EN中文

地理科学 >

2013 , Vol. 33 >Issue 2: 189 - 194

DOI: https://doi.org/10.13249/j.cnki.sgs.2013.02.189

基于PSDR理论框架下长江上游生态系统退化威胁评价与空间分布研究

  • 任平 , 1, 2 ,
  • 程武学 1, 2 ,
  • 洪步庭 1, 2 ,
  • 周介铭 1, 2
展开
  • 1.四川师范大学西南土地资源评价与监测教育部重点实验室 四川 成都 610066
  • 2.四川师范大学地理与资源科学学院 四川 成都 610066

作者简介：任 平（1978-）,男,湖北荆门人,副教授,博士,主要从事资源与环境经济学,土地资源管理等方面研究。E-mail：

收稿日期: 2012-06-25

  要求修回日期: 2012-11-02

  网络出版日期: 2013-02-20

基金资助

国家“973”项目（2009CB421105）,全球环境基金（GEF）子项目（C/IV/S/06/060）、四川省环境保护厅2012专项资金项目和四川省科技厅科技支撑项目资助

收起

Evaluation of Ecosystem Degradation Threat and Study of Spatial Distribution in the Upper Reaches of the Changjiang River based on PSDR Framework

  • REN Ping , 1, 2 ,
  • CHENG Wu-xue 1, 2 ,
  • HONG Bu-ting 1, 2 ,
  • ZHOU Jie-ming 1, 2
Expand
  • 1. Key Lab of Land Resources Evaluation and Monitoring in Southwest, Ministry of Education, Sichuan Normal University, Chengdu, Sichuan 610066,China
  • 2. Institute of Geography and Resources Science, Sichuan Normal University, Chengdu, Sichuan 610066,China

Received date: 2012-06-25

  Request revised date: 2012-11-02

  Online published: 2013-02-20

Copyright

本文是开放获取期刊文献，在以下情况下可以自由使用：学术研究、学术交流、科研教学等，但不允许用于商业目的.
Fold

摘要

以长江上游为研究区域,采用RS、GIS技术,设计了“压力-状态-退化-响应”（PSDR）评价理论框架和模式,开展大尺度的生态系统（森林、草地、农田、湿地）退化威胁评价研究工作,并深入分析其空间分布特征。研究结果表明：长江上游生态系统退化威胁程度整体上处于较为严重的状态,中度威胁及以上地区占整个生态系统面积的74.54%。其中,重度威胁区占18.72%,高度威胁区占25.59%,中度威胁区占30.22%,轻度威胁区占17.32%,微度威胁区占8.14%。退化威胁最严重的地区主要位于青海格尔木市、治多县、杂多县和玉树县,四川省木里藏族自治县、康定、汶川、北川、雅江、马尔康县等,云南省香格里拉和维西僳僳族自治县,甘肃省迭部县、文县和舟曲县,湖北省神农架区、巫山、巴东、兴山和秭归县以及重庆市的垫江、梁平、大足、潼南等县。

关键词： 生态系统; PSDR框架; 退化威胁; 空间分布; 长江上游

本文引用格式

任平 , 程武学 , 洪步庭 , 周介铭 . 基于PSDR理论框架下长江上游生态系统退化威胁评价与空间分布研究[J]. 地理科学, 2013 , 33(2) : 189 -194 . DOI: 10.13249/j.cnki.sgs.2013.02.189

