风蚀水蚀交错区生态经济耦合效应

于坤霞, 蒋凯鑫, 孙 倩, 李 鹏, 李占斌,3, 张 翔

(1.西安理工大学 省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室, 西安710048; 2.西安理工大学旱区生态水文与灾害防治国家林业局重点实验室, 西安 710048; 3.中国科学院 水利部 水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室, 陕西 杨凌 712100; 4.浐灞生态区管委会博士后工作站, 西安 710024)

社会经济发展的无限性和生态环境的有限性是客观存在的矛盾。随着社会经济的发展，生态方面的问题越来越突出，因此建立社会经济和生态环境之间有效的协调机制，是实现区域经济和生态环境良好耦合、经济可持续发展的基础[1]。

在国内最先对生态经济系统耦合进行研究的是任继周先生，在20世纪80年代末提出草地和农业生态系统的耦合问题，在20世纪90年代对系统耦合的生态与经济意义进行了进一步的系统研究[2]。吴长文和陈法扬论述了由于水土流失在我国造成的生态环境危害和对经济发展的限制,提出应以生态经济系统调控理论为基础进行系统性的研究[3]。徐勇提出了生态经济系统耦合理论和耦合机制，构建在系统耦合理论的基础上，以提高生态经济系统耦合的质量和运行的效率，从而实现了生态经济系统的可持续发展目标[4]。Grasso等构建了红树林与渔业生产之间的生态经济模型，主要采用的方法是动态优化模型以及模拟模型研究[5]。Dong等通过对数据耦合进行分析，建立了林业方面产业经济效益的评价指标体系，对森林生态学与林业产业这一关系进行了定量分析[6]。徐勇等以位于黄土丘陵区腹地的延安燕沟流域为例，基于坡改梯内生和外延效应的学术思路，定量评价分析了燕沟流域坡改梯的生态经济耦合效应[7]。

目前关于生态经济耦合关系的研究也多集中在流域尺度，对风蚀水蚀交错区退耕还林还草、坡改梯和淤地坝建设等综合土地利用变化的生态经济耦合效应研究较少。

府谷县处于风水复合动力侵蚀区，因风水复合区水土流失的特殊性和棘手性，生态环境特别脆弱，侵蚀的动因复杂，侵蚀量大，故该县积极响应退耕还林、坡改梯和淤地坝建设等政策举措。随着这些政策举措的实施，府谷县生态环境得到改善，且生态资源配置结构发生重要变化，但生态环境在恢复过程中面临着经济和粮食安全问题。基于此，从内生和外延两个方面定量对比分析退耕还林还草、坡改梯和淤地坝建设的生态经济耦合效应，建立生态与经济的良性耦合机制，为实现黄土高原生态经济协调与可持续发展提供一些科学依据[1,8]。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

府谷县位于陕西省最北边，处于北纬38°42′—39°35′和东经110°22′—111°14′，府谷县总面积为3 229 km2。2013年末府谷县总人口约为26.05万人，工业总产值693亿元。冬春季节，气候干燥且风沙较大，易发生风力侵蚀；夏秋季节，降水集中，易发生暴雨，且常伴有泥石流等自然灾害发生，以水力侵蚀为主。年均降水量为453.5 mm，年均气温为9.1℃[9]。

府谷县地处黄河中游，是全国138个水土流失重点县之一。全县水土流失面积3 200 km2，占总面积的99%，年均土壤侵蚀模数为2.47万t/km2，相当于每年表土层被剥蚀20 mm左右。年输沙量高达7 905万t，属强度水土流失区。

1.2 数据来源

文中涉及的种植作物及土壤侵蚀基本数据主要包括作物产量、土壤特性、土地类型、土壤侵蚀模数，其中作物和土地类型的数据来自于水土保持统计年鉴，土壤侵蚀模数根据RUSLE模型估算，农产品价格以2013年当地调查值为准。土地利用结构和景观指数分析依据2000年和2013年土地利用图。

1.3 研究方法

内生外延效应从内生和外延两个方面定量对比分析陕北风蚀水蚀交错区生态经济耦合效应，内生效应的定义是指通过内部生境的组合或调整而使得系统内部得到增益或损耗的一种现象。外延效应的定义是指通过内部生境的组合或调整，在保证系统内部维持稳定的情况下，还使得和之相关的系统得到增益或损耗的一种现象。内生效应主要通过生态经济耦合指数反映，外延效应主要通过土地利用结构的变化、林草覆盖率的变化以及景观格局指数的变化来进行分析。

对于本研究构建的生态经济耦合数学模型则是用生态经济耦合指数来表示的。在此把土壤侵蚀量与经济产出的比值称为生态经济耦合指数(Ecological Economy Coupling Index)[7]。换而言之，生态经济耦合指数是指单位经济产出耕地所要付出的土壤侵蚀代价。根据一些学者的建议，也可将生态经济耦合指数定义为每一单位的土壤侵蚀量所能带来的经济产出。实际上二者的表述是一样的，区别在于二者的值互为倒数。用EECI表示生态经济耦合指数；用Q表示土壤侵蚀量；E表示经济产出，对于同种质地的耕地，生态经济耦合指数采用以下表达式表示：

EECI=Q/E

(1)

对于不同质地耕地生态经济耦合指数的数学表达式如下所示：

No significant differences between serum level of TGF-β1, s-Fr, HA or MCP-1 depending on etiology, age,gender, endocrine insufficiency or Cambridge score in CP patients were found.

