渭河流域水土流失治理效率的时空格局演化与影响因素

王怡菲, 姚顺波, 邓元杰

地理科学 ›› 2019, Vol. 39 ›› Issue (5) : 836-846.

PDF(1717 KB)
PDF(1717 KB)
地理科学 ›› 2019, Vol. 39 ›› Issue (5) : 836-846. DOI: 10.13249/j.cnki.sgs.2019.05.015

渭河流域水土流失治理效率的时空格局演化与影响因素

作者信息 +

Spatio-temporal Pattern Evolution and Influencing Factors of Governance Efficiency of Soil and Water Loss in the Weihe River Catchment

Author information +
文章历史 +

摘要

运用Bootstrap-DEA模型计算2000~2015年渭河流域陕西段39个县区水土流失治理效率;结合探索性空间分析方法(ESDA)和地理加权回归模型(GWR)分析各县水土流失治理效率的时空演化特征及其影响因素。研究结果表明: 2000~2015年,研究区水土流失治理效率从0.263增至0.336,整体治理效率仍处较低水平;前期生态治理效率的增加缘于纯技术效率的提高,后期规模效率对治理效率的增加起到了主导作用。 县域的治理效率在空间上呈现集聚状态;热点分析结果进一步显示,2005年治理效率表现出2个热点集聚区,即以宝鸡市千阳县为热点区、乾县和武功县为核心辐射至永寿县和礼泉县的热点集聚区,冷点区域则以临潼为中心,辐射到西安市辖区、高陵、富平和三原县;2010~2015年治理效率的热点区域与冷点区域较2005年有所收缩且保持相对稳定。 渭河流域水土流失治理效率的时空变化是降水、坡度、灌草面积覆盖度、人口经济和农业生产共同作用的结果,且各影响因素在不同时期对各县的治理效率的贡献呈动态变化,这意味着政策制定者需要从全局角度权衡不同因素的影响效果。

Abstract

Objectively assessing the effectiveness of ecological restoration measures and analyzing effective ways to promote the efficiency of ecological management are important scientific and policy issues in the Weihe River Basin. Using an interdisciplinary approach, the aim of this study is to measure the control efficiency of the Sloping Land Conversion Program(SLCP)and terrace fields on soil and water loss by adopting the Bootstrap-DEA model and using a comprehensive dataset (including biophysical and socioeconomic data) from 39 counties in the period 2000-2015. Then, exploratory spatial data analysis (ESDA) was used to capture the spatial correlation in overall control efficiency. Finally, geographically weighted regression (GWR) was employed to identify the spatial heterogeneity and evolutionary characteristics in the relationship between control efficiency and natural conditions and socioeconomic development in each sample county.Results show that the control efficiency of soil erosion increased from 0.263 to 0.336 during the study period. The increase of the treatment efficiency for soil and water loss in the early stage was due to the improvement of pure technical efficiency; while later the scale efficiency played a leading role in promoting the treatment efficiency. In addition, the efficiency showed a stable spatial agglomeration. The hotspots of efficiency were concentrated primarily in Baoji City, while the cold-spot center was Lintong, the radius of which extended to the municipality districts of Xi'an, Gaoling, and Fuping. The difference in control efficiency is the result of a combination of multiple factors; the factors affecting control efficiency vary across counties, indicating that regional governments should consider full-scale initiatives.

关键词

退耕还林(草) / Bootstrap-DEA / 地理空间加权模型(GWR Model) / 探索性空间分析(ESDA) / 渭河流域 / 治理效率

Key words

sloping land conversion program / Bootstrap-DEA / Geographically Weighted Regression(GWR) / exploratory spatial data analysis(ESDA) / the Weihe River catchment / control efficiency

