杜 娟, 陈 英

(甘肃农业大学 资源与环境学院, 兰州 730070)



基于PSR模型的民勤县绿洲-荒漠交错带生态系统健康评价

杜 娟, 陈 英

(甘肃农业大学 资源与环境学院, 兰州 730070)

生态系统健康评价是目前生态系统管理和宏观生态学研究的热点问题之一，是区域生态系统能否可持续发展的关键。以民勤县绿洲—荒漠交错带为例，构建生态系统健康评价体系，运用熵值法、极差标准化法及多因素综合评价法来评价民勤县绿洲—荒漠交错带生态系统健康程度。研究结果表明：利用PSR模型的评价结果与研究区的生态系统实际情况相符，民勤县绿洲—荒漠交错带生态系统健康综合指数处于较健康状态，健康状况不断上升。民勤县绿洲—荒漠交错带生态环境整体良好，同时为其他绿洲—荒漠交错带生态系统健康评价提供了参考依据。

生态系统评价; 绿洲—荒漠交错带; PSR; 健康状况; 民勤县

生态系统健康评价是20世纪80年代末期提出的，目前已成为生态学领域的研究热点之一[1-2]。健康的生态系统具有良好的恢复能力和自净能力，能够发挥正常的生态功能、景观功能和区域调节功能[3-4]；生态系统不健康就是生态系统出现疾病，即生态系统的组织受到损害或削弱[5]。绿洲—荒漠交错带是指贴近绿洲边缘的荒漠地段，受到一定程度人为作用过程的产物，发育在固定半固定风沙土壤的稀疏植被带，其植物种类少，结构简单，植物总覆盖率为10%～30%,地下水埋深2～7 m间的非线性生态过渡带[6-7]，属于一个相对独立的自然—社会—经济的复合生态系统[8]。近年由于受全球气候变化和区域沙漠化的影响，民勤县绿洲—荒漠交错带这一独立特殊地带的生态环境持续恶化，气候灾害频发，加之该区域土地资源质量差，在人为因素的剧烈扰动下，生态环境越来越脆弱，以避免民勤县成为第二个罗布泊为科学出发点，探讨民勤县绿洲—荒漠交错带生态安全问题显得尤为重要。

生态系统健康评价是衡量生态系统破碎稳定程度的有效方法[9-11]，为有效地恢复和保护民勤县绿洲—荒漠交错带的生态环境，需要多指标、多尺度以及定性描述和定量评价相结合的模式全面地评价它的生态系统健康状况。压力—状态—响应(PSR)模型是由互为因果关系的压力、状态和响应3部分组成的概念性框架，这种新颖的评估思路，表现出强大的应用生命力，目前已广泛运用于土地资源利用评价[12]、城市规划环境影响评价[13]、湿地生态系统健康评价[14-15]等领域。近年来，不少专家也开始尝试把PSR模型运用于生态系统健康评价之中[16-18]，其定性与定量相结合的因果评价模式更能说明区域实际情况。为此，本文在充分考虑民勤县绿洲—荒漠交错带的整体性、等级结构性、动态平衡性和时序性的情况下，以西北干旱区,同时是大面积压井灌溉区域，即石羊河流域重点治理的典型区域——民勤县绿洲—荒漠交错带为例，选取与区域结合紧密的指标[19]，如环境污染治理投资增长率、土地荒漠化率、水土流失率、灌溉指数等，运用信息熵值法确定相关指标的权重，并采用多因素综合评价法对该区生态系统健康进行评价，根据实际情况将结果分为5个等级，以期为绿洲—荒漠交错带环境保护决策的制定提供一定的科学依据，也可为整个河西走廊以及甘肃省其他绿洲—荒漠交错带的生态环境的评价和保护提供参考。

1　材料分析与方法

1.1研究区概况

民勤县位于101°49′41″—104°12′10″E，38°3′45″—39°27′37″N，在甘肃省西北部，河西走廊东北部，石羊河流域下游，东邻腾格里大沙漠，北接内蒙古巴丹吉林沙漠，西连祁连山，是黄土高原上的一片美丽的绿洲。全县最低海拔1 298 m，最高海拔1 936 m，平均海拔1 400 m。总土地面积15 907 km2，耕地面积6.37万hm2。境内沙漠戈壁和盐碱滩点占91%，农田绿洲占9%。

