宁夏沙坡头自然保护区生态系统健康评价

孟凡萍 黄银洲 王岳光

摘要沙坡头国家级自然保护区是我国荒漠自然保护区的重要示范点，其生态环境脆弱，土地利用相对复杂。以2005、2010和2013年土地利用变更数据和相关统计资料为主要数据源，利用生态绿当量、土地利用结构指数、生态系统价值，分别评价沙坡头自然保护区土地利用结构合理性、土地利用结构变化以及生态系统健康。结果表明，2005～2013年沙坡头自然保护区生态绿当量大于1，土地利用结构合理，立体绿化效果不断提升；多样性指数和均匀度指数不断增加，优势度指数不断减少，表明保护区土地利用趋于多样化和平均化，生态系统越来越稳定；沙坡头自然保护区的相对生态价值在研究时段有所提升，生态健康状况已转向健康型。

关键词沙坡头自然保护区；生态绿当量；土地利用结构；生态系统健康

中图分类号S759.9文献标识码A文章编号0517-6611（2015）31-268-04

Evaluation of the Ecosystem Health of the Ningxia Shapotou Nature Reserve

MENG Fanping， HUANG Yinzhou， WANG Yueguang

（College of Earth and Environmental Sciences， Lanzhou University， Lanzhou， Gansu 730000）

Abstract The Ningxia Shapotou Nature Reserve is typical in desert ecosystem. Its ecosystem is fragile and can be easily disturbed by human activities. Based on the land use data of Shapotou Nature Reserve in 2005， 2010 and 2013， ecological green equivalent， land use structure correlation index and relative ecological value were calculated in this paper to assess the rationality of land use structure， the change of land use structure and the regional ecological health. The results indicated that ecological green equivalent is above 1 from 2005 to 2013， the land use structure is reasonable， at same time stereoscopic green effect is increasing； during the period the diversity index and evenness index are increasing， the dominance index is decreasing， its meaning that the land use tends to diversity and average； the regional relative ecological value continuous increasing， the situation of regional ecological health has become better.

Key words Shapotou Nature Reserve； Ecological green equivalent； Land use structure； Ecosystem health

生態系统健康指在时间上具有维持其空间结构与生态过程、自我调节与更新能力和对胁迫的恢复能力，并能保障生态系统服务功能的持续、良好供给[1]。随着人们对生态环境的关注，生态系统健康的研究也越来越重视，众多的学者围绕生态系统开展研究。当前可将生态系统健康的研究分为3个阶段：思想萌芽、学科形成、评价实践[2]。生态系统健康研究在理论体系、评价指标等方面取得重要进展，但仍有不少的争议，如生态系统的概念存在怀疑，没有公认的生态系统健康标准，生态系统健康评价的应用尚存在问题[3]等。

土地资源是人类活动的载体，土地利用作为人类最基本的实践活动[4-6]，可以通过土地利用结构变化评估生态系统变化[7]。如程琳等[8]利用我国上海等9个超大城市的各土地利用类型面积，研究我国超大城市土地利用的变化及区域生态系统服务特征；刘春雨[9]等以民乐县为例，利用灰色预测法和平均增长率法，研究我国西北干旱区土地利用变化导致的生态服务价值变化；王成等[4]运用景观生态学原理与方法，以重庆市沙坝区为例，研究土地利用变化对区域生态健康的影响；陆丽珍等[10]以舟山岛17个乡镇为评价单元，构建“活力-组织结构-恢复力-生态系统服务”评价指标体系，并利用GIS和RS技术，研究1970～2005年土地利用格局对海岛生态系统健康的影响。

荒漠自然保护区是指以荒漠生物和非生物环境共同形成的荒漠生态系统为主要保护对象的自然保护区，因其脆弱性、不稳定性，被列为我国陆地优先保护的生态系统之一。随着社会经济的发展，人类活动对荒漠自然保护区土地利用的干扰越来越大，生态负载不断加重，影响生态系统的稳定和健康 [11]。沙坡头自然保护区是我国北方干旱、半干旱地区第一个荒漠生态类型的自然保护区，因治沙成果显著闻名世界。当前有关沙坡头自然保护区研究众多，如孙继周等[12]基于沙坡头自然保护区科学考察，研究该保护区植物群落的消长变化，最后提出可持续发展和保护的对策；刘遒发等[13]分别利用样线法、铗捕法，研究1986～1999年沙坡头自然保护区动物资源种类和数量的变化；张迎梅等[14]系统地整理了沙坡头自然保护区鸟类数量、种类等相关资料，并阐释鸟类在维持沙漠生态系统平衡中的作用；来婷婷等[15]基于RS、GIS技术及Fragstats软件系统，研究1990～2011年沙坡头自然保护区的景观变化。然而，目前系统评价沙坡头自然保护区土地利用结构合理性及生态系统健康状况的研究欠缺。笔者利用2005、2010和2013年沙坡头自然保护区土地利用结构数据，应用生态绿当量、土地利用结构相关指数、生态系统健康指标体系，定量评价了该自然保护区土地利用的合理性和生态系统健康状况，以期为该类型自然保护区土地资源合理利用与评价提供科学依据和政策支持。

