基于适应性视角的稻作梯田生态系统演变特征研究——以紫鹊界梯田为例

周松秀

(衡阳师范学院 城市与旅游学院，湖南 衡阳 421002)

全球变化下的适应性已成为气候变化与区域响应研究的热点。政府间气候变化专业委员会(IPCC，Intergovernmental Panel on Climate Change)自1990年发布的第一份评估报告以来，历次评估报告都把增强生态系统对气候变化的适应性、维系粮食生产和经济系统可持续发展作为气候变化公约目标。本世纪以来，我国学者对人-地系统属性的研究包括脆弱性、敏感性、弹性、适应性、暴露和易损性等方面，这些属性互相影响和关联，或具有因果关系[1-2]，其中，适应性研究是这些属性的研究重点。刘颖慧[3]等在区域生态系统过程功能和结构对全球变化响应和适应性等方面取得了系列原创性的研究成果，引领了生态系统适应性研究的框架和研究手段。吴丽丽[4]等从敏感区定性划分、区域脆弱性的定量分析、粮食作物的脆弱性分析等3方面探讨了我国1990~2010年农业生产对气候变化的脆弱和适应对策的研究进展并进行展望。王志强[5]等以北方农牧交错带雨养农业的大同县作为研究区，对农业旱灾适应性进行定量研究。王褀[6]等从压力子系统和承载力子系统2个方面，揭示了农牧交错带的鄂尔多斯市乌审旗生态承载力动态变化。陈佳[7]等提出了基于风险扰动的适应性分析框架，采用风险-适应能力指数评估方法分析了榆林市水土流失风险以及人地系统适应能力时空演化特征。作者团队长期以来从事南方丘陵区农业生态环境脆弱性和农业生态系统适应性研究，并取得了系列成果[8-10]。综观农业生态系统适应性的研究成果，专家学者对农业生产核心区和粮食主产区的适应性研究成果丰富。农业文化遗产是农耕智慧的结晶，是区域可持续发展之本。2002年，联合国粮农组织秉承世界粮食安全和农业可持续发展目标，启动了“全球重要农业文化遗产动态保护与适应性管理”项目(Globally Important Agricultural Heritage Systems，简称GIAHS)。各国高度重视，通过调研论证，建立全球重要农业文化遗产名录并在世界范围内予以认可与保护。专家学者就其独特的农业景观、生物多样性、农业文化民俗传承等开展研究[11-15]。基于梯田农业文化遗产传承的视角，紫鹊界梯田区引起了众多学者的关注[16-17]。农业文化遗产的濒危性特点反映了适应性正在发生演变。本文基于适应性视角，对紫鹊界梯田农业文化遗产地生态系统演变特征进行研究，以期为稻作梯田生态环境保护研究提供借鉴，为区域社会经济可持续发展和农业文化遗产保护传承提供依据。

1 研究区概况

紫鹊界梯田主要位于湖南省新化县西南部的水车镇境内，属于雪峰山中部的奉家山体系[18]，低山丘陵地貌，海拔400~1 236 m，梯田坡度约25°~50°[19]，位于110°52'E~111°01'E，27°40'N~27°45'N[20]，面积约为5 300 hm2。梯田约10万余丘[17]，500多级，单丘面积在0.066 hm2以下，集中分布在楼下、白水、龙普、石丰、金龙、正龙、金竹、白源、长石、锡溪、老庄、龙湘、直乐、奉家等14个村，集中连片面积为1274 hm2。紫鹊界梯田区属亚热带季风气候，年平均气温13.7℃，年降水量1 650~1 700 mm。无霜期260天，日照时数1 488 h［18］。土壤为花岗岩风化形成的红壤，土层厚度100 cm以上，持水性强；砂土质地[21]，给水性能强。森林覆盖率60%以上[22]。梯田区上方茂密的森林及林下深厚土层储水，形成巨大的地下储水库。梯田区地面无塘无库，无人工水利设施，依靠独特的地下天然自流灌溉系统，形成了具有2 000多年历史的梯田农业文化遗产[23]。紫鹊界梯田2013年5月成为中国首批19个重要农业文化遗产之一，2014年9月被授牌列入首批世界灌溉工程遗产名录，2016年7月国家农业部将“湖南新化紫鹊界梯田”“福建尤溪联合梯田”“江西崇义客家梯田”和“广西龙脊梯田农业系统”组成的“中国南方稻作梯田系统”项目推荐评选全球重要农业文化遗产，正式申请全球重要农业文化遗产[15]。2018年4月紫鹊界梯田获批全球重要农业文化遗产。随着紫鹊界梯田农业文化遗产景观关注度的提高，旅游业快速发展，农家乐大量涌现。农家乐的水塔、水窖、水池等大量拦截自流泉水[24]，灌溉水源减少。2015年末水车镇核心景区的14个村中，梯田旱化面积达100 hm2以上，抛荒和旱化面积近1/10，从山下至山上梯田退化程度加重[25]。