引用本文

导出引用
王怡菲, 姚顺波, 邓元杰. 渭河流域水土流失治理效率的时空格局演化与影响因素[J]. 地理科学, 2019, 39(5): 836-846 https://doi.org/10.13249/j.cnki.sgs.2019.05.015
Wang Yifei, Yao Shunbo, Deng Yuanjie. Spatio-temporal Pattern Evolution and Influencing Factors of Governance Efficiency of Soil and Water Loss in the Weihe River Catchment[J]. SCIENTIA GEOGRAPHICA SINICA, 2019, 39(5): 836-846 https://doi.org/10.13249/j.cnki.sgs.2019.05.015
渭河流域地处黄土高原,降水偏枯且分布不均,多年平均输沙量6.09亿t,是最主要的向黄河输沙的支流( 水利部黄河水利委员会.渭河流域防汛技术手册. 2015.)。快速的城镇化、工业化发展加剧对水土资源的不合理开发程度,导致该区域成为水土流失、水质恶化、水资源短缺等问题交织在一起的生态环境敏感区域[1]。自20世纪80年代,中央和地方均开展渭河流域水土保持综合治理工程、退耕还林还草等生态修复工程,出台《陕西省水土保持条例》 ( http://slt.shaanxi.gov.cn/sxmwr-xxgk-dfkj-3-show-91425),累计配套投资近200亿元,累计治理水土流失面积百万公顷[2]。据渭河干流入黄把口站华县站多年水文数据显示,年输沙量由1980年的29亿t降至2015年的0.22亿t,基于Wang[3]的研究成果,进一步证实2000~2015年,以退耕还林还草(SLCP)为代表的生态修复工程的实施,确实对陕西省渭河流域的土地利用/覆被变化和水沙环境的改善起到显著的正向影响。考虑到林业产业特性,其投入与回报并非同步,尤其在西北地区,林业获得稳定收益的风险较大,导致生态修复工程往往是杯水车薪,生态修复的投入和生态修复的效果按指数比例增长[4]。为实现工程的预期目标,政府需付出更大的投资成本。换言之,在生态修复工程的实施过程中,政府需要面对的是“钱”和“地”的事,这就需要对政府资源的利用效率进行评估,分析生态修复工程的各项投资要素的素配置效率是否是有效的?存在多大的提升空间?影响生态修复效率低效的因素有哪些?以期有效维护并巩固流域生态效果。
已有研究成果表明:一方面,生态修复工程通过改变土地利用/覆盖空间格局,植被通过截留雨水、固结土壤以提高土壤的抗冲性,达到减少地表径流、降低河流泥沙含量、减缓河流输沙的目的[5,6,7,8,9]。另一方面,土地利用结构是自然因素与人类活动的综合产物,人口增长、社会经济发展与政策皆为影响流域生态环境的驱动因素。伴随技术的发展,学者以GIS平台为用,引入InVEST、SWAT、RUSLE等模型,模拟、对比不同情境下汇水产沙效果,分析自然因素、下垫面结构与水土流失过程的内在作用机理[10,11,12]。上述对水土流失治理效果的相关研究从理论与实践角度为流域水土流失的治理效率研究奠定了基础。水土流失治理效率指的是以治理水土流失效果与治理投资的比率,是水土流失治理能力的体现[13];对效率的测算有助于人们对不同决策单元不同时间的绩效进行比较。此外,深入分析影响效率值变化的主要因素,有助于对未来投入要素的结构(比如资金和土地)进行优化配置,是新常态下生态治理的重要着力点[14]。国外学者对生态修复工程或水土保持措施对流域生态环境的治理效率进行了初步的分析[15,16,17]。但仍有几个问题值得探讨:成本-效益方法严格讲不能反映不同投入指标分配变化引起的效率的变化[18]; 从研究对象来看,生态修复工程的执行主体虽然是农户,但中国农民的人均土地面积远远低于美国等发达国家,以农户为切入点运用市场为主导的评估方式评价生态工程的效果和效率显然不适用[19];对于生态修复工程的投入以及相应生态系统服务的改善,生态学家和社会经济学者应该摒弃形式上的“学科交叉”,基于不同学科背景进行数据整合,客观评价生态修复工程对社会-生态系统的影响[20];流域生态环境表征指标的选取而言,生态系统服务衡量最主要的研究方法是基于Costanza 等[21]的研究成果,根据不同当量因子测算各用地类型的生态系统服务价值,并以此结果作为基础,进行补偿标准的探讨以及生态修复工程的成本效益分析。虽然生态系统服务的价值化有助于评估不同服务的重要性,但易受到价格要素的影响,导致即使生态系统实际价值相同也会表现出以评估年份价格为表征的价值量不同,进而影响生态修复效果/效率结果的客观性[22]
客观评价生态修复工程和水土保持措施的有效性、分析生态管理效率的提升路径,是渭河流域重要的科学和政策性问题。本文选取县域行政单元为研究尺度,以政府为研究视角,将退耕还林工程和梯田的投入资金和面积视为投入,将年径流量、年输沙量、年含沙量视为产出,基于ArcGIS10.2平台运用空间分析工具插值得到各县域水沙数据,运用Bootstrap-DEA模型计算2000~2015年流域各县水土流失治理效率。运用局部空间莫兰指数和地理加权回归模型分析水土流失治理效率以及其影响因素的空间差异。不仅丰富了现行的以社会经济评价为主导的生态修复工程的评价体系,同时为因地制宜实行差异化水土流失治理政策以及“河长制”的推行提供参考依据。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

渭河流域地处黄土高原(106°23′14″~110°31′22″E,33°04′02″~35°06′02″N),流经黄土丘陵沟壑区、黄土阶地区、河谷冲击平原区和土石山区等类型,地势西高东低,海拔高度处于319~3 748 m之间;受地形地貌影响,降水在空间上分布不均,多集中在5~10月,多年年均降水量为400~750 mm(图1)。渭河北岸水系流经区域生态条件脆弱,是渭河主要的来沙区,南岸水系流经区域优于北岸。伴随区域社会经济发展对水土资源的不合理开发利用导致渭河水土流失严重,成为黄河最大的泥沙输入河流。流域多年平均输沙量4.58亿t,主要集中在6~9月份。地表水资源从2005年的63亿m3降至2015年的40.8亿m3[23]。截至2015年,研究区的社会经济发展表现出较大差异。其中,人口密度20~1 220人/km2,县均粮食产量1.06~36.22 t,人均国民生产总值7 338.25~75 329.44元[2]
图1 研究区位置

Fig.1 Location of study area

Full size|PPT slide

1.2 数据来源及预处理

1.2.1 统计数据
梯田数据来源于《陕西省水利统计年鉴》(2002~2015年)[23];径流量含沙量输沙量站点数据来源于《黄河流域水文资料年鉴(泾渭洛河水系)》(2001~2016年)[24];退耕还林(草)工程每年计划实施面积由陕西省林业厅提供(1999~2010年)(① 陕西省林业厅.退耕还林还草计划任务安排.1999-2010.);各县的社会经济统计数据来自于《中国县域统计年鉴》(2001~2016年)[2]
1.2.2 土地利用类型数据
土地利用类型数据来自中国科学院资源环境数据中心,其空间分辨率为30 m×30 m(资源环境数据云平台. (http://www.resdc.cn). 2000-2015.)。该数据集生产是以各期LandsatTM、ETM+及OLS遥感影像为数据源,参考中国科学院土地利用/覆被分类标准,通过人工目视解译生成并经过实地验证[25]
1.2.3 气象数据水沙数据
降水和气温数据以渭河流域内及其周边50个气象站点为数据源,该数据集来自中国气象局网站[26];水沙量数据以整个渭河流域41个水文观测站点的水沙数据为数据源(41个水文观测站点包括流经甘肃、宁夏、陕西3个地区的所有观测点,其中还涉及泾河流域的7个观测点,目的在于提高插值结果的准确度。)。根据每个站点所属经纬度在WGS_1984地理坐标系下导入ArcGIS10.2,通过ArcGIS10.2中的克里金插值法(Kriging)对降水、气温、水沙量进行空间插值处理,从而获得研究区以上指标的空间分布栅格数据。坡度数据以高程数据(美国国家航空航天局提供的ASTER-GDEMV2 30 m×30 m数据集)为基础[27],通过面积制表工具统计每一种土地类型在高程坡度空间分布数量,并按照县级区划计算出各县的平均坡度、年均气温和年降水,将社会经济数据与遥感处理过的数据相匹配,以便进行模型构建与分析。研究区内39个行政区的矢量数据来源于国家基础地理信息系统全国1∶100万数据库(全国地理信息资源目录服务系统. (http://www.webmap.cn/). 2015.)。所使用的空间坐标系为WGS_1984_UTM_zone_49N。

