趙玉婷,李文龍,陳 迪,余 翠,趙新來,許 靜,郭旭臨

(1.草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院，甘肅 蘭州 730020；2.蘭州財(cái)經(jīng)大學(xué)農(nóng)林經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，甘肅 蘭州 730020； 3.加拿大薩斯喀徹溫大學(xué)地理與規(guī)劃系，加拿大 薩斯卡通市 SK S7N 5C8)

高寒牧區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)健康動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)
——以甘南地區(qū)為例

趙玉婷1,李文龍1,陳 迪1,余 翠1,趙新來1,許 靜2,郭旭臨3

(1.草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院，甘肅 蘭州 730020；2.蘭州財(cái)經(jīng)大學(xué)農(nóng)林經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，甘肅 蘭州 730020； 3.加拿大薩斯喀徹溫大學(xué)地理與規(guī)劃系，加拿大 薩斯卡通市 SK S7N 5C8)

基于“壓力-狀態(tài)-響應(yīng)”(pressure-state-response，PSR)模型，從壓力、狀態(tài)、響應(yīng)3個(gè)層面選取17個(gè)指標(biāo)構(gòu)建了甘南州高寒牧區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)體系。采用AHP層次分析法，對(duì)甘南州2001-2013年草地生態(tài)系統(tǒng)健康進(jìn)行了動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)，并結(jié)合GIS/RS技術(shù)，分析了甘南州草地生態(tài)系統(tǒng)健康狀況空間變化特征。評(píng)價(jià)結(jié)果表明,1)草地生態(tài)系統(tǒng)健康等級(jí)為低健康水平、較低健康水平、中等健康水平、較高健康水平及高健康水平的區(qū)域分別占總面積的3.82%、23.5%、0.82%、53.06%及18.81%。卓尼、舟曲、迭部、瑪曲、碌曲草地生態(tài)系統(tǒng)為較高健康水平，合作、臨潭、夏河為較低健康水平。2)近13年來，甘南州高寒牧區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)健康負(fù)向變化趨勢(shì)明顯，占總面積的68.01%，27.75%的面積呈穩(wěn)定變化趨勢(shì)，呈正向變化的區(qū)域僅占總面積的4.18%。

高寒牧區(qū)；草地生態(tài)系統(tǒng)；健康評(píng)價(jià)；GIS/RS；PSR模型；AHP分析；

草地生態(tài)系統(tǒng)是我國(guó)陸地面積最大的生態(tài)系統(tǒng)類型之一[1]。草原地區(qū)大多是黃河、長(zhǎng)江等水系的源頭區(qū)和中上游區(qū)，是保護(hù)水源地的重要生態(tài)屏障[2]。草地生態(tài)系統(tǒng)儲(chǔ)存了陸地生態(tài)系統(tǒng)中約1/3的有機(jī)碳，并維持著近30%的凈初級(jí)生產(chǎn)力，具有多種生態(tài)服務(wù)功能[3-4]。但是人類長(zhǎng)期以來對(duì)草地資源不合理的利用，使其普遍存在超載過牧，濫開濫墾等現(xiàn)象，草地退化、草地沙化、草地鹽堿化現(xiàn)象日益加劇，直接影響到所處地區(qū)的社會(huì)發(fā)展和生態(tài)安全[5-6]。

草地生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)工作最早開展于美國(guó)，19世紀(jì)50年代Dyksterhuis[7]提出的草地基況分類法成為20世紀(jì)后半葉草地屬性評(píng)價(jià)的主要方法與標(biāo)準(zhǔn)。1994年，美國(guó)草地管理學(xué)會(huì)在其出版的《Rangeland Health》一書中指出草地土壤、系統(tǒng)內(nèi)營(yíng)養(yǎng)和能流是評(píng)價(jià)草地健康的重要指標(biāo)[8]。1999年，Costanza等[9]提出了生態(tài)系統(tǒng)功能的貨幣化評(píng)價(jià)方法，開拓了系統(tǒng)評(píng)價(jià)的思路。我國(guó)學(xué)者在草地生態(tài)健康方面做了大量工作，任繼周[10]定義了草地健康的含義，并提出草地健康的三閾劃分標(biāo)準(zhǔn)，作為評(píng)價(jià)草地健康與功能和諧的尺度。侯扶江等[11]采用基況(condition，C)、活力(vigor，V)、組織力(organization，O)、恢復(fù)力(resilience，R)模型對(duì)阿拉善草地生態(tài)系統(tǒng)健康狀況進(jìn)行研究。一些研究者采用活力(vigor，V)、組織力(organization，O)、恢復(fù)力(resilience，R)模型進(jìn)行草地生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)[12-14]。綜合而言，目前基于草地生物、生理、土壤等指標(biāo)的評(píng)價(jià)內(nèi)容較多，而基于社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展等指標(biāo)的評(píng)價(jià)內(nèi)容相對(duì)較少。本研究從自然-社會(huì)-經(jīng)濟(jì)方面考慮，增加了人口增長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、政策導(dǎo)向等因素評(píng)價(jià)甘南高寒牧區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)健康狀況，以期為甘南州草地資源管理提供決策依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

