重要生态功能区生态退化诊断理论、思路与方法探析

田美荣,高吉喜①,邹长新,乔 青

(1.环境保护部南京环境科学研究所,江苏 南京 210042;2.北京市环境保护科学研究院,北京 100037)



重要生态功能区生态退化诊断理论、思路与方法探析

田美荣1,高吉喜1①,邹长新1,乔 青2

(1.环境保护部南京环境科学研究所,江苏 南京 210042;2.北京市环境保护科学研究院,北京 100037)

准确诊断区域生态系统退化程度并明确生态退化驱动要素是高效实施生态修复的前提和基础。基于生态退化诊断主要理论,指出生态退化是相对概念,确定生态退化诊断参照系与诊断指标是生态退化诊断的必要步骤。生态退化诊断参照系判别结果显示区域生态系统退化诊断不应关注某一特定历史状态,应更多着力于研究区域生态系统退化的时间动态与空间差异,从而保障诊断研究的客观性。在此基础上,为凸显重要生态功能区生态退化与生态功能的密切关系以及生态系统退化的综合性,从生态功能维护力、生态自我恢复力和生态压力3个方面提出了生态退化诊断思路和诊断流程,并构建了生态退化诊断指标体系。为体现生态退化诊断的综合性和层次性,将单项分析与综合分析相结合,构建生态退化程度综合指数进行综合诊断,为提高生态退化诊断的精确性提供了理论指导和技术支持。

生态退化;诊断;思路;方法;指标

生态退化是经济社会发展过程中必然存在的问题,20世纪30年代美国受“黑风暴”影响而加强了生态系统退化研究,并成立美国水土保持局(Soil Conservation Service,SCS)致力于生态环境改善。为改善生态退化问题,我国在2000年国务院印发的《全国生态环境保护纲要》、2005年《国务院关于落实科学发展观加强环境保护的决定》、《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020年)》和《国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要》等相关保护规划及中长期发展规划中均强调了重要生态功能区的生态恢复和重建。为遏制重要生态功能区生态退化,国家投入大量的人力、物力和财力实施退耕还林还草、京津风沙源治理、飞播或围栏封育等生态修复工程,取得了一定成效。但由于区域气候条件恶劣,各类生态建设工程修复难度较大,再加上树种选择及植被配置不合理、造林密度不适宜等原因,很多地区人工林草生态修复工程出现成片“小老树”现象,难以发挥其应有的生态功能。造成这一现象的主要原因是生态修复前期准备工作不充分,缺乏科学系统的生态退化诊断,因此保证生态退化诊断结果的科学性和可靠性成为生态修复关注的焦点。目前,对于生态退化诊断我国学者主要探讨从区域自然-人类复合生态系统[1]、生态景观等途径[2]以及生态结构和功能[3]等角度构建生态诊断指标体系及诊断方法。由于研究出发点不同,所构建诊断指标差异较大,存在评价指标较多且交叉、实验指标获取难度大、未与经济社会指标结合等问题,因此生态退化诊断思路与指标构建等需进一步规范,使其更好地指导实践。笔者从生态退化诊断理论出发,在比较分析生态退化诊断参照系的基础上,提出生态退化诊断思路与流程,依据诊断思路合理构建区域生态退化诊断指标体系,为提高生态退化诊断的精确性提供技术支撑,为生态修复策略制定和生态文明建设[4]奠定基础。

1 生态退化诊断理论与模型

1.1 自然生态系统演替理论

自然生态系统演替理论起源于1916年CLEMENTS[5]关于植物群落由原初定居者向顶极群落演替研究。1949年DYKSTERHUIS[6]根据草地群落放牧干扰下退化过程的逆行演替和停止放牧干扰后恢复过程的进展情况,提出了“单稳态模型”,该模型是草地在过度放牧干扰下发生的逆向演替模型。进入20世纪50年代,“草地逆行演替模型”在美国开发并被应用,成为美国草地管理的标准概念并一直使用到20世纪末。20世纪80年代,沼田真[7]提出演替度(degree of succession,DS)概念。演替度作为草地退化诊断的定量分析指标,其主要原理是筛选出物种优势度等指标来计算植被群落远离该植被顶级群落的相对程度。在我国从自然生态系统演替角度开展的生态退化诊断研究较多,主要通过群落种类构成[8]、演替度[9]、退化生态系统基本特征、群落恢复演替动力和恢复演替数学模型等方面开展[10-14]。

