退耕還林(草)工程對(duì)中國(guó)北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶生態(tài)系統(tǒng)健康的影響

劉 欣,查妮依,王欣言,王維奇,王凱平,張?jiān)坡?/p>

北京林業(yè)大學(xué)園林學(xué)院, 北京 100083

生態(tài)系統(tǒng)健康是區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)在外部干擾下,維持生態(tài)結(jié)構(gòu)、功能和穩(wěn)定性的一種自我調(diào)節(jié)和恢復(fù)能力,健康的生態(tài)系統(tǒng)對(duì)自然、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要[1—2]。在過(guò)去50年中,隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展,人類活動(dòng)對(duì)環(huán)境的干擾不斷增強(qiáng),造成全球至少三分之二的生態(tài)系統(tǒng)退化,使得生態(tài)問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重,威脅著人類的生存和發(fā)展[3—4],如何實(shí)現(xiàn)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康可持續(xù)發(fā)展是當(dāng)前人們廣泛關(guān)注且亟待解決的問(wèn)題[5]。因此,運(yùn)用合理的評(píng)估方法是有效識(shí)別區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康狀況、指導(dǎo)生態(tài)環(huán)境保護(hù)和管理的關(guān)鍵[6]。目前,評(píng)價(jià)生態(tài)系統(tǒng)健康主要采用“活力-組織-彈性”(VOR)模型和“壓力-狀態(tài)-響應(yīng)”(PSR)模型等評(píng)估框架。其中,VOR模型注重對(duì)生態(tài)系統(tǒng)完整性的評(píng)價(jià),忽略了人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響;而PSR模型更側(cè)重于自然環(huán)境與人類活動(dòng)的相互作用,能夠全面反映內(nèi)部生態(tài)因子與外界人為因素的影響與干擾。因此,本次研究選用PSR模型,從自然生態(tài)和人類社會(huì)等方面對(duì)生態(tài)系統(tǒng)健康進(jìn)行科學(xué)全面地評(píng)估[7—8]。

當(dāng)前,關(guān)于生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)的研究主要是針對(duì)于城市群、流域、森林、草地等獨(dú)立的生態(tài)系統(tǒng),而很少關(guān)注不同生態(tài)系統(tǒng)之間的過(guò)渡區(qū)的生態(tài)健康問(wèn)題[9—10]。這種過(guò)渡區(qū)因受到相鄰生態(tài)系統(tǒng)的相互作用,同時(shí)在人類活動(dòng)的影響下,使其具有生物多樣性豐富、生態(tài)系統(tǒng)易受影響、生態(tài)環(huán)境脆弱敏感等特質(zhì)[11—12]。中國(guó)北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶作為牲畜放牧到農(nóng)業(yè)發(fā)展的過(guò)渡地帶,是我國(guó)重要的生態(tài)安全屏障帶[13]。但由于人們過(guò)度放牧、開(kāi)墾耕地等活動(dòng),造成了北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶林地退化、土壤沙化、風(fēng)沙天氣驟增等生態(tài)惡化問(wèn)題[14—15]。為了應(yīng)對(duì)北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶的生態(tài)可持續(xù)發(fā)展,21世紀(jì)以來(lái),政府大力投資生態(tài)恢復(fù)項(xiàng)目,開(kāi)展了以退耕還林(草)工程為主的生態(tài)修復(fù)工作[16],退耕還林(草)工程被認(rèn)為是預(yù)防和處理區(qū)域環(huán)境問(wèn)題最有效的措施之一[17]。因此,探究退耕還林(草)人為生態(tài)修復(fù)工程對(duì)北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶生態(tài)系統(tǒng)健康的影響機(jī)制,對(duì)指導(dǎo)我國(guó)生態(tài)環(huán)境治理有著至關(guān)重要的意義。

