王紀偉等

摘要

以關中地區(qū)為對象，選取社會活動強度、開發(fā)建設活動強度、農(nóng)業(yè)活動強度、污染物排放強度四大類11個指標，運用SPSS 20.0的主成分分析法將2000、2005和2010年各種脅迫要素間相互作用關系矩陣化，分析它們之間的聯(lián)系，并計算出各市（區(qū)）人類脅迫綜合指數(shù)（HPI），進行排序。結果表明，不同時期對關中地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)脅迫最大的因子也不同，2000年對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生脅迫最大的因子為化肥施用強度，2005年為城鎮(zhèn)人口密度，2010年為人口密度、城鎮(zhèn)人口密度、GDP密度、第二產(chǎn)業(yè)增加值密度、第三產(chǎn)業(yè)增加值密度；2000～2010年關中各市（區(qū)）受人類活動脅迫綜合指數(shù)影響強度由高到低分別為楊凌區(qū)、西安市、咸陽市、渭南市、銅川市、寶雞市。

關鍵詞 生態(tài)系統(tǒng)；人類活動脅迫指數(shù)；主成分分析；影響評估；關中地區(qū)

中圖分類號 S181.3 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2014）11-03326-04

Abstract With Guanzhong Region as object， selecting social activities， development and construction activities， agricultural activities， pollutants emission intensity 4 types 11 indexes， SPSS 20.0 principal component analysis method was used to matriculate various indicators， analyze the relationship between them， and figure out the HPI of cities in Guanzhong， its contribute to simplify the relationship between different stress factors. The research results show that the biggest stress factors affecting the ecological system of Guanzhong area are various at different times. The biggest stress factors affecting the ecological system are respectively strength of fertilizer and urban population density at 2000， 2005， which are population density， urban population density， GDP density， density of the second and third industry added value in 2010. The stress composite impact strength of human activity from high to low in every city of Guanzhong area during 2000 and 2010 is Yangling， Xian， Xianyang， Weinan， Tongchuan， Baoji in turn.

Key words Ecosystem； Human activities stress index； Principal components analysis； Influence estimation； Guanzhong area

生態(tài)系統(tǒng)脅迫是指各種自然和人類活動因素對生態(tài)系統(tǒng)的干擾和破壞作用，是導致區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)格局、質量、服務功能和生態(tài)問題變化的原因和外在驅動因素。以往幾乎所有脅迫研究的共同點都是從脅迫和脅迫反應的關系入手，脅迫因子比較集中于干旱脅迫、水分脅迫、低溫脅迫、重金屬脅迫、鹽脅迫等方面[1-4]。目前國內(nèi)外很多學者認識到生態(tài)系統(tǒng)退化診斷對于生態(tài)恢復實踐的重要性[5-7]，因此，學者們開始從不同層次、不同角度研究生態(tài)系統(tǒng)退化，以便了解生態(tài)系統(tǒng)脅迫發(fā)生、發(fā)展機制。如Rapport等基于生態(tài)系統(tǒng)健康理論建立生態(tài)系統(tǒng)健康綜合評判模型，從生態(tài)系統(tǒng)組分、活力、彈性力組建指標入手分析了生態(tài)系統(tǒng)綜合狀況，從功能上診斷生態(tài)系統(tǒng)脅迫特征與退化機制[8-10]。

不同人類活動所造成的脅迫因素通過錯綜復雜的交互作用共同影響著生態(tài)系統(tǒng)，目前研究脅迫對生態(tài)系統(tǒng)的影響主要包括營養(yǎng)循環(huán)的變化、初級生產(chǎn)力的變化、物種多樣性的變化、優(yōu)勢種群個體大小的變化、逆行演替以及發(fā)病率的變化和種群數(shù)量波動等其他征兆[11]。雖然近年來對生態(tài)系統(tǒng)重要性認識及保護有所加強，但各種人類活動對生態(tài)系統(tǒng)的脅迫仍然存在，并帶來生態(tài)風險。如何評價并降低關中地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)所承受的生態(tài)風險，是關中地區(qū)生態(tài)保護與可持續(xù)發(fā)展面臨的一個重要問題。由于關中地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)所承受的人類活動脅迫的多樣性和交互作用增加了生態(tài)系統(tǒng)脅迫評估的難度，因此，生態(tài)系統(tǒng)脅迫評估中不僅要考慮單個脅迫還要考慮多種脅迫交互作用對生態(tài)系統(tǒng)的影響[12]。筆者綜合了關中地區(qū)2000、2005、2010年的社會經(jīng)濟活動強度（人口密度、城鎮(zhèn)人口密度、單位國土面積GDP、3次產(chǎn)業(yè)增加值密度）、開發(fā)建設活動強度（建設用地強度）、農(nóng)業(yè)活動強度（化肥施用強度）、污染物排放強度（污水排放強度、SO2排放強度、COD排放強度）4類11個指標，建立人類活動脅迫綜合指數(shù)，分析關中地區(qū)人類活動多因子脅迫的生態(tài)系統(tǒng)時空強度及變化特征。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

