社會(huì)-生態(tài)系統(tǒng)視角下沙漠化逆轉(zhuǎn)定量評(píng)價(jià)
——以寧夏鹽池縣為例

侯彩霞,周立華,文 巖,趙敏敏,陳 勇

1 中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院,沙漠與沙漠化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 蘭州 730000 2 中國(guó)科學(xué)院科技戰(zhàn)略咨詢研究院,北京 100190 3 中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049 4 北京師范大學(xué) 資源學(xué)院,北京 100875

社會(huì)-生態(tài)系統(tǒng)視角下沙漠化逆轉(zhuǎn)定量評(píng)價(jià)
——以寧夏鹽池縣為例

侯彩霞1,3,周立華1,2,*,文 巖4,趙敏敏1,3,陳 勇1,3

1 中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院,沙漠與沙漠化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 蘭州 730000 2 中國(guó)科學(xué)院科技戰(zhàn)略咨詢研究院,北京 100190 3 中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049 4 北京師范大學(xué) 資源學(xué)院,北京 100875

對(duì)沙漠化逆轉(zhuǎn)區(qū)進(jìn)行有效管理是沙漠化治理至關(guān)重要的環(huán)節(jié),研究沙漠化逆轉(zhuǎn)區(qū)社會(huì)-生態(tài)系統(tǒng)的干擾狀況可以為沙漠化逆轉(zhuǎn)區(qū)的管理提供理論支持。基于MODIS NDVI產(chǎn)品數(shù)據(jù),用移動(dòng)窗口法則計(jì)算了不同空間尺度上鹽池縣社會(huì)-生態(tài)系統(tǒng)的干擾強(qiáng)度和干擾連通度,并分析了2000—2015年間不同時(shí)間段內(nèi)寧夏鹽池縣社會(huì)-生態(tài)系統(tǒng)干擾的空間分布。結(jié)果表明：①鹽池縣不同時(shí)間段內(nèi)社會(huì)-生態(tài)系統(tǒng)干擾的空間分布具有較大差異,2000—2004年強(qiáng)干擾主要集中于鹽池縣的南部；2004—2008年強(qiáng)干擾在北部、中部均有表現(xiàn)；2008—2012年強(qiáng)干擾分別位于東、中、西3個(gè)小區(qū)域,并沒(méi)有集中于一個(gè)區(qū)域,且北部強(qiáng)干擾區(qū)域進(jìn)一步增強(qiáng)；2012—2015年強(qiáng)干擾的區(qū)域主要集中于縣域的北部、中西部和西北部。②不同空間尺度上社會(huì)-生態(tài)系統(tǒng)干擾強(qiáng)度和連通度有很大差異,隨著移動(dòng)窗口的增大,不同集群的干擾類型也發(fā)生了變化,主要表現(xiàn)為低干擾離散型向低干擾集聚型轉(zhuǎn)變,高干擾集聚型向低干擾離散型轉(zhuǎn)變。③總體上看,除了個(gè)別區(qū)域社會(huì)-生態(tài)系統(tǒng)干擾強(qiáng)度和連通度較大以外,鹽池縣大部分地區(qū)社會(huì)-生態(tài)系統(tǒng)受干擾的強(qiáng)度和連通度并不大,沙漠化逆轉(zhuǎn)程度較低,還有待進(jìn)一步加強(qiáng)沙漠化治理力度。

沙漠化地區(qū)；生態(tài)恢復(fù)；社會(huì)-生態(tài)系統(tǒng)；干擾強(qiáng)度；干擾連通度

沙漠化是人類社會(huì)面臨的重要問(wèn)題之一,如何預(yù)防和治理沙漠化也成為當(dāng)前國(guó)際研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)[1,2]。中國(guó)作為世界上受沙漠化影響最為嚴(yán)重的國(guó)家之一,高度重視對(duì)沙漠化問(wèn)題的研究和治理。近年來(lái),中國(guó)的沙漠化治理取得了顯著成效[3],但沙漠化是干旱半干旱區(qū)特殊的自然環(huán)境和長(zhǎng)期以來(lái)不合理的人類活動(dòng)共同作用所致[4,5],沙漠化的威脅仍會(huì)長(zhǎng)期存在,因此如何對(duì)沙漠化逆轉(zhuǎn)區(qū)進(jìn)行有效合理的管理成為亟需解決的問(wèn)題。以往對(duì)沙漠化研究大多從生態(tài)系統(tǒng)或社會(huì)經(jīng)濟(jì)的某一方面進(jìn)行研究,較少把兩者結(jié)合起來(lái),從整體的角度分析問(wèn)題[6]。2009年Elinor Ostrom在Science上發(fā)表論文提出社會(huì)-生態(tài)系統(tǒng)的理論分析框架[7],為從社會(huì)-生態(tài)系統(tǒng)整體性角度研究沙漠化治理提供了理論基礎(chǔ)。

