全 文 ：第 26 卷第 1期
2006 年 1月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol. 26, No. 1
Jan. , 2006
晋陕宁黄土丘陵区生态修复与农林牧业
持续发展仿真研究
张汉雄,上官周平*
( 11 中国科学院水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室, 陕西杨凌 712100; 21 西北农林科技大学, 陕西杨凌 712100)
基金项目:国家重点基础研究发展规划资助项目(2002CB111502) ;中国科学院西部之光人才培养计划联合学者资助项目
收稿日期: 2005-03-03;修订日期: 2005-09-10
作者简介:张汉雄( 1945~ ) , 高级工程师, 主要从事水土保持、恢复生态学与生态环境研究.
* 通讯作者 Author for correspondence. E-mail: shnagguan@ms. iswc. ac. cn
Foundation item: National Key Project for Basic Research and Development Plan (No. 2002CB111502) , the United Scholar. s Item of Talent Training Program in
West China of Chinese Academy of Sciences
Received date: 2005-03-03; Accepted date: 2005-09-10
Biography: ZHANG Han-Xiong, Senior engineer, mainly engaged in soil and water conservation, restoration ecology and environment in loess region.
摘要:晋陕宁黄土丘陵区土壤侵蚀严重, 生态环境脆弱, 不合理利用土地是其主要原因,生态修复与环境重建是该区生态与经济
持续发展的重要战略措施。应用系统动力学( System Dynamic, 简称 SD) 和/ 反馈控制( Feedback control)理论建立了该区生态修
复和环境重建的 SD模型,它分为人口、农业、林业、牧业、农村经济、土壤侵蚀和生态环境 6 个模块, 仿真时间 1990~ 2080 年, 步
长 1a。经检验该 SD模型的有效性为 9315% ,可用于未来仿真预测。根据该区的生态环境特点和农牧业发展现状, 选择生态环
境恢复重建的 3种典型模式 ) ) ) 同步发展模式( A模式)、逐步调整模式( B 模式)和现状发展模式( C 模式)进行仿真研究, 预测
3 种模式 2000~ 2080 年的土壤侵蚀、土地利用的发展动态以及农林牧业和生态环境演化趋势。仿真结果表明: 土地利用与农、
林、牧业持续发展密切相关, 坡耕地和草场退化是制约农林牧业发展的主要因素。合理调整土地利用结构和加速治理侵蚀, 可
促进生态环境逐步恢复和农林牧业持续发展。同步发展模式( A模式)是该区生态修复和环境重建的 3 个仿真模式中的最优策
略,它可促进农林牧协调发展和生态-经济趋向良性循环,并提出该区生态修复与环境重建的对策措施。该 SD 模型结构合理,
运行功能良好,能较真实的模拟具有多变量、非线性变量的复杂生态系统的动态行为, 为生态修复研究提供一种有效工具。
关键词:晋陕宁黄土丘陵区; 生态修复; 土地利用; 土壤侵蚀; 仿真研究;持续发展
文章编号: 1000-0933(2006) 01-0297-08 中图分类号: Q14, S181, X32,X144 文献标识码: A
The simulation study of the rehabilitation of ecological environments and the
sustainable developments of agriculture, forestry, animal husbandry in the loess
hilly regions in Shanxi Province, Shaanxi Province and Ningxia Automous Region
ZHANG Han-Xiong, SHANGGUAN Zhou-Ping ( 11State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Agriculture on the Loess Plateau , Insti tute of
Soil and Water Conservation, ChineseAcademy of Sciences, Yangl ing 712100, China; 21Northwest A & F University, Yangling 712100, China ) . Acta Ecologica
Sinica , 2006, 26( 1) : 297~ 304.
