福建省草地資源生態(tài)安全評價

劉依川, 陳志彤, 陳松林, 應朝陽

(1.福建師范大學地理科學學院，福建 福州 350007；2.福建省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所/福建省山地草業(yè)工程技術研究中心/福建省紅壤山地農(nóng)業(yè)生態(tài)過程重點實驗室，福建 福州 350013)

草地資源關乎生態(tài)安全、糧食安全與社會經(jīng)濟發(fā)展，具有極其重要的生態(tài)、經(jīng)濟和社會價值[1,2].我國草地資源豐富，草地是我國面積最大的綠色植被和生物資源，也是我國陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要主體和生態(tài)文明建設的主戰(zhàn)場之一[3].加強草地資源生態(tài)環(huán)境保護[4,5]，必須研究草地資源.草地資源作為福建省重要的自然資源和國土資源，不僅是水土保持、水源涵養(yǎng)等維系生態(tài)平衡的重要載體，還是畜牧業(yè)、旅游業(yè)等促進經(jīng)濟發(fā)展和提高人民生活水平的動力之一[1].

福建省草地資源多零星分布，開發(fā)利用難度較大，長期以來處于無人管理的荒廢狀態(tài)[6,7].游大輝[8]、楊睦忠[9]、姚頌恩[10]和董曉寧[11]等對福建省草地資源的分布、類型、特征等進行研究.陳火清[12]、蘇水金[13]、應朝陽[7]和翁伯琦[14]等立足于福建省草地資源的發(fā)展?jié)摿蛢?yōu)勢條件，對山地草業(yè)、農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)發(fā)展中草地資源的開發(fā)利用情況進行研究.張國森[15]基于草地植物種類，對福建省天然草地有毒有害植物進行了調查.隨著經(jīng)濟發(fā)展水平和人們對生態(tài)環(huán)境要求的提高，草地資源受到重視，一些學者在水土保持、水源涵養(yǎng)和循環(huán)經(jīng)濟方面進行探索[16,17].另外，開展優(yōu)良牧草種的引進和改良、規(guī)?；斯げ輬龅慕ㄔO等[11,18-21].作為南方草地的重要組成部分，福建省草地資源在開發(fā)利用方面有極大的潛力，因此對福建省草地資源進行生態(tài)安全進行研究具有十分重要的現(xiàn)實意義.本研究通過壓力—狀態(tài)—響應框架模型構建草地資源生態(tài)安全評價體系，運用熵權法對各評價指標進行客觀賦權，并對福建省草地資源生態(tài)安全各層子系統(tǒng)層和綜合生態(tài)安全進行評價與分析；從資源環(huán)境壓力、草地狀態(tài)和社會經(jīng)濟響應等方面具體分析了各子系統(tǒng)草地資源生態(tài)安全狀態(tài)差異及其主要原因.

1 研究區(qū)概況

福建省位于我國東南沿海，地處北緯23°32′—28°19′，東經(jīng)115°51′—120°52′，包含福州、廈門、莆田、泉州、漳州、龍巖、三明、南平、寧德9個設區(qū)市和平潭綜合實驗區(qū)(平潭縣).為保證研究的統(tǒng)一性，將平潭綜合實驗區(qū)歸入福州市，其山地、丘陵占全省總面積的80%以上.屬亞熱帶季風氣候，雨量充沛.地帶性土壤為磚紅壤性紅壤、紅壤和黃壤，淋溶作用較強，肥力較差.植被覆蓋率較高，居于全國前列.

2 方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

以福建省9個設區(qū)市為研究對象，社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)來源于2015年福建省各市統(tǒng)計年鑒，草地數(shù)據(jù)(表1)來源于福建省農(nóng)科院天然草地資源調查資料.

2.2 草地生態(tài)安全評價指標體系的構建

影響福建省草地資源生態(tài)安全的因子復雜多樣，結合福建省獨特的自然地理特征和草地的基本請況，運用壓力—狀態(tài)—響應模型[22-24]，從資源環(huán)境壓力、草地狀態(tài)和社會經(jīng)濟響應3個子系統(tǒng)層選取了18個指標，構建了福建省草地資源生態(tài)安全評價指標體系(圖1).