甘南藏族自治州位于青藏高原東北邊緣，甘肅省西南部，是甘、青、川三省交界處[15]。全州地勢(shì)呈西北高、東南低的態(tài)勢(shì)，境內(nèi)海拔1 100～4 800 m，地貌復(fù)雜多樣。該州屬典型的高原大陸性氣候，寒冷濕潤(rùn)，年平均溫度僅1～3 ℃，多年平均降水量400～800 mm，降水梯度變化較大[16-17]。全州草原面積260.25萬hm2，占全州總面積的67.64%，可利用草地面積249.50萬hm2，占草地總面積的95.86%[18]。根據(jù)1982年全國(guó)草地資源普查結(jié)果[19]，甘南州草地類型有高寒灌叢草甸、高寒草甸、溫性草甸草原、低地草甸、溫性草原、暖性草叢、沼澤[20-21]。甘南州作為甘肅省重要的畜牧業(yè)生產(chǎn)加工基地[22]，近年來經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，人口密度增大，2013年，甘南州生產(chǎn)總值達(dá)1 088 928萬元，比2001增長(zhǎng)了60.27%，總?cè)丝谶_(dá)74.57萬人，比2001年的總?cè)丝谠鲩L(zhǎng)了10.71%。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)獲取

遙感數(shù)據(jù)：遙感數(shù)據(jù)來源于NASA/MODIS(National Aeronautics and Space Administration/Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer,美國(guó)宇航局/中分辨率成像光譜儀)MOD13Q1和MOD12Q1產(chǎn)品[23]。MOD13Q1產(chǎn)品主要是利用綠色植被在不同波段的光譜反射特征來計(jì)算，空間分辨率為250 m×250 m，時(shí)間分辨率16 d，空間位置在全球正弦曲線投影SIN(sinusoidal projection)系統(tǒng)中的編號(hào)為h26v05，EOS-HDF(Earth Observing System-Hierachical Data Format)數(shù)據(jù)格式[18,23]。MOD12Q1產(chǎn)品包括16個(gè)數(shù)據(jù)集，其中包括IGBP(國(guó)際地圈生物圈計(jì)劃)、UMD(馬里蘭大學(xué)修訂版IGBP)、LAI/FPAR(葉面積指數(shù)/光合有效輻射)等5種土地分類數(shù)據(jù)集，本研究使用IGBP數(shù)據(jù)集為分類依據(jù)。

首先，使用MRT(Modis Reprojection Tools)軟件對(duì)MOD13Q1產(chǎn)品的EVI數(shù)據(jù)進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換以及格式轉(zhuǎn)化，投影轉(zhuǎn)為WGS_1984_UTM_Zone_48N，并將Hdf格式轉(zhuǎn)換為Geotif格式[18]，再以甘南州邊界矢量圖掩膜裁剪出甘南州增強(qiáng)型植被指數(shù)EVI，得到甘南州每年生長(zhǎng)季EVI數(shù)據(jù)共十幅影像。最后利用ArcGIS10.2.2對(duì)2001-2013年每年EVI求最大值作為當(dāng)年EVI數(shù)據(jù)。MOD12Q1產(chǎn)品中IGBP數(shù)據(jù)集使用MRT軟件進(jìn)行預(yù)處理，步驟與MOD13Q1相同，利用ArcGIS10.2.2統(tǒng)計(jì)出甘南各市(縣)的草地面積、林地面積和水域面積。

圖1 研究區(qū)地理概況Fig.1 Geographic profile of study area

其它圖件數(shù)據(jù)：甘南藏族自治州行政分區(qū)圖、甘南州高程數(shù)據(jù)、中國(guó)草地類型圖。

氣象數(shù)據(jù)：年均氣溫、年降水量。

社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)：源于2001-2013年《甘南統(tǒng)計(jì)年鑒》。

