郭 兵,姜 琳,羅 巍,楊 光,戈大專

1 山東理工大學(xué)建筑工程學(xué)院,淄博 255000 2 地理國情監(jiān)測國家測繪地理信息局重點實驗室,武漢 430079 3 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所,北京 100101 4 中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所,北京 100101

極端氣候脅迫下西南喀斯特山區(qū)生態(tài)系統(tǒng)脆弱性遙感評價

郭 兵1,2,姜 琳1,*,羅 巍3,楊 光4,戈大專3

1 山東理工大學(xué)建筑工程學(xué)院,淄博 255000 2 地理國情監(jiān)測國家測繪地理信息局重點實驗室,武漢 430079 3 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所,北京 100101 4 中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所,北京 100101

全球氣候變暖導(dǎo)致極端天氣事件頻發(fā),針對西南喀斯特山區(qū)的特殊地理國情(水土流失和石漠化嚴(yán)重),引入了大尺度景觀格局指數(shù)(香農(nóng)均勻性指數(shù)和蔓延度指數(shù))和極端氣候指數(shù)(極端高溫日數(shù)、極端低溫日數(shù)和極端降雨日數(shù)),構(gòu)建了生態(tài)系統(tǒng)脆弱性遙感評價體系,進(jìn)而分析和探討了該地區(qū)近13年的生態(tài)系統(tǒng)脆弱性時空變化格局和驅(qū)動機制,研究結(jié)果表明：西南喀斯特山區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)則屬于輕-中度脆弱,其分布格局表現(xiàn)為以川滇黔為核心向周邊減小的趨勢。2000—2013年,西南喀斯特山區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)脆弱性表現(xiàn)為先增加后減小的趨勢。近13年西南喀斯特山區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)脆弱性時空變化格局受人類活動(不同產(chǎn)業(yè)GDP和人口密度)、降水、地形地貌、水土流失、石漠化等因素影響較為顯著。本研究可以為西南喀斯特山區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)保護及生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)與治理提供決策依據(jù)和技術(shù)支持。

生態(tài)系統(tǒng)脆弱性；動態(tài)監(jiān)測；遙感；西南喀斯特山區(qū)；極端氣候

20世紀(jì)以來,以全球變暖為主要特征的全球氣候與環(huán)境發(fā)生了巨大變化,生物多樣性喪失、極端天氣事件頻發(fā)、環(huán)境退化、海平面上升正是對生態(tài)環(huán)境變化的強烈反饋,對人類的生存和社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成了極大的威脅[1]。生態(tài)系統(tǒng)脆弱性研究作為全球環(huán)境變化及可持續(xù)性科學(xué)領(lǐng)域重要的分析工具,已經(jīng)被許多國際性科學(xué)計劃和機構(gòu)(國際全球環(huán)境變化人文因素計劃、政府間氣候變化專門委員會、國際地圈生物圈計劃等)提上了研究日程,成為生態(tài)環(huán)境和全球變化等學(xué)科領(lǐng)域關(guān)注的熱點問題[2]。生態(tài)系統(tǒng)脆弱性的時空差異性是導(dǎo)致經(jīng)濟發(fā)展不平衡和貧富差距的重要原因之一,很大程度上影響了我國社會的和諧、可持續(xù)發(fā)展[3]。因此,開展生態(tài)系統(tǒng)脆弱性評價研究,深入剖析生態(tài)系統(tǒng)脆弱性的形成原因和驅(qū)動機制,為生態(tài)區(qū)的保護及生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)與治理提供決策依據(jù)和技術(shù)支持,有利于實現(xiàn)生態(tài)區(qū)生態(tài)系統(tǒng)完整性的維護和人與自然的和諧發(fā)展,是貫徹落實科學(xué)發(fā)展觀、牢固樹立生態(tài)文明觀念、促進(jìn)經(jīng)濟社會可持續(xù)的必然要求[4]。

西南山區(qū)(四川、重慶、云南、貴州、廣西)地形地貌復(fù)雜多樣,喀斯特地貌分布廣泛,地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā),屬于典型的生態(tài)系統(tǒng)脆弱區(qū)[5]。該地區(qū)集“老”“少”“邊”“山”“窮”于一體,有壯苗布依侗等34個少數(shù)民族,貧困人口相對集中,人地矛盾非常突出,當(dāng)?shù)鼐用駷榱松?不得不掠奪式的開發(fā)自然資源,導(dǎo)致嚴(yán)重的水土流失、石漠化等生態(tài)環(huán)境問題,從而陷入“環(huán)境脆弱-貧困-掠奪資源-環(huán)境退化-進(jìn)一步貧困”的惡性循環(huán)[6]。因此揭示西南山區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)脆弱性對于山區(qū)生態(tài)環(huán)境保護和科學(xué)合理的開發(fā)具有重要的指導(dǎo)意義。

