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希纳雷,H., G. D.彼得森,L. Börjeson, L. J.戈登,2022。1952-2016年萨赫勒地区村庄景观的生态系统服务:估算数据稀缺地区的变化。生态与社会27(3):1。摘要
布基纳法索和更广泛的萨赫勒地区在降雨、人口和景观利用方面经历了重大变化。这些变化改变了生态系统服务、人们从生态系统获得的好处以及农村生计。然而,由于社会、农业和生态数据的缺失和碎片化,很难评估这些变化的规模。我们估计了1952年至2016年布基纳法索农村地区10个主要供应生态系统服务的变化。我们使用了一个貌似合理的社会生态变化的简单模型来进行历史外推,填补了这些数据空白,并评估了历史变化。我们的方法结合了对历史航拍照片和卫星图像的解读,以及实地观察和采访。我们将该方法应用于两个行政区的6个村的6个时间点。我们通过分析每种服务产生的变化及其对人们的价值的一系列估计,对历史生态系统的使用进行了建模。研究发现,耕地生态系统服务功能在研究期间增加了1.5-23倍,而非耕地生态系统服务功能柴草、建筑材料和药品的价值则下降到以前的66-20%。种植生态系统服务的人均产量保持相对稳定,而所有其他生态系统服务的人均产量下降到1952年的54-11%。 Although alternatives are available for some ecosystem services, such as medicine and construction material, there are currently limited alternatives available for other services, such as firewood. Decline in wild food availability and consumption is likely to reduce the nutritional value of rural people’s food. Our analysis of changes demonstrates that shrubs and trees on fields generate many ecosystem services that are key to rural livelihoods, and that efforts to enhance crop yields should maintain shrubs and trees. Our approach for estimating historical ecosystem services may also be useful to apply in other data scarce regions.介绍
萨赫勒地区的植被和土地利用深受人类活动和降雨变化的影响。这两个因素的相对重要性引发了关于是什么推动了萨赫勒地区的变革的持续辩论。在20世纪70年代和80年代发生了一系列严重的干旱和饥荒之后,研究人员和政策制定者重新提出了一种与人口增长有关的人类导致的持续退化和沙漠化的说法(Swift 1996, Reenberg 2012)。以前的树木监测主要集中在被定义为森林的地区,忽略了萨赫勒地区存在的大多数树木(Brandt等,2020年)。在2000年代中期,对1980年代初以来植被增长的观察导致了一种叙事”进行重建”萨赫勒大部分地区(Fensholt等人2009,Herrmann等人2005,Olsson等人2005,Souverijns等人2020)。2000-2015年期间,萨赫勒地区大部分地区的总植被没有显著趋势,但增加了16%的区域(Leroux et al. 2017),而木本植被总体上呈增加趋势,主要是在人为压力较低的地区(Brandt et al. 2016)。空间变异程度较高,但建成区木本植被没有减少。事实上,半干旱的萨赫勒地区农田的树木覆盖比周围的稀树草原要高(Brandt等人,2018年)。植被的增加通常被认为有利于人们的生计(Reij et al. 2005, Tougiani et al. 2009, Sendzimir et al. 2011)。然而,一些研究表明,随着乔木和灌木覆盖的增加,物种组成发生了向更耐旱和/或外来物种的转变,以及大型树木的减少(Herrmann and Tappan 2013, Hänke et al. 2016),这改变了植被增加对人的价值。
在这种情况下,估算生态系统服务的动态,即人们从自然中获得的利益(2005年千年生态系统评估),可以揭示植被的这些多重变化是如何与人们生计的多个方面联系在一起的。然而,在分析生态系统服务的时间变化方面取得的成功有限(Nicholson et al. 2009, Bürgi et al. 2015, Berbés-Blázquez et al. 2016)。现有的分析生态系统服务动态的方法是基于生物物理特征和次级数据(Renard et al. 2015, Tomscha and Gergel 2016)或历史文献(Wilkinson et al. 2013, Bürgi et al. 2015),但在萨赫勒地区,同一地区的次级数据和历史文献随时间变化缺乏或难以定位或获取。例如,在某个时间点上,收集到的野生食物没有超过一个或几个村庄的数据。自20世纪80年代以来,主要作物的产量数据是可用的,但没有比行政省份更细的数据。也有各省的牲畜数据,但是从一次普查中推断出来的。土地覆盖地图(特别是历史地图)有限,通常只能以非常低的空间分辨率获得(Souverijns等人,2020年)。
