南方丘陵區(qū)農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)適應能力及其驅動因子
——以衡陽盆地為例

周松秀，田亞平，劉蘭芳

衡陽師范學院資源環(huán)境與旅游管理系, 衡陽 421002

南方丘陵區(qū)農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)適應能力及其驅動因子
——以衡陽盆地為例

周松秀*，田亞平，劉蘭芳

衡陽師范學院資源環(huán)境與旅游管理系, 衡陽 421002

全球變化背景下的適應性研究引起了廣泛關注。南方丘陵區(qū)是典型的水稻農業(yè)區(qū)，研究其農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)適應性尤為重要。采用主成分分析法對衡陽盆地農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)適應能力進行了定量研究，分析不同適應能力區(qū)的適應性主要驅動因子。結果表明：適應能力的分布規(guī)律為衡陽市區(qū)最高，各縣域適應能力呈現出盆地中部低、四周高的分布規(guī)律。不同適應能力區(qū)適應性驅動因子各異，高適應能力區(qū)主要驅動因子是經濟條件，水熱配合條件和灌溉設施是較高適應能力區(qū)的主要驅動因子，低適應能力區(qū)的主要驅動因子是人口規(guī)模和水土保持，熱量和地形條件是極低適應能力區(qū)的主要驅動因子。高適應能力區(qū)因以農藥和化肥的施用量為主要驅動因子具有短暫性，較高適應能力區(qū)以良好的水熱配合條件和灌溉設施作為驅動因子具有可持續(xù)性，因而較高適應能力區(qū)的發(fā)展?jié)摿Τ^高適應能力區(qū)。

農業(yè)生態(tài)系統(tǒng); 適應能力; 驅動因子; 主成分分析; 衡陽盆地

適應性研究是全球變化背景下現代生態(tài)學研究的熱點問題[1]，并逐漸成為全球變化與區(qū)域響應研究的焦點[2]。地理學界認為適應性是為響應某種壓力或驅動作用而采取或經歷的一種偏離原來狀態(tài)的行為[3-4]，是人們努力減少全球變化的不利影響，同時合理利用現存環(huán)境的調整過程[5]，適應能力是適應性研究的重點[6]，即社會-生態(tài)系統(tǒng)對敏感和風險的消化程度和對既定的人類社會經濟行為的饋贈能力。盡管生態(tài)系統(tǒng)過程遵循Tilman的資源競爭平衡理論，但是生態(tài)系統(tǒng)對環(huán)境變化的適應性因區(qū)域尺度不同適應性方式和機制各異[7]。不同地域的較小尺度區(qū)域典型生態(tài)系統(tǒng)的適應性研究成果是客觀表達較大尺度區(qū)域適應性的實踐和基礎。目前對中小區(qū)域尺度的適應性案例分析已逐漸引起我國學者的廣泛關注，王龍昌等[8]根據調查資料和田間試驗結果，系統(tǒng)地分析了旱地不同作物生長發(fā)育與降水分布的時序關系、旱地作物水分潛在利用率和旱地主要作物水分供需平衡與錯位特征，并利用水分生態(tài)適應性數學模型，對寧南黃土丘陵區(qū)主要作物的水分生態(tài)適應性進行了定量評價。陳鳳臻[9]等建立了適合北方農牧交錯地帶特點的區(qū)域適應能力評價模型，并對模型的構建思想、參數意義和評價指標的具體計算進行了探討。何云玲等[10]構建了縱向嶺谷區(qū)生態(tài)環(huán)境對氣候變化適應性的綜合評價模型，并根據評價結果對縱向嶺谷區(qū)生態(tài)環(huán)境適應性的空間分布特點進行了綜合分析。仇方道[11]對東北地區(qū)礦業(yè)城市產業(yè)生態(tài)系統(tǒng)適應性進行了研究。這些典型的中小區(qū)域尺度生態(tài)系統(tǒng)的適應性研究成果是該領域研究的典范。概括來看，自然生態(tài)系統(tǒng)和人-環(huán)境耦合系統(tǒng)的適應性研究個案和研究成果尚少，所涉及的地域有限。區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)適應能力研究是區(qū)域研究的新課題。

南方丘陵區(qū)是我國典型的稻作農業(yè)區(qū)和重要的糧食產區(qū)，也是我國脆弱生態(tài)環(huán)境區(qū)之一，屬于中度脆弱區(qū)。目前南方丘陵區(qū)的生態(tài)環(huán)境脆弱性已經取得了不少研究成果[12-13]，脆弱性評價能較好地顯示區(qū)域所面臨的敏感和風險程度，亦即人類調整社會經濟行為的迫切程度。但是如何調整社會經濟行為，提升適應能力，必須進行適應性研究。結合國家的生態(tài)保護、恢復和生態(tài)建設與科技發(fā)展方向，全球變化的生態(tài)系統(tǒng)適應能力和適應機制是我國生態(tài)系統(tǒng)研究中的重大科學問題[14]。筆者嘗試以衡陽盆地為例，對南方丘陵區(qū)農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的適應能力進行定量評價，并分析適應性驅動因子，進而揭示全球變化的區(qū)域生態(tài)響應與適應過程和驅動機制，以便為區(qū)域農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)適應性管理決策提供科學依據。

