寧夏沙坡頭干旱沙漠自然保護區生態系統穩定性評估

高 翔,黃娉婷,王 可

蘭州大學資源環境學院, 蘭州 730000

穩定性是生態系統的基本特征之一,也是決定生態系統興亡的重要特征,對于維護生態安全和實現社會經濟持續健康發展具有重要意義。干旱沙漠自然保護區多處于干旱、半干旱乃至半濕潤氣候帶,所特有的荒漠生態系統具有敏感性強、穩定性較差的特點,總體呈現脆弱狀態。隨著人類開發建設活動加劇以及氣候變化影響,保護區生態系統在遭受沙漠化威脅同時面臨著結構簡化、自我調節和抗逆能力下降等問題,監測和評估生態系統的穩定性成為區域生態保護的重要內容。生態系統具有復雜性,其內部各組分非線性關聯的特征,系統狀態的漲落特征以及系統內部的時空異質性等復雜特征[1],使得生態系統的穩定性評測面臨許多困難。自20世紀50年代以來,大量學者對生態系統穩定性展開研究和評測,主要方法包括野外觀測、模型分析與指標評判。由于指標的敏感性、信息多元性、復合性、動態性特點,指標評判已成為實踐評估中常用的方法。又由于指標的內涵、生態意義和指標體系構建邏輯思路存在差異,可將指標法生態系統穩定性評估分為五類：(1)基于生物多樣性與穩定性關系的評估。King和Pimm通過模擬系統發現高等植物多樣性會導致更大生物量的穩定性[2]。Doak等認為不同物種因對環境變化的反應不同,隨物種多樣性的增大其生態系統功能的變化將被緩沖,且物種之間相互關聯越小,多樣性對穩定性的影響則越大[3]。中國大多學者認為物種多樣性是衡量生態系統穩定性、演替及可持續性的一個重要指標[4-10]。(2)基于閾值的評估研究。生態系統穩定性是不超過生態閾值的生態系統的敏感性和恢復力。不同的生態系統所承受的干擾水平不同、有不同的閾值[11]。如Westman對影響沼澤草地恢復的原油脅迫時間閾值的判斷[12]、中國干旱內陸河流域維系天然植被生存的合理地下水位-生態水位的認知[13-16]。(3)基于結構與功能指標的評估。Odum通過群落能量、群落結構、營養物質循環、生活史等7方面 22 項指標來評判生態系統的穩定性。這7個方面分別代表生態系統的結構、功能 與能流狀態[17]。國內學者也從結構與功能的不同側面指標分析了不同生態系統的穩定性[18-20]。(4)基于內涵指標的評估。基于對穩定性內涵的不同解讀,開展了針對不同類型生態系統的評價,代表性的成果包括針對農田生態系統[21]、森林生態系統[22]、保護區生態系統[23]等。(5)基于三效統一指標的生態系統穩定性評估。綠洲生態系統的可持續發展是干旱區發展所追求的基本目標,長期以來從自然、社會、經濟3個層面指標綜合研究綠洲穩定性的成果也較多,如針對張掖綠洲[24-26]、阜康綠洲[27]、精河綠洲[28-29]、額濟納綠洲[30]等的研究具代表性。

總體上,穩定性評估目前尚未形成一個完善統一的評估體系,對生態系統穩定性的理解和判別方法等仍處于廣泛討論的起步階段,缺乏有力的理論基礎與技術支撐。因此,本文將從生態系統的基本穩定性內涵出發,針對沙坡頭干旱沙漠自然保護區實際,提出其生態系統穩定性評估方法體系,不僅能夠完善和豐富我國荒漠生態系統穩定性評估技術,而且可為我國干旱沙漠自然保護區的生態管理與建設提供實踐指導。

1 保護區生態系統穩定性評估指標體系構建

生態系統穩定性評估中指標體系的構建涉及到了多學科領域,且評估指標種類繁多,邏輯框架搭建思路并非唯一,所以應該遵循一定原則和依據選擇適當的評估指標和邏輯框架,使得指標明確,便于數據采集的同時能全面反映自然保護區的生態系統穩定性狀況。

