我國三北地區植被變化的動因分析

曹世雄,劉冠楚,馬 華

1 延安大學經濟管理學院,延安 716000 2 北京林業大學經濟管理學院,北京 100083 3 南寧市水利局,南寧 530001

我國三北地區植被變化的動因分析

曹世雄1,2,*,劉冠楚2,馬 華3

1 延安大學經濟管理學院,延安 716000 2 北京林業大學經濟管理學院,北京 100083 3 南寧市水利局,南寧 530001

地表植被變化是氣候變化、人類活動等多種因素共同作的結果。然而,以往的研究要么集中在與氣候變化有關的氣象因素,要么集中在與人類活動有關的人為因素,鮮有基于長期數據監測下對自然與社會因素之間相互作用的定量評估。因此,氣候變化和人為因素對地表植被變化的相互作用并不明確,各個因素對植被變化影響的量化貢獻仍然不確定。為了評價生態修復項目對荒漠化防治的效果、以及在土地荒漠化防治中自然與社會因素對我國植被變化的影響、及其復雜的相互作用機理,該研究應用衛星遙感影像資料,通過面板數據混合回歸模型大數據分析方法,計算了1983年至2012年氣候變化和人類活動對我國北方地區植被變化的貢獻率。結果表明,氣候變化和人類活動對NDVI變化均有重要作用,其中人類活動對植被覆蓋度變化的影響占58.2%—90.4%、氣候變化占9.6%—41.8%；不同地區表現出不同的地理分異特征,并存在時滯效應。由此可見,荒漠化防治必須充分考慮不同因素的綜合作用和地域特征,才能取得事半功倍的效果。研究結果較好地體現了衛星遙感影像資料在大尺度(省域尺度)下與社會經濟統計指標的融合,為進一步中尺度(縣域尺度)研究提供了方法借鑒。

氣候變化；荒漠化；生態恢復；人類活動；植被變化

土地退化也被稱作土地荒漠化,嚴重威脅著人類的生存和發展,是制約現代社會可持續發展的重大問題[1- 2]。目前,全球受荒漠化影響的土地面積約為5400萬km2,約占全球陸地面積的40%[3]。這些地區水文變化無常、氣候條件惡劣、植被組成多樣、水土流失和土地荒漠化嚴重[4]。包括我國西北地區、非洲、中東、美國西部、澳大利亞等地,沙塵暴不斷威脅著人類的生存與發展[5]。在干旱、半干旱、以及半濕潤地區,土地退化的成因包括氣候變化和人類活動,所引發的直接生態后果就是植被減少[1- 2]。隨著荒漠化面積日益增加,人類棲息地面積日趨減少,貧困化問題也在不斷加劇[6]。土地荒漠化已經成為全人類共同面臨的嚴重環境問題和社會難題,影響人類生存和人類文明的進一步發展。

研究表明,氣候變化和人類活動對土地荒漠化進程均有重要影響,地表植被變化也會影響氣候變化[7- 8]和人類活動[9- 10]。一些研究結果證明人類活動比氣候因子的作用大[11],而另一些結果表明氣候因素的作用更明顯[12],更多的結果表明人類活動和氣候變化之間存在復雜的交互作用[13- 14]。然而,過去的研究工作要么只關注氣候因素,要么只關注人類活動,鮮有學者在研究中同時考慮以上兩類因素的相互作用。自然學科的一些學者認為,氣候變化影響土壤質量、植被覆蓋、物種組成、水文循環,因此導致荒漠化面積增加[15- 16]；人文學科一些學者認為,不可持續的傳統人類活動(如過度放牧、過度采伐、地下水開采等)對生態系統施加了巨大壓力,進而導致水土流失,加劇了土地荒漠化[17- 18]。由于自然學科和人文學科的長期分離,科學家并不清楚上述因素是如何相互作用的,也不清楚這些因素在荒漠化形成和防治過程中孰輕孰重,不同研究成果之間的分歧無法調和,進一步增加了荒漠化防治的難度和風險[19- 20]。