1 研究區(qū)概況

衡陽盆地位于南方丘陵區(qū)的江南丘陵，是典型的紅色丘陵盆地。本文選擇衡陽盆地為例研究南方丘陵區(qū)農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)適應性，具有代表性[2,13]。衡陽盆地位于北緯26°07′05″—27°28′24″，東經111°32′16″—113°16′32″之間，總面積為15310 km2。其范圍包括衡陽市、衡陽縣、衡南縣、衡東縣、衡山縣、祁東縣、耒陽市和常寧市。地貌類型以崗地、丘陵為主，氣候為大陸性特征較為明顯的亞熱帶濕潤季風氣候[2,13]，水域總面積為6.49 萬hm2，湘江及其支流為各縣市提供較充沛的淡水資源。耕地面積為30.15 萬hm2，占境內土地面積的19.7%。衡陽盆地作為“魚米之鄉(xiāng)”，農業(yè)是國民經濟的基礎和重要組成部分，2009年農業(yè)占全市國民生產總值9.7%(衡陽統(tǒng)計年鑒2010)，以水稻種植為主，輔以小麥、玉米、高粱和豆類等糧食作物及花生、油菜等經濟作物。由于研究區(qū)水旱災害頻發(fā)，水土流失嚴重，農業(yè)生產比較效益低，農民種田的積極性不高。

2 農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)適應能力評價指標體系的構建

2.1 農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)適應性的內涵

根據政府間氣候變化專業(yè)委員會(IPCC，Intergovernmental Panel on Climate Change)給出的適應性的定義和地理學界對適應性的理解，筆者認為農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)適應性可表述為因全球變化導致水熱狀況、水土保持等農業(yè)生態(tài)環(huán)境發(fā)生改變，農業(yè)生產在經歷這些改變時所體現的保持農產品產量、質量及農業(yè)經濟持續(xù)發(fā)展的性能。其內涵包括以下三方面：(1)當全球變化引起的水熱狀況和土被覆蓋等農業(yè)生態(tài)環(huán)境表現為有利于農業(yè)生產發(fā)展時，農作物利用這些優(yōu)越自然環(huán)境和自然資源提高農產品的數量和質量；或者當大氣組成成分和氣候水熱狀況的不利變化在作物生長能調節(jié)的閾值范圍內時，作物通過調節(jié)葉片氣孔導度、抗旱應急蛋白、土壤灌木菌根體和保護性酶的活性等[15]方式進行自適應調節(jié)，使農業(yè)生產和農業(yè)經濟能健康持續(xù)發(fā)展，并保持農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)結構和功能的穩(wěn)定性。這兩種情況屬于農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的自發(fā)適應。(2)當全球變化引起水旱災害頻發(fā)、水土流失加劇和病蟲害蔓延等農業(yè)生態(tài)環(huán)境惡化并超過農作物的自適應調節(jié)閾值時，為了不喪失生存空間和生存能力而進行社會經濟行為的調整，農業(yè)活動采取一系列調控措施，促進農業(yè)生產的發(fā)展，是農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的人為適應。(3)農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的自發(fā)適應和人為適應均為動態(tài)的相對適應，常用適應能力進行度量。影響適應能力的因素包括自發(fā)適應所依賴的自然環(huán)境因素和人為適應需具備的社會經濟因素。

2.2 農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)適應能力評價指標的選取

全球變化背景下，提高農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的適應性和彈性是農業(yè)生態(tài)學研究面臨的重要挑戰(zhàn)。農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)適應能力是自發(fā)適應能力和人為適應能力相互作用、相互影響而表現出的維持系統(tǒng)穩(wěn)定和彈性的能力，自發(fā)適應能力主要由農作物的種類和農業(yè)自然環(huán)境狀況決定，人為適應能力則主要因社會經濟因素而異。當自然環(huán)境因素和社會經濟因素有利于農業(yè)生產和農業(yè)經濟發(fā)展時，農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性和較強的恢復力，適應能力較強；反之，適應能力較弱。實際上，農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的自然環(huán)境要素和社會經濟指標匹配情況比較復雜，對于某個區(qū)域尺度的某個時段，某些因子的量的增加會使系統(tǒng)具有較好的適應性，本文稱這類指標為正向指標；另一部分因子則使系統(tǒng)的適應能力降低，本文則稱之為負向指標。對于農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)而言，農業(yè)基礎設施、人均耕地面積，排澇能力，灌溉條件、森林面積比例，人均水資源等，都是最重要的指標。因此，本文在構建評價指標體系時，綜合考慮上述因素，并將其歸納為自然環(huán)境因素、社會因素和經濟因素三個大類，以客觀表達農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的適應能力。