2 紫鹊界梯田生态系统适应性量化

为了客观反映紫鹊界梯田生态环境保护的迫切程度，本研究拟采用适应性进行表达。根据IPCC[26]给出的适应性的定义和专家学者[3-7]的研究成果，笔者认为梯田生态系统适应性是梯田在全球气候变化背景下，自然环境、社会因素和经济因素相互耦合，系统所表现出来的保持原有属性，提升和发展系统性能的能力，包括吸收有利因素提升系统的学习能力，以及忍受和消化不利因素提高系统阈值的能力。

影响紫鹊界梯田生态系统适应性的因素较多，各因素相互耦合，驱动机制复杂。基于系统理论，影响梯田生态系统适应性因素包括自然因素、社会因素和经济因素。量化梯田生态系统适应性，需要构建指标体系，利用评价模型，计算适应能力指数。

2.1 指标体系的构建

量化指标体系需从自然环境、社会环境和经济环境构成的环境系统中选择具有典型性、代表性、普适性、驱动性或限制性的评价指标，构建指标体系。本文拟从3个方面选择16个基础指标构建评价指标体系。

2.1.1 自然环境因素

①地质、地貌、土壤、水文因素

自然环境包括地质、地貌、土壤、水文、气候、植被等。紫鹊界梯田不在地壳活动带上，地质、地貌条件在小时间尺度内变化很小，因而地质、地貌条件变化产生的扰动较小。在25°-50°的丘陵坡地上，形成了千年梯田，这与这里的花岗岩结构及其水理特性密切相关。21世纪以来，梯田系统在气候变化和人类活动的强烈干预下，水土流失问题凸显，致使土地生产力和产量下降，生态功能退化。因而把水土流失面积作为评价指标。其指标性质为负相指标，即水土流失面积越大，生态系统适应性越低。

②气候、植被因素

气候是自然环境中最活跃的因素，对农业生态系统影响极大，因而其宏观和微观指标都必须予以考虑。年平均降水量、年平均气温和相对湿度等属于宏观气候指标，决定农业生产类型和种植制度。对于亚热带山地农业生态系统而言，暖湿多雨更有利于梯田农业经济发展，因而作为正向指标列入指标体系。无霜期、∑≥10℃活动积温等指标属于微观气候指标，对于狭生态幅生物来说，直接影响其生长、产量和品质。其值越大，狭生态幅生物的最适范围越大，适应能力越高，属于正向指标。T≥37℃高温天数是微观气候指标，发生在伏旱时期，高于37℃的气温超过了农作物生长繁育最适范围，甚至超过作物耐受范围的阈值，导致农业生产力下降，作物减产或绝收，农产品品质下降。天数越多，诱发旱灾的风险越大，对作物的危害越大，属于负相指标。植被覆盖是紫鹊界梯田生态系统形成和发展的基础。紫鹊界梯田区60%的森林覆盖率与厚达100cm的深厚土层环境共同形成了自流灌溉系统。森林的涵养水源、保持水土、调节局地气候等功能可提高生态系统的适应性，森林覆盖率属于正向指标。

