風蝕水蝕交錯區生態經濟耦合效應

于坤霞, 蔣凱鑫, 孫 倩, 李 鵬, 李占斌,3, 張 翔

(1.西安理工大學 省部共建西北旱區生態水利國家重點實驗室, 西安710048; 2.西安理工大學旱區生態水文與災害防治國家林業局重點實驗室, 西安 710048; 3.中國科學院 水利部 水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室, 陜西 楊凌 712100; 4.浐灞生態區管委會博士后工作站, 西安 710024)

社會經濟發展的無限性和生態環境的有限性是客觀存在的矛盾。隨著社會經濟的發展，生態方面的問題越來越突出，因此建立社會經濟和生態環境之間有效的協調機制，是實現區域經濟和生態環境良好耦合、經濟可持續發展的基礎[1]。

在國內最先對生態經濟系統耦合進行研究的是任繼周先生，在20世紀80年代末提出草地和農業生態系統的耦合問題，在20世紀90年代對系統耦合的生態與經濟意義進行了進一步的系統研究[2]。吳長文和陳法揚論述了由于水土流失在我國造成的生態環境危害和對經濟發展的限制,提出應以生態經濟系統調控理論為基礎進行系統性的研究[3]。徐勇提出了生態經濟系統耦合理論和耦合機制，構建在系統耦合理論的基礎上，以提高生態經濟系統耦合的質量和運行的效率，從而實現了生態經濟系統的可持續發展目標[4]。Grasso等構建了紅樹林與漁業生產之間的生態經濟模型，主要采用的方法是動態優化模型以及模擬模型研究[5]。Dong等通過對數據耦合進行分析，建立了林業方面產業經濟效益的評價指標體系，對森林生態學與林業產業這一關系進行了定量分析[6]。徐勇等以位于黃土丘陵區腹地的延安燕溝流域為例，基于坡改梯內生和外延效應的學術思路，定量評價分析了燕溝流域坡改梯的生態經濟耦合效應[7]。

目前關于生態經濟耦合關系的研究也多集中在流域尺度，對風蝕水蝕交錯區退耕還林還草、坡改梯和淤地壩建設等綜合土地利用變化的生態經濟耦合效應研究較少。

府谷縣處于風水復合動力侵蝕區，因風水復合區水土流失的特殊性和棘手性，生態環境特別脆弱，侵蝕的動因復雜，侵蝕量大，故該縣積極響應退耕還林、坡改梯和淤地壩建設等政策舉措。隨著這些政策舉措的實施，府谷縣生態環境得到改善，且生態資源配置結構發生重要變化，但生態環境在恢復過程中面臨著經濟和糧食安全問題?；诖?，從內生和外延兩個方面定量對比分析退耕還林還草、坡改梯和淤地壩建設的生態經濟耦合效應，建立生態與經濟的良性耦合機制，為實現黃土高原生態經濟協調與可持續發展提供一些科學依據[1,8]。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

府谷縣位于陜西省最北邊，處于北緯38°42′—39°35′和東經110°22′—111°14′，府谷縣總面積為3 229 km2。2013年末府谷縣總人口約為26.05萬人，工業總產值693億元。冬春季節，氣候干燥且風沙較大，易發生風力侵蝕；夏秋季節，降水集中，易發生暴雨，且常伴有泥石流等自然災害發生，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138個水土流失重點縣之一。全縣水土流失面積3 200 km2，占總面積的99%，年均土壤侵蝕模數為2.47萬t/km2，相當于每年表土層被剝蝕20 mm左右。年輸沙量高達7 905萬t，屬強度水土流失區。

1.2 數據來源

文中涉及的種植作物及土壤侵蝕基本數據主要包括作物產量、土壤特性、土地類型、土壤侵蝕模數，其中作物和土地類型的數據來自于水土保持統計年鑒，土壤侵蝕模數根據RUSLE模型估算，農產品價格以2013年當地調查值為準。土地利用結構和景觀指數分析依據2000年和2013年土地利用圖。

1.3 研究方法

內生外延效應從內生和外延兩個方面定量對比分析陜北風蝕水蝕交錯區生態經濟耦合效應，內生效應的定義是指通過內部生境的組合或調整而使得系統內部得到增益或損耗的一種現象。外延效應的定義是指通過內部生境的組合或調整，在保證系統內部維持穩定的情況下，還使得和之相關的系統得到增益或損耗的一種現象。內生效應主要通過生態經濟耦合指數反映，外延效應主要通過土地利用結構的變化、林草覆蓋率的變化以及景觀格局指數的變化來進行分析。