土地退化不僅屬于自然科學研究范疇、也屬于人文科學研究領域[21]。影響荒漠化的動力因素之間存在著復雜的相互關系,為了預測這些相互作用的最終效果,有必要了解他們之間復雜的相互作用和因果關系。這些因果關系通常是非線性的,在達到極限后會出現劇烈變化,而且他們的影響往往具有時間上的滯后效應[22]。傳統生態系統恢復的工作重點是重新建立生態干擾機制或者非生物條件、并依靠生態系統演替過程,促進生物群落恢復。不過,生物因素和自然環境之間強烈的相互作用可以改變以生態系統演替為基礎的環境工程管理的結果[23- 24]。歷史上的這類研究熱衷于理論分析和概念描述,鮮有量化研究的成果報道[4]。慶幸的是,大數據分析方法使不同尺度下的跨學科研究成為可能。

在我國三北(西北、華北、東北)地區,土地荒漠化嚴重制約當地的人類活動和社會發展[25]。為控制荒漠化,我國政府實施了一系列大型治理工程,包括退耕還林項目、天然林保護工程、三北防護林工程、防沙治沙工程等等[26- 27]。然而,由于自然因素和人為因素的相互作用尚不明晰,荒漠化的成因和治理成果的動力機理并不明確；同時,一些地區的荒漠化面積已顯著下降,但另一些地區的荒漠化仍在不斷擴大[28]。因此,我國荒漠化防治的政策成效也不斷引起爭議[20, 29- 30]。由此可見,全面開展荒漠化形成和防治的動力機制研究,有的放矢地建立有效應對機制,仍然是我國乃至全球荒漠化防治的重要課題。

為了評價生態修復項目對荒漠化防治的效果、以及在土地荒漠化防治中氣候變化和人類活動對我國植被變化的影響、及其復雜的相互作用機理,該研究應用衛星遙感影像資料,通過面板數據混合回歸模型,計算了1983年至2012年30年間氣候變化和人類活動對我國北方地區植被變化的貢獻率。研究結果較好地體現了衛星遙感影像資料在大尺度(省域尺度)下與人類活動統計指標的融合,為進一步中尺度(縣域尺度)研究摸索經驗。

1 研究方法

為了全面認識氣候變化和人類活動對荒漠化形成和防治的影響,該研究通過8×8 km空間分辨率下的AVHRR GIMMS衛星遙感數據,以歸一化差分植被指數值NDVI(Normalized Difference Vegetation Index,一般應用于檢測植被生長狀態、植被覆蓋度度)代替植被變化,獲取了各個省、市、自治區的各個年度植被變化的平均值。考慮到濕潤地區云霧的阻擋作用,該研究的研究區域局限于三北地區15個省市自治區。由于該衛星2012年以后停止使用,因此,該研究的所有數據均選取1983—2012年同一顆衛星工作時段的影像資料。并從統計年鑒中獲得可能影響植被變化的所有氣候變化和人類活動指標的年度統計數據。

統計指標 (1)農村社會發展指標：農村人口、農業勞動力、公路綠化里程、鐵路綠化里程、礦區綠化面積；(2)農村經濟發展指標：農業GDP,農業收入、農村人均收入、農村人均純收入、耕地面積、播種面積、復種指數、基本農田面積、糧食產量、糧食單產、各種家畜存欄量；(3)環境政策指標：封山禁牧面積、封山育林面積、人工造林面積、人工種草面積、退耕面積、生態項目投資；(4)氣候環境指標：年均溫度、年均降水量、極端溫度、>0℃和>10℃積溫、太陽輻射、地下水位、地表水量30個統計監測指標為主要研究指標。

為了去除統計單位不同造成的影響,該研究使用每個指標的年度變化率面板數據去識別關鍵因素,并且比較他們對NDVI的貢獻。為了避免重疊因素對結果的影響,該研究應用2011版本的STATA軟件的回歸分析模型(http://www.stata.com)計算所有雙驅動因素之間關系的回歸系數。最后確定了農村人口、農村人均純收入、耕地面積、封山禁牧與封山育林面積、造林面積、公路和鐵路里程(綠化)、年平均溫度、年均降水量為主要指標。面板數據模型如下：

yit=a+bxit+uit

(1)