1.2 生态退化阈值理论

1996年HOBBS等[15]提出生态临界阈值论,该理论被认为与生态退化程度呈现重要的相关性。按照生态临界阈值,生态退化程度被划分为未退化、部分退化和高度退化等,至此生态退化阈值理论开始被广泛探讨。2001年HOBBS等[16]认为生态系统的退化存在2个阈限，分别是由生物因子的相互作用和非生物因子的限制作用控制的。

1.3 压力状态响应模型

压力状态响应理论最初应用在环境质量评价领域,是在1979年由David和Tony所提出。该理论模型思路是一个生态系统在外界压力下会呈现一定状态,生态系统自身也会对压力做出响应。由于该模型思路清晰,反映问题全面系统,因此被不断推广和应用[17],目前在生态退化诊断中也有较多学者采用这一模型。在具体生态退化诊断过程中,该模型按照压力状态响应分别筛选指标,并通过分级处理量化评估生态退化程度。该模型为生态系统退化评价提供了有效的指标分类方案。

1.4 排序模型

排序理论可揭示物种分布与不同生态退化或修复程度下生态环境的相关关系。排序理论模型是将样方或植物物种排列在一定空间内,并按生态系统变化梯度,分别安排物种生态排序序列,形成排序轴,进而明确植被与生态环境因子之间的生态关系。不同排序方法主要通过计算不同生态系统或群落的非相似矩阵系数来评价生态系统的退化程度或恢复程度[18]。我国学者通过筛选物种丰富度、高度和盖度等指标,作为排序模型的基础指标,分析植物物种多度分布和生物多样性指数等,在此基础上,采用组平均法等对物种进行排序,排序结果可反映各物种种群的退化等级和演替阶段[19]。目前排序理论未应用于区域整体生态退化诊断。

依据上述生态退化诊断理论与模型,可看出生态退化是相对概念,均需选取指示生态退化的指标,并对照一定的状态判别退化程度,因此生态退化诊断参照系选择与指标体系构建是科学进行生态退化诊断的必要步骤。

2 生态退化诊断参照系判别

生态退化是生态系统从健康稳定状态转变为退化不稳定状态,在生态系统组成、生态系统结构、物质和能量循环以及生物多样性等方面均会发生质变[2],主要表现为空间异质性低、生态功能减弱、抗干扰能力弱和生态承载力下降等,威胁生态安全。生态系统退化程度是对这一过程中某一阶段的生态要素和生态系统状态所做出的描述性概念[3],制定生态退化诊断参照系与诊断指标是判断生态退化等级的必要前提。

2.1 以未被干扰的原生态系统或顶级生态系统作为参照系

生态系统受到干扰而发生退化,过度干扰会使生态系统发生不可逆转的改变,生态退化诊断是将现状生态系统与该区域原生生态系统对比,判断其相对退化程度。由于干扰前原生生态系统未进行彻底调查,无法确定区域干扰前具体的状态,因此特定历史状态下的诊断参照系无法实现。有学者利用20世纪80年代初监测区遥感影像,将其植被特征与地表土壤状况作为未退化评判基准,与当前相同生态系统类型遥感数据进行对比分析。目前,区域尺度遥感评价大多依据这一标准,但其未考虑当时水热条件对植被群落的影响,因为水热条件具有时空波动性,导致植被时空格局存在差异,这种差异是生态系统弹性范围内随水热条件变化的正常波动,并不是由于生态系统退化造成,因此依据该标准进行退化程度诊断将使结果出现偏差。

2.2 以自然本底较好的生态系统作为参照系

选择具有相同水热条件的自然本底较好的自然保护区作为参照系。该方法有以下缺陷:一是只能诊断同一时期具有相同水热条件的研究区,应用范围窄;二是在不同时期,由于水热条件波动差异,导致自然保护区状态存在差异,无法判别自然保护区是否退化以及退化程度,因此参照系具有不确定性,无法判别生态系统退化程度以及退化趋势。