當(dāng)前國內(nèi)學(xué)者針對不同地區(qū)的生態(tài)環(huán)境特征采用不同的評價方法開展了大量研究[7]。劉振乾等[8]建立了三江平原濕地生態(tài)系統(tǒng)脆弱性評價指標(biāo)體系,并運用綜合指數(shù)方法對三江平原的濕地生態(tài)系統(tǒng)脆弱性程度進(jìn)行了評價。姚建等[9]借助模糊數(shù)學(xué)聚類分析方法分析了岷江上游流域生態(tài)環(huán)境的空間分布規(guī)律。孔博等[10]構(gòu)建了汶川地震災(zāi)區(qū)生態(tài)系統(tǒng)脆弱性指標(biāo)體系,利用DARE法對地震災(zāi)區(qū)生態(tài)系統(tǒng)脆弱性進(jìn)行了評價。李平星和樊杰[11]以廣西西江經(jīng)濟帶為例,采用VSD模型,通過暴露度、敏感性和適應(yīng)能力分解脆弱性,構(gòu)建包含自然和人為因素的25個指標(biāo)體系,開展脆弱性評價與分區(qū)。李陽兵等[12]從西南巖溶山地脆弱性的成因出發(fā),探討性地將該區(qū)的脆弱性劃分為三類：基底性脆弱、界面性脆弱、波動性脆弱。張笑楠等[13]基于景觀結(jié)構(gòu)信息對桂西北喀斯特區(qū)域(廣西環(huán)江縣)的生態(tài)環(huán)境脆弱度進(jìn)行評價, 分析了研究區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱度的空間分布特征。何冬曉[14]以重慶巖溶地區(qū)為例,對該區(qū)的巖溶生態(tài)環(huán)境脆弱性進(jìn)行深入的分析,并對研究區(qū)的生態(tài)重建技術(shù)進(jìn)行探討。張殿發(fā)等[15]揭示了貴州省脆弱生態(tài)環(huán)境的表現(xiàn)形式,并從季風(fēng)活動、人口壓力、大氣環(huán)流以及社會經(jīng)濟壓力等方面分析了研究區(qū)脆弱生態(tài)環(huán)境的成因。針對西南山區(qū),不同的學(xué)者針對不同的研究區(qū)和研究尺度所構(gòu)建的脆弱性評價體系相差較大,當(dāng)前還缺少一個系統(tǒng)、規(guī)范的評價體系。

近年來全球氣候變暖加劇,極端氣候頻發(fā),已對西南山區(qū)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生深刻的影響。本研究針對西南喀斯特山區(qū)特殊的地理國情(水土流失和石漠化嚴(yán)重),引入了大尺度景觀格局指數(shù)和極端氣候指數(shù),構(gòu)建了生態(tài)系統(tǒng)脆弱性遙感評價體系,并分析和探討了該地區(qū)近13年的脆弱性時空變化格局及其驅(qū)動機制,以期為后續(xù)針對西南山區(qū)脆弱性開展的中小尺度研究提供技術(shù)參考。

1 研究區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

西南喀斯特山區(qū)包括貴州、四川、云南、重慶及廣西5省 (市、自治區(qū)),山地和高原分布廣泛,占總面積的80%。西南喀斯特山區(qū)景觀異質(zhì)性強,地質(zhì)背景特殊,巖溶作用強烈,崩塌、滑坡、泥石流等山地災(zāi)害密集分布,生態(tài)環(huán)境容量小,生態(tài)環(huán)境本底十分脆弱[16]。尖銳的人地矛盾(眾多的人口,長期的資源無序開發(fā))導(dǎo)致水土流失和植被破壞日益嚴(yán)重,產(chǎn)生了嚴(yán)重的石漠化現(xiàn)象,且呈不斷擴張的趨勢,極大地制約了該區(qū)域生態(tài)保護和可持續(xù)發(fā)展。該地區(qū)分布有34個少數(shù)民族,其少數(shù)民族人口占總?cè)丝诘?9%左右,西南喀斯特山區(qū)的社會經(jīng)濟發(fā)展總體水平較為落后,貧困人口占全國貧困人口總量的近50%[17]。

圖1 研究區(qū)及其植被分布概況 Fig.1 The location of the southwest Karst mountain area and the average NDVI in growing season for 2000—2013

1.2 研究方法

1.2.1 綜合指數(shù)法

當(dāng)前針對生態(tài)環(huán)境脆弱性的研究多采用分級賦權(quán)重評價模型[5,8],該方法對選取的各脆弱性評價因子分等級用于評價,這種方法適用于大尺度的宏觀研究,而且如果脆弱性評價因子選擇科學(xué)合理的話,結(jié)果也是比較理想的。但是考慮到不同的分級方案對最終的脆弱性評價結(jié)果的影響較大,并且分級方案的主觀性很強,為了避免指標(biāo)分級過程中人為因素的過多干擾,本文采取一級指標(biāo)分級賦權(quán)重加權(quán)而二級指標(biāo)歸一化賦權(quán)重加權(quán)求和兩種評價模型進(jìn)行綜合研究,以上兩種評價模型的公式一致,如下：

(1)

式中,ESVI(Eco-system Vulnerability Index)為生態(tài)系統(tǒng)脆弱性指數(shù)；Ii為第i個歸一化指標(biāo)(或分級指標(biāo))；ωi為第i個指標(biāo)權(quán)重；n為指標(biāo)個數(shù)。