2.2.1 自然環(huán)境因素

衡陽盆地農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的自然環(huán)境因素包括氣候、地形地貌、土地覆被、土壤等方面。對農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)適應能力影響較大的首先是氣候因素。研究區(qū)屬于典型的稻作農業(yè)區(qū)，其水熱狀況總體較豐富，年降水量豐富，氣候溫暖，熱量充足，有利于稻作區(qū)的農業(yè)發(fā)展。但水稻種植業(yè)不僅要求水熱豐富，更需要雨熱同期。實際上，衡陽盆地水旱災害頻繁，春季陰冷易爛種，4—6月降水集中多暴雨易澇，7—9月受伏旱天氣影響常有季節(jié)性干旱，寒露風易造成空殼、癟粒導致晚稻減產等，都會降低農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的適應能力。因此，本文在評價指標的選擇時必需考慮區(qū)域背景下的影響適應能力的宏觀指標，如平均降水量、平均氣溫、∑T≥10 ℃積溫等，均屬于正向指標，作為氣候因素的宏觀指標，以客觀表達其適應性的本底條件和潛在能力。另外，評價指標還應考慮研究區(qū)典型的個性化指標，以識別各評價單位對各類暴露和敏感的響應程度，表達各評價單元的適應能力的區(qū)分度，因此選擇暴雨日數、4—6月降水比重、7—9月干旱指數等區(qū)域個性化指標，且均屬負向指標，作為適應能力評價的另一部分氣候方面指標。地形地貌及土地覆被也是影響其適應能力的重要因素，本文選擇坡度>15°面積占總面積比重作為地形地貌的評價指標，因為坡度>15°的土地不利于發(fā)展種植業(yè)，屬于負向指標。土地覆被方面選擇森林覆蓋率作為評價指標，因為森林能夠調節(jié)氣候、涵養(yǎng)水源、保持水土，屬于正向指標。土壤是影響適應能力的又一重要自然環(huán)境因素。研究區(qū)的地帶性土壤紅壤和黃壤等適合稻作農業(yè)的發(fā)展，非地帶性土壤的紫色土不易綠化、容易造成水土流失，是造成研究區(qū)水土流失嚴重和強烈影響農業(yè)生態(tài)環(huán)境的因素，對適應能力具有較強的制約作用，因此本文選擇紫色土面積作為評價指標。

2.2.2 社會因素

研究區(qū)農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的社會因素包括水利設施、耕作制度和耕種方式等方面，且均對農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)適應能力影響較大。水利設施選擇水庫水塘密度作為評價指標，因為這是能否滿足灌溉需要和蓄洪濟旱的標志，且水稻種植業(yè)對灌溉水源的依耐性大。耕作制度和耕種方式是影響適應能力的主要社會因素，體現對現有氣候資源、水資源和土地資源的利用程度和趨利避害狀況。衡陽盆地土壤侵蝕嚴重，因人口密度大、人均耕地較少，耕地壓力大，目前緩解壓力的主要措施是開墾坡耕地，坡耕地農業(yè)生產穩(wěn)定性差，保肥保水性能差，常以施用大量的化肥補充肥力，農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)風險大。人均耕地相對較多的區(qū)域所面臨的此類風險較小。因而把人均耕地面積作為正向指標。衡陽盆地屬于大陸性特征較顯著的亞熱帶濕潤季風氣候，河谷平原、丘陵盆地交錯。受地形地貌與傳統(tǒng)的農耕習慣的影響，且水田比旱地的比較效益高，因此坡耕地也常以水田的梯田形式存在，水田的面積占比大。本區(qū)氣候屬于亞熱帶季風氣候，水熱總量豐富，且水熱總量足夠讓水田農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性，但是其氣候的大陸性特征導致水旱災害頻發(fā)，4—6月降水量大且多暴雨，梯田的水土流失嚴重；7—10月為衡陽盆地的旱災高發(fā)期，夏秋干旱對以水稻種植為主的水田農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的風險大。因此本文把水田占耕地面積比重視為負向指標。由于農業(yè)的比較收益較低導致本該一年兩熟或三熟的稻田僅種植一季水稻呈半撂荒狀態(tài)。因此本文以15—25°的坡耕地面積、水田占耕地面積比重、人口密度等負向指標，以及人均耕地面積、晚稻播種面積占稻谷播種面積比重等正向指標作為社會因素的評價指標。

2.2.3 經濟因素

經濟因素既是適應能力的驅動因素，也是適應能力的結果表征指標。經濟因素主要包括農民的經濟收入、生活水平和生產資料的投入等。農村的生活水平越高，農民越富裕，農業(yè)生產的投入越合理，農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的適應能力越高。農業(yè)生產資料投入中如過量施用農藥化肥等，短暫的經濟效益會有所提高，但是土壤肥力退化、水資源惡化、農業(yè)病蟲害蔓延等導致農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)適應能力減弱。稻谷單產指標既是適應能力的驅動因素，也是結果表征指標。稻谷單產受品種、耕作栽培和排灌等農業(yè)科技的影響，農業(yè)科技投入越多，排灌設施越健全，稻谷單產越高，農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的適應能力越強。另一方面，稻谷單產又是農業(yè)科技因素、社會因素和自然因素(光、溫、水、氣、肥)等綜合影響的結果體現，故可視為結果表征指標，具有驅動和結果表征的雙重作用。因此，作者選擇農村農戶固定資產投資、農民人均純收入、農用塑料薄膜使用量、稻谷單產[16]等正向指標，以及農民恩格爾系數、農用化肥施用量、農藥使用量等負向指標作為經濟因素方面的評價指標。本文構建的農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)適應能力評價指標體系如表1所示。

