重要生態(tài)功能區(qū)生態(tài)退化診斷理論、思路與方法探析

田美榮,高吉喜①,鄒長(zhǎng)新,喬 青

(1.環(huán)境保護(hù)部南京環(huán)境科學(xué)研究所,江蘇 南京 210042;2.北京市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院,北京 100037)

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重要生態(tài)功能區(qū)生態(tài)退化診斷理論、思路與方法探析

田美榮1,高吉喜1①,鄒長(zhǎng)新1,喬 青2

(1.環(huán)境保護(hù)部南京環(huán)境科學(xué)研究所,江蘇 南京 210042;2.北京市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院,北京 100037)

準(zhǔn)確診斷區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)退化程度并明確生態(tài)退化驅(qū)動(dòng)要素是高效實(shí)施生態(tài)修復(fù)的前提和基礎(chǔ)。基于生態(tài)退化診斷主要理論,指出生態(tài)退化是相對(duì)概念,確定生態(tài)退化診斷參照系與診斷指標(biāo)是生態(tài)退化診斷的必要步驟。生態(tài)退化診斷參照系判別結(jié)果顯示區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)退化診斷不應(yīng)關(guān)注某一特定歷史狀態(tài),應(yīng)更多著力于研究區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)退化的時(shí)間動(dòng)態(tài)與空間差異,從而保障診斷研究的客觀性。在此基礎(chǔ)上,為凸顯重要生態(tài)功能區(qū)生態(tài)退化與生態(tài)功能的密切關(guān)系以及生態(tài)系統(tǒng)退化的綜合性,從生態(tài)功能維護(hù)力、生態(tài)自我恢復(fù)力和生態(tài)壓力3個(gè)方面提出了生態(tài)退化診斷思路和診斷流程,并構(gòu)建了生態(tài)退化診斷指標(biāo)體系。為體現(xiàn)生態(tài)退化診斷的綜合性和層次性,將單項(xiàng)分析與綜合分析相結(jié)合,構(gòu)建生態(tài)退化程度綜合指數(shù)進(jìn)行綜合診斷,為提高生態(tài)退化診斷的精確性提供了理論指導(dǎo)和技術(shù)支持。

生態(tài)退化;診斷;思路;方法;指標(biāo)

生態(tài)退化是經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展過程中必然存在的問題,20世紀(jì)30年代美國(guó)受“黑風(fēng)暴”影響而加強(qiáng)了生態(tài)系統(tǒng)退化研究,并成立美國(guó)水土保持局(Soil Conservation Service,SCS)致力于生態(tài)環(huán)境改善。為改善生態(tài)退化問題,我國(guó)在2000年國(guó)務(wù)院印發(fā)的《全國(guó)生態(tài)環(huán)境保護(hù)綱要》、2005年《國(guó)務(wù)院關(guān)于落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)的決定》、《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006—2020年)》和《國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十二個(gè)五年規(guī)劃綱要》等相關(guān)保護(hù)規(guī)劃及中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃中均強(qiáng)調(diào)了重要生態(tài)功能區(qū)的生態(tài)恢復(fù)和重建。為遏制重要生態(tài)功能區(qū)生態(tài)退化,國(guó)家投入大量的人力、物力和財(cái)力實(shí)施退耕還林還草、京津風(fēng)沙源治理、飛播或圍欄封育等生態(tài)修復(fù)工程,取得了一定成效。但由于區(qū)域氣候條件惡劣,各類生態(tài)建設(shè)工程修復(fù)難度較大,再加上樹種選擇及植被配置不合理、造林密度不適宜等原因,很多地區(qū)人工林草生態(tài)修復(fù)工程出現(xiàn)成片“小老樹”現(xiàn)象,難以發(fā)揮其應(yīng)有的生態(tài)功能。造成這一現(xiàn)象的主要原因是生態(tài)修復(fù)前期準(zhǔn)備工作不充分,缺乏科學(xué)系統(tǒng)的生態(tài)退化診斷,因此保證生態(tài)退化診斷結(jié)果的科學(xué)性和可靠性成為生態(tài)修復(fù)關(guān)注的焦點(diǎn)。目前,對(duì)于生態(tài)退化診斷我國(guó)學(xué)者主要探討從區(qū)域自然-人類復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)[1]、生態(tài)景觀等途徑[2]以及生態(tài)結(jié)構(gòu)和功能[3]等角度構(gòu)建生態(tài)診斷指標(biāo)體系及診斷方法。由于研究出發(fā)點(diǎn)不同,所構(gòu)建診斷指標(biāo)差異較大,存在評(píng)價(jià)指標(biāo)較多且交叉、實(shí)驗(yàn)指標(biāo)獲取難度大、未與經(jīng)濟(jì)社會(huì)指標(biāo)結(jié)合等問題,因此生態(tài)退化診斷思路與指標(biāo)構(gòu)建等需進(jìn)一步規(guī)范,使其更好地指導(dǎo)實(shí)踐。筆者從生態(tài)退化診斷理論出發(fā),在比較分析生態(tài)退化診斷參照系的基礎(chǔ)上,提出生態(tài)退化診斷思路與流程,依據(jù)診斷思路合理構(gòu)建區(qū)域生態(tài)退化診斷指標(biāo)體系,為提高生態(tài)退化診斷的精確性提供技術(shù)支撐,為生態(tài)修復(fù)策略制定和生態(tài)文明建設(shè)[4]奠定基礎(chǔ)。

