遼寧西部北票市生態(tài)修復區(qū)生態(tài)退化驅(qū)動力分析

王華偉，高 鵬，呂圣橋，丁?？?，王 亮

（1.山東農(nóng)業(yè)大學 林學院／山東省土壤侵蝕與生態(tài)修復重點實驗室，山東 泰安 271018；2.遼寧朝陽市水土保持局，遼寧 朝陽 122000）

關(guān)于生態(tài)系統(tǒng)退化的驅(qū)動力因素研究，受到人們的普遍關(guān)注［1］。那巴特爾和王海青等分別對西北地區(qū)的黨河和黑河流域生態(tài)退化進行研究，得出氣候的干旱性和生態(tài)環(huán)境的脆弱性是流域生態(tài)退化的前提，而最大干擾因素是人類經(jīng)濟活動［2－3］；趙振勇和馬愛霞對導致荒漠和草地生態(tài)系統(tǒng)退化的自然和人為干擾因素進行了分析［4－5］；賀金生 等［6］研究 了長江三峽地區(qū)不同退化類型、不同退化程度植物群落的物種多樣性特征；孟國才等［7］對岷江上游地區(qū)環(huán)境問題及其驅(qū)動力研究發(fā)現(xiàn)，生態(tài)環(huán)境退化是系統(tǒng)內(nèi)在特性和外在干擾體綜合作用的結(jié)果?？傊P(guān)于流域生態(tài)系統(tǒng)退化與發(fā)生演化的驅(qū)動力機制的研究主要集中于流域退化現(xiàn)狀的評價、退化原因和演化趨勢分析等方面［8］；從研究區(qū)域上，主要集中在黃河流域和長江流域，而在我國東北漫崗丘陵水土流失類型區(qū)剛剛起步。因此，本文以代表東北漫崗丘陵水土流失類型區(qū)典型區(qū)域的遼寧西部北票市生態(tài)修復區(qū)為研究區(qū)域，采用主成分分析和多元回歸分析方法，對研究區(qū)生態(tài)退化的主導驅(qū)動力因子進行定量研究，可為探討我國東北漫崗丘陵水土流失類型區(qū)生態(tài)退化成因及其修復工程的建設(shè)提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

北票市水土保持生態(tài)修復區(qū)位于遼寧西部朝陽市的東北部，大凌河中游。地處東經(jīng)120°15′－121°18′，北緯41°23′－42°17′。區(qū)域總面積4469 km2，屬遼西山地丘陵區(qū)，是我國東北漫崗丘陵水土流失類型區(qū)的典型區(qū)域。氣候類型為半干旱、半濕潤大陸性季風氣候，多年平均氣溫8℃；多年平均降水量410～550mm，其中6－8月降水量占全年的80%以上。植被區(qū)劃屬華北植物區(qū)系的北界，由于與內(nèi)蒙古和長白植物區(qū)系相毗鄰，是華北、長白、內(nèi)蒙古三個植物區(qū)系的交匯地帶。土壤類型分為兩類，棕色土分布于海拔600m以上的山坡和植被茂密的陰坡山腳；淋溶褐土分布于海拔600m以下的山坡及河谷耕地［9］。

1.2 研究方法

1.2.1 生態(tài)退化及其驅(qū)動力指標的確定 生態(tài)退化及其驅(qū)動力指標的確定遵循自然環(huán)境因子與社會經(jīng)濟（人為）因子兼顧，以人為因子選擇為主的原則，結(jié)合社會訪問、專家技術(shù)咨詢和外業(yè)實地調(diào)查結(jié)果［10］，共選取10項指標（表1），其中，驅(qū)動力評價指標9個（2項自然環(huán)境指標和7項社會經(jīng)濟指標）；生態(tài)退化指標以北票市生態(tài)修復區(qū)29個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的土壤侵蝕面積比（即各鄉(xiāng)鎮(zhèn)土壤侵蝕面積占鄉(xiāng)鎮(zhèn)總面積的百分比）為空間序列。土壤侵蝕數(shù)據(jù)是基于北票市生態(tài)修復區(qū)1998年、2003年和2008年三期土壤遙感解譯數(shù)據(jù)。

1.2.2 生態(tài)退化驅(qū)動力統(tǒng)計分析方法

（1）生態(tài)退化驅(qū)動因子的主成分分析。主成分分析是綜合處理多個變量之間相關(guān)關(guān)系的一種強有力的方法［11］。本文應(yīng)用該方法對影響北票市生態(tài)修復區(qū)的9個驅(qū)動力指標進行降維和排序，以此分析該地區(qū)生態(tài)退化的主導驅(qū)動因子。

