寧夏沙坡頭干旱沙漠自然保護區(qū)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性評估

高 翔,黃娉婷,王 可

蘭州大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院, 蘭州 730000

穩(wěn)定性是生態(tài)系統(tǒng)的基本特征之一,也是決定生態(tài)系統(tǒng)興亡的重要特征,對于維護生態(tài)安全和實現(xiàn)社會經(jīng)濟持續(xù)健康發(fā)展具有重要意義。干旱沙漠自然保護區(qū)多處于干旱、半干旱乃至半濕潤氣候帶,所特有的荒漠生態(tài)系統(tǒng)具有敏感性強、穩(wěn)定性較差的特點,總體呈現(xiàn)脆弱狀態(tài)。隨著人類開發(fā)建設(shè)活動加劇以及氣候變化影響,保護區(qū)生態(tài)系統(tǒng)在遭受沙漠化威脅同時面臨著結(jié)構(gòu)簡化、自我調(diào)節(jié)和抗逆能力下降等問題,監(jiān)測和評估生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性成為區(qū)域生態(tài)保護的重要內(nèi)容。生態(tài)系統(tǒng)具有復(fù)雜性,其內(nèi)部各組分非線性關(guān)聯(lián)的特征,系統(tǒng)狀態(tài)的漲落特征以及系統(tǒng)內(nèi)部的時空異質(zhì)性等復(fù)雜特征[1],使得生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性評測面臨許多困難。自20世紀50年代以來,大量學(xué)者對生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性展開研究和評測,主要方法包括野外觀測、模型分析與指標評判。由于指標的敏感性、信息多元性、復(fù)合性、動態(tài)性特點,指標評判已成為實踐評估中常用的方法。又由于指標的內(nèi)涵、生態(tài)意義和指標體系構(gòu)建邏輯思路存在差異,可將指標法生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性評估分為五類：(1)基于生物多樣性與穩(wěn)定性關(guān)系的評估。King和Pimm通過模擬系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)高等植物多樣性會導(dǎo)致更大生物量的穩(wěn)定性[2]。Doak等認為不同物種因?qū)Νh(huán)境變化的反應(yīng)不同,隨物種多樣性的增大其生態(tài)系統(tǒng)功能的變化將被緩沖,且物種之間相互關(guān)聯(lián)越小,多樣性對穩(wěn)定性的影響則越大[3]。中國大多學(xué)者認為物種多樣性是衡量生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性、演替及可持續(xù)性的一個重要指標[4-10]。(2)基于閾值的評估研究。生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性是不超過生態(tài)閾值的生態(tài)系統(tǒng)的敏感性和恢復(fù)力。不同的生態(tài)系統(tǒng)所承受的干擾水平不同、有不同的閾值[11]。如Westman對影響沼澤草地恢復(fù)的原油脅迫時間閾值的判斷[12]、中國干旱內(nèi)陸河流域維系天然植被生存的合理地下水位-生態(tài)水位的認知[13-16]。(3)基于結(jié)構(gòu)與功能指標的評估。Odum通過群落能量、群落結(jié)構(gòu)、營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)、生活史等7方面 22 項指標來評判生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。這7個方面分別代表生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能 與能流狀態(tài)[17]。國內(nèi)學(xué)者也從結(jié)構(gòu)與功能的不同側(cè)面指標分析了不同生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性[18-20]。(4)基于內(nèi)涵指標的評估?；趯Ψ€(wěn)定性內(nèi)涵的不同解讀,開展了針對不同類型生態(tài)系統(tǒng)的評價,代表性的成果包括針對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)[21]、森林生態(tài)系統(tǒng)[22]、保護區(qū)生態(tài)系統(tǒng)[23]等。(5)基于三效統(tǒng)一指標的生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性評估。綠洲生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展是干旱區(qū)發(fā)展所追求的基本目標,長期以來從自然、社會、經(jīng)濟3個層面指標綜合研究綠洲穩(wěn)定性的成果也較多,如針對張掖綠洲[24-26]、阜康綠洲[27]、精河綠洲[28-29]、額濟納綠洲[30]等的研究具代表性。