2.3 評價單元的選擇

本研究以衡陽盆地的衡陽市區(qū)及衡陽市轄的7個縣域為評價對象，衡陽市區(qū)(市郊區(qū))的農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)與各縣域類型和性質有較大差異，但是為了研究區(qū)域的完整性，衡陽市區(qū)也列為研究單元之一?？h域是我國具備地域性、綜合性和行政獨立性的最基本區(qū)域單元[17]，也是我國目前統(tǒng)計資料中經常采用的單元[13]。并且每個縣域具有較一致的農業(yè)自然條件和社會經濟及農耕文化背景。譬如衡南縣位于盆地中部，耕地中水田占九成以上，化肥施用量大，晚稻播種率高，農業(yè)旱災嚴重；常寧市位于盆地南緣，坡耕地面積小，晚稻播種率低，農業(yè)旱災較輕。

表1 農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)適應能力評價指標體系Table 1 Twenty-two evaluation indexes of agricultural ecosystem adaptability

* 衡陽市農業(yè)區(qū)劃報告數據集,衡陽市農業(yè)局，1986; 衡陽市統(tǒng)計年鑒數據資料查找方式為直接讀取或通過簡單計算獲得，均為2000—2009年的統(tǒng)計年鑒平均值; 表中第6列權重值由文中第3部分的計算獲得

3 農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)適應能力定量評價

農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)是社會-生態(tài)復合系統(tǒng)，其自發(fā)適應能力和人為適應能力互相滲透、互相影響，通過耦合形成農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的適應能力，而不是二者的簡單相加。因此，文章不分別計算其自發(fā)適應能力和人為適應能力，而是綜合考慮各因素對適應能力的貢獻和影響，建立適應能力評價模型。

3.1 數據標準化

在這22項指標中，X1、X5、X6、X9、X12、X13、X15、X16、X17、X20和X22等11項為正向指標，其數值越大，適應能力越高；其余11項為逆向指標，其數值越小，適應能力越高。數據處理時，先計算逆向指標的倒數，將其正向化[13]，使所有數值方向一致。由于各評價指標數據的屬性和量綱各異，需進行數據同趨化處理和無量綱化處理。本研究針對同一時間不同評價單元進行比較，由于多數自然環(huán)境指標數據只存在一個適宜范圍，因而采用標準差標準化對數據標準化處理。計算公式為[13]:

(1)

3.2 指標權重的確定

評價指標體系中各指標因子信息存在一些相關性，為了消除信息疊加的影響，本文選擇主成分分析法進行評價。主成分分析能夠客觀地確定評價指標的權重，從而避免主觀隨意性。計算步驟如下：(1)利用Matlab7.0先把樣本數據標準化，然后計算相關系數矩陣、特征根、主成分貢獻率、累計貢獻率[13]及主成分載荷矩陣(表2—3)。(2)主成分解釋。根據主成分提取原則(即特征根大于1，累計貢獻率大于85%)[18]，確定主成分個數為4個，用Z1、Z2、Z3和Z4表示。分析每個主成分占累計貢獻率的比重，即得出各主成分的權重。(3)計算各評價指標的權重。在計算各主成分權重的基礎上，根據主成分載荷矩陣中每個評價指標的載荷值，計算出各評價指標的權重(表1)。具體計算步驟見參考文獻[13]。

表2 特征根及主成分貢獻率Table 2 The eigenvalues and the contribution rate of principal component

表3 主成分載荷值Table 3 Loadings matrix in principal component

3.3 農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)適應能力指數計算

適應能力大小用適應能力指數ACI表示，計算公式為[10]：

(2)

在農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)適應能力指數計算結果的基礎上，參照文獻[19]的劃分原則，將衡陽盆地農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的適應能力劃分為4類：即0.30≤ACI<0.50為高適應能力區(qū)，0.10≤ACI<0.30為較高適應能力區(qū)，-0.10≤ACI<0.10為低適應能力區(qū)，-0.30≤ACI<-0.10為極低適應能力區(qū)，計算結果和分類情況見表4。

表4 各區(qū)域農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)適應能力指數及級別Table 4 Adaptability degree of the eight evaluated areas

表4中的衡陽縣、衡南縣和祁東縣的適應能力指數為負數，表示相對于研究區(qū)農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)適應能力平均狀況而言，其適應能力偏低[20]。適應能力指數越大，表示適應性越強。從表4可知，衡陽盆地農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)適應能力衡陽市區(qū)最高，其值為0.4584；衡南縣最低，為-0.2982。研究區(qū)農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)適應能力具有明顯的空間分異(圖1)。(1)衡陽盆地農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)適應能力整體狀況較高，以適應能力指數大于0的區(qū)域為主體。(2)盆地中衡陽市區(qū)適應能力最高，為高適應能力區(qū)；南部的常寧市和耒陽市適應能力次之，為較高適應能力區(qū)；東北部的衡山縣和衡東縣為低適應能力區(qū)，但其適應能力指數仍都大于0。(3)盆地中部(除衡陽市區(qū)外)和西部為極低適應能力區(qū)，中部的衡南縣最低。(4)衡陽盆地適應能力分布規(guī)律為衡陽市區(qū)適應能力最高，各縣域的適應能力表現為盆地南部縣域適應能力較高，東北部次之，中部和西部最低。

