灰色关联理论运用于草原环境保护的分析研究 --以内蒙古草原区为例

高景民 （内蒙古工业大学人文与社会科学学院.呼和浩特,010062）

摘要：选取内蒙古草地典型草原、草甸草原以及农牧交错带典型区，通过对区域内影响草地退化的社会、经济、环境等各因素进行定性分析，应用灰色系统理论的关联分析方法，以退化草地占草地可利用面积比例为参考数列，以牧草生长季积温、降水变率、年大风日数等气候因子，草地超载比例、人工种草与围栏草场面积、畜棚圈面积、牧民人均收入等人类活动因子作为比较数列，对草地退化进行了多因素关联分析。研究结果客观、定量地揭示了草地退化与各因素间的关系，认为草地生态系统的退化受损是气候变化和人类活动共同胁迫的结果，人类对草地的管理方式对草地生态系统具有巨大影响，人类可以通过多种管理措施来减轻牲畜对草场的压力，积极解决人与资源的平衡。

关键词：草地退化；成因；灰色关联度分析；内蒙古草地。 中图分类号： 文献标识码：

The grey related theory is applied to the analysis and research of grassland environmental protection ---Taking grassland of Inner Mongol as an example GAO Jing-min (School of Humanities & Social Sciences, Inner Mongolia University of Technology, Huhhot 010062, China) Abstract：The typical grassland, meadow and ecotone between agriculture and animal husbandry in Inner Mongol are selected, and various kinds of factors influencing the grassland degradation involve with society, economy, environment, etc. in these regions are qualitatively analysis. Based on this, the method of the grey incidence analysis of grey system is used to analysis grassland degradation. The degradation grassland proportion is chosen as referring series. Several climate factors including accumulated air temperature, relative variability of annual precipitation during grass growth (Apr.-Sep.), severe wind days and some human activity factors such as overloaded proportion of pastureland, total amount of artificial grassland areas, forage sown areas, enclosure grassland areas, annual net income per capita in pasture, etc. are chosen as the comparing series respectively. The degree of grey incidence is also calculated. The quantitative results objectively reveal the relations between the degradation grassland and the factors and show that the grassland degradation results from climate change and human activities, and the mankind’s management has enormous influence on the grassland ecosystem. The mankind can lighten the pressure to the grassland of livestock through many kinds of measures to keep the balance of people and resource actively.

Key words: grassland degradation, cause of formation, grey incidence analysis, grassland in Inner Mongol.