總體上,穩(wěn)定性評估目前尚未形成一個完善統(tǒng)一的評估體系,對生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的理解和判別方法等仍處于廣泛討論的起步階段,缺乏有力的理論基礎(chǔ)與技術(shù)支撐。因此,本文將從生態(tài)系統(tǒng)的基本穩(wěn)定性內(nèi)涵出發(fā),針對沙坡頭干旱沙漠自然保護區(qū)實際,提出其生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性評估方法體系,不僅能夠完善和豐富我國荒漠生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性評估技術(shù),而且可為我國干旱沙漠自然保護區(qū)的生態(tài)管理與建設(shè)提供實踐指導(dǎo)。

1 保護區(qū)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性評估指標體系構(gòu)建

生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性評估中指標體系的構(gòu)建涉及到了多學(xué)科領(lǐng)域,且評估指標種類繁多,邏輯框架搭建思路并非唯一,所以應(yīng)該遵循一定原則和依據(jù)選擇適當(dāng)?shù)脑u估指標和邏輯框架,使得指標明確,便于數(shù)據(jù)采集的同時能全面反映自然保護區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性狀況。

1.1 構(gòu)建原則和篩選的標準

系統(tǒng)、科學(xué)地選取系統(tǒng)穩(wěn)定性評估指標,確定各指標因子的貢獻率,對于評估結(jié)果的可信度和準確度十分重要。因此需要遵循一定的原則合理選取指標：

(1)科學(xué)性原則：全面、系統(tǒng)、準確體現(xiàn)穩(wěn)定性內(nèi)涵特征,反映生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部關(guān)系,生態(tài)系統(tǒng)所受外部干擾以及景觀空間格局帶來的影響。

(2)可持續(xù)性原則：指標選取在立足當(dāng)下的同時考慮未來的可持續(xù)利用。

(3)代表性原則：選擇具代表性的主導(dǎo)指標,同時能代表研究區(qū)域特殊環(huán)境。

(4)可行性原則：據(jù)實際選取敏感、可測、易得指標,注意定量和定性結(jié)合。

(5)綜合性原則：綜合考慮自然和人為、生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部外部的各種影響。

在此構(gòu)建原則基礎(chǔ)上,可將指標篩選標準歸納為8個方面,見下表1。

表1 干旱沙漠自然保護區(qū)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性評估指標篩選標準

1.2 評估指標選取的依據(jù)與邏輯框架

穩(wěn)定性是生態(tài)系統(tǒng)的重要特征之一,由于問題十分復(fù)雜,涉及內(nèi)容包括生態(tài)系統(tǒng)的類型、組成、生態(tài)功能和一切干擾因素,因此目前尚無統(tǒng)一的生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性測度與評估指標。目前比較認可基于穩(wěn)定性內(nèi)涵構(gòu)建指標體系,因此評估生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性時,從生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的三維內(nèi)涵(抵抗力穩(wěn)定性、恢復(fù)力穩(wěn)定性、演替穩(wěn)定性)出發(fā),選取相應(yīng)指標。

圖1 指標體系確立過程Fig.1 The establishment process of the index system

邏輯關(guān)系是構(gòu)架指標體系的基礎(chǔ),通過確定邏輯框架以及對評估指標進行組織分類,有助于提取和歸納有價值信息,實現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性綜合評估。指標體系構(gòu)建邏輯思路有兩條：主線是基于穩(wěn)定性的三維內(nèi)涵篩選出一系列復(fù)合指標;副線是在生態(tài)穩(wěn)定性敏感影響因素辨識基礎(chǔ)上,結(jié)合已有成果頻度分析,形成指標族(圖1)。復(fù)合指標與指標族的綜合形成初步指標體系,并向相關(guān)研究專家、保護區(qū)管理者等征詢意見,進行調(diào)整。進一步實地驗證部分指標的適宜性,形成最終指標體系。

1.3 評估指標體系

依據(jù)保護區(qū)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性評估指標體系構(gòu)建原則、邏輯關(guān)系,并結(jié)合沙坡頭自然保護區(qū)實際情況,構(gòu)建的指標體系包括3個子系統(tǒng)、7個復(fù)合指標、19個具體指標(圖2)。

