巖溶斷陷盆地典型縣域石漠化治理綜合效益評價
——以云南建水縣為例

肖林穎 , 吳秀芹 *, 周金星 , 肖桂英

1)北京林業大學水土保持學院, 北京 100083;

2)北京林業大學水土保持國家林業局重點實驗室, 北京 100083;

3)北京林業大學云南建水荒漠生態系統國家定位研究站, 云南建水 654399;

4)云南省建水縣林業技術推廣所, 云南建水 654399

石漠化是一種典型的土地退化過程, 廣泛分布于中國的西南地區, 為了有效遏制和修復石漠化,中國西南地區近年來采取了一系列的生態修復措施。根據《中國石漠化狀況公報》(國家林業局, 2018),截至2016年底, 西南巖溶地區主要涉及黔、滇、桂、湘、鄂、渝、川和粵八省, 石漠化面積1007萬公頃,與2011年相比, 年均縮減率為3.45%。為了在保障農民經濟水平提高的同時, 有效地實施生態治理工程, 國內外學者在生態治理工程效益評估方面開展了大量研究, 大多數是以“社會-經濟-自然”為研究對象(魏軒等, 2020), 利用“純定量”、“定性和定量結合”的方法對生態工程實施效益進行評價。定量研究大多通過數學方法對生態工程進行評價, 如通過主成分分析、熵權法等方法建立評價模型(Trac et al., 2007; 鄭國權等, 2016; 張雪松等, 2019)和通過計算生態系統服務對生態修復工程評價的方法(顏儼等, 2019; Talukdar et al., 2020)等。為了防止“過定量化”, 很多學者采用“定性和定量”結合的方式對生態治理工程進行評價, 這類研究更多地采用了更貼合實際意義的定性指標, 比如居民滿意度、生態實施自愿度等(Uchida et al., 2003; Démurger and Pelletier, 2015)評估生態工程效益的可持續性。相比較而言, 定量研究更適用于大范圍的社會調查和效益評價。而定性和定量結合的方法, 使評價在定量計算的基礎上更加具體化, 不僅可以對綜合效益進行系統性評價, 還可以針對區域實際問題進行細節化評價, 能相對綜合地反映生態工程的效益。本研究即采用了定性和定量結合的手段, 結合問卷調查結果對石漠化治理綜合效益進行了評價, 研究既建立了普適性的評價體系, 又提出了具有地域特征的評價指標, 兼顧了系統性和針對性。

巖溶斷陷盆地是新生代斷裂活動形成的巖溶盆地, 包括滇東至四川攀西(昌)鹽源地區及貴州西部的43個縣, 總面積達11.03萬km2, 其中巖溶區(純碳酸鹽巖)占比為47.29%和25.98%, 非巖溶區為52.71%。斷陷盆地石漠化面積占總面積的 83.21%,其中建水縣是典型的石漠化區域, 是紅河州石漠化問題最嚴重的區域之一。建水縣于2008年被國家林業局列為云南省石漠化綜合治理試點縣, 并且早在2005年開始石漠化監測和綜合治理工作(張清等,2019), 作為第一期、第二期石漠化綜合治理試點工程區, 建水縣實施了退耕還林、珠防工程、能源建設等工程, 對石漠化問題進行了多元化治理, 有效地遏制了石漠化的發展, 生態、經濟、社會的治理和發展均取得了顯著成效(曹建華等, 2004)。為了客觀評價這些治理工程的綜合效益, 研究采用“定性和定量結合”的手段, 在建立建水縣石漠化綜合治理效益評價體系的同時, 對建水縣石漠化治理綜合效益評價體系的各評價指標進行可持續性分析, 將效益實現時間上的延展, 以期為斷陷盆地石漠化綜合治理及效益評價提供科學依據。

1 研究區概況

建水縣隸屬云南省紅河哈尼族彝族自治州, 位于云南省南部, 紅河中游北岸,102°33′18″—103°11′42″E, 23°12′42″—24°10′32″N之間, 其境內的建水盆地、曲江盆地是巖溶斷陷盆地區的典型代表。全縣南北長107 km, 東西寬58 km,國土面積3789 km2, 其中山區、半山區占國土面積的89%(圖1)。建水縣境內河流分屬南盤江水系和紅河水系。建水縣屬南亞熱帶高原季風氣候, 四季不明顯, 干濕季分明, 雨熱同季, 夏酷暑, 冬無嚴寒,四季溫暖, 少雨干旱。年平均氣溫 18.5℃, 最高年達 19.3℃(1981 年), 最低年達 17.7℃(1971), ≥0℃的有效積溫為3 126.21℃。年平均降雨800 mm左右,但時空分布不均勻, 全年 80%的降雨量集中在5—10月, 因而冬春較干旱。由于巖溶地貌土層薄,降水下滲快, 水土保持能力差, 加上人類不合理的土地利用方式導致建水縣石漠化情況嚴重。