表1 福建省2015年草地面積分布Table 1 Grassland resource structure of Fujian Province in 2015

2.2.1 壓力系統(tǒng) 福建省草地主要分布于高海拔山頂、濱海、河邊、江邊和農(nóng)(林)區(qū)，這些區(qū)域也分布有大量的園地、耕地和林地，與草地分布存在競爭關系，是影響草地分布的主要地類.人口密度和人均草地面積反映人口對草地系統(tǒng)的壓力狀況，人口密度越大，人均草地面積越小，對草地造成的壓力越大.

2.2.2 狀態(tài)系統(tǒng) 草地資源零星分散，斑塊特征不明顯，故分別選取多個景觀指標，綜合計算草地景觀破碎度指數(shù)、形狀指數(shù)和聚集度指數(shù).3個不同類型的景觀指數(shù)可以較全面反映草地的分布狀態(tài).其中，斑塊破碎度指數(shù)越大，草地細碎化程度越嚴重.形狀指數(shù)越大，草地受人為干擾越大.聚集度指數(shù)、草地平均NDVI和草地占比分布反映了草地的集中分布狀態(tài)、植被覆蓋情況和草地的重要程度.

2.2.3 響應系統(tǒng) 農(nóng)村居民人均可支配收入、人均GDP和GDP增長率是反映區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展狀況的主要因素，代表草地投入和建設的能力和潛力.畜牧業(yè)比重表示畜牧業(yè)產(chǎn)值在地區(qū)生產(chǎn)總值中的比重，可在一定程度上反映草地的產(chǎn)出狀況，同時也反映草地在區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展過程中的重要程度.

2.3 草地資源生態(tài)安全指標權重的確定

在生態(tài)安全評價過程中，權重的確定至關重要，常用的指標權重確定方法有專家打分法、熵權法、層次分析法和主成分分析法等.本研究采取熵權法確定各評價指標的權重.熵權法是一種客觀的定權方法，能夠立足數(shù)據(jù)本身所反映的信息，在消除人為因素的基礎上計算出各個指標的權重大小[23,25].依照熵權法的原理和步驟，利用Matlab軟件計算指標權重[26,27].對于正向指標來說，值越大越利于生態(tài)安全；對于逆向指標來說，值越小越利于生態(tài)安全.故在計算過程中將逆向指標取倒數(shù)，以消除逆向指標的影響.

圖1 福建省草地資源生態(tài)安全評價體系示意圖Fig.1 Schematic diagram of ecological security evaluation system of grassland resources in Fujian Province

熵值法的原理是權重隨指標的變化而變化，變化程度越大，信息效用值越大，權重值越大；反之，權重值越小.其確定權重的步驟如下：

(1)在m個樣本中有n項指標，那么第i個樣本的第j項評價指標表示為Xij(i=1，2...，m；j=1，2…，n).

(2)將所有數(shù)值寫成矩陣X={Xij}m×n，再進行標準化處理，得到新矩陣g={gij}m×n.

(3)計算第j項指標的信息熵ej和信息效用值dj.

(1)

dj=1-ej

(2)

(4)計算第j項指標的權重Wj：

(3)

2.4 草地資源生態(tài)安全綜合評判標準等級的劃分

判斷草地資源生態(tài)安全狀態(tài)是否適宜，可以通過生態(tài)安全指數(shù)對生態(tài)安全狀態(tài)進行等級評價.本研究參照文獻[28-30]和福建省草地資源的特征，將福建省草地資源生態(tài)安全狀態(tài)劃分為5級(表2).

