王宏偉,張 鑫,邱俊楠

(西北農(nóng)林科技大學水利與建筑工程學院,陜西楊陵712100)

近年來,人類生存所面臨的問題日益增多,同時也越來越嚴峻,如全球變暖、人口急增、資源不合理利用、環(huán)境污染等問題,使生態(tài)系統(tǒng)自身的協(xié)調(diào)能力不斷下降,人類生存的環(huán)境呈現(xiàn)出越來越脆弱的趨勢[1]。因此研究生態(tài)環(huán)境的脆弱性,對相關(guān)部門因地制宜地制定可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略與決策以及保護生態(tài)環(huán)境等方面具有重要的現(xiàn)實意義。目前,國內(nèi)外對脆弱生態(tài)環(huán)境展開了深入而廣泛的研究,其中,評價指標體系和生態(tài)環(huán)境脆弱度的評價方法也日益提升到定量水平[2],但是迄今為止尚未形成一套公認的、具有普適性的評價方法,評價指標體系也各不相同,造成研究結(jié)果可比性差、推廣價值低等問題[3]。

以地處毛烏素沙區(qū)向陜北黃土高原過渡的國家級能源化工基地榆林市為例,依據(jù)統(tǒng)計資料,以縣(區(qū))為評價單元,在對干旱指數(shù)、人口、經(jīng)濟和人均水資源等四個脆弱因子的空間分異特征進行定量分析后,建立評價指標體系,采用主成分分析法和聚類分析法,構(gòu)建數(shù)學模型計算脆弱度并進行等級劃分,來探討脆弱度的空間分異,為決策者提供一定的指導意見。

1 干旱指數(shù)的空間分異

利用1980-2005年的降雨和蒸發(fā)資料計算多年平均干旱指數(shù),結(jié)果表明:榆林市各縣(區(qū))的多年平均干旱指數(shù)均大于2,為2.3～4.3,其均值為3.0。干旱指數(shù)最大的是定邊縣,最小的是清澗縣。根據(jù)我國的氣候帶劃分標準,將榆林市分為半濕潤帶和半干旱帶兩個氣候帶,其中榆陽區(qū)、神木縣、米脂縣、吳堡縣、清澗縣和子州縣屬于半濕潤帶,府谷縣、橫山縣、靖邊縣、定邊縣、綏德縣和佳縣屬于半干旱帶。

結(jié)合計算結(jié)果,繪制榆林市多年平均干旱指數(shù)等值線圖(圖1)。由圖1可知,榆林市干旱指數(shù)大體上呈現(xiàn)出了自東向西增大的趨勢。

圖1 榆林市多年平均干旱指數(shù)等值線圖

2 人口的空間分異

人口集中指數(shù)是反映人口在某一地域分布的集中程度的指標。其計算公式為

式中:i——組成該地域的行政區(qū)或統(tǒng)計區(qū)的數(shù)目;Pi,Si——分別為i地的人口和面積;P,S——分別為該地區(qū)的總?cè)丝诤涂偯娣e;N——該地區(qū)下屬單元個數(shù)。C值介于0與1之間,C值越小,說明人口向某一地域集中的偏向很小,趨向于0時,說明人口均勻分布于各地域。C值越大,說明人口越集中,趨向于1時,說明所有人口幾乎集中分布于一“點”[4]。

利用榆林市各縣(區(qū))的土地資料和 1980-2005年的人口資料,分別求出1980-2005年的人口集中指數(shù),其中1980年的人口集中指數(shù)最大,為0.225,2005年的最小,為0.196。結(jié)合計算結(jié)果繪制榆林市人口集中指數(shù)變化趨勢圖(圖2)。

圖2 榆林市人口集中指數(shù)變化趨勢圖

圖2表明,在1980-2005年期間,人口集中指數(shù)逐年減少,說明榆林市人口沒有集中分布于某一“點”,而是其空間分布趨于均勻,有越來越分散的趨勢,但是這一指數(shù)的變化是比較小的。

