山區(qū)社會-生態(tài)系統(tǒng)轉型測度
——以三峽典型庫區(qū)為例

夏春華,李陽兵,2,*,黃孟勤,陳 爽,張 冰,曾晨岑

1 重慶師范大學地理與旅游學院,重慶 401331 2 三峽庫區(qū)地表過程與環(huán)境遙感重慶市重點實驗室, 重慶 401331

如何協(xié)調人類社會與自然環(huán)境二者的關系一直都是可持續(xù)發(fā)展的熱點問題,也是全球變化研究的重點[1]。人類社會和自然環(huán)境既是一個緊密相連、相互作用的綜合系統(tǒng)[2—3],也是兩個性質各不相同的子系統(tǒng),具有各自的結構、功能、存在條件和發(fā)展規(guī)律,但它們各自的存在和發(fā)展又受其它系統(tǒng)結構和功能的制約[4]。許多學者將社會經(jīng)濟和生態(tài)子系統(tǒng)視作一個統(tǒng)一的整體,并使用不同的稱謂如人-地系統(tǒng)[5]、人類-環(huán)境系統(tǒng)[6]、人類-地球系統(tǒng)[7]、生態(tài)-經(jīng)濟系統(tǒng)[8]或人口-經(jīng)濟-社會-資源-環(huán)境系統(tǒng)[9]等,來分析和研究它們之間的相互作用和緊密聯(lián)系。本文認為人類是經(jīng)濟活動的主體,一切的經(jīng)濟活動都依靠人類完成,即經(jīng)濟子系統(tǒng)受到社會子系統(tǒng)的驅動作用,因此,本文將社會和經(jīng)濟子系統(tǒng)統(tǒng)稱為社會系統(tǒng),并使用“社會-生態(tài)系統(tǒng)[10]”以探究社會經(jīng)濟子系統(tǒng)與生態(tài)子系統(tǒng)之間的相互作用關系。

目前,國內(nèi)外學者多數(shù)傾向于將社會與經(jīng)濟子系統(tǒng)合稱為社會經(jīng)濟系統(tǒng),綜合研究二者的協(xié)調發(fā)展[11—12],或研究社會、生態(tài)、經(jīng)濟三個子系統(tǒng)的耦合發(fā)展[9]；從研究區(qū)域看,多以廣域(省域、自然生態(tài)區(qū)域等)為主,如北部灣經(jīng)濟區(qū)[12]、喀斯特生態(tài)脆弱區(qū)[13]、省域[14]等,對流域視角的耦合研究主要集中在黃河流域[15]、金沙江流域[16]等大尺度流域,而對小流域社會-生態(tài)系統(tǒng)的耦合研究較少；從研究尺度看,主要是借助統(tǒng)計數(shù)據(jù)從時間尺度上定量分析多個系統(tǒng)之間的耦合關聯(lián)度及耦合協(xié)調發(fā)展[15—17]、耦合效應[18]等,而缺乏空間尺度上的深入分析；從研究方法看,較多研究傾向于采用耦合協(xié)調度[15—17]或者灰色關聯(lián)分析[19]等單一方法探究多個系統(tǒng)的耦合協(xié)調發(fā)展,缺乏復合方法的疊加分析。

中國國務院2014年7月頒布的《全國對口支援三峽庫區(qū)合作規(guī)劃》指出,三峽庫區(qū)經(jīng)濟社會發(fā)展基礎較為薄弱與環(huán)境承載壓力大的基礎性矛盾依舊沒有改變[20—21]。同時,三峽庫區(qū)作為中國重點生態(tài)功能區(qū)的獨特地理單元[20],伴隨人類的高強度活動和三峽工程建設等因素,土地利用變化顯著,尤以森林轉型[22—24]、耕地轉型[23—24]趨勢較為明顯。因此,三峽庫區(qū)社會-生態(tài)系統(tǒng)的相互作用,包括社會-生態(tài)系統(tǒng)組分此消彼長導致的系統(tǒng)結構和功能變化以及自然和社會經(jīng)濟等因素如何推動社會-生態(tài)系統(tǒng)轉型等問題,值得深入研究,且對于其綜合系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。目前對于三峽庫區(qū)系統(tǒng)耦合方面的研究主要涉及環(huán)境-經(jīng)濟-社會復合生態(tài)系統(tǒng)耦合協(xié)調發(fā)展[21]、生態(tài)系統(tǒng)服務與農(nóng)戶生計耦合[25]等,仍缺乏對于復合系統(tǒng)耦合轉型方面的研究。因此,本文建立基于流域局地尺度研究社會-生態(tài)系統(tǒng)耦合轉型框架,以庫區(qū)腹地草堂溪流域為例,采用地形位指數(shù)、耦合協(xié)調度模型等方法,揭示庫區(qū)社會-生態(tài)系統(tǒng)轉型與否,轉型路徑的多樣性及其驅動機制,旨在為三峽庫區(qū)社會-生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展提供參考建議。