1 生態(tài)退化診斷理論與模型

1.1 自然生態(tài)系統(tǒng)演替理論

自然生態(tài)系統(tǒng)演替理論起源于1916年CLEMENTS[5]關(guān)于植物群落由原初定居者向頂極群落演替研究。1949年DYKSTERHUIS[6]根據(jù)草地群落放牧干擾下退化過程的逆行演替和停止放牧干擾后恢復(fù)過程的進(jìn)展情況,提出了“單穩(wěn)態(tài)模型”,該模型是草地在過度放牧干擾下發(fā)生的逆向演替模型。進(jìn)入20世紀(jì)50年代,“草地逆行演替模型”在美國(guó)開發(fā)并被應(yīng)用,成為美國(guó)草地管理的標(biāo)準(zhǔn)概念并一直使用到20世紀(jì)末。20世紀(jì)80年代,沼田真[7]提出演替度(degree of succession,DS)概念。演替度作為草地退化診斷的定量分析指標(biāo),其主要原理是篩選出物種優(yōu)勢(shì)度等指標(biāo)來計(jì)算植被群落遠(yuǎn)離該植被頂級(jí)群落的相對(duì)程度。在我國(guó)從自然生態(tài)系統(tǒng)演替角度開展的生態(tài)退化診斷研究較多,主要通過群落種類構(gòu)成[8]、演替度[9]、退化生態(tài)系統(tǒng)基本特征、群落恢復(fù)演替動(dòng)力和恢復(fù)演替數(shù)學(xué)模型等方面開展[10-14]。

1.2 生態(tài)退化閾值理論

1996年HOBBS等[15]提出生態(tài)臨界閾值論,該理論被認(rèn)為與生態(tài)退化程度呈現(xiàn)重要的相關(guān)性。按照生態(tài)臨界閾值,生態(tài)退化程度被劃分為未退化、部分退化和高度退化等,至此生態(tài)退化閾值理論開始被廣泛探討。2001年HOBBS等[16]認(rèn)為生態(tài)系統(tǒng)的退化存在2個(gè)閾限，分別是由生物因子的相互作用和非生物因子的限制作用控制的。

