毛乌素沙地农业生态系统耦合及其时序测度

【摘要】：位于我国北方农牧交错带的毛乌素沙地,是我国重要的生态屏障区,也是农业与畜牧业交错、耦合发展的典型区域。由于处在森林-草原-荒漠的“生态应力带”上,加上植被覆盖度低、土壤组成物质疏松以及易受人为干扰等因素影响,具有典型的生态脆弱性,系统的敏感性强、稳定性差,人类不合理的生产经营活动极易造成生态系统环境的迅速退化。因此,毛乌素沙地农业生态系统的研究具有极其重要理论价值和现实意义。论文重点选择毛乌素沙地偏农区的榆阳区与偏牧区的乌审旗为比较研究对象,在近50a的时间尺度上,在区域、县域和户域研究的空间尺度上,运用区域调研与试验验证相结合、定性分析与定量研究相结合、动态评价与静态分析相结合及归纳与演绎相结合的研究方法,对毛乌素沙地农业生态系统的耦合原理与机制、耦合环境、耦合效应及耦合系统的协调发展状况等进行了深入研究,提出了耦合农业生态系统的优化模式体系及其稳健发展的长效机制。主要研究结论如下: (1)毛乌素沙地草地、绿洲、荒漠在没有人类社会经济活动之前,是通过水资源分布及其可利用性的联系而形成的一个自然耦合生态系统。在人类开发利用自然资源基础上进行的农业社会经济活动对大系统的干扰,促进了各农业子系统之间能流、物流和信息流的交换与循环,从而使其农牧业系统、农产品加工业系统及与外界系统实现了多途径耦合。同时,理想的毛乌素沙地农业生态系统耦合格局,应当打破行政割据,形成半包庇式系统耦合带谱,带谱沿线有“陶乐-银川-永宁-灵武-盐池-定边-靖边-横山-榆阳-神木-府谷等”主要城市群,起着极其重要的辐射带动作用。 (2)在近50a里,毛乌素沙地气候逐渐趋于暖湿化,年内光温水等相对匹配,当地应在适当发展夏粮作物的同时,大力发展人工牧草种植,充分利用夏秋气候资源集中的优势。研究发现,沙地东南缘的6县、区均为牧草的适宜生长区,其中神木(B,0.82)适宜程度最高,定边(B,0.57)最低;热量资源和光照资源均属丰富,水分资源普遍缺乏,定边(S水,0.39)缺乏最严重;带内各县、区气候资源量一般,光、热、水匹配较差,资源利用率有差异,相比神木(K,0.77)最高;气候功能评价结果的大小顺序:神木府谷靖边榆阳=横山定边,总体呈现东北高西南低的走向;水分是整个毛乌素沙地气候功能发挥的主要限制因子。 (3)人地关系矛盾突出是毛乌素沙地沙漠化的内在根源和决定因素,是沙漠化的直接动力,但无论是从时间上还是空间上讲,该区的土地沙漠化都处于整体逆转的阶段。研究发现,近58a在沙漠化的自然因子和社会因子中,耕地面积、蒸发量和大风日数对榆阳区沙漠化的影响较对乌审旗大,而农牧业人口数量、牲畜数量和降水量对乌审旗沙漠化的影响较对榆阳区大,农牧业人口数量是对两地沙漠化影响均最大的重要因子;人为因子对两地土地沙漠化作用力的合力是持续增加的,且乌审旗人为因子对沙漠化的贡献率大于榆阳区,人为因子是两地导致沙漠化的主要作用力;乌审旗沙漠化因子综合影响大于榆阳区,从长远看,乌审旗沙漠化发展驱动力强,沙漠化可能性较榆阳区大。 (4)区域土壤水分结构特征是毛乌素沙地景观形成的本底要素。从田间景观尺度看,裸地比作物地日蒸发量和年蒸发量都大,受干沙层影响,裸地仅呈单峰曲线变化;作物地生育期内土壤水分含量存在剧烈变化层,且裸地水分保有量较作物地为好;农田水分渗漏量约为141.25mm,玉米与马铃薯的作物蒸腾量约为175.3mm与183.91mm,而农田实际蒸散量即作物耗水量约分别为306.48mm与303.29mm。