關中地區(qū)又稱關中盆地、關中平原，位于陜西省中部（106°18′～110°37′E、33°35′～35°50′N），西起寶雞峽，東至潼關，東西長約300 km，平均海拔約500 m，西窄東寬，號稱“八百里秦川”，渭河橫貫盆地中部，兩岸為寬廣的階地平原，南部以秦嶺北坡為限，北部以北山為界，總面積55 359.19 km2。關中地區(qū)屬大陸性季風氣候區(qū)，冬冷夏熱，四季分明，雨熱同季，易發(fā)生干旱。年平均氣溫12～14 ℃，極端最高氣溫43 ℃，極端最低氣溫-21.9 ℃；年平均降水量盆地地區(qū)500～700 mm、秦嶺山區(qū)800～900 mm，具有由南北部向中部遞減、由西部向東部遞減的地域變化規(guī)律。降水主要集中在汛期6～9月。關中地區(qū)包括西安、銅川、寶雞、咸陽、渭南5個市及楊凌農(nóng)業(yè)高新技術產(chǎn)業(yè)示范區(qū)，共54個縣（市、區(qū)），是陜西省政治、經(jīng)濟、文化最為發(fā)達的地區(qū)，也是全省人口密度最大、人類活動最為強烈的地區(qū)。

1.2 研究數(shù)據(jù)與方法

1.2.1

數(shù)據(jù)來源。采用的數(shù)據(jù)資料主要有30 m分辨率的TM影像（2000、2005、2010年）、陜西省各市統(tǒng)計年鑒（2000～2010年）、陜西省環(huán)境統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

1.2.2

研究方法。將2000、2005和2010年 TM影像進行輻射糾正與幾何糾正，利用ENVI4.8對影像進行監(jiān)督分類，解譯得到陜西省土地覆被類型圖；利用ArcGIS10.0將解譯結果轉化成矢量格式，然后切割出關中地區(qū)土地覆被類型圖。利用SPSS20.0，綜合社會經(jīng)濟活動強度、開發(fā)建設活動強度、農(nóng)業(yè)活動強度、污染物排放強度四類，以某一年各地區(qū)某一指標原始值為一列，錄入2000、2005和2010年各地區(qū)評估指標數(shù)據(jù)，運用Factor設置分析的變量，打開Extraction，選擇Method中的主成分分析法（Principal components），設置需要提取的主成分數(shù)目，得到各個變量的特征值、累計貢獻率和主成分中各變量的得分系數(shù)，計算各地區(qū)各年人類脅迫綜合指數(shù)。借助ArcGIS空間分析功能中Measuring Geographic Distributions工具進行脅迫要素重心分布分析。研究中應用指標計算方法如下。

2.1 最強脅迫因子分析

通過對2000、2005和2010年人口密度（PD）、城鎮(zhèn)人口密度（UPD）、GDP密度（DGDP）、第一產(chǎn)業(yè)增加值密度（DPIVA）、第二產(chǎn)業(yè)增加值密度（DSIVA）、第三產(chǎn)業(yè)增加值密度（DTIVA）、建設用地指數(shù)（USLI）、化肥施用強度（CFUI）、污水排放強度（WWDI）、COD排放強度（CODI）、SO2排放強度（SDOI）11個脅迫因子進行計算，得出關中各市（區(qū)）2000、2005、2010年脅迫因子值。運用主成分分析法得出的各脅迫因子相關矩陣并結合黃寶榮等提出的根據(jù)各種脅迫直接相互作用關系構建聯(lián)結矩陣的原則[13]，得出2000、2005和2010年關中地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)不同脅迫之間的聯(lián)結矩陣。