1研究区概况

宁夏中卫沙坡头国家级自然保护区地处宁夏回族自治区中卫市城区西部腾格里沙漠东南缘，地势由西南部向东北倾斜，海拔高度1 300～1 500 m。属温带大陆性气候，年平均气温4.1 ℃，年均降水量约186.6 mm，年蒸发量约3 000 mm，是年平均降水量的16倍，干燥度2.4，风大沙多，常伴有沙尘暴[15]。

保护区总面积约140.44 km2，其中林地面积3 449 hm2，占24.56%；耕地面积1 391 hm2，占9.90%；水域面积1 130 hm2，占8.05%；建设用地面积447 hm2，占3.18%；园地面积196.19 hm2，占1.40%；草地面积77.67 hm2，占0.55%；其余为未利用土地。据统计，2011年保护区共有7 410人，人口密度约5.27人/km2[16]。

2研究方法

2.1数据来源

研究所用的土地利用数据主要来源于遥感解译。其中，遥感影响数据的时间跨度为2005～2013年，共3个时间段，各时段的遥感数据分别为美国地质调查局（USGS）提供的轨道号（Path/Row）为130/34的2景Landsat5 TM（2005年4月5日、2010年9月10日）L1T级遥感影像及1景Landsat8 OLI（2013年7月16日）L1T级遥感影像，所选影像云量分别是0%、0%、18.83%。将土地利用数据扫描输入计算机，进行投影处理，在ArcGIS环境下生成研究区矢量边界图层，并对3期遥感影像进行裁剪，得出2005、2010、2013年各土地利用类型面积。

2.2评价方法

2.2.1生态绿当量计算。

当前定量评价土地利用结构合理性的方法有多目标规划方法结合灰色关联技术[17]、基于熵权法改进传统TOPSIS方法[18]、以模糊模式识别理论为基础的模糊综合评判法[19]等。因生态系统的健康、稳定与生态价值密切相关，主要研究土地利用类型与生态系统健康的关系，所以选择基于土地利用生态服务价值的生态绿当量研究土地利用结构的合理性。

绿当量是其他绿色植被的绿量相对于等量森林面积绿量的比率，它是衡量单位面积森林和其他绿色植被生态环境功能强弱的量化值[20]。狭义上指补偿某单位污染物所需要的绿量；广义是指最低满足全部绿地功能所需要的最大绿当量[21]。当前生态绿当量计算有两种方法，一是刘艳芳等[20]提出的最佳森林覆盖率，二是孙建卫等[22]提出的基于生态绿当量的林地覆盖率。基于沙坡头自然保护区的气候、土壤等特征，采用孙建卫等提出的基于生态绿当量的林地覆盖率计算绿当量，计算公式为：

x=x林+ni=1（Si×giS林×100%）

gi=FiF林×Gi

式中，x为区域总生态绿当量；x林为实际林地的生态绿当量，是区域实际森林面积与基于生态绿当量的林地面积的比值；S林为基于生态绿当量的林地面积，即除耕地、建设用地、水域和难以利用土地之外的总面积；Si为i类用地面积；gi为i类生态系统的平均绿当量；

Fi为第i类地表绿色覆被生态系统的服务总分值；F林为林地生态系统的生态服务总分值，参照日本学者通过调查法得出的生态系统各种环境保护功能进行评价[23]；Gi为区域内其他绿色植物的生长期系数，因研究区位于我国西北地区，所以生长期系数取0.46。

若x≥1，表明土地利用结构满足生态要求，区域土地利用结构合理；若x<1，表明区域当前土地利用结构不足以满足生态要求，需调整土地利用结构。

绿色容积率（GPR）是指一个地块面积与所有植物的单面叶面积总和之比[21]，简称绿容率。基于绿当量，利用GPR可以进一步衡量绿地的立体绿化效果，反映生物生产力和生态服务功能大小。模型如下：

