鄂爾多斯緩坡丘陵區(qū)且地勢開闊平緩.因此,南部地區(qū)的交通不便,農(nóng)民的收入來源較少,而中北部地區(qū)農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)條件和工業(yè)經(jīng)濟基礎較好,總體上中北部地區(qū)農(nóng)民的經(jīng)濟收入要高于南部.通過實地走訪及問卷調(diào)查,鹽池縣南部鄉(xiāng)鎮(zhèn)的教育水平總體上比北部鄉(xiāng)鎮(zhèn)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(huán)境有較大改善.因此,中北部的居民環(huán)保意識更為強烈,環(huán)境認知程度要高于南部.在生態(tài)保護政策的執(zhí)行力度和監(jiān)督方面,由于北部鄉(xiāng)鎮(zhèn)離縣城要近,生態(tài)保護政策的實施效果要好.綜合以上因素,南部的鄉(xiāng)鎮(zhèn)在多樣性、均勻度及生態(tài)彈性度方面比中北部的鄉(xiāng)鎮(zhèn)要低.

生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)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(xiāng)鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)指標的同時,應考慮鹽池縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)土地利用的變化.

由圖3可知,從時間序列上,鹽池縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)土地利用結(jié)構總體上呈農(nóng)牧交錯結(jié)構,但逐漸呈現(xiàn)均衡的趨勢;各鄉(xiāng)鎮(zhèn)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(xiāng)等南部黃土丘陵區(qū)和中部風沙干旱區(qū);草地占據(jù)該地區(qū)整個景觀格局的主導地位,有發(fā)展畜牧業(yè)的優(yōu)勢,但景觀異質(zhì)性較小,這樣不利于能量、信息、物質(zhì)的交流,影響了該地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)能力;鹽池縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)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(guī)模開展.

圖3 鹽池縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)土地利用變化Fig.3 The land use changes in Yanchi County

3.2 鹽池縣生態(tài)系統(tǒng)健康狀況分析

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

圖4 鹽池縣生態(tài)系統(tǒng)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(qū)重點林業(yè)生態(tài)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(huán)定揚黃工程”六大生態(tài)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(jié)果,鹽池縣生態(tài)建設日趨好轉(zhuǎn).但是,根據(jù)實地考察和問卷調(diào)查的結(jié)果,鹽池縣的生態(tài)系統(tǒng)健康仍然存在一些問題:

(1) 土地利用結(jié)構不合理.如圖3所示,鹽池縣土地利用結(jié)構總體上呈農(nóng)牧交錯結(jié)構,耕地主要集中分布在麻黃山、大水坑、惠安堡、青山鄉(xiāng)等南部黃土丘陵區(qū)和中部風沙干旱區(qū),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(fā)現(xiàn),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(fā)展沒有區(qū)域限制,使得整個土地利用在管理上遇到困難.

(2) 社會經(jīng)濟水平低.鹽池縣人均GDP較其他地區(qū)低,第三產(chǎn)業(yè)占GDP的比重為40%～50%,農(nóng)牧產(chǎn)值占農(nóng)林牧漁總產(chǎn)值的75%～87%,經(jīng)濟水平低,產(chǎn)業(yè)結(jié)構單一.同時,社會經(jīng)濟水平制約了人們的購買力,迫使人們開發(fā)利用現(xiàn)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(chǎn)權不明晰的情況下,農(nóng)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(tài)環(huán)境的惡化.

(3) 人口壓力.對生態(tài)環(huán)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(xiàn)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(huán)境的認識、對資源的開發(fā)利用、資源利用程度以及人類活動的環(huán)境后果.圖 5B是從217份調(diào)查問卷中統(tǒng)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(tài)環(huán)境保護政策的實施存在一些問題.生態(tài)環(huán)境保護政策往往是從生態(tài)的角度出發(fā),許多政策與農(nóng)戶的利益產(chǎn)生了矛盾.在問卷調(diào)查中發(fā)現(xiàn),由于完全禁牧政策的實施,部分農(nóng)戶的收益下降,農(nóng)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(zhí)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(diào)查中,很多農(nóng)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(tài)環(huán)境保護工作無法將政策的執(zhí)行和農(nóng)戶的配合統(tǒng)一,無法處理好生態(tài)環(huán)境和農(nóng)戶生計之間的矛盾,也只能是治標不治本,無法達到生態(tài)環(huán)境建設的預期目標.

3.3 鹽池縣生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)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(zhuǎn)變 結(jié)合當?shù)氐膶嶋H情況,發(fā)展滴灌、利用生物肥料提高土壤肥力等先進農(nóng)牧業(yè)技術,提高農(nóng)業(yè)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(xiàn)集約化經(jīng)營.要轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的單純依靠天然草場進行游牧的生產(chǎn)經(jīng)營方式,應根據(jù)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(yǎng)或半舍飼圈養(yǎng),同時對天然草場實行刈割和輪刈,為天然牧草創(chuàng)造休養(yǎng)生息的空間.

3.3.2 發(fā)展特色產(chǎn)業(yè),建立循環(huán)經(jīng)濟 首先,結(jié)合鹽池縣自然資源優(yōu)勢,引進適合鹽池縣的先進技術,發(fā)展特色生態(tài)農(nóng)牧業(yè),不僅有助于改善生態(tài)環(huán)境,又能調(diào)動農(nóng)民積極參與生態(tài)環(huán)境保護.其次是發(fā)展壯大行業(yè)龍頭企業(yè),建設規(guī)模化、規(guī)范化的園區(qū),拉長產(chǎn)業(yè)鏈,帶動其他服務行業(yè)的發(fā)展,構建良性循環(huán)的生產(chǎn)格局[11].

3.3.3 營造有利的人口環(huán)境 以人為本,以教育為基礎,培養(yǎng)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(xù)發(fā)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(tǒng) 政府的生態(tài)保護政策應該在一定的彈性尺度內(nèi),將政策的執(zhí)行和農(nóng)戶的配合統(tǒng)一起來,實現(xiàn)人民生活水平逐步提高,生態(tài)環(huán)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(tǒng),把資源開發(fā)利用、保護治理與資產(chǎn)增值有機結(jié)合起來,形成持續(xù)平衡健康的生態(tài)系統(tǒng).

4 結(jié)論

4.1 采用“驅(qū)動力-狀態(tài)-響應”DFSR模型,從驅(qū)動力、狀態(tài)、響應 3個目標層,人口、資源、經(jīng)濟、氣候、活力、組織結(jié)構、恢復力、自然-生態(tài)、社會-經(jīng)濟九個準則層,選取具有代表性的因子,構建了鹽池縣生態(tài)系統(tǒng)健康評價的指標體系.結(jié)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(xiāng)鎮(zhèn)的生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的變化,2000年、2002年、2002～2008年,生態(tài)系統(tǒng)健康驅(qū)動力分值、狀態(tài)分值、響應分值及綜合分值逐年增加,表明鹽池縣生態(tài)系統(tǒng)健康狀況呈上升趨勢;2009年生態(tài)系統(tǒng)健康驅(qū)動力分值和狀態(tài)分值均增加,但響應分值減少,生態(tài)系統(tǒng)健康的綜合分值基本沒有改變,表明生態(tài)系統(tǒng)和健康狀況呈現(xiàn)穩(wěn)定的狀態(tài).

4.3 結(jié)合實地考察和問卷調(diào)查的結(jié)果分析了鹽池縣生態(tài)系統(tǒng)健康方面存在的問題,并為鹽池縣生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展提供了對策與措施.

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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(shù)字地球科學中心和國際科學數(shù)據(jù)服務平臺,在此表示感謝.