2.1.1

2000年最強脅迫因子。從表1可以看出，2000年由11個脅迫因素組成的總的脅迫路徑數(shù)共74條，其中100%為增大效應路徑。路徑數(shù)（PN）可以反映不同脅迫因素的影響力和敏感性的大小[13]。從表1中PN列可以看出，2000年不同脅迫對其他脅迫的直接影響力從大到小排序為化肥施用強度>（人口密度、城鎮(zhèn)人口密度、GDP密度、污水排放強度、第一產(chǎn)業(yè)增加值密度、第二產(chǎn)業(yè)增加值密度、第三產(chǎn)業(yè)增加值密度、建設用地指數(shù)）>SO2排放強度>COD排放強度；從PN行可以看出，不同脅迫對其他脅迫因素的直接敏感性由高到低排序為化肥施用強度>（人口密度、城鎮(zhèn)人口密度、GDP密度、第二產(chǎn)業(yè)增加值密度、第三產(chǎn)業(yè)增加值密度、第一產(chǎn)業(yè)增加值密度、建設用地指數(shù)、污水排放強度）>SO2排放強度>COD排放強度；另外，單一脅迫因子同其他脅迫相互影響路徑總數(shù)得出脅迫因子交互作用由強到弱排序為化肥施用強度>（人口密度、城鎮(zhèn)人口密度、GDP密度、第二產(chǎn)業(yè)增加值密度、第三產(chǎn)業(yè)增加值密度、污水排放強度、第一產(chǎn)業(yè)增加值密度、建設用地指數(shù)）>SO2排放強度>COD排放強度。從3種排序方式可以得出化肥施用強度、人口密度、城鎮(zhèn)人口密度、GDP密度、第一產(chǎn)業(yè)增加值密度、第二產(chǎn)業(yè)增加值密度、第三產(chǎn)業(yè)增加值密度、建設用地指數(shù)等脅迫因子處于排序的前列，說明這些脅迫因子影響力大，且敏感性高、交互作用強，可以得出2000年化肥施用強度是對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響的人類活動脅迫重點因子。

化肥施用強度成為2000年對關中地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生脅迫的重點因子與生態(tài)系統(tǒng)服務價值功能發(fā)展時期和程度有關。1997年，Daily和Constanza等的研究促進了生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值評估的發(fā)展，2001～2006年陜西省生態(tài)系統(tǒng)服務價值呈增長趨勢[14]，表明陜西省對生態(tài)系統(tǒng)服務價值重要性研究從2000年前后開始受到關注，處于發(fā)展初期。關中地區(qū)一直是陜西省社會、經(jīng)濟、文化發(fā)展的中心，在生態(tài)系統(tǒng)服務價值沒有得到普遍認知、社會不斷發(fā)展、人口快速增長的情況下，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)仍然是滿足人口增長的重要途徑。國內(nèi)外大量科學試驗和生產(chǎn)實踐證明，施用1 kg化肥可使糧食增產(chǎn)5～10 kg，施肥的貢獻率可達40%[15]，因此通過大量的施用化肥來增加糧、油、菜、果等農(nóng)副產(chǎn)品，滿足社會經(jīng)濟發(fā)展的需求，必然會導致生態(tài)系統(tǒng)負擔加劇。

2.1.2

2005年最強脅迫因子。同理對2005年的最強脅迫因子進行分析，從PN列可以看出，不同脅迫對其他脅迫的直接影響力從大到小排序為城鎮(zhèn)人口密度>（人口密度、GDP密度、污水排放強度、化肥施用強度、第一產(chǎn)業(yè)增加值密度、第二產(chǎn)業(yè)增加值密度、第三產(chǎn)業(yè)增加值密度、建設用地指數(shù)）>COD排放強度>SO2排放強度；從PN行可以看出，不同脅迫對其他脅迫因素的直接敏感性由高到低排序為城鎮(zhèn)人口密度>（人口密度、GDP密度、污水排放強度、化肥施用強度、第一產(chǎn)業(yè)增加值密度、第二產(chǎn)業(yè)增加值密度、第三產(chǎn)業(yè)增加值密度、建設用地指數(shù)）>COD排放強度>SO2排放強度；單一脅迫因子同其他脅迫相互影響路徑總數(shù)得出脅迫因子交互作用由強到弱排序為城鎮(zhèn)人口密度>（人口密度、GDP密度、污水排放強度、化肥施用強度、第一產(chǎn)業(yè)增加值密度、第二產(chǎn)業(yè)增加值密度、第三產(chǎn)業(yè)增加值密度、建設用地指數(shù)）>COD排放強度>SO2排放強度。3種排序方式得出城鎮(zhèn)人口密度是11個脅迫因子中影響力最大、敏感性最高，對2005年生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生脅迫最大的因子。此外，化肥施用強度、人口密度、GDP密度、第一產(chǎn)業(yè)增加值密度、第二產(chǎn)業(yè)增加值密度、第三產(chǎn)業(yè)增加值密度、建設用地指數(shù)等脅迫因子也處于排序的前列，說明這些脅迫因子對生態(tài)系統(tǒng)影響力也較大。