在萨赫勒地区,农村人口高度依赖当地景观带来的直接利益。例如,在布基纳法索,63%的总人口和80%的农村人口从事不同形式的农业,主要是小规模农业(INSD 2014年)。利用生态系统服务的框架,我们可以超越对单一资源(如作物)的关注,研究村庄景观中多种供应服务的变化。我们研究的供给型生态系统服务与文化生态系统服务共存,依赖于在这些景观中调节和支持生态系统服务。例如,水对萨赫勒地区的生命至关重要,虽然我们评估的所有生态系统服务都需要水,但确保水(水分循环、储存和净化)的生态系统服务极其难以估计,因为它们来自树木密度、景观地形、土壤硬化和支持渗透和储存的基础设施(如种植坑)的时空变化组合。哉)、石塘和池塘。萨赫勒地区的生计仍然面临巨大挑战,尤其是气候变化(Salack等人2016年,Sultan和Gaetani 2016年)、普遍贫困(开发署2015年)和人口快速增长(粮农组织2017年)的影响,因此需要更全面地了解人们如何依赖景观。beplay竞技
我们通过结合对历史图像的分析和以往田野调查的结果,使用一个简单的模型来估计关键供应生态系统服务的变化,从而估计生态系统服务的历史变化。我们认为生态系统服务是由生态系统和人共同产生的(例如,Reyers等人2013年,Palomo等人2016年)。这种共同生产既包括不同资本的人力投入,以增强所需的服务,也包括形成生态系统服务的需求、价值和愿望(Daw等人,2011年,2016年,Chan等人,2012年,Ernstson 2013年,Bennett等人,2015年)。
我们对生态系统服务变化的评估基于我们所称的社会生态斑块:与当地人在描述其景观时使用的词汇相对应的景观单元,其特征是土地利用、土地覆盖和地形(Sinare et al. 2016)的组合,以及与当前每个斑块相关的生态系统服务的提供。我们利用(1)社会生态斑块在过去产生的生态系统服务集与现在类似的假设,以及(2)基于文献和对生态系统服务的可用性和使用随时间变化组合的实地观察,对合理变化的高估值和低估值来探索合理变化的范围。这使我们能够估算出生态系统服务的时间跨度,尽管我们对村民和他们的景观之间的关系过去的变化只有部分的知识或数据。
方法
这项研究是一个研究项目的一部分,该项目调查与布基纳法索观察到的再绿化有关的生态系统服务和生计。它特别建立在Sinare等人(2016)对来自不同社会-生态斑块的当前生态系统服务的评估基础上,但重点是如何将这些信息与历史图像的解读结合起来,以估计生态系统服务随时间的变化。
研究地点
这项研究在布基纳法索具有相似生物物理和社会特征的6个村庄进行,其中3个在北行政区,3个在中北行政区(图1)。自1980年代初干旱结束以来,这些地区的植被恢复情况分别高于和低于预期,因为同期降雨增加。1982-2008年归一化植被指数(NDVI)残留趋势的一项大规模研究表明了这一点,该趋势无法用3个月累积降雨量的变化来解释(Herrmann et al. 2005)。这些村庄位于1968-2000年600毫米的年降雨量等雨量线附近(OECD/ swc 2014)。村庄的人口在600到1500人之间(布基纳法索政府2005年,详见Sinare等人2016年),这一规模代表了该地区的村庄。
过去社会生态斑块的地图
我们利用1952年至2016年间六次航拍照片和卫星图像的目视解译绘制了社会生态斑块的空间范围变化:来自Géographique du布基纳法索研究所(IGB)和Géographique et forestière (IGN)国家信息研究所1952/1955年的航拍照片(分辨率-解译0.9/0.7-0.8时像素大小以米为单位);1967/1968年日冕卫星图像(2.8/2.2-2.3);IGB 1983/1984(1.5-1.6/1.6)的航空照片;IGB 1996(1.5-1.8)的航空照片;卫星图像CNES Astrium/谷歌Earth Pro 2006/2010(0.9/0.6-0.7)和卫星图像CNES Astrium/谷歌Earth Pro 2013/2016(1.7/1.2-1.3)。详情请参见表1。我们将所有图像导入ArcGIS 10.3软件(ESRI 2013),并转换为UTM投影,以实现距离测量。2006/2010年的CNES Astrium/谷歌Earth Pro图像被用作所有其他图像的基准层。我们选择了易于识别的地面控制点,例如神圣森林斑块,作为地理参考,结果是每平方公里0.15-1个地面控制点。这相当于或超过了在类似景观中使用的地面控制点的密度(Ruelland et al. 2011)。 Each image was transformed with first order polynomial transformation.
这些图像是在屏幕上手动解释的。此前已有研究表明,在萨赫勒地区,人工解译比自动化解译的结果更可靠(Tappan et al. 2004, Tappan and McGahuey 2007),因为可以将不同的图像来源(包括基于电影的航空照片)结合起来,并在解译中整合实地知识。在这项研究中,来自参与性研究活动的详细领域知识,包括在所有村庄散步,定期停下来记录景观使用(方法在Sinare等人2016年描述),对图像解释很重要。
我们使用2011年确定的村庄边界(Sinare et al. 2016)进行所有的图像分析,因为没有可用的官方村庄边界地图。我们在每个村庄的时间序列图像上应用网格,并将每个细胞分类为一种社会生态斑块类型。我们通过观察每一个可能覆盖多个社会生态斑块的100 × 100米的细胞,并根据其中心的社会生态斑块(在以细胞中心为半径5米的圆圈内)对其进行分类。社会生态斑块类必须覆盖至少0.25公顷的连通土地,才能将细胞分类为该斑块类。与映射多边形的方法相比,我们选择了这种方法,因为它更快、更准确。该方法对2006年绘制的多边形进行了测试(Sinare et al. 2016),得到了不同社会生态斑块的相同覆盖率。