恢復(fù)力是社會(huì)-生態(tài)系統(tǒng)的重要屬性[8-9],Holling將恢復(fù)力正式引入社會(huì)-生態(tài)系統(tǒng),將恢復(fù)力定義為系統(tǒng)經(jīng)受干擾并可維持其功能和控制的能力[10]；Adger認(rèn)為恢復(fù)力是在社會(huì)-生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)入到一個(gè)由其它過(guò)程集合控制的穩(wěn)態(tài)之前系統(tǒng)可以承受干擾的大小[11]；Carpenter等將恢復(fù)力定義為系統(tǒng)能夠承受且可以保持系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能、特性以及對(duì)結(jié)構(gòu)、功能的反饋在本質(zhì)上不發(fā)生改變的干擾大小[12]。因此,干擾理論也被認(rèn)為是社會(huì)-生態(tài)系統(tǒng)最主要的理論之一[9,13],是測(cè)量社會(huì)-生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)力的重要方法[13]。植被變化是區(qū)域社會(huì)-生態(tài)系統(tǒng)變化的最直接反應(yīng),遙感技術(shù)為區(qū)域植被變化的監(jiān)測(cè)提供了數(shù)據(jù)支持,基于NDVI數(shù)據(jù)的多尺度社會(huì)-生態(tài)系統(tǒng)干擾分析,可以評(píng)價(jià)當(dāng)前社會(huì)-生態(tài)系統(tǒng)受干擾的強(qiáng)度及其周圍環(huán)境受干擾的可能性,為社會(huì)-生態(tài)系統(tǒng)的管理提供數(shù)據(jù)支持。

寧夏回族自治區(qū)鹽池縣是典型的沙漠化地區(qū),生態(tài)環(huán)境十分脆弱。自2000年來(lái),國(guó)家在鹽池縣持續(xù)實(shí)施了退耕還林工程和禁牧政策,致力于抑制和逆轉(zhuǎn)當(dāng)?shù)氐纳衬?已取得了一定成效。如何科學(xué)合理的維持當(dāng)?shù)厣鐣?huì)-生態(tài)系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn),保護(hù)沙漠化治理成果,成為當(dāng)前研究的重點(diǎn)。本文選擇2000、2004、2008、2012和2015年5個(gè)時(shí)期的MODIS NDVI產(chǎn)品,用移動(dòng)窗口法則計(jì)算了不同空間尺度下鹽池縣社會(huì)-生態(tài)系統(tǒng)的干擾強(qiáng)度(PD)和干擾連通度(PDD),并根據(jù)社會(huì)-生態(tài)系統(tǒng)的干擾強(qiáng)度、干擾連通度分析了鹽池縣在禁牧政策實(shí)施期間社會(huì)-生態(tài)系統(tǒng)受干擾狀況,旨在為沙漠化逆轉(zhuǎn)區(qū)社會(huì)-生態(tài)系統(tǒng)的管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

鹽池縣位于寧夏回族自治區(qū)東部(北緯37°04′—38°10′,東經(jīng)106°30′—107°41′),總面積約6744km2,海拔1295—1951m,北鄰毛烏素沙漠,東南與黃土高原相連,地勢(shì)南高北低,自東南向北由黃土丘陵向鄂爾多斯臺(tái)地(沙地)過(guò)渡,氣候從半干旱區(qū)向干旱區(qū)過(guò)渡,植被從干草原植被向荒漠草原植被過(guò)渡,屬于典型的過(guò)渡地帶,這種地理上的過(guò)渡性造成了自然資源多樣性和脆弱性的特點(diǎn)。鹽池縣年平均氣溫8.1℃,年降水僅250—350mm,并從東南向西北遞減,年蒸發(fā)量為降水量的5倍,年平均風(fēng)速2.8m/s,年平均大風(fēng)日24.2d,沙暴日數(shù)20.6d,屬于典型的溫帶大陸性氣候。植被類型以灌叢、草原、草甸、沙地植被和荒漠植被為主,其中灌叢、草原、沙地植被數(shù)量較大,分布廣,社會(huì)-生態(tài)系統(tǒng)脆弱,易受干擾。

圖1 研究區(qū)概況圖Fig.1 The study area

鹽池縣現(xiàn)轄花馬池鎮(zhèn),大水坑鎮(zhèn),惠安堡鎮(zhèn),高沙窩鎮(zhèn),王樂(lè)井鄉(xiāng),馮記溝鄉(xiāng),青山鄉(xiāng),麻黃山鄉(xiāng)四鎮(zhèn)四鄉(xiāng),總?cè)丝?7.1萬(wàn)人,其中農(nóng)業(yè)人口13.7萬(wàn)人,占全縣人口的79.1%,少數(shù)民族人口4094人,以回族為主。全縣有耕地88886hm2,人均0.52hm2,其中水澆地13534hm2。2015年完成造林面積11275hm2,年末實(shí)有封山育林面積20444hm2。2015年農(nóng)林牧漁及其服務(wù)業(yè)總產(chǎn)值1.2×109元,其中農(nóng)業(yè)4.6×108元,牧業(yè)5.8×108元,林業(yè)9.7×107元,漁業(yè)7.6×105元。2015年鹽池縣工業(yè)總產(chǎn)值5.4×109元,其中絕大部分來(lái)自石油開(kāi)采[10]。鹽池縣經(jīng)濟(jì)以畜牧業(yè)和農(nóng)業(yè)為主,素有“甘草之鄉(xiāng)”和“灘羊之鄉(xiāng)”之稱,工業(yè)則以粗放的礦產(chǎn)采掘業(yè)為主。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

