姚 昆, 吳 亮, 相恒星, 何 超, 劉漢湖

(1.成都理工大學 國土資源部地學空間信息技術重點實驗室， 四川 成都610059；2.水利部新疆水利水電勘測設計研究院測繪工程院， 新疆 昌吉831117； 3.延邊大學 理學院 地理系， 吉林 延吉133000)

涼山地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性的時空動態(tài)變化

姚 昆1, 吳 亮2, 相恒星3, 何 超1, 劉漢湖1

(1.成都理工大學 國土資源部地學空間信息技術重點實驗室， 四川 成都610059；2.水利部新疆水利水電勘測設計研究院測繪工程院， 新疆 昌吉831117； 3.延邊大學 理學院 地理系， 吉林 延吉133000)

[目的] 了解涼山地區(qū)2000—2010年生態(tài)環(huán)境脆弱性動態(tài)變化狀況，為地區(qū)生態(tài)環(huán)境治理與保護提供參考依據。[方法] 將RS與GIS技術相結合，以生態(tài)敏感性—生態(tài)恢復力—生態(tài)壓力度(SRP)為模型選取16個評價指標，利用空間主成分綜合與動態(tài)變化分析模型從時間與空間相結合角度，對涼山地區(qū)2000—2010年生態(tài)環(huán)境脆弱性動態(tài)變化進行定量分析。[結果] 涼山地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性整體呈現南高北低的分布規(guī)律,就單一動態(tài)度而言潛在脆弱最大中度脆弱最小,就綜合動態(tài)度分析該地區(qū)整體變化速度接近中度水平,而生態(tài)脆弱性綜合指數則反映出該地區(qū)整體生態(tài)環(huán)境脆弱性有緩慢惡化趨勢。[結論] 涼山地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性空間分布規(guī)律明顯，生態(tài)環(huán)境治理力度仍需加大。

涼山地區(qū); 生態(tài)環(huán)境脆弱性; SRP; 空間主成分; 時空動態(tài)變化

文獻參數： 姚昆, 吳亮, 相恒星, 等.涼山地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性的時空動態(tài)變化[J].水土保持通報，2017,37(1)：329-334.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.01.058； Yao Kun, Wu Liang, Xiang Hengxing, et al. Spatio-temporal variation of ecological environment vulnerability in Liangshan region[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(1)：329-334.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.01.058

隨著社會經濟的快速發(fā)展，人類活動的愈加頻繁，人與生態(tài)環(huán)境的矛盾也愈加突出。因此，科學合理的實現人與自然的和諧相處已成為當今世界的迫切需求。對區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況進行科學的監(jiān)測與評價分析，有助于人們實時了解地區(qū)生態(tài)環(huán)境質量，及時采取相應措施。生態(tài)環(huán)境脆弱性指特定區(qū)域條件下生態(tài)系統(tǒng)受外界刺激或干擾時，所表現出的敏感性與自我恢復能力，是自然、人文、生態(tài)系統(tǒng)內部演替變化共同作用的結果[1-3]，能定量反映出區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況變化。

自20世紀80年代初，中國學者開始對區(qū)域生態(tài)環(huán)境脆弱性做研究起，經過約30 a的努力與探索，學者們已在地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性的評價方法、成因分析與治理等熱點問題上取得諸多成果。目前，國內已形成綜合指數法[4-6]、景觀格局法[7]、主成分分析法[8-11]、層次分析法[2,12-14]等系列生態(tài)環(huán)境脆弱性評價方法,研究區(qū)也從最初的喀斯特地區(qū)[3]、高原寒區(qū)[2]、流域濕地[6,12,15]擴展到平原城市[8,16-17]、水土保持功能區(qū)[13]等地區(qū)。然而，生態(tài)環(huán)境脆弱性受多因素的共同影響與制約，研究地區(qū)與角度不同其結果亦不同。

涼山州位于四川省西南部,幅員面積6.04×104km2，有山地、平原、丘陵等多種地形。近年來，該地區(qū)受亂砍亂伐、亂開荒、工程建設等人為活動與區(qū)域先天自然條件的共同影響，地區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況不斷惡化。然而,截至目前對該地區(qū)進行生態(tài)環(huán)境脆弱性變化的研究卻相對較少。因此，本研究擬在參考大量前人成果[5-6,9-10,14]的基礎上，兼顧評價指標選取的可獲得性、可操作性與科學性原則，同時結合涼山地區(qū)生態(tài)環(huán)境實際特征，以SRP模型為框架選取評價指標，采用空間主成分綜合與動態(tài)變化分析模型，從時間與空間相結合的角度，對涼山地區(qū)2000—2010年生態(tài)環(huán)境脆弱性動態(tài)變化狀況進行定量分析，以期為地區(qū)生態(tài)環(huán)境保護提供參考。