2 研究方法

2.1 指标选取与治理效率测算

投入指标为研究区退耕还林和梯田面积占各县行政区面积的比重(I1)、退耕还林和梯田各县单位面积的投资额(I2),产出指标为各县年径流量O1)、年含沙量O2)、年输沙量O3)。考虑到生态建设对流域产水产沙的影响具有3~5 a的滞后期[6,28],随时间推移初始年份人工种植林发挥的生态效益高于后来补种的人工林所发挥的生态效益,可以通过设置不同年份的权重,对滞后时期内的种植面积和投资金额重新计算[29]。公式如下:
Math input error
(1)
Math input error
(2)
式中, WAreat WInvestt 分别表示第t生态修复工程面积比重和投资的加权,该指标与第t期的产出指标相对应。0.2(Area)t-3、0.3(Area)t-4、0.5(Area)t-5分别表示第t-3期、t-4期、t-5期的生态修复工程面积比重在折算时的分别按照0.2、0.3和0.5权重系数进行折算,投资的加权折算解释同面积。这意味着,第t年的植被覆盖指数、含沙量输沙量是由相应第t-3期至t-5期的投入的加权影响。
由于退耕还林还草工程每亩的补贴标准是固定的,文中按照4%的贴现率逐年进行折算。梯田的投资金额无法直接获取,根据2012年梯田的工程造价表,在5°~8°坡面机修20 m宽水平梯田合计成本约5 709元/hm2,8°~12°坡面机修14 m宽水平梯田合计成本约10 295元/hm2,12°~15°坡面机修11 m宽水平梯田合计成本约17 213元/hm2。考虑到现实中无法准确获取梯田的类型,因此粗略估计梯田的修建成本为10 038元/hm2,其余年份同样依照4%进行贴现计算。
考虑将效率测算的偏误降低,文中借助R软件采用基于径向模型(BCC)与可变规模报酬(VRS)、以投入为导向(input-oriented)、使用Bootstrap-DEA方法进行效率测算[30,31]

2.2 探索性空间分析方法

王静爱[32]指出流域单元和行政区单元的匹配方式决定了行政区生态安全和环境安全的重要性程度以及各行政区区间的相互影响关系。因此需要进一步判断和分析研究区各县域生态修复效率之间是否存在空间上的关联。一般采用全局莫兰指数和热点分析指数指数分析数据的空间分布特征[33,34]
传统的计量回归模型一般只考虑时间和个体2个维度,在空间维度上假设所有样本是均质的。因此,引入地理加权回归模型,放宽样本均质的假设条件,将研究区根据某指标划分成若干个同质性的子区域,再将各个子区域依次进行回归,揭示变量间关系的局部特征。本着可操作性、合理性以及数据的可获取性原则,文中选取的指标见表1
表1 影响治理效率的指标选取说明

Table 1 The description and explanation of influencing factors of control efficiency

变量定义 缩写形式 单位 变量类型 预期方向
灌木-草地面积占县域面积比重 cover % 连续变量 +
县域平均坡度 slope ° 连续变量 -
样本县年降水量 prep mm 连续变量 -
人均 GDP pgdp 连续变量 +
人均粮食产量 pgrain t 连续变量 +
县域人口密度 density 人/km2 连续变量 -
数据来源:中国土地利用数据集 (2000~2015年)( ① 资源环境数据云平台.(http:www.resdc.cn).2000-2015.); 中国地表气象数据数据集 (v3.0)'[26];陕西省统计年鉴(2001~2016年)[2]
基于GWR建模原则,自变量之间不能存在多重共线性,经过检验后选取以下4个方面6项指标作为解释变量: 降水和坡度:降水与坡度黄土高原地区具有产流产沙能力的主要自然因子[35]水土流失严重地区,年均降雨量越大,径流量及其挟沙能力越强、产沙输沙量增加,导致治理效率下降,预期影响为负;坡度越陡,治理难度越大,相应的投入越多,效率相对较低,因此预期影响为负。灌草结构:相较于乔草型植被群落,黄土高原地区灌草结构型的植被群落具有更好的水土保持效果[36]。产沙输沙量一定的情形下,灌草面积比重较高的地区,投入的治理资金和面积较少,生态治理效率越高,预期影响为正。人口与经济因素:人口密度反映单位面积人口数量的变化对生态修复效率的影响。人口扩张加剧对水土资源的开发利用程度,尤其表现在土地非农化(不透水面积)方面以及耕地面积的扩张,在一定的区域土地面积内,建设用地和农业用地的面积越大,导致林草水域等生态用地占区域面积比重降低,土地景观格局的变化影响产流产沙机制的作用过程,导致生态治理效率降低,预期影响为负[37]人均GDP反映经济发展水平对生态修复效率的影响。在经济水平越发达地区,居民对其生活环境质量的需求更高,对景观美学的影响较为重视;同时经济越为发达,意味着有先进的技术、充足的人力和资金,这保证了生态环境修复的各项投资要素的供应,有助于将生态修复效率维系在相对较高的水平,因此预期影响为正[38]农业生产:用人均粮食产量衡量农业生产水平。基于本文研究区,将陡坡地等粗放型不宜于开发的土地变成生态用地,短期来看,部分种植业用地转换为生态用地,粮食单产下降有助于治理效率的提高;长期来看,将适宜农业发展的用地进行集约经营,不仅粮食生产得到恢复,适宜耕种的种植业用地也有助于固土保水,促进治理效率的提升,故预期影响为正[38]

3 结果与分析

3.1 水沙量与降水的年际波动变化趋势分析

考虑到代表性和地理位置的因素,选取林家村(三)、咸阳(二)和华县3个观测站,根据相应站点的水文和泥沙观测值进行描述性趋势分析:林家村(三)和咸阳(二)水文观测站分别是渭河上中游和中下游的分界点,华县站是渭河流出陕西境内的把口站。因此选取这3个主要的水文观测站可以较好地反映人类自然因素水沙的影响[39]
图2中各指标的变化趋势得出,2000~2015年,3个站点的年径流量含沙量输沙量呈下降趋势,且含沙量输沙量的减少程度远大于径流量的减少程度。分阶段来讲,2000~2005年,从震荡幅度来看,径流量含沙量输沙量的相关性较强,这意味着径流量的略微增加将导致含沙量输沙量的大幅度增加。而自2006年后,泥沙含量和输沙量的震荡幅度随径流量的变化有所减弱。年降水量呈现周期性的波动变化。2000~2008年,降水量径流量的耦合显著;2009年后,降水的波动变化对水沙量变化的影响程度下降,且部分年份降水与径流呈现相反的波动变化趋势
图2 2000~2015年研究区主要观测站水沙量与降水的年际波动变化趋势