MODIS NDVI產(chǎn)品數(shù)據(jù)以其高時(shí)間分辨率的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于植被變化的研究中,本文選擇2000、2004、2008、2012、2015年6、7、8三個(gè)月份的MODIS NDVI產(chǎn)品數(shù)據(jù)(下載自http://glovis.usgs.gov/,空間分辨率為250m,時(shí)間分辨率為16d)來(lái)表征鹽池縣的植被變化,利用MRT(MODIS Reprojection Tool)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行投影變換,并用最大值合成法MVC(Maximum Value Composites)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行合成[14]。Zurlini等認(rèn)為4a作為一個(gè)時(shí)間窗口可以反映如農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、干旱、疾病火災(zāi)和城市化等引起的NDVI的變化[15],若間隔時(shí)間太長(zhǎng),可能忽略中間的干擾變化,若間隔時(shí)間太短,則干擾變化可能無(wú)法形成。為了評(píng)估鹽池縣社會(huì)-生態(tài)系統(tǒng)干擾在時(shí)間和空間上的變化,基于當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況及數(shù)據(jù)的可得性,本文選擇2000—2004,2004—2008,2008—2012,2012—2015年四個(gè)時(shí)間段的NDVI數(shù)據(jù)計(jì)算不同時(shí)期鹽池縣社會(huì)-生態(tài)系統(tǒng)的干擾值和干擾連通度。

2.2 研究方法

(1)干擾測(cè)算

Petraitis等研究認(rèn)為,某地不同年份相同或相近時(shí)間上NDVI的極端變化稱為干擾[16],當(dāng)NDVI數(shù)值變的很大時(shí),說(shuō)明植被覆蓋增加明顯；當(dāng)NDVI變得很小時(shí),則說(shuō)明植被退化嚴(yán)重,甚至成為裸地。干擾有正、負(fù)之分,正面的干擾(NDVI數(shù)值增大)可能來(lái)自諸如退耕還林/還草等人類活動(dòng)導(dǎo)致的植被生長(zhǎng)良好；過(guò)度放牧、連年旱災(zāi)都可能導(dǎo)致植被退化,出現(xiàn)負(fù)面的干擾(NDVI數(shù)值降低)[17]。無(wú)論干擾的正負(fù),它都會(huì)影響當(dāng)?shù)厣鐣?huì)-生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本文通過(guò)計(jì)算兩個(gè)時(shí)期NDVI的差異來(lái)辨識(shí)干擾,計(jì)算方法采用Zurlini.G使用的公式[18]：

(1)

公式(1)的計(jì)算結(jié)果為一幅灰度圖像,其直方圖基本呈正態(tài)分布,根據(jù)Petraitis有關(guān)NDVI極端變化的論述,NDVI是一個(gè)連續(xù)的變量,為了界定干擾有必要定義一個(gè)閾值,當(dāng)觀測(cè)到的變化超過(guò)閾值時(shí),該像元便可以視作變化的或受干擾的像元[16]。閾值是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差主觀設(shè)定的,選擇不同的閾值,灰度圖中受干擾的像元數(shù)是不一樣的。在本文中,參考前人的研究,將D(x,y)經(jīng)驗(yàn)分布的固定比率(10%)設(shè)置為干擾的閾值,獲取鹽池縣的干擾二值圖。這種選擇降低了在高比率分析時(shí)出現(xiàn)的“背景噪聲”或低比率時(shí)對(duì)少數(shù)極值的過(guò)分強(qiáng)調(diào)[19]。

(2)多尺度干擾模型

圖2 社會(huì)-生態(tài)系統(tǒng)干擾像元示意圖Fig.2 Example of the computation of Pd and Pdd for a landscape represented, where disturbed pixels are shaded灰色表示干擾,白色表示不干擾;因此中心像元的干擾值PD=6/9；窗口任意相鄰的兩個(gè)像元兩兩組合共有12對(duì),其中至少有一個(gè)像元為干擾像元的組合為11對(duì),兩個(gè)像元同時(shí)為干擾像元的組合有5對(duì),因此中心像元的干擾連通度PDD=5/11

通過(guò)設(shè)置不同大小的移動(dòng)窗口,可以定量計(jì)算像元在不同大小窗口內(nèi)的干擾值(PD),并討論該像元在不同大小窗口內(nèi)干擾連通度(PDD),從而綜合表達(dá)該像元自身及其周圍環(huán)境的受干擾狀況。本文借鑒Zurlin和楊新軍等[17,19]的研究成果并根據(jù)研究區(qū)的實(shí)際情況,選取了10組不同大小的移動(dòng)窗口計(jì)算每個(gè)像元的PD和PDD。窗口的大小分別為3×3(0.56km2),5×5(1.56km2),7×7(3.06km2),9×9(5.06km2),15×15(14.06km2),21×21(27.56km2),27×27(45.56km2),33×33(68.06km2),39×39(95.06km2),45×45(126.56km2)。對(duì)每個(gè)窗口,統(tǒng)計(jì)像元及其周圍像元的干擾像元的數(shù)量,計(jì)算中心像元的干擾值和干擾連通度[17,20]。以3×3窗口為例,具體的算法如圖所示：