我们将九种类型的社会-生态斑块(在括号中有当地语言术语Mooré)分类:贱人)、灌丛带(Weoogo)、家园(Kamanse)、抑郁(Baongho)、森林(Kaongo)、裸露土壤(Zipelle)、林地(Kangre灌溉蔬菜的土地(法语术语)查顿maraicher和公共建筑(定义见表2)。与2011年在村庄中确定的社会生态斑块类型相比(Sinare et al. 2016),我们增加了林地、公共建筑周围的土地和蔬菜灌溉用地,并将休耕区合并为灌木丛或田地。休耕期是不可能被发现的,因为年轻的休耕期看起来像田野,而老的休耕期在图像上看起来像灌木,因此被划分为这些类别。生态系统服务价值对每个社会-生态斑块的归属建立在先前深入田野调查的修正分数上(Sinare等,2016;详见附录1)。
有文献记载木本植被可以提供广泛的生态系统服务,如食物、饲料、木柴,以及调节这些景观中的水、碳营养物质和微气候(例如,见Bayala等人2014年,Sinare和Gordon 2015年)。为了检验耕地上木本植被在产生生态系统服务方面的作用,我们去掉了社会生态斑块、田地、宅基地(房屋周围的耕地区域)和洼地(种植的低洼地区)的树木叶菜、水果、医药、柴火和建筑材料的分数,创建了一个”没有树木”场景。
生态系统服务的变化
我们用两种方法估算了生态系统服务的历史生成。第一种方法假设生态系统服务与社会-生态斑块之间的关系是恒定的,而第二种方法基于与社会-生态斑块之间的关系随时间的变化来估计一系列生态系统服务价值。比较这些方法可以让我们评估哪些历史估计可能是可靠的或不确定的。
对于第一种方法,我们做了naïve假设:随着时间的推移,每个社会-生态斑块类型产生相同的生态系统服务集和相对产量。这一假设使我们能够将目前村庄景观所产生的生态系统服务的实地数据外推到历史景观中。我们将每种斑块类型的生态系统服务的产量乘以该斑块类型的频率,以估计每种生态系统服务在每个历史时期和每个村庄的总可用性(图2)。然而,由于耕作和土地使用习惯的变化,以及人们的价值观和需求的变化,生态系统服务的生成一直在变化。
对于第二种方法,我们估计了每个社会-生态斑块类型中每种生态系统服务的历史最高和最低产量,以建立1952年相对于2016年生态系统服务产生的合理区间。生态系统服务的共同生产性质意味着,随着时间的推移,变化取决于(a)潜在生态系统服务的产生,即如果有价值,可以成为生态系统服务的物质,例如受到植被变化或农业使用的技术和投入的影响;以及(b)人们对这种物质的需求,这使它成为一种供应生态系统服务。需求既取决于人口密度(我们将在下面讨论),也取决于人口对当地景观的依赖程度。为了估计生态系统服务的合理变化区间,我们结合了(a)和(b)。生态系统服务的历史最高值和低值的假设是基于之前的实地调查(Sinare等人,2016)、与村民关于时间变化的进一步讨论,以及我们所能找到的来自该地区的以往研究,这些研究给出了变化的迹象(表3)。我们预计,大多数对变化的估计将在这些值之间。我们对1952年至2016年的这一范围进行线性外推,以估计生态系统服务的生产是如何随时间变化的。通过将生产的变化与每个村庄的社会生态斑块的变化相结合,我们能够估计每个村庄可用的生态系统服务的变化(图2)。我们使用每个村庄和时间段的可用人口数据(表4),来估计生态系统服务可用性在人均基础上的变化情况。我们比较了每个生态系统服务过去的人均可用性和当前的可用性,以确定这种可用性是否随着时间发生了变化。这些计算是使用R (R Core Team 2019)、包光栅(Hijmans 2020)、rasterVis (Perpinan Lamigueiro和Hijmans 2019)、rgdal (Bivand等人2019)、ggplot2 (Wickham 2016)和ggpubr (Kassambara 2020)完成的。
结果
随着时间的推移,社会生态斑块的变化
所有村庄的主要趋势是有树的田地急剧增加(1952年至2016年平均增加60%),灌丛面积减少(平均减少64%;图3)。不同的村庄有不同的变化速率,在20世纪50年代已经主要被耕种的村庄增长较少。例如,1952年,Boursouma油田几乎覆盖了70%的土地,而在整个期间,这一面积仅增加了17%,自20世纪80年代以来相对稳定。另一个极端的莱布达,在1955年只有不到30%的耕地,而整个时期耕地面积增加了70%。扎林的产量增幅最大,几乎翻了一番。中北地区所有村庄的耕地增幅(70-99%)高于北部地区(17-56%)。有树木的田地平均占村庄面积的64%,灌木平均占18%。
不太常见的社会生态斑块的范围发生了实质性的变化(图3b)。平均而言,宅基地增加了四倍。裸露土壤也在增加,中北部地区的增加幅度大于北部地区。勒布达的裸露土壤最多,2010年覆盖了8%的景观,裸露土壤表面比其最小范围(1983年)增加了9倍。所有村庄的裸露土壤面积都出现了一个相对较近的峰值,即1996年或2006/2010年。在整个时期,布尔苏马和乌拉的裸露土壤面积非常有限。林地过去在大多数村庄的小范围内存在,但现在已经消失了。这一社会生态斑块的存在,在小组讨论中得到了村民的肯定。随着时间的推移,洼地区域一直相对稳定,因为它们主要是由地形定义的。为了避免高估宅基地面积,地图中以公共用地为主。 In Lebda, a dam was constructed in 2009, transforming the northwest corner of the village into a small reservoir. In 2016, irrigated vegetables had emerged as a distinct social-ecological patch in Lebda, but this was not included in the assessment of change in ecosystem services because of its limited spatial extent.