Abstract

In this article, the upper reaches of the Changjiang River was chosen as the study region, RS and GIS technologies were adopted and the " Pressure - State - Degradation - Response " (PSDR) theoretic frame and model was designed to evaluate the ecosystem (forest, grassland, farmland, wetland) degradation threat in a large scale, and the spatial distribution pattern of degradation station in detail was analyzed. It was shown by the results that the ecosystem degradation threat level of the upper reaches of the Changjiang River was overall under a serious condition, 74.54% of the area of the whole ecosystem was at least in a middle-threat level. Of which, the region of extreme threat accounted for 18.72%, 25.59% of the region was highly threatened, 30.22% got moderate threat, the lightly threat region accounted for 17.32% and 8.14% for slightly threat region. The most serious regions of the ecosystem degradation threat of the upper reaches of the Changjiang River were mainly located in Golmud City, Zhiduo County, Zaduo County and Yushu County of Qinghai Province, Mili Tibetan Autonomous County, Kangding, Wenchuan, Beichuan, Yajiang and Maerkang County of Sichuan Province, Shangri-La County and Weixi Lisu Autonomous County of Yunnan Province, Diebu County, Wen County, Zhouqu County of Gansu Province, Shennongjia area, Wushan, Badong, Xingshan, Zigui County of Hubei Province and Dianjiang, Liangping, Dazu, Tongnan County of Chongqing City.

Key words： ecosystem; PSDR framework; degradation threat; spatial distribution; upper reaches of the Changjiang River

陆地生态系统是地球生命支持系统的重要组成部分,是人类社会持续发展的物质基础。英国生态学家Tansley首次明确提出生态系统的概念,认为生态系统是一个系统的整体,不仅包括有机复合体,而且包括形成环境的整个物理因子复合体[1]。生态系统是开放系统,为了维系自身的稳定,生态系统通过内部各部分之间以及生态系统与周围环境之间的物质和能量的交换,传递信息,发挥着多种多样的功能。早在20世纪70年代初,著名生态学家Odum E P在其著作《Fundamentals of Ecology》中也给出了生态系统功能的定义,认为生态系统功能是指生态系统的不同生境、生物学及其系统性质或过程[2~6]。对于生态系统的研究,学者们主要针对不同类型的生态系统,如湿地生态系统[7,8]、森林生态系统[9,10]、水文生态系统[11,12]、草地生态系统[13,14]等展开生态系统及功能的评价和服务价值的评估开展工作;在研究的尺度上,主要从几年到几十年的连续时间序列来分析土地利用与覆被变化对生态系统功能和服务价值的影响[15,16]以及从小尺度[17,18]的时空角度来探讨生物多样性对生态系统及功能的影响。
长江上游是中国关键生态区域和整个长江流域生态安全的重要屏障,其复杂多样的生态系统、丰富的生物多样性和特殊的自然环境,决定着它在长江流域以及全国有着不可忽视的生态战略地位。同时,长江上游也是中国主要的生态脆弱区,是“环境与发展”有机结合的攻坚地段[19]。因此,对长江上游生态系统进行退化威胁评价是长江上游生态保护的重要基础性战略课题,从现有文献来看,对长江上游进行大尺度、包含完整生态系统的退化威胁进行评价的研究还比较缺乏。本文以长江上游为研究区域,采用RS、GIS技术,设计了“压力-状态-退化-响应”（PSDR）评价理论框架和模式,开展大尺度的生态系统（森林、草地、农田、湿地）退化威胁评价研究工作,并深入分析其空间分布特征,从而为长江上游关键生态系统功能评估与生态功能保护区规划提供科学依据,进而为长江上游的生态环境保护和生态屏障建设提供重要决策参考。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

长江上游区域是指长江源头至干流宜昌段,长4 511 km,约占长江总长度的70%,主要支流有雅砻江、岷江、嘉陵江、乌江等;流域面积105.4×104km2,占长江全流域面积的58.9%,涉及青、藏、云、贵、川、渝、陕、甘、鄂共9 省、市、自治区;人口1.63亿,占全流域人口的35%[20]。长江上游地区分布着中国三大林区和五大草场之一,林地面积占全流域的43.7%;草场占全国的6%,草山、草坡约占全国的1/5;该区生物资源种类繁多,共有高等植物1万多种,其中药用植物4 100余种;野生脊椎动物1 150种以上,占全国总数的40%以上[19]。由于青藏高原的高海拔特征和长江上游辽阔的地域及其过渡性,使长江上游地区成为规模宏大、具有全球意义的生态脆弱带和全球环境变化的敏感区[21]。