歸一化方法：

正向指標(biāo)

(2)

逆向指標(biāo)

(3)

其中,Ii為脆弱性評價指標(biāo)I的歸一化值；Imin為I指標(biāo)的最小值；Imax為I指標(biāo)的最大值。Ii越大,說明脆弱性指標(biāo)對脆弱性影響越顯著,脆弱性值越大；反之則越小。

1.2.2 氣候傾向率

氣候趨勢系數(shù)主要反映各氣候因子長期趨勢變化的方向和程度,其計算方法為n個時刻的氣候因子與自然數(shù)1,2,3,…,n的相關(guān)系數(shù)[12]。其計算公式如下：

(4)

氣象要素的趨勢變化的一次線性方程為：

(5)

(6)

式中,a1·10成為氣候傾向率,單位為某要素單位/10a。根據(jù)線性回歸理論得：

(7)

式中,ρx是要素x的均方差,ρt為數(shù)列1,2,…,n的均方差,這樣就可以從趨勢系數(shù)rxt計算出氣候傾向率。

2 評價指標(biāo)及數(shù)據(jù)源

本研究根據(jù)西南喀斯特山區(qū)的生態(tài)環(huán)境特征,結(jié)合《國家主體功能區(qū)規(guī)劃實施方案》、《生態(tài)環(huán)境狀況評價技術(shù)規(guī)范(試行)》以及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評估方案,同時考慮到指標(biāo)獲取的可操作性和關(guān)聯(lián)性,本文從水體、氣候、植被、土壤和人文五個方面選取指標(biāo)構(gòu)建了評價體系(圖2)。

圖2 生態(tài)系統(tǒng)脆弱性評價體系Fig.2 Evaluation system of ecosystem vulnerability

(1) 水體 水體因子包括水資源量和水網(wǎng)密度。

水資源量和水網(wǎng)密度作為評價水體生態(tài)脆弱性的指標(biāo),在生態(tài)系統(tǒng)中具有重要的生態(tài)支持功能,因此水資源量在脆弱性評價中是逆向指標(biāo)。公里格網(wǎng)水資源量(2005年)由水利部提供,2000、2010和2013年水資源量數(shù)據(jù)是根據(jù)全國各省市水資源統(tǒng)計數(shù)據(jù)和格網(wǎng)水資源量(2005年)加權(quán)計算得到。水網(wǎng)密度在生態(tài)系統(tǒng)中具有重要的生態(tài)支持功能,因而水網(wǎng)密度在生態(tài)系統(tǒng)脆弱性評價中為逆向指標(biāo),該數(shù)據(jù)是利用研究區(qū)土地利用遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)中的河流、湖泊、水庫、沼澤、冰川積雪等土地覆被類型在公里格網(wǎng)中的面積百分比確定水網(wǎng)密度值。土地利用遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)采用中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所(2000年、2005年、2010年)和國家自然資源和地理空間基礎(chǔ)信息庫項目辦公室(2013年)提供的中國土地利用遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)集(1 km×1 km)。

(2)植被 植被因子包括凈初級生產(chǎn)力(Net Primary Productivity,NPP)、生物豐度指數(shù)和大尺度景觀格局指數(shù)

NPP和生物多樣性指數(shù)是整個生態(tài)系統(tǒng)正常運作的基礎(chǔ),直接影響生態(tài)系統(tǒng)本身的功能,因此植被凈初級生產(chǎn)力在脆弱性評價中為逆向指標(biāo)。本研究NPP使用MOD17A3數(shù)據(jù)產(chǎn)品,該數(shù)據(jù)集的時空間分辨率分別為1 km和1年。該數(shù)據(jù)可以從Level 1 and Atmosphere Archive and Distribution System(LAADS)官方網(wǎng)站免費下(https://lpdaac.usgs.gov/products)。生物多樣性是人類生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ),該指數(shù)在脆弱性評價中為逆向指標(biāo),主要參考環(huán)保部生物多樣性計算公式獲取。大尺度景觀格局指數(shù)主要反映景觀形態(tài)特征和空間結(jié)構(gòu)對人類和生物的影響,在脆弱性評價中為逆向指標(biāo)。本研究基于ArcGIS 10.2和Fragstats 3.4利用MODIS土地利用覆被數(shù)據(jù)獲取了相關(guān)景觀格局指數(shù)：香農(nóng)均勻性指數(shù)(Shannon′s Evenness Index,SHEI)和蔓延度指數(shù)(Contag index, CONTAG)。

(3)氣候

20世紀(jì)以來,全球氣候變暖日益加劇,全球生態(tài)環(huán)境發(fā)生了重大變化。極端天氣頻發(fā)、生物多樣性喪失、全球海平面上升、生態(tài)環(huán)境退化對人類的生存發(fā)展和社會、經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生了嚴(yán)重的威脅[18]。全球變暖正在直接或間接地對自然和社會、人文生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響。本研究中從氣候本底特征和全球氣候變暖背景下的極端天氣事件兩個方面選取了7個指標(biāo)：年平均降水量(逆向)、>10℃積溫(逆向)、干燥度(正向)、日照時數(shù)(逆向)、極端高溫日數(shù)(正向)、極端低溫日數(shù)(正向)、極端降雨日數(shù)(正向)。