GPR=G总/S总

式中，G总为区域的总绿量，根据不同植被类型的绿色容积率得出（草地、花园或小灌木、农田作物、以乔木为主的高密度植物群落、湿地的绿色容积率分别为1、3、4、6、6）；S总为区域总面积。

2.2.2土地利用结构分析。

采用景观生态学中有关结构数量分析的方法[24]，对研究区土地利用结构变化进行定量分析。

景观多样性指数的大小反映了景观要素的多少和各景观要素所占比例的变化[25]。

多样性常通过吉布斯-马丁多样化指数（GM）和景观类型多样性指数（H）反映，具体计算公式为：

GM=1-nj=1X2ij/（nj=1Xij）2

Hi=-nj=1pijlnpij

式中，Xij为第i年第j种土地利用类型面积；pij为第i年第j种土地利用类型面积比例。

景观类型多样性指数反映在土地利用图上是单位面积内信息量的大小，即地图上信息容量的大小[26]。

土地利用集中性主要反映研究区内土地利用类型面积分布的集聚程度及主要土地利用类型对整个研究区的控制程度[27]，揭示研究区各类土地利用所处的区域优势状况[28]，常用优势度指数、均匀度指数来测定。

优势度指数（D）用于测定景观多样性对最大多样性的偏离程度，或描述景观由少数几个主要景观类型控制的程度[25]；均匀度指数（E）描述景观中不同景观类型的分配均勻程度[25]，计算公式分别为：

Di=Hmax+mj=1pijlnpij

Ei=Hi/Hmax×100%

Hmax=lnm

式中，Hmax为最大多样性指数；m为给定区域景观类型的数量；pij为第i年第j种土地利用类型面积比例；

Hi为景观多样性指数。

2.2.3生态系统的健康状况判定。

如果该生态系统提供服务的价值量不随时间的推移而减少，则通常认为该生态系统处于比较理想的健康状态[29]。生态价值模型如下：

V=mi=1Pi×EVimf

式中，V是区域的生态价值；m是土地利用类型数量；Pi为第i类土地利用类型的面积占土地总面积的百分比；EVi为第i类土地利用类型的相对生态价值，以Costanza等[30]测算的全球不同生态系统类型服务价值的平均值间的比例关系为基础，参照区域土地利用類型的相对生态价值和不同土地利用方式产生价值，确定不同土地利用类型的相对生态价值（EVi）：耕地0.31、林地1、园地0.975、水域0.623、建设用地0.015、草地0.352 6、未利用土地0.035；f为权数。

安徽农业科学2015年

3结果与分析

3.1生态绿当量由表1可知，2005～2013年沙坡头自然保护区生态绿当量x≥1，达到合理绿地覆盖率要求，保护区土地利用结构满足生态发展要求。2010年比2005年的绿当量增加了11.18%；2013年比2005年的绿当量增加了910%，比2010年减少了190%。总体上看，2005～2013年绿当量呈不断增加趋势。原因是2010年林地、耕地、水面、园地的面积均大于2005年，特别是林地、耕地、水面三者绿当量之和比2005年增加了0154，虽草地面积减少135.95 hm2，但草地的绿当量只减少0023；2013年林地面积比2010年增加636.27 hm2，绿当量增加0.012，但耕地、水面面积减少，导致这两者的绿当量减少，虽然园地面积比2010年增加了11.89 hm2，但合理绿地面积增加，最终也导致园地的绿当量减少。从保护区具有绿当量的土地利用类型来看，2005～2013年只有草地面积和对应的绿当量减少，林地、耕地、水面、园地面积和各对应的绿当量增加，所以研究期间总绿当量增加。这是因为沙坡头自然保护区管理局积极致力于沙坡头荒漠化治理，造林面积不断扩大，林木覆盖率逐渐增加，发展水面养殖，沙区治理面积逐年增加，土地荒漠化治理程度不断提高，使沙坡头自然保护区的生态环境得到一定程度的改善，促进保护区土地利用结构不断优化。

沙坡头自然保护区绿容率从2005年的1.308增至2013年的2.400，增长了83.49%，主要是因为保护区的总面积没有变化，但未利用土地逐渐转化为林地、耕地，此外水面面积不断增加。绿容率数值较小，没有超过3，表面上看保护区主要以草坪和小灌木为主，实际是因为保护区是以没有绿色容积率的未利用土地为主。这说明虽然保护区未利用土地占主导地位，但保护区生物生产力和生态服务功能仍逐渐提升。