民勤县绿洲—荒漠交错带位于民勤绿洲及其周边巴丹吉林沙漠和腾格里沙漠之间，是阻挡巴丹吉林沙漠风沙入侵的天然屏障。民勤县属温带大陆性干旱气候区，大陆性沙漠气候特征十分明显，年均降水量110 mm，昼夜温差25.2℃，无霜期162 d，特别适宜农作物生长，尤其是瓜果类的糖份积累。粮食生产以优质小麦、玉米和啤酒大麦为主，年总产量1.5亿kg，是甘肃省重要的商品粮基地县。2012年，民勤的荒漠化面积已占土地面积的94%，荒漠边缘以每年3～4 m的速度向绿洲推进。

1.2数据来源

本文涉及的数据主要来源于《甘肃省统计年鉴(2003—2012年)》、《民勤县统计年鉴(2003—2012年)》、《民勤县社会经济统计资料(2003—2012年)》及石羊河流域生态数据。

1.3评价指标选取

根据指标选取的整体性、空间性、可比性、操作性等原则。综合国内外的研究成果[2-8]及实地考察，基于生态系统健康评价的特点，选取“压力”层指标，从当前的人口压力和农业经济、生产压力出发；“状态”层选取目前生态环境所处的状况；“响应”层指标是对土地资源利用和农业经济发展的回应(表1)。为了避免人为因素的影响，使指标权重确定更加具有科学性，采用客观赋权法中的信息熵值法来计算指标权重。

1.4标准化处理

为消除各指标在量纲、数量级上的差别需对原始数据进行标准化处理。本研究采用极差标准化处理，消除量纲差别，使得各指标值为0～1。极差标准化处理用以下公式：

(1)

式中：xij——指标原始值；rij——标准化后的某指标值；i——指标个数，相应取值为1～22；j——年份(2003—2012年)，取值范围为1～10；ximax——第i个指标最大值；ximin——第i个指标最小值。

为使指标权重更具科学性，避免人为因素的影响，本文采用客观赋权法中的熵值法来确定指标权重。

(1) 计算熵值。在有m个指标，n个被评价对像的评价问题中，将第i个指标的熵值定义为Ei，则熵值的计算[9]如下：

(2)

(3)

式中：k——待定常数，k=1/lnn；fij为第j个年份下第i个指标值的比重，当fij=0时，令fijlnfij=0。

(2) 计算指标的差异性系数。将第i个指标的差异性系数定义为ei，则差异性系数的计算：

ei=1-Ei(i=1,2,…,m)

(4)

(3) 确定指标权重。将第i个指标的权重定义为wi，则权重的计算：

(5)

表1PSR框架下生态系统健康评价指标体系

目标层准则层指标层(权重)指标说明生态系统健康评价压力(0.2567)人口密度(0.0565)人类干扰强度(0.0182)土地垦殖指数(0.0175)年均降水量(0.0565)农民人均纯收入(0.0482)农业生产压力(0.0598)人口数量/土地总面积(耕地+建设用地)/土地总面积耕地面积/土地总面积多年降雨量总和/年数农民总收入/农村总人口农作物播种面积/土地总面积状态(0.4486)人均耕地(0.0466)人均GDP(0.0499)人均牧畜占有量(0.0389)第三产业贡献率(0.0704)化肥投入比例(0.0593)环境污染治理投资增长率(0.0375)机械力投入比例(0.0496)灌溉指数(0.0524)土地荒漠化率(0.0440)耕地总面积/人口总数生产总值/GDP畜牧总量/总人口数(第三产业当年增量/国内生产总值当年增量)×100%化肥折纯使用量/耕地面积(当年环境污染治理投资/前一年环境污染治理投资)-1农业机械总动力/耕地面积有效灌溉面积/耕地面积旱涝保收面积/耕地面积响应(0.2947)退耕还林率(0.0519)土壤侵蚀强度(0.0509)农牧产值比重(0.0396)土地利用强度(0.0322)恩格尔系数(0.0386)水土流失程度(0.0495)土地集约利用水平(0.0320)(退耕还林面积/土地面积)×100%单位时间内被剥蚀并发生位移的土壤侵蚀量/单位土地面积农业产值比重/牧业产值比重土地投资强度/单位用地面积食品支出总额/个人消费支出总额水土流失面积/土地总面积固定资产投资/土地总面积

