于坤霞, 蔣凱鑫, 孫 倩, 李 鵬, 李占斌,3, 張 翔

(1.西安理工大學(xué) 省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 西安710048; 2.西安理工大學(xué)旱區(qū)生態(tài)水文與災(zāi)害防治國(guó)家林業(yè)局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 西安 710048; 3.中國(guó)科學(xué)院 水利部 水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 楊凌 712100; 4.浐灞生態(tài)區(qū)管委會(huì)博士后工作站, 西安 710024)

社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的無(wú)限性和生態(tài)環(huán)境的有限性是客觀存在的矛盾。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，生態(tài)方面的問(wèn)題越來(lái)越突出，因此建立社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境之間有效的協(xié)調(diào)機(jī)制，是實(shí)現(xiàn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境良好耦合、經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)[1]。

在國(guó)內(nèi)最先對(duì)生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)耦合進(jìn)行研究的是任繼周先生，在20世紀(jì)80年代末提出草地和農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的耦合問(wèn)題，在20世紀(jì)90年代對(duì)系統(tǒng)耦合的生態(tài)與經(jīng)濟(jì)意義進(jìn)行了進(jìn)一步的系統(tǒng)研究[2]。吳長(zhǎng)文和陳法揚(yáng)論述了由于水土流失在我國(guó)造成的生態(tài)環(huán)境危害和對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的限制,提出應(yīng)以生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)調(diào)控理論為基礎(chǔ)進(jìn)行系統(tǒng)性的研究[3]。徐勇提出了生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)耦合理論和耦合機(jī)制，構(gòu)建在系統(tǒng)耦合理論的基礎(chǔ)上，以提高生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)耦合的質(zhì)量和運(yùn)行的效率，從而實(shí)現(xiàn)了生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)[4]。Grasso等構(gòu)建了紅樹(shù)林與漁業(yè)生產(chǎn)之間的生態(tài)經(jīng)濟(jì)模型，主要采用的方法是動(dòng)態(tài)優(yōu)化模型以及模擬模型研究[5]。Dong等通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)耦合進(jìn)行分析，建立了林業(yè)方面產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，對(duì)森林生態(tài)學(xué)與林業(yè)產(chǎn)業(yè)這一關(guān)系進(jìn)行了定量分析[6]。徐勇等以位于黃土丘陵區(qū)腹地的延安燕溝流域?yàn)槔?，基于坡改梯?nèi)生和外延效應(yīng)的學(xué)術(shù)思路，定量評(píng)價(jià)分析了燕溝流域坡改梯的生態(tài)經(jīng)濟(jì)耦合效應(yīng)[7]。

目前關(guān)于生態(tài)經(jīng)濟(jì)耦合關(guān)系的研究也多集中在流域尺度，對(duì)風(fēng)蝕水蝕交錯(cuò)區(qū)退耕還林還草、坡改梯和淤地壩建設(shè)等綜合土地利用變化的生態(tài)經(jīng)濟(jì)耦合效應(yīng)研究較少。

府谷縣處于風(fēng)水復(fù)合動(dòng)力侵蝕區(qū)，因風(fēng)水復(fù)合區(qū)水土流失的特殊性和棘手性，生態(tài)環(huán)境特別脆弱，侵蝕的動(dòng)因復(fù)雜，侵蝕量大，故該縣積極響應(yīng)退耕還林、坡改梯和淤地壩建設(shè)等政策舉措。隨著這些政策舉措的實(shí)施，府谷縣生態(tài)環(huán)境得到改善，且生態(tài)資源配置結(jié)構(gòu)發(fā)生重要變化，但生態(tài)環(huán)境在恢復(fù)過(guò)程中面臨著經(jīng)濟(jì)和糧食安全問(wèn)題。基于此，從內(nèi)生和外延兩個(gè)方面定量對(duì)比分析退耕還林還草、坡改梯和淤地壩建設(shè)的生態(tài)經(jīng)濟(jì)耦合效應(yīng)，建立生態(tài)與經(jīng)濟(jì)的良性耦合機(jī)制，為實(shí)現(xiàn)黃土高原生態(tài)經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)與可持續(xù)發(fā)展提供一些科學(xué)依據(jù)[1,8]。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

