劉 迪, 陳 海, 張 行, 毛南趙, 梁小英

(1.西北大學(xué) 城市與環(huán)境學(xué)院, 西安 710127; 2.陜西省地表系統(tǒng)與環(huán)境承載力重點實驗室, 西安 710127)

目前，地球已經(jīng)進(jìn)入“人類世”新紀(jì)元，人類控制社會經(jīng)濟(jì)走向并極大改變地球表面環(huán)境，深刻影響地球表層系統(tǒng)演化與發(fā)展[1]。土地生態(tài)系統(tǒng)是地球表層系統(tǒng)中自然要素與人類活動相互作用而形成的統(tǒng)一整體[2]，隨著生態(tài)環(huán)境問題的日益嚴(yán)峻，土地生態(tài)系統(tǒng)健康愈發(fā)受到關(guān)注而成為生態(tài)系統(tǒng)領(lǐng)域的熱點研究問題[3]。土地生態(tài)系統(tǒng)健康評價可有效區(qū)分生態(tài)系統(tǒng)的健康與否，為病態(tài)系統(tǒng)制定恢復(fù)與預(yù)防的基本對策，從而促進(jìn)區(qū)域人地關(guān)系的協(xié)調(diào)。生態(tài)系統(tǒng)健康是指在人類干擾下生態(tài)系統(tǒng)自身結(jié)構(gòu)與功能的完整性[4-5]。目前，我國生態(tài)系統(tǒng)健康領(lǐng)域研究范式較為統(tǒng)一，一般采用多因子綜合評價模型進(jìn)行評價，包括“壓力—狀態(tài)—響應(yīng)”模型(Pressure-State-Response)[6-8]、“活力—組織—功能—彈性”模型[9-10]等，同時隨著評價案例的增多，許多研究并不局限于固定的指標(biāo)體系[11-12]。在上述研究中，PSR模型由于具備清晰的因果關(guān)系而獲得更為廣泛的應(yīng)用[13]。作為對人類干擾具有極強(qiáng)響應(yīng)的自然地帶[14]，黃土侵蝕溝谷土地生態(tài)系統(tǒng)在人地關(guān)系交互背景下脆弱性凸顯[15]，本文土地生態(tài)系統(tǒng)健康研究致力于在PSR范式下通過典型指標(biāo)還原和解釋“人類驅(qū)動—土地利用結(jié)構(gòu)—生境狀態(tài)—區(qū)域響應(yīng)”的生態(tài)系統(tǒng)健康因果鏈，從而通過生態(tài)恢復(fù)促進(jìn)區(qū)域土地生態(tài)系統(tǒng)由脆弱性向可持續(xù)性的狀態(tài)轉(zhuǎn)變[16]。

基于此，本文以黃土侵蝕溝谷杜家石溝為例，基于PSR模型，選取與區(qū)域緊密結(jié)合的指標(biāo)，運(yùn)用熵權(quán)法確定指標(biāo)權(quán)重，選取格網(wǎng)尺度分析杜家石溝土地生態(tài)系統(tǒng)健康空間分異，同時基于分布指數(shù)探究生態(tài)系統(tǒng)健康與地形起伏度的關(guān)系，并給出空間差別化的土地生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)對策，以期為區(qū)域水土保持與生境恢復(fù)提供依據(jù)。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

選取黃土侵蝕溝谷杜家石溝流域為研究區(qū)(37°42′16′′N—37°48′09′′N，109°56′40′′E—110°09′08′′E)。流域位于陜西省榆林市米脂縣西南部，豐水期洪水向東匯入無定河，集水區(qū)總面積119.12 km2。流域含49個行政村，其中38個隸屬杜家石溝鄉(xiāng)鎮(zhèn)，5個隸屬龍鎮(zhèn)，6個隸屬縣城銀州。屬中溫帶半干旱氣候帶，全年降雨量低，氣候干燥，夏季是降雨主要季節(jié)。杜家石溝是米脂縣最大的侵蝕溝，坡面完整但侵蝕切割明顯，地形起伏度大，侵蝕程度中度到強(qiáng)度。景觀敏感性較大的鹽堿地廣布于河谷地帶，導(dǎo)致流域水土流失頻發(fā)。杜家石溝是米脂縣最大的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)，農(nóng)藥化肥的大量使用、陡坡種植等高密度農(nóng)耕行為以及近年來開挖溝坡等進(jìn)行的鄉(xiāng)鎮(zhèn)建設(shè)致使溝谷生境質(zhì)量下降，增加了區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性；同時，在區(qū)域政策與經(jīng)濟(jì)利益的驅(qū)動下，農(nóng)戶棄耕撂荒行為頻發(fā)。特殊的地形與水土條件加之人類高強(qiáng)度農(nóng)耕影響及城鎮(zhèn)建設(shè)，使得流域生態(tài)環(huán)境十分脆弱且空間分異明顯，為土地生態(tài)系統(tǒng)健康空間分異研究提供較好的研究平臺。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