2.3 以气候潜在生态系统生产能力作为参照系

该方法在草地退化研究中应用较多,具体诊断流程是运用历年产草量监测数据与气候数据进行分析,采用统计方法构建基于最佳气候时段的产草量预测模型[20],利用气候模型预测的潜在产草量与实际产草量进行对比来判断草地退化程度。该方法存在2个问题:一是模型精度有待提高,由于模型参数选择影响模型预测精度,因此在实践中需根据实地调研、野外实验等方法获取高精度的模型参数,工作需要长期积累;二是产草量不能完全反映草地退化程度,因为草地退化导致杂草入侵,或其他退化草种繁殖,产草量可能不降反升。因此,气候模型需结合草地植被退化特征一起进行分析研究,使其更准确地反映生态退化实质。

2.4 以国家相关标准指标作为诊断参照系

GB 19377—2003《天然草地退化、沙化、盐渍化的分级指标》[21]规定了草地退化的定义、草地退化级别和相对较成熟的方法,被众多学者用作评定草地退化的参照依据,该分级指标可被认为是在空间上与监测点相同水热条件下的未退化草地的基准。由于仅颁布了天然草地退化标准,缺少森林、湿地等其他生态系统标准,因此该方法只适用于草地退化,应用范围较窄,不能应用到整个区域。

由此可见，区域生态系统退化诊断不应关注某一特定历史状态，不应人为判定某时某地生态系统退化与否[22],应更多着力于研究区域生态系统退化的时间动态与空间差异,从而保障研究的客观性。

3 生态退化诊断思路与诊断方法

3.1 生态退化诊断思路

生态退化诊断过程是一个综合性的评估,反映某一时间内生态系统退化空间分布格局。生态恢复最终的目标是为了生态系统功能的有效发挥[23],生态功能恢复强调退化系统整体功能的提升,这个系统既包括自然系统,也包括社会经济系统,因此生态退化诊断需要按照与生态功能提升有关的影响因素来构建指标进行分析。生态退化诊断内容包括自身生态服务功能维持力大小状况、生态系统面临的压力状况以及对抗压力的自我活力、组织力和恢复力状况。据此,生态退化诊断指数分为生态功能维护力指数(ecological function maintain index,EMI,IEM)、生态自我恢复力指数(ecological resilience index,ERI,IER)和生态压力指数(ecological pressure index,EPI,IEP)(图1)。

图1 生态退化诊断框架示意

IEM和IER反映了影响生态系统退化的外在自然因素和内在自身因素,如气候侵蚀力等外在自然因素干扰越小,植被盖度等内在自身因素越强,则防风固沙功能维护力将越大。IEP则反映了影响生态退化程度的人为因素。对IEM、IER和IEP进行综合评价,评价结果将更精确地反映研究区的生态退化程度。

IEM指生态系统能够维护其生态功能的程度。在自然未受干扰的状态下,生态系统具有较高的生态功能,能够提供最多的生态服务,确保生态系统的相对稳定状态。当外界对生态系统的干扰并未超过生态承载阈值时,生态系统依赖自我恢复力弥补受影响的生态功能,可再次恢复到稳定状态。但当外界干扰力较大且超过了生态自我恢复力承受范围时,生态系统将难以维持其生态平衡状态,生态功能维护力逐渐降低,导致严重的生态退化问题。IEM越小,生态退化程度越大。通过生态退化诊断可以明确可能发生的生态退化类型、潜在影响最大的生态功能类型、生态退化可能发生的地区和可能发生的程度,这是基于生态功能进行生态退化诊断的主要步骤。

IER指在外界压力下生态系统所具有的自我调节和自我恢复能力大小,判别其高低需评估生态系统的活力、组织力和恢复力。活力指在一定的气候和土壤条件下生态系统的最大生产力。组织力指生态系统结构和生产力结构维持稳定的能力。恢复力指在外界干扰情况下,生态系统保持自身结构和功能的抗压能力[24]。在一定气候条件下,生态自我恢复力越好,抵抗外来压力的潜力也越高。