1.2 数据来源

本研究涉及的资料和数据主要来源如下：土地利用类型数据（2005年）、道路密度指标数据（栅格数据）,主要来源于中国科学院地理科学与资源研究所;土壤厚度、土壤侵蚀度指标数据（栅格数据）,主要来源于中国科学院南京土壤研究所;自然保护区数据（矢量数据）,主要来源于大自然保护协会TNC;生境质量、生境退化指标数据,主要根据道路数据,建立分级标准计算制作生境退化和生境质量栅格图;NDVI指标数据,主要来源于Landsat卫星2005年长江上游地区TM遥感影像图,分辨率为30 m;生物多样性指标数据,主要来源于中国科学院成都山地灾害与环境研究所;以上数据主要获取于地球系统科学数据共享平台（http://www.geodata.cn/Portal/index.jsp）。人口密度、化肥施用量指标数据,主要来源于长江上游流域各县市统计年鉴中的统计数据;产草量指标数据,主要来源于人地系统主题数据库共享数据（http://www.data.ac.cn/index.asp?name）。

2 研究方法

2.1 PSDR生态系统评价理论框架

“压力-状态-响应”（PSR）模型最早是由联合国经济合作开发署（OECD）提出并应用于世界环境状况研究的评价模型[22],在此理论基础上,我们认为：由于人类的社会经济活动以及自然环境演变的影响,生态系统需要承受社会发展和自身在不断演化过程中产生的不可逆因素带来的压力（Pressure）;在压力之下,生态系统的结构和功能状态（State）势必要发生相应变化,具体表现为土壤生产能力下降、生物多样性减少、生态环境恶化等,从而导致生态系统功能退化（Degradation）;人类对生态系统功能退化的反馈进行响应（Response）,做出政策调整、技术改进等,实现生态系统功能的重建与保护。本研究正是基于以上生态系统作用过程和机理,结合根据研究区域实际,构建了长江上游生态系统退化威胁评价理论框架（PSDR）,详见图1。
Fig.1 Evaluation theory frame of ecosystem degradation threat based on PSDR framework

图1 基于PSDR的生态系统退化威胁评价理论框架

2.2 生态系统评价的指标结构与体系

遵循以上PSDR生态系统评价理论框架,在数据可获取原则下构建了3个层次的指标体系结构,分别为：一级指标、二级指标、三级指标。一级指标,建立森林、草地、农田、湿地生态系统退化威胁等4个指标。二级指标,分别针对不同生态系统建立状态指标（S）和压力指标（P）,表征生态系统内部自然状态和承受的干扰压力。三级指标则是具体指数,如土壤侵蚀度、土壤厚度等指标是评价生态系统中土地质量的指标,表征土地受到人为因素或自然因素或人为、自然综合因素的干扰,土地原有的内部结构、理化性状改变或者遭到破坏的程度;NDVI指数和生物多样性指数是反映生态系统中植被覆盖水平和稳定状态的指标;人口密度、化肥施用量指标则是反映人类活动对对生态系统产生的干扰和压力;生境质量、生境退化指数是衡量生物活动地域的环境优劣的指标。具体指标如表1所示。
Table 1 The evaluation index system of the upper reaches of the Changjiang River's ecosystem degradation threat