1 研究區(qū)概況

草堂溪流域位于三峽庫區(qū)腹地奉節(jié)縣東北部(圖1),地處109°31′03″—109°45′20″E,31°02′40″—31°10′06″N之間,總體面積約210km2。流域內(nèi)地形復雜,山高坡陡,主要地貌類型以中低山為主,溝谷平壩分布其間。氣候屬于中亞熱帶大陸性季風氣候,年均氣溫15℃,年均降水量1200mm。近些年來隨著三峽大壩的建設、農(nóng)戶和政府的需求變化[26—27],土地利用發(fā)生了明顯轉變,社會-生態(tài)系統(tǒng)也隨之發(fā)生變化,具體表現(xiàn)在注重糧食生產(chǎn)的耕地逐漸向經(jīng)濟果林轉型[20],山高坡陡不利于耕種的耕地逐漸被撂荒[28],或邊際化為林草地,或被重新開墾種植經(jīng)濟果林等,因此選擇其作為研究區(qū)具有典型性和代表性。

圖1 研究區(qū)概況圖Fig.1 Location map of the study area

2 研究框架、數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 研究框架

2.1.1山區(qū)社會-生態(tài)系統(tǒng)耦合轉型框架

作為社會經(jīng)濟和生態(tài)系統(tǒng)連接紐帶的土地系統(tǒng),本身是復雜的自然、社會、經(jīng)濟綜合體,分別通過土地利用和土地覆被關聯(lián)社會經(jīng)濟和生態(tài)系統(tǒng),所以土地系統(tǒng)的變化可以反映社會經(jīng)濟和生態(tài)系統(tǒng)的具體變化[29—30](圖2)。本文分別選取聚落和坡耕地、森林和經(jīng)果林作為社會和生態(tài)子系統(tǒng)組分,依據(jù)主要如下:聚落是人類進行生產(chǎn)、生活活動的主要場所,人類活動強度高,且人口又是社會子系統(tǒng)的主要組成部分；從社會屬性看,坡耕地在糧食安全方面發(fā)揮著巨大作用[31],所以聚落和坡耕地被選為社會子系統(tǒng)組分。森林可以通過碳循環(huán)、區(qū)域氣候水文調節(jié)和土壤侵蝕影響當?shù)丨h(huán)境[31],是生態(tài)子系統(tǒng)的重要組成部分,經(jīng)果林種植兼具生態(tài)和經(jīng)濟效益,二者在生態(tài)安全方面發(fā)揮著巨大作用,所以森林和經(jīng)果林被選為生態(tài)子系統(tǒng)組分。

另一方面,除土地系統(tǒng)變化外,社會經(jīng)濟和生態(tài)類指標變化也能反映社會經(jīng)濟和生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展情況,所以本文又從經(jīng)濟、人口、建設、土地生產(chǎn)力、生態(tài)資源和生態(tài)基礎6個方面共選取20個指標作為社會-生態(tài)系統(tǒng)指標(表1),原因在于坡耕地和聚落、經(jīng)果林和森林與大多數(shù)指標具有直接或間接的顯著相關性[32—33],如山區(qū)坡耕地和經(jīng)果林的變化明顯與X23、X41、X42、X51等指標的變化相關,聚落變化會導致X2、X3、X5的明顯變化,森林變化則對X4、X5、X6均具有重要影響。在此基礎上,將組分與指標間的關系又進一步分為顯著正相關和顯著負相關(圖2)。

社會-生態(tài)系統(tǒng)轉型作為土地利用轉型更高層級的重要內(nèi)容,也包括空間形態(tài)和功能形態(tài)在時間上的綜合形態(tài)轉型[34—35],指隨著經(jīng)濟社會發(fā)展,特定區(qū)域內(nèi)的社會-生態(tài)系統(tǒng)形態(tài)受到外部干預或外部條件改變時,可能具有多個不同的相對表現(xiàn)形態(tài)[36],系統(tǒng)從一種表現(xiàn)形式進入到另一種表現(xiàn)形式。本文在社會-生態(tài)系統(tǒng)轉型的研究基礎上進一步提出社會-生態(tài)系統(tǒng)耦合轉型,其耦合轉型既包括土地系統(tǒng)組分與社會經(jīng)濟、生態(tài)類指標的耦合變化,又包括土地系統(tǒng)內(nèi)部組分數(shù)量、結構和功能的耦合變化；土地系統(tǒng)變化能直接或間接地引起社會經(jīng)濟、生態(tài)類指標變化,從而可以綜合反映社會-生態(tài)系統(tǒng)的耦合轉型變化。