1.3 壓力狀態(tài)響應(yīng)模型

壓力狀態(tài)響應(yīng)理論最初應(yīng)用在環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)領(lǐng)域,是在1979年由David和Tony所提出。該理論模型思路是一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)在外界壓力下會(huì)呈現(xiàn)一定狀態(tài),生態(tài)系統(tǒng)自身也會(huì)對(duì)壓力做出響應(yīng)。由于該模型思路清晰,反映問題全面系統(tǒng),因此被不斷推廣和應(yīng)用[17],目前在生態(tài)退化診斷中也有較多學(xué)者采用這一模型。在具體生態(tài)退化診斷過程中,該模型按照壓力狀態(tài)響應(yīng)分別篩選指標(biāo),并通過分級(jí)處理量化評(píng)估生態(tài)退化程度。該模型為生態(tài)系統(tǒng)退化評(píng)價(jià)提供了有效的指標(biāo)分類方案。

1.4 排序模型

排序理論可揭示物種分布與不同生態(tài)退化或修復(fù)程度下生態(tài)環(huán)境的相關(guān)關(guān)系。排序理論模型是將樣方或植物物種排列在一定空間內(nèi),并按生態(tài)系統(tǒng)變化梯度,分別安排物種生態(tài)排序序列,形成排序軸,進(jìn)而明確植被與生態(tài)環(huán)境因子之間的生態(tài)關(guān)系。不同排序方法主要通過計(jì)算不同生態(tài)系統(tǒng)或群落的非相似矩陣系數(shù)來評(píng)價(jià)生態(tài)系統(tǒng)的退化程度或恢復(fù)程度[18]。我國(guó)學(xué)者通過篩選物種豐富度、高度和蓋度等指標(biāo),作為排序模型的基礎(chǔ)指標(biāo),分析植物物種多度分布和生物多樣性指數(shù)等,在此基礎(chǔ)上,采用組平均法等對(duì)物種進(jìn)行排序,排序結(jié)果可反映各物種種群的退化等級(jí)和演替階段[19]。目前排序理論未應(yīng)用于區(qū)域整體生態(tài)退化診斷。

依據(jù)上述生態(tài)退化診斷理論與模型,可看出生態(tài)退化是相對(duì)概念,均需選取指示生態(tài)退化的指標(biāo),并對(duì)照一定的狀態(tài)判別退化程度,因此生態(tài)退化診斷參照系選擇與指標(biāo)體系構(gòu)建是科學(xué)進(jìn)行生態(tài)退化診斷的必要步驟。

2 生態(tài)退化診斷參照系判別

生態(tài)退化是生態(tài)系統(tǒng)從健康穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橥嘶环€(wěn)定狀態(tài),在生態(tài)系統(tǒng)組成、生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、物質(zhì)和能量循環(huán)以及生物多樣性等方面均會(huì)發(fā)生質(zhì)變[2],主要表現(xiàn)為空間異質(zhì)性低、生態(tài)功能減弱、抗干擾能力弱和生態(tài)承載力下降等,威脅生態(tài)安全。生態(tài)系統(tǒng)退化程度是對(duì)這一過程中某一階段的生態(tài)要素和生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)所做出的描述性概念[3],制定生態(tài)退化診斷參照系與診斷指標(biāo)是判斷生態(tài)退化等級(jí)的必要前提。

2.1 以未被干擾的原生態(tài)系統(tǒng)或頂級(jí)生態(tài)系統(tǒng)作為參照系

生態(tài)系統(tǒng)受到干擾而發(fā)生退化,過度干擾會(huì)使生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的改變,生態(tài)退化診斷是將現(xiàn)狀生態(tài)系統(tǒng)與該區(qū)域原生生態(tài)系統(tǒng)對(duì)比,判斷其相對(duì)退化程度。由于干擾前原生生態(tài)系統(tǒng)未進(jìn)行徹底調(diào)查,無法確定區(qū)域干擾前具體的狀態(tài),因此特定歷史狀態(tài)下的診斷參照系無法實(shí)現(xiàn)。有學(xué)者利用20世紀(jì)80年代初監(jiān)測(cè)區(qū)遙感影像,將其植被特征與地表土壤狀況作為未退化評(píng)判基準(zhǔn),與當(dāng)前相同生態(tài)系統(tǒng)類型遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。目前,區(qū)域尺度遙感評(píng)價(jià)大多依據(jù)這一標(biāo)準(zhǔn),但其未考慮當(dāng)時(shí)水熱條件對(duì)植被群落的影響,因?yàn)樗疅釛l件具有時(shí)空波動(dòng)性,導(dǎo)致植被時(shí)空格局存在差異,這種差異是生態(tài)系統(tǒng)彈性范圍內(nèi)隨水熱條件變化的正常波動(dòng),并不是由于生態(tài)系統(tǒng)退化造成,因此依據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行退化程度診斷將使結(jié)果出現(xiàn)偏差。