引言

我国拥有草地资源3.92亿hm2，占国土面积的41.41%[1]。近几十年来，我国的草业得到迅速发展，然而这种发展是在技术水平较低的情况下，以资源环境为代价换取的，“局部改善、整体恶化”的态势仍 在加剧。据草地资源调查结果显示，我国20世纪70年代草地退化面积占10%，80年代初占20%，90年 基金项目：内蒙古科技厅资助项目：气候波动对草地生态恢复周期影响的研究。 作者简介：高景民（1969-），男，内蒙古赤峰人，法律硕士，讲师，主要从事环境与资源保护法及知识产权法研究。 代中期占30%，目前已上升到50%以上，而且仍以每年200万hm2的速度发展[1]。内蒙古地区位于我国北方，其天然草原总面积为8666.7万hm2，占我国草地总面积的1/4，其天然草原现有退化面积0.467亿hm2，较80年代（1981～1985年的第三次全区草原普查结果）的0.251亿hm2扩大了86%，自治区54个牧区及半农半牧区的天然草原现有退化面积0.388亿hm2，较80年代的0.226亿hm2扩大了0.162亿hm2，为72%[2]。草原退化导致生态环境日趋恶化，草畜矛盾日益突出，反过来又严重制约了畜牧业的发展。 草地退化有全球气候变暖的影响，但更主要的是强大人口压力下的盲目垦殖、超载过牧、樵采、滥搂滥挖及不合理的管理方式造成的[3]。目前对草地退化的生物学机理研究较多[4-8]，对人类干扰等原因引起的草地退化只限于定性描述[9]。因此，搞清草地退化的深层次原因，找出草地退化与各影响因素之间的量化关系，从而制定有效的草地资源管理机制，使农牧民在积极保护草原生态环境和合理利用草原资源下提高经济效益，已成为政府部门迫切需要解决的重大课题。 草地退化涉及到的因素很多，而由诸多因素构成的草地退化系统是一个部分信息已知、部分信息未知或不完全明确的灰色系统[10]，系统中各要素间的关系相互影响、相互制约，存在不确定性，还无法找到一一对应的特定映像，只能凭经验得到一些定性的认识[11]。而在现有系统分析的量化方法中，大都采用数理统计的方法，如回归分析、方差分析、指数分析、主成分分析等，其中以回归分析用得最多。然而回归分析有其固有的弱点，如要求有大量样本，要求样本有较好的分布规律，计算工作量大，可能出现量化结果与定性分析结果不符的现象，因此大都只用于少因素的、线性的系统，对于多因素的，非线性的系统则难以处理。而灰色系统提出的灰色关联分析法[10]所需要的时间序列短、统计数据少，不要求数据有典型分布，算法简便易行，而被广泛应用。本文拟通过分析草地退化成因的影响因子，应用灰色系统理论，以近几年草地退化较严重的内蒙古地区为例，计算这些因子与草地退化的灰色关联度，并排出关联序，从而得出不同因子对草地退化影响的定量结果。 1草地退化的主要影响因素分析 1.1 气候因素对草地退化的影响 内蒙古地处中国的北部边疆，由东到西绵延4000km，是欧亚大陆草原的一部分，经度地带性非常明显，自然地理条件比较复杂，大部分地区属于温带大陆性季风气候，冬季寒冷而漫长，夏季酷热而短暂，水热条件无论在时间上还是空间上都分布不均，植被由于生长期短，再加上年度间降水变率大，导致生物产量低而不稳，不同年份和季节，草地生产力差距很大。草甸草原草场丰歉年的产草量变幅一般不超过一倍；典型草原草场则为2:1，极端年份更高；荒漠草场高达4:1[12]。草原这种不稳定的气候条件是引起草原植被及生产力变化的重要自然因素[13-14]。另外，全球气候变化，特别是气候变暖引发的北方干旱化也是促使草地退化的重要因素。 1.2草地超载引起的草畜矛盾对草地退化的影响 长期以来，由于片面追求经济利益，重畜轻草，掠夺性经营，导致我国天然草原大多处于超载过牧的状况。目前，我国天然草原平均超载20%～30%，北方草原平均超载36%以上，内蒙古天然草原从20世纪60年代起开始基本上就处于饱和利用状态，当时牧区人口40万，牧区饲养大小畜2923万头（只），畜均草场2.9 hm2，人均占有大小畜73头（只）；2003年末，牧区人口达到179.5万人，饲养量达到4538.17万头（只），畜均草场1.9 hm2，人均占有大小畜25头（只）[15]。上述两组数据表明：同样的草原面积，人口增加了近3.5倍，牲畜饲养量增加了55%，人均占有草场面积和牲畜头数分别减少了77.7%和65.7%，这反映出一个现实，草原承载的人口和牲畜已经超过了它所能承载的极限。 超载过牧导致牧草生长受到抑制，草原得不到休养生息，生产力下降，加之牲畜过度的践踏作用，最终导致草地退化受损，草资源日趋衰竭，草地压力日趋加大。 1.3现有草原管理及建设情况对草地退化的影响 近几十年来，虽然我国在牧区基本建设方面作了大量工作，但是，草地建设只是停留在建设围栏和少量的人工种草、草地改良水平上，绝大多数草原牧区仍然沿袭传统的靠天养畜的原始生产方式，草地畜牧业生产力水平低而不稳。作为草地资源大国，我国的草地生产力水平远远滞后，仅相当于新西兰的1/80，美国的1/20，澳大利亚的1/10，全国平均每公顷草地仅生产7个畜产品单位，相当于世界水平的30%，而由草原牧区提供的畜产品仅占全国总量的不足10%[1]，这充分说明一方面由于落后的生产及管理方式导致我国的草地大面积退化，而另一方面我国的草地资源却远未得到合理的、高效的开发利用。 