生态系统服务随时间的变化
社会生态斑块的总体变化趋势在所有村庄中惊人地相似(图3b),因此我们将生态系统服务随时间的变化结果作为所有村庄的平均值。我们描述了我们的似然区间模型的结果,然后将这些结果与线性模型的结果进行对比。
自1952年以来,谷物、豆类和蔬菜的栽培生态系统服务有所增加。蔬菜增加了4-23倍,而谷物和豆类增加了1.5-7倍(图4a)。对于从草本植物和牲畜资源中提取的叶类蔬菜,不可能辨别出是增加了还是减少了。药品、建筑材料、水果和树上的叶类蔬菜减少了。树上的叶类蔬菜和水果减少较少,分别保持1952年水平的90-50%和80-40%。药品、柴火和建筑材料的价值下降到以前的66-20%。从线性模型中,只有豆科植物、谷物和牲畜的三种估计值在我们的似然区间模型估计的区间内。线性模型估计的生态系统服务的变化比合理区间模型要少,但草本叶菜除外,线性模型估计的是增加,而合理区间估计的是减少。
在1960-2006年期间,人口密度几乎翻了一番(表4)。种植的生态系统服务作物谷物、豆类和蔬菜的产量几乎跟上了人口的增长,或人均略有增长(图4b)。从草本植物中提取的叶类蔬菜与人口增长保持一致,或人均有所下降。所有其他生态系统服务人均下降。即使按线性估计,柴薪也下降到1952年水平的三分之一左右,与药品、水果、建筑材料和树上叶菜一起下降到1952年水平的11-54%。举报人描述了他们现在需要走很远的路去收集他们需要的柴火。
通过将我们对生态系统服务的估计与农田中没有树木和灌木的情况进行比较,我们证明了农田树木对树木、水果、药物、柴火和建筑材料的可用性有很大贡献(图5)。因此,如果研究区域的耕作系统中没有保护树木和灌木,随着时间的推移,生态系统服务产生的下降将会更高。
讨论
我们首先对社会-生态斑块图、人口密度估计和生态系统服务历史外推的简单模型的准确性进行了反思。我们讨论了该模型在生态系统服务功能变化研究中的价值,以及如何改进和扩展该模型。其次,我们讨论了我们的历史分析表明,在布基纳法索以景观为基础的生计所面临的挑战,以及它们的政策含义。
图像解译和人口数据
航拍照片和卫星图像的解译受到照片日期之间季节性差异的影响。我们用来识别社会生态斑块的元素,如树木和灌木、田野边界、永久水土保持结构和建筑,四季可见。因此,我们确信,在旱季开始(11月)和旱季结束(4月)拍摄的图像之间的季节性差异不会对结果产生重大影响。我们方法的目的是绘制社会-生态斑块和生态系统服务随时间的变化趋势。因此,我们对精确点的精确地图精度不太感兴趣。在处理历史图像时,很难评估分类的准确性,因为其他参考材料很少完整(Manies和Mladenoff 2000, Schulte et al. 2002)。对于研究地点,既没有地面真相点,也没有历史土地利用地图。然而,本研究中图像的解释是由之前深入的野外工作的景观知识所促进的。为了研究更大范围内的变化,一些自动化识别图像中的社会生态斑块是必要的。针对最近的遥感图像,Malmborg等人(2018)开发了一种混合分类方法来解决这个问题。 Even though we were unable to map fallows, the set of provisioning ecosystem services from fallows can be represented by the combination of shrublands and fields that the actual fallows are classified as in our maps. However, excluding fallows as a separate social-ecological patch would be problematic in an assessment of regulating ecosystem services because fallows help restore soil fertility through accumulation of nutrients and organic material.
我们使用了有可靠数据的最小单位的人口密度数据。村庄一级的数据已经有好几年了,但从实地工作经验来看,至少对一些村庄来说是不可靠的。然而,与我们分析中使用的区域密度(Marchal 1983,布基纳法索政府1988,2000,2005)相比,这个村庄级别的数据表明,Boursouma, Oula和Koalma的人口密度是前者的2-3倍,Zarin的人口密度是前者的1.25-2倍。这表明人均生态系统服务的减少实际上可能比我们的结果显示的要大(图4b)。然而,在Reko和Lebda,人口密度可能比使用的区域密度低30%。村庄的实际人口在一年之内会发生变化,这在人口数据中没有体现出来。尤其是年轻男性,他们会在旱季迁移到城市或邻国工作,然后在收获季节返回。这意味着生态系统服务的受益者存在季节性差异,缺乏对景观进行投资的劳动力,例如,当准备好具有水土保持结构的田地时,以及金融资本的流入。
景观变化
景观随着时间和空间的变化而变化,其方式却鲜为人知。斑块内的关键问题包括作物产量的变化和木本植被的组成。景观中的关键问题包括斑块之间的配置和相互作用,以及新型社会-生态斑块的出现。水土保持技术是研究地区(特别是北部地区的村庄)普遍用于增加水分渗透和储存从而提高产量的投资。在20世纪70年代和80年代的干旱之后,村民委员会领导了石堤的建设,得到了当地酋长和长老的授权,并得到了发展项目的支持(Batterbury 2010年)。该地区的一名农民Yacouba Sawadogo经常被线人提及,他开始改善传统的种植坑,哉在20世纪80年代,他们将农场做大并添加肥料,这种做法通过农民对农民的研究访问在大片地区蔓延(Pasiecznik和Reij 2020)。Sawadogo是2018年“权利生计奖”的获奖者和2020年环境署的地球冠军。建造石质绑带和哉是劳动密集型的,更有可能采用这些技术的是值得信任、能够动员互助工作的农民,或者是拥有更大或更富裕家庭的农民(Yaméogo et al. 2018)。通过增加粪便和肥料的使用、动物牵引以及适应较短雨季的改良作物品种,产量也得到了提高。然而,产量数据是在一个相对粗略的范围内,而产量是高度可变的,甚至在油田内部。此外,生态系统服务的生成也存在季节性变化,作物在一个雨季种植,许多野生食物在每年的单一时期收获,以及由于降雨量的变化而产生的年际变化。