對(duì)于一個(gè)固定的像元,其PD和PDD隨著窗口大小的變化趨勢(shì)可以解釋該像元在不同空間范圍內(nèi)干擾的變化,如當(dāng)像元在小窗口內(nèi)PD值很高而在相同位置大窗口內(nèi)PD值很低,說(shuō)明該像元為高干擾的小窗口鑲嵌在低干擾的大窗口內(nèi)。

3 結(jié)果分析

3.1 社會(huì)-生態(tài)系統(tǒng)干擾的空間分析

根據(jù)公式(1)計(jì)算2000—2004、2004—2008、2008—2012、和2012—2015年4個(gè)時(shí)期的NDVI變化,并取像元經(jīng)驗(yàn)分布的10%作為干擾像元,用圖(2)所示PD的計(jì)算方法分別計(jì)算10個(gè)窗口下的干擾值?？臻g聚類的方法可以研究不同干擾類別在空間上的差異,而類別內(nèi)部差異較小。分別將各個(gè)時(shí)期10個(gè)窗口生成的PD圖層聚為7類,其空間分布如圖3所示,集群C1-C7的PD逐漸增加。

圖3 社會(huì)-生態(tài)系統(tǒng)干擾聚類圖Fig.3 Social-ecological system disturbance distribution of seven clusters

研究結(jié)果顯示,不同時(shí)間段內(nèi)鹽池縣社會(huì)-生態(tài)系統(tǒng)干擾的空間分布具有較大差異,2000—2004年強(qiáng)干擾主要集中于縣域南部；2004—2008年強(qiáng)干擾在北部、中部均有出現(xiàn),南部的強(qiáng)干擾消失；2008—2012年強(qiáng)干擾的空間分布與2000—2004年類似,但南部的強(qiáng)干擾分別位于東、中、西3個(gè)小區(qū)域,并沒(méi)有集中于一個(gè)區(qū)域,且北部強(qiáng)干擾區(qū)域進(jìn)一步增強(qiáng)；2012—2015年強(qiáng)干擾的區(qū)域主要集中于縣域的北方、中西部和西北部(圖3)。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果(表1)顯示,2000—2004年期間,鹽池縣社會(huì)-生態(tài)系統(tǒng)受干擾最強(qiáng)的集群C6和C7所占面積分別為329.43km2和123.09km2,主要分布于南部山區(qū)(圖3)。主要是因?yàn)槟喜康貐^(qū)地勢(shì)較高,以山地為主,從2000年國(guó)家實(shí)施退耕還林工程后[21],人們開(kāi)始積極在南部山區(qū)進(jìn)行退耕還林工程,通過(guò)對(duì)NDVI的分析發(fā)現(xiàn)南部山區(qū)的植被變化較大且以增加為主,說(shuō)明采取沙漠化治理措施之后,鹽池縣南部地區(qū)社會(huì)-生態(tài)系統(tǒng)受到正向的干擾。

2004—2008年期間,鹽池縣社會(huì)-生態(tài)系統(tǒng)受干擾面積進(jìn)一步擴(kuò)大,受干擾最強(qiáng)的C6和C7分別為437.38km2和247.20km2,比上個(gè)階段增加了232.06km2(表1)。從空間上來(lái)看,受干擾最強(qiáng)的C7從南部轉(zhuǎn)移到了中部和北部地區(qū),北部地區(qū)的干擾集群出現(xiàn)連續(xù)分布的特征,而中部地區(qū)的干擾集群則呈現(xiàn)孤島式的分布特征(圖3)。這主要和人類活動(dòng)有關(guān),由于前一階段人們活動(dòng)主要是在南部山區(qū)進(jìn)行,經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的退耕還林工程后,南方山區(qū)生態(tài)環(huán)境得到恢復(fù)。這個(gè)時(shí)期人們活動(dòng)的焦點(diǎn)主要是北部和中部的草地和荒漠區(qū),對(duì)該地區(qū)實(shí)施了禁牧封育政策,使得該區(qū)域草地得到很好的恢復(fù)。同時(shí)2008年降水量減少,對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)造成了很大的影響,而農(nóng)業(yè)用地主要在中部和北部地勢(shì)平坦的地區(qū),同時(shí)也對(duì)草地和林地的恢復(fù)造成一定的影響,綜合正向干擾和負(fù)向干擾的結(jié)果,北部和中部的草地和農(nóng)田受到了強(qiáng)烈干擾。

2008—2012期間,鹽池縣社會(huì)-生態(tài)系統(tǒng)受干擾最強(qiáng)的C6和C7面積有所減少,分別為224.56km2和210.64km2,比上個(gè)階段減少了249.38km2(表1)。從空間上來(lái)看,主要受干擾的地區(qū)出現(xiàn)在西部和南部,而且分布較分散(圖3)。這些地區(qū)主要是草原和荒漠區(qū),由于禁牧政策以及其他防沙治沙工程的繼續(xù)實(shí)施,使得草地和荒漠地區(qū)生態(tài)環(huán)境得到了恢復(fù)。而且受到2008年降水減少的影響,南部山區(qū)受到了一定影響[22],與草地相比,林地的恢復(fù)較滯后。因此,在這個(gè)時(shí)期南部地區(qū)也受到很強(qiáng)的干擾。