通过草原建设解决草畜矛盾，以围封为前提，大力发展人工半人工草地，高标准配套草库伦和饲草料生产基地，以合理的利益机制，把牧区家畜品种资源丰富、农区饲草料充足的优势结合起来，优化资源配置，互利互补，是遏制草地退化的根本途径，也只有这样，才能既促进草原生态系统的保护和恢复，同时提高畜牧业经济效益及农牧民收入。 2 数据来源 本文选取位于内蒙古锡林郭勒及呼伦贝尔两大草原上具有代表性的草原牧区，以及处于农牧交错带的半农半牧区共9个旗县作为草地退化关联度分析的样本，其中锡林郭勒草原主要以典型草原（干草原）为主，呼伦贝尔草原主要以草甸草原为主。年份为1990年，选取退化草地占草地可利用面积比例作为参考数列，牧草生长季积温、降水变率、大风日数等4个气象因子、草场超载比例、农牧民人均收入以及与草场建设有关的4个因子作为比较数列，其中各因子筛选的基础信息主要来自四方面，一是基于内蒙古畜牧业统计资料（1960～2000），包括牧草、牲畜以及草地建设方面等的信息；二是基于内蒙古草原勘察设计院的测量数据（1980～1990），包括内蒙古第三次草地资源普查资料等方面的信息；三是基于内蒙古气象观测资料（1960～2000），包括光、温、水、风等方面的观测及分析资料；四是基于李博院士1996年主编的中国退化草地遥感分类图，包括轻度、中度及重度退化草地分布。 3 草地退化成因的多因素灰色关联分析 3.1灰色关联分析理论及方法 对于两个系统之间的因素，其随时间或不同对象而变化的关联性大小的量度，称为关联度。在系统发展过程中，若两个因素变化的趋势具有一致性，即同步变化程度较高，即可谓二者关联程度较高；反之，则较低。因此，灰色关联分析方法，是根据因素之间发展趋势的相似或相异程度，亦即“灰色关联度”，作为衡量因素间关联程度的一种方法[16]。灰色系统理论提出了对各子系统进行灰色关联度分析的概念，意图透过一定的方法，去寻求系统中各子系统（或因素）之间的数值关系。因此，灰色关联度分析对于一个系统发展变化态势提供了量化的度量，非常适合动态历程分析。 灰色系统关联分析的具体计算步骤如下[17]： （1）确定反映系统行为特征的参考数列和影响系统行为的比较数列 反映系统行为特征的数据序列，称为参考数列。影响系统行为的因素组成的数据序列，称比较数列。 （2）对参考数列和比较数列进行无量纲化处理 由于系统中各因素的物理意义不同，导致数据的量纲也不一定相同，不便于比较，或在比较时难以得到正确的结论。因此在进行灰色关联度分析时，一般都要进行无量纲化的数据处理。 （3）求参考数列与比较数列的灰色关联系数ξ（Xi） 所谓关联程度，实质上是曲线间几何形状的差别程度。因此曲线间差值大小，可作为关联程度的衡量尺度。对于一个参考数列X0有若干个比较数列X1, X2,…, Xn，各比较数列与参考数列在各个时刻（即曲线中的各点）的关联系数ξ（Xi）可由下列公式算出： 其中 ζ为分辨系数，0＜ζ＜1。 是第二级最小差，记为Δmin。 是两级最大差，记为Δmax。 为各比较数列Xi曲线上的每一个点与参考数列X0曲线上的每一个点的绝对差值。记为Δoi(k)。所以关联系数ξ（Xi）也可简化如下列公式： （4）求关联度ri 因为关联系数是比较数列与参考数列在各个时刻（即曲线中的各点）的关联程度值，所以它的数不止一个，而信息过于分散不便于进行整体性比较。因此有必要将各个时刻（即曲线中的各点）的关联系数集中为一个值，即求其平均值，作为比较数列与参考数列间关联程度的数量表示，关联度ri公式如下： （5）排关联序 因素间的关联程度，主要是用关联度的大小次序描述，而不仅是关联度的大小。将m个子序列对同一母序列的关联度按大小顺序排列起来，便组成了关联序，记为{x}，它反映了对于母序列来说各子序列的“优劣”关系。若r0i>r0j，则称{xi}对于同一母序列{x0}优于{xj}，记为{xi}>{xj} ；若r0i X7 > X9 > X5 > X4 > X8 > X2 > X10 > X1 > X11> X3 结果表明，草地退化比例与草场超载、人工种草、飞播牧草、围栏草场保有面积、实有畜棚与畜圈面积及牲畜年需草场面积等因子关系最密切，与大风日数、饲料作物播种面积、饲草料贮备总量等较密切，与降水及积温等气象因素一般密切。这说明草地生态系统的退化受损是气候变化和人类活动共同胁迫的结果。气候变化是正常自然现象，历史上长期的气候变化并未导致像今天这么严重的草原退化，人类活动，特别是长期不合理的畜牧业生产及管理方式，是导致草地生态系统劣变的主要因素，而气候变化加剧了系统劣变的程度。因此，只有不断调整放牧压力和牧草资源的时空分配，以适应由气候因子控制的非平衡生态系统[18]的内在规律，才能合理地利用草地资源，既保护了草地，又避免了自然灾害对畜牧业的毁灭性危害。 事实上，牲畜数量的增加，有受头数畜牧业思想的影响，同时也是经济社会发展的必然结果。相对于草资源来说，牲畜规模已经过大，已经超载过牧，但对于社会需求来说，特别是对于牧民致富需求来说，规模还远远不够，从而使得草畜矛盾日趋尖锐。