1.1 構建原則和篩選的標準

系統、科學地選取系統穩定性評估指標,確定各指標因子的貢獻率,對于評估結果的可信度和準確度十分重要。因此需要遵循一定的原則合理選取指標：

(1)科學性原則：全面、系統、準確體現穩定性內涵特征,反映生態系統內部關系,生態系統所受外部干擾以及景觀空間格局帶來的影響。

(2)可持續性原則：指標選取在立足當下的同時考慮未來的可持續利用。

(3)代表性原則：選擇具代表性的主導指標,同時能代表研究區域特殊環境。

(4)可行性原則：據實際選取敏感、可測、易得指標,注意定量和定性結合。

(5)綜合性原則：綜合考慮自然和人為、生態系統內部外部的各種影響。

在此構建原則基礎上,可將指標篩選標準歸納為8個方面,見下表1。

表1 干旱沙漠自然保護區生態系統穩定性評估指標篩選標準

1.2 評估指標選取的依據與邏輯框架

穩定性是生態系統的重要特征之一,由于問題十分復雜,涉及內容包括生態系統的類型、組成、生態功能和一切干擾因素,因此目前尚無統一的生態系統穩定性測度與評估指標。目前比較認可基于穩定性內涵構建指標體系,因此評估生態系統穩定性時,從生態系統穩定性的三維內涵(抵抗力穩定性、恢復力穩定性、演替穩定性)出發,選取相應指標。

圖1 指標體系確立過程Fig.1 The establishment process of the index system

邏輯關系是構架指標體系的基礎,通過確定邏輯框架以及對評估指標進行組織分類,有助于提取和歸納有價值信息,實現生態系統穩定性綜合評估。指標體系構建邏輯思路有兩條：主線是基于穩定性的三維內涵篩選出一系列復合指標;副線是在生態穩定性敏感影響因素辨識基礎上,結合已有成果頻度分析,形成指標族(圖1)。復合指標與指標族的綜合形成初步指標體系,并向相關研究專家、保護區管理者等征詢意見,進行調整。進一步實地驗證部分指標的適宜性,形成最終指標體系。

1.3 評估指標體系

依據保護區生態系統穩定性評估指標體系構建原則、邏輯關系,并結合沙坡頭自然保護區實際情況,構建的指標體系包括3個子系統、7個復合指標、19個具體指標(圖2)。

圖2 干旱沙漠自然保護區生態系統穩定性評估指標體系Fig.2 The evaluation index system of ecosystem stability in arid desert nature reserve

抵抗力穩定性是群落或生態系統在受到干擾后維持其原來結構和功能狀態、抵抗干擾的能力。一方面生境的穩定為群落或生態系統的穩定奠定了良好基礎,而生境中水土環境又是基本構成。水土環境是生態系統生境的重要組成部分,也是維持生態系統物質循環、生態功能的重要基礎。自然保護區水土環境一定程度上決定了植被群落的空間選擇與分布。考慮到水分運移過程中對植物生長的相對有效性,可選擇土壤養分含量來反映“土”的信息,選擇土壤含水量、潛水水位來反映水土環境中的“水”的信息。另一方面,盡管生態系統大小難以界定,但對自然保護區而言,為保證保護對象生態功能及社會價值等的可持續性,保護區面積上要達到一定規模,也要有一定適宜的結構。荒漠類型自然保護區處于沙漠向草原的過渡地帶,流沙區分布也是影響生物生存、群落或景觀格局的重要因素。面積適宜性選擇相對性比例指標,包括保護區核心區面積比例、保護區總面積大小與保護區內流區面積比例。

恢復力穩定性是指群落或生態系統受到干擾后回到原來狀態的能力。生態系統恢復能力很大程度上取決于植物群落組成,對于特殊沙漠地區來說沙生植物及原生種的發展狀況是制約區域生態系統恢復力的重要方面。生活在以沙粒為基質的沙區的植物被稱為沙生植物,這些沙生植物由于長期生活在風沙大、雨水少、冷熱多變的嚴酷氣候下,適應惡劣環境能力很強,對植被穩定的作用很大。原生植物在生態系統恢復中也起到重要作用。保留原生物種,才能保證物種多樣性和遺傳多樣性,才能保證景觀中總體生產力達到最高水平。生物結皮(Biological soil crusts),是干旱半干旱區重要的地表覆蓋類型(40%以上)。生物結皮的存在對沙漠的固定、土壤表面的物理化學與生物學特性、土壤抗風蝕水蝕等方面具有重要意義。在生境受破壞情況下,提高生物結皮的發育過程能極大地加速植被重建的進程。