研究所需數(shù)據(jù)為杜家石溝土地利用圖(柵格大小為10 m)、DEM數(shù)字高程圖和實地農(nóng)戶調(diào)研數(shù)據(jù)。(1)DEM數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云(http:∥www.gscloud.cn/)，重采樣為10 m×10 m并提取高程與坡度，利用ArcGIS 10.2水文分析模塊提取杜家石溝范圍；利用ArcGIS 10.2鄰域分析工具建立5×5 矩形移動窗口分別提取鄰域柵格高程最大值與最小值并求取差值，生成研究區(qū)地形起伏度用于后續(xù)分析；(2) 杜家石溝土地利用圖來源于2015年米脂縣遙感影像數(shù)據(jù)與野外實測數(shù)據(jù)，以該年高分一號影像為數(shù)據(jù)來源，通過ENVI 5.1進(jìn)行幾何校正與圖像增強(qiáng)，并進(jìn)行監(jiān)督分類與人工目視解譯獲取，解譯結(jié)果的Kappa指數(shù)達(dá)到0.83，滿足生態(tài)系統(tǒng)健康評價精度要求。研究區(qū)景觀類型劃分為耕地、果園、林地、草地、水域、城鎮(zhèn)建設(shè)用地(含居住地、交通用地、工礦用地)、荒地(含鹽堿地、撂荒地)7類；(3) 農(nóng)戶個體與村莊整體數(shù)據(jù)源于外業(yè)問卷調(diào)查，于2017年7月10—28日以村落或戶為單位集中進(jìn)行問卷發(fā)放并回收，發(fā)放問卷456份，回收有效問卷430份，有效率94.3%。

研究區(qū)為黃土侵蝕溝谷，景觀破碎且數(shù)據(jù)柵格精度較高。為反映生態(tài)系統(tǒng)健康空間分異，同時考慮網(wǎng)格內(nèi)斑塊數(shù)量與指標(biāo)精度要求，生成0.1 km×0.1 km網(wǎng)格作為多源數(shù)據(jù)集成評價的基本單元進(jìn)行地理空間信息捕捉，實現(xiàn)指標(biāo)空間化[2,10]。

1.3 指標(biāo)體系構(gòu)建

“壓力—狀態(tài)—響應(yīng)”模型著重構(gòu)建人類活動與生態(tài)環(huán)境之間的因果鏈，用于分析自然環(huán)境所處壓力、現(xiàn)狀與響應(yīng)之間的相互關(guān)系[6]，有助于全面反映土地生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)以及人地互饋關(guān)聯(lián)[2]。本文將PSR模型引入研究區(qū)土地生態(tài)系統(tǒng)健康研究，構(gòu)建杜家石溝土地生態(tài)系統(tǒng)健康框架模型(圖1)。