以中國(guó)北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶為研究對(duì)象,選擇2000年、2005年、2010年、2015年作為時(shí)間點(diǎn),根據(jù)區(qū)域特征選取指標(biāo)因子,構(gòu)建起符合中國(guó)北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶的PSR評(píng)估模型,分析生態(tài)系統(tǒng)健康的時(shí)空動(dòng)態(tài)演變特征。并選擇最優(yōu)回歸模型以探索二者之間的空間關(guān)系,揭示退耕還林(草)對(duì)北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展的影響機(jī)制。

1 研究區(qū)域概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)域概況

中國(guó)北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶是我國(guó)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)區(qū)域與畜牧業(yè)區(qū)域相交匯合的過(guò)渡地帶。研究參考中國(guó)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部于2017年發(fā)布的《農(nóng)業(yè)部關(guān)于北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的指導(dǎo)意見(jiàn)》[18],選擇內(nèi)蒙古、遼寧、河北、山西、陜西、甘肅、寧夏共7個(gè)省(自治區(qū))的146個(gè)縣(市)作為研究區(qū)域(圖1),其地處東經(jīng)102°55′—123°28′,北緯34°35′—45°30′,總面積為813459.06km2,海拔高程在160—4973m之間。區(qū)域?qū)儆跍貛Т箨懶詺夂騾^(qū),年平均降水量為300—450mm,是我國(guó)中東部地區(qū)重要的水源涵養(yǎng)帶和生態(tài)安全屏障。

圖1 研究區(qū)域區(qū)位圖Fig.1 Location map of the study area

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本次研究數(shù)據(jù)包括2000年、2005年、2010年和2015年研究區(qū)域的土地利用數(shù)據(jù)、歸一化植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)、植被凈初級(jí)生產(chǎn)力(Net Primary Production,NPP)遙感數(shù)據(jù)、夜間燈光數(shù)據(jù)、年降水量數(shù)據(jù)、氣溫?cái)?shù)據(jù)、人口空間插值數(shù)據(jù)和國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值數(shù)據(jù),均來(lái)源于中國(guó)科學(xué)資源環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺(tái)(https://www.resdc.cn/Default.aspx),土壤含水量數(shù)據(jù)、地表蒸散量數(shù)據(jù)來(lái)源于地球大數(shù)據(jù)工程的數(shù)據(jù)共享服務(wù)系統(tǒng)(https://data.casearth.cn/)。具體數(shù)據(jù)的類型、分辨率及來(lái)源見(jiàn)表1。其中,將土地利用數(shù)據(jù)二級(jí)地類重分類為林地、耕地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地共6個(gè)類型。糧食單產(chǎn)數(shù)據(jù)來(lái)源于2000—2015年各個(gè)省份統(tǒng)計(jì)年鑒,糧食價(jià)格數(shù)據(jù)來(lái)源于2015年《中國(guó)農(nóng)產(chǎn)品價(jià)格調(diào)查年鑒》等資料。對(duì)所有數(shù)據(jù)采用大小一致的網(wǎng)格全面覆蓋研究區(qū)域,將網(wǎng)格尺度設(shè)定為5km×5km。

表1 數(shù)據(jù)來(lái)源和描述Table 1 Data sources and descriptions

2 研究方法

2.1 基于PSR模型的生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)估

以北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶的區(qū)域特征建立“壓力-狀態(tài)-響應(yīng)”模型(Pressure-State-Response,PSR)。壓力指人類為滿足糧食生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)、生態(tài)保護(hù)等需求而對(duì)土地生態(tài)系統(tǒng)的脅迫,生態(tài)系統(tǒng)健康面臨的壓力來(lái)自生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部自然因素和外部人類活動(dòng)因素,選取代表自然環(huán)境壓力與人為發(fā)展壓力的降水量、氣溫、人口密度、GDP和夜間燈光指數(shù)5個(gè)指標(biāo)來(lái)構(gòu)建壓力準(zhǔn)則層面;狀態(tài)反映了環(huán)境要素的變化和環(huán)境政策的目的,主要包括自然環(huán)境狀況和生態(tài)系統(tǒng)狀況[19]。結(jié)合VOR模型,從生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能等多個(gè)角度選取NPP、Shannon多樣性指數(shù)、蔓延度、斑塊凝聚度、生態(tài)彈性度來(lái)評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)[20],并將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值納入狀態(tài)層面[11],以反映生態(tài)系統(tǒng)的完整性與功能性;響應(yīng)指生態(tài)環(huán)境為了應(yīng)對(duì)人類生存發(fā)展而產(chǎn)生的負(fù)面影響,根據(jù)指標(biāo)的可獲取性和可比性原則,選取景觀破碎化指數(shù)和代表農(nóng)牧地區(qū)特色的蒸散量、土壤含水量等指標(biāo)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)進(jìn)行描述[21]。具體指標(biāo)計(jì)算見(jiàn)表2。