城鎮(zhèn)人口密度成為2005年對生態(tài)系統(tǒng)最主要的脅迫因子與關中地區(qū)城市化發(fā)展水平有關，人口向城市移動受社會生產(chǎn)方式和經(jīng)濟發(fā)展水平制約[16]，生產(chǎn)力的發(fā)展往往伴隨著人口地域分布的變化[17]。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，近10年來，關中地區(qū)各市（區(qū)）城市人口不斷增多，城市不斷擴大，說明生活方式的轉變和生產(chǎn)力水平的提高對生態(tài)系統(tǒng)造成巨大壓力。同時，城鎮(zhèn)人口密度增加勢必影響建設用地指數(shù)、三次產(chǎn)業(yè)增加值密度GDP密度等，因此，這些脅迫因子相互影響、相互作用，對關中地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)脅迫產(chǎn)生增大效應。

2.1.3

2010年最強脅迫因子。同理對2010年的最強脅迫因子進行分析，從統(tǒng)計表（表略）可以看出，2010年由11個脅迫因素組成的總的脅迫路徑數(shù)共56條，其中80.36%為增大效應路徑。從PN列可以看出，不同脅迫對其他脅迫的直接影響力從大到小排序為（人口密度、城鎮(zhèn)人口密度、GDP密度、第二產(chǎn)業(yè)增加值密度、第三產(chǎn)業(yè)增加值密度、建設用地指數(shù)）>第一產(chǎn)業(yè)增加值密度>SO2排放強度>（COD排放強度、污水排放強度、化肥施用強度）；從PN行可以看出，不同脅迫對其他脅迫因素的直接敏感性由高到低排序為（人口密度、城鎮(zhèn)人口密度、GDP密度、SO2排放強度、第二產(chǎn)業(yè)增加值密度、第三產(chǎn)業(yè)增加值密度）>（第一產(chǎn)業(yè)增加值密度、建設用地指數(shù)、COD排放強度、污水排放強度）>化肥施用強度；單一脅迫因子與其他脅迫相互影響由強到弱排序為（人口密度、城鎮(zhèn)人口密度、GDP密度、第二產(chǎn)業(yè)增加值密度、第三產(chǎn)業(yè)增加值密度）>建設用地指數(shù)>（第一產(chǎn)業(yè)增加值密度、SO2排放強度）>（COD排放強度、污水排放強度）>化肥施用強度。3種排序方式可以得出人口密度、城鎮(zhèn)人口密度、GDP密度、第二產(chǎn)業(yè)增加值密度、第三產(chǎn)業(yè)增加值密度5個脅迫因子處于排序的前列，表明2010年對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響最大的脅迫因子就是人口密度、城鎮(zhèn)人口密度、GDP密度、第二產(chǎn)業(yè)增加值密度、第三產(chǎn)業(yè)增加值密度。

2010年關中地區(qū)的社會經(jīng)濟、文化等發(fā)展到很高的水平，人口密度、城鎮(zhèn)人口密度、化肥施用強度、二（三）次產(chǎn)業(yè)增加值密度等因子之間的聯(lián)系越來越密切，它們之間相互作用和影響不斷加強，生態(tài)系統(tǒng)不再受某單一因子影響，而是受這些脅迫因子共同作用影響。2.3 脅迫要素的重心分布及變化

脅迫要素的重心分布通過全局空間統(tǒng)計分析方法進行，全局空間統(tǒng)計研究空間分布整體性特征的統(tǒng)計描述、預測。通過對同一空間對象不同時間段的重心的分析，可以了解該對象的空間運動規(guī)律。從圖1可以看出，2000～2010年人口密度和城鎮(zhèn)人口密度、GDP密度、污水排放強度、COD排放強度、第二（三）次產(chǎn)業(yè)增加值密度重心集中在西安市未央?yún)^(qū)，除城鎮(zhèn)人口密度重心呈現(xiàn)向人口密度分布重心偏移外，其他脅迫因子重心呈現(xiàn)向南部偏移趨勢；SO2排放強度重心分布在西安市高陵縣，2000～2010年向北部大幅度偏移；建設用地重心在咸陽市渭城區(qū)，2000～2010年重心位置向西南偏移，變化不大；第1次產(chǎn)業(yè)增加值密度和化肥施用重心分布在咸陽市涇陽縣。通過脅迫重心的空間變化規(guī)律，對各市（區(qū)）受人類活動脅迫強度及排序變化進行驗證，發(fā)現(xiàn)2000～2010年各脅迫重心偏移變化較小，表明2000、2005、2010年關中各市（區(qū)）受人類活動脅迫綜合影響強弱變化較小。