式中,yit是指在t年i地區的NDVI值,xit是相應的影響因素,uit是誤差,a和b是回歸系數。

為了解釋在回歸分析中變量因素自相關的可能性,進行了Breusch-Godfrey LM 測試,最終得到輔助回歸系數R。依據(n-1)R近似服從自由度為1的卡方分布來確定有沒有出現顯著自相關。然后將原始數據xit減去xit的均數xit的標準差,從而得到標準化的a和b。并依據氣候與地理差異把三北地區分為6個區域,計算研究區中不同變量對NDVI變化的貢獻。計算的模型如下：

(2)

區域劃分如下：青藏高原地區(西藏和青海)、西北地區(新疆、甘肅、寧夏)、內蒙古自治區、黃土高原地區(陜西和山西)、東北地區(黑龍江、吉林、遼寧)、華北地區(河北、河南、山東、北京、天津)。

2 結果

結果顯示(表1),農村人口變化和耕地面積變化與NDVI 變化呈顯著負相關關系,對當年NDVI變化的貢獻率分別為9.5%和27.6%；農民純收入增加、人工造林、道路與礦區綠化、氣候變暖、降水增加與NDVI 變化呈顯著正相關關系,這些因素對當年NDVI變化的貢獻率分別為9.1%、3.4%、6.3%、19.8%、22.0%。

各因素變化對NDVI變化的影響存在時滯效應,其中生態移民和城市化發展引起農村人口減少、封山禁牧自然植被修復、以及道路與礦區綠化對植被變化的貢獻在第3年表現最為突出,貢獻率分別達到32.4%、19.0%和23.8%。氣候變化的時滯效應不明顯。

表1 各因素對1983至2012年間我國三北地區NDVI變化的相對貢獻

顯著性水平Significance levels: ** 1%, * 5%

圖1 各因素對不同地區本年度植被變化的影響力Fig.1 Contributions of the driving factors to vegetation cover changes at current year

研究結果表明,植被修復過程受地理因素的影響,地理分異特征明顯。如圖1顯示,各個因素在不同地區對NDVI的影響是不同的。降水對寒冷的東北地區當年的NDVI變化造成了負面影響,而對其他地區的影響是正面的(P<0.05)；封山禁牧對西部的青藏高原、西北干旱地區、以及內蒙古牧區植被變化的影響是正面的(P<0.05),對其他地區的影響并不顯著；氣候變暖對寒冷的青藏高原和東北地區本年度植被變化的影響是正面的(P<0.05),對其他地區的影響并不顯著。同時,各地區的主導因素也不同,退耕是青藏高原、黃土高原、華北平原本年度植被修復的第一要素；封山禁牧、農牧民收入增長、道路與礦區綠化分別是西部干旱地區、內蒙古草原、東北地區本年度植被修復的最大貢獻者。

圖2 各因素對不同地區第2年植被變化的影響力Fig.2 Contributions of the driving factors to vegetation cover changes at second year

圖2和圖3結果顯示,時滯效應是普遍現象,并且地理差異顯著。氣候因素對植被變化的時滯效應在寒冷地區和干旱地區表現突出(P<0.05),其他地域的時滯效應不明顯；社會因素的時滯效應持續時間長,其中封山禁牧自然修復政策的時滯效應最為突出(P<0.01),是西部草原區植被修復的主導因素；對華北和東北地區來說,城市化和生態移民對植被修復的貢獻在第3年后逐步顯現(P<0.05)。

圖3 各因素對不同地區第3年植被變化的影響力Fig.3 Contributions of the driving factors to vegetation cover changes at third year