圖2 干旱沙漠自然保護區(qū)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性評估指標體系Fig.2 The evaluation index system of ecosystem stability in arid desert nature reserve

抵抗力穩(wěn)定性是群落或生態(tài)系統(tǒng)在受到干擾后維持其原來結(jié)構(gòu)和功能狀態(tài)、抵抗干擾的能力。一方面生境的穩(wěn)定為群落或生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定奠定了良好基礎(chǔ),而生境中水土環(huán)境又是基本構(gòu)成。水土環(huán)境是生態(tài)系統(tǒng)生境的重要組成部分,也是維持生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)、生態(tài)功能的重要基礎(chǔ)。自然保護區(qū)水土環(huán)境一定程度上決定了植被群落的空間選擇與分布?？紤]到水分運移過程中對植物生長的相對有效性,可選擇土壤養(yǎng)分含量來反映“土”的信息,選擇土壤含水量、潛水水位來反映水土環(huán)境中的“水”的信息。另一方面,盡管生態(tài)系統(tǒng)大小難以界定,但對自然保護區(qū)而言,為保證保護對象生態(tài)功能及社會價值等的可持續(xù)性,保護區(qū)面積上要達到一定規(guī)模,也要有一定適宜的結(jié)構(gòu)?；哪愋妥匀槐Ｗo區(qū)處于沙漠向草原的過渡地帶,流沙區(qū)分布也是影響生物生存、群落或景觀格局的重要因素。面積適宜性選擇相對性比例指標,包括保護區(qū)核心區(qū)面積比例、保護區(qū)總面積大小與保護區(qū)內(nèi)流區(qū)面積比例。

恢復(fù)力穩(wěn)定性是指群落或生態(tài)系統(tǒng)受到干擾后回到原來狀態(tài)的能力。生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)能力很大程度上取決于植物群落組成,對于特殊沙漠地區(qū)來說沙生植物及原生種的發(fā)展狀況是制約區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)力的重要方面。生活在以沙粒為基質(zhì)的沙區(qū)的植物被稱為沙生植物,這些沙生植物由于長期生活在風(fēng)沙大、雨水少、冷熱多變的嚴酷氣候下,適應(yīng)惡劣環(huán)境能力很強,對植被穩(wěn)定的作用很大。原生植物在生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)中也起到重要作用。保留原生物種,才能保證物種多樣性和遺傳多樣性,才能保證景觀中總體生產(chǎn)力達到最高水平。生物結(jié)皮(Biological soil crusts),是干旱半干旱區(qū)重要的地表覆蓋類型(40%以上)。生物結(jié)皮的存在對沙漠的固定、土壤表面的物理化學(xué)與生物學(xué)特性、土壤抗風(fēng)蝕水蝕等方面具有重要意義。在生境受破壞情況下,提高生物結(jié)皮的發(fā)育過程能極大地加速植被重建的進程。

此外,抵抗力穩(wěn)定性與恢復(fù)力穩(wěn)定性均屬于干擾性穩(wěn)定,因此干擾性因素必須加以考慮。前者主要考慮人文干擾,即保護區(qū)管理者的素質(zhì)及建設(shè)干預(yù)。后者主要考慮自然干擾,即群落或生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)敏感的氣候及其變化影響。

演替穩(wěn)定性指群落或生態(tài)系統(tǒng)在達到演替頂級后出現(xiàn)的能夠進行自我更新和維持并使群落的結(jié)構(gòu)、功能長期保持在一個較高水平的能力。相對穩(wěn)定的生物群落其重要特征之一是具有一定的空間結(jié)構(gòu)。群落結(jié)構(gòu)分垂直結(jié)構(gòu)和水平結(jié)構(gòu),群落的垂直結(jié)構(gòu)指群落在垂直方向的地上成層和地下成層結(jié)構(gòu)。群落的水平結(jié)構(gòu)主要表現(xiàn)特征是鑲嵌性。生態(tài)系統(tǒng)演替過程中,其基本功能(物質(zhì)循環(huán)與能量流動)始終存在,其穩(wěn)定態(tài)也體現(xiàn)在持續(xù)的物質(zhì)循環(huán)與能量流動,前者可由陽離子交換指征,后者可由植被生產(chǎn)力指征。