1 生態(tài)環(huán)境脆弱性評價

1.1 指標體系構建

科學的構建評價指標體系是生態(tài)環(huán)境脆弱性評價的重難點。生態(tài)敏感性—生態(tài)恢復力—生態(tài)壓力度(ecological sensitivity-resilience-pressure， SRP)型從生態(tài)環(huán)境脆弱性定義出發(fā)，綜合考慮人與自然的相互作用關系，從而實現地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性評價指標取。研究中，生態(tài)敏感性指生態(tài)系統(tǒng)受外界干擾時所表現的敏感程度，用氣象因子、地形因子、地表因子表現，其中氣象因子有降水量、溫度、相對濕度、風速；地形因子有高程、坡度；地表因子有多樣性指數、破碎化指數、土壤有機碳含量、土壤有機氮含量；生態(tài)恢復力則表征生態(tài)系統(tǒng)受破壞時的自我修復能力，通過凈植被初級生產力(NPP)與植被覆蓋度描述；生態(tài)壓力指對生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性造成破壞的外界因素，通過人口密度、人均GDP、年末實有耕地面積、化肥施用量描述。

1.2 數據來源與預處理

景觀破碎度描述了地區(qū)景觀結構受外界因素干擾由單一向復雜轉變的過程，是描述生態(tài)景觀格局變化的客觀指標[9,18]。

FN=MPS(Nf-1)/Nc

(1)

式中：FN——某類型景觀破碎化指數；MPS——某類型景觀斑塊平均面積；Nf——某類型景觀斑塊數量；Nc——區(qū)域斑塊總數。

植被覆蓋度用MODIS中國區(qū)NDVI月合成產品計算得到，取6—8月的均值。

(2)

式中:f——平均植被覆蓋度；NDVImax，NDVImin——NDVI灰度分布置信度的5%截取上下閾值[19]。

研究中高程、坡度數據由DEM提取；氣象、人口密度、土壤有機碳、土壤有機氮含量、NPP數據利用行政區(qū)劃矢量數據裁剪得到；年末實有耕地面積、化肥施用量均利用反距離權重法插值得到。所有數據均采用Albers投影，柵格化為1 000m。

因為指標量綱與數量級差異將造成評價結果的偏差，因此研究采用極差法完成指標標準化處理。此方法需考慮各指標與生態(tài)環(huán)境脆弱性的相關性關系[5,10,14]，指標與生態(tài)環(huán)境脆弱性呈正相關，則生態(tài)環(huán)境脆弱性隨指標數值的增大而加重，呈現負相關則相反。正相關指標包括：溫度、風速、坡度、多樣性指數等；負相關指標包括:降雨量、相對濕度、土壤有機氮含量等(表1)。

正相關指標：

Li=(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(3)

負相關指標：

Li=(Xmax-Xi)/(Xmax-Xmin)

(4)

式中：Li——第i個指標的標準值；Xi，Xmax，Xmin——第i個指標的真實值、真實最大值和真實最小值。

1.3 評價方法

利用主成分綜合分析模型，將各指標對生態(tài)環(huán)境脆弱性的影響進行綜合，計算出生態(tài)環(huán)境脆弱性指數EVI，可定量描述地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性狀況。生態(tài)環(huán)境脆弱性受多因素作用的影響，各評價指標間存在一定的關聯性，指標重復將干擾評價結果的準確性?？臻g主成分分析(spatial principal component analysis，SPCA)基于數理統(tǒng)計原理，對各指標進行相關性分析，篩選出少數幾個關聯性極低的綜合指標。研究通過ArcGIS10.0對16個指標進行空間主成分分析，最終選取累積因子貢獻率達到75%的前5個指標作為主成分因子(表2)，進行生態(tài)環(huán)境脆弱性指數計算。

EVI=β1Y1+β2Y2+β3Y3+，…，βnYn

(5)

式中：EVI——生態(tài)環(huán)境脆弱性指數；Yi——第i個主成分；βi——第i個主成分對應的貢獻率。

表1 數據來源及描述

表2 各主成分因子特征值、貢獻率、累積因子貢獻率

研究區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性指數分級劃定，對全面認識生態(tài)環(huán)境脆弱性狀況有重大意義。目前，大多數學者采用專家經驗判定法[4-5,12]，該方法受主觀因素影響較大。自然斷點法既能最大限度地實現“物以類聚”將具有相似值的柵格像元進行恰當分組，又能最大化的凸顯各類別間的差異[2,6](表3)。

2 生態(tài)環(huán)境脆弱性動態(tài)變化

2.1 變化速度

生態(tài)環(huán)境脆弱性變化速度是表征區(qū)域各等級評價單元和整體生態(tài)狀況變化進程的重要指標，采用單一動態(tài)度與綜合動態(tài)度對速度進行表達。單一動態(tài)度可衡量區(qū)域各等級評價單元的變化速度，綜合動態(tài)度則用于描述區(qū)域整體變化速度[15-16]。