評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)類型較多，各數(shù)據(jù)數(shù)量級(jí)不完全相同，因此對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，使數(shù)量級(jí)不同的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可以比較的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)值域統(tǒng)一為0～1。

2.2 評(píng)價(jià)模型

壓力-狀態(tài)-響應(yīng)(press-state-response,PSR)模型是在20世紀(jì)90年代由聯(lián)合國(guó)OECD和UNEP提出的[24]，經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織(Organization for Economic Cooperation and Development，OECD)采用PSR模型用于環(huán)境報(bào)告，并對(duì)PSR模型用于環(huán)境評(píng)價(jià)進(jìn)行了適用性、有效性的驗(yàn)證評(píng)價(jià)[25]?；赑SR模型的生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)主要應(yīng)用于濕地生態(tài)系統(tǒng)、河口生態(tài)系統(tǒng)、河流流域生態(tài)系統(tǒng)及湖泊流域生態(tài)系統(tǒng)的健康評(píng)價(jià)研究中。比如研究者基于PSR模型對(duì)圖門江下游濕地生態(tài)系統(tǒng)健康進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)[26]，以及對(duì)獨(dú)流減河河口生態(tài)系統(tǒng)健康狀況和艾比湖流域生態(tài)系統(tǒng)健康做了評(píng)價(jià)研究[27-28]，隨著生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)研究的發(fā)展，PSR模型的評(píng)價(jià)對(duì)象不斷擴(kuò)增。

根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)選取應(yīng)遵循的主導(dǎo)性、系統(tǒng)性、可操作性、可比性和層次性原則[29]，以PSR模型概念為框架，結(jié)合甘南高寒牧區(qū)的實(shí)際情況并考慮到社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展因素，確定了從壓力、狀態(tài)、響應(yīng)3個(gè)方面篩選出的17項(xiàng)指標(biāo)，構(gòu)建了甘南高寒牧區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)體系(圖2)。

PSR模型下各準(zhǔn)則層指數(shù)計(jì)算公式為：

P=W1C1+W2C2+W3C3+……W8C8+W9C9；

S=W10C10+W11C11+W12C12+……W14C14；

R=W15C15+W16C16+W17C17.

式中:P代表壓力層綜合值，S代表狀態(tài)層綜合值，R代表響應(yīng)層綜合值，C1,…,C17代表評(píng)價(jià)指標(biāo)值，W1,…,W17代表各指標(biāo)值所對(duì)應(yīng)權(quán)重。

基于PSR模型的甘南州高寒牧區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)(HI)計(jì)算公式為：

圖2 甘南高寒牧區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)體系Fig.2 System for assessing alpine grassland ecosystem health in Gannan

2.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重確定

以AHP層次分析法[30]為指導(dǎo)，運(yùn)用PSR模型，將各要素層分為3個(gè)層次：目標(biāo)層(A)、準(zhǔn)則層(B)、指標(biāo)層(C)，并構(gòu)造各層判斷矩陣。表1為針對(duì)目標(biāo)各準(zhǔn)則層的判斷矩陣及其權(quán)重，表2、表3、表4分別壓力層、狀態(tài)層、響應(yīng)層的判斷矩陣及權(quán)重，且各層次判斷矩陣均通過了一致性檢驗(yàn)。

表1 準(zhǔn)則層指標(biāo)權(quán)重Table 1 Weighting distribution of assessment criteria

注：一致性檢驗(yàn)，λmax=3.024 6，CI=0.012 3，CR=0.021 2<0.1，符合一致性檢驗(yàn)。

Note: In checking for consistency,λmax=3.024 6,CI=0.012 3, andCR=0.021 2 < 0.1, which conforms as expected.

2.4 趨勢(shì)分析

為直觀反映2001-2013年甘南草地生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的變化趨勢(shì)，對(duì)研究區(qū)2001-2013年共13年的草地生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)進(jìn)行了slope趨勢(shì)分析[31]，分析公式如下：

3 評(píng)價(jià)結(jié)果

3.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重結(jié)果

各評(píng)價(jià)指標(biāo)綜合權(quán)重由各準(zhǔn)則層指標(biāo)權(quán)重與各指標(biāo)層權(quán)重結(jié)果相乘而得，各指標(biāo)層綜合權(quán)重表5。

表2 壓力層指標(biāo)權(quán)重Table 2 Weighting distribution of pressures

注：一致性檢驗(yàn)，λmax=5.194 4，CI=0.062 3，CR=0.042 9<0.1，符合一致性檢驗(yàn)。

Note: In checking for consistency,λmax=5.194 4,CI=0.062 3, andCR=0.042 9<0.1, which conforms as expected.