表2 指標(biāo)數(shù)學(xué)模型計(jì)算Table 2 Mathematical model calculation of indicators

表3 不同土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)彈性系數(shù)Table 3 Ecosystem elasticity coefficient of different land use types

表4 中國(guó)北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶生態(tài)系統(tǒng)單位面積價(jià)值量表Table 4 Scale of ecosystem value per unit area of the Agro-Pastoral Ecotone of North China

針對(duì)不同性質(zhì)劃分正向影響指標(biāo)和負(fù)向影響指標(biāo),進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。

正向指標(biāo):

負(fù)向指標(biāo):

式中,選取n個(gè)區(qū)域,m個(gè)指標(biāo),則第i個(gè)區(qū)域的第j個(gè)指標(biāo)的數(shù)值(i=1,2…,n;j=1,2,…,m)。

利用熵值法計(jì)算各項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重,避免指標(biāo)選擇和權(quán)重確定過(guò)于主觀的問(wèn)題[23]。

式中,(i=1,…,n,j=1,…,m)k=1/ln(n)>0,滿足ej≥0。

最終,構(gòu)建起中國(guó)北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶的生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)體系(表5)。

表5 中國(guó)北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶的生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)體系Table 5 Ecosystem health assessment system of the Agro-Pastoral Ecotone of North China

計(jì)算生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)(EHI)。目前,關(guān)于生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)的等級(jí)劃分尚且沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),為了更精確地表示生態(tài)系統(tǒng)健康狀況,本文參考相關(guān)文獻(xiàn)研究[24—26],將其平均分為5個(gè)等級(jí),范圍從0到1,間隔為0.2(表6)。EHI模型的公式如下:

表6 中國(guó)北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)Table 6 Assessment criteria for ecosystem health of the Agro-Pastoral Ecotone of North China

式中,EHI反映生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù),i∈ [1,n];i為第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo);wi為第i個(gè)指示符的權(quán)重;bij為第i個(gè)指示符的歸一化值。

2.2 退耕還林(草)工程量化

退耕還林(草)工程不單是將耕地和荒地等用地轉(zhuǎn)化成林地和草地,還包括封山育林、林草撫育等進(jìn)一步增加林草植被覆蓋度的工作。因此,僅僅用土地利用變化不能全面地反映工程的進(jìn)度和強(qiáng)度。為了更準(zhǔn)確地量化退耕還林(草)工程對(duì)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康的影響,本研究將用ΔNDVI來(lái)量化退耕還林(草)的實(shí)施強(qiáng)度變化,直觀分析工程的實(shí)施與變化情況。

2.3 退耕還林(草)工程對(duì)生態(tài)系統(tǒng)健康的影響

2.3.1雙變量空間自相關(guān)分析

空間自相關(guān)分析是準(zhǔn)確識(shí)別不同變量數(shù)據(jù)在同一個(gè)分布區(qū)內(nèi)存在相互依賴性的核心方法[27]。本研究采用Global Moran′sI對(duì)退耕還林(草)和生態(tài)系統(tǒng)健康的空間關(guān)聯(lián)模式進(jìn)行度量和檢驗(yàn)。Moran′sI>0表示存在空間正相關(guān)性,其值越大,空間相關(guān)性越明顯;Moran′sI<0表示存在空間負(fù)相關(guān)性,其值越小,空間差異越大。計(jì)算公式如下:

式中,I為 全局Moran′sI指數(shù);n為 空間單元的數(shù)量;xi、xj分別為單元i和單元j的觀測(cè)值;Wij為空間單元i和j的空間權(quán)重鄰接矩陣(ij= 1, 2, 3, …,n)。

2.3.2空間回歸分析

明確二者之間的空間關(guān)系后,鑒于需要更好地了解兩者之間存在的時(shí)空異質(zhì)性,引入回歸模型來(lái)探索北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶退耕還林(草)工程對(duì)生態(tài)系統(tǒng)健康的影響機(jī)制[1,23]。研究將最小二乘法(Ordinary Least Squares, OLS)、地理加權(quán)回歸模型(Geographically Weighted Regression, GWR)、時(shí)間加權(quán)回歸模型(Temporally Weighted Regression, TWR)、時(shí)空地理加權(quán)回歸模型(Geographically and Temporally Weighted Regression, GTWR)分別進(jìn)行回歸分析,對(duì)比回歸結(jié)果,選擇最優(yōu)模型。具體計(jì)算法見(jiàn)表7。

3 結(jié)果

3.1 中國(guó)北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶退耕還林(草)的時(shí)空變化

中國(guó)北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶2000—2015年的退耕還林(草)工程實(shí)施強(qiáng)度變化情況表明(圖2),2000—2005年間,工程初始階段,高強(qiáng)度退耕還林(草)實(shí)施區(qū)域集中于東北部,建設(shè)強(qiáng)度遠(yuǎn)高于其他地區(qū);2005—2010年間,退耕還林(草)工程實(shí)施力度較大區(qū)域集中在西南部,東北部地區(qū)則呈現(xiàn)減弱趨勢(shì);2010—2015年間,全區(qū)退耕造林還草強(qiáng)度大范圍下降,東北部則顯著上升。

圖2 2000—2015年中國(guó)北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶退耕還林(草)實(shí)施強(qiáng)度變化圖Fig.2 The implementation of strength of the Grain for Green Program in the Agro-Pastoral Ecotone of North China from 2000 to 2015

3.2 中國(guó)北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶生態(tài)系統(tǒng)健康的時(shí)空變化

根據(jù)PSR模型計(jì)算出中國(guó)北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶2000年、2005年、2010年和2015年生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)為0.594、0.592、0.596和0.605(圖3)?？傮w來(lái)看,2000—2015年間,研究區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)呈現(xiàn)“先下降后上升”的變化趨勢(shì),健康狀況逐漸轉(zhuǎn)好。觀察各標(biāo)準(zhǔn)層的計(jì)算結(jié)果,在研究時(shí)段內(nèi),壓力指數(shù)和狀態(tài)指數(shù)均先下降后逐漸上升。壓力指數(shù)先下降直至2005年開(kāi)始快速上升;狀態(tài)指數(shù)在2010年緩慢上升至原始數(shù)值;響應(yīng)指數(shù)呈現(xiàn)先上升至2010年后下降的趨勢(shì)變化。

圖3 2000—2015年中國(guó)北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)圖Fig.3 Ecosystem health assessment of the Agro-Pastoral Ecotone of North China from 2000 to 2015

由2000年、2005年、2010年和2015年各等級(jí)生態(tài)系統(tǒng)健康水平的面積占比可知(圖4),在研究時(shí)段內(nèi),中國(guó)北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶主要由亞健康水平地區(qū)和一般健康水平地區(qū)分布構(gòu)成。亞健康狀態(tài)面積占比先上升至61%后逐漸下降至45%,說(shuō)明處于生態(tài)環(huán)境惡劣地區(qū)逐漸減少;一般健康狀態(tài)區(qū)域占比先稍有下降后大幅度上漲,直至2015年增長(zhǎng)至占比55%,生態(tài)恢復(fù)逐漸向有序方向發(fā)展。

