宁夏草地过牧与退牧过程驱动机制研究

宁夏草地过牧与退牧过程驱动机制研究

21世纪世界发展的主要挑战是如何在人类发展的同时保持其基本生态系统的功能并没有被破坏。在过去20-30年的发展过程中,中国已取得了显著的经济发展和进步,并正逐渐迈向社会的真正繁荣。但这一经济发展成果是以环境的牺牲和贫富差距扩大为代价的。改变当前的经济增长模式,实现从传统“黑色发展”向“绿色发展”、从生态开发到生态建设、从生态赤字到生态盈余的转变对中国可持续发展至关重要。西部地区地域辽阔、资源丰富,是中国重要的生态安全保障区。据统计,西部地区各类保护区面积为1.11亿公顷,占全国保护区面积的85%以上。其中,草原荒漠类保护区0.40亿hm2,占全国的99.5%。同时,西部地区也是中国的脆弱生态区域。因此,加大西部地区生态保护与建设力度,并努力使其生态环境得到改善,对实现国家的可持续发展具有十分重要的意义。西北地区地处干旱、半干旱地带,多黄土丘壑和沙漠盆地。草地生态系统是其主体生态系统,总面积约28744万hm2,约占西部土地总面积的42.8%,主要分布在青藏高原、内蒙古高原、陕甘宁、四川西北部等。自1988年到2000年,该区域过垦、过牧、滥伐、滥采的不合理资源利用现象普遍,生态极为脆弱。另外,该区域气候的暖干化和人类活动的影响,水土流失严重,土壤养分极易被冲蚀,风蚀沙化又进一步带走了土壤养分和改变土壤组分,草地质量不断下降。因此有必要建立土地利用变化模型,用以了解西北干旱区草地利用变化成因、过程及预测未来发展趋势。关于生态系统用地变化的模拟研究已经有大量案例。张永民等运用CLUE-S模型对内蒙古奈曼旗2000年的土地利用变化进行了模拟,并取得了理想的结果。何春阳等人综合自上而下的系统动力学(SD)模型和自下而上的CA模型,从宏观需求和微观供给相平衡的角度建模模拟了中国北方13省未来20年的土地利用变化情况。黎夏等发展的地理模拟优化系统(GeoSOS)能根据训练数据,自动获取最佳的模型参数。邓祥征等应用DLS模型在中国典型区东北林地、宁夏固原地区、江西省等展开了案例分析。但是这些研究很少与气候情景联系起来,模拟分析未来气候情景下的土地利用变化。IPCC在第五次评估报告中改为根据大气辐射强度来设定情景,也就是所谓的“有代表性的浓度路径”(RepresentativeConcentrationPathways,RCP),不同于以前以减排为主要考虑变量的情景设定,这也是从比较科学的角度出发并着眼于适应的策略。本研究依据IPCC第五次评估报告中所发布的典型浓度路径下不同气候模式的土地利用需求,将其精细刻画到1km栅格尺度上,估算了区域水平上不同气候模式土地利用需求。从而实现了与国际相关研究的完好链接,为相关领域的国际交流与合作奠定了基础。本研究依据自然、经济、社会影响因子的变化趋势及土地利用总体规划,设计了规划情景土地利用需求。全面把握与预测不同情景下土地利用变化的时空演变规律,将大幅度降低对国内外已有草地利用科学认识的不确定性。通过开展未来情景下宁夏草地动态变化过程的预测和模拟,揭示未来情景下草地动态变化的趋势和空间分异特征,不仅包括了草地面积的变化还包括了草地质量的变化,从而为当前宁夏区土地利用规划与设计提供基础资料。1数据和来源1.1草地质量变化空间格局土地利用数据集来源于中国科学院资源环境科学数据中心,涵盖了耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地六大类用地类型。该数据集以20世纪80年代末和20世纪90年代末LandsatTM/ETM遥感影像为基本信息源,通过人机交互式解译的方式获取。为便于揭示研究区域草地质量变化的空间分异,本研究将林地划分为高密度草地、中密度草地和低密度草地三类。