Abstract: The hilly loess regions suffer severe soil erosion and thus form fragile ecological ecology environments mainly because of
their improper land uses and as a result ecological rehabilitation and environmental reconstruction are the strategies for the
sustainable ecological and economic developments in these regions. With its simulation steplength standing at one year and its
simulation period spanned between 1990 and 2080, the study, relying on the theories in system dynamics ( shortened as SD) and
feedback control and, has established the SD models of ecological rehabilitation and environmental reconstruction whose 6 modules
being respectively aimed at agriculture, forestry, animal husbandry, rural economy, soil erosion and ecological environment. The
models have been tested with plus software on PC computer to have an efficiency of 9315% and can been used for the future
simulation predictions. Considering the characteristics of ecological environments and the developmental actualites of agriculture
and animal husbandry in the regions, there are three representative models, synchronous developmental model ( Model A ) ,
progressive adjustment model (Model B) and actual development model ( Model C) , which have been be chosen for the ecological
and environmental reconstructions of these regions in analyzing and predicting the trends in soil erosion, land use, agriculture,
forestry and animal husbandry and ecological environment evolution between 2000 and 2080. The simulation results show as
follows:
Land use closely relates to the sustainable developments of agriculture, forestry- and animal husbandry, and the degeneration
of slope- farmland and grassland degenerations are themain limiting factor in the sustainable developments of agriculture, forestry-
and animal husbandry. Thus, properly- regulated land use and accelerated erosion control are capable of enhancing the gradual
ecological rehabilitation and the sustainable developments of agriculture, forestry and animal husbandry.
Of the three simulat ion models, synchronous developmental model is the optimal strategy for ecology ecological rehabilitation
and environmental reconstructions in these regions. It can promote the coordinative development of agriculture, forestry-and animal
husbandry and help to form a good ecological and economic cycle.
With its good structure and performance, the SD model is capable of the dynamic actions of complex ecosystems involving
multiple variables and nonlinear variables thereby becoming an effective tool in the research of ecological rehabilitation. The major