(2)

(3)

式中：Q为土壤侵蚀总量；E为经济产出总量；Ai为第i个地块的面积；Mi为第i个地块的土壤侵蚀模数；Pi为第i个地块的单位面积经济产出；i为同质性地块单元，i∈{1，2，…，n}；n为同质性地块单元总数。

为了分析不同质地耕地对于生态经济耦合指数的敏感性，引入敏感性指数(The coefficient of sensitivity,CS)这一指标来描述某质地耕地单位EECI变动引起的总EECI变动。

(4)

式中：CSi为敏感性指数；EECIa为初始生态经济耦合指数；EECIb为调整后生态经济耦合指数；EECIia为研究区第i种用地类型的初始生态经济耦合指数；EECIib为研究区第i种用地类型调整后的生态经济耦合指数。

分析外延效应时，为了定量表达一定时间范围内某种土地利用类型的数量变化情况，采用土地利用类型动态度[9]这一指标来描述土地使用频率的变动。公式具体如下所示：

(5)

式中：K表示研究时段内土地利用类型的变化率(%)；Ua，Ub表示研究初期和研究末期某土地利用类型的数量(km2)；T表示研究时段长度。

2 结果与分析

2.1 土地利用变化的内生效应分析

府谷县水浇地、坝地、坡耕地主要种植作物是玉米，梯田主要种植作物为苹果。府谷县坡耕地的土壤侵蚀量最大，用生态经济耦合指数对这4类地形进行生态经济耦合评价。具体计算结果见表1。

表1 府谷县生态经济耦合指数的计算

生态经济耦合指数敏感性分析见表2，由表2可知生态经济耦合指数对各土地类型的敏感性指数依次为梯田>坡耕地>坝地>水浇地。梯田和坡耕地敏感性指数显著高于坝地和水浇地，表明梯田和坡耕地的变化对生态经济耦合指数的影响大于坝地和水浇地的影响，因此建议在今后发展过程中应加大坡耕地向梯田的转换，来实现府谷县生态和经济更好的耦合。

表2 生态经济耦合指数敏感性分析

2.2 土地利用变化的外延效应分析

府谷县的外延效应主要从土地利用结构变化和景观指数的变化等方面进行反映。

2.2.1 土地利用结构变化 府谷县的外延效应主要表现在土地利用结构的变化、林草植被覆盖率提高等方面。府谷县2000年以及2013年的土地利用图如图1所示。

2000—2013年府谷县各种土地利用类型面积的变化见表3。土地利用格局变化显著，耕地面积、草地和水域面积减少，其中耕地以年均0.66%的速度减少了94.81 km2；林地、建设用地和未利用地呈增长态势；其中林地用地面积增加最多，共增加了55.99 km2，年均增长5.60%。

图1 2000年、2013年土地利用图

土地利用转移矩阵见表4。耕地和草地存在相互转化的关系，但耕地向草地转化面积较大，耕地和草地的相互转化使耕地的面积减少了52.18 km2。 林地增加的面积主要来自于耕地和草地，增加的面积分别为22.25 km2，41.30 km2。这主要与1999年提倡的退耕还林还草的政策有关，随着经济水平的发展，人们的生态环境意识增强，实现了真正意义上的退耕还林还草。

2.2.2 景观指数分析 景观指数的选取包括类型水平和景观水平上的指数[10-12]，本研究选取的类型水平指数有斑块所占景观面积的比例(PLAND)、斑块个数(NP)、斑块密度(PD)、最大斑块指数(LPI)、斑块形状指数(LSI)。景观水平上选取的指数为香农均匀度指数(SHEI)和多样性指数(SHDI)。

不同类型级别指数分析结果表明，斑块所占景观面积的比例(图2A)和最大斑块指数(图2B)最大的均是草地，说明府谷县主要由草地组成，草地是该地区的优势景观。斑块个数(图2C)、斑块密度指标值(图2D)和斑块形状指数(图2E)最大值均为耕地，说明耕地的破碎度最大，受人类活动干扰最大。府谷县2000年、2013年的景观水平指数对比分析显示(图2F)，多样性指数和均匀度指数从2000—2013年均是增加的，分别增加了0.116，0.065，多样性指数和香农均匀度指数的变化表明府谷县景观类型的丰富程度和均匀程度在上升。

图2 府谷县2000年和2013年景观指数对比

表3 2000-2013年府谷县土地利用变化

表4 2000-2013年府谷县土地利用转移矩阵km2

3 结 论

(1) 内生效应分析表明退耕还林还草、坡改梯和淤地坝建设等综合土地利用变化政策使位于风蚀水蚀交错区的府谷县从2000—2013年土壤侵蚀量明显减少，生态经济耦合指数从2000年的215.88 t/万元减少到2013年的130.59 t/万元，其中梯田和坡耕地的变化对生态经济耦合指数的影响显著大于水浇地和坝地的影响。

(2) 外延效应分析表明府谷县从2000—2013年实现了耕地向林地和草地的转化，且府谷县景观类型的丰富程度和均匀程度在上升。

(3) 退耕还林还草、坡改梯和淤地坝建设等政策的执行不仅让府谷县生态环境得到改善，还使其经济耦合内部呈现增益，在今后发展过程中应加大坡耕地向梯田的转换，以实现府谷县生态和经济更好的耦合。