在此基础上,利用1km栅格成分数据制备方法,生产了研究区1988、1995、2000与2005年四个时段土地利用的1km栅格成分数据,获取了1988-1995、1995-2000和2000-2005其他用地向草地的转移量和高密度草地向低密度草地的转移量(见表1)。1.2生长模型及数据插值该研究涉及的自然环境条件数据包括气候、高程、坡度、平原面积百分比、地貌、壤土含量和土壤属性等基础地理数据。其中,气候数据来源于中国气象局气象台站观测记录,包括1988-2005历年的年均温和年降水量,用Kriging方法插值成1km×1km栅格数据。高程数据基于1∶25万数字地面高程模型(DEM)提取;进而以该数据为基础提取了每个1km×1km栅格上的坡度、平原面积比例等数据;土壤属性数据来自于全国第二次土壤普查,本文采用Kriging方法对其进行了空间插值。区位条件数据记录了每个栅格中心到最近高速公路、省道、主要道路和到省会的距离。该类数据基于国家1∶25万基础地理地图提取的交通干线分布图,利用距离测算工具计算生成。1.3政府政策数据来源社会经济数据包括人口总量、农业人口、GDP、非农业GDP、是否是粮食主产县、是否贫困县等信息。其中,人口、GDP、粮食主产县和贫困县的数据主要来自于研究区域各县市调查统计数据。本文涉及的政策变量包括退耕还林还草政策。该政策均属在国家层次实施的草地保护决策。该项政策是于1999年由国家决策部署和组织实施的一项生态环境保护重大工程,在一定程度上保护了草地生态环境。2模型和方法2.1草地动态变化驱动机理本研究采用联互方程组模型的方法分析研究区域的草地动态变化机理。研究区域联立方程组由草地退化和其他用地向草地转移两个回归方程构成,考量多个变量之间的相互联系,在构建联立方程组的过程中,为消除变量共线性对模型估计结果的影响,进行了变量的共线性诊断,剔除共线性严重的变量。在制备好数据的基础上,以草地退化(grland)和退牧过程(ofg)为被解释变量构建的研究区域草地动态变化驱动机理联立方程组如下:式中,i代表基本分析单元;t表示年份(1988-2005);t-1表示方程取该变量滞后一期的值。2.2土地系统动态dls模型土地利用变化动态(DLS)模型是从系统角度、运用模型方法、定量地分析土地利用变化的驱动机理和开展区域土地利用变化动态模拟的有效工具。DLS模型充分考虑与自然、生态、社会经济等相关应用模型的链接,通过设计区域用地结构变化的不同情景,提炼服务于土地利用规划、环境保护、自然资源管理的决策参考信息。用户可以在DLS模型中输入非线性的需求变化、不同的转换规则和不同用地结构演替模式下的驱动因子,模拟分析区域土地利用系统的复杂变化。为了准确模拟土地利用的未来可能情景,DLS模型还考虑了地形地貌、环境、贸易、制度安排与土地管理政策等宏观层次的影响。DLS模型假设土地利用变化受区域历史土地利用格局和栅格内部以及周边栅格驱动因子的共同影响。尤其是在区域尺度上,决策者做出的土地利用规划决策将会对区域土地利用变化产生重大影响。另外,DLS模型还考虑到土地利用变化的区域限制。例如,需要将不可能发生土地利用变化的区域作为限制区域,单独划分出来,不输入模型进行运算。最后需要说明的是,DLS模型仍然需要考虑其模拟结果的不确定性,由于受区域土地用途转换规则和非线性需求变化的影响,输入参数和外生变量都是随时间变化的。土地系统动态(DLS)模型由三个模块构成:用地结构变化情景分析模块、用地分布驱动分析模块、用地结构变化空间分配模块。用地结构变化情景分析模块提供了每种用地类型每年的需求变化;用地分布驱动分析模块以表达用地类型分布与驱动因子之间的空间统计关系为目的,主要测度驱动因子对用地类型分布的影响;用地结构变化空间分配模块主要基于栅格尺度土地供需平衡分析,实现用地结构变化的空间分配。