圖1 農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)適應能力分布Fig.1 The distribution of agricultural ecosystem adaptability

4 農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)適應性驅動因子分析

主成分載荷系數絕對值大小代表變量載荷信息的大小，正號表示變量與主成分作用方向一致，負號表示變量與主成分作用方向相反。因此，可以用載荷系數絕對值相對較大的指標代表該主成分。通過分析主成分載荷矩陣(表3)，找出影響農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)適應性的主要因子，識別出各主成分的綜合意義，分析農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)適應性主要驅動因子。

4.1 研究區(qū)農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)適應性的四大驅動力

衡陽盆地農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)適應性驅動力主要有4個方面:(1)農業(yè)投入和增長方式是衡陽盆地農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)適應性的首要驅動力。第1主成分Z1在X13、X14、X15、X19、X21和X22等6個指標上載荷值較大，這4個指標分別表示人均耕地面積、人口密度、晚稻播種面積占稻谷播種面積比重、農用化肥施用量、農藥施用量和稻谷單產，可解釋為農業(yè)投入和增長方式。Z1的特征值為10.3734，貢獻率為47.15%，居4個主成分之首，是首要驅動力。(2)第2主成分Z2與X2、X4、X6和X9的相關程度較高，這4個指標分別表示暴雨日數、7—9月干旱指數、∑T≥10 ℃積溫和森林覆蓋率。第2主成分可解釋為水熱配合狀況及水土保持條件，因而水熱配合狀況及水土保持條件是研究區(qū)農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)適應性的第2驅動力。(3)平均降水量、4—6月降水比重和水庫水塘密度等3個指標共同構成第3主成分Z3，第3主成分可解釋為水資源條件，即水資源條件是研究區(qū)農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)適應性的第3驅動力。(4)第4主成分Z4在坡度>15°面積占總面積比重這個指標上有較大的載荷，地形條件是第4大驅動力。

4.2 高適應能力區(qū)，經濟條件是農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)適應性的主要驅動因子

主成分數值空間化到每個研究區(qū)域[9]，計算區(qū)域驅動力得分值(表5)，從而確定區(qū)域適應性的主要驅動力因子。

高適應能力區(qū)主要包括衡陽市區(qū)，適應能力指數為0.4584，為研究區(qū)最大值。從表5可知，第1驅動力D1中的農用化肥施用量、農藥施用量和稻谷單產的驅動力得分值分別為0.190329、0.19806和0.199682，遠大于衡陽盆地中的其他各個縣域，是農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)適應性的主要驅動因子。第2驅動力D2中的∑T≥10 ℃積溫的驅動力得分值為0.0648117，第4驅動力中的坡度>15°面積占總面積比重的驅動力得分值為0.06742792，均為研究區(qū)的最大值，是該區(qū)農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)適應性的次要驅動因子。衡陽市屬于省轄市，是研究區(qū)的經濟、政治和文化中心，社會經濟發(fā)達。2009年，衡陽市轄區(qū)農民人均純收入6937 元，高于各縣域平均水平(6321.7 元)，為衡陽盆地最高值；市轄區(qū)農民恩格爾系數為39.5%，為研究區(qū)的最低值，各縣域平均為50.62%，根據聯合國的劃分標準，市轄區(qū)已達到相對富裕水平，而各縣域處于溫飽狀態(tài)。市轄區(qū)稻谷單產達9633kg/hm2，其他各縣域稻谷單產均在6300kg/hm2以下*數據來源于衡陽市2010年統(tǒng)計年鑒。此外，衡陽市區(qū)位于盆地中部，地形較平坦，盆地的“聚熱效應”使種植業(yè)所需的熱量條件和地形條件較優(yōu)越?？梢?，發(fā)達的經濟條件是本區(qū)的主要驅動因子，優(yōu)越的熱量和地形條件是其次要驅動因子。

表5 主成分驅動力及其主要驅動因子得分值Table 5 The driving score of the main driving factors

以農用化肥施用量和農藥施用量作為主要驅動因子的衡陽市區(qū)，盡管目前的適應能力為本區(qū)最高，但農藥化肥在提高單產的同時，環(huán)境污染不容忽視，不僅會在土壤中殘留，而且通過農業(yè)水利設施和地表徑流造成水體污染，對環(huán)境造成危害，屬于不可持續(xù)農業(yè)發(fā)展方式。另外衡陽市區(qū)(市郊區(qū))跟其他各縣域的農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)有著本質區(qū)別，是以生產蔬菜和副食品為主的農業(yè)，而各縣域農業(yè)則屬于典型的稻作農業(yè)。但是本研究為了研究區(qū)域的完整性把衡陽市區(qū)納入其中。衡陽市區(qū)的郊區(qū)農業(yè)今后應增加科技投入，控制污染，走可持續(xù)發(fā)展之路。

4.3 較高適應能力區(qū)，水熱配合條件和灌溉設施是農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)適應性的主要驅動因子