2.2 以自然本底較好的生態(tài)系統(tǒng)作為參照系

選擇具有相同水熱條件的自然本底較好的自然保護(hù)區(qū)作為參照系。該方法有以下缺陷:一是只能診斷同一時(shí)期具有相同水熱條件的研究區(qū),應(yīng)用范圍窄;二是在不同時(shí)期,由于水熱條件波動(dòng)差異,導(dǎo)致自然保護(hù)區(qū)狀態(tài)存在差異,無法判別自然保護(hù)區(qū)是否退化以及退化程度,因此參照系具有不確定性,無法判別生態(tài)系統(tǒng)退化程度以及退化趨勢(shì)。

2.3 以氣候潛在生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)能力作為參照系

該方法在草地退化研究中應(yīng)用較多,具體診斷流程是運(yùn)用歷年產(chǎn)草量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與氣候數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,采用統(tǒng)計(jì)方法構(gòu)建基于最佳氣候時(shí)段的產(chǎn)草量預(yù)測(cè)模型[20],利用氣候模型預(yù)測(cè)的潛在產(chǎn)草量與實(shí)際產(chǎn)草量進(jìn)行對(duì)比來判斷草地退化程度。該方法存在2個(gè)問題:一是模型精度有待提高,由于模型參數(shù)選擇影響模型預(yù)測(cè)精度,因此在實(shí)踐中需根據(jù)實(shí)地調(diào)研、野外實(shí)驗(yàn)等方法獲取高精度的模型參數(shù),工作需要長(zhǎng)期積累;二是產(chǎn)草量不能完全反映草地退化程度,因?yàn)椴莸赝嘶瘜?dǎo)致雜草入侵,或其他退化草種繁殖,產(chǎn)草量可能不降反升。因此,氣候模型需結(jié)合草地植被退化特征一起進(jìn)行分析研究,使其更準(zhǔn)確地反映生態(tài)退化實(shí)質(zhì)。

2.4 以國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)作為診斷參照系

GB 19377—2003《天然草地退化、沙化、鹽漬化的分級(jí)指標(biāo)》[21]規(guī)定了草地退化的定義、草地退化級(jí)別和相對(duì)較成熟的方法,被眾多學(xué)者用作評(píng)定草地退化的參照依據(jù),該分級(jí)指標(biāo)可被認(rèn)為是在空間上與監(jiān)測(cè)點(diǎn)相同水熱條件下的未退化草地的基準(zhǔn)。由于僅頒布了天然草地退化標(biāo)準(zhǔn),缺少森林、濕地等其他生態(tài)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn),因此該方法只適用于草地退化,應(yīng)用范圍較窄,不能應(yīng)用到整個(gè)區(qū)域。

由此可見，區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)退化診斷不應(yīng)關(guān)注某一特定歷史狀態(tài)，不應(yīng)人為判定某時(shí)某地生態(tài)系統(tǒng)退化與否[22],應(yīng)更多著力于研究區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)退化的時(shí)間動(dòng)態(tài)與空間差異,從而保障研究的客觀性。