綜上,基于土地利用轉型的整體尺度架構[34],本文通過構建土地系統(tǒng)時間-空間-功能三維坐標體系,借此從其數(shù)量、結構、功能方面界定社會-生態(tài)系統(tǒng)耦合轉型(圖2)。以社會-生態(tài)系統(tǒng)組分利用的時間節(jié)點T0、T1、T2、…、Tn為時間軸,社會-生態(tài)系統(tǒng)數(shù)量、結構和功能均隨之逐漸發(fā)生變化。其中,時間-空間軸上是社會-生態(tài)系統(tǒng)形態(tài)表現(xiàn)由數(shù)量到“數(shù)量+質量”再到“數(shù)量+質量+生態(tài)”的變化過程；空間-功能軸上是指社會-生態(tài)系統(tǒng)結構形態(tài)隨著數(shù)量形態(tài)變化而變化；時間-功能軸上則表示量變累積達到質變的過程,即社會-生態(tài)系統(tǒng)功能受到其數(shù)量和結構的共同作用而隨之發(fā)生變化。簡單來看,隨著時間節(jié)點的轉換,社會-生態(tài)系統(tǒng)沿著空間形態(tài)和功能形態(tài)兩個維度發(fā)生耦合轉型。

表1 社會-生態(tài)系統(tǒng)組分與指標選取體系Table 1 Social-ecological system components and index selection system

2.1.2三峽庫區(qū)社會-生態(tài)系統(tǒng)轉型過程

三峽庫區(qū)是一個開放的,內(nèi)部各要素相互作用、緊密聯(lián)系的社會-生態(tài)系統(tǒng),具有脆弱性和復雜性等特征[35]。本文認為三峽庫區(qū)社會-生態(tài)系統(tǒng)的演變可分為3個階段(圖3)。

在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)時期,耕地作為主要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地,為了滿足基本的糧食安全和生存需求,農(nóng)戶重數(shù)量不重質量,他們往往通過擴大耕地的面積來達到滿足生產(chǎn)資料的需求。三峽工程開工以來,大江截流、水庫蓄水等淹沒大量河谷平壩區(qū)的優(yōu)質耕地,移民從低平坎地向陡坡地搬遷,在生存脅迫的壓力下,陡坡開墾現(xiàn)象凸顯,林地面積收縮,山區(qū)過度開發(fā)利用使得生態(tài)環(huán)境遭到破壞,這一時期的社會經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境處于拮抗失調階段,社會-生態(tài)系統(tǒng)的耦合協(xié)調度較低。

步入過渡轉型時期,為了滿足環(huán)境安全的需求,退耕還林政策大規(guī)模實施,大量坡耕地被迫退耕,邊際化為林草地,坡耕地減少,森林面積擴張,同時隨著城鎮(zhèn)化和工業(yè)化的發(fā)展,區(qū)域整體經(jīng)濟水平提高,農(nóng)戶務工機會增多,刺激著農(nóng)業(yè)人口城鎮(zhèn)化,劣質耕地撂荒現(xiàn)象顯著,山區(qū)村莊逐漸“空心化”,聚落整體衰退,土地逐步集約化利用,社會經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境經(jīng)過磨合進入良性互動階段,社會-生態(tài)系統(tǒng)的耦合協(xié)調水平提高。

進入鄉(xiāng)村振興時期,土地集約化利用加強,三峽工程全面建成后,配套的基礎設施建設進一步占用城鎮(zhèn)附近的耕地,耕地繼續(xù)縮減,城鎮(zhèn)擴張速度減緩,耕地撂荒和林果業(yè)發(fā)展促使山區(qū)林地面積擴張,具有生態(tài)和經(jīng)濟雙重效益的經(jīng)果林發(fā)展至高峰期,逐漸代替耕地成為主要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地,實現(xiàn)從傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)系統(tǒng)(耕地和森林組合)向新型化生態(tài)系統(tǒng)(經(jīng)果林和森林組合)轉變,社會經(jīng)濟與生態(tài)環(huán)境處于有序的良好協(xié)調發(fā)展階段。

圖3 庫區(qū)社會-生態(tài)系統(tǒng)耦合轉型過程Fig.3 The process of social-ecological system coupling transformation in The Reservoir Area

2.2 數(shù)據(jù)來源

研究區(qū)2000、2010、2020年土地利用數(shù)據(jù)源于Google Earth(分辨率為0.51m)高分辨影像。1∶5萬數(shù)字高程模型(分辨率為30m)源自地理空間數(shù)據(jù)云平臺。以確保數(shù)據(jù)精度,運用ArcGIS10.2軟件對遙感影像進行人機交互解譯,參照“GDPJ01—2017”地理國情普查內(nèi)容與指標并結合研究區(qū)實際情況,將土地利用類型劃分為坡耕地、有林地、灌木林地、草地、經(jīng)果林、水域、聚落、道路、建設用地(生態(tài)產(chǎn)業(yè)園和機場)、撂荒地、未利用地共11類,得到三期土地利用類型圖(圖4)。并于2021年5月在野外考察中進行抽樣驗證,確保解譯精度均在95%以上,之后根據(jù)本文研究需要,將有林地和灌木林地合并為森林。文中采用的地形位指數(shù)由1∶5萬數(shù)字高程模型(DEM)生成,涉及到的社會經(jīng)濟類數(shù)據(jù)源于重慶市《奉節(jié)縣統(tǒng)計年鑒》和實地農(nóng)戶調查。