較高適應能力區(qū)包括常寧市和耒陽市等2個縣級市，適應能力指數分別為0.1539和0.1340。從表5可知，常寧市和耒陽市的第2驅動力D2中的7—9月干旱指數得分值分別為0.0935001和0.0227717，居研究區(qū)第1位和第2位；第3驅動力D3中的4—6月降水比重的得分值和水庫水塘密度的驅動力得分值也均為研究區(qū)的前2位。可見水熱配合條件和灌溉設施是其主要驅動因子。常寧市和耒陽市位于衡陽盆地南部，水熱條件配合良好，常寧市農業(yè)干旱頻率為研究區(qū)最小(為55%)，農業(yè)洪澇以耒陽市頻率最低[19]，農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的自發(fā)適應能力高，穩(wěn)定性和恢復力較好。據常寧市和耒陽市2009年國民經濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報，2009年常寧市共投入水利建設資金3028 萬元，對梅埠橋、野馬、五龍山等13座水庫進行除險加固，整修山塘386處，完成渠道清淤1361 km，全市糧食總產量 41.16 萬噸，同比增長6.4%。耒陽市2009年開工各類水利工程283處，投入資金5294 萬元，完成土石方38.71 萬m3；完成病險水庫除險加固28座；新增農田有效灌溉面積3487 hm2。隨著農業(yè)基礎設施的改善，農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的人為適應能力將會進一步高，常寧市和耒陽市農業(yè)生產能力提升前景良好。由于本區(qū)適應性主要驅動因子是良好的水熱配合條件和灌溉設施，可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Υ?。按照目前趨勢，本區(qū)的適應性呈良好發(fā)展，其適應性將超過衡陽市區(qū)的市郊農業(yè)水平。

4.4 低適應能力區(qū)，人口規(guī)模和水土保持是農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)適應性的主要驅動因子

低適應能力區(qū)包括衡山縣和衡東縣，適應能力指數分別為0.0778和0.0178。第1驅動力D1中的人均耕地面積和人口密度的驅動力得分值，均以衡東縣最大，衡山縣次之；第2驅動力D2中的森林覆蓋率的驅動力得分值，衡山縣最大，衡東縣次之。可以認為適度的人口規(guī)模和良好的水土保持條件是該區(qū)適應性的主要驅動因子，人為適應驅動因子為首要驅動因子，自發(fā)適應驅動因子居于第2位。該區(qū)紫色土分布較少，森林覆蓋率較高，涵養(yǎng)水土的自然條件較優(yōu)越，且水土保持工作較重視。例如，衡東縣對湘江一級支流洣水兩岸的水土保持十分重視，通過坡改梯、水保林建設和小型水利水保工程建設， 2009年對水土流失較為嚴重的21.14 km2的面積進行了治理，效果顯著。并于2011年作為全國第1批水土保持監(jiān)督執(zhí)法能力建設試點縣已經通過國家驗收。衡山被列入了全國第2批水土保持監(jiān)督執(zhí)法能力建設試點縣。本區(qū)農業(yè)增長較穩(wěn)定，例如在“十一五”時期，2006年到2010年，衡山縣農業(yè)總產值由16.08 億元增長到24.09 億元，增長49.8%；農業(yè)增加值由10.12億元增長到16.45 億元，增長62.5%；農民人均純收入由4351 元增長到7322 元，增長68.3%。

4.5 極低適應能力區(qū)，社會經濟因子的驅動作用較小，熱量和地形條件是主要驅動因子

極低適應能力區(qū)包括衡南縣、衡陽縣和祁東縣，適應能力指數分別為-0.2982、-0.1148和-0.1211，為研究區(qū)的最低值區(qū)。衡南縣、衡陽縣和祁東縣的第2驅動力D2中的∑T≥10 ℃積溫和第4驅動力中的坡度>15°面積占總面積比重的驅動力得分值均較高，僅次于高適應能力區(qū)衡陽市區(qū)。本區(qū)缺乏第一位的驅動因子，主要的社會經濟因子的驅動作用較小，熱量和地形條件是其主要驅動因子。本區(qū)是衡陽盆地農業(yè)生態(tài)環(huán)境的脆弱中心[17]，脆弱的農業(yè)生態(tài)環(huán)境導致該區(qū)的農業(yè)敏感性和易損性較強。極低適應能力區(qū)位于衡陽盆地中部(衡陽市轄區(qū)除外)和西部，一方面盆地中、西部地形較平坦，盆地的“聚熱效應”使種植業(yè)所需的熱量條件和地形條件較優(yōu)越。另一方面盆地的“聚熱效應”導致蒸發(fā)旺盛，蒸發(fā)量一般為降水量的2—3倍[13]，成為衡陽盆地旱災最嚴重的區(qū)域，衡陽盆地農業(yè)干旱衡南縣頻率最高，達90%[20]，衡陽縣以85%的頻率而位居第二。就洪澇災害而言，盆地中部及其河谷的匯流作用加劇了洪澇災害的發(fā)生，衡陽縣和祁東縣的湘江河谷洪澇發(fā)生頻率較大[21]。可見，本區(qū)是旱澇災害易發(fā)區(qū)和重災區(qū)。旱澇災害對農作物的生長發(fā)育造成嚴重危害，并導致土地退化、生產力下降和病蟲害頻發(fā)[22]，給農業(yè)生產造成嚴重損失，使農產品產量和質量下降，造成農業(yè)生產的波動性和不穩(wěn)定性。衡陽市統(tǒng)計年鑒2010的數據顯示，衡陽縣的晚稻播種面積占稻谷播種面積的比重為衡陽盆地的最低值，為48.6%，頻發(fā)的水旱災害已經制約了衡陽縣的晚稻生產。衡南縣的水田占耕地面積的比重最大，達90.7%，水田生態(tài)系統(tǒng)的主要作物水稻在分蘗和抽穗期對水分有強烈依賴性，晚稻恰遇夏秋頻發(fā)的干旱期，表現出強烈的脆弱性，農業(yè)效益低，恩格爾系數為研究區(qū)的最大值，為56.2%。衡陽盆地中部縣域因其農業(yè)效益低，致使農戶的兼業(yè)和非農活動普遍，農業(yè)的生產性投資少，農業(yè)生產粗放，農業(yè)生態(tài)環(huán)境問題突出，農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的適應性低。