4 討論

長期研究結果表明,消除貧困與生態修復同等重要[31]。對于生態脆弱地區的農民而言,環境惡化與貧困化相互促進,形成的“貧困陷阱(即越窮越墾、越墾越窮)” 像魔咒一樣困擾著這類地區的人類活動發展[32]。通過消除貧困、改善當地居民生計,從而實現保護環境的目的,是可持續發展的長期策略[33]。荒漠化地區生態系統的脆弱性、現代技術缺乏、自然災害頻繁,所有這些因素導致了極低的資本投入、落后的技術和不完善的教育,進一步加劇了環境退化[34- 35]。正如研究結果所示(表1),我國三北地區人類活動因素對NDVI 所產生的影響比氣候因素更強,對當年植被修復的貢獻為58.2%,對第3年植被修復的貢獻為90.4%。氣候因素的直接作用與植物生長,對當年植被變化的貢獻高達41.8%,對以后年度的影響有限(也就是說,今年的氣候變化,對明年和后年植被的影響不顯著)；而農村人口變化的影響會漸漸地反映在自然生態系統的演替中,人口遷移了,以后就不再擾動土地了,所以對第2、第3年植被恢復更有幫助。因此,當年人口減少會對第3年NDVI的增長做出較大貢獻,從第1年不足10%到第3年的32%。由此可見,基于成本效益分析的生態政策模式必須同時具有消除貧困和改善環境的雙重功效[36]。政府在開展生態修復項目時,必須充分考慮當地居民的人類活動訴求,必須提供足夠的補償或向其提供其他可行的就業方案[37],如果不能采取有效措施解決當地居民的生計問題,那么保護環境也就只是一句空話。

植被變化是多種因素共同作用的結果,耕作、放牧、采伐、人工造林、以及其他各種人類活動、氣候變化均會產生影響[7- 9, 38]。農村人口減少、耕地減少等因素無疑減少了人類對自然環境的擾動,給植被恢復提供了機會(表1)。這也在一定程度上解釋了為什么退耕是青藏高原、黃土高原、華北平原本年度植被修復的第一要素(圖1)。同時,農村人口的變化意味著勞動力供給的變化,農村勞動力是農作、造林、綠化、放牧的直接參與者[39]。因此,農村人口的貢獻會因為不同地區的環保策略不同表現出不同的效果。在西部干旱地區,過度放牧是植被退化的主要因素,封山禁牧是地該區本年度植被修復的最大貢獻者(圖1)；寒冷和干旱的氣候條件影響植物的生產效率,也必然制約生態系統的修復進程,這些地區的植被對氣候因素變化的響應遲鈍,時滯效應比其他地區明顯(圖2—圖3)。

生態系統復雜多變,荒漠化地區的植被變化是多種因素交互作用的結果[40- 41]。如降水對干旱少雨的西部干旱地區無疑是植被修復的甘露,但對積溫不足的東北地區,降水增加會減少光照,影響植物的光和作用,這就是為什么降水對寒冷的東北地區當年的NDVI變化造成了負面影響,而對其他地區的影響是正面的(圖2)。對整個三北地區來說,人工造林措施對NDVI 的影響力僅為0.6%—3.4%(表1),這意味著人工造林這種過于簡單化的解決方案對面積廣大人口稀少的干旱地區退化生態系統修復的作用是有限的。干旱地區的植樹造林通常需要灌溉才能存活[39],樹木的蒸散發進一步增加了土壤水分消耗,這使本來就有限的水資源更加緊張[19]。短期內造林所產生的積極作用會被水資源的長期消耗帶來的消極作用所抵消[42- 43]。不同地區之間的巨大差異有力證明了地理差異對生態修復的巨大影響。因此,尊重地方差異,在不同地區采取因地制宜的差異性策略是未來環境政策研究和制定的重要方向。只有這樣,才有可找到行之有效的解決方案。

植物需要時間進行光合作用,土壤需要時間積累養分供植物生長發育。相對于自然因素(如降水、光照)直接作用于植物的生長發育,人工措施對生態系統的影響是漸漸的,需要較長時間的響應過程,這很好地說明了人類活動的時滯效應。正因為存在時滯效應,政策制定和土地管理需要有足夠耐心監測和研究不同措施的效果[25]。在全球氣候變化、環境退化、自然與社會生態系統日益脆弱化的大背景下,人類更加需要負有彈性的解決方案[44]。這進一步說明生態修復需要全面了解氣候變化和人類活動之間的交互作用,從而針對這些因素的交互作用制定出切實可行的政策措施。環境修復只有將人類行為和環境條件緊密聯系在一起才能獲得成功。因此,生態項目應該能夠達到生態修復和社會進步的雙重目標,并且不折中其中任何一個目標。