1.5综合评价

生态系统健康评价是一个衡量生态健康程度的指标，其数值为0～1。根据生态系统健康评价指标数据，各指标通过加权累加计算各评价单元的综合评价分值。本研究采用综合评价分值，把标准化后的值和指标权重带入综合评价模型，民勤县绿洲—荒漠交错带综合评价分值计算公式如下：

(6)

2　结果与分析

2.1压力指数、状态指数及响应指数变化

根据上述区域生态系统健康评价指标体系和综合评价模型，得出民勤县绿洲—荒漠交错带生态系统健康压力、状态、响应指数(图1)。

图1　民勤县绿洲-荒漠交错带生态系统健康评价结果

(1) 生态系统健康压力指数。生态系统健康压力指数反映的是理论生态系统承受力和实际生态系统承受力之间的比较，用来衡量研究区域的生态系统压力程度。由于生态系统是一个动态变化的过程，所以不同区域或不同时期的生态系统健康压力指数也会呈现不同动态变化趋势。

由图1得知，生态系统健康压力指数的变化趋势可以分为3个阶段。

第一阶段：递减阶段。生态压力健康指数从2003年0.158 5的下降到2006年的0.098 5，下降幅度达35.12%，年均下降幅度为15.04%。其下降的原因是：近几年人口波动大，特色农业的种植使土地垦殖指数逐年增大，加上近几年外出务工的冲击，使农民人均纯收入逐年增加，种植农业的农户压力越来越大。例如，土地垦殖指数在2003年是0.077，在2006年上升到了0.081，上升幅度达到5.19%。

第二阶段：上升阶段。2006—2009年生态系统健康压力指数从0.098 5上升到0.142 3，上升幅度达44.47%，年均上升幅度为11.12%。由于石羊河流域年降水量的匮乏和人类干扰指数的增加致使生态系统健康压力指数上升，如年降雨量基本上稳定在150 mm上下，使得荒漠化加剧。

第三阶段：波动阶段。生态系统健康压力指数从2009年的0.142 3下降到2010年的0.122 2，再上升到2011年的0.162 8，最后下降到2012年的0.114 4，呈现一年高一年低的波动。主要原因是近年人类干扰强度强，土地垦殖率高，年均降水量变化不大，农户收入上升，农业收入压力的增大，因此出现近年时好时坏的波动。

(2) 生态系统健康状态指数。它是指利用效率和相应产生的经济效益。从图1中可知，生态系统健康状态指数经历了2个发展阶段。

第一阶段：下降阶段。生态系统健康状态指数由2003年的0.263 1下降到2005年的0.223 7，下降了17.61%，年均下降5.87%。该阶段指数下降表明：人均耕地、人均畜牧占有量、第三产业贡献率和灌溉指数都有所下降，资源使用效率没有得到最大化的利用。例如，人均耕地、人均畜牧占有量、第三产业贡献率和灌溉指数分别从2003年的0.132 6人/km2，0.294 4，40.95%和0.752 0%，下降到2005年的0.13人/km2，0.289 3，40.71%和0.751 8%，分别下降了2%，1.77%，0.59%和0.000 9%。其原因主要是2003—2005年研究区域连续多天干旱少雨，荒漠化严重，灌溉水资源缺乏，影响了生态系统健康的稳定。生态系统健康状态指数由2008年的0.272 8下降到2012年的0.119 3，下降了128.78%，年均下降25.75%。例如，化肥投入量和机械投入比例从2008—2012年分别增加了15.14%和37.03%。

第二阶段：上升阶段。生态系统健康状态指数从2005年的0.223 7上升到2008年的0.272 8，上升了4.91%，年均上升1.23%。该阶段指数上升主要是因为农业生物技术、农业生产技术、抗自然灾害能力和农民素质的提高，保护环境的意识逐渐增强。主要表现在环境污染治理投资增长率、人均GDP的上升和土地荒漠化率的下降，其值分别由2005年的9.86 kg/hm2，7 488.19元/人和0.676 8%，上升到2008年的12.35 kg/hm2，9 409.59元/人和下降到0.665 1%；同时，近年国家加大西部农业基础设施投入和石羊河流域生态域的保护，加上防御自然灾害的能力增强，极大地提高了生态系统的健康状态。