表3 狀態(tài)層指標(biāo)權(quán)重Table 3 Weighting distributions of state

注：一致性檢驗(yàn)，λmax=5.214 2，CI=0.053 5，CR=0.047 8<0.1，符合一致性檢驗(yàn)。

Note: In checking for consistency,λmax=5.214 2,CI=0.053 5, andCR=0.047 8<0.1, which conforms as expected.

表4 響應(yīng)層指標(biāo)權(quán)重Table 4 Weighting distribution of response

注：一致性檢驗(yàn)，λmax=3.009 2，CI=0.004 6，CR=0.007 9<0.1，符合一致性檢驗(yàn)。

Note: In checking for consistency,λmax=3.009 2,CI=0.004 6,CR=0.007 9<0.1, which conforms as expected.

3.2 高寒牧區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)變化特征

甘南州2001-2013年草地生態(tài)系統(tǒng)健康綜合指數(shù)值域?yàn)閇0.113 6，0.465 8]，其中瑪曲、碌曲、卓尼、迭部、舟曲生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)基本在0.3以上，合作、夏河、臨潭生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)基本在0.3以下。生態(tài)系統(tǒng)健康值最小出現(xiàn)在2002年合作地區(qū)，生態(tài)系統(tǒng)健康值最大出現(xiàn)在2005年迭部地區(qū)(圖3)。

3.3 高寒牧區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)健康等級(jí)變化特征及空間分布

以草地生態(tài)系統(tǒng)健康的定義為基礎(chǔ)，通過實(shí)地考察、借鑒相關(guān)研究成果[32-34]、咨詢專家等方法，結(jié)合甘南高寒牧區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)的具體情況，將草地生態(tài)系統(tǒng)健康狀況定義為5個(gè)等級(jí)(表6)。

根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)等級(jí)，利用ArcGIS10.2.2中的分類工具，繪制了2001-2013年甘南州高寒牧區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)健康等級(jí)狀況分布圖(圖4)。全州生態(tài)系統(tǒng)健康等級(jí)處于低健康水平與高健康水平之間。其中瑪曲、碌曲、卓尼、迭部、舟曲生態(tài)系統(tǒng)健康等級(jí)相對(duì)較高，合作、夏河、臨潭生態(tài)系統(tǒng)健康等級(jí)相對(duì)較低。為綜合反映2001-2013年甘南州高寒牧區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的空間分布特征，利用ArcGIS繪制甘南州高寒牧區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)健康平均狀況(圖5)。

依據(jù)甘南州高寒牧區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)健康分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)計(jì)出各縣市生態(tài)健康狀況分布情況(表7)。其中，合作、臨潭、夏河草地生態(tài)系統(tǒng)健康值較低，分別有99.62%、99.31%、99.28%的面積生態(tài)系統(tǒng)健康水平較低；卓尼、舟曲、迭部、瑪曲、碌曲草地生態(tài)系統(tǒng)健康值較高，分別有95.73%、99.98%、99.96%、99.58%和99.50%的面積處于較高健康水平以上。甘南各縣市草地生態(tài)系統(tǒng)健康水平由高到低依次為迭部縣、碌曲縣、瑪曲縣、舟曲縣、卓尼縣、夏河縣、臨潭縣和合作市。

根據(jù)slope分析及甘南州2001-2013年草地生態(tài)系統(tǒng)健康值數(shù)據(jù)，借助ArcGIS10.2.2統(tǒng)計(jì)出甘南州草地生態(tài)系統(tǒng)健康變化趨勢(shì)分布圖(圖6)。說明slope值域與草地生態(tài)系統(tǒng)健康狀況變化程度的對(duì)應(yīng)關(guān)系(表8)。

表5 甘南高寒牧區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重Table 5 Index of weighted health assessment criteria for alpine grassland ecosystem in Gannan