IEP指生态系统受到外来干扰的程度或受胁迫程度,包括经济社会活动对区域生态环境结构和过程造成影响,进而导致生态系统功能降低和生态系统退化。外界压力可阻止生态系统顺应自然的正向演替过程。压力若在生态承载范围之内,生态系统可通过自身生态功能维持力及生态自我恢复力进行恢复;当外界压力无限增大,使生态系统难以承受时,生态系统向着健康状态相反方向发展,进而达到严重退化程度,此时需借助人工修复技术来减轻干扰。可见,生态系统的退化程度既取决于生态功能维护力和自我恢复力,也取决于外界压力。

3.2 生态退化诊断流程

生态退化诊断分析按照定性和定量相结合、自然演化系统和社会行为系统相结合的方法,开展生态退化机理研究[25],主要步骤包括研究区现状调查、构建评价指标体系、单项评价和综合评价(图2)。依据生态退化诊断目的和原则,从基于区域尺度的生态系统角度出发,建立具有区域特征的生态单项诊断和综合诊断,综合运用RS和GIS等技术手段,并运用层次分析法、专家咨询等方法进行指标量化处理和分级处理[26],利用加权求和方法分别进行单项评价和综合评价,计算生态退化程度指数(ecological degradation index,EDI,IED),完成生态系统退化诊断研究。

图2 生态退化诊断流程示意

3.3 诊断指标体系

依据综合性原则、主导因素原则、层次性原则、因地制宜原则和可操作性原则,构建诊断指标体系。诊断指标体系(图3)从生态功能维护能力、生态系统自身恢复能力、外界对其施加压力方面对区域生态退化进行综合诊断,诊断分析结果可为决策者和公众提供科学的生态修复依据。

生态功能维护力从生物多样性、防风固沙、水源涵养和土壤保持4大主要生态功能入手诊断。生物多样性功能的代表性指标是生物多样性指数,生物多样性指数越高,说明生物多样性维护力越强;防风固沙量表征防风固沙功能维护力大小,防风固沙量越大,防风固沙功能维护力越强;水源涵养量越大,水源涵养功能维护力越强;土壤侵蚀量越大,土壤保持功能维护力越弱。

生态自我恢复力从生态系统自身具有的特性出发,从生态系统的活力、组织力和恢复力3个角度构建自我恢复力评估指标。活力用来反映生态系统潜在的生产活力,区域活力高意味着具有较大的生产潜力,因此选用研究区生态系统净初级生产力作为评估指标;组织力强调生态系统的组织结构和完整性,植被覆盖度常被选作生态系统完整性指标[27],因此选用植被覆盖度对组织力进行诊断;恢复力选用土壤有机质含量作为评估指标,因为土壤有机质含量的高低是植被能否健康成长的前提。

图3 生态退化综合诊断指标体系

人类建设活动必将对生态系统产生干扰,干扰强度大小是造成生物多样性变化的根本原因之一[28]。随着干扰的加大,生态压力也将增加,加速了生态退化。按照压力类型分为人口压力、经济发展压力和资源压力:人口越密集，对自然生态造成压力越大,因此用人口密度指示人口压力大小;经济发展对生态环境造成的影响主要包括土地资源占用、污染物排放和水资源消耗,但单纯从生态系统本身而言,经济发展带来的建设占地增加直接导致自然生态系统面积减少,生态功能随之降低,夜间灯光指数可间接反映建设用地所占土地比例;资源压力是考虑到研究区耕地开垦和草原放牧对土地资源的压力,包括垦殖率和单位草场面积载畜量。

3.4 诊断方法

由于诊断指标体系具有层次性,笔者采用综合指数法进行诊断。综合诊断是在确定权重基础上对各指数进行全面诊断,进而对生态退化进行综合评价,即在得到IEM、IER和IEP这3个指数基础上构建IED：

(1)

式(1)中,Wi为指标权重;Bi为指标标准值,包括IEM、IER和IEP标准值;i为第i个指标;n为指标个数,该文中n=3。

Wi用来表示各指标要素在同一层次的相对重要程度。指标权重方法分为主观赋权法和客观赋权法,主观赋权法包括德尔菲法、层次分析法(AHP)[29]等,客观赋权法是根据原始数据运用统计学方法客观打分,如熵权法、因子分析法和均方差法等[30-32]。

由于生态退化诊断指标单位不一致,指标值大小范围差异较大,须采用指标标准化方法对指标值进行归一化计算[29],指标标准化方法主要有极差化标准法和专家赋值分级标准法2种[33]。