从60年代至今，理论界、学术界只强调“以草定畜，草畜平衡”的合理性，而忽略了牧民迫切要求扩大生产规模的合理性。只强调了低水平的草畜平衡，没有强调增草增畜，因而忽视了积极解决人与资源的平衡[19]。实际上，片面地强调减轻草地压力往往会导致资源的浪费、畜牧业经济的萎缩、农牧民的贫困和生态系统的再度恶化。在畜牧业先进国家，如美国、加拿大等，在类似物理环境的草地上其载畜量是我国的3~5倍[20]，其草原并未退化，其畜牧业生产效率要高出我国数十倍。因此人类的管理因素对生态系统具有巨大影响。人类完全可以通过调整四季放牧的自然畜牧业生产方式，积极引种入牧，缓解草地春季敏感期放牧压力，以及因地制宜建立不同比例的人工草地，从另外的渠道为牲畜寻找饲料，提高冬春饲草的供应量，增加牲畜棚圈，变季节畜牧业为四季出栏，构建既能防止草地退化，又能提高畜牧业经济效益和农牧民收入的生态畜牧业优化经营管理模式，来减轻牲畜对草场的压力，从而达到自然生态系统的修复和草原畜牧业经济的可持续发展。 4 结论与讨论 （1）应用灰色系统灰色关联理论，对内蒙古地区影响草地退化的社会、经济、环境等各种因素进行分析，能够全面地、比较客观地反映出内蒙古地区草地退化与各影响因素之间的相互关系。并且能够使这种原本模糊的、仅限于定性描述的关系，得以清晰地量化。 （2）草地退化与草地超载以及和草原建设有关的因子关系最密切，气象因素等因子次之。说明草地生态系统的退化受损是社会、经济、环境等对草地生态系统共同作用的结果，人类活动，特别是不合理的畜牧业生产及管理方式，是导致草地生态系统劣变的主要因素，气候变化加剧了系统劣变的程度。 （3）通过灰色关联分析发现，人工种草、围栏封育等和草原建设有关的因子与内蒙古草地退化关系密切，这表明，人类对草地的管理方式对草地生态系统具有巨大的影响，人类可以通过多种管理措施来减轻牲畜对草场的压力，积极解决人与资源的平衡，实现增草增畜，从而达到自然生态系统的修复和草原畜牧业经济的可持续发展。 参考文献： [1]洪绂曾,王堃.我国草业发展现状及战略构想[A].刘永志.内蒙古草业研究[C],呼和浩特,内蒙古人民出版社,2004,9-12. [2]敖艳红,黄国安,邢旗,等.内蒙古草地资源利用现状及对策[A].刘永志.内蒙古草业研究[C],呼和浩特,内蒙古人民出版社,2004,30-34. [3]李博,中国的草原[M].北京,科学出版社,1990,234-235 [4]Trilica M J, Rittenhouse L R. Grazing and plant performance [J]. Ecological Applications, 1993,2(2): 35-34 [5]Belsky A J. Dose herbivore benefit plant? A review of the evidence [J]. American Naturalist, 1986,127:870-892 [6]Belsky A J. Overcompensation by plants: herbivore optimization or red herring [J]. Evolutionary Ecology, 1993,7:109-121 [7]李海英,彭红春,王启基.高寒矮嵩草草甸不同退化演替阶段植物群落地上生物量分析[J].草业学报,2004,13(5):26-32. [8]吴东辉,胡克,殷秀琴.松嫩草原中南部退化羊草草地生态恢复与重建中大型土壤动物群落生态特征,[J].草业学报,2004,13(5):121-126. [9]唐永昌,临夏县天然草地退化原因及改良保护对策[J],草业科学,2003,20(12):72-74. [10]袁嘉祖.灰色系统理论及其应用[M],北京,科学出版社,1991.1-12。 [11]郑宇,刘伟庆,邓民宪.地震直接损失的多因素灰色关联分析[J],自然灾害学报,2002,11(4):106-111. [12]郝璐,王静爱,史培军,等.草地畜牧业雪灾脆弱性评价---以内蒙古牧区为例[J].自然灾害学报,2003,12(2):51-57. [13]郝璐,魏玉蓉.内蒙古畜牧业气象灾害危险性评价及灾害预防[A].李世奎.中国自然灾害风险分析研究[C],北京,气象出版社,1998,252-259 [14]魏玉蓉,郝璐.内蒙古畜牧业灾害危险性辨识[J].内蒙古气象,2001,1(5):20-22. [15]纪大才.抓住机遇,促进草原生态于牧民增收和牧区经济的协调发展[A].刘永志.内蒙古草业研究[C],呼和浩特,内蒙古人民出版社,2004,17-20 [16]邓聚龙.灰色理论与方法[M],北京,石油工业出版社,1992. [17]邓聚龙.灰色系统理论教程[M],武汉,华中理工大学出版社,1990. [18][EB/OL].http://www.brooks.ngo.cn/0926_zl01.htm.2003-9-26。 [19]道尔吉帕拉木.集约化草原畜牧业[M].北京,中国农业科技出版社,1996。 [20]李青丰.生态建设以及可持续性的评价和管理[A].刘永志.内蒙古草业研究[C],呼和浩特,内蒙古人民出版社,2004,17-20