(4)土壤

考慮到西南喀斯特山區(qū)特殊的地理國情和生態(tài)環(huán)境特征,本研究在體系構(gòu)建中選取了水力侵蝕和石漠化。石漠化是濕潤喀斯特地區(qū)特有的、在脆弱的喀斯特地質(zhì)基礎(chǔ)上形成的一種土地荒漠化生態(tài)現(xiàn)象,是由于在人類不合理經(jīng)濟活動加上脆弱的生態(tài)地質(zhì)環(huán)境背景綜合作用下,植被退化,巖石大面積裸露,呈現(xiàn)類似荒漠景觀的土地退化現(xiàn)象[13]。水力侵蝕指以地表水為主要侵蝕營力的土壤侵蝕類型。水力侵蝕造成地表切割破碎、自然植被退化、生物多樣性破壞、土地質(zhì)量下降、生態(tài)功能衰退等環(huán)境問題,引起巨大的經(jīng)濟損失。因此水力侵蝕和石漠化在脆弱性評價中為正向指標(biāo)。

(5)人文

人文因素一定程度上制約區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況,本研究中人文因子包含人口密度(正向)、GDP密度(正向)、農(nóng)業(yè)人口比重(正向)、恩格爾系數(shù)(正向)、農(nóng)牧民人均純收入(逆向)指標(biāo)。其中人口公里格網(wǎng)數(shù)據(jù)(人口密度)、GDP公里格網(wǎng)數(shù)據(jù)(GDP密度)來源于中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所(2000年、2005年、2010年)和國家自然資源和地理空間基礎(chǔ)信息庫項目辦公室(2013年),該數(shù)據(jù)是基于土地利用遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)和夜間燈光數(shù)據(jù)、統(tǒng)計數(shù)據(jù)反演獲取。

3 結(jié)果與分析

通過查閱大量參考文獻(xiàn)[5- 15]并結(jié)合部分專家意見和野外實地調(diào)查數(shù)據(jù),確定了本研究中一級(表1)和二級指標(biāo)的權(quán)重值?；谖髂峡λ固厣絽^(qū)生態(tài)系統(tǒng)脆弱性評價體系各級指標(biāo)權(quán)重和一級指標(biāo)分級表(表2),本研究利用ArcGIS 10.2的柵格計算器計算獲取了西南喀斯特山區(qū)生態(tài)系統(tǒng)脆弱性(ESVI)值。

表1 一級指標(biāo)權(quán)重

表2 一級指標(biāo)脆弱性分區(qū)閾值

3.1 生態(tài)系統(tǒng)脆弱性評價結(jié)果對比分析

參考西南喀斯特山區(qū)的生態(tài)環(huán)境特征及生態(tài)系統(tǒng)脆弱性(ESVI)值直方圖分布和標(biāo)準(zhǔn)差,將生態(tài)系統(tǒng)脆弱性值分為五級：微度脆弱(ESVI≤3.30)、輕度脆弱(3.30

研究結(jié)果(圖3)發(fā)現(xiàn)：西南山地喀斯特石漠化生態(tài)區(qū)重度和極度脆弱區(qū)主要集中分布于中部和北部,主要原因是該地區(qū)巖溶發(fā)育強烈,植被覆蓋度低,水土流失嚴(yán)重,大量巖石裸露,加上該地區(qū)成土過程緩慢,土層淺薄,生態(tài)系統(tǒng)自身恢復(fù)能力差,此外該地區(qū)生產(chǎn)力水平低,貧困人口多,環(huán)境保護意識差,人類活動干擾強度大。微度和輕度脆弱區(qū)則主要分布于該地區(qū)的東南部和西南部,東南部地區(qū)降水充沛,植被覆蓋度高,水土流失和石漠化強度較低,加上人類的生態(tài)保護措施(退耕還林等),生態(tài)環(huán)境較好。

圖3 西南喀斯特山區(qū)生態(tài)系統(tǒng)脆弱性Fig.3 Ecosystem vulnerability of southwest Karst mountain area

圖4 西南喀斯特山區(qū)近13年不同等級脆弱性面積對比 Fig.4 Area comparisons of different grades of ecosystem vulnerability