(6)

(7)

式中:K——單一動態(tài)度；Ua——研究初期某等級評價單元的面積(hm2)；ΔUin,ΔUout——整個研究階段內某等級評價單元轉入、轉出面積總和(hm2)；Q——綜合動態(tài)度;Uai——i等級評價單元研究初期的面積(hm2)；ΔUin-i，ΔUout-i——整個研究階段第i等級評價單元轉入、轉出面積總和(hm2);T——研究時段(a)。下同。

表3 涼山地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性指數分級

2.2 變化趨勢

生態(tài)環(huán)境脆弱性綜合指數EEVI是對整個地區(qū)生態(tài)環(huán)境質量全面的客觀描述，而其變化率則可定量描述區(qū)域生態(tài)環(huán)境質量的變化趨勢[6,13-14,16]。

(8)

(9)

式中：EEVI——生態(tài)環(huán)境脆弱性綜合指數;Pi——脆弱性分級值;Ai——i等級脆弱性面積;R——綜合指數變化率；Aia與Aib——a，b時間，第i等級評價單元面積(hm2)；S——研究區(qū)總面積(hm2)。

如果R<0則表示研究區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況整體趨于好轉，生態(tài)環(huán)境質量比較樂觀。

3 結果分析

3.1 生態(tài)脆弱性空間分布

如圖1所示，2000—2010年內涼山地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性呈現由南向北降低的變化特征,中度、重度脆弱主要分布于會理縣與會東縣的南部、西昌市、寧南縣、普格縣、德昌縣等的人口密度較大的核心區(qū)域，該地區(qū)具有人口密度大、城市化現象明顯、耕地面積比例大、人類活動頻繁等環(huán)境特征。

圖1 涼山地區(qū)生態(tài)脆弱性空間分布狀況

這些特征均不利于地區(qū)生態(tài)環(huán)境扭轉恢復，并且很大程度上驅使地區(qū)生態(tài)環(huán)境向生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性差，自我修復能力薄弱，生態(tài)問題顯著，生態(tài)治理難度大等的方向發(fā)展。輕度脆弱區(qū)主要分布于重度與極重度的周邊向周圍發(fā)散開。微度與潛在脆弱主要分布于涼山州西部的木里縣與鹽源縣、東北部的美姑縣、雷波縣與金陽縣等的大部分地區(qū)，該地區(qū)雖然受到海拔高、坡度大、交通落后等劣勢條件的限制，但這些限制性條件卻形成了地區(qū)特有的人口密度小、人類活動不明顯、森林草地受破壞程度較小、空氣相對濕度大、植被類型多樣且覆蓋度高等環(huán)境友好型特征，這些限制指標較大限度的對地區(qū)自然生態(tài)環(huán)境進行了有力保護，促使地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)向穩(wěn)定性、抗干擾與自我恢復能力持續(xù)增強的趨勢發(fā)展。

3.2 變化速度分析

根據單一動態(tài)度與綜合動態(tài)度數學表達式(6)和(7)計算得出涼山地區(qū)各階段各評價單元與整體速度變化結果(表4)。

表4 涼山地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性單—與綜合動態(tài)度

涼山地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性變化速度由表4可知，從K進行分析，研究期內微度、輕度脆弱2種評價單元單一動態(tài)度為負值，表明這2種評價單元的面積正呈現減少的狀態(tài)；其中，微度脆弱的單一動態(tài)度為-0.66%，面積減少的速度最快；潛在脆弱、中度脆弱、重度脆弱的單一動態(tài)度均為正，表明這些評價單元的面積均呈現增加的發(fā)展狀態(tài)。

潛在脆弱的單一動態(tài)度最大，該評價單元的面積擴張速度最快，這是由于人們環(huán)保意識增強，環(huán)保治理力度加大的明顯成效；從綜合動態(tài)度看，涼山地區(qū)綜合動態(tài)度隨時間的改變而增大，表明整個地區(qū)生態(tài)脆弱性整體變化速度呈加快的狀態(tài)；就整個階段而言，綜合動態(tài)度為0.34%，接近中度水平研究區(qū)整體變化速度不容樂觀。

3.3 綜合變化分析

利用生態(tài)環(huán)境脆弱性綜合指數及變化率數學式(8)和(9)，得出涼山地區(qū)2000，2005，2010年生態(tài)環(huán)境脆弱性綜合指數及各階段變化率(表5)。