表1 长江上游生态系统退化威胁评价指标体系

长江上游
生态系统
退化威胁
评价指标
结构体系

森林生态系统
 状态指标 土壤侵蚀度
NDVI指数
生物多样性指数
生境质量指标
压力指标 人口密度
生境退化指标

农田生态系统		 状态指标 土壤侵蚀度
土壤厚度
压力指标 人口密度
化肥施用量



草地生态系统

 状态指标 土壤侵蚀度
NDVI指数
生物多样性指数
生境质量指标
压力指标 人口密度
产草量
生境退化指标


湿地生态系统
 状态指标 NDVI指数
生物多样性指数
生境质量指标
压力指标 人口密度
生境退化指标

2.3 生态系统评价的方法与模型

2.3.1 评价单元的确定
评价单元的设定对评价方法、过程和结果有重要影响,本研究中采用土地利用类型图的图斑作为评价单元设置的基础单元,同时将森林、草地、农田、湿地4种类型图斑进行评价属性比较,尤其重点考虑其图斑受自然因素和人为因素影响的相对均一性与差异性,同时也考虑了评价数据量大小、运算速度和空间数据精度,经过多次试验,最终评价单元设定为5 284 m×5 284 m的栅格单元,共生成34 312个评价单元。
2.3.2 评价技术路线与模型
通过土地利用现状图提取森林、草地、农田、湿地生态系统栅格图,然后通过ArcGIS9.3的栅格计算器,将每个指标（采用极差标准化法处理）与各自生态系统栅格图进行叠加,叠加之后每个图斑就产生各个指标的相应数值,这样就生成了各自生态系统单个指标栅格图;随后利用ArcGIS9.3对每个图层进行重分类、分级和赋值;最后利用ArcGIS9.3工具ArcGIS-toolbox-Spatial Analyst tool-Overlay-Weighted Overlay,将不同指标图层进行叠加,生成最终综合评价图。评价模型如下：
A = ∑ i = 1 n m i × A i （1）
式（1）中A为上一级指标数值,mi为第i项权重,Ai表示下一级指标数值,n表示上一级指标包含下一级的指标个数。

3 评价结果与分析

3.1 长江上游4个生态系统评价结果

根据以上建立的评价方法与技术路线,分系统评价各个指标在森林、草地、农田、湿地生态系统下的状态、压力及综合反映。对于二级指标评价,将各个单项指标评价结果进行叠加,最后得到各自系统的压力指标图和状态指标图,并将其重分类,即利用ArcGIS9.3软件ArcGIS-Spatial Analyst-Reclassify工具,采用Natural Breaks(自然分类法),将归一化后的数值分成5类。最后,将状态指标层和压力指标层通过栅格计算器,进行叠加之后得到4个系统的综合评价图（图2~图5）。
由图2、图3分析可知,长江上游森林生态系统退化威胁程度整体处于比较严重的状态,中度（中等）威胁及以上地区占全部森林面积的81.23%。其中,重度（严重）威胁区占24.63%,高度（较重）威胁区占30.19%,中度威胁区占26.41%,轻度（较轻）威胁区占12.04%,微度（轻微）威胁区占6.73%。退化威胁最严重的地区位于甘肃省的文县、迭部县、舟曲县,四川省的木里藏族自治县、雅江县、康定县、汶川县等,云南省的香格里拉县、维西僳僳族自治县以及湖北省的神农架区;另外,四川西北部,云南东部以及贵州和湖北部分地区的森林生态系统退化威胁较为严重。
Fig.2 Classified evaluation of degradation threat in forest ecosystem