Fig.2 The inter-annual fluctuation trend on average annual runoff, sediment content, sediment discharge and precipitation of three main hydrological observations in 2000-2015

Full size|PPT slide

随时间推移,尽管3个水文观测站的径流量含沙量输沙量的变化幅度有所差异,基于相同降水量的情形下,径流和泥沙量之间的相关关系弱化了,一定程度上表明这是由于人为干预影响了下垫面(比如水土保持措施、生态修复工程和工农业用水等),继而水文泥沙环境发生了改变。换言之,图2可以与人为干预很好地结合,为下文分析治理效率提供了必要的说明。

3.2 治理效率测算

以上述投入产出变量数据为基础,运用Bootstrap方法分别计算2005、2010和2015年渭河流域水土流失治理效率,并将3期的治理效率值在ArcGIS10.2中进行可视化表达(图3)。为便于比较分析流域内各县治理效率的空间分布情况,运用自然断点法将效率分成5个等级。可以看出,南岸水系流经的县区水土流失治理效率高于北岸水系流经的县区水土流失治理效率;宝鸡市各区县的整体水土流失治理效率水平高于研究区其余各区县;市辖区的治理效率一直处在较低水平。2005年治理效率高于0.5的县域共有6个,分别是宝鸡的宝鸡县(陈仓区)、太白县和陇县,咸阳的乾县和兴平,西安的周至。2010年和2015年治理效率高值和低值的空间分布变化不大,治理效率高于0.5的县域分别有11个,在2005年高治理效率的县域基础上,由低效率进入到高效率的县域分别有宝鸡市的千阳县和凤县,铜川的耀县,咸阳的永寿县和西安的户县和长安。总体来讲,虽然进入高效率区的县域数量呈增加态势,但研究区整体效率值较低,2005~2015年没有一个县域的治理效率达到最优生产前沿面,表明流域内各县的水土流失环境治理仍未达到要素投入少、期望产出多的最优状态。
图3 2005~2015年研究区水土流失治理效率空间分布

Fig.3 Mean value of the control efficiency in the study area from 2005 to 2015

Full size|PPT slide

治理效率可通过DEA-Malmquist指数方法进一步分解为纯技术效率规模效率[40]。纯技术效率指基于特定生产技术水平条件下资源配置情况;规模效率反映投入要素的集聚情况。文中将2005~2010年和2010~2015年分别视作第一阶段和第二阶段。3个指标的分界线均为1,当指标数大于1时,表明效率增加;反之,效率降低。整体的趋势结果表明,各县的效率分解指数差异显著(图4)。在第一阶段,25个县域的技术效率大于1,17个县域的规模效率大于1,这意味着研究区内25个县的技术效率有效,17个县的规模效率有效。在第二阶段,规模效率提高的县域数量显著增长,占研究区总样本数的比重从第一阶段的43.59%增至第二阶段的61.54%;但技术效率有效的县域数量下降,比重从64.1%降至47.13%。
图4 2005~2015年研究区水土流失治理效率分解

Fig.4 Decomposition of the control efficiency in study area from 2005 to 2015

Full size|PPT slide

3.3 治理效率时空格局演化特征

3.3.1 总体空间格局演化特征
运用GeoDA软件计算2005年、2010年、2015年水土流失治理效率的Global Moran’s I指数,目的在于判读研究区水土流失治理效率总体空间格局特征。结果显示,这3期的指数分别为0.192(P<0.05)、0.134(P<0.10)、0.151(P<0.10),表明研究区水土流失治理效率呈现显著的空间集聚现象;由于全局空间莫兰指数的变化不大,也表明治理效率相对稳定。
3.3.2 局部空间格局演化特征
运用热点分析法可基于ArcGIS10.2平台操作实现。将局域Gi*指数采用自然断点法分从低到高依次划分为冷点区、次冷点区、次热点区热点区以及不显著区域(图5)。2005年治理效率表现出2个热点集聚区,即以宝鸡市千阳县为热点区、乾县和武功县为核心辐射至永寿县和礼泉县的热点集聚区;冷点区域则以临潼为中心,辐射到西安市辖区、高陵、富平和三原县。2010年治理效率的热点区域仅剩宝鸡市的陇县,冷点区域较2005年有所收缩,集中在临潼、高陵和泾阳县。截至2015年,热点区域为宝鸡市的凤县,冷点区域则保持相对稳定。
图5 2005~2015年水土流失治理效率热点分布

Fig.5 Hotspot distribution of control efficiency in 2005(a), 2010(b) and 2015(c)

Full size|PPT slide

3.4 治理效率时空变化的影响因素

运用GWR4.2软件工具对2005年、2010年和2015年研究区的数据进行地理加权回归。
相较于全局回归模型,一方面,GWR模型的整体拟合程度较高,对研究区水土流失治理效率异质性的解释力更强;另一方面,GWR模型的残差平方和较全局回归模型的有所降低,表明GWR模型能够提供更为准确的估计结果。具体估计结果见表2
表2 2005~2015年GWR模型各自变量对治理效率的影响系数