3 結果與分析

基于2015年福建省9個設區(qū)市的18個草地資源生態(tài)安全評價指標，采用熵權法計算出各評價指標的權重值，并得出福建省9個設區(qū)市的子系統(tǒng)層指數(shù)和生態(tài)安全綜合指數(shù)，結果如圖2所示，2015年福建省草地綜合生態(tài)安全指數(shù)為0.28～0.51，9個設區(qū)市的平均生態(tài)安全指數(shù)為0.386.表明草地資源生態(tài)安全狀態(tài)處于一般水平，境內(nèi)草地生態(tài)環(huán)境受到一定干擾或破壞，生態(tài)系統(tǒng)結構穩(wěn)定性和完整性一般，局部地區(qū)存在生態(tài)環(huán)境問題和生態(tài)災害.研究區(qū)內(nèi)各層子系統(tǒng)中，三明市、龍巖市和南平市的草地資源生態(tài)壓力較小，泉州市、莆田市、漳州市和福州市的草地資源生態(tài)安全壓力較大；福州市和莆田市的草地生長狀態(tài)較好，廈門市的草地生長狀態(tài)較差；廈門市草地生態(tài)系統(tǒng)的社會經(jīng)濟響應能力優(yōu)勢明顯.

表2 福建省草地資源生態(tài)安全等級劃分Table 2 Classification of ecological security level of grassland resources in Fujian Province

圖2 福建省草地資源生態(tài)安全指數(shù)Fig.2 Ecological security index of grassland resources in Fujian Province

3.1 基于各子系統(tǒng)的草地資源生態(tài)安全評價

在壓力系統(tǒng)中，三明市、龍巖市和南平市的壓力指數(shù)較高，均在0.45以上；而泉州市、莆田市、漳州市和福州市在壓力系統(tǒng)中的壓力指數(shù)較低，均在0.25以下.從具體指標分析來看，壓力指數(shù)與各地類比重和人口的多少關系密切.福建省境內(nèi)山地、丘陵所占比重較大，草地多分布于高海拔山頂、濱海、河邊、江邊和農(nóng)(林)區(qū).在壓力系統(tǒng)中，與草地分布密切相關的耕地、林地和園地所占比重是影響草地生態(tài)安全的重要因素.從圖3可知，三明市、龍巖市和南平市土地總面積較大，分別占福建省土地總面積的18.52%，15.35%和21.2%，占區(qū)域土地總面積的比重不大.另外，這些區(qū)域的人口密度處于較低水平，人均草地面積較大，草地資源生態(tài)壓力較小.而泉州市、莆田市、漳州市和福州市的耕地、林地和園地占區(qū)域土地總面積的比重較大，人口稠密，造成草地資源生態(tài)安全壓力較大.

在狀態(tài)系統(tǒng)中，選取能夠反映草地破碎度、形狀復雜度和聚集度的景觀指數(shù)和草地平均NDVI.各景觀指數(shù)通過Fragstats 4.2計算得到.草地平均NDVI指數(shù)是根據(jù)各設區(qū)市的NDVI柵格數(shù)據(jù)中的分區(qū)統(tǒng)計功能提取獲得，可在一定程度上反映各設區(qū)市的草地植被覆蓋程度.福州市和莆田市的草地狀態(tài)指數(shù)較高，均在0.7以上.福州市和莆田市的草地景觀破碎度和形狀復雜度低、聚集度高，是草地生長狀態(tài)較好的區(qū)域，有利于草地生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性發(fā)展，草地受干擾和破壞程度較低.因廈門市草地平均NDVI指數(shù)和草地所占比重均處于較低水平，且與其他區(qū)域相差較大，所以廈門市為狀態(tài)指數(shù)最低的區(qū)域.多項狀態(tài)指標顯示其草地生長狀態(tài)較差，草地資源生態(tài)安全處于較低水平.