通過圖4中面積及面積百分比的對比分析發(fā)現(xiàn)：2000—2005年,西南山地喀斯特生態(tài)區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)脆弱性有一定程度的加劇,主要表為2005年該地區(qū)的總體ESVI值為3.37相比2000年ESVI值3.21略有增加,重度和中度脆弱區(qū)的面積有一定幅度的增加,分別為4.51萬km2和2.05萬km2,而微度和輕度脆弱區(qū)面積減小,分別為6.1萬km2和0.04萬km2；2005—2010年,西南山地喀斯特生態(tài)區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)脆弱性總體表現(xiàn)穩(wěn)定,局部有一定程度的減小,主要表現(xiàn)為2010年研究區(qū)總體ESVI值為3.31相比2005年3.37基本保持穩(wěn)定,微度脆弱區(qū)面積增加,輕度和中度脆弱區(qū)面積相應(yīng)減小,而極度脆弱區(qū)面積則有一定幅度的增加；2010—2013年,西南山地喀斯特生態(tài)區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)脆弱性總體穩(wěn)定,局部改善,主要表現(xiàn)為微度脆弱區(qū)面積減小(13.63萬km2)而重度和極度脆弱區(qū)面積增加(0.18、1.61萬km2)。2000—2013年,西南山地喀斯特生態(tài)區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)脆弱性總體穩(wěn)定,局部惡化,表現(xiàn)為中度和極度脆弱區(qū)面積減小,分別為1.06、1.55萬 km2,微度脆弱區(qū)則有一定幅度的增加,為9.67萬

3.2 生態(tài)系統(tǒng)脆弱性變化強度分析

為了進(jìn)一步分析近13年西南喀斯特山區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)脆弱性變化,本小節(jié)利用ArcGIS 10.2的柵格計算器對4期生態(tài)系統(tǒng)脆弱性值進(jìn)行計算,獲取了2000—2005年、2005—2010年、2010—2013年和2000—2013的4期脆弱性動態(tài)監(jiān)測圖。并根據(jù)脆弱性動態(tài)變化值的直方圖分布和標(biāo)準(zhǔn)差,對四期脆弱性變化值(Change intensity,CI)進(jìn)行了分級：重度減小區(qū)(CI≤-1,中度減小區(qū)(-11)。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)：2000—2005年(圖5),西南喀斯特山區(qū)的脆弱性中度和重度增加區(qū)主要分布于該區(qū)的東北部,如邵陽市、婁底市、宜昌市、恩施市、常德市等和西南部,如思茅市、景洪市等以及零散分布于中部地區(qū),如遵義市、安順市、曲靖市、邵通市、凱里市等。中度和重度減小區(qū)則主要集中于該區(qū)的西北部,如雅安市、樂山市、西昌市、攀枝花市等和東南部,如北海市、欽州市,憑祥市等。穩(wěn)定區(qū)分布面積最廣,主要分布于中部地區(qū)各縣市。以上脆弱性變化分布格局,主要取決于降水、地質(zhì)災(zāi)害、土地利用結(jié)構(gòu)的改變、水力侵蝕、石漠化、人類活動等因素。2005—2010年(圖5),西南喀斯特山區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)脆弱性中度和重度增加區(qū)主要分布于該區(qū)的西北部,如樂山市、攀枝花市、保山縣、云龍縣、潞西市等。重度和中度減小區(qū)則主要分布于東北部,如神農(nóng)架地區(qū)、宜昌市、婁底市、大庸市等和北部地區(qū),如重慶市、瀘州市、邵通市等以及中部地區(qū),如河池市北部、興義市等。穩(wěn)定區(qū)分布面積最廣,主要分布于中、南部各縣市。該脆弱性變化空間格局同樣受氣候、地質(zhì)災(zāi)害、人類活動(粗放耕作、刀耕火種、毀林開荒、退耕還林、退耕還草等)。2010—2013年(圖5),該生態(tài)區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)脆弱性穩(wěn)定區(qū)分布面積最廣,重度和中度增加區(qū)分布面積較小,零散分布于貴陽市、百色市、河池市,而脆弱性重度和中度減小區(qū)則主要分布于該區(qū)的西部和南部,如臨滄市、景洪市、昆明市、思茅市、個舊市、憑祥市等。2000—2013年(圖5),西南喀斯特山區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)脆弱性表現(xiàn)為先增加后減小的趨勢,旱災(zāi)、暴雨、地質(zhì)災(zāi)害、水土流失、石漠化和人類活動(人口數(shù)量的急劇增加、粗放耕作、刀耕火種、廣種薄收、坡地開荒、毀林開荒、放火燒山)是造成該地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)脆弱性加劇的主要原因,而氣候、植被、政府干預(yù)(退耕還林、退耕還草)等因素則導(dǎo)致該地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)狀況的改善。

圖5 西南喀斯特山區(qū)生態(tài)系統(tǒng)脆弱性變化Fig.5 Change intensity of ecosystem vulnerability

4 討論

本研究從氣溫、降水、GDP密度以及人口密度4個方面分析和探討了西南喀斯特山區(qū)近13年的生態(tài)系統(tǒng)脆弱性時空變化驅(qū)動機制,數(shù)據(jù)分析在SPSS 17.0 中進(jìn)行,顯著性水平設(shè)定為α=0.05,相關(guān)圖表制作在Excel 中完成。