(3) 生态系统健康响应指数。生态系统健康响应指数的变化分为两个阶段。

第一阶段：上升阶段。生态系统健康响应指数其值由2003年的0.176 8上升到2005年的0.193 2，上升了9.28%，年均上升3.09%。从2008年的0.167 9上升到2010年的0.183 5，上升了9.29%，年均上升3.097%。两个阶段响应指数的增大都是短暂性的，其主要原因是生态环境的恶化引起了国家的重视，但是治理的持续性不够。主要表现为土地集约利用水平、土地利用强度和退耕还林比例不断升高和水土流失率的降低，如2003年的0.034 0，7.32%和14.893 3%，上升到2005年的0.092 0，7.38%和14.993 4%，分别上升了170.58%，0.82%和0.67%。由此看出，农户生活水平的提升与生态系统健康响应呈正相关。农户生活越富裕，响应越积极，对压力的缓解帮助越大。

第二阶段：递减阶段。响应指数由2005年的0.193 2，下降到2008年的0.167 9，下降了15.07%，年均下降3.77%。从2010年的0.183 5下降到2012年的0.117 2，下降幅度56.57%。其原因主要是由于土壤侵蚀强度、农牧产值比重的增幅较大，严重损伤了刚建立起的生态平衡；加上农膜的扩大化使用，使生态系统健康压力进一步增大。

2.2生态系统健康评价综合分析

根据综合评价模型可以得出各年份的健康值(表2)，民勤县绿洲—荒漠交错带2003—2012年的生态系统健康评价的综合指数都在0.45以上，说明民勤县绿洲—荒漠交错带生态系统健康总体处于较健康状态。

民勤县绿洲—荒漠交错带生态系统健康的综合指数在2003年处于“较健康”状态，从2004年的0.613 1下降到2012年的0.312 2，生态系统健康有所恶化。根据生态系统健康分级判断标准，民勤县绿洲—荒漠交错带2004年处于“健康”状态，2005—2012年生态系统健康处于“较健康”状态。总体来看，民勤县绿洲—荒漠交错带生态系统健康处于“较健康”状态，这与民勤县近年来的实际生态环境是相吻合的。

2005年后健康状况较差，健康值下降较为明显，源于自然状态差，经济发展快，生态环境恶化。如民勤湖区已有3.33万hm2天然灌木林枯萎、死亡，有2万hm2农田弃耕，部分已风蚀为沙漠；2009年民勤县农业更是受到了几十年不遇的干旱；祁连山最近几年出现了严重的雪线上移、冰川退缩、草原退化等现象。近年民勤县绿洲—荒漠交错带综合生态安全评价值大多处于0.5以上，即处于较健康向健康转变。一方面，由于近10年来，随着退耕还林工程的实施不仅已使退耕区域土地利用发生了重大变化，同时也产生了明显的生态效应，使民勤县绿洲—荒漠交错带生态环境有所改善；另一方面，近几年武威市西营河水调到民勤县的石羊河，使下游的灌溉业得到了一定的发展，促进了农业的集约经营，对区域性的生态也有一定的促进作用。因此，民勤县绿洲—荒漠交错带总体处于较健康状态，想要恢复破坏后的生态环境需要付出巨大的资金代价和时间代价，同时警示人类在经济发展的同时要不以牺牲生态环境为代价。

表2民勤县绿洲—荒漠交错带生态系统健康状况等级判别

年份健康评价值健康状况指标特征20030.5983较健康生态结构完整,具有一定的系统活力,外界压力较大,系统尚稳定,但敏感性较强,自然恢复力一般,已有少量的生态异常出现,可发挥基本的生态功能,生态问题显现20040.6131健康生态结构比较合理,格局尚完善,受人类干扰较少,自然恢复力较强,无生态异常,生态功能较完善,系统尚稳定,绿洲—荒漠交错带适合人类生存200520062007200820092010201120120.52970.54320.55250.55200.55350.45500.45090.5122较健康生态结构完整,具有一定的系统活力,外界压力较大,系统尚稳定,但敏感性较强,自然恢复力一般,已有少量的生态异常出现,可发挥基本的生态功能,生态问题显现