斑块间变化的第二个关键来源是木本植被的密度和物种组成的差异。关于这些变化只有部分数据。在Nord地区的村庄,木本植被在20世纪70年代和80年代干旱后减少,但直到2006年才恢复(Hänke et al 2016)。然而,物种组成已经转向更耐旱和引进的物种,它们不能产生相同的生态系统服务。在我们的研究中,信息提供者报告了灌木林地物种多样性的下降,这使得寻找用于传统药用的水果、树叶和产品变得更加困难。相反,引入快速生长的物种可能会增加建筑材料和木柴的可用性(Hänke等,2016年)。社会生态斑块中木本植被质量的区域差异是两个研究区域之间缺乏差异的潜在解释,尽管它们的NDVI趋势不同,这推动了选址(图1)。以NDVI衡量的植被绿度可能更受社会生态斑块内植被密度和物种组成差异的影响,而不是社会生态斑块类别之间的变化。来自塞内加尔的研究表明,很难将像素之间的植被绿色度差异与地面上测量和感知的景观组成和生计变化联系起来(Herrmann and Tappan 2013, Herrmann et al. 2014)。在小块中纳入更好的木材资源质量评估(方法见Hänke等人,2016)将改善对生态系统服务的估计,但由于缺乏历史物种组成的数据,很难应用于这一长时间的历史图像系列。
除了斑块内部的变化,景观组成和配置的变化也会改变生态系统服务的供应。本研究利用斑块总面积,而不是斑块之间的关系或斑块配置来估计生态系统服务的供给。更好地了解人们在不同季节如何使用不同的斑块,可能会使斑块的配置被用于更好地估计生态系统服务的变化。例如,如果灌木丛斑块减少到一定规模以下,它们就会变得太小,无法饲养牲畜和维持药用植物和水果的多样性(Malmborg等人,2018年)。
尽管存在这些方面,我们认为这种方法对于研究生态系统服务随时间变化的文献是有价值的,因为它简单和透明,当这些景观在不同时间点对人们的可用性或价值的变化的附加观测数据可用时,可以很容易地细化估算。线性外推法、变化的高估计值和变化的低估计值对几乎所有的生态系统服务都具有一致的变化方向。这表明对生态系统服务的变化有一个可靠的估计。对于某些服务,变化的合理范围很大,这表明潜在的假设很重要,需要更精确地了解人与自然之间的关系是如何变化的,以减少不确定性。分析生态系统服务随时间推移可能发生的一系列变化的方法也可以用于其他情况,特别是在数据可用性较低的情况下。
布基纳法索农村未来生计的挑战
在采访中,村民们强调,虽然他们通过多样化的活动来赚取现金收入,但他们的生计依赖于当地的景观。这与一项全国调查(INSD 2014年)的职业和收入数据一致,该调查显示,尽管移民汇款普遍很重要(Batterbury 2010年),但超过一半的家庭没有报告汇款。我们的研究结果表明,在布基纳法索北部被研究的村庄景观中,农田的扩张正在接近极限,这既是因为缺乏可进行有意义的耕作的额外土地,也是因为用于牲畜放牧的灌木丛缺乏和破碎化。例如,在Boursouma和Oula的农民,为了防止他们的牲畜在其他农民的土地上吃草,他们把田地划出来,因为灌木丛太稀缺了。农民没有足够的作物残余物或其他饲料来源,在种植季节用饲料代替放牧。该地区有拥有更大畜群的专业牧民,而农田扩张可能加剧作物生产者和牲畜生产者之间已经发生的冲突(Sanfo et al. 2015)。根据消息人士的说法,土地不再足够让土地休耕,如果他们真的让土地闲置,预计牲畜放牧的高压将会退化而不是增加土壤肥力。休耕的减少增加了对外部养分输入的需求,以维持或增加产量。农民自己的牛的粪便是不足的,这意味着获得粪便依赖于社会资本来维持或建立与牲畜牧民的良好关系。矿物肥料可以购买,但农民通常只能负担有限的数量。
在布基纳法索的其他地区,灌木林向农田的转化已接近饱和,这一担忧已被提出(Hansen和Reenberg, 1998年,Knauer等人,2017年,Jahel等人,2018年)。在萨赫勒地区的部分地区,耕地面积一直稳定,这种稳定的原因是获得了改进的农业做法(Reij等,2005年,Tappan和McGahuey, 2007年)和国内或国际市场(van Vliet等,2013年)。如果在我们的研究区域是这样的话,这意味着没有足够多的农民能够获得改进的农业做法和/或当地、国家或国际市场。我们的研究表明,尽管改变了农业做法,如水土保持方法,提高了产量,但这一增长不足以阻碍耕地的扩张,也不足以使人们摆脱贫困。根据国家确定的收入水平(相当于每天约0.75美元),在中北和北部地区,分别有47%和70%的人口生活在贫困中。这些贫困率高于40%的全国平均水平(布基纳法索政府2016年)。
避免在农业景观与树木之间进行权衡
进一步提高粮食生产水平,必须应对多重挑战。农民施用粪肥和/或矿物肥料的能力已成为获得良好甚至可接受产量的关键。农民确实使用堆肥或粪肥,但粪肥的可用性通常不足以满足耕种面积(Kambire 2016年),而矿物肥料往往太贵,农民无法在整个农田区域施用。预计该地区将出现气温升高和更多不规则降雨(Salack et al. 2016, Sultan和Gaetani 2016)。这些变化将使农民更难提高雨养作物的产量,并增加对水管理的需求,而水管理可以减少不安全感并增加农民的收入。在这方面,取得和管理小型水库是很重要的。2009年在勒卜达修建大坝对当地居民来说是一个重大变化,举报人强调,蔬菜种植每公顷的收入要比小米生产高得多。由于布基纳法索大坝的迅速增加(Cecchi等人,2009年,Ofosu等人,2010年),旱季蔬菜生产的灌溉土地,我们认为是一种新的patch类型,应该在对未来变化的区域分析或预测中加以考虑。这种斑块类型的表面积可能有限,但有可能对生产多样化和增加农民收入作出重大贡献。研究地区的生活,特别是中北地区的生活,今天受到无数针对平民的恐怖袭击的挑战。 This has resulted in more than 1 million internally displaced persons since the beginning of 2019 (UNHCR 2021). This violence is an immediate threat to people, and hinders investments in land and livestock.