图2 森林生态系统退化威胁分级评价

Fig.3 Classified evaluation of degradation threat in grassland ecosystem

图3 草地生态系统退化威胁分级评价

Fig.4 Classified evaluation of degradation threat in farmland ecosystem

图4 农田生态系统退化威胁分级评价

长江上游草地生态系统退化威胁程度整体轻于森林生态系统,但总体退化威胁也比较严重,中度威胁及以上地区占草地总面积的73.33%。其中,重度威胁区占17.57%,高度威胁区占23.24%,中度威胁区占32.52%,轻度威胁区占18.38%,微度威胁区占8.29%。草地退化威胁最严重地区主要包括四川省的康定县、稻城县、石渠县和若尔盖县等,青海省的治多、玉树、达日县等,其次为甘肃的迭部、文县,青海和四川的部分地区。
由图4、图5分析可得,长江上游农田生态系统退化威胁也比较严重,中度威胁及以上地区占农田总面积的65.82%。其中,重度威胁区占9.26%,高度威胁区占23.51%,中度威胁区占33.05%,轻度威胁区占24.12%,微度威胁区占10.06%。退化威胁最严重的地区主要位于重庆市的江津、忠县、丰都、梁平、垫江、巫山等县,四川的平武、北川等县;其次主要是成渝经济区,尤其是重庆和成都平原区是城市化快速推进区域,人口密度大,经济发展迅速的区域,农田生态系统也是受人类活动影响最大的生态系统。
长江上游湿地生态系统退化威胁整体上呈点线状分布,中度威胁及以上地区占全部湿地面积的87.25%。其中,重度威胁区占61.23%,高度威胁区占12.75%,中度威胁区占13.26%,轻度威胁区占6.14%,微度威胁区占6.62%。退化威胁最严重的地区位于青海的格尔木市,四川的红原、黑水、松潘、茂县、泸定等县,重庆的巫溪、奉节、巫山和湖北的巴东、秭归等县。
Fig.5 Classified evaluation of degradation threat in wetland ecosystem

图5 湿地生态系统退化威胁分级评价

3.2 长江上游生态系统退化威胁空间分布

将以上森林、草地、农田、湿地生态系统退化威胁评价进行叠加之后,得出长江上游生态系统退化威胁程度评价总图（图6）。从评价总图可以直观看出,退化威胁的空间分布不再是“零星分布”状态,而更趋向于“集中连片”的分布格局。长江上游生态系统退化威胁较严重的区域主要分布在青海长江源区、川西山地、滇东北、重庆-湖北段等区域,整体表现为西北严重、东南轻微的空间分布特征。
Fig.6 Classified evaluation of ecosystem degradation threatlevel of the upper reaches of the Changjiang River

图6 长江上游生态系统退化威胁程度分级评价

4 结 论

通过以上对长江上游生态系统退化威胁进行评价和分析,结果表明：
1） 总体来看,长江上游生态系统退化威胁程度整体上处于较为严重的状态,中度威胁及以上地区占整个生态系统面积的74.54%。其中,重度威胁区占18.72%,高度威胁区占25.59%,中度威胁区占30.22%,轻度威胁区占17.32%,微度威胁区占8.14%。
2） 长江上游生态系统退化威胁最严重的地区主要位于青海的格尔木市、治多、杂多县和玉树县,四川省的木里藏族自治县、康定、汶川、北川、雅江、马尔康县等,云南省的香格里拉和维西僳僳族自治县,甘肃省的迭部、文县和舟曲县,湖北省的神农架区、巫山、巴东、兴山和秭归县以及重庆市的垫江、梁平、大足、潼南等县。
3） 退化威胁分级评价数据和空间分布表明,不同区域生态系统退化威胁的主要系统和因素各有不同。青海省生态系统退化威胁主要来自于草地和湿地生态系统,四川、云南省生态系统退化威胁主要来自于森林生态系统,重庆及四川东、南部生态系统退化威胁主要来自于农田生态系统。这一结果也表明,对于长江上游生态系统退化威胁的治理和恢复要判断和识别主要影响因素,采用差别化的空间治理模式。
从以上研究结果和分析可以看出,长江上游的4个生态系统都处于不同程度的退化威胁状态,尤其是森林、草地、农田系统,其生态退化威胁状况不容乐观;为了保障长江上游生态屏障及生态安全,必须对长江上游生态系统退化威胁引起高度重视,并要采取相应措施遏制生态退化威胁程度继续加深,扭转生态恶化趋势,否则,将会给长江上、中、下游带来严重的“生态灾难”。同时,该研究为长江上游生态系统保护与规划提供了重要基础和参考,建议对长江上游生态系统进行综合规划,分区域（根据退化威胁程度）采取差别化空间治理模式,在重点区域建立生态威胁动态监测体系和预警报警系统。
本研究在PSDR生态系统评价理论和数据可获取原则指导下,通过构建长江上游生态系统退化威胁评价指标体系,建立各指标评价方法和评价模型开展研究工作。从研究过程和结果来看,基本达到了预期研究目标。但是从评价指标的选择、数据库建设、评价方法的应用等都还有不足之处,还需要进一步探索、完善。
致 谢:感谢中国科学院地理科学与资源研究所刘纪远研究员,四川师范大学杨存建研究员,中国科学院成都山地灾害与环境研究所周万村、王玉宽研究员等提供的支持和帮助。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

原文顺序 | 文献年度倒序 | 文中引用次数倒序
[1]
Tansley A.The early history of modern plant ecology in britain[J].Journal of Ecology,1947,(35):130-137.