problems of the SD model are that because the model covers a large scope and involves some statistically generalized parameter and
field experimental data about erosion, which are not completely representative, it suffers in reliability and efficiency and thus
needs to further modify the sampling and analyzing methods to guarantee proper parameters and thus make themodel perform well.
Key words: hilly loess regions; Shanxi Province; Shaanxi Province; Ningxia Automous Region; ecological rehabilitation; land
use; soil erosion; simulation research; sustainable development
晋陕宁黄土丘陵区土壤侵蚀严重, 生态环境脆弱, 生态修复是改善脆弱生态环境和生产条件、促进区域持
续发展的关键, 也是西部大开发的重要举措。生态修复涉及退耕还林种草、粮食产量稳定增长、土壤侵蚀治理
和农林牧业与农村经济持续发展诸多方面 [ 1~ 3] , 系统综合性强。为深入探索区域生态修复与合理利用土地、
控制土壤侵蚀和生态环境的动态发展关系,应用系统动力学模型对该区的生态修复进行仿真研究, 为该区的
环境治理、资源开发和持续发展提供科学依据。
1 晋陕宁黄土丘陵区的土地利用与生态环境现状
晋陕宁黄土丘陵区泛指黄土高原中部的丘陵沟壑地带, 包括晋西、陕北、宁南的 31 个县(市) , 总面积
77218 @ 104hm2 ; 其中丘陵沟壑面积 699177 @ 104hm2 ,占 90155%, 其余为川台塬地, 占 9145%。该区沟壑密度
415~ 7kmPkm2 ,沟谷相对高差 150~ 200m,地形破碎, 土壤侵蚀严重, 生态环境脆弱。2000 年总人口 671199 @
10
4 人,人口密度 86195人Pkm2 ,农村人均纯收入 985元。
111 土地利用现状及存在问题
据有关省区土地资源 Ò级分类资料 ¹ ,该区实际耕地面积 27215 @ 104hm2 , 林地 121143 @ 104hm2 ,牧荒地
221128 @ 104hm2 , 分别占总面积的 35126%、15171%和 28163%, 非生产地和未利用地占 20139%。耕地中,梯
田、坝地等基本农田 17171 @ 104hm2 , 较平缓川台地 51112 @ 104hm2 ,坡耕地 203167 @ 104hm2 , \25b的坡耕地有
155199 @ 104hm2 , 占耕地的 57125%,需逐步退耕还林草。土地利用中的主要问题是:
( 1)土地利用不合理、耕地多,农业人均耕地 0156~ 0177hm2 , 高者达 1130hm2 ,林牧地少, 坡耕地土壤侵蚀
严重。部分县耕地占总面积的 45% ~ 55%,而林地仅占 10%左右, 牧地仅约占 5%。过度耕垦导致人为加速
侵蚀、生态环境恶化,粮食产量不稳,制约农林牧业发展。
298 生 态 学 报 26卷
¹ 陕西省土地管理局. 陕西省土地利用现状调查数据集. 1996, 105~ 168;山西省国土资源局. 山西省土地资源. 1997. 174~ 205;宁夏回族自治
区国土资源局. 宁夏回族自治区土地资源. 1998. 95~ 135
( 2)耕地主要是干旱瘠薄的坡耕地,基本农田少,广种薄收,粮食单产低而不稳,仅约 1500kgPhm2。由于气
候干旱、土壤侵蚀强,生产力低,因而导致轮山倒种-垦荒-土壤侵蚀加剧的恶性生态经济循环。
( 3)林地少, 且多为灌木和人工林,分布稀疏、生态功能低,经济效益差。由于农村经济贫困、能源短缺,垦
荒毁林较普遍, 退耕造林种草发展不稳定,故生态修复与综合治理应同步协调快速发展。
( 4)草场退化、超载过牧,导致草场生产力降低,载畜量大起大落,荒山坡土壤侵蚀加剧。
112 水土流失与生态环境特点
该区黄土层厚 100~ 150m,质地疏松,易侵蚀,加之植被稀少,地形破碎, 土壤侵蚀严重。侵蚀程度大致分
为3类:强度与强烈侵蚀,侵蚀模数在 8000~ 14000tP( km2#a) ,侵蚀地类为坡耕地、撩荒地和风沙丘陵地; 中度
侵蚀模数在 4000~ 8000tP( km2#a) , 主要是荒山坡、稀疏灌木地;轻度侵蚀模数为 1500~ 4000tP( km2#a) , 侵蚀地
类为盖度小的未成林地、坡地果园、缓坡耕地及未防护的非生产地。
该区水土流失总面积为 606163 @ 104hm2 ,占总面积的 7815% ,其中较严重的侵蚀面积 423134 @ 104hm2 ,强
度、中度、轻度侵蚀面积分别占 25198%、43194%和 30109% ,轻微侵蚀面积为 183129 @ 104hm2。虽多年来综合
治理减少了侵蚀,但垦荒、轮山倒种、种草复耕、超载放牧等不合理利用土地又加速侵蚀, 侵蚀动态变化剧烈,
生态修复与农林牧业能否协调持续发展,需仿真研究其调控和对策措施。
2 区域生态修复与环境重建 SD模型
211 区域生态修复与环境重建的仿真研究思路与方法
区域生态修复涉及土地利用、农林牧业和生态环境协调发展诸多方面,且需近期与中远期的经济-生态效
益统筹兼顾,是一个庞大复杂的生态经济系统。该系统受农林牧业、生态环境和人为活动等因素影响与制约,
相互抑制与促进,形成多重正、负反馈环,使系统行为产生复杂的多维动态变化。