圖4 2000—2015年中國(guó)北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶不同生態(tài)系統(tǒng)健康水平區(qū)域比例圖Fig.4 Proportion of regions with different ecosystem health levels of the Agro-Pastoral Ecotone of North China from 2000 to 2015

中國(guó)北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶2000年、2005年、2010年和2015年生態(tài)系統(tǒng)健康水平空間分布如圖(圖5)。2000年,研究區(qū)域北部大范圍為亞健康狀態(tài),南部部分區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)健康水平較高,處于一般健康狀態(tài);2005年,東北部部分地區(qū)提升至一般健康狀態(tài);2010年,中部與東北部過(guò)渡區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康水平得到明顯提升;2015年,中部和東北部等區(qū)域大面積轉(zhuǎn)變?yōu)橐话憬】禒顟B(tài),生態(tài)系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。

圖5 2000—2015年中國(guó)北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶生態(tài)系統(tǒng)健康水平時(shí)空分布圖Fig.5 Spatial and temporal distribution map of ecosystem health level of the Agro-Pastoral Ecotone of North China from 2000 to 2015

如圖6所示,中國(guó)北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶2000—2015年生態(tài)系統(tǒng)健康變化情況。結(jié)果表明,2000—2005年間,生態(tài)系統(tǒng)健康水平正向變化區(qū)域集中在東北部,此處生態(tài)環(huán)境質(zhì)量逐漸增強(qiáng);2005—2010年間,研究區(qū)域西南部和中部地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)健康得到了明顯改善,東北部則出現(xiàn)明顯的生態(tài)退化趨勢(shì),衰退為亞健康狀態(tài);2010—2015年間,中部和東北部地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康水平得到了顯著提高,東北部健康水平提升情況尤為突出。與此同時(shí),其他區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)健康水平面臨大范圍下降且惡化程度加劇的困難。

圖6 2000—2015年中國(guó)北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶生態(tài)系統(tǒng)健康變化圖Fig.6 Variation map of ecosystem health level of the Agro-Pastoral Ecotone of North China from 2000 to 2015

3.3 退耕還林(草)與中國(guó)北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶生態(tài)系統(tǒng)健康的相關(guān)性分析

退耕還林(草)工程實(shí)施強(qiáng)度變化與生態(tài)系統(tǒng)健康變化的全局雙變量Moran′sI分析結(jié)果見(jiàn)表8。為了測(cè)試Moran′sI結(jié)果是否顯著,使用Geoda軟件中蒙特卡洛模擬了999次置換結(jié)果測(cè)試,所有結(jié)果均通過(guò)了0.001的顯著性檢驗(yàn),表明結(jié)果存在99.9%的置信度。Moran′sI指數(shù)在研究期間由正值轉(zhuǎn)為負(fù)值,說(shuō)明兩者之間的空間正相關(guān)效應(yīng)逐漸減弱,并轉(zhuǎn)化為負(fù)相關(guān)關(guān)系。2000—2005年和2005—2010年,Moran′sI指數(shù)分別為0.1496、0.2915,說(shuō)明在工程初始和發(fā)展階段,兩者之間存在明顯的空間正相關(guān)關(guān)系,且在工程實(shí)施的10年內(nèi)相關(guān)性增強(qiáng),說(shuō)明生態(tài)造林效果顯著,明顯改善了區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康水平;然而2010—2015年間,這種相關(guān)性逐漸消失,Moran′sI指數(shù)降低變?yōu)?0.0352,這表明北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶生態(tài)系統(tǒng)健康水平的提升,不單單是退耕還林(草)工程的實(shí)施導(dǎo)致的,同時(shí)政府還通過(guò)其他手段改善了研究區(qū)域的生態(tài)狀況。

表8 2000—2015年中國(guó)北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶退耕還林(草)與生態(tài)系統(tǒng)健康的全局雙變量Moran′s I結(jié)果Table 8 Global bivariate Moran′s I of GGP and ecosystem health of the Agro-Pastoral Ecotone of North China from 2000 to 2015