3宁夏牧场动态发展促进机制的分析3.1其他因素对草地面积的影响随着人类社会的发展,人口压力不断加强以及不合理的活动,如过度放牧、滥垦、乱采挖等,再加上气候变化,造成90%以上的北方草原处于不同程度的退化之中,生态与环境状况极其恶劣。从而造成草地大面积转移,主要开垦为耕地,或转为林地和建设用地,部分草地直接被荒漠化。基于这些研究基础,本研究定量分析草地退化的主要原因。首先是气候因素,气温、降水和相对湿度均与草地退化具有高度的相关性,气候条件的变化加速草地的退化过程。气温越高的区域,草地面积相对也较大;而降水的减少,则造成草地面积的退化。除此之外,相对湿度的降低造成部分地区的耕种和林地的适宜性降低,其每减少10%,草地面积增加11.86hm2。人口压力在草地退化过程中起着决定性作用(见表2),人口规模的增长造成畜牧业的迅速发展,但是草地生态环境的保护意识缺乏,从而逐渐增强了草地退化的压力。尽管人口增长给草地退化造成很大的压力,但是经济的发展也在一定程度上缓解了这种压力。这主要是经济的发展,带动了城市的发展,吸引部分劳动力,减少了牧民数量。而对于自然环境要素,地形地貌条件和土壤本身的性质决定了草地的生长状况。北方地区是我国的主要农牧区,对地势险要、高程较高和坡度较大的区域较难开垦为耕地或建设为城镇用地,又加上气候条件的限制,林地难于生存,所以草地面积相对较广,也免于受人类活动的影响。除此之外,地貌条件也是重要的制约因素。相对于台面,山地、丘陵和台地增长,草地的面积均呈增长之势,而对于平原,相对于台面草地面积呈减少之势。土壤条件较好的区域大部分被开垦为耕地发展农业,因此,土壤肥力或壤土含量较高的区域,草地面积比例越低。交通条件较发达的地区,人口较多,人类活动较频繁,对于草地生态系统破坏也相对较严重。但是研究区域的发展相对东部地区较慢,交通条件也相对落后,对土地利用变化尤其是草地退化并不像其他区域显著。研究显示,仅有到省道的距离与到主要道路的距离与草地面积具有较强的相关性。距离这些道路越远的地区,单位面积草地百分比含量也相对较高,而靠近道路的区域,所受影响较为显著。但是对于到省会的距离和到高速公路的距离,与草地面积比例却没有显著的相关性。3.2气候变化与还草面积的关系生态环境的优劣决定了草地生长的条件,生态环境较好的区域,草地资源也较充足,被破坏的程度相对也较轻。因此,被退牧的区域也相对较小。净初级生产力是生态环境的重要表征指标之一,草地生产力越高的地区,相对退牧的面积也较少。除此之外,单位面积草地百分比含量也是草地被破坏程度的大小的表征,单位面积草地百分比含量相对较高的地区,可退牧的区域自然也随其减少。气候条件的变化方向和幅度也决定了退牧的难度。气温的增高对于退牧过程具有显著的正向作用。对于年降水量的变化,降水的增多往往导致农民将开垦更多的荒草地为耕地,增加农业收入。由此带来的退牧面积也相应减少。与之类似的是空气的相对湿度。由此可见,气候变化对研究区域的草地资源具有重要影响,是畜牧业发展的主要考虑因素之一。对于经济要素,是否是贫困县和城市化率分别反映了各区域社会经济发展水平。宁夏回族自治区是我国贫困县较多的区域,且城市化水平相对较低。国家对退牧地区实行经济补偿推动了贫困地区退牧还林的积极性,尽管国家对粮食生产也实行了经济补偿,但是该区域作为粮食主产区的县市只有一个,反而退牧的经济补偿对当地居民具有更大的吸引力。城市化水平虽然相对其他地域较低,但是其缓慢的发展,也在一定程度上带动了当地退牧的进程。另外,自1999年国家实行退耕还林还草试点工程,研究区域也成为退耕还林还草政策的试点之一。这一政策防止了草地生态系统的进一步恶化,保护了草地资源,越来越多不符合耕种的区域退还为林草地。退耕越多的区域,还草的面积也相应较多。因此,也反映出国家用地保护政策和产业政策联动对于退化草地的修复工作具有积极的促进作用(表3)。