表1 生態(tài)退化及其驅(qū)動力評價指標體系

（2）生態(tài)退化驅(qū)動因子的多元回歸分析。多元線性回歸分析的基本原理是:設(shè)隨機變量Y與m個自變量之間存在線性關(guān)系，其數(shù)學模型為［12］:

利用n（i＝1，2，3，…，n）組觀測值（X1i，X2i，…，Xmi，Yi），根據(jù)最小二乘法原理求出式中的待定系數(shù)B0，B1，B2，…，Bm。

以主成分分析中得出的主導驅(qū)動因子為自變量，以土壤侵蝕面積比為因變量，運用Stepwise方法進行逐步回歸分析，建立北票市生態(tài)修復區(qū)土壤侵蝕面積比與驅(qū)動因子的多元回歸模型。在Stepwise方法中，進入概率≤0.05，移出概率≥0.1［13］。

2 結(jié)果與分析

2.1 生態(tài)退化驅(qū)動因子的主成分分析

（1）提取主成分。主成分分析方法中的特征值與特征向量及主成分貢獻率與累計貢獻率的計算是借助SPSS（Statistical Package for the Social Sciences）軟件來完成。計算得特征值及各個主成分的貢獻率與累計貢獻率（見表2）。由表2可知，第一、第二兩個主成分因子的累積貢獻率已經(jīng)超過了85.064%，完全達到分析的要求（因子碎石圖見圖1），并得到主成分載荷矩陣（表3）。第一、第二兩個主成分因子表達式為

由表3看出，Y1為第一個主成分，在X4（土地墾殖率）、X7（人均養(yǎng)畜量）、X6（人均經(jīng)濟林面積）上有很大的載荷（表3），且相關(guān)系數(shù)都在0.940以上，這三個變量分別代表了北票市生態(tài)修復區(qū)土地開發(fā)和種植業(yè)發(fā)展程度（X4）、畜牧業(yè)的發(fā)展程度（X7）、經(jīng)濟林的發(fā)展程度（X6）。表明北票市生態(tài)修復區(qū)生態(tài)退化與農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)狀況（種植業(yè)、林果業(yè)、畜牧業(yè)）密切相關(guān)，主要體現(xiàn)在坡耕地的耕種、飼養(yǎng)牲畜對林草地較強的依賴性以及坡地經(jīng)濟林地的開發(fā)利用上。第一主成分與社會經(jīng)濟因子中的X3（人口密度）、X9（人均糧食產(chǎn)量），也有較高的相關(guān)性，相關(guān)性在0.884以上（表3），說明人口壓力大、人為活動強度高、糧食自給量高的地區(qū)有較大可能發(fā)生生態(tài)退化和水土流失的潛力。第一主成分與自然因子中的X2（地面坡度）、X1（年均降水量）的相關(guān)性在0.849以上，說明自然因子也是生態(tài)退化和水土流失增加的重要影響因素。由此可見，社會經(jīng)濟因子在北票市生態(tài)修復區(qū)的生態(tài)退化中占據(jù)支配地位，而自然環(huán)境因素是生態(tài)退化發(fā)生的前提和基礎(chǔ)。第一主成分對生態(tài)退化的貢獻率為79.017%，是生態(tài)退化的主導驅(qū)動因子。

表2 特征值與主成分貢獻率

圖1 主成分碎石圖

Y2為第二個主成分，在X5（人均耕地面積）上有較大荷載（表3），人均耕地資源的減少，在一定條件下將促進農(nóng)業(yè)集約經(jīng)營水平的提高，從而提高單位面積產(chǎn)量及精耕細作，減輕水土流失。因此，人均耕地面積多的區(qū)域，可能對生態(tài)退化產(chǎn)生一定的影響。第二個主成分對生態(tài)退化的貢獻率為6.047%，對生態(tài)退化也產(chǎn)生了一定的影響。

（2）生態(tài)退化驅(qū)動因子排序。按驅(qū)動因子對北票市生態(tài)修復區(qū)生態(tài)退化的貢獻可以計算得出9個原始變量的得分值，并對其排序即:X4（土地墾殖率）＞X7（人均養(yǎng)畜量）＞X6（人均經(jīng)濟林面積）＞X3（人口密度）＞X9（人均糧食產(chǎn)量）＞X2（地面坡度）＞X1（年均降水量）＞X5（人均耕地面積）＞X8（人均農(nóng)業(yè)產(chǎn)值）。可見，北票市生態(tài)修復區(qū)生態(tài)退化的主要驅(qū)動因子為以自然環(huán)境因子為前提和基礎(chǔ)下的社會經(jīng)濟因子；在社會經(jīng)濟因子中，體現(xiàn)農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)狀況的土地墾殖率、人均養(yǎng)畜量和人均經(jīng)濟林面積等社會經(jīng)濟因子，對該地區(qū)生態(tài)退化的影響較為明顯。