圖1 建水縣位置(a)、DEM(b)Fig. 1 Overview of the study area (a), DEM (b)

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源與處理

本文所用數據主要為: 2007—2017年每年4—9月的Landsat TM/ETM+系列數據, 獲取自美國地質調查局(https://earthexplorer.usgs.gov/), 空間分辨率為 30 m×30 m, 共計 20期, 進而獲得基于像元的NDVI數據, 以表征當年的植被覆蓋狀況。

石漠化分布數據及治理模式數據來自建水縣2006年森林資源二類調查數據及2005年、2011年云南省石漠化監測數據。經濟數據來自于 2007—2017年云南省經濟社會年鑒, 社會數據來源于社會問卷和入戶調查數據(問卷共200份, 均勻分布于研究區域內, 被訪群體包括專家、農民、學生等)。

2.2 研究方法

2.2.1 評價指標體系建立

目前石漠化治理效益評估體系還不夠完善, 且指標數值獲取方法尚未規范, 不同研究者對同一區域估算結果差異較大。通過對前人相關文獻總結(孫建等, 2019; 蔣璇等, 2020; 文林琴和栗忠飛, 2020;王家錄等, 2020; 王飛躍等, 2020), 確立3個層次10個指標的綜合效益指標體系(表1)。

表1 建水縣石漠化治理綜合效益評價指標體系Table 1 Evaluation index system of comprehensive benefit of rock desertification control in Jianshui County

2.2.2 客觀熵權法

1850年, 德國物理學家魯道夫·克勞修斯提出熵的概念(William, 1988)。熵值能有效判斷事件的隨機性和均勻程度, 如果指標的離散程度越大, 熵值越小, 則該指標對綜合評價的影響(權重)越大, 反之,則越小(薛建春等, 2019)。計算公式如下:

(1)計算第j項指標i樣本占該指標的比重pij,其中xij為指標值。

(2)確定各指標熵值ej。

(3)確定各指標權重hj。

2.2.3 主成分分析法確定權重

主成成分分析能夠從高維變量系統中篩選出主要獨立的綜合因子, 既保留原始主要信息, 也使彼此互不相關(胡鋼等, 2019)。該方法應用于生態環境治理評價中, 具有較高實用性, 能客觀、準確和全面地評價生態環境治理情況, 基本公式為:

式中, D是由m個年份對r個評價因子組成的矩陣; C是因子載荷矩陣; R是因子得分矩陣, 表示各因子的貢獻率。本研究采用軟件Matlab進行主成分分析。

2.2.4 可持續性分析

本文采用 Hurst指數來評價各類效益的可持續性(Mcleod and Hioel, 1978; 鄭海潮, 2019), 基本原理如下:

對于一個時間序列{ξ(τ)}(τ=1, 2, …,n), 定義均值序列:

極差R序列定義為:

標準差S序列計算公式為:

式中C為常數;H為Hurst指數。當H=0.5, 表示序列是一個標準的高斯分布, 不具有持續性;H＞0.5表示時間序列具有持續性, 即時間序列對過去的趨勢有依賴性, 就是指未來的變化狀況與過去時間序列的趨勢相同,H值越接近 1, 持續性越強;0＜H＜0.5表示時間序列具有反持續性, 即未來的變化狀況與該序列趨勢相反,H值越接近0, 反持續性越強。

2.2.5 建水縣石漠化治理綜合效益評價指標體系權重確定

為了矯正熵權法由于樣本個數不同帶來的數據誤差, 研究結合熵權法和主成分分析法建立建水縣石漠化治理綜合效益評價體系。根據建水縣石漠化治理綜合效益評價體系(表 2), 建水縣生態效益: 經濟效益: 社會效益組合權重之比為 18.52:31.77:48.69。自石漠化治理以來, 建水縣社會效益和經濟效益較生態效益熵權和方差較大, 數據波動更為明顯。

表2 建水縣石漠化治理綜合效益評價指標權重Table 2 Weights of comprehensive benefit evaluation indexes of rocky desertification control in Jianshui County

3 結果與分析

3.1 建水縣石漠化治理綜合效益評價

從 2007—2017年, 建水縣石漠化治理效益來看(圖2), 除2015年外, 其它各年效益均為正向。其中, 2013年以前較2013年以后綜合效益及生態、經濟、社會效益年增幅更大。

圖2 建水縣石漠化綜合治理效益年度變化情況Fig. 2 Annual change of benefits of rock desertification control in Jianshui County