在研究期间,所有非栽培生态系统服务的人均水平都有所下降(图4b)。布基纳法索的人口正在迅速增长;1960年人口不足500万,而2019年超过2000万(世界银行2019年)。目前,人口增长率仍然很高,每年增长3.1%(布基纳法索政府2016年)。这种人口高增长率很可能会持续下去,因为预计本世纪剩余时间人口将继续增长(粮农组织2017年)。人口的快速增长给布基纳法索带来了机遇和风险,这意味着如果不对土地管理进行前所未有的变革,人均生态系统服务的可用性可能会继续下降。绝大多数人依靠柴火做饭(根据布基纳法索政府2006a, 2006b,超过95%),相对于北部和中北部地区的需求,柴火和木炭已经出现短缺(Kambire等人,2015年)。燃料供应的下降突出表明,迫切需要使农村能够获得更可持续的能源。野生食物的减少很可能会对营养产生负面影响,因为许多野生食物的营养价值比栽培蔬菜高得多,人们可能买不到或买不起。例如,经常被引用的食物来自树木的叶子Adansonia digitata、坚果的Sclerocarya birrea和花萼木棉costatum,具有高浓度的不同矿物质(Smith et al. 1996),食物叶子来自草药,如Corchorus tridens而且苋属hybridus具有较高的蛋白质和矿物质营养价值(Humphry等,1993年)。特别是柴火的减少,以及野生食物的减少影响了妇女的可用时间,因为主要是妇女负责收集(例如,Reij等人,2005年,Perez等人,2015年),当资源稀缺时,需要花费更多的时间收集。
提高农业生产力是布基纳法索政府(布基纳法索政府2016年)和国际发展捐助者的主要目标,他们还关注提高非洲小农农业的产量,包括在布基纳法索(关键观点见Moseley 2017年和Gengenbach等人2018年)。我们的分析表明,在这些多功能村庄景观中,来自农田的非作物供应生态系统服务对人们的生计至关重要。如果本研究中的农田(有树木、洼地和宅基地的田地)仅被指定为农作物的值,那么在所有时间步骤和估算中,我们将看到来自树木、水果、药物、柴草和建筑材料的叶蔬菜水平要低得多(图5)。此前也有文献记录了萨赫勒地区树木和灌木在生产供应和调节生态系统服务方面的重要性(例如,Bayala等人。2014,Sinare和Gordon 2015)。在殖民地农业推广服务的重点是将树木从田间移除的背景下,农田的树木和灌木的维护与社会资本的发展密切相关,这种做法持续了几十年(Reij和Garrity 2016)。在农民和推广服务之间建立信任,将土地和植被管理的权力移交给村庄委员会,以及能力发展是这种社会资本发展的例子(Hilhorst 2008年,Batterbury 2010年,Pasiecznik和Reij 2020年)。我们的研究表明,在任何景观干预中考虑树木和灌木产生的多种生态系统服务的重要性,以避免权衡,例如,在设计提高作物生产力的策略时,或在建立采矿活动时,这是该地区和布基纳法索的一个重要收入来源。我们希望这项研究的发现和方法可以帮助指导未来的景观管理决策。
结论
我们用一个简单的模型估算了布基纳法索乡村景观的历史生态系统服务,该模型估算了社会生态生产和生态系统服务使用的变化范围。这些估计是基于图像判读、现场数据和文献数据的组合。这种方法的优点是简单、透明,如果有关于发电量变化或对人们的价值的额外数据,就容易改进。我们相信这种方法将有助于估计其他历史数据有限的地区的历史生态系统服务功能。
我们的分析显示,尽管种植生态系统服务的产生几乎跟上人口增长或人均略有增加,但产生其他供应性生态系统服务的潜力已大幅下降。农田覆盖了46%到78%的村庄面积,放牧区域越来越稀缺。历史分析表明,进一步扩大耕地或放牧面积的潜力不大。虽然产量有所增加,但由于无法通过自然或人工结构从地表水的渗透和储存中获得可靠和持续的水,无法获得粪肥和化肥,以及由于气候变化造成的产量减少,未来的集约化发展受到限制。beplay竞技药品和建筑材料等一些非耕种的生态系统服务的替代品越来越多。然而,目前可供选择的其他生态系统服务有限。今天,布基纳法索的大多数人口依靠木材来烹饪。此外,没有替代办法来弥补营养丰富的野生食物供应的减少。田野上的树木和灌木提供的生态系统服务没有可获得的替代品,因此应在景观干预中保护树木和灌木。
致谢
这项工作是在项目内进行的”适应旱地气候变化:萨赫勒地区的再绿化是一个潜在的成功案例”由Sida (SWE-2008-148)和Vetenskapsrådet (SWE-2012-115)的研究补助金资助,并由瑞典战略环境研究基金会(Mistra)为斯德哥尔摩恢复力中心提供核心资金。第四作者的工作得到了Ebba och Sven Schwartz Stiftelse的资助。我们要感谢村子里的人们对我们的欢迎和参与研究,以及现场助理Desiré R. Kaboré。感谢布基纳法索INERA的Korodjouma Ouattara和Issa Ouedraogo在实地工作期间给予的支持。
数据可用性
支持本研究结果的数据/代码可在figshare公开获取https://doi.org/10.17045/sthlmuni.19144616.v1;https://doi.org/10.17045/sthlmuni.17032511.v1;https://doi.org/10.17045/sthlmuni.17032724.v1.