圖3 福建省各設區(qū)市土地總面積及園地、耕地和林地分布Fig.3 Total land area and distribution of garden land, cultivated land and forest land at municipal level in Fujian Province

在響應系統(tǒng)中，社會經(jīng)濟的發(fā)展是影響草地生態(tài)安全的重要因素.因此，選取與草地生態(tài)安全相關的社會經(jīng)濟因子，可以從經(jīng)濟發(fā)展、畜牧業(yè)發(fā)展、鄉(xiāng)村從業(yè)人員、農(nóng)民收入等方面?zhèn)让娣从巢莸刭Y源生態(tài)安全狀況.從圖4可知，經(jīng)濟發(fā)展好、農(nóng)民收入高的地區(qū)，對生態(tài)環(huán)境保護力度大，人們對土地的依賴較低，對草地的干擾和破壞程度就較低.廈門市經(jīng)濟實力較強，人均GDP和農(nóng)村居民人均可支配收入均在省內(nèi)排第1位，響應指數(shù)優(yōu)勢明顯.而人均GDP和GDP增長率均處于較低水平的寧德市響應指數(shù)最低，生態(tài)安全響應壓力較大.大部分區(qū)域響應指數(shù)為0.25～0.35.

圖4 福建省各設區(qū)市經(jīng)濟發(fā)展情況及鄉(xiāng)村從業(yè)人員分布Fig.4 Economic condition of each city in Fujian Province and distribution of rural employees

3.2 草地資源生態(tài)安全綜合評價

由于自然條件、草地資源的分布和社會經(jīng)濟發(fā)展水平存在差異，福建省草地資源生態(tài)安全狀況在空間上也存在較大差異.將福建省9個設區(qū)市作為生態(tài)安全空間差異評價單元，在評價過程中，運用前述的草地資源生態(tài)安全評價體系和評價方法，基于2015年各設區(qū)市的指標數(shù)據(jù)進行定量化計算；并結合福建省草地資源生態(tài)安全等級劃分，對9個設區(qū)市在空間上進行生態(tài)安全狀態(tài)差異對比.

由圖5可知：2015年福建省草地資源生態(tài)安全狀態(tài)多處于良好和一般的狀態(tài)；南平市、三明市和龍巖市生態(tài)安全狀態(tài)良好，綜合生態(tài)安全指數(shù)均大于0.45，境內(nèi)草地生態(tài)環(huán)境受較少干擾或破壞，生態(tài)系統(tǒng)結構尚穩(wěn)定且完整，生態(tài)環(huán)境問題和生態(tài)災害不明顯，生態(tài)修復能力較好；福州市、莆田市和廈門市的草地資源生態(tài)安全狀態(tài)一般，綜合生態(tài)安全指數(shù)為0.35～0.45，境內(nèi)草地生態(tài)環(huán)境受到一定的干擾或破壞，生態(tài)系統(tǒng)結構穩(wěn)定性和完整性一般，存在一些生態(tài)環(huán)境問題和生態(tài)災害；而位于沿海地區(qū)的寧德市、泉州市和漳州市的草地資源生態(tài)安全狀態(tài)較差，綜合生態(tài)安全指數(shù)均小于0.35，境內(nèi)草地生態(tài)環(huán)境受到較大干擾或破壞，生態(tài)系統(tǒng)結構不穩(wěn)定，功能性較差，生態(tài)災害和環(huán)境問題較多，生態(tài)修復能力較差.從生態(tài)安全綜合評價數(shù)值上看，三明市、南平市、龍巖市和福州市的草地資源綜合生態(tài)安全指數(shù)高于全省平均水平.其中，三明市的草地資源綜合生態(tài)安全指數(shù)最高，為0.51.草地資源生態(tài)安全水平從大到小表現(xiàn)為三明市>南平市>龍巖市>福州市>廈門市>莆田市>泉州市>寧德市>漳州市.

4 小結

基于壓力—狀態(tài)—響應模型對福建省草地資源生態(tài)安全狀態(tài)進行研究，并對草地資源綜合生態(tài)安全狀態(tài)進行空間分析與評價.結果表明，福建省草地資源生態(tài)安全綜合狀態(tài)一般，9個設區(qū)市草地資源生態(tài)安全多處于良好和一般的狀態(tài)，并呈內(nèi)陸優(yōu)于沿海的態(tài)勢.資源環(huán)境壓力、草地生長狀態(tài)和社會經(jīng)濟響應等是草地資源生態(tài)安全狀態(tài)產(chǎn)生差異的主要影響因素.

圖5 福建省草地生態(tài)安全狀態(tài)Fig.5 Ecological security state of grassland in Fujian Province