表6 甘南州高寒牧區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)分級(jí)Table 6 Classification of alpine grassland ecological health in Gannan

slope分析結(jié)果(圖5)表明,13年間，合作生態(tài)系統(tǒng)健康狀況有所改善，其中57.48%的面積呈正向變化狀態(tài)；臨潭、卓尼和舟曲生態(tài)系統(tǒng)健康狀況穩(wěn)定，分別有90.65%、95.46%、91.46%的面積呈穩(wěn)定狀態(tài)；迭部、瑪曲、碌曲、夏河的草地生態(tài)系統(tǒng)健康狀況呈負(fù)向變化的趨勢(shì)，其中迭部88%的區(qū)域面積呈負(fù)向變化趨勢(shì)，瑪曲88.32%的區(qū)域呈明顯的負(fù)向變化狀態(tài)，碌曲99.74%區(qū)域面積呈負(fù)向變化趨勢(shì)，夏河97.05%的區(qū)域面積呈明顯的負(fù)向變化趨勢(shì)。研究區(qū)各縣市草地生態(tài)系統(tǒng)健康狀況趨勢(shì)分析結(jié)果見表9。

4 討論

4.1 基于PSR模型的高寒草地生態(tài)健康評(píng)價(jià)

草地生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)合的生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，基于PSR模型評(píng)價(jià)體系將草地生態(tài)系統(tǒng)看作一個(gè)有機(jī)的整體，選取草地生態(tài)系統(tǒng)壓力、狀態(tài)、響應(yīng)3個(gè)方面的指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)草地生態(tài)系統(tǒng)健康狀況，避免了單因素評(píng)價(jià)草地生態(tài)系統(tǒng)健康的片面性[35]。其次，與典型的VOR模型和CVOR評(píng)價(jià)模型相比[36]，前兩者以生理指標(biāo)和生態(tài)指標(biāo)為主，而PSR模型加入了必要的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，使得評(píng)價(jià)指標(biāo)體系更趨實(shí)際[37]。

圖3 甘南州高寒牧區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)健康空間分布Fig.3 Spatial distribution of alpine grassland ecosystem health in Gannan

4.2 高寒草地生態(tài)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重分析

網(wǎng)格模型如圖2(a)和圖2(b)所示，外界壓力為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的大氣壓，圖示的氣壓入口可在Fluent中輸入相應(yīng)的氣壓參數(shù)，球狀可以以壁面(wall)處理。

1)準(zhǔn)則層和指標(biāo)層權(quán)重是根據(jù)專家打分構(gòu)造的判斷矩陣并結(jié)合AHP層次分析法計(jì)算得到的，按照權(quán)重系數(shù)大小，準(zhǔn)則層各因素的相對(duì)重要性排序?yàn)椋簤毫1(0.519 0)>響應(yīng)B3(0.303 5)>狀態(tài)B2(0.177 5)，其中壓力層權(quán)重大于0.5，在評(píng)價(jià)體系中權(quán)重尤為重要。

圖4 甘南州草地生態(tài)系統(tǒng)健康分級(jí)圖Fig. 4 Spatial distribution of mean health of alpine grassland ecosystem in Gannan from 2001-2013

圖5 2001-2013甘南州高寒牧區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)平均健康值空間分布Fig.5 Spatial distribution of alpine grassland ecosystem mean health in Gannan from 2001-2013表7 甘南州各縣(市)2001-2013年草地生態(tài)系統(tǒng)健康狀況分布情況Table 7 Distribution alpine grassland ecosystem health from 2001 to 2013 in counties of Gannan

健康水平Healthlevel合作Hezuo臨潭Lintan卓尼Zhuoni舟曲Zhouqu迭部Diebu瑪曲Maqu碌曲Luqu夏河Xiahe低健康水平Lowerhealthlevel99.61%96.14%0.11%---0.06%18.02%較低健康水平Lowhealthlevel0.01%3.17%----0.21%81.26%中等健康水平Mediumhealthlevel0.24%0.14%4.14%0.02%0.04%0.42%0.23%0.55%較高健康水平Highhealthlevel0.06%0.54%95.02%11.15%2.71%5.85%1.59%-高健康水平Higherhealthlevel0.08%-0.71%88.83%97.24%93.73%97.91%0.17%

注：-,表示缺省值。

Note: -,Represents the default value.