3.4 退耕還林(草)對(duì)中國(guó)北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶生態(tài)系統(tǒng)健康的時(shí)空影響機(jī)制

3.4.1空間回歸模型比較

為了進(jìn)一步探索北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶退耕還林(草)與生態(tài)系統(tǒng)健康之間存在的時(shí)空影響機(jī)制,需要利用回歸模型對(duì)二者之間的關(guān)系進(jìn)行空間估計(jì)和驗(yàn)證。因此,選擇哪種回歸模型來(lái)更好地?cái)M合數(shù)據(jù)是一個(gè)問(wèn)題。通過(guò)對(duì)OLS、TWR、GWR和GTWR四種模型的運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行比較(表9)。與其他三種模型相比,GTWR的AICc值相比最小,調(diào)整過(guò)后的R2值最大,擬合度最好。因此,在本研究將采用 GTWR模型解釋退耕還林(草)與生態(tài)系統(tǒng)健康之間的時(shí)空影響關(guān)系。

表9 2000—2015年中國(guó)北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶退耕還林(草)與生態(tài)系統(tǒng)健康的回歸模型比較結(jié)果Table 9 Results of regression models comparing GGP and ecosystem health of the Agro-Pastoral Ecotone of North China from 2000 to 2015

3.4.2退耕還林(草)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)健康的時(shí)空分布影響

GTWR模型回歸結(jié)果如圖7所示,在空間分布上,2000—2015年間,隨著退耕還林(草)工程的開(kāi)展,北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶的生態(tài)系統(tǒng)健康變化具有很強(qiáng)的空間異質(zhì)性,正向影響空間和負(fù)向影響空間并存分布,說(shuō)明各地區(qū)工程實(shí)施力度和持續(xù)時(shí)間的差異性較大。2000—2005年工程實(shí)施初期,GTWR擬合的回歸系數(shù)在-0.1603—1.4193之間,退耕還林(草)對(duì)研究區(qū)域東北部具有顯著的正向空間影響,特別是對(duì)內(nèi)蒙古、河北和遼寧三省交匯處的正向驅(qū)動(dòng)作用最大。對(duì)西南部的負(fù)向驅(qū)動(dòng)作用較大,二者之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系;2005—2010年工程加速發(fā)展階段,回歸系數(shù)在0.0345—0.6421之間,工程的實(shí)施與生態(tài)系統(tǒng)健康在整體區(qū)域上呈正相關(guān)關(guān)系,對(duì)遼寧省的正向作用依舊最強(qiáng);2010—2015年間,回歸系數(shù)在-0.7076—0.4255之間,負(fù)向驅(qū)動(dòng)作用空間大面積分布于整個(gè)研究區(qū)域,只有中部的山西、內(nèi)蒙古和西南部的甘肅、寧夏等部分地區(qū)存在小范圍正向影響。

圖7 2000—2015年中國(guó)北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶GTWR模型回歸結(jié)果顯示圖Fig.7 Regression results of GTWR in the Agro-Pastoral Ecotone of North China from 2000 to 2015

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

(1)中國(guó)北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶的生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)