2 保護區(qū)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性評估方法確立

評估方法的科學(xué)性是客觀評估的基礎(chǔ),目前常用的綜合評估方法有定性評估方法、野外驗證法、統(tǒng)計分析法、數(shù)學(xué)法、指標法和系統(tǒng)工程分析法等,由于評估的立足點、適用對象和方法思路的不同,各有優(yōu)缺點。其中綜合指數(shù)法在生態(tài)系統(tǒng)評估中比較常用,如分維指數(shù)法[15]、粗糙集理論的綜合評價法[30]、灰色關(guān)聯(lián)分析法[31]、模糊集綜合評價法[32]。

本研究采用的 “紅綠燈(Traffic light)綜合評價法”的關(guān)鍵在于制定評判標準,將指標值與判斷標準進行定量比較判斷穩(wěn)定狀態(tài)的變化趨勢。該方法較為簡便,結(jié)果表達直觀,是在干旱荒漠型自然保護區(qū)生態(tài)穩(wěn)定評估中的首次應(yīng)用。

2.1 單項指標評估方法

首先確立評估標準,評估標準根據(jù)指標特點確定目標值、臨界值、閾值范圍或歷史值。(1)目標值：根據(jù)相關(guān)規(guī)劃與計劃所設(shè)具體目標確定的指定量的目標值。(2)臨界值：從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N狀態(tài)時的風(fēng)險值。(3)閾值范圍：指可接受的、不導(dǎo)致體系激變而產(chǎn)生不利影響的狀態(tài)變動范圍。(4)歷史值：指過去的一個時期中某一年或某一刻的指標值。

其次根據(jù)歷史文獻資料和實測數(shù)據(jù),利用對應(yīng)數(shù)學(xué)模型,對19個具體指標分別進行指標值計算和多年變化的統(tǒng)計,判斷各單項指標多年變化趨勢和生態(tài)意義。

2.2 多指標綜合評估方法

根據(jù)需要選擇部分單項指標的系列數(shù)據(jù),確定評估指標權(quán)重,最后進行指標合成,即多個指標對生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性不同方面的綜合評估結(jié)果。由于需要將指標放入同一模型進行合成,所以需要對不同量級指標進行處理,同時根據(jù)指標重要程度設(shè)置權(quán)重進行綜合評估,并對評估結(jié)果進行分級。

2.2.1多項指標處理

(1) 多參數(shù)指標

包含多參數(shù)的指標,在評估過程中根據(jù)參數(shù)之間的相互關(guān)系,分兩種情況進行評估：1)參數(shù)間區(qū)分主次。評估結(jié)果一般取決于主要參數(shù)分析,若主要參數(shù)分析結(jié)果因為數(shù)據(jù)缺乏等原因不可獲得,可用次要參數(shù)代替評估。2)參數(shù)相互平行。綜合考慮內(nèi)部所有參數(shù),且對參數(shù)進行統(tǒng)一無量綱化處理,消除量綱差異或者水平差異。

(2) 指標值的量化

指標評估結(jié)果用數(shù)值形式表示是進行綜合評分的基礎(chǔ)。除了定量指標的評估結(jié)果使用數(shù)值表示外,定性指標也需要進行量化。但由于定性指標缺乏明確的測度方法,所以并沒有公認的統(tǒng)一量化模式。

(3) 數(shù)值標準化

多目標決策指標體系需消除不同指標間的量綱差異,因此在使用指標體系進行綜合評估前,需要將指標值做標準化處理。目前常用的指標標準化方法有：極差變換法、線性比例變換法、向量歸一化法(列模等于1)、標準樣本變換法、歸一化法(列和等于1)、取倒數(shù)等。限于篇幅,具體計算公式不再列出。

2.2.2權(quán)重設(shè)置——熵權(quán)法

指標權(quán)重的確定主要有主觀法和客觀法,主觀法是根據(jù)決策分析者對各指標的重視程度對指標進行權(quán)重賦值,客觀法則是根據(jù)評估對象各指標數(shù)據(jù)用數(shù)學(xué)計算準則得出評估指標的權(quán)重,二者相比,熵權(quán)法精度較高、客觀性更強,因此選用熵權(quán)法確定權(quán)重。