表3 主成分載荷矩陣

2.2 生態(tài)退化驅(qū)動因子的多元回歸分析

（1）多元逐步回歸模型的建立。北票市生態(tài)修復區(qū)29個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的土壤侵蝕面積比與生態(tài)退化主導驅(qū)動因子的多元逐步回歸模型為

式中:X4——土地墾 殖率；X7——人 均 養(yǎng) 畜量；X2——地面坡度；Y——土壤侵蝕面積比。

由回歸模型（1）可知，土壤侵蝕面積比與土地墾殖率、人均養(yǎng)畜量、地面坡度成正比，復相關(guān)系數(shù)R為0.980（表4），說明土壤侵蝕面積比（Y）與X7（人均養(yǎng)畜量）、X4（土地墾殖率）、X2（地面坡度）之間具有比較顯著的相關(guān)關(guān)系。由偏相關(guān)系數(shù)（表5）可知，對土壤侵蝕面積比（Y）的影響由大到小依次為X7＞X4＞X2。X7和X4均是人為驅(qū)動因子，可見，人為驅(qū)動因子是第一位的；而作為自然環(huán)境因子的X2（地面坡度）是第二位的。說明超載放牧、土地資源的過度開發(fā)是導致北票市生態(tài)修復區(qū)水土流失與生態(tài)退化的主導驅(qū)動因素，這與上述主成分分析結(jié)果基本吻合。

表4 北票市生態(tài)修復區(qū)生態(tài)退化驅(qū)動因子多元回歸模型

表5 北票生態(tài)修復區(qū)生態(tài)退化驅(qū)動因子多元回歸回歸系數(shù)表

（2）回歸模型的顯著性檢驗。通過對回歸模型（1）進行F檢驗（表6），得到方差分析的顯著性概率sig.＝0.000遠小于0.05，因此，回歸模型（1）有意義，線性回歸效果顯著。從回歸模型（1）的標準化殘差的直方圖（圖2a）和殘差累積概率圖（圖2b）看出，樣本的殘差近似于正態(tài)分布，圖中的散點密切地散布在斜線（對應(yīng)著一個均值為0的正態(tài)分布）附近，說明隨機變量殘差服從正態(tài)分布，回歸模型（1）通過顯著性檢驗。

表6 北票市生態(tài)修復區(qū)生態(tài)退化驅(qū)動因子多元回歸模型顯著性檢驗

圖2 標準化殘差的直方圖（a）和標準化殘差的累積概率圖（b）

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié) 論

（1）主成分分析結(jié)果表明，以自然環(huán)境因子為前提和基礎(chǔ)下的社會經(jīng)濟因子是導致北票市生態(tài)修復區(qū)生態(tài)退化的主要驅(qū)動因子，其中，社會經(jīng)濟因子中體現(xiàn)農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)狀況的土地墾殖率、人均養(yǎng)畜量和人均經(jīng)濟林面積等社會經(jīng)濟因子，對該地區(qū)生態(tài)退化的影響較為明顯。

（2）多元回歸分析結(jié)果表明，在北票市生態(tài)修復區(qū)內(nèi)，超載放牧、土地資源的過度開發(fā)是導致該地區(qū)水土流失與生態(tài)退化的主導驅(qū)動因子，而作為自然環(huán)境因子的地面坡度是第二位的，是發(fā)生水土流失與生態(tài)退化的前提和基礎(chǔ)。這與主成分分析結(jié)果基本吻合。

3.2 建 議

遼寧西部北票市生態(tài)修復區(qū)生態(tài)退化的主要原因是社會經(jīng)濟因素對生態(tài)系統(tǒng)的干擾，而且是疊加于脆弱的自然環(huán)境因素之上。在社會經(jīng)濟因素中，超載放牧、土地資源過度墾殖、人口壓力不斷增大等是北票市生態(tài)修復區(qū)生態(tài)退化和水土流失發(fā)生發(fā)展的重要驅(qū)動力。因此，該地區(qū)的生態(tài)修復工程建設(shè)，首先，應(yīng)加大封山育林（草）、退耕還林（草）和禁牧圈養(yǎng)等生態(tài)修復工程的力度，適度實施具有水土保持工程整地措施的經(jīng)濟林建設(shè)，使區(qū)域林草植被蓋度盡快得到恢復，提高區(qū)域的綜合生態(tài)防護功能；其次，應(yīng)加速坡耕地整治工程，實施農(nóng)耕地保育措施，杜絕挖沙開礦等開發(fā)建設(shè)活動；再次，限制人口增長，緩解人口增長給生態(tài)環(huán)境帶來的巨大壓力。

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