此外,抵抗力穩定性與恢復力穩定性均屬于干擾性穩定,因此干擾性因素必須加以考慮。前者主要考慮人文干擾,即保護區管理者的素質及建設干預。后者主要考慮自然干擾,即群落或生態系統響應敏感的氣候及其變化影響。

演替穩定性指群落或生態系統在達到演替頂級后出現的能夠進行自我更新和維持并使群落的結構、功能長期保持在一個較高水平的能力。相對穩定的生物群落其重要特征之一是具有一定的空間結構。群落結構分垂直結構和水平結構,群落的垂直結構指群落在垂直方向的地上成層和地下成層結構。群落的水平結構主要表現特征是鑲嵌性。生態系統演替過程中,其基本功能(物質循環與能量流動)始終存在,其穩定態也體現在持續的物質循環與能量流動,前者可由陽離子交換指征,后者可由植被生產力指征。

2 保護區生態系統穩定性評估方法確立

評估方法的科學性是客觀評估的基礎,目前常用的綜合評估方法有定性評估方法、野外驗證法、統計分析法、數學法、指標法和系統工程分析法等,由于評估的立足點、適用對象和方法思路的不同,各有優缺點。其中綜合指數法在生態系統評估中比較常用,如分維指數法[15]、粗糙集理論的綜合評價法[30]、灰色關聯分析法[31]、模糊集綜合評價法[32]。

本研究采用的 “紅綠燈(Traffic light)綜合評價法”的關鍵在于制定評判標準,將指標值與判斷標準進行定量比較判斷穩定狀態的變化趨勢。該方法較為簡便,結果表達直觀,是在干旱荒漠型自然保護區生態穩定評估中的首次應用。

2.1 單項指標評估方法

首先確立評估標準,評估標準根據指標特點確定目標值、臨界值、閾值范圍或歷史值。(1)目標值：根據相關規劃與計劃所設具體目標確定的指定量的目標值。(2)臨界值：從一種狀態轉變為另一種狀態時的風險值。(3)閾值范圍：指可接受的、不導致體系激變而產生不利影響的狀態變動范圍。(4)歷史值：指過去的一個時期中某一年或某一刻的指標值。

其次根據歷史文獻資料和實測數據,利用對應數學模型,對19個具體指標分別進行指標值計算和多年變化的統計,判斷各單項指標多年變化趨勢和生態意義。

2.2 多指標綜合評估方法

根據需要選擇部分單項指標的系列數據,確定評估指標權重,最后進行指標合成,即多個指標對生態系統穩定性不同方面的綜合評估結果。由于需要將指標放入同一模型進行合成,所以需要對不同量級指標進行處理,同時根據指標重要程度設置權重進行綜合評估,并對評估結果進行分級。

2.2.1多項指標處理

(1) 多參數指標

包含多參數的指標,在評估過程中根據參數之間的相互關系,分兩種情況進行評估：1)參數間區分主次。評估結果一般取決于主要參數分析,若主要參數分析結果因為數據缺乏等原因不可獲得,可用次要參數代替評估。2)參數相互平行。綜合考慮內部所有參數,且對參數進行統一無量綱化處理,消除量綱差異或者水平差異。

(2) 指標值的量化

指標評估結果用數值形式表示是進行綜合評分的基礎。除了定量指標的評估結果使用數值表示外,定性指標也需要進行量化。但由于定性指標缺乏明確的測度方法,所以并沒有公認的統一量化模式。

(3) 數值標準化

多目標決策指標體系需消除不同指標間的量綱差異,因此在使用指標體系進行綜合評估前,需要將指標值做標準化處理。目前常用的指標標準化方法有：極差變換法、線性比例變換法、向量歸一化法(列模等于1)、標準樣本變換法、歸一化法(列和等于1)、取倒數等。限于篇幅,具體計算公式不再列出。

2.2.2權重設置——熵權法

指標權重的確定主要有主觀法和客觀法,主觀法是根據決策分析者對各指標的重視程度對指標進行權重賦值,客觀法則是根據評估對象各指標數據用數學計算準則得出評估指標的權重,二者相比,熵權法精度較高、客觀性更強,因此選用熵權法確定權重。