熵權(quán)法是根據(jù)各指標的變異程度,利用信息熵計算各指標的熵權(quán),再用熵權(quán)對各指標的權(quán)重進行修正,從而得出較為客觀的指標權(quán)重。熵權(quán)法是綜合指標的重要性和指標提供的信息量兩方面來確定各指標的最終權(quán)重。

2.2.3紅綠燈綜合評估方法

基于單項指標評估結(jié)果,按照指標層次由下往上的順序歸納匯總信息,最終獲得評估結(jié)論。具體步驟為：

步驟1：將“指標層”指標(Dk)的“紅綠燈”的評估結(jié)果列表。

步驟2：將“復(fù)合指標層”指標(Cj)統(tǒng)計匯總單項指標(Dk)的評估結(jié)果,再以餅狀圖的形式表示。

步驟3：確定“準則層”指標(Bi)的狀態(tài)。具體地,首先統(tǒng)計指標Bi內(nèi) “綠燈”、“黃燈”、“紅燈”、“數(shù)據(jù)不充分或沒有可參比的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)”,以及“無需評估”5種情況出現(xiàn)的比例,然后將這5種情況按其出現(xiàn)比例由高到低排列。排在首位的即為指標Bi的狀態(tài)。

步驟4：評估最后一步是指標的合成,通過算式將多個指標對生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性不同方面的評估綜合在一起,得到一個整體性評估?？刹捎眉訖?quán)線性和法,其表達式如下：

式中, ESI(Ecological Stability Index)為干旱荒漠生態(tài)系統(tǒng)整體穩(wěn)定性指數(shù),Di為第i項指標評估分級量值,Wi為第i項評估指標權(quán)重,n為評估指標個數(shù)。

2.2.4穩(wěn)定性評估結(jié)果分級

生態(tài)系統(tǒng)綜合評估結(jié)果出來后要有一個分級判斷,參照陳亞寧將荒漠生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性五級等差劃分[33],并擬定不同生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性分級標準及對應(yīng)狀態(tài)內(nèi)容(表2)。

表2 荒漠生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性評估分級標準

S:穩(wěn)定性Stability

生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性變化程度則采用定量或半定量方式表述。難以定量的變化應(yīng)采取專家評估的方式確定,也可通過歷史資料的綜合比較,采用背景比較分析方法確定,即對照歷史上本系統(tǒng)的量值或經(jīng)典文獻提供的地球上本系統(tǒng)均值進行量算。根據(jù)保護區(qū)的性質(zhì)、規(guī)模、保護區(qū)所在區(qū)域生態(tài)環(huán)境的敏感程度及生態(tài)系統(tǒng)的空間分布,對評估的級別可以作適當(dāng)調(diào)整,但調(diào)整幅度上下不應(yīng)超過一級。

3 沙坡頭自然保護區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

3.1 沙坡頭自然保護區(qū)概況

寧夏沙坡頭國家級自然保護區(qū)(以下簡稱沙坡頭保護區(qū))地處寧夏中衛(wèi)城區(qū)的西北部和騰格里沙漠的東南緣的交接地帶,地理坐標范圍為104°55′42″—105°11′54″E,37°26′06″—37°37′25N,海拔1300—1500 m,地勢西北高、東南低,具有典型的風(fēng)沙地貌,屬于干旱沙漠自然保護區(qū)類型。保護區(qū)總面積14043.09 hm2,其中核心區(qū)面積3956.76 hm2,緩沖區(qū)面積5414.12 hm2,試驗區(qū)面積4672.21 hm2(圖3)。

保護區(qū)屬于荒漠和草原的生態(tài)過渡帶,景觀有荒漠、旱生、超旱生的荒漠草原灌叢景觀、沼澤、湖泊濕地、草甸景觀、鐵路沿線固沙林、速生楊人工林景觀及黃河灌區(qū)農(nóng)田景觀。植物資源相當(dāng)貧乏,裸子植物4科8屬,14種(包括種下等級),被子植物75科220屬426種(包括種下等級);動物資源豐裕度一般,脊椎動物194種,其中魚類18種,兩棲類3種,爬行類5種,鳥類147種,獸類21種,其中國家重點保護野生動物名錄的種類有23種[34]。