5 結論與討論

5.1 結論

(1)本文以衡陽盆地為例采用主成分分析法對南方丘陵區(qū)農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)適應能力進行了定量評價。結果表明研究區(qū)適應能力以衡陽市區(qū)最高，適應能力指數為0.4584；南部的常寧市和耒陽市適應能力較高；中部的衡南縣、衡陽縣和西部的祁東縣為研究區(qū)的極低適應能力區(qū)。研究區(qū)適應能力的分布規(guī)律：衡陽市區(qū)的適應能力最高，各縣域的農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)適應能力基本呈現出盆地中部低、四周高，南部高于北部，東部高于西部的分布規(guī)律。衡陽市區(qū)(市郊農業(yè))的高適應能力源于主要驅動因子農藥和化肥施用量，其高適應能力具有不可持續(xù)性。今后衡陽市郊農業(yè)應增加農業(yè)科技投入，逐漸變農藥化肥的環(huán)境惡化型石油農業(yè)為科技和固定資產投入型的綠色環(huán)?？沙掷m(xù)發(fā)展的市郊農業(yè)。而研究區(qū)南部的常寧市和耒陽市盡管屬于較高適應能力區(qū)，因其良好的水熱配合條件和灌溉設施，其適應能力的提升潛力較大，屬于可持續(xù)發(fā)展方式。按照目前趨勢，其適應能力將超過衡陽市區(qū)(市郊農業(yè))。常寧市和耒陽市今后應以其良好的水熱條件和灌溉設施為契機，優(yōu)化農業(yè)結構，提高農業(yè)的比較效益。

(2)研究區(qū)農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)適應性有4大驅動力，農業(yè)投入和增長方式是衡陽盆地農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)適應性的首要驅動力，水熱配合狀況及水土保持條件是研究區(qū)農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)適應性的第2驅動力，水資源條件是研究區(qū)農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)適應性的第3驅動力，地形條件是第4驅動力。不同適應能力區(qū)驅動因子各異，高適應能力區(qū)，經濟條件是農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)適應性的主要驅動因子，其中的化肥農藥施用量作為主要驅動因子，帶來的高適應能力是短暫的，具有不可持續(xù)性。水熱配合條件和灌溉設施是較高適應能力區(qū)的主要驅動因子。人口規(guī)模和水土保持是低適應能力區(qū)的主要驅動因子。低適應能力區(qū)的衡山縣應大力發(fā)展優(yōu)質生態(tài)有機稻和席草等特色農業(yè)生產，衡東縣應積極采用良種等農業(yè)科技，做大做強國家級商品糧基地，改善農業(yè)經濟效益和環(huán)境效益，提高農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的適應性。極低適應能力區(qū)缺乏第一位的驅動因子，主要的社會經濟因子的驅動作用較小，熱量和地形條件是極低適應能力區(qū)的主要驅動因子。極低適應能力區(qū)的祁東縣今后應充分利用優(yōu)越的熱量條件大力發(fā)展和扶持黃花、香芋等特色優(yōu)勢農業(yè)，提高農戶的農業(yè)收入；衡陽縣作為全國的糧食生產和油料生產大縣，應多渠道進行水利設施建設和加大固定資產投入，提高社會經濟因子的驅動作用；衡南縣應發(fā)揚水田連片優(yōu)勢，建設排灌渠系和機耕道，發(fā)展優(yōu)質稻的規(guī)?；a和機械化耕作，提高農業(yè)生產率，降低水旱災害風險，提高農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的適應性。

(3)從驅動力和適應性類型來看，首要驅動力主要體現為社會經濟因子的驅動作用，貢獻率達47.15%，第2和第4驅動力主要表現為自然環(huán)境因子的作用，第3驅動力則是社會因子和自然環(huán)境因子的綜合作用。總體來看，社會經濟條件是研究區(qū)農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)適應性的主要驅動力。從不同的適應能力區(qū)來看，經濟條件是高適應能力區(qū)的主要驅動因子；較高適應能力區(qū)和低適應能力區(qū)的主要驅動因子既有社會因子，也有自然環(huán)境因子；極低適應能力區(qū)的主要驅動因子主要表現為自然環(huán)境因子。研究區(qū)農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)適應性驅動因子以社會經濟因素為主。