熵權法是根據各指標的變異程度,利用信息熵計算各指標的熵權,再用熵權對各指標的權重進行修正,從而得出較為客觀的指標權重。熵權法是綜合指標的重要性和指標提供的信息量兩方面來確定各指標的最終權重。

2.2.3紅綠燈綜合評估方法

基于單項指標評估結果,按照指標層次由下往上的順序歸納匯總信息,最終獲得評估結論。具體步驟為：

步驟1：將“指標層”指標(Dk)的“紅綠燈”的評估結果列表。

步驟2：將“復合指標層”指標(Cj)統計匯總單項指標(Dk)的評估結果,再以餅狀圖的形式表示。

步驟3：確定“準則層”指標(Bi)的狀態。具體地,首先統計指標Bi內 “綠燈”、“黃燈”、“紅燈”、“數據不充分或沒有可參比的基礎數據”,以及“無需評估”5種情況出現的比例,然后將這5種情況按其出現比例由高到低排列。排在首位的即為指標Bi的狀態。

步驟4：評估最后一步是指標的合成,通過算式將多個指標對生態系統穩定性不同方面的評估綜合在一起,得到一個整體性評估。可采用加權線性和法,其表達式如下：

式中, ESI(Ecological Stability Index)為干旱荒漠生態系統整體穩定性指數,Di為第i項指標評估分級量值,Wi為第i項評估指標權重,n為評估指標個數。

2.2.4穩定性評估結果分級

生態系統綜合評估結果出來后要有一個分級判斷,參照陳亞寧將荒漠生態系統穩定性五級等差劃分[33],并擬定不同生態系統穩定性分級標準及對應狀態內容(表2)。

表2 荒漠生態系統穩定性評估分級標準

S:穩定性Stability

生態系統穩定性變化程度則采用定量或半定量方式表述。難以定量的變化應采取專家評估的方式確定,也可通過歷史資料的綜合比較,采用背景比較分析方法確定,即對照歷史上本系統的量值或經典文獻提供的地球上本系統均值進行量算。根據保護區的性質、規模、保護區所在區域生態環境的敏感程度及生態系統的空間分布,對評估的級別可以作適當調整,但調整幅度上下不應超過一級。

3 沙坡頭自然保護區概況與數據來源

3.1 沙坡頭自然保護區概況

寧夏沙坡頭國家級自然保護區(以下簡稱沙坡頭保護區)地處寧夏中衛城區的西北部和騰格里沙漠的東南緣的交接地帶,地理坐標范圍為104°55′42″—105°11′54″E,37°26′06″—37°37′25N,海拔1300—1500 m,地勢西北高、東南低,具有典型的風沙地貌,屬于干旱沙漠自然保護區類型。保護區總面積14043.09 hm2,其中核心區面積3956.76 hm2,緩沖區面積5414.12 hm2,試驗區面積4672.21 hm2(圖3)。

保護區屬于荒漠和草原的生態過渡帶,景觀有荒漠、旱生、超旱生的荒漠草原灌叢景觀、沼澤、湖泊濕地、草甸景觀、鐵路沿線固沙林、速生楊人工林景觀及黃河灌區農田景觀。植物資源相當貧乏,裸子植物4科8屬,14種(包括種下等級),被子植物75科220屬426種(包括種下等級);動物資源豐裕度一般,脊椎動物194種,其中魚類18種,兩棲類3種,爬行類5種,鳥類147種,獸類21種,其中國家重點保護野生動物名錄的種類有23種[34]。

圖3 中衛沙坡頭國家級自然保護區地理位置Fig.3 The geographical location of Zhong Wei Shapotou National Nature Reserve