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表1
表1:用于识别社会生态斑块随时间变化的图像材料概述。
十年 | 图像类型 | 地区 | 日期 | 任务 | 解译时的分辨率(像素大小,单位为米) | 源 |
1950年代 | 航拍照片 | 北方 | 1952年2月 | A.O.F0171952_ND_30X | 0.9 | Géographique杜布基纳法索研究所(IGB) |
1950年代 | 航拍照片 | Centre-Nord | 1955年11月 | A.O.F1955_56_ND_30_XII | 0.7 - -0.8 | 游戏内;国家信息研究所Géographique et forestière (IGN) |
1960年代 | 电晕 | 北方 | 1967年12月 | 1102 - 1 | 2.8 | 数据可从 美国地质调查局 |
1960年代 | 电晕 | Centre-Nord | 1968年1月 | 1045 - 1 | 2.2 - -2.3 | 数据可从 美国地质调查局。 |
1980年代 | 航拍照片 | 北方 | 1984年12月 | 84066 _b Ouahigouya | 1.6 | 游戏内 |
1980年代 | 航拍照片 | Centre-Nord | 1983年2月 | 83053 _b Pissila | 1.5 - -1.6 | 游戏内 |
1990年代 | 航拍照片 | 北方 | 1996年4月 | 96145 _b Sourou / Passore;96145 _b Ouahigouya | 1.6 - -1.8 | 游戏内 |
1990年代 | 航拍照片 | Centre-Nord | 1996年12月 | 96158 _b Sanmatenga | 1.5 - -1.6 | 游戏内 |
2000年代 | 卫星图像 | 北方 | 2006年3月 | - | 0.9 | CNES Astrium通过谷歌Earth Pro |
2000年代 | 卫星图像 | Centre-Nord | 2010年10月(Koalma, Zarin), 2010年11月(Lebda) | - | 0.6 - -0.7 | CNES Astrium通过谷歌Earth Pro |
2010年代 | 卫星图像 | 北方 | 2013年4月 | - | 1.7 | CNES Astrium通过谷歌Earth Pro |
2010年代 | 卫星图像 | Centre-Nord | 2016年5月 | - | 1.2 - -1.3 | CNES Astrium通过谷歌Earth Pro |
表2
表2:社会生态斑块及其定义,按航拍照片和卫星图像识别的顺序呈现。
生态修复 在摩尔(名称) |
定义 | 理由包括 |
家园 (Kamanse) |
庭院及其周围的土地距离建筑物50米内(继Sinare et al. 2016)。 | 这些地区的特点是,由于人类和动物的排泄物,营养浓度较高,而且根据人们种植的手边有不同的物种组成。 |
公共建筑 | 距离学校、市厅等公共建筑物50米以内的土地不具备宅基地的性质,更接近于裸露的土壤。 | 不要高估来自宅基地的生态系统服务,否则这些地区将被归类为。 |
经济萧条 (Baongho) |
洼地在很大程度上是由地形定义的,并在与2006/2010年相同的范围内首次绘制,Sinare等人(2016)提供了地面控制点。对历史图像进行了调整,其中洼地的一部分以前是森林(有更高的树木密度)。 | 这些地势较低的地区在很大程度上被耕种,由于土壤湿度较高,大多数年份产量高于其他地区。它也有较高的大树覆盖。当降雨量高时,这些地区的产量就会下降。 |
森林 (Kaongo) |
有密集覆盖的斑块,个体的树冠无法被发现。森林斑块通常是神圣的,因此随着时间的推移而持续存在。 | 虽然仅占村庄景观的不到5%,但森林斑块非常独特,具有很高的文化价值。提供生态系统服务的提取非常有限。 |
字段 (贱人) |
有分散树木和灌木的土地,其田间边界和/或水土保持方法等特征表明有耕作。 | 不同密度分散的乔灌木耕地在村落中占主导地位。 |
林地 (Kangre) |
树木分散,相对密集,没有田野边界的土地。 | 出现在历史图像中,不可能归入任何其他社会生态斑块类别。 |
裸露的土壤 (Zipelle) |
无植被覆盖,无田野边界的土地。 | 表明土地退化。 |
灌木地 (Weoogo) |
有稀疏到相对密集的灌木覆盖的土地。 | 重要的牧场。 |
种植蔬菜的灌溉土地 (查顿maraicher,法语术语) |
靠近水库或其他水源的土地,在旱季准备用于蔬菜种植。 | 重要的社会生态新区,具有独特的生态系统服务和效益。 |
表3
表3:基于文献和实地数据,对1952-2016年生态系统服务产生变化和这些生态系统服务对人类价值的高估值和低估值的理由。在模型中使用括号中的数字来说明证明。结合生态系统服务产生的变化和对人的生态系统服务价值的估计来估计历史生态系统服务。
生态系统服务(ES) | 估计 | ES生成似然变化 | ES的价值给人们合理的改变 |
谷物 | 低 | 据农业统计,1984-2013年期间,产量从每公顷500公斤增加到每公顷900公斤__,但年际变化较大。将这些变化向后推至20世纪50年代,估计为当前每公顷产量的四分之一(0.25)。 | 谷物在20世纪50年代更为重要,因为人们的收入较少,无法购买替代食品(如玉米和大米)。然而,即使在今天,许多家庭至少在一定程度上依赖他们自己的谷物。因此,一个较低的估计是,以前谷物对人类的重要性比现在高20%(1.2)。 |
高 | 50年代的每公顷产量可能比80年代高,因为较高的人均土地利用率可能使休耕期更长。同样,在20世纪70年代以前,肥料的施用量更高,这意味着尽管比现在低,但产量可以达到目前产量的70%‡(0.7)。 | 消息人士表示,谷物在过去更为重要。以前所有的田地都用来种高粱和小米,现在对一些农民来说,谷物只占田地面积的1/3,其余的都用来种经济作物。因此,一个较高的估计是,谷物对人类的重要性要高出50%(1.5)。 | |
豆类 | 低 | 自20世纪80年代以来,每公顷产量略有增加(0-30%)__.据知情人士透露,在过去的15-20年里,豇豆种植面积有所增加。这表明过去豆科植物的产量较低(0.8)。 | 豆科植物是今天更重要的经济作物。告密者将多达2/3的土地用于种植豆类作物。这表明豆类在过去的需求量要小得多。(0.3) |