从农业产业结构看,榆阳区种植业是主导产业,而畜牧业是最具发展潜势的产业,应处理好种植业与畜牧业协调发展的关系,适当控制其规模与结构,注意发展草食畜牧业,减少耗粮型生猪生产对粮食生产的压力;乌审旗种植业和畜牧业均处于发展期,畜牧业是国民经济发展的支柱产业,应加大畜群品种改良优化,提高饲草料的转化利用率,可适当发展特种养殖业;榆阳区和乌审旗林业、渔业尚有较大的发展空间。 (5)受重大生态工程(退耕还林)对土地利用变化的影响,榆阳区生态系统服务价值变化表现为:林地和牧草地是总价值的主要构成,且各种土地利用类型的服务价值均表现为急剧变化期和平缓变化期的阶段性特征;林地、园地、交通地及总价值依时间序列从快速增加至缓慢增长方向演变,耕地、牧草地、未利用地价值依时间序列从快速减少至缓慢减退方向演变;退耕还林工程前后系统总价值增加了0.19×109元,单位面积增加值为254元;价值增加的乡镇主要分布在东南部和北部两片,而减少的主要在中部和西部连片,且各乡镇价值及其单位面积价值的分布具有北部风沙草滩区大,南部黄土丘陵沟壑区小的特点。 (6)在近27a中,粮食生产在榆阳区初级生产中占有举足轻重的作用,牧草始终是乌审旗初级生产力的最主要部分,说明两地偏农型和偏牧型农牧耦合发展模式的特点;榆阳区有以耗粮型生猪、禽类生产为主的势头,乌审旗有以节粮型草食动物生产为主的势头;榆阳区农牧系统比乌审旗较为开放,其与外界的能流、物流、信息流交换较频繁,系统调控力度大,产出高;榆阳区种植业与畜牧业之间的能值转换率较高,畜牧业内部品种结构也较合理,品种的更新换代较快,其系统耦合度较高,而乌审旗发展系统耦合的潜势巨大。 (7)毛乌素沙地偏农区偏重不可更新工业辅助能投入,而偏牧区偏重可更新有机能投入。模式Ⅱ(榆阳区偏农型典型农户单元生态经济系统模式)在农、牧户经营层面,更具有竞争力和优势,其经济效益较模式Ⅰ(乌审旗偏牧型典型牧户单元生态经济系统模式)为好,且经济发展程度和农牧业集约化程度高,对环境依赖性小,系统的自我控制和调节反馈能力强,有较强自稳定性,抗外界干扰能力也较模式Ⅰ强,故应防止产业无序竞争和过度开发,同时由于其长期处于较高的环境负荷力下,系统有可能产生不可逆转的功能退化或丧失。模式Ⅰ和模式Ⅱ的可持续性指数均属消费型生态经济系统范畴,模式Ⅰ的可持续性较好,且优化调控空间较大,农牧耦合潜势尚待发挥。 (8)近27a榆阳区和乌审旗早期的发展主要是依靠消耗REn(资源环境)承载力为代价的,在人口基数还不是很大的有利条件下,脆弱的生态环境、有限的资源以及滞后的SE(社会经济)很难形成良好的系统协调发展态势,且不损害REn承载力的发展模式又面临技术、资金和市场的多重约束。随着区域生态环境建设与农业经济结构的优化,榆阳区和乌审旗的SE发展度、REn承载力及SEREn(社会、经济、资源和环境)协调发展度基本上均沿时间序列增加,SE与REn协调发展的类型也均逐渐趋于更高水平,农牧业产业结构也逐渐由以资源环境消耗为主的资源密集型向以资金、科技利用为主的技术密集型转变。受人类活动强度与农业生态系统开放性的影响,两地SEREn的承载力和发展度产生了相应时序演变特征,使得SE与REn协调发展状况也发生相应变化。 (9)毛乌素沙地耦合农业生态系统模式的改良优化必须着眼系统功能的有效化,协调处理好系统内的农业与畜牧业、农业与林业、农业与能源开发工业的关系,积极搭建以防护型生态结构、节水型种植结构、稳定型畜牧结构和效益型农业产业结构为中心内容的脆弱性耦合农业生态系统优化模式体系,并加强模式之间的互补、协调与整合。同时,农牧结合是系统的结构特征,农牧矛盾高度紧张是系统的功能特征,构建稳定、安全的农牧系统耦合结构是实现毛乌素沙地脆弱农业生态系统稳健发展的核心问题。