4景观美化4.15-20年的土地利用结构研究区域的规划情景是在该区土地利用总规划的基础上设计的。该区域的土地利用规划总体目标是在保护生态环境的前提下,加大土地整治、复垦、开发力度,严格控制非农建设占用农用地,土地开发大于国家下达指标,非农建设占用耕地不超过国家下达指标,通过调整土地利用结构和强化土地规划管理,实现土地资源的优化配置和合理利用,努力改善生态环境。基于以上目标,结合各种用地类型规划的数量及变化率,获得了规划情景下2005-2030年的土地利用结构(见图1)。随着时间的推移,耕地和草地仍然是该区域的主要用地类型。其中,耕地面积呈增长的态势,而草地呈减少的态势。林地所占比例相对耕地和草地较小,但也有小幅增长的态势。建设用地的绝对数量虽然增长较快,但从全区来看,比例变化不大。未利用地部分被开发利用,因此呈小幅的减少态势。4.2土地利用数据典型浓度路径(RCPs)的情景设定是根据四个模式小组所得到在二十一世纪末单位面积的辐射强度设定的未来100年稳定浓度的新情景,总共包括四种情景:MESSAGE,AIM,GCM,IMAGE。基于中国的发展国情,本研究只考虑了MESSAGE和AIM情景。本研究从IPCC官方网站上获得了MESSAGE和AIM两种气候模式下1度×1度的土地利用数据,该数据为不同土地利用类型的百分含量。首先将原数据进行降维处理,降到1km栅格尺度,估算出每个栅格不同土地利用类型的面积,然后把土地利用数据与研究区的边界数据进行叠加,统计出研究区不同土地类型的总量,作为气候模式下的土地需求量。两种模式的介绍和不同模式下土地利用需求估算结果具体如下。4.2.1“特征分析”模式MESSAGE模式又称能源供应战略可替代方案及其一般环境影响模式,是高端的情景(RCP3-PD)。该模式下的大气辐射强度增加到大于8.5Wm-2,即CO2浓度会大于1370ppm,代表世界各国并无任何减量的动作。该模式下,研究区耕地面积呈减少的态势,且减少的速度较稳定,基本呈直线状态下降,至2030年减少了约0.8%;林地在2005-2010年之间增长速率较快,随后增长速率迅速降低,2020年之后还有小幅减少的趋势;与耕地变化类似,草地面积也呈减少的态势,但在2020年之后呈现小幅的增加态势;建设用地面积扩展速率是城市化发展的重要表征,该情景下,建设用地面积增长约24.1%(见图1)。4.2.2aim模式与“耕地增长”模式比较AIM模式又称亚太综合模式,属于中端情景(RCP6)。和GCM模式(RCP4.5)类似,但大气辐射力为6Wm-2,约为CO2浓度850ppm,代表世界各国并没有尽全力积极做到温室气体减量的目标。该模式考虑了人口、未来预期的GDP、效率改善和能源消耗,而消耗的能源包括煤、石油、天然气、生物能源等。在AIM模式情景下,耕地面积变化趋势与MESSAGE模式不同,它呈增长的态势,且增长速率保持稳定,到2030年增长幅度大约为3.9%;对于林地而言,虽然也呈增长态势,但是增长的速率却低于MESSAGE模式,增长速率呈先低后高然后又降低的趋势,到2030年的增长幅度大约是15.0%;与耕林地不同的是草地一直呈减少的态势,且减少速率较高,到2030年,草地面积减少4.6%;耕地随着社会经济的发展,一直呈增加的态势,且增长速率快,到2030年,建设用地面积增长约84%,该增长速度远高于MESSAGE情景模式(见图1)。5土地利用变化本研究采用DLS模型模拟了规划情景、AIM气候模式情景和MESSAGE气候模式情景下2010-2030年的土地利用变化,分析了研究区未来情景下草地面积动态变化过程,以便为当地及时采取措施保护生态环境,促进区域的可持续发展提供参考。5.1中密度草地的空间分布格局为了更精准的获取草地面积的动态变化,本研究应用DLS模型模拟了规划情景下8种用地类型的动态变化过程。