4 结论与讨论

生态退化是一个相对概念,自然生态系统演替理论、生态退化阈值理论、压力状态响应模型和排序模型给出了生态退化诊断最基本的思路,由诊断理论与模型可看出确定生态诊断指标与诊断参照系是进行生态退化诊断的必要步骤。考虑到目前研究中以未被干扰的原生态系统或顶级生态系统、自然本底较好的生态系统、气候潜在生态系统生产能力以及国家相关标准指标作为诊断参照系所存在的不足,指出区域生态系统退化诊断不应关注某一特定历史状态,应更多着力于研究区域生态系统退化的时间动态与空间差异。

由于生态退化诊断的目的是提高生态修复效率,为制定生态修复策略奠定基础,而生态恢复的最终目标是为了提高生态系统功能,因此生态退化诊断应突出生态功能诊断。同时导致生态退化的因素是一个综合因素,不应只依据植被状况来进行判断,需要从区域角度考虑自然生态系统自我恢复能力以及经济社会发展对其造成的压力。同时,区域尺度生态退化诊断技术随着RS、GIS和全球定位系统技术的不断发展乃至逐渐成熟,可实现对生态系统快速、高效的诊断评估。

生态退化诊断模型是针对整个重要生态功能区所构建的,在具体诊断过程中为凸显重要生态功能区中的主体生态功能,需提高该主体功能的权重。同时，任何诊断模型与方法均需要验证,笔者提出了具体的诊断思路、流程和方法,采用该方法理论所取得的生态退化诊断研究成果,需通过野外采样与实地调研对其加以验证。下一步研究中,将选取重要生态功能区典型区域进行生态退化诊断,并对结果进行验证,修正研究方法模型,形成生态退化诊断技术指南,并构建区域生态环境质量信息管理平台,实现自动监测与诊断,进一步提高生态退化诊断结果的可靠性以及实验数据的可获得性。

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(责任编辑： 李祥敏)

Theories, Ideas and Methods for Diagnosis of Ecological Degradation in Important Ecological Function Areas.

TIAN Mei-rong1, GAO Ji-xi1, ZOU Chang-xin1, QIAO Qing2

(1.Nanjing Institute of Environmental Sciences, Ministry of Environmental Protection, Nanjing 210042, China;2.Beijing Municipal Research Institute of Environmental Protection, Beijing 100037, China)

Precise diagnosis of degradation of a regional ecological system by degree with its driving factors specified is the precondition and basis for efficient implementation of ecological restoration. Based on the prevailing theories for diagnosis of ecological degradation, it has been pointed out that ecological degradation is a relative concept and that determination of a

ystem and an index system is an essential step for the diagnosis. The determination of a reference system for the diagnosis shows that for diagnosis of degradation of a regional ecosystem should not focus on just one specific historical status, but rather pay more attention to temporal dynamics and spatial variability of the degradation, so as, to ensure objectivity of the diagnosis. On such a basis, to highlight the close relationship between ecological degradation and ecological functions as well as the comprehensiveness of ecosystem degeneration in important ecological function areas, a train of thought and a flowchart for diagnosis of ecological degradation from the perspective of ecological maintaining ability, ecological self-restoration ability and ecological pressure have been brought forth, and an index system for the diagnosis has been set up. In order to embody the comprehensiveness and hierarchy of ecological degradation diagnosis, single factor analyses, including ecological function maintain index (EMI), ecological resilience index (ERI) and ecological pressure index (EPI), is combined with comprehensive analysis, and an integrated index for determining ecological degradation is set up for comprehensively diagnosis degree, which may provide some theoretical guidance and technical support for higher precision of the diagnosis of ecological degradation.

ecological degradation;diagnosis;idea;method;index

2015-12-24

环保公益性行业科研专项(201409055);北京市自然科学基金(8154046)

X24;X37;Q148

A

1673-4831(2016)05-0691-06

10.11934/j.issn.1673-4831.2016.05.001

田美荣(1981—),女,内蒙古鄂尔多斯人,副研究员,博士,主要从事区域生态保护与修复研究。E-mail: tmr@nies.org

① 通信作者E-mail: gaojx168@163.com