3.2土地利用结构

由图1可知，表征沙坡头自然保护区土地利用类型分配多样性的多样化指数（GM）、多样性指数（H）以及表征土地利用结构均匀度的均匀度指数（E）均呈上升趋势，分别从2005年的0.43、0.41、0.48升至2013年的065、0.57、0.68；而表征几种最主要土地利用类型对沙坡头自然保护区土地利用控制程度的优势度指数（D）却呈减少趋势，从2005年的0.44降至2013年的0.27。说明自2005年以来沙坡头自然保护区各土地利用类型的面积分配更趋于平均化和多样化。这主要与沙坡头自然保护区的经济发展有关，经济发展水平越高的地区，土地利用越均匀多样；经济水平越落后的地区，土地利用越集中。沙坡头几年来经济发展水平不断提高，尤其是沙坡头旅游区知名度越来越高，景区面积不断扩大，保护区的旅游收入不断增加，所以土地利用结构不断趋于多样化和平均化。在区域土地利用结构合理的情况下，土地利用的多样性指数越大，则生态系统越稳定[1，10]，根据生态绿当量的计算结果可知，沙坡头自然保护区土地利用结构自2005年以来是合理的，所以2005年之后该荒漠生态系统越来越稳定。

3.3生态系统健康由表2可知，2005～2013年林地生态子系统的生态价值增加最大，其次是水面和耕地；未利用土地和草地的生态价值减少。主要因为沙坡头自然保护区管理局近年来注重荒漠化防治，这期间大量开展生态基地、生态园林等生态建设。与此同时，注重开挖荒地合理扩大耕地面积，使未利用土地面积不断减少，生态型用地不断增加，区域的生态环境得到改善，生态价值越来越高。

2005～2010年生态价值增加最大的是林地，其次是耕地和水面；园地面积增加了79.3 hm2，建设用地增加64.42 hm2，增加面积相差不大，但园地的相对生态价值远高于建设用地，所以园地的生态价值增加高于建设用地；未利用土地和草地的面积减少，所以导致其相对生态价值减少。2010～2013年生态价值变化最大的仍是林地，但耕地和未利用土地生态价值减少，草地生态价值没有变化。环保试验基地外扩增加了园地面积，所以园地的生态价值提高。同时保护区为进一步促进经济发展，加强基础设施建设，不断扩大沙坡头景区面积，使建设用地增加面积高于园地增加面积，但因相对生态价值较小，所以建设用地的生态价值增加低于园地。

从总体上看，沙坡头自然保护区生态健康状况为健康型。2005～2013年，区域生态价值不断上升。2005～2010年区域生态价值年均增加26.01%，2010～2013区域生态价值年均增加率为24.71%，2005～2013年，区域生态价值年平均增加25.52%。这表明区域土地利用变化带来较好的生态效益，土地利用整体生态效益持续提高，尽管草地面积不断减少，但在土地利用过程中，充分考虑了土地利用的生态、社会、经济效益，并没有忽视生态建设，区域生态系统已由较健康型转向健康型。

4结论

（1）利用生态绿当量，综合考虑沙坡头自然保护区具有生态服务的土地利用类型、面积、结构和质量等因素，发现2005～2013年沙坡头自然保护区生态绿当量都超过1，说明土地利用结构满足保护区生态发展要求。同时，绿容率不断增加，表明保护区立体的绿化效果和生态服务功能不断提升。

（2）通过多样性和集中性描述沙坡头自然保护区土地利用结构的动态变化程度，结果显示2005～2013年保护区多样性指数、多样化指数、均匀度指数均增加，优势度指数降低，说明沙坡头自然保护区土地利用类型分配趋于多样化和平均化，该荒漠生态系统的复杂性和稳定性有所增强。

（3）2013年沙坡头自然保护区的生态价值为5.15，比2005年增加了2.04，其中林地的增加最大，水面和耕地次之。2005～2013年沙坡头自然保护区土地利用生态价值总体上呈快速增长态势。该保护区生态价值并没有随着时间的变化而减少，沙坡头自然保护区荒漠生态系统已越来越健康。参考文献

[1] RAPPORT D J.What constitutes ecosystem health？ [J].Perspectives in biology and medicine，1989，33：120-132.

[2]侯扶江，徐磊.生态系统健康的研究历史与现状[J].草业学报，2009，18（6）：210-216.

[3] 马克明，孔红梅，关文彬，等.生态系统健康评价：方法与方向[J].生态学报，2001，21（12）：2112-2113.

[4]王成，魏朝富，高明.土地利用结构變化对区域生态健康的影响：以重庆市沙坪坝区为例[J].应用生态学报，2005，16（12）：2296-2298.