4.1 氣溫對生態(tài)系統(tǒng)脆弱性變化的影響

氣溫氣候傾向率能夠反映氣溫的變化方向和強度,氣溫的變化與區(qū)域生態(tài)環(huán)境脆弱性有較大的相關(guān)性。為了更深入的分析探討氣溫變化對生態(tài)系統(tǒng)脆弱性變化的影響,本節(jié)基于2000—2013年近13年的氣象站點數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析了氣溫氣候傾向率與生態(tài)系統(tǒng)脆弱性均值(2000、2005、2010和2013年四期脆弱性值的平均值)及其變化強度(2000—2013年脆弱性變化強度)的相關(guān)性。圖6顯示生態(tài)系統(tǒng)脆弱性值受氣溫變化影響不敏感,原因在于該地區(qū)地處熱帶和亞熱帶,氣溫背景值較高,氣溫增幅相對不顯著,加上該地區(qū)降水充沛,地形復(fù)雜多樣,山區(qū)立體氣候類型顯著,因此氣溫的增加對西南山區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)影響不明顯。圖6顯示了生態(tài)系統(tǒng)脆弱性變化強度與氣溫氣候傾向率的相關(guān)性,結(jié)果發(fā)現(xiàn)：西南喀斯特山區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)脆弱性隨著溫度的上升而增大,但是脆弱性變化強度隨著氣溫氣候傾向率的增大變化不大。

圖6 年均氣溫氣候傾向率與近13年平均脆弱性值和脆弱性變化強度的相關(guān)性Fig.6 Relations between temperature climate tendency rate and the average vulnerability and change intensity

4.2 降水對生態(tài)系統(tǒng)脆弱性變化的影響

降水氣候傾向率能夠反映區(qū)域降水的變化方向和強度,降水量的波動能夠較大的影響生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為了深入的探討降水變化強度對生態(tài)系統(tǒng)脆弱性變化的影響,本小節(jié)基于2000—2013年近13年的氣象站點數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析了降水氣候傾向率與生態(tài)系統(tǒng)脆弱性均值(2000、2005、2010和2013年4期脆弱性值的平均值)及其變化強度(2000—2013年脆弱性變化強度)的相關(guān)性。圖7顯示近13年生態(tài)系統(tǒng)脆弱性平均值與降水氣候傾向率的相關(guān)性：生態(tài)系統(tǒng)脆弱性隨著降水氣候傾向率的增大而呈現(xiàn)輕微增大。圖7則顯示了近13年生態(tài)系統(tǒng)脆弱性變化強度與降水氣候傾向率的相關(guān)性：總體上脆弱性變化強度隨著降水氣候傾向率的增加而增加。以上變化格局主要原因在于西南喀斯特地區(qū)復(fù)雜的水文過程。一方面,由于該地區(qū)巖溶發(fā)育強烈,在雨水溶蝕作用下巖石不斷被風(fēng)化,形成落水洞、溶隙、溶洞、溶溝、地下河等地貌特征。因此降水入滲強度很大,入滲率高達(dá)95%以上,大部分降水被入滲地下。在這種復(fù)雜的地下環(huán)境下,使地下水很難被利用,導(dǎo)致在巖溶地區(qū)表現(xiàn)出“濕潤條件下干旱”。另一方面,表層土壤隨雨水垂直下滲,加上表層土壤淺薄疏松、持水能力較差,土壤層較高的碎石含量和巖溶管道、裂隙的存在使水分運移過程具有高度空間異質(zhì)性,進(jìn)而加劇了水土流失和石漠化進(jìn)程。此外,西南山區(qū)地形破碎,起伏度較大,降水集中,急劇增加的降水往往表現(xiàn)為暴雨或大暴雨,因此會加劇山洪、滑坡、泥石流、山地崩塌等自然災(zāi)害的強度和頻次。

圖7 年降水氣候傾向率與近13年平均脆弱性值和脆弱性變化強度的相關(guān)性Fig.7 Relations between precipitation climate tendency rate and the average vulnerability and change intensity

4.3 不同產(chǎn)業(yè)GDP對生態(tài)系統(tǒng)脆弱性變化的影響

社會經(jīng)濟狀況包括非常廣泛和復(fù)雜的內(nèi)容,在一定程度上影響著生態(tài)系統(tǒng)狀況及其變化。國內(nèi)生產(chǎn)總值(Gross domestic product,GDP)作為社會經(jīng)濟的一個重要指標(biāo),能夠反映地區(qū)經(jīng)濟實力和開發(fā)強度,而不同產(chǎn)業(yè)的GDP密度則反映了該地區(qū)的不同產(chǎn)業(yè)的開發(fā)方式及開發(fā)強度。本研究分別探討了近13年西南喀斯特山區(qū)生態(tài)系統(tǒng)脆弱性平均值(2000、2005、2010和2013年四期脆弱性值的平均值)與GDP密度、第一產(chǎn)業(yè)GDP密度、第二產(chǎn)業(yè)GDP密度以及第三產(chǎn)業(yè)GDP密度(萬元/km2)(2000、2005、2010和2013年4期各產(chǎn)業(yè)GDP的平均值)的相關(guān)性。

圖8 近13年不同產(chǎn)業(yè)GDP密度與平均脆弱性值的相關(guān)性Fig.8 Relations between GDP density of different industries and the average vulnerability