3 生態(tài)退化診斷思路與診斷方法

3.1 生態(tài)退化診斷思路

生態(tài)退化診斷過程是一個(gè)綜合性的評(píng)估,反映某一時(shí)間內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)退化空間分布格局。生態(tài)恢復(fù)最終的目標(biāo)是為了生態(tài)系統(tǒng)功能的有效發(fā)揮[23],生態(tài)功能恢復(fù)強(qiáng)調(diào)退化系統(tǒng)整體功能的提升,這個(gè)系統(tǒng)既包括自然系統(tǒng),也包括社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng),因此生態(tài)退化診斷需要按照與生態(tài)功能提升有關(guān)的影響因素來構(gòu)建指標(biāo)進(jìn)行分析。生態(tài)退化診斷內(nèi)容包括自身生態(tài)服務(wù)功能維持力大小狀況、生態(tài)系統(tǒng)面臨的壓力狀況以及對(duì)抗壓力的自我活力、組織力和恢復(fù)力狀況。據(jù)此,生態(tài)退化診斷指數(shù)分為生態(tài)功能維護(hù)力指數(shù)(ecological function maintain index,EMI,IEM)、生態(tài)自我恢復(fù)力指數(shù)(ecological resilience index,ERI,IER)和生態(tài)壓力指數(shù)(ecological pressure index,EPI,IEP)(圖1)。

圖1 生態(tài)退化診斷框架示意

IEM和IER反映了影響生態(tài)系統(tǒng)退化的外在自然因素和內(nèi)在自身因素,如氣候侵蝕力等外在自然因素干擾越小,植被蓋度等內(nèi)在自身因素越強(qiáng),則防風(fēng)固沙功能維護(hù)力將越大。IEP則反映了影響生態(tài)退化程度的人為因素。對(duì)IEM、IER和IEP進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),評(píng)價(jià)結(jié)果將更精確地反映研究區(qū)的生態(tài)退化程度。

IEM指生態(tài)系統(tǒng)能夠維護(hù)其生態(tài)功能的程度。在自然未受干擾的狀態(tài)下,生態(tài)系統(tǒng)具有較高的生態(tài)功能,能夠提供最多的生態(tài)服務(wù),確保生態(tài)系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)外界對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的干擾并未超過生態(tài)承載閾值時(shí),生態(tài)系統(tǒng)依賴自我恢復(fù)力彌補(bǔ)受影響的生態(tài)功能,可再次恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。但當(dāng)外界干擾力較大且超過了生態(tài)自我恢復(fù)力承受范圍時(shí),生態(tài)系統(tǒng)將難以維持其生態(tài)平衡狀態(tài),生態(tài)功能維護(hù)力逐漸降低,導(dǎo)致嚴(yán)重的生態(tài)退化問題。IEM越小,生態(tài)退化程度越大。通過生態(tài)退化診斷可以明確可能發(fā)生的生態(tài)退化類型、潛在影響最大的生態(tài)功能類型、生態(tài)退化可能發(fā)生的地區(qū)和可能發(fā)生的程度,這是基于生態(tài)功能進(jìn)行生態(tài)退化診斷的主要步驟。

IER指在外界壓力下生態(tài)系統(tǒng)所具有的自我調(diào)節(jié)和自我恢復(fù)能力大小,判別其高低需評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)的活力、組織力和恢復(fù)力?；盍χ冈谝欢ǖ臍夂蚝屯寥罈l件下生態(tài)系統(tǒng)的最大生產(chǎn)力。組織力指生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)力結(jié)構(gòu)維持穩(wěn)定的能力。恢復(fù)力指在外界干擾情況下,生態(tài)系統(tǒng)保持自身結(jié)構(gòu)和功能的抗壓能力[24]。在一定氣候條件下,生態(tài)自我恢復(fù)力越好,抵抗外來壓力的潛力也越高。