根据系统动力学( System Dynamic, 简称 SD)和反馈控制( Feedback control)原理[ 4, 5] ,系统结构决定其动态行
为。因此, 可建立区域生态修复的 SD模型,对生态修复中退耕还林草与土地利用合理调整、土壤侵蚀、农林
牧业与生态环境协调持续发展的动态变化进行仿真研究,寻求生态环境恢复重建的最佳方案与对策措施。仿
真研究的方法步骤是:
( 1)实地调研考察系统,分析资料,对系统诊断,确定影响因素、发展目标及生态经济评价指标。
( 2)分析系统结构特征及其因果关系,建立具有正、负反馈环的系统结构流图(即 Forrester图)。
(3)参数确定 模型参数要合理、有代表性, 故用统计分析法对该地的实际资料概化, 如粮食单产、产草
量、人畜需求标准等参数,由安塞、固原、神木试点的野外试验资料确定不同类型土地与治理措施的侵蚀模数
等变量参数值。然后按系统流图关系, 用DYNAMO语言编写方程,即为 SD模型。
( 4)仿真实验 仿真过去检查模型的有效性,然后初选 3个比较模式,仿真并预测未来发展动态。
212 区域生态修复与环境重建系统仿真 SD模型
该SD模型包括系统流图和构造方程两部分, 系统流图(图 1)是系统中变量关系的定性描述, 构造方程即
其定量表达,二者相辅相成。该 SD模型含 15个状态方程, 30个流率方程, 115个辅助方程和 137个参数,按
类型分为人口、农业、林业、牧业、农村经济、土壤侵蚀与生态环境 6个模块。
( 1)农业模块 调整耕地、粮田、经济作物面积,预测粮食产量与供需平衡,主要方程:
L FAD. K= FAD. J+ DT( FADI. JK-FADR. JK)
R FADI. KL= RAA.KL+ RAB. KL+ RAC. KL
R FADR.KL= RBA. KL+ RBB.KL+ RBC. KL
A RBB. K= CLIP( ( CLIP( 0. 85 @ FAD. K-X10. K) , 0105,V61K, 215) , 0, FAD. K, V10.K)
式中, FAD、RAA、RAB、RAC分别为耕地、垦荒、果树减少、种草复耕面积, RBA、RBB、RBC 分别为占用耕
地、退耕还林和种草面积,V10, V6分别为总播面积和人均基本田面积。
( 2)林业模块 协调乔木、灌木、果树面积的发展,预测果产量、木材蓄积量, 主要方程:
2991期 张汉雄 等:晋陕宁黄土丘陵区生态修复与农林牧业持续发展仿真研究
图 1 生态修复与环境重建 SD模型的系统流图( Forrester 图)
Fig. 1 The system flow figure of SD model on ecology rehabilitat ion and circumstance rebuild
11Birthrate; 21 Immigratory rate; 31Populat ion increment ; 41Gross populat ion; 51Depopulat ion; 61Feeding criterion; 71Fodder grain; 81 Increment ; 91Feeding
livestock; 101Reduction; 111Meat output; 121Fur output ; 131Milk output ; 141Non-production location; 151Production location; 161Food criterion; 171Mortal ity;
181People. s average grain; 191Forage plants; 201Fodder increment; 211Propagate rate; 221Forage increment ; 231Livestock st ructure; 241Slaughtered rate of
livestock; 251Feeding forage quot iety; 261Sheep; 271Pigs; 281Bulky livestock; 291Retreating cultivated land to grassland; 301Decrease; 311Scanty cultivated
land; 321Cultivated land areas; 331Areas of retreat ing cultivated land; 341Demand for cult ivated land; 351Retreating rate; 361Demand for grain; 371Dif ference
in supply and demand; 381Proportion of seed yield to straw yield; 391Straw amount ; 401Grain yield; 411Grain yield per unit area; 421Organic fertilizer;
431Forage; 441Gross forage yield; 451Increase; 461Forage yield per unit area; 471Grassland area; 481Control for planting grasses; 491Grass planted per unit
area; 501Preferable cult ivated land; 511 Increase; 521Total cult ivated areas; 531Repeated cultivated rate; 541Variety rate; 551Farmland area; 561Fert ilizat ion