2)壓力層指標(biāo)中，放牧壓力C1(0.277 8)權(quán)重最大、其次依次是人口密度C2(0.187 1)、城市化率C4(0.141 7)、經(jīng)濟(jì)密度C3(0.131 0)，四者之和(0.737 6)大于0.5，即壓力層9個(gè)指標(biāo)中放牧壓力、人口密度、城市化率、經(jīng)濟(jì)密度為重要影響因素。響應(yīng)層指標(biāo)中，EVI植被指數(shù)C15(0.539 6)權(quán)重大于蔓延度指數(shù)C16(0.297 0)與年綠化面積C17(0.163 4)之和，即響應(yīng)層指標(biāo)中，EVI植被指數(shù)為最重要的影響因素。狀態(tài)層指標(biāo)中，年均氣溫C10(0.4215)和年均降水C11(0.2701)。人均草地面積C12(0.153 2)之和(0.844 8)大于0.5，即狀態(tài)層中年均氣溫、年均降水和人均草地面積3個(gè)因素較為重要。

圖6 甘南州2001-2013年草地生態(tài)系統(tǒng)健康變化趨勢(shì)Fig.6 Trend of Gannan alpine grassland ecosystem health change in 2001-2013表8 甘南州2001-2013年草地生態(tài)系統(tǒng)健康變化趨勢(shì)結(jié)果統(tǒng)計(jì)Table 8 Trend of Gannan alpine grassland ecosystem health change in 2001-2013

生態(tài)健康值變化趨勢(shì)Trendofecologicalhealthchange程度Degree面積Area/km2面積比Arearatio/%slope≤-0.003負(fù)向變化明顯obviouslynegativechange10013.16225.331-0.0030.003 正向變化明顯obviouslypositivechange0.4040.001

表9 甘南州各縣(市)2001-2013年草地生態(tài)系統(tǒng)健康狀況趨勢(shì)分析結(jié)果Table 9 Alpine ecosystem health trends in counties of Gannan from 2001 to 2013

注：-,表示缺省值。

Note: -,Represents the default value.

3)各指標(biāo)層相對(duì)于目標(biāo)層的權(quán)重是由準(zhǔn)則層權(quán)重與其隸屬的各指標(biāo)權(quán)重相乘得到的，可以通過該層指標(biāo)直接計(jì)算出所有指標(biāo)的相對(duì)重要性。按照權(quán)重大小各指標(biāo)權(quán)重排序?yàn)镋VI植被指數(shù)(0.163 8)>放牧壓力(0.144 2)>人口密度(0.097 1)>蔓延度指數(shù)(0.090 1)>年均氣溫(0.074 8)>城市化率(0.073 5)>經(jīng)濟(jì)密度(0.068 0)。這7項(xiàng)指標(biāo)之和(0.711 5)大于0.5，即這7項(xiàng)指標(biāo)是影響目標(biāo)層最重要的指標(biāo)。

4.3 高寒草地生態(tài)系統(tǒng)健康的評(píng)價(jià)分析

結(jié)合上述權(quán)重評(píng)價(jià)體系，對(duì)甘南州草地生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)進(jìn)行分析，合作市50%以上的區(qū)域EVI植被指數(shù)低于0.5，年均氣溫低于4 ℃，城市化率較高，由2001年的44%增長(zhǎng)到2013年的61%，經(jīng)濟(jì)密度由2001年的11.79萬元·km-2增長(zhǎng)到2013年的95.49萬元·km-2，家畜數(shù)量13年來增加了22萬頭，高壓力水平、低狀態(tài)水平和低響應(yīng)水平綜合導(dǎo)致合作市草地生態(tài)系統(tǒng)健康水平較高。臨潭縣60%以上的區(qū)域EVI植被指數(shù)低于0.5，年均氣溫低于5 ℃，經(jīng)濟(jì)密度由2001年的13.50萬元·km-2增長(zhǎng)到2013年的90.40萬元·km-2，人口密度13年大于96人·km-2，草地蔓延度指數(shù)相對(duì)較低，綜合導(dǎo)致臨潭縣草地生態(tài)系統(tǒng)健康水平較低。夏河縣50%以上的區(qū)域EVI植被指數(shù)低于0.5，植被指數(shù)較低，家畜頭數(shù)13年來均大于150萬頭，放牧壓力較大，年均氣溫在4 ℃左右，綜合評(píng)價(jià)結(jié)果導(dǎo)致夏河縣生態(tài)系統(tǒng)健康水平較低?，斍⒌?、碌曲、舟曲、卓尼五縣經(jīng)濟(jì)密度13年來均在40萬元·km-2以下水平，城市化率均低于30%；碌曲、瑪曲、卓尼草地蔓延度指數(shù)均在80%以上水平；瑪曲、舟曲、碌曲EVI植被指數(shù)較高，60%以上的區(qū)域植被指數(shù)大于0.6；瑪曲、碌曲、迭部縣年均氣溫高于8 ℃，舟曲縣處2003年外年均氣溫均高于13 ℃；綜合導(dǎo)致這五縣生態(tài)系統(tǒng)健康水平較高。