3.1.1 建水縣石漠化治理社會效益

根據居民滿意度問卷和入戶調查數據(圖 3),在影響社會效益的各項指標中, 生態環境改善不滿意率占0.13%, 交通便利程度不滿意率占1.15%, 生活質量改善程度不滿意率12.55%, 居民對石漠化治理帶來的生態環境、生活質量和交通情況的改善均較為滿意。而外出打工人數增加率及空巢老人數目增加率達到了 70%以上, 區域吸引力減弱是影響石漠化治理社會效益的主要因素。

圖3 建水縣石漠化綜合治理社會效益調查情況Fig. 3 Survey on social benefits of rocky desertification control in Jianshui County

3.1.2 建水縣石漠化治理生態效益

植被覆蓋度增加率和石漠化面積減少率為建水縣石漠化治理生態效益的重要評價指標。根據2007—2017年建水縣石漠化區域動態變化特征(圖4)得到, 建水縣新增石漠化區域主要集中在海拔相對較小的人口密集區, 這些區域由于人類活動強度過大, 人地矛盾突出, 導致石漠化面積擴大, 石漠化程度加劇。而新增非石漠化區域主要分布在東北部生態治理區域。從2007—2017年植被指數變化來看, NDVI變化主要呈現“東西升高, 中部降低”的特點, NDVI上升的區域仍然分布在東西人口密度較小的山區。建水縣石漠化治理生態效益在人口較少、生態修復力度較大的山區體現更為明顯。

圖4 建水縣2007—2017年石漠化區域及植被變化特征Fig. 4 Characteristics of rocky desertification region and vegetation change in Jianshui County during 2007—2017

3.1.3 建水縣石漠化治理經濟效益

在建水縣經濟效益評價指標中, 經濟作物收益增加率, 糧食收益增加率及二三產業經濟生產總值占比增加率是對經濟效益影響較大的因子。根據趨勢分析的結果(圖 5), 三個因子均處于逐年上升的趨勢當中, 其中糧食收益上升趨勢明顯低于二三產業占比和經濟作物收益的增加趨勢。建水縣石漠化治理以來, 產業結構得到了改善, 經濟作物的精細化種植逐漸代替粗放的糧食種植, 第一產業為主的產業結構逐漸轉向一二三均衡的產業結構。

圖5 建水縣經濟效益指標年度變化情況Fig. 5 Annual change in economic performance indicators of Jianshui County

3.2 建水縣石漠化治理效益可持續性

建水縣石漠化治理綜合效益及經濟、生態、社會效益hurst指數均大于0.5, 證明在時間序列上具有持續性, 即時間序列對過去的趨勢有依賴性(表3)。而其中經濟效益持續性最強, 其次為生態效益,社會效益的可持續性相對較低。從各指標層來看,生態效益中, 石漠化面積減少率指標 hurst指數為0.97, 石漠化治理效果較好且具有較高的持續性;在經濟效益中, 糧食收益增加率和二三產業經濟生產總值占比增加率 hurst指數相對較高, 正向持續性較強, 經濟作物收益增加率 hurst指數小于 0.5,具有反向可持續性; 在社會效益中, 居民可支配收入增加率hurst指數為0.98, 說明居民收入增長趨勢具有較高的可持續性, 而新增就業人數增加率hurst指數小于0.5, 具有反向可持續性, 后期新增就業人數存在減少的可能性。

表3 建水縣石漠化治理郝斯特指數Table 3 Hurst Index for rock desertification control in Jianshui County

4 討論

從本文的研究結果來看, 建水縣石漠化綜合治理效益在生態、經濟、社會方面均有提升, 且經濟效益的發展具有先導性, 拉動著社會和生態效益的提升。生態修復的效果明顯且具有顯著的可持續性,但由于人類活動區域逐漸擴大導致的新增石漠化區域擴大是不可忽視的一個重要問題。由于生態修復的關鍵區域大多位于經濟社會發展水平較差的農村,居民大多屬于低收入人群, 人地關系緊張,導致人類活動對生態系統的干擾程度仍然呈現一個上升的趨勢, 新增石漠化區域的擴大是人地關系問題的突出表現。生態、經濟、社會效益中經濟效益增幅最大, 可持續性最高。但是林木及經濟作物收益可持續性較差, 今后林木和經濟作物的撫育和維護將是保障經濟效益可持續發展的關鍵。社會效益是限制綜合效益可持續發展的主要因素, 且影響社會效益的主要因素為區域吸引力不足。因此, 提升區域吸引力, 改善社會民生, 保證經濟、社會、生態協調可持續發展是目前建水縣石漠化治理需要重點解決的問題(邊紅燕, 2014; 朱昌麗等, 2020)。