[5] JANSEN L J M，GREGORIO A D.Parametric land cover and land use classifications as tools for environmental change detection [J].Agriculture ecosystems &environment，2002，91：89-100.

[6] SEMWAL R L，NAUTIYAL S，SEN K K，et al.Patterns and ecological implications of agricultural landuse changes：A case study from central Himalaya，India[J].Agricultural ecosystem & environment，2004，102：81-92.

[7] ONEIL R V，HUNSAKER C T，JONES K B，et al.Monitoring environmental quality at the landscape scale[J].Bop Science，1997，47（8）：513-519.

[8] 程琳，李锋，邓华锋.中国超大城市土地利用状况及其生态系统服务动态演变[J].生态学报，2011，31（20）：6194-6202.

[9] 刘春雨，董晓峰，刘英英.西北干旱区土地利用结构变化及生态服务价值的响应：以民乐县为例[J].兰州大学学报（自然科学版），2013，49（5）：675-687.

[10] 陆丽珍，詹远增，叶艳妹，等.基于土地利用空间格局的区域生态系统健康评价：以舟山岛为例[J].生态学报，2010，30（1）：245-251.

[11] 李锋，王如松.城市绿地系统的生态服务功能评价、规划与预测研究[J].生态学报，2003，23（9）：1930-1934.

[12] 孙继周，吴洪斌，刘荣国，等.沙坡头自然保护区植物群落的消长变化及可持续发展研究[J].西北植物学报，2003，23（4）：544-549.

[13] 刘遒发，黄族豪，吴洪斌，等.宁夏沙坡头国家级自然保护区动物资源的消长[J].生物多样性，2002，10（2）：156-162.

[14] 张迎梅，王香亭.宁夏沙坡头自然保护区鸟类区系与沙漠治理[J].兰州大学学报（自然科学版），1990，26（3）：88-98.

[15] 来婷婷，王乃昂，高翔，等.1990-2011年沙坡头自然保护区景观变化[J].干旱区地理，2014，37（1）：115-124.

[16] 华东师范大学河口海岸学国家重点实验室，宁夏中卫沙坡头国家级自然保护区管理局.气候变化对宁夏沙坡头国家级自然保护区生物多样性影响评估与对策（一期）[R].宁夏中卫沙坡头国家级自然保护区管理局，2014：22.

[17] 刘耀彬，刘卫东，谭术魁.城乡土地利用结构合理性评判研究：以舟山市定海区为例[J].人文地理，2008（3）：46.

[18] 熊琛，李名勇.福建省土地利用结构合理性动态分析[J].亚热带水土保持，2010，22（3）：6-7.

[19] 武建军，杨思全.基于模糊模式识别理论的土地利用合理性分析[J].地理科学进展，2002，21（3）：230.

[20] 刘艳芳，明冬萍，杨建宇.基于生态绿当量的土地利用结构优化[J].武汉大学学报（信息科学版），2002，27（5）：493-500.

[21] 赵丹，李锋，王如松.基于生态绿当量的城市土地利用结构优化：以宁国市为例[J].生态学报，2011，31（20）：6243-6246.

[22] 孙建卫，黄贤金.基于生态绿当量的江苏省土地利用现状研究[M]//刘彦随，胡宝清，杨子生.中国土地资源战略与区域协调发展研究.北京：气象出版社，2006：60-63.

[23] 毛文永.生态环境影响评价概论（修订版）[M].北京：中国环境科学出版社，2007：67-69，123-124.

[24] 唐礼俊.佘山风景区景观空间格局分析及其规划初探[J].地理学报，1998，53（5）：429-437.

[25] 贾生元.生态影响评价理论与技术[M].北京：中国环境出版社，2013：124-125.

[26] 李杰.土地利用图的评价方法[J].宁夏大学学报（自然科学版），1996，17（2）：65.

[27] 陈士银，刘耀林，周飞.湛江市土地利用结构及生态服务价值研究[J].地理与地理信息科学，2007，23（3）：83-85.

[28] 周生路，黄劲松.东南沿海低山丘陵区土地利用结构的地域分异研究：以温州市为例[J].土壤学报，2003，40（1）：38，43.

[29] RAPPORT D J，WHITEFORD W G.How ecosystems respond to stress：Common properties of arid and aquatic system[J].Biosicence，1989，49：193-203.

[30] COSTANZA R，DARGE R，DE GROOT R，et al.The value of the worlds ecosystem services and nature[J].Nature，1997，387：253-260.