表5 涼山地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性綜合指數變化

由表5可知，涼山地區(qū)2000，2005與2010年生態(tài)環(huán)境脆弱性綜合指數值分別為2.7410，2.8500，2.7512。在整個研究時段內，涼山地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性綜合指數呈現先增大后減小的變化狀態(tài)，這主要由于輕度、中度、重度脆弱3類評價單元的脆弱性指數均為該種變化方式，較大限度的影響了地區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況整體變化趨勢。

通過分析2000—2005與2005—2010年的生態(tài)環(huán)境脆弱性綜合指數的變化率，可以發(fā)現2000—2005年內涼山地區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況整體處于惡化的趨勢，而研究后期2005—2010年內涼山地區(qū)生態(tài)狀況則整體處于持續(xù)好轉的變化狀態(tài)。

然而，就整個研究時段而言，10 a來涼山地區(qū)生態(tài)環(huán)境整體狀況發(fā)展不容樂觀，生態(tài)環(huán)境治理仍需要堅持。

4 結 論

(1) 空間分布狀況進行分析，涼山地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性呈現由南部向北部降低的變化趨勢，總體上看涼山州西北部、東北部地區(qū)生態(tài)環(huán)境質量較好，生態(tài)環(huán)境脆弱性相對較輕，這主要得力于這些地區(qū)自然條件占據主要優(yōu)勢，對地區(qū)生態(tài)環(huán)境質量有較大幫助；而南部以及中部地區(qū)生態(tài)環(huán)境較脆弱性較高主要是由于人類活動頻繁對地區(qū)生態(tài)破壞程度過大,導致區(qū)域生態(tài)環(huán)境較差。

(2) 從時間角度進行動態(tài)變化分析，10 a來涼山地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性呈現如下變化規(guī)律:面積增加的3種評價單元中潛在脆弱的單一動態(tài)度最大,面積增加速度最快；微度脆弱的單一動態(tài)度則是面積減少評價單元中最大的；比較2個階段研究區(qū)綜合動態(tài)度，可以發(fā)現研究區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性狀況整體變化速度隨時間的退役呈加快的發(fā)展速度，就整個階段而言地區(qū)綜合動態(tài)度總體處于中偏下水平；生態(tài)環(huán)境脆弱性綜合指數及其變化率，表明該地區(qū)2005年生態(tài)環(huán)境脆弱性狀況最嚴重，10 a間整個涼山地區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況整體發(fā)展不容樂觀，生態(tài)治理仍需堅持。

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Spatio-temporal Variation of Ecological Environment Vulnerability in Liangshan Region

YAO Kun1, WU Liang2, XIANG Hengxing3, HE Chao1, LIU Hanhu1

(1.KeyLaboratoryofGeoscienceSpatialInformationTechnology,MinistryofLandandResourcesofChina,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu,Sichuan610059,China; 2.XinjiangWaterConservancyandHydropowerSurveyandDesignInstitute,MinistryofWaterResourcesofChina,Changji,XinjiangUygurAutonomousRegion831117,China; 3DepartmentofGeography,CollegeofScience,YanbianUniversity,Yanji,Jilin133000,China)

[Objective] The paper aims to understand the dynamic change of ecological environment vulnerability in Liangshan region from 2000 to 2010, and to provide references for regional ecological environment management and protection．[Methods] Using the technologies of RS and GIS and taking ecological sensitivity-resilience-pressure(SRP) model, we selected 16 evaluation indicators to conduct quantitative analysis on the spatio-temporal change of ecological environment vulnerability in Liangshan region during in 2000—2010.[Results] The ecological environment vulnerability of Liangshan region exhibited an overall trend of higher in south and lower in north; In terms of the single dynamic degree, the potential vulnerability was highest while moderate vulnerability was lowest, and the region’s overall change speed was close to moderate level based on the comprehensive dynamic analysis, but the comprehensive index of ecological vulnerability indicated that the whole ecological environment vulnerability of the region exhibited a slow deteriorating trend.[Conclusion] The spatial distribution of ecological environment vulnerability in Liangshan region is obvious, and the ecological environment control efforts need to be strengthen.

Liangshan region; ecological environment vulnerability; SRP; space principal component; temporal and spatial dynamic change

2016-06-30

2016-07-20

國家自然科學基金項目“汶川強震區(qū)潛在泥石流危險性判識及其差異性分析”(41102225); 四川省科技支撐計劃項目“川中丘陵區(qū)退耕還林工程的生態(tài)響應”(2014SZ0070)

姚昆(1991—),男(漢族),四川省西昌市人,碩士研究生,研究方向為3S技術與數字國土。E-mail:jiangshan996@126.com。

劉漢湖(1978—),男(漢族),山東省煙臺市人,博士,副教授,主要從事遙感技術與應用、生態(tài)遙感與定量遙感研究。E-mail:liuhanhu@cdut.cn。

A

1000-288X(2017)01-0329-06

X171.4