2012—2015期間,鹽池縣社會(huì)-生態(tài)系統(tǒng)受到的干擾進(jìn)一步增強(qiáng),受干擾最強(qiáng)的C6和C7面積進(jìn)一步擴(kuò)大,達(dá)到386.96km2和397.87km2,尤其是C7的面積,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了前3個(gè)時(shí)期(表1)。從空間上來(lái)看,這個(gè)時(shí)期干擾主要集中分布在鹽池縣的西北、東北和中西部地區(qū),且呈現(xiàn)聚集分布的態(tài)勢(shì),說(shuō)明在此期間社會(huì)-生態(tài)系統(tǒng)受到的干擾更為聚集(圖3)。這主要是由于2011年開(kāi)始實(shí)施的草原生態(tài)保護(hù)補(bǔ)助獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制,而這些受干擾強(qiáng)烈的地區(qū)大都是草原和荒漠區(qū),在政策和利益的驅(qū)動(dòng)下,使得當(dāng)?shù)氐牟菰玫搅撕芎玫谋Ｗo(hù),荒漠化地區(qū)得到很大程度的恢復(fù)。

由此可見(jiàn),沙漠化逆轉(zhuǎn)區(qū)社會(huì)-生態(tài)系統(tǒng)比較脆弱,很容易受到干擾,而影響干擾的原因主要是人類活動(dòng)和自然環(huán)境共同作用的結(jié)果,尤其是政策和降水對(duì)當(dāng)?shù)氐挠绊懕容^強(qiáng)烈。通過(guò)分析植被NDVI的變化可知,鹽池縣社會(huì)-生態(tài)系統(tǒng)受到的干擾以正向干擾為主,當(dāng)?shù)刂脖坏玫搅撕芎玫幕謴?fù),但是也有一部分是負(fù)向干擾,比如降水減少,土壤結(jié)皮以及當(dāng)?shù)赝的连F(xiàn)象的存在,對(duì)植被恢復(fù)造成了一定影響。

表1 社會(huì)-生態(tài)系統(tǒng)受干擾面積/km2

3.2 社會(huì)-生態(tài)系統(tǒng)干擾的強(qiáng)度和連通度分析

3.2.1 社會(huì)-生態(tài)系統(tǒng)干擾的強(qiáng)度分析

分別計(jì)算了每個(gè)時(shí)期各集群在不同移動(dòng)窗口下干擾的平均值(圖4),可以對(duì)各集群在不同空間尺度上的受干擾狀態(tài)進(jìn)行分析。結(jié)果顯示,在4個(gè)階段中,C1和C2不論在小窗口還是在大窗口,PD的平均值都在0—0.1之間,很少發(fā)生變化或保持不變,說(shuō)明C1和C2受到的干擾很小,他們包含了所有幾乎未受干擾的區(qū)域。2000—2004年,C7在最小窗口上的PD值接近0.9,隨著窗口的增大,PD值不斷減小,但是最小值也大于0.6,說(shuō)明C7在該時(shí)期受干擾強(qiáng)度最大。其他3個(gè)時(shí)期的C7在最小窗口上干擾值接近0.8,隨著窗口的擴(kuò)大,PD值不斷減小,最小值在0.3左右。C6干擾強(qiáng)度隨窗口擴(kuò)大而逐漸減小,2000—2004年,C6的PD值在0.3到0.8之間,其他3個(gè)時(shí)期PD值在0.2到0.6之間。C6和C7幾乎包含了所有受干擾比較強(qiáng)的區(qū)域。C3、C4、C5干擾值有很大的差異,代表了干擾的不同類型,反映了干擾的空間變化。比如,2000—2004年期間的C3,在小的區(qū)域內(nèi)不受干擾,但是它鑲嵌在一個(gè)受干擾嚴(yán)重的大區(qū)域內(nèi)；C4在小區(qū)域內(nèi)受干擾嚴(yán)重,但是他鑲嵌在一個(gè)不受干擾的大區(qū)域內(nèi)。除2004—2008年期間,剩余3個(gè)時(shí)期的C5,干擾值隨著窗口的增加先增加后減小,說(shuō)明C5在小區(qū)域和大區(qū)域都是相對(duì)不受干擾的區(qū)域,但在中間大小的窗口內(nèi)該區(qū)域更容易受干擾(圖4)。

圖4 社會(huì)-生態(tài)系統(tǒng)干擾值(PD),氣泡大小代表移動(dòng)窗口的大小Fig.4 Social-ecological system disturbance intensity (PD),bubbles size represent the size of the moving windows

3.2.2 社會(huì)-生態(tài)系統(tǒng)干擾的連通度分析

社會(huì)-生態(tài)系統(tǒng)干擾的連通度(PDD)對(duì)于社會(huì)-生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)力的研究有重要的作用。它反映了不同干擾集群隨著窗口的增大社會(huì)-生態(tài)系統(tǒng)受干擾可能性的大小。本文運(yùn)用移動(dòng)窗口計(jì)算法則進(jìn)一步分析了社會(huì)-生態(tài)系統(tǒng)的連通度(圖5)。研究結(jié)果顯示,2000—2004期間,隨著窗口的擴(kuò)大,C7的干擾連通度略有所降低,最終PDD趨于0.8附近,受干擾的可能性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他集群。C1上升速度較慢,PDD值趨于0.2附近,說(shuō)明C1受干擾的可能性很小。C3和C5隨著窗口的擴(kuò)大,PDD值快速上升,最終趨于0.6附近,說(shuō)明C3和C5受干擾的可能性較大。C2和C4的PDD最終趨于0.4。2004—2008,2008—2012,2012—2015年3個(gè)期間,隨著窗口的擴(kuò)大,C1到C5的PDD值逐漸增大,C6和C7的PDD值不斷減小,最終PDD值大都趨于0.3到0.5之間(圖5),可見(jiàn)這3個(gè)時(shí)期社會(huì)-生態(tài)系統(tǒng)受干擾的幾率較小。