圖3 中衛(wèi)沙坡頭國家級自然保護區(qū)地理位置Fig.3 The geographical location of Zhong Wei Shapotou National Nature Reserve

3.2 數(shù)據(jù)來源與處理

數(shù)據(jù)來源主要包括歷史資料、統(tǒng)計數(shù)據(jù)、調(diào)查數(shù)據(jù)、野外考察、現(xiàn)場觀測、遙感與模擬估算等。具體有：(1)成果資料：包括相關(guān)研究文獻2000多篇,以《寧夏沙坡頭國家級自然保護區(qū)綜合科學(xué)考察》(2005)、《寧夏沙坡頭國家級自然保護區(qū)二期綜合科學(xué)考察》(2010)等為主的報告20余部。以上數(shù)據(jù)含保護區(qū)內(nèi)部及毗鄰區(qū)人類活動信息。(2)遙感數(shù)據(jù)：包括20世紀70年代末80 m分辨率MSS圖像;20世紀90年代末至2014年研究區(qū)30 m分辨率TM影像。(3)氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)：沙坡頭自然保護區(qū)附近的中衛(wèi)市國家基準、基本氣象站,記錄1951年1月以來本站氣壓、氣溫、降水量、蒸發(fā)量、相對濕度、風(fēng)向風(fēng)速、日照時數(shù)和地表氣溫要素的日值數(shù)據(jù)。(4)生物及生態(tài)系統(tǒng)數(shù)據(jù)：采用地形、土壤和1∶50000植被類型矢量圖3個生態(tài)要素,進行多維空間的數(shù)據(jù)聚類和分區(qū),確定了寧夏中衛(wèi)沙坡頭保護區(qū)20個典型群落樣地,進行植物、群落多類型信息采集。時間從2012年初到2015年末,每年安排至少4次調(diào)查,每次調(diào)查時間持續(xù)10—15天。(5)土壤及其水分數(shù)據(jù)：和群落樣地一致,在20個區(qū)域分別確定3個平行樣點,取1—200 cm不同深度土壤樣品3000余份,通過室內(nèi)試驗分析,獲取相關(guān)數(shù)據(jù)信息。

4 紅綠燈法評估結(jié)果與分析

4.1 單項指標評估結(jié)果

19個單項指標的計算依據(jù)方法參考去年的工作[35], 限于篇幅,不再一一列出。單項指標近20年的變化趨勢及指征見下表3,具體數(shù)值變化也來自去年的工作[35]?？傮w上,近20年多數(shù)指標情況趨于變好,少部分進一步惡化,保持基本穩(wěn)定的有兩個。經(jīng)過多方努力,未來保護區(qū)的水土環(huán)境、植被情況等都會有所改善、發(fā)展或維持在一個較合理水平。

表3 穩(wěn)定性單項指標評估結(jié)果

圖4 單項指標紅綠燈評估匯總結(jié)果Fig.4 Summary results of the single-indicator traffic lights evaluation

單項指標評估結(jié)果紅綠燈直觀表達見下圖4,具體來說,向好的情況包括：土壤養(yǎng)分改善、保護區(qū)核心區(qū)面積比較適宜、流沙區(qū)面積在減少、環(huán)保資金投入增加、保護區(qū)管理者素質(zhì)提高、風(fēng)蝕強度減弱、沙生植物覆蓋擴展、根系物質(zhì)交換相對旺盛、植被平均生物產(chǎn)出增大。惡化的情況包括：由于暖干化、地下水開發(fā),保護區(qū)多個區(qū)域沙層含水率減小、地下水位下降;保護區(qū)內(nèi)外人類活動強度有加大趨勢;生物結(jié)皮在靠近試驗區(qū)的區(qū)域有所退化;由于生境大變化,加上過多引種外來植物,使得原生植物優(yōu)勢度有所降低;受降水異常(降水少、變率大)的影響,多個年份植被恢復(fù)緩慢,生物量積累不足,物種組成和地上成層趨于簡單化。