目前，由于人類活動與自然環(huán)境關(guān)聯(lián)程度不斷加深，土地利用替代自然要素在短期內(nèi)主導(dǎo)環(huán)境變化和區(qū)域發(fā)展已成客觀事實[17]，因此本文主要選取與農(nóng)耕活動密切關(guān)聯(lián)的土地利用指標(biāo)指示區(qū)域環(huán)境遭受的外部壓力；在多重脅迫下生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能產(chǎn)生變化，經(jīng)典的景觀生態(tài)風(fēng)險指標(biāo)[14]可以很好地表征系統(tǒng)結(jié)構(gòu)面臨多源脅迫的無序程度，而在遙感研究中NDVI表征系統(tǒng)生產(chǎn)力也已為學(xué)界共識，區(qū)域生境敏感性與物種繁衍能力的綜合分析通過InVEST(Integrated Valuation of Ecosystem Services and Trade offs Model)生境質(zhì)量模型量化，該模型可有效反映溝谷環(huán)境在人類活動下引致的生境變化；生態(tài)環(huán)境的狀態(tài)與演變催生政府與農(nóng)戶主體的響應(yīng)，在黃土侵蝕溝谷，響應(yīng)與退耕還林密切相關(guān)，宏觀生態(tài)恢復(fù)與農(nóng)戶個體對生態(tài)環(huán)境的認(rèn)知是主體響應(yīng)的兩種方式?；谝陨戏治?，本文土地生態(tài)系統(tǒng)健康評價框架具有清晰的因果關(guān)聯(lián)，即能夠表征人類驅(qū)動—土地利用結(jié)構(gòu)—生境狀態(tài)—區(qū)域響應(yīng)的對應(yīng)環(huán)節(jié)，從而完善土地生態(tài)系統(tǒng)健康因果鏈。

圖1 杜家石溝土地生態(tài)系統(tǒng)健康框架

基于土地生態(tài)系統(tǒng)健康框架構(gòu)建相應(yīng)的杜家石溝土地生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)體系(表1)。表中準(zhǔn)則層、指標(biāo)層權(quán)重利用客觀熵權(quán)法計算得到，熵權(quán)法計算方法可參看相關(guān)文獻(xiàn)[7,18]。

表1 土地生態(tài)系統(tǒng)健康指標(biāo)體系

1.3.1 壓力指標(biāo) 壓力指在人類糧食生產(chǎn)與日常生活影響下土地生態(tài)系統(tǒng)所受的脅迫程度[2]。根據(jù)黃土溝谷農(nóng)耕種植特點與地形特殊性，并經(jīng)過實地勘察與調(diào)研，本文壓力指標(biāo)采用人口密度、農(nóng)戶干擾指數(shù)、外部可達(dá)性3個方面綜合衡量。其中，人口密度根據(jù)村莊常住人口進(jìn)行核算，外出打工等流動人口暫不考慮。農(nóng)戶干擾指數(shù)[6,10]表示農(nóng)戶生產(chǎn)生活形成的干擾體對生態(tài)系統(tǒng)施加的影響，本文利用農(nóng)藥化肥施用強(qiáng)度表征農(nóng)戶施用農(nóng)藥、化肥對耕地、果園的土壤污染程度[11]；土地墾殖率、建筑用地面積比例、≥25°坡耕地面積比例分別通過耕地面積、城鎮(zhèn)建設(shè)用地面積以及坡耕地面積占單位土地面積比例進(jìn)行核算[19]。外部可達(dá)性是農(nóng)戶對各類景觀單元干擾強(qiáng)度的刻畫，本文通過外部可達(dá)性建立空間層面上農(nóng)戶干擾與坡度、距離之間的有機(jī)聯(lián)系。距道路距離越遠(yuǎn)，坡度越大，景觀單元所受農(nóng)戶脅迫越小。坡度可達(dá)性與道路可達(dá)性對農(nóng)戶干擾強(qiáng)度的影響分別通過式Slope、式Road(式1)求得。

(1)

式中：d為景觀單元距道路的距離；ai為距離衰減系數(shù)，表示各地類屬性對道路的依賴程度，根據(jù)建筑用地、耕地、果園、水域、草地、林地和荒地對道路依賴程度的不同；ai分別取1 000，500，500，100，10，1，1[20]。