府谷縣位于陜西省最北邊，處于北緯38°42′—39°35′和東經(jīng)110°22′—111°14′，府谷縣總面積為3 229 km2。2013年末府谷縣總?cè)丝诩s為26.05萬(wàn)人，工業(yè)總產(chǎn)值693億元。冬春季節(jié)，氣候干燥且風(fēng)沙較大，易發(fā)生風(fēng)力侵蝕；夏秋季節(jié)，降水集中，易發(fā)生暴雨，且常伴有泥石流等自然災(zāi)害發(fā)生，以水力侵蝕為主。年均降水量為453.5 mm，年均氣溫為9.1℃[9]。

府谷縣地處黃河中游，是全國(guó)138個(gè)水土流失重點(diǎn)縣之一。全縣水土流失面積3 200 km2，占總面積的99%，年均土壤侵蝕模數(shù)為2.47萬(wàn)t/km2，相當(dāng)于每年表土層被剝蝕20 mm左右。年輸沙量高達(dá)7 905萬(wàn)t，屬?gòu)?qiáng)度水土流失區(qū)。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

文中涉及的種植作物及土壤侵蝕基本數(shù)據(jù)主要包括作物產(chǎn)量、土壤特性、土地類(lèi)型、土壤侵蝕模數(shù)，其中作物和土地類(lèi)型的數(shù)據(jù)來(lái)自于水土保持統(tǒng)計(jì)年鑒，土壤侵蝕模數(shù)根據(jù)RUSLE模型估算，農(nóng)產(chǎn)品價(jià)格以2013年當(dāng)?shù)卣{(diào)查值為準(zhǔn)。土地利用結(jié)構(gòu)和景觀指數(shù)分析依據(jù)2000年和2013年土地利用圖。

1.3 研究方法

內(nèi)生外延效應(yīng)從內(nèi)生和外延兩個(gè)方面定量對(duì)比分析陜北風(fēng)蝕水蝕交錯(cuò)區(qū)生態(tài)經(jīng)濟(jì)耦合效應(yīng)，內(nèi)生效應(yīng)的定義是指通過(guò)內(nèi)部生境的組合或調(diào)整而使得系統(tǒng)內(nèi)部得到增益或損耗的一種現(xiàn)象。外延效應(yīng)的定義是指通過(guò)內(nèi)部生境的組合或調(diào)整，在保證系統(tǒng)內(nèi)部維持穩(wěn)定的情況下，還使得和之相關(guān)的系統(tǒng)得到增益或損耗的一種現(xiàn)象。內(nèi)生效應(yīng)主要通過(guò)生態(tài)經(jīng)濟(jì)耦合指數(shù)反映，外延效應(yīng)主要通過(guò)土地利用結(jié)構(gòu)的變化、林草覆蓋率的變化以及景觀格局指數(shù)的變化來(lái)進(jìn)行分析。

對(duì)于本研究構(gòu)建的生態(tài)經(jīng)濟(jì)耦合數(shù)學(xué)模型則是用生態(tài)經(jīng)濟(jì)耦合指數(shù)來(lái)表示的。在此把土壤侵蝕量與經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出的比值稱(chēng)為生態(tài)經(jīng)濟(jì)耦合指數(shù)(Ecological Economy Coupling Index)[7]。換而言之，生態(tài)經(jīng)濟(jì)耦合指數(shù)是指單位經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出耕地所要付出的土壤侵蝕代價(jià)。根據(jù)一些學(xué)者的建議，也可將生態(tài)經(jīng)濟(jì)耦合指數(shù)定義為每一單位的土壤侵蝕量所能帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出。實(shí)際上二者的表述是一樣的，區(qū)別在于二者的值互為倒數(shù)。用EECI表示生態(tài)經(jīng)濟(jì)耦合指數(shù)；用Q表示土壤侵蝕量；E表示經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出，對(duì)于同種質(zhì)地的耕地，生態(tài)經(jīng)濟(jì)耦合指數(shù)采用以下表達(dá)式表示：

EECI=Q/E

(1)

對(duì)于不同質(zhì)地耕地生態(tài)經(jīng)濟(jì)耦合指數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下所示：

No significant differences between serum level of TGF-β1, s-Fr, HA or MCP-1 depending on etiology, age,gender, endocrine insufficiency or Cambridge score in CP patients were found.

