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本研究针对黄土高原丘陵区退耕还林(草)和国家生态建设中生态经济系统健康评估的需求,以退耕地植被自然恢复、小流域和中尺度生态经济系统为研究对象,采用以空间序列代替时间序列的方法,从侵蚀环境特点及生态恢复关键因子入手,重点研究生态恢复过程,分析其与社会经济人文的协调效应以及各环境因子间的关系。提出了侵蚀环境下生态经济系统健康的内涵与特征。在此基础上,探索不同尺度生态经济系统健康诊断评价的科学方法,为分析该区生态恢复的健康状况,科学评价生态建设效果提供有效手段。主要结果如下:
1.在黄土丘陵区侵蚀环境下,根据生态恢复过程中的物种变化动态,结合其重要值、生物量及生态位等进行综合分析,可以将退耕撂荒地草本植被自然演替过程划分为:先锋植物物种期(1~5a),物种渐繁荣期(6~8a),物种鼎盛期(9~13a),物种准稳定期(13~20a),物种相对稳定期(20~30a)和灌木先锋物种入侵期(30~50a)。先锋植物物种期以茵陈蒿、苦买菜、猪毛菜为关键种,物种渐繁荣期以委陵菜、阿尔泰狗哇花和隐子草为关键种,物种鼎盛期多物种共存,关键种不明显,物种准稳定期以长芒草、铁杆蒿和达乌里胡枝子为关键种,物种相对稳定期以铁杆蒿、达乌里胡枝子为关键种,灌木先锋物种主要有杠柳、木本铁线莲、绣线菊等。演替中植物种群的数量调节主要由种群密度、侵蚀环境植被恢复小生境和种间竞争控制。其种群的替代过程通过物种的生态适应性和种间竞争来实现,生态适应性和种间竞争导致了群落中物种的生态位分化,是物种相互替代的主要驱动力。
2.物种多样性是反映群落组织化水平,并通过结构与功能的关系间接反映群落功能特征的指标,同时与物种均匀度、群落优势度、群落生物量和植被覆盖度共同影响着群落稳定性。群落的季节性波动是群落演替的量变积累,也对群落结构稳定性有影响。研究结果表明,退耕地植被自然恢复过程中,群落稳定性呈阶梯式增强,这种阶梯式的变化推动着群落向更高级方向演替,其主要原因是群落环境的逐步改善。群落的季节性波动的幅度亦随群落演替的进展而逐渐减小。
3.在生态恢复过程中,土壤质量的生物学性能改善较快,化学性能居中,物理结构性能相对较慢,但三者都表现为随植被演替而逐渐恢复。研究建立了土壤物理、化学、生物质量与恢复年限的关系方程。土壤物理结构随着退耕撂荒演替进展而不断改善,稳定性不断提高,抵抗侵蚀能力逐渐增强。土壤化学性变化中,有机质但随着退耕撂荒演替而不断增加,从撂荒初期的0.53%增加到50年时的1.05%。在土壤无机营养元素中,C、N、K各元素含量随植被恢复逐渐增大,P没有明显变化。土壤生物学性能在退耕撂荒10年左右便可以得到基本恢复,土壤微生物量C、N、P含量随演替进展均呈逐渐增加,土壤呼吸强度也随演替进展而呈对数函数增长。
4.在以人工措施为主的生态恢复过程中,流域社会经济人文状况与生态因子具有密切关系,表现出较好的协调效应。生态状况的改善能促使社会经济发展,同时,社会经济的发展亦能推动生态环境恢复。国家政策策略对生态恢复具有重要的导向作用。在生态要素间,植被与土壤环境因子具有显著的相关关系,植被恢复促使土壤质量不断改善,土壤质量的改善又促进植被进一步恢复演替,二者之间表现为正向互作效应。建立了流域生态经济系统生态恢复的经济与环境系列效应方程。
5.以小流域和中尺度流域为研究对象,提出了黄土丘陵区侵蚀环境下生态系统健康的内涵与特征。基于生态恢复过程动态分析,对小流域和中尺度生态经济恢复过程中健康状况进行了定量分析。以生态经济系统所达到的最佳现实状态值为目标,引入障碍度和优势度等概念,运用通径分析理论进行了小流域和中尺度生态经济系统健康障碍、优势诊断。运用比较生态学方法,以小流域为单元,根据流域生态经济系统特点,构建了生态健康评价的指标体系和评价模型(健康指数)。运用均方差决策法有效解决了客观确定生态、经济社会与人文因素权重问题,并系统比较了不同恢复模式流域生态经济系统健康状况。研究表明,黄土丘陵区侵蚀环境下生态经济系统在科学调整土地利用格局、退耕还林还草等策略下,健康状况得到逐步改善,其健康水平呈逐年波动式上升趋势。且在当前状况下,资源环境因子改善效果较经济社会和人文因素显著。在以退耕还林还草为主导的生态恢复策略中,生态建设与经济协调发展是改善流域健康的的重要途径。分析表明,不同生态经济建设模式其健康状况及改善速度各有差异,在黄土丘陵区延安试验示范区,5年的生态经济建设结果(健康)排序为:飞马河(农十苹果型)>燕沟(水资源高效利用综合农业型)>县南沟(农十经济林果型)>河庄坪(高效设施农业型)>高桥(农十畜牧型)。
6.初步探索了侵蚀环境生态恢复效果评价的可拓学方法。生态系统恢复具有发散性、可扩性、相关性和共扼性的特点,分析表明,运用可拓工程方法进行生态经系统健康评价是可行的,从而为拓展生态健康评价理论和评价方法提供新的途径。