1.3.2 狀態(tài)指標(biāo) 土地生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)指標(biāo)主要遴選能夠表征區(qū)域生產(chǎn)力、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能狀態(tài)的指標(biāo)[20]，本文系統(tǒng)健康狀態(tài)通過NDVI、景觀損失指數(shù)、生境質(zhì)量進(jìn)行度量。遙感研究表明，植被生產(chǎn)能力與植被指數(shù)具有明顯正相關(guān)[6]，植被指數(shù)是衡量區(qū)域生產(chǎn)力的最佳指示因子，因此歸一化植被指數(shù)可有效表征土地生態(tài)系統(tǒng)的能量與活動性[2]。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與過程是生態(tài)系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)[21]，合理的景觀結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定的生態(tài)過程與區(qū)域可持續(xù)發(fā)展密切相關(guān)[22]，同時系統(tǒng)格局的量化與配置是生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定與功能優(yōu)化的前提。本文基于景觀生態(tài)風(fēng)險評價(Landscape ecological risk)模型(式2)，構(gòu)建景觀損失指數(shù)反映系統(tǒng)結(jié)構(gòu)狀態(tài)，該模型依托于景觀結(jié)構(gòu)的空間顯示對生態(tài)學(xué)過程及區(qū)域環(huán)境進(jìn)行探測，進(jìn)而反映生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性與多樣性[14]。損失指數(shù)由干擾度Ei與脆弱度Fi表示；干擾度表征景觀異質(zhì)性與多樣性，由破碎度、分離度、優(yōu)勢度構(gòu)成；脆弱度通過表征景觀類型內(nèi)部結(jié)構(gòu)的易損性來反映景觀面對外界干擾的彈性能力。

(2)

式中：n為景觀類型數(shù)量；Ei為景觀類型i的干擾度；Fi為景觀類型i的脆弱度；Ski為第k個評價單元第i類景觀類型面積；Sk為第k個評價單元面積。參考前人研究[23-24]，干擾度Ei各項指標(biāo)在Fragstats 4.2中計算得到；脆弱度Fi依據(jù)專家打分法歸一化求得。

生境質(zhì)量是指生態(tài)系統(tǒng)提供適宜個體與種群持續(xù)發(fā)展生存條件的能力[25]，是區(qū)域生態(tài)安全保障的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[26]。生境質(zhì)量通過高度強(qiáng)調(diào)生態(tài)系統(tǒng)在外界干擾下自身結(jié)構(gòu)與功能的維持狀態(tài)可間接表征生態(tài)系統(tǒng)健康程度。InVEST模型是目前較為成熟且應(yīng)用最多的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估模型[27]。本研究選取生境質(zhì)量(Habitat Quality)模塊表征生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)，即生境質(zhì)量越好的區(qū)域，物種生存潛力越高，生態(tài)系統(tǒng)越健康，反之亦然。模塊計算公式如下：

(3)

式中：Qxj為土地利用j中x柵格的生境質(zhì)量；Hj為j的生境適宜度；Dxj為j中x柵格的生境退化度；k為半飽和常數(shù)；z為歸一化常量，取值2.5。R為脅迫因子個數(shù)；Wr為脅迫因子r的權(quán)重；Yr為脅迫因子?xùn)鸥駭?shù)；ry為柵格y脅迫因子值；irxy為柵格y的脅迫因子ry對柵格x的脅迫水平；βx為脅迫因子對柵格x的可達(dá)性；Sjr為生境類型j對脅迫因子r的敏感程度。

模型是4個變量的函數(shù)：脅迫因子影響距離、生境的脅迫敏感性、生境與脅迫源的距離及土地受法律保護(hù)程度。本文主要考慮前3個變量的影響，且脅迫因子對生境的影響隨距離的增大呈指數(shù)型衰減。威脅因子與生境類型選擇、最大影響距離與敏感度設(shè)置結(jié)合模型使用說明[28]、相關(guān)學(xué)者研究[26,29]以及當(dāng)?shù)刂鞴芄賳T的訪談，結(jié)果見表2。