生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)估包括對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)健康自身機(jī)制和生態(tài)系統(tǒng)對(duì)外部干擾做出的反應(yīng)等兩方面診斷,人為因素和自然因素都會(huì)影響區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康狀況[28]。中國(guó)北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶是一個(gè)涵蓋“生態(tài)—社會(huì)—經(jīng)濟(jì)”的復(fù)合性系統(tǒng),擁有波段過(guò)渡性和區(qū)域不穩(wěn)定性的農(nóng)牧地區(qū)特點(diǎn),這決定著生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、狀態(tài)和功能將被人類活動(dòng)所影響。PSR模型反映的是人類活動(dòng)和自然系統(tǒng)之間的相互作用,強(qiáng)調(diào)人類系統(tǒng)是生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分。因此,本研究采用PSR模型評(píng)價(jià)北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶的生態(tài)系統(tǒng)健康水平。但研究對(duì)于量化生態(tài)系統(tǒng)屬性的相應(yīng)指標(biāo)并沒(méi)有采用以往的固定模式,而是以研究區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)特性為導(dǎo)向進(jìn)行選擇的[29]。所以,本次指標(biāo)體系是基于區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)典型特征,增加了蒸散量、土壤含水量、NPP等表示農(nóng)牧區(qū)域生態(tài)健康狀況的指標(biāo),并將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值也納入體系,從自然生態(tài)和人類社會(huì)等全方面、科學(xué)地對(duì)生態(tài)系統(tǒng)健康進(jìn)行評(píng)估,構(gòu)建了適合農(nóng)牧地區(qū)的評(píng)價(jià)體系。評(píng)價(jià)結(jié)果表明,在退耕還林(草)工程的影響下,2000—2015年間,研究區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)呈現(xiàn)“先下降后上升”的變化趨勢(shì),全區(qū)已有超過(guò)一半地區(qū)處于一般健康狀態(tài),健康水平向好發(fā)展。Liu等[30]學(xué)者評(píng)估2000—2018年中國(guó)北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶的ESV變化情況,發(fā)現(xiàn)在退耕還林(草)植被重建項(xiàng)目影響下,區(qū)域ESV總值增加,對(duì)生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)與功能產(chǎn)生了正向變化,使得生態(tài)系統(tǒng)整體效益處于上升態(tài)勢(shì)。這與本研究得到的 2000—2015 年期間生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)上升結(jié)果相近。

(2)退耕還林(草)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)健康的影響機(jī)制

確定退耕還林(草)工程對(duì)中國(guó)北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康的影響機(jī)制,對(duì)于科學(xué)制定與實(shí)施生態(tài)修復(fù)政策、實(shí)現(xiàn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展是非常重要的。大部分學(xué)者都只選擇一種回歸模型探索生態(tài)系統(tǒng)健康與各類因素的關(guān)系[31—33],然而每個(gè)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的基本特征并不相同,生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能在不同時(shí)空尺度下也存在差異[34]。因此,通過(guò)多種模型比較,選擇體現(xiàn)時(shí)空尺度變化的回歸模型,對(duì)于準(zhǔn)確探尋兩者之間的關(guān)系至關(guān)重要。相對(duì)比以往定性選擇回歸模型的方式,本次研究通過(guò)定量對(duì)比OSL、GWR、TWR和GTWR四種模型的帶寬、擬合度后,選定最優(yōu)的GTWR模型,該方法可以更準(zhǔn)確地探索兩者的響應(yīng)關(guān)系。GTWR分析結(jié)果表明,2000—2015年間,隨著退耕還林(草)工程的推進(jìn),使得北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶各時(shí)段內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)健康變化各呈現(xiàn)不同的影響機(jī)制,具有很強(qiáng)的空間異質(zhì)性,各地區(qū)工程實(shí)施力度和持續(xù)時(shí)間的差異性較大。2000—2010年間,工程實(shí)施初期和中期,退耕還林(草)對(duì)研究區(qū)域東北部生態(tài)系統(tǒng)健康水平具有顯著的正向空間影響,這與Wang等人[35]發(fā)現(xiàn)退耕還林(草)工程顯著增強(qiáng)了北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶的生態(tài)系統(tǒng)健康水平的研究結(jié)果一致。2010—2015年間,東北部區(qū)域由正向驅(qū)動(dòng)變?yōu)樨?fù)向驅(qū)動(dòng);中部地區(qū)則一直保持正向驅(qū)動(dòng)作用;西南地區(qū)呈現(xiàn)“負(fù)向驅(qū)動(dòng)—正向驅(qū)動(dòng)—負(fù)向驅(qū)動(dòng)”的波動(dòng)趨勢(shì)。Han等[36]學(xué)者在利用線性回歸探討退耕還林工程對(duì)長(zhǎng)江流域上游生態(tài)系統(tǒng)健康的影響中,發(fā)現(xiàn)在2000—2005年,生態(tài)系統(tǒng)健康的變化與退耕還林的恢復(fù)林地面積變化呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系,而在2005—2015年,二者之間未顯示出明顯相關(guān)性。這表明在工程實(shí)施初期退耕還林還草明顯改善了區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康狀況,而實(shí)施中后期整體健康水平的增長(zhǎng)意味著不僅通過(guò)植樹(shù)造林,同時(shí)也通過(guò)其他方式改善了區(qū)域生態(tài)環(huán)境。這與本研究得到二者之間影響關(guān)系的時(shí)間演變特征相吻合,在退耕還林(草)的不同階段采取的不同措施都有效地增強(qiáng)了區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康。但在工程的后期階段,相比純粹為了改善生態(tài)條件而退耕植樹(shù)造林,更注重區(qū)域植被生長(zhǎng),提升生態(tài)環(huán)境質(zhì)量[37]。