從甘南州草地生態(tài)系統(tǒng)健康13來的發(fā)展趨勢(shì)水平來看，全州健康狀況呈負(fù)向變化的面積較大，占總面積的68.01%。以草地生產(chǎn)力、草地蓋度為評(píng)價(jià)指標(biāo)的研究也證明甘南州草地生態(tài)系統(tǒng)健康狀況逐漸變差[38]；在研究甘南州生態(tài)安全與生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)耦合的研究中也指出甘南州草地生態(tài)系統(tǒng)健康呈下降趨勢(shì)[32]，這與本研究結(jié)果相同?，斍h、碌曲縣、迭部縣、夏河縣生態(tài)系統(tǒng)健康下降趨勢(shì)。瑪曲縣植被指數(shù)2001年有70%以上的面積在0.7以上，而在2013年有35%區(qū)域植被指數(shù)在0.6以下，瑪曲縣家畜數(shù)量由2001年的226萬羊單增加到2013年的367萬羊單位，經(jīng)濟(jì)密度由2001年的2.54萬元·km-2增加到2013年的13.34萬元·km-2，人口密度由3.8人·km-2增加到5.4人·km-2，瑪曲縣壓力指數(shù)顯著增加導(dǎo)致其草地生態(tài)系統(tǒng)健康趨勢(shì)下降。迭部縣植被指數(shù)在0.4以下的區(qū)域有所增加，植被指數(shù)有所降低，家畜放牧數(shù)量由34萬頭增加到69萬頭，放牧壓力明顯增加，經(jīng)濟(jì)密度由2.2萬元·km-2增加到17.5萬元·km-2，綜合導(dǎo)致迭部縣生態(tài)系統(tǒng)健康呈下降趨勢(shì)。碌曲植被指數(shù)在0.55以上的面積明顯減小，家畜數(shù)量增加了53萬頭，經(jīng)濟(jì)密度由1.8萬元·km-2增加到15.8萬元·km-2；夏河縣指數(shù)在0.5以上的面積明顯減小經(jīng)濟(jì)密度由3.2萬元·km-2增加到22.5萬元·km-2，碌曲、夏河壓力指數(shù)增加和響應(yīng)水平的下降導(dǎo)致其草地生態(tài)系統(tǒng)健康趨勢(shì)下降。

4.4 建議與措施

根據(jù)甘南高寒牧區(qū)草地生態(tài)健康評(píng)價(jià)結(jié)果，采取人為干預(yù)措施恢復(fù)和保護(hù)甘南高寒牧區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)已迫在眉睫。1)落實(shí)輪牧、封育等放牧制度，同時(shí)加速超載牲畜的出欄，降低放牧壓力。2)應(yīng)加大栽培草地的種植面積，并采取松土施肥、補(bǔ)播、引進(jìn)優(yōu)良草種等恢復(fù)措施改良草地。3)針對(duì)甘南高寒牧區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)健康值空間分布，根據(jù)不同級(jí)別的健康水平，當(dāng)?shù)卣畱?yīng)合理調(diào)配治理資金，采取不同的治理措施，達(dá)到最佳的生態(tài)健康改良效果。4)完善甘南州生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制，一方面保證生態(tài)補(bǔ)償均衡性，另一方面在重視生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的同時(shí)也要重視生態(tài)系統(tǒng)脆弱性。5)借鑒草地資源分類經(jīng)營(yíng)思想[39]，根據(jù)不同草地類型的現(xiàn)狀、功能主導(dǎo)和生態(tài)服務(wù)價(jià)值，將甘南高寒牧區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)劃分為不同的功能區(qū)，針對(duì)不同的功能區(qū)采用不同的專業(yè)化分類經(jīng)營(yíng)模式，達(dá)到生態(tài)效應(yīng)與經(jīng)濟(jì)效應(yīng)的平衡。6)引進(jìn)草業(yè)科學(xué)專業(yè)的高素質(zhì)人才，實(shí)行產(chǎn)學(xué)研結(jié)合模式攻關(guān)草地生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)與建設(shè)中的難題，并建立健全的技術(shù)推廣體系，對(duì)廣大牧民開展草業(yè)技術(shù)培訓(xùn)，由點(diǎn)到面地提高保護(hù)草地生態(tài)系統(tǒng)健康的水平。