表2 生境類型對威脅因子的敏感度、威脅因子最大影響距離以及權(quán)重

1.3.3 響應(yīng)指標(biāo) 響應(yīng)是指區(qū)域主體對生態(tài)環(huán)境健康狀態(tài)變化作出的積極反應(yīng)，目的是通過生態(tài)恢復(fù)等改善溝谷環(huán)境，使其維持結(jié)構(gòu)良好，功能持續(xù)的狀態(tài)，實現(xiàn)土地生態(tài)系統(tǒng)健康的持續(xù)。在黃土丘陵溝壑區(qū)，由于水土保持工程措施的滯后，在響應(yīng)指標(biāo)上主要考慮區(qū)域生態(tài)建設(shè)，本文通過林草地覆蓋率、生態(tài)退耕率及農(nóng)戶認(rèn)知水平來衡量。林草地覆蓋率為林草地面積占單位面積土地的比例、生態(tài)退耕率為村落退耕面積占村落總耕地面積的比例；農(nóng)戶認(rèn)知水平基于農(nóng)戶個體問卷調(diào)查，是農(nóng)戶對退耕還林還草政策重要性認(rèn)知的打分，農(nóng)戶對該政策的理解與支持可有效助推退耕還林政策的施行。

1.4 地形起伏度及其分布指數(shù)

地形起伏度是對區(qū)域地形切割深度的數(shù)值度量，是表征地貌類型的重要指標(biāo)，尤其是在地表切割較強(qiáng)地區(qū)，地形起伏度的成圖成為該類區(qū)域地貌過程分析的重要步驟[30]。黃土侵蝕溝谷是我國典型的水力侵蝕單元，水力侵蝕形成地表的深切割，表征局域相對高差的地形起伏度在本區(qū)域有著更為明顯的應(yīng)用價值。區(qū)域內(nèi)地形對人類活動的限制性和對土地利用空間分布的自然選擇性，使區(qū)域內(nèi)人為脅迫在地形起伏度梯度上的分布呈現(xiàn)規(guī)律變化。本文結(jié)合分布指數(shù)[31]旨在探討地形起伏度與生態(tài)系統(tǒng)健康之間的空間關(guān)聯(lián)。分布指數(shù)通過消除不同地形起伏度等級面積差異和不同健康組分面積差異來描述健康組分在地形起伏度梯度上的分布狀況。公式如下：

P=(Sie/Si)(S/Se)

(4)

式中：P為分布指數(shù)；Sie為第e種地形起伏度下第i類健康等級面積；Si為第i類健康等級總面積；Se為第e種地形起伏度總面積；S為研究區(qū)總面積。P>1，說明特定健康等級在特定地形起伏度上處于優(yōu)勢分布。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地生態(tài)系統(tǒng)健康空間分異

表1中各項指標(biāo)在極差標(biāo)準(zhǔn)化后利用ArcGIS 10.2進(jìn)行差異權(quán)重的空間疊加，并基于評價單元進(jìn)行分區(qū)統(tǒng)計，進(jìn)而得到準(zhǔn)則層及土地生態(tài)系統(tǒng)健康空間分布圖(圖2)。利用自然斷點法將準(zhǔn)則層指標(biāo)及土地生態(tài)系統(tǒng)健康分為低值區(qū)、中值區(qū)、高值區(qū)3級(表3)，在此基礎(chǔ)上分析杜家石溝土地生態(tài)系統(tǒng)健康空間分異。

表3 準(zhǔn)則層指標(biāo)與生態(tài)系統(tǒng)健康分級標(biāo)準(zhǔn)

2.1.1 PSR準(zhǔn)則層空間分異 圖2A中景觀單元所受外部壓力大致呈現(xiàn)中部高、四周低的空間分布格局，在東部谷口呈現(xiàn)明顯的高值“傾瀉”。壓力由低到高的區(qū)域分別占研究區(qū)面積的28.46%，40.98%，30.56%。整體上看，中東部溝谷地區(qū)壓力較高，距離溝谷較遠(yuǎn)的丘陵山區(qū)壓力相對較低。中東部溝谷包括兩大部分：一是中部川道、南北兩側(cè)溝壑沿線及東部谷口；二是中部溝谷及其延伸區(qū)。前者是人口與建筑用地密集區(qū)，鄉(xiāng)鎮(zhèn)建設(shè)斬坡取土破壞邊坡穩(wěn)定性從而導(dǎo)致生態(tài)壓力增大。與之相比，人口稀少且建筑用地較為分散的丘陵冠頂生態(tài)系統(tǒng)受到的干擾較??；后者是耕地集中區(qū)，圍繞川道區(qū)域擴(kuò)散分布，區(qū)域內(nèi)土地墾殖率與道路通達(dá)性較高，景觀所受的脅迫較大，耕地陡坡種植時常導(dǎo)致嚴(yán)重的局域水土流失。丘陵山區(qū)由于人口密度較小、距離溝谷較遠(yuǎn)、建筑用地星散從而保持較低的農(nóng)戶脅迫。壓力指標(biāo)能夠?qū)ι鷳B(tài)系統(tǒng)退化起到預(yù)警作用，當(dāng)農(nóng)耕及城鎮(zhèn)建設(shè)壓力超過溝谷土地生態(tài)系統(tǒng)自身調(diào)節(jié)能力時，會造成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的破壞，導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)退化。