4.2 結(jié)論

本研究采用了反映人類社會(huì)壓力和自然環(huán)境狀態(tài)的PSR模型,并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行了農(nóng)牧地區(qū)指標(biāo)特色修正,以△NDVI量化退耕還林(草)工程實(shí)施情況,探究中國(guó)北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶生態(tài)系統(tǒng)健康的時(shí)空變化及二者之間的影響機(jī)制。研究結(jié)果顯示:

(1)在退耕還林(草)方面,2000—2015年間,研究區(qū)域退耕還林(草)實(shí)施力度整體上有所增強(qiáng)。東北部“先減弱后增強(qiáng)”的變化趨勢(shì)最為顯著,中部地區(qū)實(shí)施強(qiáng)度持續(xù)加大,西南部呈現(xiàn)“先增強(qiáng)后減弱”的波動(dòng)趨勢(shì)。

(2)在生態(tài)系統(tǒng)健康方面,2000—2015年的時(shí)間變化上,研究區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)呈現(xiàn)“先下降后上升”的變化趨勢(shì),健康程度逐漸轉(zhuǎn)好。在空間分布上,研究區(qū)域整體一直處于亞健康狀態(tài)和一般健康狀態(tài),直至2015年,一般健康狀態(tài)區(qū)域占總面積的55%,生態(tài)恢復(fù)逐漸向有序方向發(fā)展。

(3)雙變量空間自相關(guān)分析結(jié)果顯示,在2000—2010年間,退耕還林(草)工程對(duì)生態(tài)系統(tǒng)健康影響呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系,而2010—2015年間,兩者之間變?yōu)樨?fù)相關(guān)關(guān)系。分析具體的空間影響機(jī)制,通過(guò)多種回歸模型相比較,GTWR模型表現(xiàn)最優(yōu),可滿足長(zhǎng)時(shí)間階段性的空間分析需求。分析GTWR模型擬合結(jié)果發(fā)現(xiàn)退耕還林(草)的實(shí)施強(qiáng)度對(duì)北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶的生態(tài)系統(tǒng)健康變化具有很強(qiáng)的空間異質(zhì)性。2000—2005年間,退耕還林(草)對(duì)研究區(qū)域東北部具有顯著的正向空間影響,對(duì)西南部的生態(tài)系統(tǒng)健康呈負(fù)向驅(qū)動(dòng)作用;2005—2010年間,東北部的正向影響依舊最突出;2010—2015年間,東北部和西南部均轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)向驅(qū)動(dòng)影響,只有中部和西南部的部分地區(qū)存在正向驅(qū)動(dòng)效果最大。側(cè)面表明北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶退耕還林(草)工程是以逐步分區(qū)的方式進(jìn)行的,不同省份地區(qū)會(huì)因自然因素和人為因素的差異而導(dǎo)致工程實(shí)施力度和效果有所區(qū)別。