3 基于系統(tǒng)熵的GDP空間分異

系統(tǒng)熵是用來衡量系統(tǒng)隨機分布狀態(tài)的一個很有用的物理統(tǒng)計量。區(qū)域經(jīng)濟系統(tǒng)熵H可表示為

式中:nti——區(qū)域i在第t年的GDP;Nt——同期所有區(qū)域的GDP之和;nti和N t定義域為(0,∞),熵的取值范圍為[0,ln(k)][5]。熵的值越小,則區(qū)域經(jīng)濟的集聚程度越高,空間分布越呈現(xiàn)出向某一個區(qū)域集聚的趨勢;反之,則區(qū)域經(jīng)濟的集聚程度越低,其空間分布也越均勻。

利用榆林市各縣(區(qū))1980-2005年GDP資料,計算出榆林市GDP空間分布的熵,其值為1.85～2.38,并根據(jù)計算結(jié)果作榆林市GDP空間分布的熵的變化趨勢圖(圖3)。

圖3 榆林市GDP空間分布的熵的變化趨勢圖

從圖3可以看出,在1980-2005年期間,榆林市的GDP空間分布發(fā)生了很明顯的變化。GDP的熵從1980年的2.38減小到2005年的1.85。說明榆林市的區(qū)域經(jīng)濟沒有均勻分布在所有的區(qū)域,而是集聚在某一個地域,集聚程度越來越高。結(jié)合計算過程可以得知,榆林市的經(jīng)濟越來越集聚在神木縣、榆陽區(qū)、府谷縣這塊區(qū)域,并且有增加趨勢。

綜上所述,榆林市的區(qū)域GDP的熵在不斷減小,GDP的集聚程度在變強,集聚速度在變快,榆林市經(jīng)濟的發(fā)展越來越不平衡。

4 人均水資源的空間分異

利用 1980年、1985年、1990年、1995年、2000 年、2005年的榆林市各縣(區(qū))的水資源總量與舊口徑統(tǒng)計人口的資料,計算人均水資源量,并由MAPINFO軟件制作榆林市人均水資源量空間分布圖(圖4)。

圖4 榆林市人均水資源量空間分布圖

各縣(區(qū))的人均水資源量在時間上的變化不是很大,減少的速度各不相同,但是總體呈現(xiàn)出減少趨勢。吳堡縣的人均水資源量最少,一直居末位,神木縣和榆陽區(qū)的最多,約是吳堡縣的十幾倍,差距較大。綏德縣、米脂縣、佳縣、吳堡縣、清澗縣和子州縣的人均水資源量為205～636 m3/人,遠低于全市平均水平。榆陽區(qū)和靖邊縣的人均水資源量減少速度最快,多年平均增長率達到-1.9%。減少速度最慢的也是人均水資源量很少的兩個縣:吳堡縣和清澗縣,多年平均增長率為-1.3%。

由此分析得知,榆林市人均水資源量的總體空間分布趨勢為:自西向東逐漸減小。

5 生態(tài)脆弱度的空間分異

5.1 主成分分析

本文采用2006年榆林市統(tǒng)計年鑒和榆林市水資源綜合規(guī)劃的數(shù)據(jù),以縣(區(qū))為評價單元,結(jié)合榆林市各縣(區(qū))的實際情況,較為客觀地反映出榆林市的生態(tài)脆弱性現(xiàn)狀,按照指標選取原則,從自然條件、社會經(jīng)濟、水資源利用和環(huán)境污染等方面選取了25個指標構(gòu)建評價指標體系。

通過主成分分析提取主成分,同時求出主成分荷載矩陣,結(jié)果見表1-2。前四個主成分的累積貢獻率已達到 85.25%。根據(jù)主成分個數(shù)的提取原則,取前四個特征值所對應的主成分即Z1,Z2,Z3和Z4就可以了。

表1 特征值和主成分貢獻率

在此基礎(chǔ)上構(gòu)建主成分數(shù)學模型。用表2中的數(shù)據(jù)除以主成分所對應特征值的平方根,便可得到4個主成分中每個指標所對應的系數(shù)。則4個主成分的數(shù)學模型分別如下:

將每個主成分所對應的特征值占所提取4個主成分總的特征值之和的比例作為權(quán)重計算主成分綜合模型,X′為原始變量經(jīng)過標準化處理的值。即可得到主成分綜合模型:

表2 主成分載荷矩陣

根據(jù)主成份綜合模型計算各縣(區(qū))的綜合得分(即脆弱度),并進行排序,結(jié)果見表3。

表3 榆林市各縣(區(qū))脆弱度及排序

分析表 3得知,定邊縣、府谷縣、綏德縣、米脂縣、子州縣、清澗縣、吳堡縣和佳縣的得分出現(xiàn)負數(shù)。這里的正負數(shù)表示與生態(tài)環(huán)境脆弱度水平位置的相對關(guān)系,而且得分越大,生態(tài)環(huán)境越脆弱[6]。分析表明,榆林市各縣(區(qū))的生態(tài)脆弱度差異很明顯,榆陽區(qū)的脆弱度最大,其值為4.32,佳縣的脆弱度最小,其值為-1.79。

5.2 生態(tài)脆弱性等級劃分

在上述分析結(jié)果的基礎(chǔ)上,利用聚類分析法,將榆林市的生態(tài)脆弱性狀況分為五類(圖5)。將榆陽區(qū)劃分為為第一類,神木縣劃分為第二類,橫山縣和靖邊縣構(gòu)成第三類,第四類由府谷縣、定邊縣組成,第五類由綏德縣、米脂縣、子州縣、清澗縣、佳縣和吳堡縣6個縣構(gòu)成。

圖5 榆林市生態(tài)脆弱性聚類分析結(jié)果圖

雖然通過聚類分析將榆林市各縣(區(qū))的生態(tài)脆弱性狀況分為五類,但是這樣難以表達生態(tài)脆弱性的強弱程度。目前對生態(tài)脆弱度的分級仍然沒有統(tǒng)一的標準,也沒有普遍適用的評價依據(jù)[7]。因此,為使研究的結(jié)果更便于理解,在以上分析的基礎(chǔ)上進一步分析研究榆林市生態(tài)脆弱性。結(jié)合榆林市各縣(區(qū))的生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀與生態(tài)脆弱性表現(xiàn)特征,在聚類分析的基礎(chǔ)上劃分生態(tài)脆弱度等級,結(jié)果見表4。

表4 榆林市個各縣(區(qū))生態(tài)脆弱度等級劃分表

利用MAPINFO軟件繪制榆林市生態(tài)脆弱性空間分布專題圖(圖6)。分析結(jié)果表明,榆林市生態(tài)脆弱性空間分布趨勢大體為:以榆陽區(qū)為中心向四周減弱。

圖6 榆林市生態(tài)脆弱性空間分布專題圖

6 結(jié)論

(1)對榆林市的氣候、人口、經(jīng)濟以及人均水資源等脆弱因子分析表明,榆林市的氣候為半濕潤半干旱型;在人口空間分布趨于均勻的同時,各縣(區(qū))經(jīng)濟的發(fā)展卻日益不平衡,水資源問題越來越突出,形勢也越來越嚴峻,生態(tài)環(huán)境的前景不容樂觀。

(2)對榆林市各縣(區(qū))的生態(tài)脆弱性進行分析,所得的結(jié)果與生態(tài)環(huán)境的實際狀況基本一致?？梢?對其評價方法是合理和可操作的。但是,由于指標的選取范圍較小,沒有覆蓋生態(tài)環(huán)境的各個方面,所以文中所得結(jié)果僅僅可以在12個縣(區(qū))之間做一定的比較,對其他地區(qū)不具有可比性。為了更好地對生態(tài)環(huán)境脆弱性進行評價,今后不僅要進一步健全評價指標體系和完善評價方法,還應對未來的變化做出預測,為相關(guān)部門提供一定的決策依據(jù)。

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