5 結(jié)論

1)基于PSR模型加入了必要的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，使得評(píng)價(jià)指標(biāo)體系更趨實(shí)際，甘南高寒牧區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)結(jié)果與甘南州實(shí)際情況基本符合，說明該評(píng)價(jià)方法可行有效。

2)甘南州13年來，南部(瑪曲、碌曲、卓尼、迭部、舟曲)生態(tài)系統(tǒng)健康均呈現(xiàn)較高水平，北部(合作、夏河、臨潭)生態(tài)系統(tǒng)健康均呈現(xiàn)相對(duì)較低水平；13年來甘南州西部(夏河、碌曲、瑪曲)地區(qū)及迭部縣生態(tài)系統(tǒng)呈負(fù)向變化區(qū)域較大，東部(合作、臨潭、卓尼、舟曲)地區(qū)基本呈穩(wěn)定發(fā)展趨勢(shì)。

本研究定量化分析了甘南州高寒草地生態(tài)系統(tǒng)健康，為可持續(xù)有效利用高寒草地資源提供了有益的參考。

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(責(zé)任編輯 茍燕妮)

Dynamic assessment of alpine pasture grassland ecosystem health——A case study from the Gannan region

Zhao Yu-ting1, Li Wen-long1, Chen Di1, Yu Cui1, Zhao Xin-lai1, Xu Jing2, Guo Xu-lin3

(1.State Key Laboratory of Grassland Agro-ecosystems, College of Pastoral Agriculture Science and Technology, Lanzhou University, Lanzhou 730020, China;2.Economic Management College, Lanzhou University of Finance and Economics, Lanzhou 730020, China;3.Department of Geography and Planning University of Saskatchewan, Saskatoon SK S7N 5C8, Canada)

The “Pressure-State-Response” (PSR) model considers the 3 ecosystem aspects of pressure, state, and response. Seventeen indicators were chosen to build a PSR indicator system for the assessment of alpine grassland ecosystem health in Gannan. Using the application of Analytic Hierarchy Process (AHP) and GIS/RS, alpine grassland ecosystem health was assessed from 2001 to 2013. Meanwhile, the spatial and temporal variation characteristics of ecosystem health assessment were analyzed. We found that grassland ecosystem health level can be graded as one of the following levels of health: very low, low, medium, high, and very high, which respectively amount to 3.82%, 23.5%, 0.82%, 53.06%, and 18.81% of the total area. Grassland ecosystems of Zhuoni, Zhouqu, Diebu, Maqu, and Luqu were found to be very high in their level of health, while those of Hezuo, Lintan, and Xiahe were of low health. We also found that the Gannan alpine grassland ecosystem health showed an obviously declining trend over the past 13 years, with 68.01% of the total area deteriorating in health, 27.75% staying the same, and only 4.18% improving.

alpine; grassland ecosystem; health evaluation; GIS/RS; PSR model; AHP method

Li Wen-long E-mail:wllee@lzu.edu.cn

10.11829/j.issn.1001-0629.2016-0177

2016-04-07 接受日期：2016-07-13

國(guó)家自然科學(xué)基金(31170430、41471450)；國(guó)家社會(huì)科學(xué)基金(14CJY010)；草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(SKLGAE201406)；長(zhǎng)江學(xué)者和教育部創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃(IRT13019);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)(lzujbky-2016-br05)和中央高校自由探索優(yōu)秀研究生創(chuàng)新項(xiàng)目(2022016zr0185)

趙玉婷(1990-)，女，甘肅蘭州人，在讀碩士生，主要從事草地遙感與地理信息系統(tǒng)研究。E-mail:zhaoyt14@lzu.cn

李文龍(1977-)，男，甘肅蘭州人，教授，博士，主要從事環(huán)境生態(tài)安全、遙感與地理信息系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用方向的研究。 E-mail：wllee@lzu.edu.cn

S812.29

A

1001-0629(2017)1-0016-14*

趙玉婷,李文龍,陳迪,余翠,趙新來,許靜,郭旭臨.高寒牧區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)健康動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)——以甘南地區(qū)為例.草業(yè)科學(xué),2017,34(1)：16-29.

Zhao Y T,Li W L,Chen D,Yu C,Zhao X L,Xu J,Guo X L.Dynamic assessment of alpine pasture grassland ecosystem health——A case study from the Gannan region.Pratacultural Science，2017,34(1)：16-29.