3.2 數據來源與處理

數據來源主要包括歷史資料、統計數據、調查數據、野外考察、現場觀測、遙感與模擬估算等。具體有：(1)成果資料：包括相關研究文獻2000多篇,以《寧夏沙坡頭國家級自然保護區綜合科學考察》(2005)、《寧夏沙坡頭國家級自然保護區二期綜合科學考察》(2010)等為主的報告20余部。以上數據含保護區內部及毗鄰區人類活動信息。(2)遙感數據：包括20世紀70年代末80 m分辨率MSS圖像;20世紀90年代末至2014年研究區30 m分辨率TM影像。(3)氣象監測數據：沙坡頭自然保護區附近的中衛市國家基準、基本氣象站,記錄1951年1月以來本站氣壓、氣溫、降水量、蒸發量、相對濕度、風向風速、日照時數和地表氣溫要素的日值數據。(4)生物及生態系統數據：采用地形、土壤和1∶50000植被類型矢量圖3個生態要素,進行多維空間的數據聚類和分區,確定了寧夏中衛沙坡頭保護區20個典型群落樣地,進行植物、群落多類型信息采集。時間從2012年初到2015年末,每年安排至少4次調查,每次調查時間持續10—15天。(5)土壤及其水分數據：和群落樣地一致,在20個區域分別確定3個平行樣點,取1—200 cm不同深度土壤樣品3000余份,通過室內試驗分析,獲取相關數據信息。

4 紅綠燈法評估結果與分析

4.1 單項指標評估結果

19個單項指標的計算依據方法參考去年的工作[35], 限于篇幅,不再一一列出。單項指標近20年的變化趨勢及指征見下表3,具體數值變化也來自去年的工作[35]。總體上,近20年多數指標情況趨于變好,少部分進一步惡化,保持基本穩定的有兩個。經過多方努力,未來保護區的水土環境、植被情況等都會有所改善、發展或維持在一個較合理水平。

表3 穩定性單項指標評估結果

圖4 單項指標紅綠燈評估匯總結果Fig.4 Summary results of the single-indicator traffic lights evaluation

單項指標評估結果紅綠燈直觀表達見下圖4,具體來說,向好的情況包括：土壤養分改善、保護區核心區面積比較適宜、流沙區面積在減少、環保資金投入增加、保護區管理者素質提高、風蝕強度減弱、沙生植物覆蓋擴展、根系物質交換相對旺盛、植被平均生物產出增大。惡化的情況包括：由于暖干化、地下水開發,保護區多個區域沙層含水率減小、地下水位下降;保護區內外人類活動強度有加大趨勢;生物結皮在靠近試驗區的區域有所退化;由于生境大變化,加上過多引種外來植物,使得原生植物優勢度有所降低;受降水異常(降水少、變率大)的影響,多個年份植被恢復緩慢,生物量積累不足,物種組成和地上成層趨于簡單化。

4.2 各層指標貢獻分析

由圖5可知諸復合指標對生態系統穩定性的貢獻情況：總體上,2001—2007年間群落生態結構,特別是保護區西部自然植被區群落結構的穩定與發展對維持保護區的生態穩定性貢獻最大。2007—2014年間,由于生態建設不斷加強,特別是多種途徑干預改善保護區人工植被區的水土條件,使得其成為影響生態系統穩定性的主要方面。

6個年份中3種內涵穩定性對整體穩定性貢獻相差不是很大,說明保護區生態系統穩定是一個綜合結果,受多方面的影響。說到差異,就是抵抗力穩定和恢復力穩定貢獻稍突出一些,特別是前者。

圖5 沙坡頭自然保護區穩定性復合指標貢獻與內涵穩定性貢獻Fig.5 Contribution of multiple factors and three aspects of stability to the ecosystem stability

4.3 保護區生態系統整體穩定性指數ESI

基于以上部分單項指標的系列數據,運用綜合評估方法,計算出沙坡頭自然保護區幾個關鍵年份(2001、2005、2007、2010、2012、2014)的生態系統穩定性指數(ESI)和變化趨勢(表4、圖6)。

對照穩定性分級可知,沙坡頭自然保護區經過近15年發展,總體上沙坡頭自然保護區生態系統穩定性得到加強,已由過渡態進入到穩定態。

盡管背景區域氣候干旱化,但由于長期治沙防沙與生態修復工程實施、大規模推沙造林、各種生態監測和維護、合理水資源配置(大規模取黃河水灌溉、節水灌溉)、人類活動的調控努力,沙坡頭自然保護區生態狀況總體趨好,穩定性增強。

ESI: 生態系統穩定性指數 Ecosystem stability index

圖6 沙坡頭保護區生態系統整體穩定性時間變化Fig.6 Changes in the overall stability of the ecosystem in Shapotou Nature Reserve over time