石漠化區域的生態修復是一個系統性工程 ,需要一個綜合而全面的評價方案。在過去的研究中,往往強調石漠化治理生態效益的提升(孫建等, 2019;蔣璇等, 2020; 文林琴和栗忠飛, 2020; 王家錄等,2020; 王飛躍等, 2020), 這種提升在短期內或者特定區域內十分有效。但是生態修復的基本目標應該是促進全面、穩定、持續的生態修復和農村發展(Wang et al., 2019)。為了實現這個目標, 必須把生態修復和社會經濟發展結合起來, 改善居民的生產生活方式, 以減少其對生態資源的依賴, 改善傳統的人地關系, 從而促進持續和穩定的生態修復。因此, 需要對現有石漠化治理措施的生態、經濟、社會效益進行全面評價, 從而為進一步生態修復提供科學依據。與本文研究結論相似, 現有的同類研究也表明石漠化綜合治理以來區域社會、經濟、生態效益均得到了發展。其中杜雪蓮等(2016)通過模糊綜合評價法對貴州省普定縣陳家寨小流域進行了石漠化治理綜合評價, 并認為該流域經濟效益增幅最大, 這主要得益于小流域內的抗旱工程措施。王鈺(2015)通過調查統計的方法從對貴州省石漠化綜合治理工程進行了效益評價, 證明石漠化治理在促進經濟社會發展的同時, 極大的改善了生態環境。本研究在借鑒同類綜合效益評價研究的基礎上, 通過定性與定量相結合的手段對生態、經濟、社會效益及其指標進行了量化, 為生態工程綜合效益評價提供了一種研究范式, 不僅相對客觀評估了建水縣石漠化治理的綜合效益, 還可為進一步石漠化綜合治理提供了科學依據。

巖溶區域由于其特殊的地質結構, 導致石漠化進程的發展更容易受到人類活動的影響。斷陷盆地位于滇東高原和云貴高原之間, 地質結構復雜, 人地關系緊張。生態修復和石漠化治理已經成為斷陷盆地可持續發展的重要措施。在今后的研究中, 對于各效益的指標選取應該更加注重巖溶區域的區域性和特殊性, 添加一些區域性指標, 充分考慮生態脆弱區的特點。此外, 由于數據限制, 文章選擇的時間范圍較小, 可能某些指標的評價存在一定的偶然性。今后, 將進一步考慮區域的特殊性, 在更長時間序列的數據基礎上, 建立更符合區域特點的評價模型, 以期得到更為可靠的結論。

5 結論

本文利用 Landsat數據、建水縣森林資源二類調查數據、云南省石漠化監測數據、及建水縣社會經濟年鑒數據借助主成分分析法、熵值法、hurst分析等方法, 對建水縣石漠化治理綜合效益進行了評價, 并探討了各項指標的可持續性, 得出以下結論:

(1)2007—2017年間建水縣石漠化治理效益除2015年外均為正向效益, 治理效益在治理前八年效益逐年上升, 第八年以后效益增幅開始減小。

(2)從不同效益的影響指標來看, 限制社會效益的主要因素為外出打工人數增加率及空巢老人數目增加率, 人口凈流入減少說明區域吸引力不足。生態效益中植被覆蓋度增加和石漠化面積減少在人口較少、生態修復力度較大的山區更為明顯。而經濟效益中, 糧食收益上升趨勢明顯低于二三產業經濟生產總值占比和經濟作物收益的增加趨勢。說明石漠化治理以來, 產業結構得到了改善, 經濟作物的精細化種植逐漸代替粗放的糧食種植, 第一產業為主的產業結構逐漸轉向一二三產業均衡的產業結構。

(3)從可持續性來看, 建水縣石漠化治理綜合效益及經濟、生態、社會效益 hurst指數均大于 0.5,證明各項效益均有正向可持續性。而在生態、經濟、社會效益中經濟效益持續性最強, 其次為生態效益,社會效益的可持續性相對較低。生態效益中, 石漠化面積減少率指標hurst指數為0.97, 證明石漠化治理效果較好且具有較高的持續性; 在經濟效益中,糧食收益增加率和二三產業經濟生產總值占比增加率hurst指數相對較高, 正向持續性較強; 在社會效益中, 居民可支配收入增加比例 hurst指數為 0.98,說明居民收入增長趨勢具有較高的可持續性, 而新增就業人數增加率hurst指數小于0.5, 具有反向可持續性, 后期新增就業人數可能會減少。

Acknowledgements:

This study was supported by National Key Research and Development Program of China (Nos.2016YFC0502500 and 2016YFC0502506), and National Natural Science Foundation of China (No.41671080).