Table 2 Regression coefficient of GWR in 2005-2015

变量 2005年 2010年 2015年
lnintercept -1.91~-1.52*** -1.55~-1.05*** -1.39~-1.24***
lncover 0.17~0.39** 0.05~0.12 0.17~0.23*
(0.22) (0.06) (0.20)
lnslope -0.32~0.01 -0.42~-0.20* -0.32~-0.15*
(-0.09) (-0.26) (-0.25)
lnprep -0.17~0.01* -0.01~0.36 0.40~0.55***
(-0.12) (0.12) (0.49)
lnpgdp 1.83~13.12* -2.45~2.31 -1.18~1.51
(7.14) (-1.72) (-0.82)
(lnpgdp)2 -13.48~-2.18** 1.14~2.44 0.47~1.48
(-7.51) (1.77) (0.65)
lnpgrain 0.16~0.33* 0.01~0.20 0.05~0.68**
(0.25) (0.10) (0.43)
lndensity -0.46~-0.24** -0.77~-0.25*** -0.90~0.01**
(-0.35) (-0.53) (-0.60)
带宽 100 90 90
AIC 104.60 118.31 104.78
R2 0.58 0.50 0.63
Adjusted R2 0.36 0.28 0.42
GWR Residuals 15.18 16.43 11.87
Global Residuals 17.94 25.50 16.42
注:以“lncover”为例,“0.17~0.39”表明各个样本县的灌草覆盖比重对各自生态治理效率的影响系数;括号中的数字表示回归系数的均值;******分别表示在1%、5%、10%显著水平上显著;3期人均生产总值指标采用2000年价格指数=100进行可比性转换。
3.4.1 灌草面积比重对治理效率的影响
估计结果表明,2005~2015年灌草面积比重每增加1%,治理效率可提高0.20%~0.22%。统计数据显示,2005~2015年研究区灌草面积的比重由13.23%增至31.42%;从各期的回归系数上看,各期灌草面积比重对治理效率影响较大的县域集中在研究区的干支流的上中游区域以及入黄河的把口站。出现这种分布的原因可能在于,治理前期,上中游的灌草面积比重增加能有效拦截水土流失,表现较好的水土保持效应;伴随着时间推移,下游地区植被覆盖状况良好,大大降低泥沙入黄的几率,提高水土流失治理效率。同时从空间分布角度,灌草面积比重高的区域与水土流失治理效率高的地区呈现一定程度的地理区位重合,表明灌草结构是治理效率的空间格局分布基础。
3.4.2 自然因素对治理效率的影响
总体回归系数表明,2005年、2010年和2015年年均降水量的系数均值分别为-0.12、0.12、0.49,平均坡度的系数均值分别为-0.09、-0.26、-0.25。这表明2005年年降水量每增加1%导致治理效率降低0.122%,截至2015年降水量每增加1%导致治理效率提高0.49%;平均坡度每增加1%导致治理效率降低0.09%~0.26%。
针对年均降水量对治理效率的影响,2005年影响较大的区域集中在上游流经县域,2015年转移至中部一些县域。可能的原因在于,渭河水系降水量集中于5~10月,基于水文资料记载,2005年降雨量多于多年平均降水量,导致产流产沙的强度增强,不利于治理效率的提高;另一方面,2015年的水保措施与生态建设工程效果已初现,加之2015年的降水量与强度均低于多年平均值,因此对治理效率反而出现了促进作用。
针对平均坡度对治理效率的影响,主要集中在泾河干支流流经的县域,且该影响作用逐渐降低。可能的原因在于,泾河作为主要的来沙区,坡度越陡,工程措施和生态建设的投入成本较高,相较于较低坡度的区域而言,治理效率较低。
3.4.3 经济和人口对治理效率的影响
人均GDP与治理效率的关系有正有负,加入二次项后进一步讨论两者间是否存在非线性关系。估计结果显示,2005年人均GDP与治理效率的关系符合倒“U”型库兹涅茨曲线,这表示研究区各区县目前处在倒“U”型曲线的左侧部分,即当人均GDP增加1%导致治理效率增加7.14%;而2010年与2015年人均GDP对治理效率的一次项和二次项系数未通过显著性检验,且一次项系数为负,进一步表明伴随经济水平的提高,资金、人才、技术等要素的投入,为恢复和治理环境问题提供了保障。
人口密度对治理效率的负向影响显著。估计结果表明,人口密度每增加1%导致治理效率降低0.35%~0.60%。从人口密度对治理效率的影响系数可以看出,人口集聚度高的地区同时也是治理效率较低的区域,渭河干支流下游地区的影响系数显著高于上中游地区。可能的原因在于人口密度高的地区通常伴随高强度的生产生活活动,对土地的需求较大,土地非农化程度较高,植被覆盖度低。
3.4.4 农业生产对治理效率的影响
粮食单产每增加1%导致治理效率增加0.25%~0.43%。这表明,一定规模的耕地进行粮食作物种植,使得单位面积的生产要素增加,有利于粮食的规模化生产,减少了对边际土地、坡地的开发,继而一定程度上有利于维护治理效率的稳定提升。从空间分布上看,粮食单产较高的区域主要分布在渭河干流与支流流经的下游区域,虽然这些区域的治理效率不是很高,但考虑到是各支流的汇水汇沙区域,因此规模化科学化得开发耕地,将粗放型的经营模式向集约型的方式转变,不仅保证粮食供给,同时有助于巩固水土流失治理效率。

4 结论与讨论

4.1 结论

2000~2015年,总体平均水土流失治理效率从0.263增至0.336,低效率进入高效率的县域数量呈增加态势,但整体效率值较低。前期生态治理效率的增加缘于纯技术效率的提高,后期规模效率对治理效率的增加起到了主导作用。
基于空间分布情况,南岸水系流经的县域水土流失治理效率高于北岸;宝鸡市各区县的整体治理效率水平高于研究区其余各区县;市辖区的治理效率一直处在较低水平。水土流失治理效率呈现正向的空间集聚
渭河流域水土流失治理效率的时空变化是降水、坡度、灌草面积比重、人口经济和农业生产因素共同作用的结果。经济与人口因素对治理效率的影响程度最高,其次是农业生产;灌草面积比重、降水和坡度因素的影响程度较弱,但一定程度上决定了水土流失治理效率的空间分布格局。