圖5 鹽池縣社會(huì)-生態(tài)系統(tǒng)的連通度(PDD)Fig.5 Social-ecological system disturbance connectivity (PDD)

3.3 社會(huì)-生態(tài)系統(tǒng)干擾的空間結(jié)構(gòu)

PD和PDD的值均與同樣大小窗口內(nèi)的干擾像元的數(shù)量有關(guān),因此在一個(gè)窗口內(nèi)二者必然存在一定的關(guān)聯(lián),弄清楚這種關(guān)聯(lián)有助于探索干擾的空間結(jié)構(gòu)。圖6顯示了不同PD-PDD值干擾的空間結(jié)構(gòu),當(dāng)PD>PDD時(shí),干擾和非干擾呈離散分布(圖7a和c),稱高干擾離散型(圖6a)和低干擾離散型(圖6c),當(dāng)PD

圖6 社會(huì)-生態(tài)系統(tǒng)干擾類型示意圖[19]Fig.6 A example of social-ecological system disturbance type

研究結(jié)果顯示,隨著窗口的不斷擴(kuò)大,每個(gè)集群的軌跡最終將會(huì)收斂于某一個(gè)點(diǎn),4個(gè)時(shí)期的收斂點(diǎn)分別為PD=0.1,PDD=0.431、PD=0.1,PDD=0.396、PD=0.1,PDD=0.407、PD=0.1,PDD=0.4。這些點(diǎn)都在PD=0.1,PDD=0.4周圍(圖7)。事實(shí)上,C1(最小干擾)和C7(最大干擾)在PD-PDD空間上是兩條簡(jiǎn)單的曲線,這兩條曲線是沿著PD=PDD為軸線的一個(gè)橢圓的一部分,我們把這條曲線定為干擾的基線,在這條曲線上系統(tǒng)所有的結(jié)構(gòu)都可能發(fā)生。由此便可以分析每個(gè)集群的運(yùn)動(dòng)軌跡。

四個(gè)時(shí)期的C2和C3都幾乎平行于這條基線,并且隨著窗口的擴(kuò)大PD值和PDD值不斷增大,可見(jiàn)這些集群運(yùn)動(dòng)軌跡是由低干擾離散型向低干擾集聚型轉(zhuǎn)變,干擾幾率不斷增大。說(shuō)明這些集群的干擾強(qiáng)度將會(huì)隨著窗口的增大而增加。C6在這條基線之上并平行于它,隨著窗口的擴(kuò)大PD值和PDD值不斷減小,可見(jiàn)C6的運(yùn)動(dòng)軌跡是由高干擾集聚型向低干擾離散型轉(zhuǎn)變,說(shuō)明C6的干擾強(qiáng)度將會(huì)隨著窗口的增大而減小。C4和C5在基線之上但不平行于該基線,他們的PD值和PDD值一開(kāi)始是增加,但是接著當(dāng)軌跡接近基線時(shí)PD值和PDD值開(kāi)始減小?？梢?jiàn),隨著窗口的擴(kuò)大,C4和C5運(yùn)動(dòng)軌跡是由低干擾離散型向高干擾集聚型轉(zhuǎn)變,隨后又向低干擾集聚型轉(zhuǎn)變,最終趨于當(dāng)?shù)氐钠骄?圖7)。

4 結(jié)論

4.1 結(jié)論

(1)不同時(shí)間段內(nèi)社會(huì)-生態(tài)系統(tǒng)的干擾值空間分布差異較大,2000—2004年強(qiáng)干擾主要集中于鹽池縣南部；2004—2008年強(qiáng)干擾在北部、中部均有表現(xiàn),南部的強(qiáng)干擾消失；2008—2012年南部的強(qiáng)干擾分別位于東、中、西3個(gè)小區(qū)域,并沒(méi)有集中于一個(gè)區(qū)域,且北部強(qiáng)干擾區(qū)域進(jìn)一步增強(qiáng)；2012—2015年強(qiáng)干擾的區(qū)域則主要集中于縣域的北方、中西部和西北部。

圖7 鹽池縣社會(huì)-生態(tài)系統(tǒng)受干擾類型圖Fig.7 Social-ecological system disturbance type in Yanchi

(2)不同空間尺度上社會(huì)-生態(tài)系統(tǒng)干擾強(qiáng)度和連通度不同,不同的集群包含了干擾強(qiáng)度不同區(qū)域,C1和C2幾乎包含了所有幾乎未受干擾的區(qū)域,且隨著窗口擴(kuò)大,干擾值和連通度都明顯增大,干擾曲線運(yùn)動(dòng)軌跡由低干擾離散型向低干擾集聚型轉(zhuǎn)變；C6和C7包含了干擾強(qiáng)度最大的區(qū)域,且隨著窗口擴(kuò)大,干擾值和連通度都明顯減小,干擾曲線運(yùn)動(dòng)軌跡由高干擾集聚型向低干擾離散型轉(zhuǎn)變。