圖4 研究區(qū)土地利用類型圖Fig.4 Land use type map of the study area

2.3 研究方法

2.3.1地形位指數(shù)模型

受地形因素影響,研究區(qū)土地利用存在著顯著的空間分異,因此通過ArcGIS地理信息模型建模方法,新建25m×25m單元網(wǎng)格,將高程和坡度組合成地形位指數(shù)模型,計算公式[30]為:

T=log10[(E/E0+1)×(S/S0+1)

(1)

式中,T表示空間單元內(nèi)地形位指數(shù)的大小,其中E和E0表示某個單元的高程值和整個研究區(qū)的平均高程值,S和S0表示某個單元的坡度值和整個研究區(qū)的平均坡度值。結合研究區(qū)實際情況,將地形位指數(shù)用自然斷點法重分為3類,分別代表流域低、中、高地形位。具體分級結果見表2、圖5。

2.3.2社會-生態(tài)系統(tǒng)耦合協(xié)調度模型

(1)社會-生態(tài)系統(tǒng)指標體系構建

依據(jù)復合系統(tǒng)指標體系構建的科學性、可操作性等原則,借鑒相關研究成果[14,37]及考慮到三峽庫區(qū)復合系統(tǒng)的特殊性,本文根據(jù)表1選取的指標構建社會-生態(tài)系統(tǒng)耦合協(xié)調發(fā)展指標體系(表3)。

表2 地形位分級結果Table 2 Topographic position classification results

圖5 研究區(qū)地形位分級結果示意Fig.5 The result of grading of topographic position in the study area

表3 社會-生態(tài)系統(tǒng)耦合協(xié)調發(fā)展指標體系Table 3 The coordinated development index system of social-ecological system

(2)數(shù)據(jù)標準化處理

本文先將指標進行標準化處理,具體步驟如下[14]:

正向指標:

(2)

負向指標:

(3)

非零化處理:

(4)

式中,Xtij為第t年系統(tǒng)i的第j項指標。

(3)熵值法確定權重模型

然后采用熵值法計算各指標的權重。具體步驟如下[14,21]:

首先計算指標的比重:

(5)

再計算指標的熵值(ej)和信息效用值(gj):

(6)

gj=1-ej

(7)

式中,k>0,k=ln(ma)。

最后計算各指標的權重:

wj=gj/∑gj

(8)

(4)加權計算系統(tǒng)綜合發(fā)展水平

計算社會和生態(tài)子系統(tǒng)2000—2020年的綜合發(fā)展水平,計算公式[21]為:

(9)

(5)耦合協(xié)調度模型

耦合度用以表示2或2個以上的系統(tǒng)緊密配合相互影響的作用關系,計算公式[37]為:

(10)

式中,C∈[0,1],X1、X2分別為社會和生態(tài)子系統(tǒng)綜合發(fā)展水平。為進一步探究各子系統(tǒng)之間的配合和協(xié)調水平,引入耦合協(xié)調度模型D,計算公式[37]為:

(11)

T=αX1+βX2

(12)

式中,D∈[0,1],T為2個系統(tǒng)的綜合發(fā)展水平,α和β為待定系數(shù),本文認為社會和生態(tài)子系統(tǒng)同等重要,故α=β=0.5。本文參考相關文獻[21,37]給出耦合協(xié)調度評價標準見表4。

表4 社會-生態(tài)系統(tǒng)耦合協(xié)調類型劃分Table 4 Classification of social-ecological system coupling coordination types

D:耦合協(xié)調度coupling co scheduling

2.3.3局部空間自相關

空間自相關分析用于測度具有某種屬性的空間分布與其臨近區(qū)域是否存在相關性及相關程度的方法,能直觀地表達某種空間現(xiàn)象的關聯(lián)性與差異性[38]。基于研究區(qū)100m×100m、500m×500m和1km×1km單元網(wǎng)格與社會-生態(tài)系統(tǒng)疊加分析,經(jīng)比較發(fā)現(xiàn)1km×1km的單元網(wǎng)格能較好地反映其空間集聚的規(guī)律性,其余大小的單元網(wǎng)格反映效果與之相比較差,所以將單元網(wǎng)格的大小設置為1km×1km。局部莫蘭指數(shù)(Moran′s I)計算公式[38]為:

(13)

式中,Xi和Xj分別為單元網(wǎng)格中第i和j單元社會-生態(tài)系統(tǒng)組分面積,n為研究區(qū)全域格網(wǎng)單元的總數(shù),wij為空間權重的矩陣,X0為社會-生態(tài)系統(tǒng)組分面積的平均值,S2為方差。