4.2 讨论

县域作为相对独立的基本行政单元,是治理水环境的关键单元( 中华人民共和国水利部.关于全面推行河长制的意见.2016. (http://www.mwr.gov.cn/ztpd/gzzt/hzz/))。本文将行政单元和自然单元进行“叠加”,从时间和空间、总体和个体维度为流域生态治理提供了一种新的研究视角。整体而言,以政府为主导的退耕还林生态修复工程对于改善渭河流域水土流失起到积极作用。在治理过程中,人为因素的影响程度已经高于自然因素影响程度,因此,在实际的政策制定中,如何科学合理地进行要素配置、降低流域资源环境系统与社会经济系统的非良性互动的概率、注重经济发展与流域生态环境的平衡,仍值得进一步深入研究。本研究仍有不足之处,考虑到林业产业的特殊性,寻找更加适合于与林业相关的生态修复效率测算的方法显得尤为重要。此外由于数据获取存在一定局限性,土壤含水量、蒸散发、极端天气等影响水土流失发生过程的因素没有纳入到计量模型中,寻找一种合适的模型是下一步研究的方向。

参考文献

[1]
党小虎, 吴彦斌, 刘国彬, 等. 生态建设15年黄土高原生态足迹时空变化[J]. 地理研究, 2018,37(4):761-771.
[ Dang Xiaohu, Wu Yanbin, Liu Guobin, et al. Spatial-temporal changes of ecological footprint in the Loess Plateau after ecological construction between 1995 and 2010. Geographical Research, 2018,37(4):761-771.]
[2]
陕西省统计局, 国家统计局陕西调查总队. 陕西统计年鉴[M]. 西安: 中国统计出版社,2001- 2016.
[ Shaanxi Provincial Bureau of Statistics, NBS Survey Office in Shaanxi. Shaanxi Statistical Yearbook. Xi’an: China Statistics Press, 2001- 2016.]
[3]
Wang Y F, Yao S B. Effects of restoration practices on controlling soil and water losses in the Wei River Catchment,China:an estimation based on longitudinal field observations[J]. Forest Policy and Economics, 2019,100:120-128.
[4]
孔凡斌, 廖文梅. 集体林分权条件下的林地细碎化程度及与农户林地投入产出的关系——基于江西省8县602户农户调查数据的分析[J]. 林业科学, 2012,48(4):119-126.
[ Kong Fanbin, Liao Wenmei. Relationships between the woodland fragmentation, farmers’ investment and forest productivity in the reform of collective forest property right system. Scientia Silvae Sinicae, 2012,48(4):119-126.]
[5]
Cerdà A, Rodrigo-Comino J, Giménez-Morera A, et al. Policies can help to apply successful strategies to control soil and water losses. The case of chipped pruned branches (CPB) in Mediterranean citrus plantations[J]. Land Use Policy, 2018,75:734-745.
[6]
牛最荣, 赵文智, 刘进琪, 等. 甘肃渭河流域土地利用及覆被变化对径流的影响研究[J]. 水利水电技术, 2012,43(4):5-10.
[ Niu Zuirong, Zhao Wenzhi, Liu Jinqi, et al. Study on impact from change of land-use and land-cover on runoff in Wei River Basin in Gansu Province. Water Resources and Hydropower Engineering, 2012,43(4):5-10.]
[7]
刘晓燕, 刘昌明, 杨胜天, 等. 基于遥感的黄土高原林草植被变化对河川径流的影响分析[J]. 地理学报, 2014,69(11):1595-1603.
[ Liu Xiaoyan, Liu Changming, Yang Shengtian, et al. Influences of shrubs-herbs-arbor vegetation coverage on the runoff based on the remote sensing data in Loess Plateau. Acta Geographica Sinica, 2014,69(11):1595-1603.]
[8]
刘晓燕, 杨胜天, 王富贵, 等. 黄土高原现状梯田和林草植被的减沙作用分析[J]. 水利学报, 2014,45(11):1293-1300.
[ Liu Xiaoyan, Yang Shengtian, Wang Fugui, et al. Analysis on sediment yield reduced by current terrace and shrubs-herbs-arbor vegetation in the Loess Plateau. Journal of Hydraulic Engineering, 2014,45(11):1293-1300.]
[9]
王明玉, 王百田. 不同水土保持措施对黄土高原小流域年径流和产沙的影响——以平凉纸坊沟为例[J]. 林业科学, 2016,52(8):10-20.
[ Wang Mingyu, Wang Baitian. Impacts of soil and water conservation measures on the annual runoff and sediment yield in small watershed of Loess Plateau of China: A case study of Zhifanggou in Pingliang City of Gansu. Scientia Silvae Sinicae, 2016,52(8):10-20.]
[10]
王雅, 蒙吉军. 基于INVEST模型的黑河中游土地利用变化水文效应时空分析[J]. 北京大学学报(自然科学版), 2015,51(6):1157-1165.
[ Wang Ya, Meng Jijun. Spatial-temporal features of hydrological effects caused by land use changes in middle reaches of Heihe River based on InVEST Model. Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis, 2015,51(6):1157-1165.]
[11]
黎云云, 畅建霞, 王义民, 等. 渭河流域径流对土地利用变化的时空响应[J]. 农业工程学报, 2016,32(15):232-238.
[ Li Yunyun, Chang Jianxia, Wang Yimin, et al. Spatiotemporal responses of runoff to land use change in Wei River Basin. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2016,32(15):232-238.]
[12]
武国胜, 林惠花, 曾宏达. 用RS和GIS技术评价福建省长汀县土壤保持功能对生态系统变化的响应[J]. 生态学报, 2017,37(1):321-330.
[ Wu Guosheng, Lin Huihua, Zeng Hongda. Responses of soil conservation function to ecosystem changes: An assessment based on RS and GIS in Changting County, Fujian Province. Acta Ecologica Sinica, 2017,37(1):321-330.]
[13]
王连芬, 孙平平. 区域环境治理效率测的评价指标体系研究[J]. 统计与决策, 2012(10):60-62.
[ Wang Lianfen, Sun Pingping. Study on the evaluation index system of regional environmental governance efficiency test. Statistics and Decision, 2012(10):60-62.]
[14]
侯燕. 中国生态治理效率及其变动[J]. 北京理工大学学报(社会科学版), 2015,17(6):21-29.
[ Hou Yan. China’s ecological management efficiency and changes. Journal of Beijing Institute of Technology(Social Sciences Edition), 2015,17(6):21-29.]
[15]
Tenge A J, Graaff J D, Hella J P. Financial efficiency of major soil and water conservation measures in West Usambara highlands, Tanzania[J]. Applied Geography, 2005,25(4):348-366.
[16]
Claassen R, Cattaneo A, Johansson R. Cost-effective design of agri-environmental payment programs: U.S. experience in theory and practice[J]. Ecological Economics, 2008,65(4):737-752.
[17]
Dumbrovský M, Sobotková V, Šarapatka B, et al. Cost-effectiveness evaluation of model design variants of broad-base terrace in soil erosion control[J]. Ecological Engineering, 2014,68:260-269.
[18]
Wang L F, Sun P P. Study on the evaluation index system of regional environmental governance efficiency test[J]. Statistics and Decision, 2012(10):60-62.