5 結束語

生態系統的表現是氣候變化和人類活動共同作用的結果,這就要求相關研究的方法必須具備跨學科研究的能力。大數據分析為跨學科量化研究提供了可能,是環境政策學研究的重要方向。該研究以省、市、自治區為計量單位,并按照自然條件進行區域劃分,滿足了大樣本分析的數據要求,并獲得了容易解釋的結果。如果能將尺度縮小到縣級尺度,不僅可以增加樣本數量,同時可以進行更加合理的區域劃分,理論上講應該更加科學。這樣做存在的問題是數據獲取困難,研究成本高。該研究首次嘗試把兩個彼此分離的學科用數學方法進行融合,探索大數據分析方法在生態政策評價中應用可行性,由于資料有限,研究結果不免有些粗糙。開展縣域尺度的量化是未來研究的重要方向。

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DynamicanalysisofvegetationchangeinnorthChina

CAO Shixiong1,2,*, LIU Guanchu2, MA Hua3

1CollegeofEconomicManagement,Yan′anUniversity,Yan′an716000,China2CollegeofEconomicManagement,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China3NanningWaterConservancyBureau,Nanning530001,China

Drylands cover approximately 54 million km2, which accounts for 40% of the global land area, and is inhabited by 20% of the human population; however, these areas are increasingly affected by desertification. Desertification is concentrated in the northwestern, northern, and northeastern parts of China (the so-called “Three Norths”): an estimated 3.3 million km2have been affected by desertification, accounting for 34% of China′s total land area. Desertification has become a crucial environmental problem at a global scale, and has begun to affect the survival and socioeconomic development of humankind. Research has suggested that both climate and human activities play important roles in the process of desertification, which is complicated and includes complex interactions between human and natural factors (e.g., climate). However, previous research generally focused on either meteorological factors associated with climate change or factors associated with human activities, and lacked quantitative assessments of their long-term interaction. Thus, the roles of climate change and human factors in vegetation cover change and desertification are uncertain. This creates a high risk of misunderstanding the current situation and adopting ineffective policies and programs to combat desertification. It is, therefore, urgently necessary to comprehensively study the interacting effects. To understand the factors that determine whether mitigation programs can contribute to desertification control and vegetation cover improvement in desertified areas of China, and the complex interactions that affect their success, we used a pooled regression model based on panel data to calculate the relative roles of climate change and human activities on the desertified area and vegetation cover. We used the 1983 to 2012 normalized-difference vegetation index, NDVI, which decreases with increasing desertification. We found similar effect magnitudes for climate change and human activity factors for NDVI: human activity factors were the dominant factor that affected vegetation change, accounting for 58.2%—90.4% of the effects. Climate change accounted for 9.6%—41.8% of the effects on NDVI. Therefore, desertification control programs must account for the integrated effects of both socioeconomic and natural factors. Although humans are clearly part of nature, we are qualitatively different from other parts of nature: our actions have more rapid and disruptive consequences than those of most natural phenomena. Therefore, we must be careful to avoid the adoption of extreme approaches to change natural ecosystems because our changes may occur more rapidly than it is possible for the ecosystems to adapt, and the resulting problems may not be evident immediately but have long-term consequences. Our method for identifying the contributions of each driving factor was defensible for providing a broad overview. This method should be identified in future research to improve the ability of this research to support restoration planning.

climate change; desertification; ecological restoration; human activities; vegetation cover change

國家重點研發計劃(2016YFC0501002)

2016- 05- 07; < class="emphasis_bold">網絡出版日期

日期:2017- 03- 22

10.5846/stxb201605070881

*通訊作者Corresponding author.E-mail: shixiongcao@126.com

曹世雄,劉冠楚,馬華.我國三北地區植被變化的動因分析.生態學報,2017,37(15):5023- 5030.

Cao S X, Liu G C, Ma H.Dynamic analysis of vegetation change in north China.Acta Ecologica Sinica,2017,37(15):5023- 5030.