amount; 571Economic crop; 581Fertilizer production rate; 591Basic plowland; 601Developmental rate; 611Deserted hil lside area; 621 Irrigated cult ivated land;
631Field grass yield per unit area; 641Decrease; 651Turnover period of cultivat ion; 661Renew ed period; 671Proport ion of grass to livestock amounts;
681Retreating grassland to forest land; 691Crop st ructure; 70, 721Proportion; 711Other crops; 731Reclamat ion land; 741Retreat ing orchard to cult ivated land;
751Non-available land; 761Retreat ing rate of cult ivated land; 771Growth quantities; 781Growth rate of forests; 791Stock amounts; 801Erosion increment ;
811Demand for fruits; 821Slight eroded areas; 83, 861Transferred rate; 841Transferring from slight to moderate degree; 851Moderate eroded areas;
871Transferring from moderate to strong degree; 881St rong eroded areas; 891Erosion reduct ion; 901Timber criterion; 911Demand for t imber; 921Forest
investment; 931Preferable forestland areas; 94, 1001 Increased areas; 951Deforestation amounts; 961Decrease; 971Turnover period of deforestation; 98,
1041Decreased areas; 991Timber product ion; 1011Control for orchard; 1021Orchard areas; 1031People. s average orchard; 1051Be short of cultivated land;
1061Aging rate; 1071Fruit yield per unit area; 1081Sl ight eroded intensity; 1091Moderate eroded intensity; 1101Soil runoff amounts; 1111Strong eroded
intensity; 1121Total runoff areas; 1131Controlling degree; 1141Expense quot iety; 1151Ecological demand; 1161Shrub areas; 1171Forest structure; 1181Arbor
areas; 1191Fruit yield areas; 1201Fruit yield; 1211Needing managed areas; 1221Total land areas; 1231delay
L FOR A. K= FOR A. J+ DT @ (FORAI. JK-FORAR. JK-FORAEK)
L FORB. K= FORB. J+ DT @ ( FORAR. JK-SOT. JP300 )
300 生 态 学 报 26卷
R FORAI.KL= (FORA.K+ FORB. K) @ CLIP( 0, P1 , FORB. K+ FORA.K, 0. 67 @V 67 )
L SOT.K= SOT. J+ DT @ ( SOTI. J-SOT. JPm12 )
R SOTI.KL= 0. 12 @ FORA.K+ 0. 05 @ FORB.K
式中, FOR A、FORB分别为幼林和中成林面积; FORAR是幼林转中成林面积, FORAE为幼林破坏面积; P1
为造林速率, V67为宜林面积, SOT 为木材蓄积量, SOTI为生长量, m12为采伐周期。
( 3)牧业模块 预测各类草场面积、饲草供需平衡和载畜量,主要方程为:
L BRE. K= BRE. J+ DT @ ( BREI. JK-BRER. JK)
R BREI. KL= m16 @ ( GRS. K-GRO. K)Pm17
L GRD. K= GRD. J+ DT @ ( GRDI. JK-GRDR. JK)
R GRDI. KL= GRD.K @ CLIP( 0, CLIP( P4 , 0. 7 @ P4 , RBC. KL, GRDR.KL) , BREI. KL, 75)
式中, GRS为饲草供给;GRO为饲草消耗量; BRE、BREI、BRER分别为载畜量、牲畜繁殖和出栏数; m16、m17
分别为草增量、食草标准;GRD为种草面积, P4 为种草发展速度。
( 4)土壤侵蚀与保持模块 预测各类侵蚀面积、侵蚀量与治理面积的发展动态变化。主要方程为:
L SWA.K= SWA. J+ DT @ ( FORDR. JK+ GRDR. JK-SRA. JK)
R SRA.KL= SWA.K @ TABHL(TP9, FAD#K, 0, 1, 012)-RBA.KL-m65 @ SWA. K
L SWB. K= SWB. J+ DT @ ( SRA. JK+ NUDR. JK-SWBR. JK-GRDI. JK-FORAI. JK-FORCI. JK)