2.1.2 社会因素

自然因素可理解为生态环境的本底条件，社会因素是生态系统演变的重要驱动因素[8]。随着我国快速城镇化，农业劳动力资源出现老弱化[27]。劳动力资源流失与紫鹊界梯田的撂荒和旱化密切相关，致使生态系统适应性降低，因而把劳动力资源作为正向指标列入评价指标体系。耕地面积、水稻面积占比(水稻播种面积/粮食播种面积)反映了紫鹊界梯田稻作农业活态传承特点，前者体现农业生产规模，后者表达稻作农业的延续性和弹性，二者都是表达适应性的重要正向指标。农村农业补助属于国家政策对农业发展的扶持，水车镇的农村农业补助多用于水浚维护、田埂修筑等基础设施的建设，以保证农业生产的基础条件，属于正向指标。

2.1.3 经济因素

经济因素是影响农业生态系统适应性的又一类重要因素。紫鹊界梯田区传统稻作农业产品品质优良，但是经济比较效益低，杂交稻等非本土物种的种植及农药化肥的使用，短时期的经济效益得到提高，但是农业生态系统适应性发生改变。本文把农药使用量，化肥施用量、农民年均纯收入列入评价指标体系。把农药使用量、含N化施使用量、含P化肥施用量作为负相指标列入指标体系。农民年均纯收入反映农民富裕程度。农民年均纯收入属于正向指标列入评价指标体系。本研究构建的指标体系见表1。基础指标数据直接获得或通过简单计算所得。

2.2 研究对象和研究时域

本研究以紫鹊界梯田集中连片的新化县西部水车镇的楼下、白水、龙普、石丰、金龙、老庄、龙湘、正龙、金竹、白源、柳双、长石、石禾和直乐等14个村为研究对象。研究时段是2008-2017年共10年。尽管时间尺度较小，但是这10年紫鹊界梯田生态环境在水田旱化、水源减少、水土流失等方面问题突出，其生态环境保护及其农业文化遗产保护和传承受到广泛关注，而且这个时段的自然条件数据和社会经济数据资料有一些专门的采集和整理机构，资料数据具有相对完整性和可获得性。

表1 紫鹊界梯田生态系统适应性评价指标体系Tab.1 Twenty-two evaluation indexes of agricultural ecosystem adaptability

2.3 量化方法与步骤

本研究采用主成分分析法确定指标权重，累计求和各指标适应能力数值可得相应年份的适应能力值。主成分分析法是一种客观确定指标权重的方法，能避免主观随意性。主成分分析通过降维去相关提取主成分，把众多评价指标用少数几个综合因子(主成分)来表达。数据处理和计算利用Matlab7.0进行。具体步骤：①负向指标处理。评价指标有正向和负向2类，将负向指标原始数据取倒数使其正向化。②数据标准化。采用标准差标准化对评价指标原始数据(负向指标取其倒数)进行无量纲化处理。③主成分解释。计算相关系数矩阵、特征根、主成分贡献率、累计贡献率以及主成分载荷矩阵，根据特征根大于1、累计贡献率大于85%的原则，确定主成分个数。④计算主成分权重。计算每个主成分占累计贡献率的比重，即主成分权重。⑤计算评价指标权重。根据主成分载荷矩阵每个指标的载荷值和主成分权重，计算各评价指标权重。⑥计算指标适应能力数值。评价指标的标准化数值与其权重相乘，即为各指标适应能力数值。⑦计算适应能力指数。指标适应能力数值累计求和，即得适应能力指数。具体计算模型见参考文献[9]。

2.4 计算结果

2.4.1 主成分特征值和贡献率

利用Matlab7.0对样本进行分析，提取主成分和各主成分载荷值，主成分个数为5个。本文把这5个主成分记为Z1、Z2、Z3、Z4、Z5(表2)(表3)。

表2 特征值及主成分贡献率Tab.2 The eigenvalues and the contribution rate of principal component.