(3)總體上看,除了個(gè)別區(qū)域社會(huì)-生態(tài)系統(tǒng)干擾強(qiáng)度和連通度較大以外,鹽池縣大部分地區(qū)社會(huì)-生態(tài)系統(tǒng)干擾強(qiáng)度和連通度并不大,可見(jiàn)鹽池縣沙漠化雖有逆轉(zhuǎn),但逆轉(zhuǎn)程度較低,還有待進(jìn)一步加強(qiáng)沙漠化治理力度。

4.2 討論

2000—2004,2004—2008,2008—2012和2012—2015年四個(gè)時(shí)期段鹽池縣的社會(huì)-生態(tài)系統(tǒng)干擾強(qiáng)度和連通度在空間上存在很大差異,2000—2004年期間的社會(huì)-生態(tài)系統(tǒng)干擾強(qiáng)度和連通度最大,這主要是因?yàn)辂}池縣作為沙漠化逆轉(zhuǎn)區(qū),社會(huì)-生態(tài)系統(tǒng)比較脆弱,容易受到干擾,且正值退耕還林和全縣禁牧政策實(shí)施的初始階段,對(duì)當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境影響較大,是生態(tài)環(huán)境的轉(zhuǎn)折點(diǎn),沙漠化逆轉(zhuǎn)效果明顯；2004—2008年期間,鹽池縣社會(huì)-生態(tài)系統(tǒng)受干擾面積比上個(gè)時(shí)期有所增長(zhǎng),但干擾強(qiáng)度和連通度不高,這主要是因?yàn)殡S著禁牧政策繼續(xù)實(shí)施,鹽池縣生態(tài)環(huán)境變化逐漸減小,趨于一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài),但由于2007年和2008年降雨量減少,當(dāng)?shù)刂脖黄毡槭艿接绊?干擾面積增大,沙漠化逆轉(zhuǎn)受到阻礙；2008—2012年期間,社會(huì)-生態(tài)系統(tǒng)的干擾面積有所減少,干擾強(qiáng)度和連通度也較小,主要干擾區(qū)位于西部和南部山區(qū),這主要是因?yàn)辂}池縣禁牧政策的實(shí)施已有一段時(shí)間,沙漠化逆轉(zhuǎn)達(dá)到了一定程度后,社會(huì)-生態(tài)系統(tǒng)變化不再明顯；2012—2015年期間,社會(huì)-生態(tài)系統(tǒng)的干擾強(qiáng)度和連通度沒(méi)有明顯的變化,但干擾面積卻有所增加,主要原因是2011年國(guó)家實(shí)施新的草原生態(tài)保護(hù)補(bǔ)助獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制,在新利益的驅(qū)動(dòng)下,人們對(duì)于保護(hù)草原和治理沙漠化的熱情高漲,沙漠化逆轉(zhuǎn)效果更加明顯,但隨著禁牧封育時(shí)間的增加,禁牧封育區(qū)土壤得不到牲畜的踐踏,結(jié)皮厚度不斷的增加,限制了當(dāng)?shù)刂脖粚?duì)降水的利用率,導(dǎo)致草地質(zhì)量下降[23],沙漠化逆轉(zhuǎn)受到了限制,這一時(shí)期鹽池縣社會(huì)-生態(tài)系統(tǒng)在正向干擾和負(fù)向干擾共同作用下,干擾面積達(dá)到了最大。另外,由于全縣禁牧政策實(shí)施,大部分農(nóng)戶失去了經(jīng)濟(jì)來(lái)源,雖有國(guó)家對(duì)禁牧進(jìn)行補(bǔ)償,但是相較于放牧帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)利益,補(bǔ)償太低,在利益的驅(qū)動(dòng)下,偷牧行為成為普遍現(xiàn)象,對(duì)沙漠化逆轉(zhuǎn)帶來(lái)了一定的負(fù)面影響。由此可見(jiàn),影響沙漠化逆轉(zhuǎn)的原因主要是人類活動(dòng)和自然環(huán)境共同作用的結(jié)果,尤其是政策和降水對(duì)當(dāng)?shù)氐挠绊懕容^強(qiáng)烈。在未來(lái)的研究中,將對(duì)影響沙漠化逆轉(zhuǎn)區(qū)社會(huì)-生態(tài)系統(tǒng)的因素進(jìn)行詳細(xì)研究。