IEP指生態(tài)系統(tǒng)受到外來干擾的程度或受脅迫程度,包括經(jīng)濟(jì)社會(huì)活動(dòng)對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境結(jié)構(gòu)和過程造成影響,進(jìn)而導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)功能降低和生態(tài)系統(tǒng)退化。外界壓力可阻止生態(tài)系統(tǒng)順應(yīng)自然的正向演替過程。壓力若在生態(tài)承載范圍之內(nèi),生態(tài)系統(tǒng)可通過自身生態(tài)功能維持力及生態(tài)自我恢復(fù)力進(jìn)行恢復(fù);當(dāng)外界壓力無限增大,使生態(tài)系統(tǒng)難以承受時(shí),生態(tài)系統(tǒng)向著健康狀態(tài)相反方向發(fā)展,進(jìn)而達(dá)到嚴(yán)重退化程度,此時(shí)需借助人工修復(fù)技術(shù)來減輕干擾。可見,生態(tài)系統(tǒng)的退化程度既取決于生態(tài)功能維護(hù)力和自我恢復(fù)力,也取決于外界壓力。

3.2 生態(tài)退化診斷流程

生態(tài)退化診斷分析按照定性和定量相結(jié)合、自然演化系統(tǒng)和社會(huì)行為系統(tǒng)相結(jié)合的方法,開展生態(tài)退化機(jī)理研究[25],主要步驟包括研究區(qū)現(xiàn)狀調(diào)查、構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系、單項(xiàng)評(píng)價(jià)和綜合評(píng)價(jià)(圖2)。依據(jù)生態(tài)退化診斷目的和原則,從基于區(qū)域尺度的生態(tài)系統(tǒng)角度出發(fā),建立具有區(qū)域特征的生態(tài)單項(xiàng)診斷和綜合診斷,綜合運(yùn)用RS和GIS等技術(shù)手段,并運(yùn)用層次分析法、專家咨詢等方法進(jìn)行指標(biāo)量化處理和分級(jí)處理[26],利用加權(quán)求和方法分別進(jìn)行單項(xiàng)評(píng)價(jià)和綜合評(píng)價(jià),計(jì)算生態(tài)退化程度指數(shù)(ecological degradation index,EDI,IED),完成生態(tài)系統(tǒng)退化診斷研究。

圖2 生態(tài)退化診斷流程示意

3.3 診斷指標(biāo)體系

依據(jù)綜合性原則、主導(dǎo)因素原則、層次性原則、因地制宜原則和可操作性原則,構(gòu)建診斷指標(biāo)體系。診斷指標(biāo)體系(圖3)從生態(tài)功能維護(hù)能力、生態(tài)系統(tǒng)自身恢復(fù)能力、外界對(duì)其施加壓力方面對(duì)區(qū)域生態(tài)退化進(jìn)行綜合診斷,診斷分析結(jié)果可為決策者和公眾提供科學(xué)的生態(tài)修復(fù)依據(jù)。

生態(tài)功能維護(hù)力從生物多樣性、防風(fēng)固沙、水源涵養(yǎng)和土壤保持4大主要生態(tài)功能入手診斷。生物多樣性功能的代表性指標(biāo)是生物多樣性指數(shù),生物多樣性指數(shù)越高,說明生物多樣性維護(hù)力越強(qiáng);防風(fēng)固沙量表征防風(fēng)固沙功能維護(hù)力大小,防風(fēng)固沙量越大,防風(fēng)固沙功能維護(hù)力越強(qiáng);水源涵養(yǎng)量越大,水源涵養(yǎng)功能維護(hù)力越強(qiáng);土壤侵蝕量越大,土壤保持功能維護(hù)力越弱。

生態(tài)自我恢復(fù)力從生態(tài)系統(tǒng)自身具有的特性出發(fā),從生態(tài)系統(tǒng)的活力、組織力和恢復(fù)力3個(gè)角度構(gòu)建自我恢復(fù)力評(píng)估指標(biāo)?；盍τ脕矸从成鷳B(tài)系統(tǒng)潛在的生產(chǎn)活力,區(qū)域活力高意味著具有較大的生產(chǎn)潛力,因此選用研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)凈初級(jí)生產(chǎn)力作為評(píng)估指標(biāo);組織力強(qiáng)調(diào)生態(tài)系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)和完整性,植被覆蓋度常被選作生態(tài)系統(tǒng)完整性指標(biāo)[27],因此選用植被覆蓋度對(duì)組織力進(jìn)行診斷;恢復(fù)力選用土壤有機(jī)質(zhì)含量作為評(píng)估指標(biāo),因?yàn)橥寥烙袡C(jī)質(zhì)含量的高低是植被能否健康成長(zhǎng)的前提。