對于本研究構建的生態經濟耦合數學模型則是用生態經濟耦合指數來表示的。在此把土壤侵蝕量與經濟產出的比值稱為生態經濟耦合指數(Ecological Economy Coupling Index)[7]。換而言之，生態經濟耦合指數是指單位經濟產出耕地所要付出的土壤侵蝕代價。根據一些學者的建議，也可將生態經濟耦合指數定義為每一單位的土壤侵蝕量所能帶來的經濟產出。實際上二者的表述是一樣的，區別在于二者的值互為倒數。用EECI表示生態經濟耦合指數；用Q表示土壤侵蝕量；E表示經濟產出，對于同種質地的耕地，生態經濟耦合指數采用以下表達式表示：

EECI=Q/E

(1)

對于不同質地耕地生態經濟耦合指數的數學表達式如下所示：

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為經濟產出總量；Ai為第i個地塊的面積；Mi為第i個地塊的土壤侵蝕模數；Pi為第i個地塊的單位面積經濟產出；i為同質性地塊單元，i∈{1，2，…，n}；n為同質性地塊單元總數。

為了分析不同質地耕地對于生態經濟耦合指數的敏感性，引入敏感性指數(The coefficient of sensitivity,CS)這一指標來描述某質地耕地單位EECI變動引起的總EECI變動。

(4)

式中：CSi為敏感性指數；EECIa為初始生態經濟耦合指數；EECIb為調整后生態經濟耦合指數；EECIia為研究區第i種用地類型的初始生態經濟耦合指數；EECIib為研究區第i種用地類型調整后的生態經濟耦合指數。

分析外延效應時，為了定量表達一定時間范圍內某種土地利用類型的數量變化情況，采用土地利用類型動態度[9]這一指標來描述土地使用頻率的變動。公式具體如下所示：

(5)

式中：K表示研究時段內土地利用類型的變化率(%)；Ua，Ub表示研究初期和研究末期某土地利用類型的數量(km2)；T表示研究時段長度。

2 結果與分析

2.1 土地利用變化的內生效應分析

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果。府谷縣坡耕地的土壤侵蝕量最大，用生態經濟耦合指數對這4類地形進行生態經濟耦合評價。具體計算結果見表1。

表1 府谷縣生態經濟耦合指數的計算

生態經濟耦合指數敏感性分析見表2，由表2可知生態經濟耦合指數對各土地類型的敏感性指數依次為梯田>坡耕地>壩地>水澆地。梯田和坡耕地敏感性指數顯著高于壩地和水澆地，表明梯田和坡耕地的變化對生態經濟耦合指數的影響大于壩地和水澆地的影響，因此建議在今后發展過程中應加大坡耕地向梯田的轉換，來實現府谷縣生態和經濟更好的耦合。

表2 生態經濟耦合指數敏感性分析

2.2 土地利用變化的外延效應分析

府谷縣的外延效應主要從土地利用結構變化和景觀指數的變化等方面進行反映。

2.2.1 土地利用結構變化 府谷縣的外延效應主要表現在土地利用結構的變化、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型面積的變化見表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、建設用地和未利用地呈增長態勢；其中林地用地面積增加最多，共增加了55.99 km2，年均增長5.60%。

圖1 2000年、2013年土地利用圖

土地利用轉移矩陣見表4。耕地和草地存在相互轉化的關系，但耕地向草地轉化面積較大，耕地和草地的相互轉化使耕地的面積減少了52.18 km2。 林地增加的面積主要來自于耕地和草地，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，隨著經濟水平的發展，人們的生態環境意識增強，實現了真正意義上的退耕還林還草。

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

不同類型級別指數分析結果表明，斑塊所占景觀面積的比例(圖2A)和最大斑塊指數(圖2B)最大的均是草地，說明府谷縣主要由草地組成，草地是該地區的優勢景觀。斑塊個數(圖2C)、斑塊密度指標值(圖2D)和斑塊形狀指數(圖2E)最大值均為耕地，說明耕地的破碎度最大，受人類活動干擾最大。府谷縣2000年、2013年的景觀水平指數對比分析顯示(圖2F)，多樣性指數和均勻度指數從2000—2013年均是增加的，分別增加了0.116，0.065，多樣性指數和香農均勻度指數的變化表明府谷縣景觀類型的豐富程度和均勻程度在上升。

圖2 府谷縣2000年和2013年景觀指數對比

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移矩陣km2

3 結 論

(1) 內生效應分析表明退耕還林還草、坡改梯和淤地壩建設等綜合土地利用變化政策使位于風蝕水蝕交錯區的府谷縣從2000—2013年土壤侵蝕量明顯減少，生態經濟耦合指數從2000年的215.88 t/萬元減少到2013年的130.59 t/萬元，其中梯田和坡耕地的變化對生態經濟耦合指數的影響顯著大于水澆地和壩地的影響。

(2) 外延效應分析表明府谷縣從2000—2013年實現了耕地向林地和草地的轉化，且府谷縣景觀類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等政策的執行不僅讓府谷縣生態環境得到改善，還使其經濟耦合內部呈現增益，在今后發展過程中應加大坡耕地向梯田的轉換，以實現府谷縣生態和經濟更好的耦合。