5.2 討論

(1)南方丘陵區(qū)的生態(tài)脆弱性研究成果較多，但適應性的研究尚少。本文采用主成分分析法所得的結論較客觀，適應能力評價結果和適應性驅動因子分析的結論與實際情況基本相符，具有一定的可信度。今后應從不同的研究視角、采用不同的研究方法對研究區(qū)的適應性進行更全面、深入的研究。

(2)研究區(qū)農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)適應能力的首要驅動力和高適應能力區(qū)(衡陽市區(qū)的市郊農業(yè))的主要驅動因子都包含農用化肥施用量和農藥施用量，以這些因子作為適應性驅動因子會對環(huán)境造成嚴重污染，其發(fā)展具有不可持續(xù)性。今后應該增加科技投入和農業(yè)基礎設施建設，走可持續(xù)發(fā)展之路。

在今后的研究中要加強適應性評價模型的研究，加強適應性驅動力的綜合效果分析，科學辨析各驅動因子對不同區(qū)域適應性的驅動程度和驅動潛力，加強適應性管理模式和適應性策略的研究。

致謝：感謝衡陽師范學院譚家杰博士和2009級GIS專業(yè)覃俊同學對本文的數據和圖像處理給予的指導。

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Adaptability of agricultural ecosystems in the hilly areas in Southern China:a case study in Hengyang Basin

ZHOU Songxiu*, TIAN Yaping, LIU Lanfang

DepartmentofResourceEnvironmentandTourismManagement,HengyangNormalUniversity,Hengyang421002,China

Adaptability is the response to external pressures or actions that people make efforts to reduce the adverse effects caused by global change with the aim of harmoniously inhabiting the environment. In studies focused on global change, adaptability has attracted great attention. There have been many studies on the ecological adaptability of plants under global change. The model of water ecological adaptability of upland crops has been discussed, and the eco-environment adaptability under changing climates in the past decade has been investigated. However, little research has been conducted on agricultural ecosystem adaptability (AEA). Agricultural ecosystem adaptability is affected by the natural environment, as well as by social and economic factors. Different factors have different driving or restraining effects on AEA values. The rice farming regions of the hilly area in the Hengyang basin in southern China is the basis for our AEA study. Our study on AEA values is quantitative and applies principal component analysis to analyze the main driving factors affecting adaptability in the different regions of our study area. Based on the calculation of the size of the driving force and AEA values, we analyzed the adaptability of the different regions. The AEA concept helps maintain sustainable agricultural development. Sustainable agricultural development is more likely to recover quickly from environmental disasters (such as floods or droughts) or economic (i.e. poor, lack of food, fluctuations in commodity prices) crises. Based on natural, social and economic factors, we establish the AEA indexes for different regions in the Hengyang Basin. Our findings show that AEA is highest in Hengyang. In the other regions, the central parts of the basin have low adaptability and the surrounding regions have high adaptability. Good economic conditions are the main driving factors of a high AEA, and good hydrothermal and irrigation systems induce high adaptability. Hengyang is the economic, political and cultural center of the Hengyang Basin. The per-capita net income of farmers in Hengyang is the highest in region, and the farmers′ Engel coefficient is the lowest. Nevertheless, the use of pesticides and chemical fertilizers are still prevalent in Hengyang. Changning and Leiyang have good hydrothermal and irrigation systems. Flood and drought disasters seldom occur in these cities and this contributes to a high adaptability. Population size and the conservation of soil and water are the primary driving factors in low adaptability areas. Extreme heat and harsh terrain conditions lead to the lowest agricultural ecosystem adaptability. The application of pesticides and chemical fertilizers result in a temporary high AEA, which cannot be sustained. High AEAs resulting from good hydrothermal and irrigation systems are sustainable. The development potential of a region with high AEAs is greater than that of regions with low AEAs. The low adaptability areas can improve their AEA ratings by not only using the natural environment in a sustainable way, but also improving social and economic factors. Increasing the production of good crop strains, improving irrigation and drainage conditions and developing advantageous agricultural policies are very effective ways of enhancing adaptability.

agricultural ecosystems; adaptability; driving factors; principal component analysis; Hengyang Basin

衡陽市社會科學基金項目(2012B47); 湖南省教育廳科研項目(12C0531); 國家自然科學基金項目(41171075); 湖南省“十二五”重點建設學科人文地理資助項目

2013-05-24;

日期:2014-04-25

10.5846/stxb201305241168

*通訊作者Corresponding author.E-mail: zhousongxiu@163.com

周松秀，田亞平，劉蘭芳.南方丘陵區(qū)農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)適應能力及其驅動因子——以衡陽盆地為例.生態(tài)學報,2015,35(6):1991-2002.

Zhou S X, Tian Y P, Liu L F.Adaptability of agricultural ecosystems in the hilly areas in Southern China: a case study in Hengyang Basin.Acta Ecologica Sinica,2015,35(6):d.