R SWBR.KL= m66 @ SWB. K @ TABHL(TP11, RAA. KL, 0, 100, 10)
L SWC. K= SWC. J+ DT @ ( SWBR. JK-(HYDI. JK-FORAR. JK-FORDI. JK-RBB. JK) @ m67 )
L SOL.K= SOL. J+ DT @ ( SOLI. JK-SOLR. JK)
式中, SWA、SWB、SWC 分别为轻度、中度和强度流失面积; SRA, SWBR分别为轻度向中度, 中度向强度转
移面积; m66、m65为转移速率; m67为治理措施保存率; SOL 为土壤流失总量。
该SD模型用PD( Professional Dynamo) Plus软件在 PC机运行, 仿真时间为 2000~ 2080,步长 1a。用 1990~
2000年实际资料[ 6~ 8]与仿真数据比较,模型的有效性为 9315% ,可用于未来仿真预测。
3 3种生态修复与环境恢复重建模式的系统动态仿真分析
311 土地合理利用的3种生态修复模式
根据该区的农业资源与生态环境特点,选择 3种有代表性的生态修复发展模式进行仿真模拟研究:
(A)同步发展型 生态修复与建设基本农田和生态环境治理同步快速发展, 在确保粮食稳定增长的基础
上,促进农林牧业协调发展,耕地逐步减少到人均 0126hm2 ,人均基本田 0114hm2 , 森林盖度 30%以上, 生态环
境逐步趋向良性循环,农村经济较快发展,逐步实现小康水平。
( B)循序渐进型 在稳定粮食生产持续增长的前提下,根据农村经济基础和农牧业发展的需要, 逐步合
理调整农业用地结构,加大退耕还林种草与环境治理速度, 使农林牧业循序渐近的持续发展。
( C)现状发展型 近期保持传统经营模式, 坡耕地缓慢退耕,基本农田和环境治理发展较慢,造林种草有
一定发展,粮食供给低标准自给。中后期林草面积有较大发展, 生态修复与农林牧业发展不协调。
3种生态修复与环境重建模式的 2000~ 2080年仿真结果见表 1~ 表 2和图 2~ 图3。
312 同步发展模式(A模式)的土地利用与土壤侵蚀发展动态
该模式耕地面积呈逐渐递减的动态趋势,近 20a退耕较快,年均退耕 4149 @ 104hm2 ,到 2020年,耕地减少
3311%, 农业人均耕地 01326hm2、基本田 01043hm2 ,粮食产量由初期的 16115 @ 104t增加到 23012 @ 104 t ,粮食短
缺由 38164 @ 104 t减至 0179 @ 104 t,以后保持供需平衡。到 2040年, 随着单产提高, 耕地减少,退耕速度减慢;
林地较快增加, 林盖度达 32122%,牧地面积稍有减少,耕地面积保持相对稳定。2060年,牧地面积基本稳定,
牧业持续发展, 林地持续增加, 森林盖度达 3717%后保持稳定,农业人均耕地 0126hm2、基本农田 0114hm2。乔
3011期 张汉雄 等:晋陕宁黄土丘陵区生态修复与农林牧业持续发展仿真研究
木、灌木和果树面积均有增长,乔、灌面积比约为 6B4。
由于造林种草与生态环境治理同步发展,不同程度侵蚀面积显著减少。轻度侵蚀面积呈前期增加, 中后
期缓慢减少的波动变化, 最终比基期减少20162%; 中度侵蚀面积持续减少,最终可减少 77191%; 强度侵蚀前
期快速减少,后期趋于稳定状态的波动变化(图 3) ,最终可比基期减少 95101%。侵蚀面积将由现状的 423134
@ 104hm2 减至 134177 @ 104hm2 , 减少 68117%, 后期主要为人为活动增加的轻度侵蚀。总侵蚀量由初期的
31640 @ 104 t可减至 7647 @ 104 t,减少 75183%, 生态环境有明显改善。
表 1 3种仿真模式的土地利用与粮食生产发展动态
Table 1 The development dynamics of land use and grain for three simulating patterns
模式
Pattern
年份
Year
总人口
( 104 人)
Total
population
( 104)
用地面积( 104 hm2 )
Area of land use
林种面积( 104hm2)
Area of forest kind
耕地
Farmland
林地
Forest
牧地
Ley
乔木
Arbor
灌木
Shrub
果园
Garden
种草
面积
Area of
grow
grass
(104hm2)
人均( hm2 )
Per person possess
粮食产量( 104t)
Grain yield
耕地
Farmland
基本田
High
yield
land
产量
Grain
yield
余缺
Surplus
and
lackgr
人均
粮( kg)
Grain of
per
person
2000 671199 272150 121143 221128 62133 41147 17163 7111 0147 01026 16115 - 38164 24013
2020 757156 182179 190170 268166 101185 63160 25125 9197 0133 01043 23012 - 0179 30319
A 2040 777189 151123 249101 259192 140133 81134 27133 15105 0129 01089 24019 0168 30917
2060 771115 128127 291159 246196 166136 99125 25198 23116 0126 01138 23719 1153 30815
2020 757156 195155 181183 277168 96150 60153 24180 6194 0135 01037 23115 0109 30516
B 2040 777189 159130 227160 275126 125171 74172 27118 7141 0131 01075 26014 18181 33417