圖2B中，狀態(tài)值整體呈現(xiàn)中北部及東部谷口較高的空間分布格局。狀態(tài)低值區(qū)集中于川道鄉(xiāng)鎮(zhèn)建設(shè)中心區(qū)及其北面溝谷、東部溝谷及其南北兩側(cè)，占研究區(qū)面積的31.47%。在持續(xù)的人類干擾下，景觀結(jié)構(gòu)變化為異質(zhì)不連續(xù)的斑塊鑲嵌體，景觀破碎化起始于中部溝谷進(jìn)而向北部村落延伸；區(qū)域內(nèi)建設(shè)用地與荒地等景觀類型的集中分布反映了生境質(zhì)量的下降。中值區(qū)占研究區(qū)面積的45.33%，此類區(qū)域地形最為復(fù)雜多樣，人類活動對景觀的改造程度趨于中等，整體上景觀結(jié)構(gòu)基本穩(wěn)定、水土保持功能得以發(fā)揮。高值區(qū)集中在南部村落及西北少部分區(qū)域，占研究區(qū)面積的23.2%。此類區(qū)域由于地形起伏度較高、農(nóng)戶干擾程度較弱而系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；廣闊的林草地覆蓋能夠發(fā)揮正常的水源涵養(yǎng)與生態(tài)保育功能，生境質(zhì)量較高，故健康狀態(tài)良好。作為自然與農(nóng)耕生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)合體，溝谷土地生態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)與特征是自然與人為因子相互作用的結(jié)果，本文狀態(tài)指標(biāo)能夠充分反映系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能互作，從而完善健康因果鏈中間環(huán)節(jié)。

圖2C中，響應(yīng)值表現(xiàn)為更為復(fù)雜的空間分異。研究區(qū)生態(tài)建設(shè)主要受退耕還林政策的推動，因此響應(yīng)值的大小與林草地覆蓋有很大的空間關(guān)聯(lián)性。低值區(qū)集中于東南部，占研究區(qū)面積的25.5%。南部低值區(qū)主要位于海拔較高的置耕梯田，耕地集中連片，故林草地覆蓋率較低。中值區(qū)分布于研究區(qū)大部分區(qū)域，占整體面積的45.03%。區(qū)域內(nèi)有廣闊的林草地覆蓋，且與溝谷地形密切相關(guān)，區(qū)域內(nèi)生態(tài)退耕率較低且農(nóng)戶對退耕還林政策重要性的認(rèn)知程度有限。響應(yīng)高值區(qū)面積集中位于北部，占研究區(qū)面積的29.48%。西北部林草地覆蓋率最好；北部林草地覆蓋率一般，但是近年來生態(tài)退耕率較高且農(nóng)戶對退耕還林政策有較高的認(rèn)知；東部谷口由于臨近米脂縣城且耕作條件優(yōu)越，林草地覆蓋程度與退耕率均較低，但區(qū)域內(nèi)農(nóng)戶普遍認(rèn)為退耕還林政策十分重要，故響應(yīng)值較高。對于黃土侵蝕溝谷，退耕還林政策落實是PSR模型評價終點，也是溝谷生態(tài)恢復(fù)起點。生態(tài)措施的制定可有效緩解區(qū)域生境壓力，從而促進(jìn)健康因果鏈的螺旋式發(fā)展，實現(xiàn)生態(tài)可持續(xù)。