圖3 生態(tài)退化綜合診斷指標(biāo)體系

人類建設(shè)活動(dòng)必將對(duì)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生干擾,干擾強(qiáng)度大小是造成生物多樣性變化的根本原因之一[28]。隨著干擾的加大,生態(tài)壓力也將增加,加速了生態(tài)退化。按照壓力類型分為人口壓力、經(jīng)濟(jì)發(fā)展壓力和資源壓力:人口越密集，對(duì)自然生態(tài)造成壓力越大,因此用人口密度指示人口壓力大小;經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)生態(tài)環(huán)境造成的影響主要包括土地資源占用、污染物排放和水資源消耗,但單純從生態(tài)系統(tǒng)本身而言,經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來的建設(shè)占地增加直接導(dǎo)致自然生態(tài)系統(tǒng)面積減少,生態(tài)功能隨之降低,夜間燈光指數(shù)可間接反映建設(shè)用地所占土地比例;資源壓力是考慮到研究區(qū)耕地開墾和草原放牧對(duì)土地資源的壓力,包括墾殖率和單位草場(chǎng)面積載畜量。

3.4 診斷方法

由于診斷指標(biāo)體系具有層次性,筆者采用綜合指數(shù)法進(jìn)行診斷。綜合診斷是在確定權(quán)重基礎(chǔ)上對(duì)各指數(shù)進(jìn)行全面診斷,進(jìn)而對(duì)生態(tài)退化進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),即在得到IEM、IER和IEP這3個(gè)指數(shù)基礎(chǔ)上構(gòu)建IED：

(1)

式(1)中,Wi為指標(biāo)權(quán)重;Bi為指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值,包括IEM、IER和IEP標(biāo)準(zhǔn)值;i為第i個(gè)指標(biāo);n為指標(biāo)個(gè)數(shù),該文中n=3。

Wi用來表示各指標(biāo)要素在同一層次的相對(duì)重要程度。指標(biāo)權(quán)重方法分為主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法,主觀賦權(quán)法包括德爾菲法、層次分析法(AHP)[29]等,客觀賦權(quán)法是根據(jù)原始數(shù)據(jù)運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法客觀打分,如熵權(quán)法、因子分析法和均方差法等[30-32]。

由于生態(tài)退化診斷指標(biāo)單位不一致,指標(biāo)值大小范圍差異較大,須采用指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化方法對(duì)指標(biāo)值進(jìn)行歸一化計(jì)算[29],指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化方法主要有極差化標(biāo)準(zhǔn)法和專家賦值分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)法2種[33]。

4 結(jié)論與討論

生態(tài)退化是一個(gè)相對(duì)概念,自然生態(tài)系統(tǒng)演替理論、生態(tài)退化閾值理論、壓力狀態(tài)響應(yīng)模型和排序模型給出了生態(tài)退化診斷最基本的思路,由診斷理論與模型可看出確定生態(tài)診斷指標(biāo)與診斷參照系是進(jìn)行生態(tài)退化診斷的必要步驟。考慮到目前研究中以未被干擾的原生態(tài)系統(tǒng)或頂級(jí)生態(tài)系統(tǒng)、自然本底較好的生態(tài)系統(tǒng)、氣候潛在生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)能力以及國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)作為診斷參照系所存在的不足,指出區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)退化診斷不應(yīng)關(guān)注某一特定歷史狀態(tài),應(yīng)更多著力于研究區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)退化的時(shí)間動(dòng)態(tài)與空間差異。