2.3.4社會-生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展模式類型劃分

本文根據(jù)研究區(qū)土地系統(tǒng)變化特征和社會-生態(tài)系統(tǒng)之間的具體表現(xiàn),共總結出6種模式,分別對應研究區(qū)低、中、高地形位社會-生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展模式,具體分類結果見表5。

3 結果分析

3.1 不同地形位社會-生態(tài)系統(tǒng)變化

3.1.1基于地形位社會-生態(tài)系統(tǒng)動態(tài)變化

2000—2020年草堂溪流域不同地形位社會-生態(tài)系統(tǒng)的組成結構和功能均存在顯著差異(圖6)。低地形位坡耕地不斷減少,2000—2010年減小幅度達29.96%；經(jīng)果林則較大幅度增加,尤其是在2000—2010年增加比重較大,達到26.71%；森林在2010—2020年小幅度增加；聚落呈持續(xù)增加的趨勢。組成結構由坡耕地、森林和經(jīng)果林組合轉向以經(jīng)果林、森林和聚落為主,功能由生產(chǎn)和生態(tài)轉向生態(tài)經(jīng)濟為主。中地形位坡耕地持續(xù)減少,2010—2020年減少較多,減少比重為20.72%；經(jīng)果林則呈現(xiàn)明顯增加的趨勢,2010—2020年增加幅度較大,達到16.39%,森林逐漸增加,占中地形位系統(tǒng)組分總面積的70%以上,與經(jīng)果林成為主要用地類型；聚落緩慢減少,主要向流域低地形位移動。組成結構由坡耕地和森林為優(yōu)勢地類,逐漸發(fā)展為以森林、經(jīng)果林和坡耕地為主,功能由生產(chǎn)和生態(tài)轉向生態(tài)和生態(tài)經(jīng)濟為主。高地形位系統(tǒng)組成結構主要以森林為主,占比均達到80%以上,且呈快速增加的趨勢；坡耕地持續(xù)減少,經(jīng)果林逐漸增加,2010—2020年增加明顯,成為2020年除森林外的第二大用地類型,聚落總體呈現(xiàn)減少的態(tài)勢,功能由生態(tài)和生產(chǎn)轉向生態(tài)主導。

表5 社會-生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展模式類型劃分Table 5 Classification of social-ecological system development model types

圖6 研究區(qū)社會-生態(tài)系統(tǒng)組成結構變化Fig.6 Structural changes in the composition of the social-ecological system in the study area

3.1.2基于地形位社會-生態(tài)系統(tǒng)轉移變化分析

研究區(qū)社會-生態(tài)系統(tǒng)空間轉移變化差異較大(圖7)。2000—2020年單一社會系統(tǒng)內(nèi)部轉化量均較小,2000—2010年耕聚轉換型(坡耕地-聚落)與聚耕轉換型(聚落-坡耕地)均在中地形位西北部散亂分布。與之相比,單一生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部轉化較大,2000—2010年開荒型(森林-經(jīng)果林)在流域低地形位表現(xiàn)較明顯；2010—2020年低地形位西南部以開荒型為主,中高地形位則以森林恢復型(經(jīng)果林-森林)為主。2000—2020年社會-生態(tài)系統(tǒng)之間轉移變化顯著,空間分布明顯,2000—2010年社會-生態(tài)系統(tǒng)轉移以耕果轉換型(坡耕地-經(jīng)果林)和森林恢復型(坡耕地、聚落-森林)為主,復墾型(經(jīng)果林-坡耕地)和開荒型(森林-坡耕地、聚落)鑲嵌分布,其中耕果轉換型主要分布在低地形位,森林恢復型和開荒型主要分布在流域中高地形位；2010—2020年則主要以耕果轉換型為主,且在流域中地形位西北部集聚、低地形位稀疏分布,森林恢復型主要散亂分布在中高地形位。

圖7 不同地形位單一及復合系統(tǒng)組分轉移變化Fig.7 The variation of the single and composite system components of different topographic position

3.2 社會-生態(tài)系統(tǒng)時空耦合變化特征

3.2.1社會-生態(tài)系統(tǒng)時序耦合分析

2000—2020年草堂溪流域社會-生態(tài)系統(tǒng)耦合協(xié)調度差異較大(圖8),介于0.35—0.86之間,整體耦合協(xié)調發(fā)展呈現(xiàn)出較好發(fā)展態(tài)勢。2000—2010年社會-生態(tài)系統(tǒng)耦合協(xié)調度發(fā)生了明顯的良好轉變,協(xié)調類型由輕度失調逐漸轉向中級協(xié)調,這一時期生態(tài)環(huán)境先受到破環(huán)后趨于好轉,社會和生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)過一定的磨合,逐漸趨于協(xié)調。2010—2020年社會-生態(tài)系統(tǒng)耦合協(xié)調水平處于較高階段,協(xié)調類型由中級協(xié)調向良好協(xié)調轉化,這一時期生態(tài)環(huán)境發(fā)展較為滯后,但是整體社會-生態(tài)系統(tǒng)正向高水平協(xié)調狀態(tài)穩(wěn)固發(fā)展。