3　讨论与结论

3.1讨 论

本文以西北干旱区典型区域民勤县绿洲—荒漠交错带为例，基于PSR模型，建立生态系统健康评价模型，运用熵值法、极差标准化法及多因素综合评价法来评价生态健康程度，发现民勤县绿洲—荒漠交错带生态系统健康状况逐渐变好。民勤县绿洲—荒漠交错带生态系统健康评价体系的构建、研究方法的选择，对研究绿洲—荒漠交错带生态系统健康评价具有重要意义，在一定程度上完善了国内该领域的研究体系。研究结论揭示了绿洲—荒漠交错带生态系统健康状况处于较安全状态，田青[21]、刘海娟[22]等的研究也证明了这一点，这为其他区域更加科学、合理地构建绿洲—荒漠交错带生态系统健康评价体系提供了重要的参考和经验。通过实证分析可知，近几年国家对石羊河流域和民勤县生态环境的治理，已经取得了显著的效果。因此，要进一步改善绿洲—荒漠交错带的生态环境，需要政府进一步加大生态补偿和保护机制。当然，由于PSR是一个以时间为轴的开放性螺旋形循环链关系，实践中生态系统健康评价是一个动态变化的过程[23]。未来要更多地对评价结果进行修正和调控，用更先进的研究模型进行系统分析，有待进一步的研究。

3.2结 论

(1) 民勤县绿洲—荒漠交错带由于其特殊的地理位置，在生态系统健康评价时方法的选择与评价指标的选取都应与其他区域生态评价有所不同。本文采用PSR模型，从人地关系的角度入手，将民勤县绿洲—荒漠交错带的生态状况当作一个由压力—状态—响应共同构成的综合系统，选取指标时考虑各个子系统间的相互作用和相互关系。民勤县绿洲—荒漠交错带生态系统健康呈现健康状态，与实际情况基本相符，也表明了选取PSR模型构建体系是可行的。民勤县绿洲—荒漠交错带生态系统健康评价研究表明：生态系统健康评价综合指数在10年中处于逐年提高趋势，处于较健康状态。

(2) 近10年来民勤县绿洲—荒漠交错带的生态系统健康状况不断提高，逐渐趋于健康状态发展，说明还要继续加强民勤县绿洲—荒漠交错带可持续发展建设。随着生态系统压力的增大，人们的响应不断增强，这就需要人们提高自身素质，参与到环境保护中；加强和引导产业的节能减排，实现经济增长与环境之间的脱钩；国家加大政策引导农户去保护环境；重视对沙漠化的治理，合理利用水资源，提高农民的外部性收益。

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[2]Rapport D J. Ecosystem Health[M]. Oxford: Blackwell Science,1998.

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Ecosystem Health Evaluation of Oasis-Desert Ecotone in Minqin County Based on PSR Model

DU Juan, CHEN Ying

(CollegeofResourcesandEnvironmentalSciences,GansuAgriculturalUniversity,Lanzhou730070,China)

Ecosystem health assessment is one of the hot issues on the ecosystem management and the macroscopic ecology research at present, as well as the key to the sustainable development of regional ecosystem. We took the oasis-desert ecotone of Minqin County as an example, built the ecosystem health evaluation system, and used the entropy value method, maximum difference dormalization method and multi-factor comprehensive evaluation method to evaluate the ecosystem health condition. The results showed that the evaluation results were consistent with the actual situation in the study area, and the comprehensive index of ecosystem health in the oasis-desert ecotone was in the state of health in Minqin County based on the PSR model, which is rising. The ecological environment of the oasis-desert ecotone in Minqin County is good on the whole; meanwhile, it provided the reference basis for the ecosystem health evaluation of the other oasis-desert ecotone.

ecosystem evaluation; oasis-desert ecotone; PSR; health status; Minqin County

2015-03-08

2015-03-23

国家自然科学基金“村民关联度与农地利用的关系研究”(71263003)

杜娟(1990—),女,甘肃天水人,硕士,研究方向为土地资源利用。E-mail:1536291198@qq.com

陈英(1969—),男,甘肃武威人,博士,副教授,主要从事土地资产研究。E-mail:cheny@gasu.edu.cn

X171

A

1005-3409(2016)01-0215-06