圖8顯示了近13年西南喀斯特山區(qū)生態(tài)系統(tǒng)脆弱性平均值與GDP密度(萬元/km2)的相關(guān)性(P=0.05),結(jié)果發(fā)現(xiàn)總體上兩者的相關(guān)性趨勢變化(曲線c)可分為兩個階段：GDP密度(萬元/km2)<1700和GDP密度(萬元/km2)>1700。在GDP密度(萬元/km2)<1700階段,變化曲線又分為曲線a和曲線b：曲線a反映的是生態(tài)系統(tǒng)脆弱性隨著GDP密度(萬元/km2)的增加而減小,說明隨著生態(tài)環(huán)境的改善,能夠為人類的生存和發(fā)展提供更多的資源,GDP密度(萬元/km2)會隨之增加；曲線b則反映了生態(tài)系統(tǒng)脆弱性值隨著GDP密度(萬元/km2)的增加而增大,說明了隨著人類開發(fā)強度的增加,對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了一定的破壞,因此生態(tài)系統(tǒng)脆弱性值會隨之增加。當(dāng)GDP密度(萬元/km2)>1700時,生態(tài)系統(tǒng)脆弱性則隨著GDP密度(萬元/km2)的增加而增加,主要原因是人類的開發(fā)強度超出了生態(tài)環(huán)境承載能力和自我恢復(fù)能力,人類活動對生態(tài)環(huán)境的破壞作用顯著。

圖8顯示了近13年生態(tài)系統(tǒng)脆弱性平均值與第一產(chǎn)業(yè)GDP密度(萬元/km2)的相關(guān)性(P=0.03),結(jié)果發(fā)現(xiàn)總體上兩者的相關(guān)性趨勢變化(曲線c)可分為兩個階段：第一產(chǎn)業(yè)GDP密度(萬元/km2)<130和第一產(chǎn)業(yè)GDP密度(萬元/km2)>130。在第一產(chǎn)業(yè)GDP密度(萬元/km2)<130階段,變化曲線可分為兩種情況曲線a和曲線b。曲線a反映的是生態(tài)系統(tǒng)脆弱性隨著第一產(chǎn)業(yè)GDP密度(萬元/km2)的增加而減小,說隨著生態(tài)環(huán)境的改善,如地表水資源、耕地資源、草地資源等增加,能夠為人類的生存提供更適宜的環(huán)境,為農(nóng)作物的生長提供更多的水資源和光照、積溫,為畜牧業(yè)的發(fā)展提供更多的林草資源,因此第一產(chǎn)業(yè) GDP密度(萬元/km2)會隨之增加；曲線b則反映了生態(tài)系統(tǒng)脆弱性值隨著第一產(chǎn)業(yè)GDP密度(萬元/km2)的增加而增大,說明了在生態(tài)環(huán)境較好的地區(qū),如高山林地、河谷平原,隨著人類開發(fā)強度的增加(過度放牧、陡坡開墾、環(huán)境污染),對區(qū)域生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了極大地破壞,石漠化、水土流失加劇,因此生態(tài)系統(tǒng)脆弱性值會隨之增加。當(dāng)?shù)谝划a(chǎn)業(yè)GDP密度(萬元/km2)>130時,生態(tài)系統(tǒng)脆弱性則隨著第一產(chǎn)業(yè)GDP密度(萬元/km2)的增加而增加,主要原因是喀斯特是一種脆弱的生態(tài)系統(tǒng), 土地承載力低,環(huán)境容量小,抗干擾能力弱, 彈性小、閾值低, 環(huán)境系統(tǒng)內(nèi)物質(zhì)的移動能力很強, 受干擾后的生態(tài)系統(tǒng)自恢復(fù)能力弱,恢復(fù)速度慢。此外,在脆弱的喀斯特生態(tài)環(huán)境背景上, 疊加人類不合理經(jīng)濟活動, 如人口增長過快, 森林亂砍盜伐, 陡坡地開荒等,共同導(dǎo)致了生態(tài)環(huán)境日趨惡化。