[2]
ODUM E.Fundamentals of ecology[M].Philadelphia:Saunders,1971.

[3]
Whigham D F.Ecosystem functions and ecosystem values,in ecosystem & human activities[M].Chapman & Hall:New York,1996,225-239.

[4]
Costanza R, Groot D E, Farber S,et al.The value of the world's ecosystem services and natural capital[J].Nature,1997,387(6630):253-260.

[5]
孙儒泳,李庆芬,牛翠娟,等.基础生态学[M].北京:高等教育出版社,2002.

[6]
JAX K.Function and "functioning" in ecology:what does it mean?[J].Oikos, 2005,111(3): 641-648.

[7]
ZHU Lin, CHEN Yun, GONG Huili, et al.Economic value evaluation of wetland in Yeyahu Wetland Nature Reserve, Beijing[J]. Chinese Geographical Science, 2011, 21(6):744-752.

[8]
王斌,杨校生,张彪,等.浙江省滨海湿地生态系统服务及其价值研究[J].湿地科学,2012,10(1):15~22.

[9]
白杨,欧阳志云,郑华,等.海河流域森林生态系统服务功能评估[J].生态学报,2011,31(7):2029~2039.

[10]
肖建武,康文星,尹少华,等.广州市城市森林生态系统服务功能价值评估[J].中国农学通报,2011,27(31): 27~35.

[11]
赵同谦,欧阳志云,王效科,等.中国陆地地表水生态系统服务功能及其生态经济价值评价[J].自然资源学报, 2003,18(4):443~452.

[12]
粟晓玲,康绍忠,佟玲.内陆河流域生态系统服务价值的动态估算方法与应用——以甘肃河西走廊石羊河流域为例[J].生态学报,2006,26(6):2011~2019.

[13]
胡世辉,章力建.西藏工布自然保护区生态系统服务价值评估与管理[J].地理科学进展,2010,29(2):217~224.

[14]
刘兴元,龙瑞军,尚占环.草地生态系统服务功能及其价值评估方法研究[J].草业学报,2011,20(1):167~174.

[15]
吴海珍,阿如旱,郭田保,等.基于RS和GIS的内蒙古多伦县土地利用变化对生态服务价值的影响[J].地理科学, 2011,31(1):110~116.

[16]
李冰,毕军,田颖.太湖流域重污染区土地利用变化对生态系统服务价值的影响[J].地理科学,2012, 32(4):471~476.

[17]
Loreau M,Hector A.Partitioning selection and complementarity in biodiversity experiments[J].Nature,2001, 412(6843):72-76.

[18]
Cardinale B J,Anthony R I,Inchausti P.Effects of species diversity on the primary productivity of ecosystems: Extending our spatial and temporal scales of inference[J].Oikos,2004,104:437-450.

[19]
陈治谏. 长江上游的战略地位与生态环境功能[J].山地学报,2000,18(3):258~262.

[20]
王锡桐,刘志文,杨庆媛.建设长江上游生态屏障对策研究[M].北京:中国农业出版社,2003.

[21]
伍星,沈珍瑶,刘瑞民,等.土地利用变化对长江上游生态系统服务价值的影响[J].农业工程学报,2009,25(8):236~241.

[22]
Driaanse A A.Environmental policy performance indicators. A study on the development of indicators for environmental policy in the Netherlands[M]. The Hague: Sdu Uitgeverij Koninginnegracht, 1993.

Options
文章导航

/

〈 〉