高 | 50年代的收益率可能高于80年代初。证明这一观点的证据是,20世纪70年代种植花生的面积比以前更少,土地也更贫瘠‡.豇豆也通过推广服务分发,并在20世纪50年代种植。因此,豆科植物的每公顷产量在20世纪50年代可能与今天相同(1)。 | 在20世纪50年代,花生对收入的重要性与现在一样,因为可供选择的收入来源较少,这表明对花生的需求可能一直保持不变(1)。 | |
蔬菜 | 低 | 可用农业统计数据__表明1996-2008年期间产量大幅增加。小型水坝的旱季灌溉是这一增长的主要原因,因此,在过去没有这些水坝时,蔬菜产量要低得多(0.1)。 | 随着时间的推移,蔬菜的重要性越来越大。目前,蔬菜是重要的收入来源,由于可食用的叶子较少,它们是更重要的食物来源。对蔬菜的需求在过去可能下降了30%(0.7)。 |
高 | 尽管蔬菜的数量有所增加,但没有包括整个时期的统计数据。雨养蔬菜在过去可能产量更高,所以以前的产量可能是目前产量(0.5)的一半。 | 虽然对蔬菜的需求增加了,但这一增长可能非常小,可能只比目前的(0.8)低20%。 | |
叶蔬菜药草 | 低 | 药草在田地和宅基地内外发芽的条件没有随着时间的推移而改变(1); | 随着替代品的增多,草药的重要性有所下降。因此,过去的需求可能略高(1.2)。 |
高 | 更密集的种植可能会减少草药在田间和周围发芽的可能性。因此,草本植物的生产力可能在过去略高(1.2)。 | 野生食物在过去更重要,特别是在干旱年份,因为可供选择的食物很少。因此,需求大幅提高(1.5)。 | |
叶蔬菜树 | 低 | 因树叶而珍贵的树种已经减少§,但由于人类保存了重要物种或使它们得以再生,影响并没有太大。因此,叶片产量在过去最低程度上较高(1.1)。 | 树上的叶菜的重要性有所下降,因为有其他的选择。然而,由于树叶在文化上仍然很重要,因此其重要性在过去仅略高于(1.1)。 |
高 | 因其叶子而珍贵的树种已大幅减少§.因此,叶片产量在过去大幅提高(1.5)。 | 在过去,当很少有替代品可以买到的时候,尤其是在农作物歉收的时候,树叶的重要性要大得多。因此,需求大幅提高(1.5) | |
水果 | 低 | 以果实为价值的树种减少了§,但由于人们保存/再生了重要物种,这种下降是最小的(1.1); | 水果在过去对于收入和食物来说和现在一样重要(1)。 |
高 | 以果实为价值的树种减少了§导致水果产量大幅下降(1.5)。 | 在过去,水果作为食物和收入来源都更为重要。因此,水果的重要性大幅下降(1.5)。 | |
医学 | 低 | 灌丛药用植物多样性略有下降。因此,过去灌丛中药用植物的产量略高于现在(1.2)。 | 随着医疗保健和药品的普及,需求逐渐下降,但传统医学在文化上仍然重要,医疗保健费用昂贵。因此,药用植物的需求只有最低限度的下降(1.1); |
高 | 灌丛中药用植物的多样性明显下降。因此,过去灌丛中药用植物的产量是现在的两倍(2)。 | 随着时间的推移,由于获得保健和药品的机会增加,对药用植物的需求减少了很多。过去的需求比现在(1.8)高很多。 | |
柴火 | 低 | 随着时间的推移,可以在田地和灌木地上收集的柴火减少了。树木密度正在恢复到20世纪60年代的水平§.然而,20世纪50年代的树木密度可能更高,导致可用性略高于今天(1.2)。 | 大约96%的农村人口仍然依赖柴火做饭|.假设在20世纪50年代100%依赖于它,我们假设重要性下降很小(1.04) |
高 | 在20世纪60年代以前,柴火的供应量远远高于需求量¶.举报人说,他们今天要走很远的路才能拾到柴火。这可能表明过去的柴草产量大幅提高(1.5)。 | 很大一部分人口仍然依赖柴火做饭,但如果更多的家庭使用能效更高的改进炉灶,对木材的需求可能在近年来有所减少。我们假设重要性略有下降(1.08) | |
建筑材料 | 低 | 尽管其他木本植被减少了,但人们增加了宅基地附近楝树的数量。这些人工种植的树木弥补了野生建筑材料的损失,这意味着建筑材料的生产可能与过去相似(1)。 | 目前,人们在建筑中使用的更多的是购买的材料,而不是本地材料。假设购买的材料在20世纪50年代被使用,但使用程度较低,那么建筑的重要性在过去略高(1.25)。 |
高 | 更多样化的物种的存在意味着在过去可以获得更多的当地建筑材料(1.2)。 | 假设在20世纪50年代只使用当地材料。当地建筑材料的重要性是现在的两倍。 | |
家畜的资源 | 低 | 在过去,牧场面积更大,联系也更紧密#,这意味着有更多的家畜资源可用(1.3)。 | 牲畜饲养大大增加。过去饲养牲畜的人越来越少,因为农作物和牲畜都更加专业化了组合.因此,畜牧业资源的重要性在过去要低得多(0.6)。 |
高 | 能够更自由地在景观中移动意味着牲畜有更多的可用资源,因为牲畜可以利用景观的时空变化(2)。 | 尽管饲养牲畜的人越来越少,但牲畜资源对大多数人来说仍然很重要,因为牧民和农民之间有合作。因此,牲畜生产对农民来说很重要,因为牧民可以在收获后将牲畜留在田地里,其重要性在过去最低限度地降低(0.9)。 | |
__Ministère de l 'agriculture and de securité alimentaire 2013,‡Breusers 2001,§Hänke等2016,|INSD 2014,¶使用2004年#Malmborg等人,2018,组合鲍威尔等,2004年 |
表4
表4:用于生态系统服务人均变化分析的人口数据概述。
一年 | 类型的数据 | 地理单元 | 人口密度(每平方公里居民) |
1960 | 全国性调查__ | 比较粗糙的地理单元,Yatenga单元比今天的Yatenga省要大一些,Mossi Central单元包括今天的Sanmatenga,但大约是五倍大。 | 46(北方);32 (Centre-Nord) |
1975 | 全国人口普查‡ | 北:Ouahigouya(不能与今天的单位相比); Centre-Nord:直辖市Pissila |
67(北方);33 (Centre-Nord) |
1985 | 全国人口普查§ | 北部:直辖市Oula; Centre-Nord:直辖市Pissila |
55(北方);39 (Centre-Nord) |
1996 | 全国人口普查| | 北部:直辖市Oula; Centre-Nord:直辖市Pissila |
68(北方);37 (Centre-Nord) |
2006 | 全国人口普查¶ | 北部:直辖市Oula; Centre-Nord:直辖市Pissila |
80(北方);63 (Centre-Nord) |
__1962年,上沃尔特共和国‡1978年,《上沃尔特共和国》§布基纳法索政府1988年,|布基纳法索政府2000年,¶INSD 2009 |