權衡保護區生態系統穩定性評估指標中權重較大的7個指標:潛水水位、氣溫變率、原生物種比例、地上層片結構、凈初級生產力、保護區核心區面積比例、保護區管理者素質,發現研究時段內這些指標中除氣溫變率、凈初級生產力有較明顯波動、保護區管理者素質明顯提高外,其他指標均相對變化不大,說明保護區的生態穩定是一個多因素綜合作用的結果,單個指標的好壞只能在某些方面影響生態穩定。因此在制定保護區生態恢復和發展政策與措施時,應從綜合角度出發,制定比較全面的生態環境修復策略。

5 結論與討論

5.1 主要結論

基于生態系統穩定性的三維內涵(恢復力穩定性、抵抗力穩定性和演替穩定性)構建其評估指標邏輯關系是清晰的、信息覆蓋是較全面的。紅綠燈綜合評估方法在干旱沙漠區自然保護區生態穩定性評估中的運用也是適宜的。針對沙坡頭國家級自然保護區而言,(1)近20年19個單項指標中,多數指標情況趨于變好,少部分進一步惡化,保持基本穩定的兩個。(2)影響生態系統穩定性的要素由群落組成為主轉變為以生境條件為主;2001年、2005年、2007年、2010年、2012年和2014年6個關鍵年份中,生態系統穩定性3個內涵對穩定性的貢獻以抵抗力穩定性或恢復力穩定性為主。(3)保護區整體生態穩定指數ESI由0.41增至0.661,穩定狀態從臨界到穩定,總體上保護區生態系統穩定性增強。

5.2 討論

(1)評估研究對比。目前針對沙漠區荒漠生態系統類型的自然保護區生態穩定性評估研究相對較少,對寧夏沙坡頭這樣的人工和自然生態系統并存、內部異質性明顯、且人類活動影響相對較大的非典型自然保護區來說,運用綜合指標法進行評估是適宜的,可集成反映多方面因素的綜合影響。而且人為干預指標具有一定指向性,即需要反映保護區管理機構—保護區管理局對保護區管護、建設等方面的干預能力,這是一般生態系統指標法評估所沒有的。對西北干旱區的生態系統穩定性評價因尺度、類型不同而存在差異,如陳亞寧[33]基于分形理論對宏觀區域(阿拉善荒漠區、柴達木盆地荒漠區、塔里木盆地荒漠區、準格爾盆地荒漠區及河西走廊荒漠區)的生態系統穩定性進行的分析,并基于荒漠生態系統生產力指數進行了穩定性比較。對西北干旱荒漠區分布的獨特的生態系統類型——綠洲的穩定性研究相對較多,方法也多樣,包括基于系統指標、景觀生態學指數的評估,基于生態需水量及區域小氣候影響的研究等,其中具代表性的如王耀斌等[30]對額濟納旗綠洲從自然資源環境、社會經濟、自然災害三子系統構建指標體系進行其穩定性評價。但此評價體系對以自然演替為主、嚴格限制經濟社會活動干預的保護區來說是不適宜的。

(2)指標、分級標準適用性的動態判斷。雖對選取指標的邏輯關系和依據進行了一定說明,但需要進一步對這些指標隨著環境脅迫的變化趨勢進行說明和預判;穩定性評估分級標準借鑒了已有成果,也需進一步分析影響因素的隸屬關系并結合保護區實際情況確定或基于單項指標的離散標準確定。

(3)評估驗證。驗證是檢驗評估結果科學性的重要環節,由于生態系統穩定性內涵的多樣性、不同尺度穩定性解釋又不一致,因此驗證也存在很大難度,可以實現的驗證方法包括：1)與已有評價結果相比較。如王耀斌等[30]將其對2010年額濟納旗綠洲穩定性評價結果與2007年裴源生等[36]的評價結果相比較和說明自身評價的可靠性。2)野外驗證。這種方法比較適合對生態系統穩定性單一內涵或穩定性單一指征的驗證。3)整個評估體系的適用性還可以通過多個同類型自然保護區(如甘肅連古城國家級自然保護區、內蒙古哈騰套海國家級自然保護區)的實踐比較來驗證。

致謝：王乃昂教授對研究給予幫助,姜紅梅老師及研究生王旭、曹蕾、孫杰、趙浩等幫助基礎數據獲取，特此致謝。