2.1.2 土地生態(tài)系統(tǒng)健康空間分異 土地生態(tài)系統(tǒng)健康是壓力—狀態(tài)—響應(yīng)的集成表達(dá)。圖2D中，健康低值區(qū)占研究區(qū)面積的37.63%，分布于中部主干溝谷及其二級侵蝕溝內(nèi)、東部溝谷及其南北延展區(qū)。區(qū)域內(nèi)人口密集，農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)，農(nóng)戶干擾十分顯著；耕地面積集中但受地形分割影響，景觀類型破碎化程度較高；加之位于集水槽低洼區(qū)域，水土流失十分嚴(yán)重，區(qū)域生態(tài)環(huán)境較差；林草地分離度高，退耕率低，故而系統(tǒng)活力較低，生境質(zhì)量較差，自然生態(tài)系統(tǒng)面臨退化的風(fēng)險。健康中值區(qū)占研究區(qū)面積的38.82%，呈散射狀分布于健康低值區(qū)周圍，該區(qū)域地形最為復(fù)雜多樣。區(qū)域內(nèi)人類干擾中等，系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本完整，生境質(zhì)量良好。健康高值區(qū)占研究區(qū)總面積的23.54%，主要分布于山地丘陵區(qū)及其邊緣深切溝谷，海拔較高且地形起伏度較大。區(qū)域內(nèi)人口較少，農(nóng)戶干擾十分有限；梯田廣布且集中成片，景觀分離度較低，生態(tài)系統(tǒng)較為穩(wěn)定；雖然退耕率較低但深切溝谷內(nèi)林草地廣布，生境質(zhì)量與系統(tǒng)彈性均較高。

2.2 生態(tài)系統(tǒng)健康與地形起伏度的關(guān)系

為厘清生態(tài)系統(tǒng)健康與地理環(huán)境的耦合關(guān)系，本文以地形起伏度為單一因子，結(jié)合地形分布指數(shù)考察生態(tài)系統(tǒng)健康的空間分布規(guī)律(圖3)，地形起伏度梯度通過自然斷點法分級獲取。圖3中，根據(jù)地形起伏度級別變化，生態(tài)系統(tǒng)健康變化趨勢大致分為3類：持續(xù)減少型，即健康低值區(qū)；穩(wěn)定型，即健康中值區(qū)；持續(xù)增加型，即健康高值區(qū)。具體來看，健康低值區(qū)在1級梯度上為優(yōu)勢分布，隨梯度增加，分布優(yōu)勢持續(xù)降低。較低的地形起伏度指示較高的地形完整性與可達(dá)性，這些區(qū)域與農(nóng)戶活動關(guān)系密切，受農(nóng)戶脅迫程度較高，生境質(zhì)量較差，景觀破碎度與脆弱性高；中值區(qū)在2～3級梯度上呈現(xiàn)微弱的優(yōu)勢分布，但整體上隨梯度變化不明顯；高值區(qū)在3～5級梯度上呈現(xiàn)優(yōu)勢分布，隨梯度增加，分布優(yōu)勢明顯上升。較高的地形起伏度說明局域相對高差較大，不適宜農(nóng)戶從事農(nóng)耕且可達(dá)性差，區(qū)域內(nèi)廣泛分布的林草地與退耕地使得景觀穩(wěn)定性與生境質(zhì)量較高?？傮w來看，人類活動壓力隨地形起伏度的升高而降低，呈現(xiàn)出從人工生態(tài)系統(tǒng)向半自然生態(tài)系統(tǒng)的過渡，這一過渡伴隨著景觀結(jié)構(gòu)、生境質(zhì)量以及響應(yīng)值的差異變化，并最終影響土地生態(tài)系統(tǒng)健康的空間分異。