2060 771115 135149 257108 279124 142191 88132 25185 7198 0127 01117 25117 12166 32614
2020 757156 199147 174107 296162 92103 57195 24108 5120 0136 01035 21512 - 15179 28319
C 2040 777189 162139 210143 312133 114104 69135 27105 4106 0132 01069 22715 - 3198 29215
2060 771115 141144 228137 318101 122147 79173 26117 3121 0129 01105 23018 - 0197 29914
未利用地和非生产地未列,故各年农林牧用地总和不相等 The total area of the farmland, forest land and grazing land is variable because of the land of
non-use and non-yieldly are not included
表 2 3种仿真模式的土壤侵蚀与生态经济效益发展动态
Table 2 The development dynamic dynamics of soil erosion and ecology benefits for three simulating patterns
模式
Pattern
年份
Year
侵蚀面积
Area of
erosion
( 104hm2)
分类侵蚀面积( 104hm2 )
Area of per erosion class
轻度
Light
中度
Middle
强度
Inten
- sity
治理面积
Control
erosion
area
( 104hm2 )
侵蚀量
Erosion quant ity
总量
Total
erosion
( 104t)
减少
Reduced
erosion
( % )
森林
盖度
Forest
cover( % )
木材蓄积
Wood
cumula
-tion
( 104m3)
载畜量
Carry of
livestock
( 104 羊
sheep)
总产值
Total
output
( 108 元
Yuan)
人均收入
Income
of per
person
(元 yuan)
2000 423134 109198 185197 127139 146125 31640 0100 15171 80410 751154 31127 985
2020 298108 110149 110105 77154 233173 20980 33177 24168 260116 68618 53125 2550
A 2040 173115 96189 67167 8159 319153 10290 67152 321122 50014 890119 66164 5502
2060 134177 87131 41110 6136 394107 7647 75186 37173 758216 87012 68135 9473
2020 319165 112125 116186 90154 221183 22870 27181 23153 255914 679156 52198 2495
B 2040 243162 108135 95105 40122 290148 16030 49140 29145 475213 776197 66167 4835
2060 199160 112169 78141 8130 344144 11790 62178 33127 690612 820137 66193 8975
2020 313177 111167 112195 89121 213115 22410 29126 22152 252316 67616 47157 2456
C 2040 253193 106123 97152 5018 271137 17110 45199 27123 454811 78716 60170 4725
2060 219123 110147 93108 15169 312186 13520 57132 29155 636713 83617 62131 7850
总产值和人均收入按 2000年价格计算 The total output and income of per person are calculated based on the price of 2000 year
313 循序渐近模式(B模式)的土地利用与土壤侵蚀发展动态
该模式的农、林、牧土地利用及不同程度土壤侵蚀面积的发展趋势与A模式基本相似, 前期退耕速度比 A
模式稍小, 中后期稍大,最终耕地与 A模式保持同一水平; 到 2020年粮食生产基本保持供需平衡状态,以后有
少量余粮。牧地面积基本上没有多大变化, 牧业稳定发展。到 2060 年, 耕地保持稳定, 届时人均耕地
0127hm2、基本田 0112hm2 ,森林盖度为 33127%。该模式退耕造林种草与侵蚀治理发展循序渐近,初期林地发
展较快,中后期减慢。轻度侵蚀面积比基期稍有增加, 后期中度、强度侵蚀面积分别比基期减少 57180%和
93148%, 侵蚀量比基期减少 62178% ,生态环境有较显著的改善。
302 生 态 学 报 26卷
314 现状发展模式(C模式)的土地利用与土壤侵蚀发展动态
该模式近 20a耕地面积也有减少, 林地面积有较大发展, 但基本农田发展较慢; 到 2020年, 粮食产量为
21512 @ 10
4
t,缺粮15179 @ 104 t。由于退耕造林种草与治理发展不同步,农林牧业不协调, 随着耕地减少, 基本
农田发展慢,粮食产量增幅不大; 2040~ 2060年,人均粮食 292~ 299kg,粮食缺口由15 @ 104 t减少到1 @ 104 t,粮