圖8 2000—2020年社會-生態(tài)系統(tǒng)耦合協(xié)調度變化Fig.8 Changes of social-ecological system coupling coordination from 2000 to 2020

3.2.2社會-生態(tài)系統(tǒng)空間耦合分析

通過對比土地利用分布圖和社會-生態(tài)系統(tǒng)空間聯(lián)系的局部指標(LISA)集聚圖可知,2000—2020年社會-生態(tài)系統(tǒng)空間集聚具有一定的趨向性(圖9)。坡耕地-經(jīng)果林呈現(xiàn)流域中、高地形位低,低地形位高的分布格局,由低低、高高集聚轉向低低和低高集聚,最后以低低集聚為主,低高集聚為輔,且低低集聚類型面積較大,呈片狀分布,空間相關性顯著,低高和高低集聚空間面積小,呈零散狀分布,集聚效果不明顯。

坡耕地-森林呈現(xiàn)較散亂的分布格局,由較大面積的高高和低低集聚轉向零散分布的低高集聚為主,最后以低低集聚分布為主,低低集聚類型在流域中地形位東南部和低地形位西南部面積較大,小部分呈現(xiàn)塊狀分布,空間相關性顯著,低高集聚空間面積小,呈零散狀分布,集聚效果不明顯。

聚落-經(jīng)果林呈現(xiàn)較單一化的分布格局,由流域低地形位的低高集聚、中地形位東北部和西部的低低集聚轉向低高集聚為主,低高集聚空間面積大,從低地形位向中地形位逐漸延神,呈現(xiàn)片狀分布,空間相關性顯著,而低低集聚類型面積小,從中高地形位逐漸收縮,散布在低高集聚類型間,集聚效果不明顯。

聚落-森林由大面積的低高集聚為主、小部分的低低集聚為輔逐漸轉向單一化的低高集聚。低高集聚空間面積大,呈片狀、包圍式分布,低低集聚類型夾雜其中,空間相關性顯著,西北部和西南部塊狀分布的低低集聚類型先增加后減少,最后在流域低地形位西南端呈現(xiàn)小塊分布,集聚效果不明顯。

3.3 社會-生態(tài)系統(tǒng)耦合轉型路徑分析

2000—2020年研究區(qū)社會-生態(tài)系統(tǒng)數(shù)量-結構-功能均發(fā)生了較為顯著的變化,且不同地形位轉型路徑有所差異(圖10)。2000年低地形位人類活動劇烈,其影響方式主要表現(xiàn)為坡耕地和森林、經(jīng)果林之間相互轉換、競爭激烈,生態(tài)系統(tǒng)較為脆弱,以具有生產(chǎn)和生態(tài)功能的坡耕地、森林為主,兼顧生態(tài)經(jīng)濟功能的經(jīng)果林為輔；中高地形位人類干擾活動減小,以森林和坡耕地為主,整體社會-生態(tài)系統(tǒng)之間相互作用加強,耦合協(xié)調類型為輕度失調。2010年坡耕地面積縮減,經(jīng)果林面積快速擴張,森林面積增長,高地形位社會-生態(tài)系統(tǒng)組分以森林為主,中地形位以森林和坡耕地為主,低地形位則以經(jīng)果林和森林為主,社會-生態(tài)系統(tǒng)相互制衡、協(xié)同發(fā)展,耦合協(xié)調類型為中級協(xié)調。2020年坡耕地繼續(xù)縮減,經(jīng)果林種植再擴張,森林繼續(xù)增長,高地形位社會-生態(tài)系統(tǒng)組分仍以森林為主,低中地形位均以森林和經(jīng)果林為主,聚落整體向低中地形位遷移,傳統(tǒng)的農(nóng)耕系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)向新型化的經(jīng)果林種植系統(tǒng)轉化,社會-生態(tài)系統(tǒng)處于高度耦合階段,耦合協(xié)調類型為良好協(xié)調。總的來看,2000—2020年低地形位社會-生態(tài)系統(tǒng)耦合轉型主要表現(xiàn)為由社會生態(tài)型向生態(tài)經(jīng)濟型轉變；中地形位表現(xiàn)為由生態(tài)社會型向生態(tài)主導、生態(tài)經(jīng)濟為輔轉變；高地形位則由生態(tài)調節(jié)型愈加趨向于生態(tài)主導型,但兼顧生態(tài)經(jīng)濟功能的經(jīng)果林呈逐漸增長的趨勢,表明在未來社會-生態(tài)系統(tǒng)有向生態(tài)經(jīng)濟型轉變的可能。

圖10 社會-生態(tài)系統(tǒng)耦合轉型路徑演變Fig.10 The evolution of the social-ecological system coupling transformation path