4.3 政策建議

社會(huì)-生態(tài)系統(tǒng)受干擾的原因主要是人類活動(dòng)與自然環(huán)境的共同作用的結(jié)果,合理的政策實(shí)施有助于減小社會(huì)-生態(tài)系統(tǒng)負(fù)向干擾,增加正向干擾,促進(jìn)沙漠化逆轉(zhuǎn)。研究結(jié)果顯示,除了個(gè)別區(qū)域社會(huì)-生態(tài)系統(tǒng)干擾強(qiáng)度和連通度較大以外,鹽池縣大部分地區(qū)社會(huì)-生態(tài)系統(tǒng)受干擾的強(qiáng)度和連通度并不大,沙漠化逆轉(zhuǎn)程度低,還有待進(jìn)一步加強(qiáng)沙漠化治理力度。首先,根據(jù)沙漠化治理政策實(shí)施的效果和存在的問(wèn)題,不斷調(diào)整沙漠化治理政策,使其更加適合鹽池縣的實(shí)際情況,如對(duì)普遍存在的偷牧行為,政府要加大管理和監(jiān)督力度,同時(shí)還要?jiǎng)?chuàng)造條件幫助農(nóng)戶轉(zhuǎn)變生產(chǎn)方式,合理利用當(dāng)?shù)氐耐恋刭Y源,加強(qiáng)對(duì)更易受到干擾的土地利用類型的管理；其次,對(duì)于長(zhǎng)期禁牧政策引起的土壤結(jié)皮、草地退化現(xiàn)象,可以適當(dāng)?shù)倪M(jìn)行開(kāi)牧,如輪牧或者季節(jié)性放牧,這不僅有助于草地進(jìn)一步恢復(fù),還可增加農(nóng)戶收入,使當(dāng)?shù)厣鐣?huì)-生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)入良性循環(huán)；最后,政府需加大沙漠化治理政策的實(shí)施力度,充分發(fā)揮人類的主觀能動(dòng)性,積極的應(yīng)對(duì)可能出現(xiàn)的問(wèn)題,促使鹽池縣社會(huì)-生態(tài)系統(tǒng)良性發(fā)展,鞏固沙漠化治理成果的同時(shí),促進(jìn)鹽池縣沙漠化治理工作的進(jìn)一步推進(jìn)。

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Quantitativeevaluationofdesertificationrestorationbasedonthesocial-ecologicalsystemAcasestudyinYanchi,NingxiaHuiAutonomousRegion

HOU Caixia1,3, ZHOU Lihua1,2,*, WEN Yan4,ZHAO Minmin1,3, CHEN Yong1,3

1KeyLaboratoryofDesertandDesertification,NorthwestInstituteofEco-EnvironmentandResources,ChineseAcademyofSciences,Lanzhou730000,China2InstitutesofScienceandDevelopment,ChineseAcademyofSciences,Beijing100190,China3UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China4BeijingNormalUniversity,CollegeofResourcesScience&Technology,Beijing100875,China

The assessment of socio-ecological systems can reflect the effects of nature, social economics, and human activities on the ecological environment, which is helpful to understand the context of complex social-ecological systems. Desert areas are ideal for socio-ecological system assessments because the land cover of deserts seriously influences the improvement of the local ecological environment and social economy. Yanchi County in the Ningxia Hui Autonomous Region is a typical desertification area where the ecological environment is very fragile. The government has implemented the Grain for Green Project and a prohibited-grazing policy to suppress and reverse desertification since 2000,and these ecological policies have positive effects on ecological restoration of desert areas. Therefore, it is very important to control desertification and maintain the normal function of local social-ecological systems. In this paper, the social-ecological system disturbance in Yanchi County was analyzed to understand the changes of the local social-ecological system. The MODIS (Moderate resolution Imaging Spectrometer) normalized difference vegetation index (NDVI) data of the study region was applied to investigate the spatial distribution of the existing social-ecological system disturbance during 2000—2015. In addition, moving window computational algorithms were used to calculate social-ecological system disturbance intensity and connectivity at different spatial scales. The results showed that (1) the disturbance had different spatial distributions over different periods, and strong disturbances were mainly distributed in southern Yanchi County during 2000—2004, whereas strong disturbances were distributed in the northern and central areas during 2004—2008. Furthermore, strong disturbances were detected in three small areas: southeastern, central, and western Yanchi County during 2008—2012. Moreover, the proportion of strong disturbances in the North showed an increasing trend. Strong disturbances were mainly distributed in the north, mid-west, and northwest of the county during 2012—2015. (2) There was a significant difference of disturbance intensity and connectivity of social-ecological systems at multi-scale levels. The types of clusters changed with the increase in the study window: lower disturbance discrete types converted to lower disturbance concentration types, and higher disturbance concentration types converted to lower disturbance discrete types. (3) Overall, except in some small areas, the disturbance intensity and connectivity of social-ecological systems were generally not large in most regions of Yanchi County. However, the desertification management is still insufficient, and the government should implement additional active policies to control desertification in the future.

desertification region; ecological restoration; social ecological system; disturbance intensity; disturbance connectivity

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41471436,41471436,41601587);國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2015BAC06B01)

2016- 06- 30; < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版日期

日期:2017- 04- 25

*通訊作者Corresponding author.E-mail: lhzhou@lzb.ac.cn

10.5846/stxb201606301309

侯彩霞,周立華,文巖,趙敏敏,陳勇.社會(huì)-生態(tài)系統(tǒng)視角下沙漠化逆轉(zhuǎn)定量評(píng)價(jià)——以寧夏鹽池縣為例.生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(18):6186- 6195.

Hou C X, Zhou L H, Wen Y,Zhao M M,Chen Y.Quantitative evaluation of desertification restoration based on the social-ecological system: A case study in Yanchi, Ningxia Hui Autonomous Region.Acta Ecologica Sinica,2017,37(18):6186- 6195.