由于生態(tài)退化診斷的目的是提高生態(tài)修復(fù)效率,為制定生態(tài)修復(fù)策略奠定基礎(chǔ),而生態(tài)恢復(fù)的最終目標(biāo)是為了提高生態(tài)系統(tǒng)功能,因此生態(tài)退化診斷應(yīng)突出生態(tài)功能診斷。同時(shí)導(dǎo)致生態(tài)退化的因素是一個(gè)綜合因素,不應(yīng)只依據(jù)植被狀況來進(jìn)行判斷,需要從區(qū)域角度考慮自然生態(tài)系統(tǒng)自我恢復(fù)能力以及經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對(duì)其造成的壓力。同時(shí),區(qū)域尺度生態(tài)退化診斷技術(shù)隨著RS、GIS和全球定位系統(tǒng)技術(shù)的不斷發(fā)展乃至逐漸成熟,可實(shí)現(xiàn)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)快速、高效的診斷評(píng)估。

生態(tài)退化診斷模型是針對(duì)整個(gè)重要生態(tài)功能區(qū)所構(gòu)建的,在具體診斷過程中為凸顯重要生態(tài)功能區(qū)中的主體生態(tài)功能,需提高該主體功能的權(quán)重。同時(shí)，任何診斷模型與方法均需要驗(yàn)證,筆者提出了具體的診斷思路、流程和方法,采用該方法理論所取得的生態(tài)退化診斷研究成果,需通過野外采樣與實(shí)地調(diào)研對(duì)其加以驗(yàn)證。下一步研究中,將選取重要生態(tài)功能區(qū)典型區(qū)域進(jìn)行生態(tài)退化診斷,并對(duì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,修正研究方法模型,形成生態(tài)退化診斷技術(shù)指南,并構(gòu)建區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量信息管理平臺(tái),實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷,進(jìn)一步提高生態(tài)退化診斷結(jié)果的可靠性以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可獲得性。

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(責(zé)任編輯： 李祥敏)

Theories, Ideas and Methods for Diagnosis of Ecological Degradation in Important Ecological Function Areas.

TIAN Mei-rong1, GAO Ji-xi1, ZOU Chang-xin1, QIAO Qing2

(1.Nanjing Institute of Environmental Sciences, Ministry of Environmental Protection, Nanjing 210042, China;2.Beijing Municipal Research Institute of Environmental Protection, Beijing 100037, China)

Precise diagnosis of degradation of a regional ecological system by degree with its driving factors specified is the precondition and basis for efficient implementation of ecological restoration. Based on the prevailing theories for diagnosis of ecological degradation, it has been pointed out that ecological degradation is a relative concept and that determination of a

ystem and an index system is an essential step for the diagnosis. The determination of a reference system for the diagnosis shows that for diagnosis of degradation of a regional ecosystem should not focus on just one specific historical status, but rather pay more attention to temporal dynamics and spatial variability of the degradation, so as, to ensure objectivity of the diagnosis. On such a basis, to highlight the close relationship between ecological degradation and ecological functions as well as the comprehensiveness of ecosystem degeneration in important ecological function areas, a train of thought and a flowchart for diagnosis of ecological degradation from the perspective of ecological maintaining ability, ecological self-restoration ability and ecological pressure have been brought forth, and an index system for the diagnosis has been set up. In order to embody the comprehensiveness and hierarchy of ecological degradation diagnosis, single factor analyses, including ecological function maintain index (EMI), ecological resilience index (ERI) and ecological pressure index (EPI), is combined with comprehensive analysis, and an integrated index for determining ecological degradation is set up for comprehensively diagnosis degree, which may provide some theoretical guidance and technical support for higher precision of the diagnosis of ecological degradation.

ecological degradation;diagnosis;idea;method;index

2015-12-24

環(huán)保公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201409055);北京市自然科學(xué)基金(8154046)

X24;X37;Q148

A

1673-4831(2016)05-0691-06

10.11934/j.issn.1673-4831.2016.05.001

田美榮(1981—),女,內(nèi)蒙古鄂爾多斯人,副研究員,博士,主要從事區(qū)域生態(tài)保護(hù)與修復(fù)研究。E-mail: tmr@nies.org

① 通信作者E-mail: gaojx168@163.com