[19]
Liu P, Yin R S, Zhao M J. Reformulating China's ecological restoration policies: What can be learned from comparing Chinese and American experiences[J]? Forest Policy and Economics, 2019,98:54-61.
[20]
Yin R S, Zhao M J. Ecological restoration programs and payments for ecosystem services as integrated biophysical and socioeconomic processes—China's experience as an example[J]. Ecological Economics, 2012,73:56-65.
[21]
Costanza R, D’ Arge R, De Groot R S, et al. The value of the world’ s ecosystem services and natural capital[J]. Nature, 1997,387:253-260.
[22]
Leimona B, Van Noordwijk M, De Groot R, et al. Fairly efficient, efficiently fair: Lessons from designing and testing payment schemes for ecosystem services in Asia[J]. Ecosystem Services, 2015,12:16-28.
[23]
陕西省水利厅. 陕西水利统计年鉴[M]. 西安: 陕西科学技术出版社,2001- 2016.
[ Shaanxi Provincial Department of Water Resources. Water conservancy statistical yearbook of Shaanxi. Xi’an: Shaanxi Science and Technology Press,2001- 2016.]
[24]
中华人民共和国水利部. 黄河流域水文资料年鉴(泾渭洛河水系)[M]. 北京: 中国水利水电出版社, 2001- 2016.
[ The Ministry of Water Resources of the People’s Republic of China. Hydrological statistics yearbook of Yellow River Bain. Beijing: China Water Conservancy and Hydropower Press, 2001- 2016.]
[25]
刘纪远, 匡文慧, 张增祥, 等. 20世纪80年代末以来中国土地利用变化的基本特征与空间格局[J]. 地理学报, 2014,69(1):3-14.
摘要
土地利用/土地覆被变化(LUCC)是人类活动与自然环境相互作用最直接的表现形式,本文采用相同空间分辨率的卫星遥感信息源和相同的技术方法,对中国1980 年代末到2010 年土地利用变化数据进行定期更新。在此基础上,提出并发展土地利用动态区划的方法,研究土地利用变化的空间格局与时空特征。我们发现:1990-2010 年的20 年间,中国土地利用变化表现出明显的时空差异。&#x0201c;南减北增,总量基本持衡,新增耕地的重心逐步由东北向西北移动&#x0201d;是耕地变化的基本特征;&#x0201c;扩展提速,东部为重心,向中西部蔓延&#x0201d;是城乡建设用地变化的基本特征;&#x0201c;林地前减后增,荒漠前增后减,草地持续减少&#x0201d;是非人工土地利用类型变化的主要特征。20 世纪末与21 世纪初两个10 年相比,中国土地利用变化空间格局出现了一些新特征,原有的13 个土地利用变化区划单元演变为15 个单元,且部分区划单元边界发生变化。主要变化格局特征为黄淮海地区、东南部沿海地区、长江中游地区和四川盆地城镇工矿用地呈现明显的加速扩张态势;北方地区耕地开垦重心由东北地区和内蒙古东部转向西北绿洲农业区;东北地区旱作耕地持续转变为水田;内蒙古农牧交错带南部、黄土高原和西南山地退耕还林还草效果初显。近20 年间,尽管气候变化对北方地区的耕地变化有一定的影响,但政策调控和经济驱动仍然是导致我国土地利用变化及其时空差异的主要原因。2000 年后的第一个10 年,土地利用格局变化的人为驱动因素已由单向国土开发为主,转变为开发与保护并重。在空间格局变化的分析方法方面,应用&#x0201c;动态区划法&#x0201d;开展世纪之交两个10 年中国LUCC空间格局变化的分析,有效揭示了20 年来中国LUCC&#x0201c;格局的变化过程&#x0201d;,即动态区划边界的推移、区划单元内部特征的变化与单元的消长等;以及&#x0201c;变化过程的格局&#x0201d;,即土地利用变化过程与特征的分阶段区域差异,清晰刻画了LUCC动态区划中区划单元的消长,单元边界的变动,以及前后10 年的变化强度特征,揭示了土地利用&#x0201c;格局&#x0201d;与&#x0201c;过程&#x0201d;之间的交替转化规律,以及不同类型和区域的变化原因,证明了该分析方法的有效性。
[ Liu Jiyuan, Kuang Wenhui, Zhang Zengxiang, et al. Spatiotemporal characteristics, patterns and causes of land use changes in China since the late 1980s. Acta Geographica Sinica, 2014,69(1):3-14.]
[26]
National Climatic Center of the China Meteorological Administration. China’s surface climate data of daily value dataset. 2000-2015(v3.0,http://cdc.nmic.cn/.
[27]
ASTER-GDEMV2 30m DEM model. National Aeronautics and Space Administration(search.earthdata.nasa.gov)
[28]
Yin R, Yin G. China’s primary programs of terrestrial ecosystem restoration: Initiation, implementation, and challenges[J]. Environmental Management, 2010,45(3):429-441.
China has undertaken several major programs of terrestrial ecosystem restoration (ERPs) in recent years, including the Natural Forest Protection Program (NFPP) and the Sloping Land Conversion Program (SLCP). There have been reports on the implementation of these programs, their preliminary impacts, and the problems encountered in carrying them out; a great deal has been learned from these studies. Nonetheless, China's ERPs are not limited to the NFPP and the SLCP. Because a complete documentation and a timely update of these major efforts are still missing from the literature, it is difficult to gauge the scope of these programs and the scale of their impacts. In addition, a more thorough and critical analysis of both the general ERP policy and the specific technical measures used in implementing the ERPs remains urgently needed. The purpose of this article is to tackle these tasks. Overall, with the huge government investments in the ERPs, tremendous progress has been made in implementing them. To complete them successfully and to fundamentally improve the targeted ecosystems, however, it is essential for China to have a more balanced and comprehensive approach to ecological restoration. This approach must include: adopting better planning and management practices; strengthening the governance of program implementation; emphasizing the active engagement of local people; establishing an independent, competent monitoring network; and conducting adequate assessments of program effectiveness and impact.
[29]
Zhang D W. China's forest expansion in the last three plus decades: Why and how?[J]. Forest Policy and Economics, 2019,98:75-81.
[30]
Song M L, Zhang L L, Liu W, et al. Bootstrap-DEA analysis of BRICS’ energy efficiency based on small sample data[J]. Applied Energy, 2013,112(C):1049-1055.
[31]
Hawdon D. Efficiency, performance and regulation of the international gas industry—A bootstrap DEA approach[J]. Energy Policy, 2003,31(11):1167-1178.