表3 主成分载荷矩阵Tab.3 Loadings matr ix in principal component

2.4.2 评价指标权重和适应能力指数

评价指标的权重由各主成分贡献率和各指标在主成分上的载荷值决定，具体计算方法见参考文献[9]。从计算结果看，各评价指标的权重差异较大(表1第6列)。适应能力指数按照公式(1)进行计算[9-10]，计算结果见表4。

式(1)中：ACIi为第i年的农业生态系统适应能力指数；Wj为第i年第j个评价指标的权重；X*ij为第i年第j个评价指标的标准化数值。

由于评价指标体系的差异性及各指标权重赋值方法不尽相同，目前适应能力的分级尚无统一标准。分级的基本思路是对研究对象的适应能力在既定的时空中的相对大小进行区分或分段。参照以往的关于适应能力等级的研究成果[10]和紫鹊界近10年适应能力指数的变化特点(图1)，采用自然断点分级法(Jenks)进行分类，即以2013年适应能力指数在坐标轴附近为断点，之前年份的适应能力值都集中在第4象限，之后年份的适应能力指数则集中在第一象限，且各段的波动都较小，因而把研究时域的适应能力等级划分为3级:低适应能力、中适应能力和高适应能力(表4)。

表4 各年份农业生态系统适应能力指数及级别Tab.4 Adaptability degree of 10 years

3 紫鹊界梯田生态系统适应性演变特征

由表4和图1可知，紫鹊界梯田生态系统适应能力在研究时域内具有显著的阶段性演变规律，以2013年作为断点，分成3个阶段，从第1阶段到第3阶段体现为跳跃式上升的特点。

图1 2008-2017年适应能力演变Fig.1 The evolution of agriculture ecosystem adaptability from2008-2017

3.1 困低状适态应，能传力统小物幅种波多动样上性升减阶少段：梯?田区处于贫

研究时域内2008-2012年为低适应能力阶段，年际变化小，呈小幅波动上升趋势。这与当地的自然、社会、经济因素密切相关。从主成分分析可以看出，第1主成分贡献率超过48%，表明适应能力演变的关键综合因子是第1主成分，即Z1是第1驱动力，可概括为低收入阶段的农业掠夺式发展方式，对适应性演变起决定性作用。第1主成分载荷量大于0.8的因子有8个，分别是森林覆盖率、农民年均纯收入、农药使用量、水土流失面积、相对湿度、化肥施用量和农村农业补贴。本阶段适应能力低与农民处于贫困状态及农业掠夺式发展方式致使传统物种多样性减少密切相关。从实地走访和水车镇农业站获得的资料数据显示，2008-2012年水车镇农民收入构成主要为种植、养殖和外出务工收入，农民年均纯收入在1 915~2 678元之间，种植业以粮食作物为主，兼顾发展农业特产，来自梯田种养业的收入占农民收入的1/3，农业经济结构不合理。同时，研究区基础设施薄弱，交通不便，邮政、通讯覆盖率低，科技和资金投入不足。新化县是湖南省的贫困县，而水车镇又是新化县的贫困镇，经济收入来源较为单一且传统农业收入低。(资料数据来自于2016年1月、2016年3月、2018年2月和2018年4月先后4次对水车镇进行走访和实地考查，以及水车镇农业站)。作者对农业生产内容调研发现，上世纪80年代以前，当地梯田区主要种植传统水稻、玉米、红薯等粮食作物，本土传统水稻品种达20种以上。由于传统水稻种植的比较效益低，加之旅游业的发展，2008年以来，紫鹊界梯田种植的传统水稻品种不足10种，小麦基本消失，玉米种植面积增大。水稻种植业中，杂交水稻种植面积占90%，10%的梯田种植糯稻、黑米、红米等传统稻种，且传统稻种主要分布于核心景区用于景区观赏。红冬粘、白米冬粘、红毛粘、扫帚糯、梨子糯、香糯等品种大多种植在海拔800 m以上的高寒山区，耐寒抗病性强。杂交水稻广泛取代品种多样的本土特色稻种，尽管能提高单产和短期经济效益，但是紫鹊界梯田区稻作物种的多样性遭到严重破坏，一些承载着农业文化遗产基因的传统水稻品种逐渐消失，影响农业生态系统的适应性。这个阶段，农民为了提高粮食单产，农药化肥的普遍使用并取代传统绿肥，土壤结构遭到破坏，面源污染加剧，农业生态系统的适应能力较低。