4 討論

4.1 三峽庫區(qū)社會-生態(tài)系統(tǒng)轉型特色

從傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)時期過渡到鄉(xiāng)村振興時期,三峽庫區(qū)社會-生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生了顯著的轉型,具體表現(xiàn)在其數(shù)量-結構-功能變化上。社會-生態(tài)系統(tǒng)耦合協(xié)調水平穩(wěn)步提高,由輕度失調漸趨良好協(xié)調,與黃磊等對三峽庫區(qū)復合生態(tài)系統(tǒng)的耦合協(xié)調發(fā)展研究及預測結果一致[21]。社會子系統(tǒng)組分面積不斷縮減,以坡耕地的減少最明顯,生態(tài)子系統(tǒng)組分面積持續(xù)增長,以經(jīng)果林的增加較為凸顯；社會-生態(tài)系統(tǒng)空間結構主要由森林和坡耕地組合逐漸轉為森林和經(jīng)果林組合,經(jīng)果林逐漸代替坡耕地成為新的農(nóng)業(yè)種植方式；功能由生態(tài)和生產(chǎn)功能逐漸向生態(tài)和生態(tài)經(jīng)濟功能轉變,與Liang等對三峽庫區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)演變探究[20]、蔣維等對黃土高原農(nóng)村社會-生態(tài)系統(tǒng)體制轉換過程研究[39]結果較為一致。且不同地形位社會-生態(tài)系統(tǒng)轉型路徑有所差異,低地形位社會-生態(tài)系統(tǒng)耦合轉型主要表現(xiàn)為由社會生態(tài)型向生態(tài)經(jīng)濟型轉變；中地形位表現(xiàn)為由生態(tài)社會型向生態(tài)主導、生態(tài)經(jīng)濟為輔轉變；高地形位則由生態(tài)調節(jié)型愈加趨向于生態(tài)主導型。本文研究結果證實庫區(qū)社會-生態(tài)系統(tǒng)轉型過程對山區(qū)來說具有普適性。

4.2 社會-生態(tài)系統(tǒng)轉型驅動因素分析

三峽庫區(qū)社會-生態(tài)系統(tǒng)轉型受到多方面因素影響[31],主要包括自然、社會經(jīng)濟、三峽工程建設和政策因素四個方面,其中農(nóng)戶和政府的需求變化是驅動社會-生態(tài)系統(tǒng)轉型的根本因素(圖11)。

在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)時期,社會經(jīng)濟發(fā)展緩慢,農(nóng)戶限于生存需求的脅迫,政府為保證國家糧食安全,耕地種植以生產(chǎn)糧食作物為宗旨,一定程度上導致環(huán)境退化和土壤的嚴重侵蝕,人地矛盾逐漸加劇。這一時期過度土地耕作和毀林開荒導致土壤肥力受損,隨后糧食產(chǎn)量下降進一步加劇了對更多種植和砍伐森林的需求。從傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)時期過渡到鄉(xiāng)村振興時期,中國社會經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展,工業(yè)化和城鎮(zhèn)化快速推進,山區(qū)農(nóng)村人口向城鎮(zhèn)遷移等促進農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代化發(fā)展,農(nóng)業(yè)結構發(fā)生調整,農(nóng)戶生計由傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)耕作向非農(nóng)化活動轉變[24]。這一時期農(nóng)戶經(jīng)營主體也發(fā)生變化,耕地由破碎化的小農(nóng)戶經(jīng)營向規(guī)模化的公司+基地+合作社+農(nóng)戶經(jīng)營轉變[27]。根據(jù)實地農(nóng)戶訪問調查,農(nóng)戶經(jīng)濟來源主要以外出務工收入為主,種養(yǎng)殖業(yè)為輔,種植經(jīng)濟果林如脆李,一斤售賣3—10元不等,一年收入大于10萬元,而種植糧食作物如稻谷,一斤僅售賣1.5元,除去人力成本和化肥農(nóng)藥的費用,利潤所剩無幾。也正是如此之高的收益差,在政府要求生態(tài)發(fā)展、農(nóng)戶需要提高經(jīng)濟的雙向需求下,農(nóng)戶致力于縮減糧食種植面積,改為種植經(jīng)濟果林以提高家庭收入。

圖11 社會-生態(tài)系統(tǒng)轉型驅動機制Fig.11 The social-ecological system transformation driver mechanism

4.3 政策建議

2000—2020年研究區(qū)社會-生態(tài)系統(tǒng)由輕度失調漸趨良好協(xié)調,已經(jīng)實現(xiàn)了較高水平的耦合協(xié)調發(fā)展。但進一步比較方發(fā)現(xiàn)[21,37],以研究區(qū)為代表的庫腹地區(qū)與三峽庫區(qū)整體社會-生態(tài)系統(tǒng)耦合發(fā)展水平存在較大差距。為促進三峽庫區(qū)社會-生態(tài)系統(tǒng)盡快實現(xiàn)高水平、高質量的耦合協(xié)調發(fā)展,本文提出以下建議:

一方面,正確認識社會經(jīng)濟和生態(tài)子系統(tǒng)的協(xié)同作用關系。三峽庫區(qū)屬于典型的生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū),社會經(jīng)濟的發(fā)展進步不能以犧牲生態(tài)環(huán)境為代價。庫區(qū)應當以保護生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定為原則,大力發(fā)展生態(tài)旅游觀光農(nóng)業(yè),吸引外出勞動力回流,從而促進社會-生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)發(fā)展。另一方面,引領全域走綠色發(fā)展道路。習近平總書記在推動長江經(jīng)濟帶發(fā)展座談會上指出必須堅持生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展,且相關研究表明[21],研究區(qū)社會-生態(tài)系統(tǒng)的耦合協(xié)調水平高于三峽庫區(qū)復合系統(tǒng)的耦合協(xié)調水平,為了實現(xiàn)更高質量的可持續(xù)發(fā)展,三峽庫區(qū)應當把草堂溪流域作為一個成功的案例,堅定不移走綠色轉型道路。

5 結論

本文通過構建流域局地尺度研究社會-生態(tài)系統(tǒng)耦合轉型框架,以草堂溪流域社會-生態(tài)系統(tǒng)為研究對象,分析其數(shù)量-結構-功能的動態(tài)變化、時空耦合變化,揭示復合系統(tǒng)的轉型路徑以及驅動機制,主要結論如下:

(1)以草堂溪流域為例,研究發(fā)現(xiàn)三峽庫區(qū)社會-生態(tài)系統(tǒng)數(shù)量-結構-功能均發(fā)生了變化,這些變化共同促進了庫區(qū)社會-生態(tài)系統(tǒng)轉型。社會系統(tǒng)組分不斷減少,以流域低中地形位坡耕地的減少最顯著,生態(tài)系統(tǒng)組分則持續(xù)增加,以流域低中地形位經(jīng)果林的增加為主,森林的增加主要在流域中高地形位表現(xiàn)明顯；空間結構-功能則以森林和坡耕地組合的生態(tài)、生產(chǎn)功能向森林和經(jīng)果林組合的生態(tài)、生態(tài)經(jīng)濟功能轉變。

(2)庫區(qū)社會-生態(tài)系統(tǒng)轉型整體存在3種轉型路徑,不同地形位轉型路徑不同。低地形位社會-生態(tài)系統(tǒng)耦合轉型主要表現(xiàn)為由社會生態(tài)型向生態(tài)經(jīng)濟型轉變；中地形位表現(xiàn)為由生態(tài)社會型向生態(tài)主導、生態(tài)經(jīng)濟為輔轉變；高地形位則由生態(tài)調節(jié)型愈加趨向于生態(tài)主導型,但兼顧生態(tài)經(jīng)濟功能的經(jīng)果林呈逐漸增長的趨勢,表明在未來社會-生態(tài)系統(tǒng)有向生態(tài)經(jīng)濟型轉變的可能。

(3)庫區(qū)社會-生態(tài)系統(tǒng)轉型過程主要受農(nóng)戶和政府需求變化驅動。從傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)時期過渡到鄉(xiāng)村振興時期,農(nóng)戶和政府的需求變化會直接導致農(nóng)業(yè)種植和生計方式變化,農(nóng)戶由生存需求轉向發(fā)展需求,政府從以糧為綱轉向生態(tài)建設需求,簡單的以糧食種植為主的坡耕地系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足農(nóng)戶和政府尋求發(fā)展、綠色生態(tài)的需求,因此具有生態(tài)經(jīng)濟雙重效益的經(jīng)果林種植興起,并逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的農(nóng)業(yè)種植。

(4)本文基于土地利用轉型的整體尺度架構,構建的研究框架較適合刻畫以三峽庫區(qū)為代表的山區(qū)社會-生態(tài)系統(tǒng)耦合轉型路徑,具有較高的學術價值,在其它地區(qū)也能同樣適用。本文基于流域局地尺度,構建研究社會-生態(tài)系統(tǒng)耦合轉型框架,研究揭示了庫區(qū)社會-生態(tài)系統(tǒng)轉型的一般規(guī)律,表明以庫區(qū)為代表的山區(qū)社會-生態(tài)系統(tǒng)存在較為顯著的耦合轉型,且具有多樣化的轉型路徑,研究結果對山區(qū)具有普適性。

本文也存在一定的不足之處。由于數(shù)據(jù)收集有限,本文僅定性化闡述了農(nóng)戶和政府需求變化對社會-生態(tài)系統(tǒng)轉型的驅動作用；且對社會-生態(tài)系統(tǒng)耦合協(xié)調度的分析缺乏較長的時間尺度,本文僅能反映出2000—2020年耦合協(xié)調水平整體逐漸提高。但是本文仍能客觀反映山區(qū)社會-生態(tài)系統(tǒng)轉型過程的一般規(guī)律。