Abstract

Natural gas has become increasingly important as a source of energy in recent years. It is widely viewed as an attractive means of realizing environmental objectives post Kyoto, and individual country gas industries have been extensively restructured to encourage investment from the private sector. Barriers to international trade in gas have fallen particularly in areas such as Europe and Asia as pipeline facilities have expanded and trading systems have become established. An important question for policy makers concerns the use of scarce resources by this expanding industry.

Regulatory authorities increasingly use efficiency comparators to incentivise minimum cost use of resources by price cap methods, yardstick competition and other techniques. This paper explores some of the policy developments, which affect efficiency of resource use in the gas industry, and uses data envelopment analysis to measure relative performance at the individual country level. Recent developments in bootstrapping techniques are used to correct efficiency estimates for bias and to assess the uncertainty surrounding such estimates. The implications of these results for regulatory authorities are then explored.

[32]
王静爱. 中国政区和流域的多样性与可持续发展[J]. 北京师范大学学报社会科学版, 2002(4):115-121.
[ Wang Jingai. Diversities of administrations and drainage basions and sustainable development in China. Journal of Beijing Normal University(social sciences), 2002(4):115-121.]
[33]
Fotheringham A S, Charlton M, Brunsdon C. The geography of parameter space: An investigation of spatial non-stationarity[J]. International Journal of Geographical Information Systems, 1996,10(5):605-627.
[34]
Ord J K, Getis A. Local spatial autocorrelation statistics: Distributional issues and an application[J]. Geographical Analysis. 1995,27(4):286-306.
[35]
刘晓燕, 刘斌, 杨胜天. 黄土高塬沟壑区产沙驱动力及减沙潜力分析[J]. 人民黄河, 2014,36(5):1-3.
[ Liu Xiaoyan, Liu Bin, Yang Shengtian. Driving force of sediment production and potential of sediment reduction in the Gullied Rolling Loess Area. Yellow River, 2014,36(5):1-3.]
[36]
刘晓燕. 黄河近年水沙锐减成因[M]. 北京: 科学出版社, 2016.
[ Liu Xiaoyan. Causes of the Yellow River water and sediment reduction in recent years. Beijing: Science Press, 2016.]
[37]
李薇, 谈明洪. 西南山区人口空间重组及其对植被的影响—以河流沿线为例[J]. 生态学报, 2018,38(24):8879-8887.
摘要
随着城市化的快速推进,山区人口迁出及空间重组成为影响中国山区人地关系的重要因素,这可能对山区植被恢复和生态改善产生巨大影响。基于人口空间数据、河流分布数据和MODIS数据,本文分析了河流沿线人口空间重组情况,以生长季EVI值为表征植被绿度的指标,采用基于像元的趋势分析方法和基于样本的相关分析模型,对2000-2010年间中国西南山区不同级别河流沿线的人口空间变化和植被变化作了系统性分析,并定量研究了人口空间重组与植被变化之间的关系。结果表明:(1)三级及以上河流出现人口往河流沿线聚集的趋势,人口在河流的影响区聚集程度大于对比区。其中,一级和二级河流沿线影响区人口密度增加量比对比区分别高75.9%和42.1%。(2)三级及以上各河流沿线影响区和对比区EVI均呈现出增加的趋势,且影响区增加趋势低于对比区。(3)植被EVI变化趋势与人口密度变化呈负相关关系,河流沿线人口密度增加不利于植被的恢复;河流级别越高,植被EVI变化趋势与人口密度变化的相关性越强。
[ Li Wei, Tan Minghong. Spatial redistribution of population in mountainous areas and its impact on vegetation change in southwest China: A riverside case study. Acta Ecologica Sinica, 2018,38(24):8879-8887.]
[38]
苑韶峰, 杨丽霞, 杨桂山, 等. 耕地非农化的社会经济驱动因素异质性研究—基于STIRPAT和GWR模型的实证分析[J]. 经济地理, 2013,33(5):137-143.
[ Yuan Shaofeng, Yang Lixia, Yang Guishan, et al. The spatial heterogeneity of socio-economic driving factors of cultivated land conservation: A case based on STIRPAT and GWR models. Economic Geography, 2013,33(5):137-143.]
[39]
武玮, 徐宗学, 李发鹏. 渭河关中段水文情势改变程度分析[J]. 自然资源学报, 2012,27(7):1124-1137.
[ Wu Wei, Xu Zongxue, Li Fapeng. Hydrologic alteration analysis in the Guanzhong reach of the Wei River. Journal of Natural Resources, 2012,27(7):1124-1137.]
[40]
卓蓉蓉, 余斌, 曾菊新, 等. 湖北省经济空间格局演变与经济空间战略效应[J]. 经济地理, 2018,38(3):37-45.
[ Zhuo Rongrong, Yu Bin, Zeng Juxin, et al. Evolution of spatial pattern of economy and effect of space strategy for economy in Hubei Province. Economic Geography, 2018,38(3):37-45.]

基金

国家自然科学基金(71473195)
林业公益性行业科研专项经费项目资助(201504424)

版权

版权所有,未经授权,不得转载、摘编本刊文章,不得使用本刊的版式设计。
PDF(1717 KB)
可视化

1437

Accesses

0

Citation

Detail

段落导航
相关文章

/