(2)

(3)

式中：Q為土壤侵蝕總量；E為經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出總量；Ai為第i個(gè)地塊的面積；Mi為第i個(gè)地塊的土壤侵蝕模數(shù)；Pi為第i個(gè)地塊的單位面積經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出；i為同質(zhì)性地塊單元，i∈{1，2，…，n}；n為同質(zhì)性地塊單元總數(shù)。

為了分析不同質(zhì)地耕地對(duì)于生態(tài)經(jīng)濟(jì)耦合指數(shù)的敏感性，引入敏感性指數(shù)(The coefficient of sensitivity,CS)這一指標(biāo)來(lái)描述某質(zhì)地耕地單位EECI變動(dòng)引起的總EECI變動(dòng)。

(4)

式中：CSi為敏感性指數(shù)；EECIa為初始生態(tài)經(jīng)濟(jì)耦合指數(shù)；EECIb為調(diào)整后生態(tài)經(jīng)濟(jì)耦合指數(shù)；EECIia為研究區(qū)第i種用地類(lèi)型的初始生態(tài)經(jīng)濟(jì)耦合指數(shù)；EECIib為研究區(qū)第i種用地類(lèi)型調(diào)整后的生態(tài)經(jīng)濟(jì)耦合指數(shù)。

分析外延效應(yīng)時(shí)，為了定量表達(dá)一定時(shí)間范圍內(nèi)某種土地利用類(lèi)型的數(shù)量變化情況，采用土地利用類(lèi)型動(dòng)態(tài)度[9]這一指標(biāo)來(lái)描述土地使用頻率的變動(dòng)。公式具體如下所示：

(5)

式中：K表示研究時(shí)段內(nèi)土地利用類(lèi)型的變化率(%)；Ua，Ub表示研究初期和研究末期某土地利用類(lèi)型的數(shù)量(km2)；T表示研究時(shí)段長(zhǎng)度。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用變化的內(nèi)生效應(yīng)分析

府谷縣水澆地、壩地、坡耕地主要種植作物是玉米，梯田主要種植作物為蘋(píng)果。府谷縣坡耕地的土壤侵蝕量最大，用生態(tài)經(jīng)濟(jì)耦合指數(shù)對(duì)這4類(lèi)地形進(jìn)行生態(tài)經(jīng)濟(jì)耦合評(píng)價(jià)。具體計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 府谷縣生態(tài)經(jīng)濟(jì)耦合指數(shù)的計(jì)算

生態(tài)經(jīng)濟(jì)耦合指數(shù)敏感性分析見(jiàn)表2，由表2可知生態(tài)經(jīng)濟(jì)耦合指數(shù)對(duì)各土地類(lèi)型的敏感性指數(shù)依次為梯田>坡耕地>壩地>水澆地。梯田和坡耕地敏感性指數(shù)顯著高于壩地和水澆地，表明梯田和坡耕地的變化對(duì)生態(tài)經(jīng)濟(jì)耦合指數(shù)的影響大于壩地和水澆地的影響，因此建議在今后發(fā)展過(guò)程中應(yīng)加大坡耕地向梯田的轉(zhuǎn)換，來(lái)實(shí)現(xiàn)府谷縣生態(tài)和經(jīng)濟(jì)更好的耦合。

表2 生態(tài)經(jīng)濟(jì)耦合指數(shù)敏感性分析

2.2 土地利用變化的外延效應(yīng)分析

府谷縣的外延效應(yīng)主要從土地利用結(jié)構(gòu)變化和景觀指數(shù)的變化等方面進(jìn)行反映。

2.2.1 土地利用結(jié)構(gòu)變化 府谷縣的外延效應(yīng)主要表現(xiàn)在土地利用結(jié)構(gòu)的變化、林草植被覆蓋率提高等方面。府谷縣2000年以及2013年的土地利用圖如圖1所示。