3.2 中适应能力断点阶段：环境风险受到关注，多因子耦合下的生态响应滞后性显著

中适应能力阶段为研究时域的过渡期，是适应能力指数变化断点所对应的时间2013年。本阶段的适应能力是第1驱动力(第1主成分)和第2驱动力(第2主成分气候变化干预)耦合形成，即极端高温天气事件影响下的农业掠夺式开发方式受到关注并通过梯田修复的方式力图矫正。适应能力在前阶段基础上稳定提高，适应性增强趋势明显。随着本世纪初紫鹊界梯田独特的农业生态景观和农业文化遗产被关注，经济活跃度和知名度得到提高，2008-2012年的某些环境掠夺式经济发展方式引起了当地政府和专家学者的重视，相关职能部门采取措施，力图矫正。政府部门、旅游公司和当地居民共同参与紫鹊界梯田区生态环境的保护。当地政府十分重视紫鹊界梯田遗产的保护，投入了大量资金进行梯田修复和田埂修筑。这些社会、经济行为有利于紫鹊界梯田区农业生态环境的改善和农业生态系统适应性的提高。由于生态系统适应性对社会、经济投入响应具有滞后性，适应能力提高还需要对有利因子的学习和消化后才能显著体现。此外，第2驱动力气候干预此时会与第1驱动力社会经济条件改善相互耦合影响适应性。2013年7月1日至8月15日，受副热带高压控制，梯田区连续日最高气温≥35℃日数达36天，为有记载以来的极大值。这种高温少雨的极端气象事件增大了干旱和梯田旱化的风险。因而本阶段农业生态系统适应能力有所提高但幅度不大。

3.3 高适应能力稳定上升阶段：梯田生态系统绿色发展显著，农业扶持效果明显

研究时域内2014-2017年为高适应能力阶段，本阶段相对于前6年，适应能力发生了飞跃式的提升。高适应能力阶段内适应能力年际波动较小，呈稳健上升趋势。基于自流灌溉水源的紫鹊界梯田独特的农业遗存，森林覆被起关键作用。紫鹊界梯田区森林覆盖率高，原生植被在几次“大办”运动中被严重损毁，代之以次生林和人工林，主要建群树种的林冠层植被有松、杉、樟、枫、竹、油茶和油桐等，中层植被为各种灌木，底层是以蕨类为主的草本植物，生物多样性丰富。紫鹊界梯田传统农耕文化中森林是其核心要素之一，森林保护已成传统，历年森林覆盖率均在50%以上。加之申遗的宣传和推动，2012年以来，森林覆盖率持续增长，2017年达到58.7%，林木绿化率达61.3%。随着绿色生产和绿色食品的倡导及推进，紫鹊界梯田申遗把传统农耕和绿色产品作为重要内容。2014年以来，梯田农药化肥的使用量锐减，相对于低适应能力阶段和中适应能力阶段用量达到减半的程度。紫鹊界梯田区农业发展正在积极探索农药化肥减量的生态模式与路径。据调查，2016年紫鹊界梯田区有农户9 800多户，可耕梯田约1 990 hm2。为提高村民种田积极性，当地政府2009年开始实施150元/hm2的农业补贴。问卷调查显示，当地25.33%的居民农业生态环境保护意识较高，71.67%的居民能感知农业生态环境发生了变化需要保护，说明农村居民对生态环境保护的必要性已达成共识。走访调查还发现，紫鹊界梯田区近5年来一直在积极推广病虫害生态防治技术，即稻田养鸭养鱼及保护青蛙，用天敌捕食田间害虫；同时使用农民自制灭虫工具来防治虫害。以稻-鸭(鱼)复合生态系统为例，鸭(鱼)既能捕食稻田害虫防治虫害，又通过翻动犁底层之上的水稻土改善水耕人为土的透气性和团粒结构，鸭粪是良好的有机肥料，鱼的排泄物中含有氮磷等养分，为水稻生产提肥料，从而有效减少了化肥农药使用量，有利于传统农耕文化的传承和发展[28]。研究表明：稻鱼共生或稻鸭共生田的农田环境，植株发病率较小，养鱼养鸭田水稻纹枯病发病率为4.7%，一般水田为8.5%[29]。这种复合生态模式不仅节约种田成本，还能增加除稻谷以外的鸭或鱼的产出，提升从事农业生产的家庭经营收入在农村居民可支配收入中的比例[30]。自紫鹊界农业文化遗产被关注和认同以来，生态扶贫逐渐落实，旅游公司和相关职能部门投入资金对核心区梯田田埂进行修复，农村农业补贴力度加大，青壮年劳动力回乡发展农家乐兼顾稻田耕作。劳动力、农业投入和扶持政策等的改善，梯田生态系统适应性显著提高。