3 結論

（1）在對關中地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生脅迫的各種因子中，2000和2005年對生態(tài)系統(tǒng)脅迫最大的因子分別是化肥施用強度和城鎮(zhèn)人口密度；2010年人口密度、城鎮(zhèn)人口密度、GDP密度、第二產(chǎn)業(yè)增加值密度、第三產(chǎn)業(yè)增加值密度5個因子共同對關中地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生脅迫，是重點脅迫因子。

（2）2000～2010年關中各市（區(qū)）受人類活動脅迫綜合指數(shù)影響強度由高到低分別為楊凌區(qū)、西安市、咸陽市、渭南市、銅川市、寶雞市。

（3）2000～2010年關中地區(qū)社會經(jīng)濟活動強度、污染物排放強度重心和開發(fā)建設活動強度、農(nóng)業(yè)活動強度重心分別是西安市和咸陽市。

參考文獻

[1]

CHRISTINE G.Water deficit induced changes in concentrations in proline and some other amino acids in the phloem sap of alfalfa[J].Plant Physiol，1996，111：109.

[2] HSIAO T.Plant response to water stress[J].Annual Review of Plant Physiology，1973，24：519.

[3] OBROUCHEVA N V，BYSTROVA A，ELLVANO V B.Root growth response to lead in young maize seedlings[J].Plant and Soil，1998，200（1）：55.

[4] OSUJI G O，HABY V A.The isomerization of gltuamate dehydrogenase in response to lead toxicity in maize[J].Biologia Plantarum，1998，40（3）：389.

[5] PINTRA J，CALBA H，F(xiàn)ALLAVIER P.Effects of different calcium and sulfate concentrations in nutrient solutions on ionic strength vaules ，aluminum activity and root growth of maize plants[J].Journal of Plant Nutrition，1998，21（11）：2381.

[6] SUNDARESAN S.Effect of water deficit stress on proline accmulation varityies of cassva （manihot escukenta crants） differing in their tolerance to drought[J].Indian Journal of Experimental Neology，1996，34（2）：159.

[7] 莊紅娟.三峽庫區(qū)草堂河流域生態(tài)系統(tǒng)脅迫特征[D].重慶：重慶師范大學，2011.

[8] RAPPORT D J，COSTANZA R，MICHAEL A J.Assessing Ecosystem Health[J].Trends Ecol Evol，1998，13：397-402.

[9] COSTANZA R，WAINGER L，F(xiàn)OLKE C.Modeling complex ecological economic systems：Towards an evolutionary，dynamic understanding of people and nature[J].Bio Science，1993，43：545-555.

[10] 劉建軍，王文杰，李春來.生態(tài)系統(tǒng)健康研究進展[J].環(huán)境科學研究，2002，15（1）：41-44.

[11] 孫剛，周道煒.脅迫生態(tài)學研究進展[J].農(nóng)村生態(tài)環(huán)境，1999，15（4）：42-46.

[12] 歐陽志云，趙同謙，趙景柱.海南島生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)調節(jié)功能及其生態(tài)經(jīng)濟價值研究[J].應用生態(tài)學報，2004，15（8）：1395-1402.

[13] 黃寶榮，歐陽志云，張慧智，等.海南島天然林生態(tài)系統(tǒng)不同人類脅迫圖論分析[J].自然資源學報，2009，24（1）：154-161.

[14] 趙永華，張玲玲，王曉峰.陜西省生態(tài)系統(tǒng)服務價值評估及時空差異[J].應用生態(tài)學報，2011，22（10）：2662-2672.

[15] 李明哲.農(nóng)田化肥施用污染現(xiàn)狀與對策[J].河北農(nóng)業(yè)科學，2009，13（5）：65-67.

[16] 李晶，林天應.基于GIS的西安市人口空間分布變化研究[J].陜西師范大學學報：自然科學版，2011，39（3）：78-83.

[17] 胡煥庸.論中國人口之分布[M].上海：華東師范大學出版社，1983：522-921.