从空间分布上分析,随着时间的推移,草地面积呈减少的态势,但草地的空间分布并未发生颠覆性的变化。其中,2010-2020年间,草地减少的区域主要位于研究区域的中南部地区,且减少的主要是低密度草地(见表4)。高密度草地转移为其他用地的区域主要分布于北部的贺兰山区,而中密度草地减少的区域主要位于固原地区的最南部以及中部中密度草地密集区的边缘地带。2020-2030年间,草地减少的区域主要集中于中密度草地区和低密度草区。从空间位置上,减少的中密度草区主要集中于中部中密度草地密集区的边缘地带和六盘山地带。而减少的低密度草地主要集中于贺兰山的南部地区。这一时期,高密度草地也有一定程度的减少,但相对中低密度草地较低,减少区域主要集中于东部的盐池县。5.2减少的区域分布依据AIM气候模式下的土地利用结构,采用DLS模型模拟了AIM模式下土地利用空间分布状况。模拟结果显示,2010-2030年AIM模式情景下草地呈减少的态势,但是减少的幅度相比规划情景较低(见表4)。减少的区域主要集中于低密度草地,减少的区域地主要位于西北部贺兰山区中密度草地外围以及固原地区中密度草地集中区的北部。中密度草地也有小幅减少的态势,减少的区域主要位于南部六盘山区,高密度草地变化不显著,只有零星栅格转移为其他用地。到2020-2030年间,草地面积减少的幅度比上一个10年呈大幅的减缓趋势。其中,低密度草地的减少区域主要集中于固原地区的南部和东北部的陶乐县。高密度草地减少面积非常少,在1km栅格尺度图上很难发现。5.3不同区域草地面积动态变化MESSAGE气候模式下草地面积在2010-2020年间呈减少的态势,2020年之后又有小幅增加。基于MESSAGE气候模式的土地利用结构数据,模拟了研究区域土地利用空间分布图,分析了MESSAGE模式下草地面积动态变化。结果显示,2010-2020年草地面积主要减少的区域主要为中密度草地和低密度草地(表4)。减少的中密度草地主要集中于南部六盘山地区、西北部的贺兰山脉地区以及中部的灵武市北部、青铜峡市南部和盐池县的北部地区;减少的低密度草地较为分散,并无主要集中区。与其他情景类似,2020-2030年的草地面积变化幅度迅速减小。从空间分布分析,该阶段发生显著变化的是中密度草地,主要集中于固原地区的北部。6气候变化对草地面积的影响随着人类对土地资源开发力度的日趋加深与由此而导致的生态与环境问题的日渐突现,土地利用与土地覆被变化研究已经成为土地科学和全球变化研究领域中的热点和核心问题。因为土地利用变化不仅在很大程度上与人类的生产与生活密切相关,而且对陆地和海洋生态系统的良性循环产生重要的影响,制约着未来人类生存与发展所需的土地和水等重要物质资源的丰缺。因此,土地利用变化日益得到重视,已经成为可持续发展研究中的重要内容。本文选择宁夏作为研究区域,分析了我国西北地区草地动态变化的过程和未来的发展趋势。本文首先采用联立方程组分析了研究区草地动态变化驱动机制。对于草地过牧过程,气候因素是草地面积减少的重要影响因素。其中,气温越高的区域,草地面积相对较大;降水越少的区域,草地面积减少越严重;相对湿度升高对草地面积扩大具有正向推动作用。其次,人口压力在草地面积减少过程中起着决定性作用。人口规模越大,草地面积减少越多。自然环境决定了草地的生长状况,对地势险要、高程较高和坡度较大的区域较难开垦为耕地或建设为城镇用地,草地面积相对较广。交通条件也是草地面积变化的重要影响因素,交通条件较发达的地区,对于草地生态系统破坏也相对较严重。区域退牧过程的主要驱动因素之一是区域原有生态环境,生态环境的优劣决定了草地生长的条件,生态环境较好的区域,草地资源也较充足,被破坏的程度相对也较轻。气候条件的变化方向和幅度也决定了退牧的难度,气温的增高对于退牧过程具有显著