基于以上分析，本文結(jié)合不同起伏度上優(yōu)勢健康等級分布給出空間差別化的生態(tài)保護(hù)措施：(1) 低地形起伏度區(qū)段上健康低值為優(yōu)勢分布，即溝谷壩地，此類區(qū)域為土地生態(tài)系統(tǒng)健康調(diào)控?zé)狳c。應(yīng)嚴(yán)格管控農(nóng)戶農(nóng)耕行為，控制農(nóng)藥化肥以及塑料薄膜施用量，合理進(jìn)行鄉(xiāng)鎮(zhèn)擴(kuò)張，嚴(yán)禁斬坡取土進(jìn)行樓房建設(shè)，對已存在的高坡度開挖土地進(jìn)行硬化并圍擋，保護(hù)壩地和水田，緩解人地矛盾；(2) 高地形起伏度區(qū)段上健康高值為優(yōu)勢分布，即深切梁麓區(qū)，此類區(qū)域為土地生態(tài)系統(tǒng)健康調(diào)控冷點。除了禁止坡耕地開發(fā)的同時貫徹國家退耕還林還草政策外，暫不需要進(jìn)行過多的人為防治措施，重點借助土地生態(tài)系統(tǒng)自身的恢復(fù)力實現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)健康的自然調(diào)控。

圖2杜家石溝準(zhǔn)則層指標(biāo)與土地生態(tài)系統(tǒng)健康空間分布

圖3土地生態(tài)系統(tǒng)健康與地形起伏度的分布關(guān)系

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié) 論

(1) 研究區(qū)土地生態(tài)系統(tǒng)健康空間分異顯著。健康高值占研究區(qū)面積的27.02%，主要分布于山地丘陵及其邊緣深切溝谷海拔較高且地形起伏度較大的區(qū)域；健康低值分布于中部溝谷及其二級侵蝕溝、東部溝谷及其延伸區(qū)，占研究區(qū)面積的33.37%，該類區(qū)域應(yīng)作為格局調(diào)控與生態(tài)恢復(fù)的重點區(qū)域。

(2) 生態(tài)系統(tǒng)健康與地形起伏度關(guān)系密切。健康低值區(qū)在1級梯度上為優(yōu)勢分布，隨梯度增加，分布優(yōu)勢持續(xù)降低；中值區(qū)在2～3級梯度上呈現(xiàn)微弱的優(yōu)勢分布，但整體上隨梯度變化不明顯；高值區(qū)在3～5級梯度上呈現(xiàn)優(yōu)勢分布，隨梯度增加，分布優(yōu)勢明顯上升?？傮w上來看，人類活動壓力隨地形起伏度的升高而降低，這一過渡伴隨著健康狀態(tài)值以及響應(yīng)的差異變化，最終影響土地生態(tài)系統(tǒng)健康的空間分異。

3.2 討 論

本文依托于PSR范式通過典型指標(biāo)還原和解釋人類驅(qū)動—土地利用結(jié)構(gòu)—生境狀態(tài)—區(qū)域響應(yīng)的生態(tài)系統(tǒng)健康因果鏈。作為健康因果鏈中間環(huán)節(jié)，各項準(zhǔn)則指標(biāo)致力于提高PSR對溝谷土地生態(tài)系統(tǒng)健康的解釋力，并取得較好的研究結(jié)果。然而，作為一個復(fù)合系統(tǒng)，土地生態(tài)系統(tǒng)自然本底脆弱性與人類活動復(fù)雜性交織，故本文建立的評價體系尚不夠完善，且不涉及過程性指標(biāo)。在今后的研究中應(yīng)加強(qiáng)區(qū)域土壤侵蝕、水土流失等生態(tài)過程指標(biāo)的監(jiān)測與獲取，從而實現(xiàn)黃土溝谷區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康的客觀評價。

評價單元選取上，本文利用格網(wǎng)分析法對研究區(qū)進(jìn)行分割，可較好表征溝谷生態(tài)系統(tǒng)健康空間分異。與行政單元空間顯示相比，格網(wǎng)分割能夠避免大范圍區(qū)內(nèi)同質(zhì)性等信息平滑的缺點。但是，本文格網(wǎng)尺度選取略顯主觀。在黃土丘陵溝壑區(qū)，使用子流域作為多源數(shù)據(jù)評價單元，能夠保證單元內(nèi)自然環(huán)境的統(tǒng)一及不同單元的區(qū)間差異，可以有效對健康格局進(jìn)行整體分析?；谧恿饔?qū)】蹈窬诌M(jìn)行空間可視化與分析是今后的研究重點。