4 讨论与结论

4.1 讨论

作者团队长期致力于农业生态系统适应性时空演变特征及驱动机制的研究，对衡阳盆地的案例研究取得了系列成果。衡阳盆地是典型的稻作农业区，农业经济较发达，商品率较高。而紫鹊界梯田区属于山地农业生态系统，农业经济较落后，具有农区、观光体验乡村旅游地和农业文化遗产地等多重属性。梯田农业生态系统适应性研究一方面可以借鉴已有的研究成果，另一方面更要着眼于其自流灌溉、山高坡陡等特质，因而在评价指标体系的构建时，要考虑到研究区具有特殊意义的指标，如T≥37℃高温天数，相对湿度、水土流失、农村农业补助等指标，并借助于实地考察和田野调查资料对评价指标体系进行修正。在分析评价结果时，本文借助了实地考察和田野调查的资料数据进行分析。目前有关梯田农业遗产地适应性定量研究成果不多，尤其是紫鹊界梯田区的生态系统演变定量研究成果少，难以对研究成果进行对比。今后作者团队将继续对农业文化遗产地尤其是紫鹊界梯田生态系统进行更深入的研究，开展更广泛更全面的实地调查和考察，将对枯枝落叶层、土壤理化特性和水文特征等微观指标，抽取研究样本，进行实验测定获取特征数据，建立更科学客观的定量评价指标体系，使研究成果更客观更接近真相，更好地为农业文化遗产地的生态环境保护、农业文化遗产的活态传承及研究区生态文明建设与社会经济的可持续发展提供借鉴。紫鹊界梯田遗产今后的传承和发展更要考虑空间依赖和空间外溢[31]，吸纳周边地区有利因素，将保护和改善生态环境作为农业文化遗产地社会经济发展重要目标。

4.2 研究结果

紫鹊界梯田作为全球重要农业文化遗产引起了广泛关注。梯田旱化、水源减少等生态环境问题日益突出。本文基于适应性视角对生态系统演变进行量化，分析其演变特征。本文从自然因素、经济因素和社会因素三个方面选取16个指标，建立了研究区的生态系统适应性评价指标体系，用主成分分析法提取5个主成分，计算各评价指标权重。采用加权指数求和模型，计算2008-2017年紫鹊界梯田农业生态系统适应能力指标。为了使研究结论更可靠，作者团队于2016年1月、2016年3月、2018年2月和2018年4月先后4次对水车镇进行走访和实地考察。本文结合模型计算和实地考察资料研究发现：紫鹊界梯田生态系统适应性时间演变呈现由低到高的趋势，可分为三个阶段：2008-2012年为低适应能力小幅波动上升阶段，梯田区处于贫困状态，传统物种多样性减少。2013年为中适应能力断点阶段，梯田区环境风险受到关注，多因子耦合下的生态响应滞后性显著。2014-2017年为高适应能力稳定上升阶段，梯田生态系统绿色发展显著，农业扶持效果明显。

(感谢衡阳师范学院地理科学专业张符连、苏玲兄和曾雅玲等同学在本文的数据采集方面所给予的帮助和支持。)