4.2 各層指標貢獻分析

由圖5可知諸復(fù)合指標對生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的貢獻情況：總體上,2001—2007年間群落生態(tài)結(jié)構(gòu),特別是保護區(qū)西部自然植被區(qū)群落結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定與發(fā)展對維持保護區(qū)的生態(tài)穩(wěn)定性貢獻最大。2007—2014年間,由于生態(tài)建設(shè)不斷加強,特別是多種途徑干預(yù)改善保護區(qū)人工植被區(qū)的水土條件,使得其成為影響生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的主要方面。

6個年份中3種內(nèi)涵穩(wěn)定性對整體穩(wěn)定性貢獻相差不是很大,說明保護區(qū)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定是一個綜合結(jié)果,受多方面的影響。說到差異,就是抵抗力穩(wěn)定和恢復(fù)力穩(wěn)定貢獻稍突出一些,特別是前者。

圖5 沙坡頭自然保護區(qū)穩(wěn)定性復(fù)合指標貢獻與內(nèi)涵穩(wěn)定性貢獻Fig.5 Contribution of multiple factors and three aspects of stability to the ecosystem stability

4.3 保護區(qū)生態(tài)系統(tǒng)整體穩(wěn)定性指數(shù)ESI

基于以上部分單項指標的系列數(shù)據(jù),運用綜合評估方法,計算出沙坡頭自然保護區(qū)幾個關(guān)鍵年份(2001、2005、2007、2010、2012、2014)的生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性指數(shù)(ESI)和變化趨勢(表4、圖6)。

對照穩(wěn)定性分級可知,沙坡頭自然保護區(qū)經(jīng)過近15年發(fā)展,總體上沙坡頭自然保護區(qū)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性得到加強,已由過渡態(tài)進入到穩(wěn)定態(tài)。

盡管背景區(qū)域氣候干旱化,但由于長期治沙防沙與生態(tài)修復(fù)工程實施、大規(guī)模推沙造林、各種生態(tài)監(jiān)測和維護、合理水資源配置(大規(guī)模取黃河水灌溉、節(jié)水灌溉)、人類活動的調(diào)控努力,沙坡頭自然保護區(qū)生態(tài)狀況總體趨好,穩(wěn)定性增強。

ESI: 生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性指數(shù) Ecosystem stability index

圖6 沙坡頭保護區(qū)生態(tài)系統(tǒng)整體穩(wěn)定性時間變化Fig.6 Changes in the overall stability of the ecosystem in Shapotou Nature Reserve over time

權(quán)衡保護區(qū)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性評估指標中權(quán)重較大的7個指標:潛水水位、氣溫變率、原生物種比例、地上層片結(jié)構(gòu)、凈初級生產(chǎn)力、保護區(qū)核心區(qū)面積比例、保護區(qū)管理者素質(zhì),發(fā)現(xiàn)研究時段內(nèi)這些指標中除氣溫變率、凈初級生產(chǎn)力有較明顯波動、保護區(qū)管理者素質(zhì)明顯提高外,其他指標均相對變化不大,說明保護區(qū)的生態(tài)穩(wěn)定是一個多因素綜合作用的結(jié)果,單個指標的好壞只能在某些方面影響生態(tài)穩(wěn)定。因此在制定保護區(qū)生態(tài)恢復(fù)和發(fā)展政策與措施時,應(yīng)從綜合角度出發(fā),制定比較全面的生態(tài)環(huán)境修復(fù)策略。