2000—2013年府谷縣各種土地利用類(lèi)型面積的變化見(jiàn)表3。土地利用格局變化顯著，耕地面積、草地和水域面積減少，其中耕地以年均0.66%的速度減少了94.81 km2；林地、建設(shè)用地和未利用地呈增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)；其中林地用地面積增加最多，共增加了55.99 km2，年均增長(zhǎng)5.60%。

圖1 2000年、2013年土地利用圖

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣見(jiàn)表4。耕地和草地存在相互轉(zhuǎn)化的關(guān)系，但耕地向草地轉(zhuǎn)化面積較大，耕地和草地的相互轉(zhuǎn)化使耕地的面積減少了52.18 km2。 林地增加的面積主要來(lái)自于耕地和草地，增加的面積分別為22.25 km2，41.30 km2。這主要與1999年提倡的退耕還林還草的政策有關(guān)，隨著經(jīng)濟(jì)水平的發(fā)展，人們的生態(tài)環(huán)境意識(shí)增強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的退耕還林還草。

2.2.2 景觀指數(shù)分析 景觀指數(shù)的選取包括類(lèi)型水平和景觀水平上的指數(shù)[10-12]，本研究選取的類(lèi)型水平指數(shù)有斑塊所占景觀面積的比例(PLAND)、斑塊個(gè)數(shù)(NP)、斑塊密度(PD)、最大斑塊指數(shù)(LPI)、斑塊形狀指數(shù)(LSI)。景觀水平上選取的指數(shù)為香農(nóng)均勻度指數(shù)(SHEI)和多樣性指數(shù)(SHDI)。

不同類(lèi)型級(jí)別指數(shù)分析結(jié)果表明，斑塊所占景觀面積的比例(圖2A)和最大斑塊指數(shù)(圖2B)最大的均是草地，說(shuō)明府谷縣主要由草地組成，草地是該地區(qū)的優(yōu)勢(shì)景觀。斑塊個(gè)數(shù)(圖2C)、斑塊密度指標(biāo)值(圖2D)和斑塊形狀指數(shù)(圖2E)最大值均為耕地，說(shuō)明耕地的破碎度最大，受人類(lèi)活動(dòng)干擾最大。府谷縣2000年、2013年的景觀水平指數(shù)對(duì)比分析顯示(圖2F)，多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)從2000—2013年均是增加的，分別增加了0.116，0.065，多樣性指數(shù)和香農(nóng)均勻度指數(shù)的變化表明府谷縣景觀類(lèi)型的豐富程度和均勻程度在上升。

圖2 府谷縣2000年和2013年景觀指數(shù)對(duì)比

表3 2000-2013年府谷縣土地利用變化

表4 2000-2013年府谷縣土地利用轉(zhuǎn)移矩陣km2

3 結(jié) 論

(1) 內(nèi)生效應(yīng)分析表明退耕還林還草、坡改梯和淤地壩建設(shè)等綜合土地利用變化政策使位于風(fēng)蝕水蝕交錯(cuò)區(qū)的府谷縣從2000—2013年土壤侵蝕量明顯減少，生態(tài)經(jīng)濟(jì)耦合指數(shù)從2000年的215.88 t/萬(wàn)元減少到2013年的130.59 t/萬(wàn)元，其中梯田和坡耕地的變化對(duì)生態(tài)經(jīng)濟(jì)耦合指數(shù)的影響顯著大于水澆地和壩地的影響。

(2) 外延效應(yīng)分析表明府谷縣從2000—2013年實(shí)現(xiàn)了耕地向林地和草地的轉(zhuǎn)化，且府谷縣景觀類(lèi)型的豐富程度和均勻程度在上升。

(3) 退耕還林還草、坡改梯和淤地壩建設(shè)等政策的執(zhí)行不僅讓府谷縣生態(tài)環(huán)境得到改善，還使其經(jīng)濟(jì)耦合內(nèi)部呈現(xiàn)增益，在今后發(fā)展過(guò)程中應(yīng)加大坡耕地向梯田的轉(zhuǎn)換，以實(shí)現(xiàn)府谷縣生態(tài)和經(jīng)濟(jì)更好的耦合。