食供需基本平衡;后期造林种草发展较慢,牧地以天然草场为主,人工种草发展较少,为满足粮食生产需求,后
期退耕速度减缓。到2060年,森林盖度达 29156% ;届时人均耕地 0129hm2、基本田 01105hm2 ; 牧地近期有较大
增加,以后保持波动变化、缓慢增加,载畜量稳定增长。该模式的粮食产量、载畜量、农产值、人均收入均较A、
B模式低。
图 2 同步发展( A)模式与现状发展( C)模式的土地利用动态变化
Fig. 2 The dynamic changes of land use for a synchronization development
pattern ( A) and an actuality development pattern ( C)
图 3 同步发展( A)模式与现状发展( C)模式的土壤侵蚀发展动态
Fig. 3 The dynamic changes of soil erosion for a synchronizat ion development
pattern (A) and an actuality development pattern ( C)
轻度侵蚀面积呈前期增加 ) 快速减少 ) 稳定的波动变化趋势,几乎没有减少;中度侵蚀呈快速减少 ) 缓
慢减少 ) 稳定的变化趋势;强度侵蚀呈快速减少 ) 缓慢减少 ) 小幅波动的稳定状态。到 2060年,中度、强度
侵蚀面积分别比现状减少 49195%和 8615%,侵蚀量减少 57132%,中后期以轻中度侵蚀为主。由于森林盖度
小,后期中轻度侵蚀有增加趋势,生态环境没有明显改善。
315 3种生态修复模式的综合评价
应用多目标模糊综合评审方法对 3种模式仿真的经济效益(人均收入, 农业总产值,产业结构)、社会效益
(粮产量, 载畜量,木材蓄积量,果品产量)、生态效益(森林盖度, 中、强度侵蚀面积,土壤流失总量)和系统的总
体功能进行综合评审。评审结果(略)表明: 3个目标期( 2020年, 2040年和 2060年) ,统筹兼顾各种效益, 3种
模式的总体功能值的优序均为 A模式最优, B模式次之, C模式最差。近期各模式的差异较小,由于森林的生
态效益滞后和补偿效应显著, 后期各模式的功能差异较显著。
因此,同步发展模式是该区生态修复和环境重建的最优策略, 它可促进农林牧协调发展和生态环境趋向
良性循环。在该区农村经济贫困、投资有限的情况下, 为促进生态经济协调发展,循序渐进模式也不失为一种
可供选择的生态修复和环境重建的次优发展方案。
4 讨论
通过上述 3种模式仿真的该区生态修复与农林牧业发展动态分析,可以看出:
( 1)合理利用土地与农、林、牧业持续发展密切相关, 各类用地面积发展相互制约, 呈非线性动态变化,坡
耕地和草场退化是制约农林牧业发展的主要因素。合理调整土地利用结构和加速治理可减少侵蚀,促进生态
环境逐步恢复和农林牧业持续发展;反之,生态环境恶化,系统总体功能降低。
(2)现状发展模式下,植被恢复缓慢, 土壤侵蚀呈增长趋势,且处于由轻到中、由中到强的转化与发展过
3031期 张汉雄 等:晋陕宁黄土丘陵区生态修复与农林牧业持续发展仿真研究
程,有加剧生态环境恶化的潜在危害。故应根据当地的生态环境特点和农林牧业发展优势,因地制宜,采取同
步发展模式及其相应的对策措施, 促进生态环境恢复和农林牧业持续发展。
( 3)正确认识系统、选择变量是合理构模的基础。该模型结构合理,变量关系与实际系统相符,运行状态
良好, 仿真中系统能够变目标跟踪控制, 收敛于目标,较真实的模拟系统的动态行为。因而, 该模型可应用于
多变量、具有非线性变量的复杂生态系统的仿真, 为生态修复研究提供一种有效工具。
( 4)合理确定参数是提高仿真结果可信度的关键。由于该系统范围大、各地生态经济状况千差万别, 某些
统计分析的概化参数和野外侵蚀试验的资料也不完全具有代表性,影响仿真结果的有效性与可信度。需进一
步改进数据采集和处理分析方法, 合理确定参数, 使SD模型的应用日趋完善。
5 生态修复与环境重建的对策与措施
为促进晋陕宁黄土丘陵区的脆弱生态环境修复和区域经济持续发展, 须采取以下对策措施:
( 1)合理调整土地利用结构,大力发展基本农田,促坡地退耕造林种草。坡耕地土壤侵蚀强烈,故应大力
发展水平梯田、条田、坝地等基本农田, 改善农业生产条件, 提高粮食单产, 促林牧业发展。改变传统经营方
式,严禁垦荒、撂荒, 促陡坡退耕造林种草,以减少土壤侵蚀。并大力发展旱作农业和生态农业,形成立体农业
综合互补的高产农田体系,推广现代科学耕作技术,提高土地生产力。
( 2)林业发展应乔、灌、果并重, 灌草带相配合, 选择适地优良树种, 生态与经济效益兼顾。黄土丘陵区
乔、灌、果林种的合理比例为 415B4B115, 应因地制宜,选择适地树草种。川平滩地应建农田防护林,沟壑营建
杨、柳、榆沟道防冲林;沟坡、原边和荒漠建柠条、紫穗槐、草木栖等为主的灌草混交带,防风固土防侵蚀。并大
力发展萍果、梨、枣等果树,提高林业经济效益。逐步增加森林植被覆盖度,防止土地退化,改善农田生态环境
和生产条件,促进农牧业发展。
( 3)种草养畜,以草定畜。大力发展苜蓿、沙打旺等人工草, 实行草田轮作、草灌混交和改良草场, 提高草
地生产力。合理控制载畜量和调整畜群结构,以草定畜,防止草场退化,促牧业持续稳定发展。
( 4)生态修复与环境重建应近期与中远期效益统筹兼顾。在不同阶段应根据农村经济发展状况合理调整
治理策略, 采取农牧协调发展或农林牧综合发展,兼顾生态与经济效益, 循序渐进,可逐步改善生态系统运行
机制与功能,促进生态自然恢复、环境改善和区域经济持续发展。
( 5)控制人口增长,提高农村人口素质和科技知识。推广科学种植和养殖, 增强村民的环境保护意识,使
人文景观与生态环境协调发展。
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304 生 态 学 报 26卷