5 結(jié)論與討論

5.1 主要結(jié)論

基于生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的三維內(nèi)涵(恢復(fù)力穩(wěn)定性、抵抗力穩(wěn)定性和演替穩(wěn)定性)構(gòu)建其評估指標邏輯關(guān)系是清晰的、信息覆蓋是較全面的。紅綠燈綜合評估方法在干旱沙漠區(qū)自然保護區(qū)生態(tài)穩(wěn)定性評估中的運用也是適宜的。針對沙坡頭國家級自然保護區(qū)而言,(1)近20年19個單項指標中,多數(shù)指標情況趨于變好,少部分進一步惡化,保持基本穩(wěn)定的兩個。(2)影響生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的要素由群落組成為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐陨硹l件為主;2001年、2005年、2007年、2010年、2012年和2014年6個關(guān)鍵年份中,生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性3個內(nèi)涵對穩(wěn)定性的貢獻以抵抗力穩(wěn)定性或恢復(fù)力穩(wěn)定性為主。(3)保護區(qū)整體生態(tài)穩(wěn)定指數(shù)ESI由0.41增至0.661,穩(wěn)定狀態(tài)從臨界到穩(wěn)定,總體上保護區(qū)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性增強。

5.2 討論

(1)評估研究對比。目前針對沙漠區(qū)荒漠生態(tài)系統(tǒng)類型的自然保護區(qū)生態(tài)穩(wěn)定性評估研究相對較少,對寧夏沙坡頭這樣的人工和自然生態(tài)系統(tǒng)并存、內(nèi)部異質(zhì)性明顯、且人類活動影響相對較大的非典型自然保護區(qū)來說,運用綜合指標法進行評估是適宜的,可集成反映多方面因素的綜合影響。而且人為干預(yù)指標具有一定指向性,即需要反映保護區(qū)管理機構(gòu)—保護區(qū)管理局對保護區(qū)管護、建設(shè)等方面的干預(yù)能力,這是一般生態(tài)系統(tǒng)指標法評估所沒有的。對西北干旱區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性評價因尺度、類型不同而存在差異,如陳亞寧[33]基于分形理論對宏觀區(qū)域(阿拉善荒漠區(qū)、柴達木盆地荒漠區(qū)、塔里木盆地荒漠區(qū)、準格爾盆地荒漠區(qū)及河西走廊荒漠區(qū))的生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性進行的分析,并基于荒漠生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力指數(shù)進行了穩(wěn)定性比較。對西北干旱荒漠區(qū)分布的獨特的生態(tài)系統(tǒng)類型——綠洲的穩(wěn)定性研究相對較多,方法也多樣,包括基于系統(tǒng)指標、景觀生態(tài)學(xué)指數(shù)的評估,基于生態(tài)需水量及區(qū)域小氣候影響的研究等,其中具代表性的如王耀斌等[30]對額濟納旗綠洲從自然資源環(huán)境、社會經(jīng)濟、自然災(zāi)害三子系統(tǒng)構(gòu)建指標體系進行其穩(wěn)定性評價。但此評價體系對以自然演替為主、嚴格限制經(jīng)濟社會活動干預(yù)的保護區(qū)來說是不適宜的。

(2)指標、分級標準適用性的動態(tài)判斷。雖對選取指標的邏輯關(guān)系和依據(jù)進行了一定說明,但需要進一步對這些指標隨著環(huán)境脅迫的變化趨勢進行說明和預(yù)判;穩(wěn)定性評估分級標準借鑒了已有成果,也需進一步分析影響因素的隸屬關(guān)系并結(jié)合保護區(qū)實際情況確定或基于單項指標的離散標準確定。

(3)評估驗證。驗證是檢驗評估結(jié)果科學(xué)性的重要環(huán)節(jié),由于生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性內(nèi)涵的多樣性、不同尺度穩(wěn)定性解釋又不一致,因此驗證也存在很大難度,可以實現(xiàn)的驗證方法包括：1)與已有評價結(jié)果相比較。如王耀斌等[30]將其對2010年額濟納旗綠洲穩(wěn)定性評價結(jié)果與2007年裴源生等[36]的評價結(jié)果相比較和說明自身評價的可靠性。2)野外驗證。這種方法比較適合對生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性單一內(nèi)涵或穩(wěn)定性單一指征的驗證。3)整個評估體系的適用性還可以通過多個同類型自然保護區(qū)(如甘肅連古城國家級自然保護區(qū)、內(nèi)蒙古哈騰套海國家級自然保護區(qū))的實踐比較來驗證。

致謝：王乃昂教授對研究給予幫助,姜紅梅老師及研究生王旭、曹蕾、孫杰、趙浩等幫助基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取，特此致謝。