圖8顯示了近13年生態(tài)系統(tǒng)脆弱性平均值與第二產(chǎn)業(yè)GDP密度(萬元/km2)的相關(guān)性(P=0.05),結(jié)果發(fā)現(xiàn)總體上兩者的相關(guān)性趨勢變化(曲線c)：生態(tài)系統(tǒng)脆弱性隨著第二產(chǎn)業(yè)GDP密度(萬元/km2)的增加而增大。但是局部地區(qū)(第二產(chǎn)業(yè)GDP密度(萬元/km2)<800)的變化曲線可分為曲線a和曲線b：曲線a反映的是生態(tài)系統(tǒng)脆弱性隨著第二產(chǎn)業(yè)GDP密度(萬元/km2)的增加而減小,說明在生態(tài)環(huán)境較好的地區(qū)能夠為第二產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供更多的生產(chǎn)基礎(chǔ)資料,如水資源等和人力資源,因此GDP密度(萬元/km2)會隨著生態(tài)環(huán)境的狀況改善而增加；曲線b則反映了生態(tài)系統(tǒng)脆弱性值隨著GDP密度(萬元/km2)的增加而增大,說明了隨著人類工業(yè)活動的加劇,會造成區(qū)域水環(huán)境污染、植被破壞、大氣污染,對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生極大地破壞。此外,該地區(qū)礦產(chǎn)資源豐富,但是鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)生產(chǎn)方式落后、管理水平低,開采方式很多是露天開采,而露天開采需要進(jìn)行大量的表土剝離, 因而生產(chǎn)過程中對地貌景觀和地表覆被造成嚴(yán)重破壞, 形成巖石裸露、土地荒蕪、亂石遍地的礦業(yè)荒漠化土地, 加上在礦產(chǎn)開發(fā)中產(chǎn)生的“三廢”都會對土地和植被資源造成的極大的破壞, 因此導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境日趨惡化。介于兩個曲線之間的點則受以上因素的綜合影響和制約,總體上表現(xiàn)為脆弱性值隨著第二產(chǎn)業(yè)GDP密度(萬元/km2)的增加而減小。第二產(chǎn)業(yè)GDP密度>800時, 生態(tài)系統(tǒng)脆弱性隨著第二產(chǎn)業(yè)GDP密度(萬元/km2)的增加而增大,這與西南山地喀斯特地區(qū)的第二產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、第二產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中對礦產(chǎn)資源、水資源、森林資源等過度開發(fā)利用及其對水環(huán)境、大氣環(huán)境(酸雨)、土地環(huán)境的破壞及污染相關(guān)。

圖8顯示了近13年生態(tài)系統(tǒng)脆弱性平均值與第三產(chǎn)業(yè)GDP密度(萬元/km2)的相關(guān)性(P=0.04),結(jié)果發(fā)現(xiàn)總體上兩者的相關(guān)性趨勢變化(曲線c)可分為第三產(chǎn)業(yè)GDP密度(萬元/km2)<500和第三產(chǎn)業(yè)GDP密度(萬元/km2)>500,在第三產(chǎn)業(yè)GDP密度(萬元/km2)<500階段,變化曲線可分為曲線a和曲線b：曲線a反映的是生態(tài)系統(tǒng)脆弱性隨著第三產(chǎn)業(yè)GDP密度(萬元/km2)的增加而減小,說明區(qū)域生態(tài)環(huán)境好的地區(qū),氣候宜人,人口密集,經(jīng)濟發(fā)達(dá),基礎(chǔ)服務(wù)設(shè)施完善,旅游業(yè)、服務(wù)業(yè)等產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)完備,因此第三產(chǎn)業(yè) GDP密度(萬元/km2)表現(xiàn)為隨著生態(tài)系統(tǒng)脆弱性的減小而增加；曲線b則反映了生態(tài)系統(tǒng)脆弱性值隨著第三產(chǎn)業(yè)GDP密度(萬元/km2)的增加而增大,主要原因是西南喀斯特地區(qū)由于特殊的地質(zhì)、地貌環(huán)境,已形成了獨具特色的旅游資源,集“ 清、秀、奇、巧、變”為一體的喀斯特自然風(fēng)光同古樸的少數(shù)民族風(fēng)情相融合,因此該地區(qū)旅游開發(fā)獨具魅力,旅游業(yè)也日益成為帶動第三產(chǎn)業(yè)發(fā)展的龍頭。然而隨著旅游資源的過度開發(fā)和人類活動的強烈干預(yù),如旅游景區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、服務(wù)業(yè)相關(guān)設(shè)施的配置(道路修建等),均會對區(qū)域生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生一定程度破壞,因此生態(tài)系統(tǒng)脆弱性值會隨之增加。而當(dāng)GDP密度(萬元/km2)>500時,生態(tài)系統(tǒng)脆弱性則隨著第三產(chǎn)業(yè)GDP密度(萬元/km2)的增加而增加,主要原因是人類活動的過度干擾會對景區(qū)以及相關(guān)生態(tài)環(huán)境的自身恢復(fù)造成很大的壓力以至超出了自然生態(tài)環(huán)境的承載能力,進(jìn)而生態(tài)系統(tǒng)脆弱性增加。

4.4 人口密度對生態(tài)系統(tǒng)脆弱性變化的影響

人口是實現(xiàn)地區(qū)經(jīng)濟和社會可持續(xù)發(fā)展的基本條件之一, 也是制約可持續(xù)發(fā)展的最根本因素,因此人口密度與區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量有密切關(guān)系。西南山地喀斯特地區(qū)總?cè)丝诔^1億, 居住著48個少數(shù)民族, 是我國南方的主要貧困地區(qū), 全國近1/2 的貧困人口集中于本區(qū)[14]。該地區(qū)農(nóng)民環(huán)保意識淡薄以及落后的生產(chǎn)方式對自然生態(tài)系統(tǒng)破壞極大,但更主要的是人口的快速增長超過了土地的承載力, 使這些地區(qū)陷入了人口增長-過度墾殖-生態(tài)惡化-經(jīng)濟落后-人口貧困-文化教育水平低-環(huán)保意識和人口意識淡薄-人口增加的惡性循環(huán)。

圖9 近13年平均人口密度與平均脆弱性值的相關(guān)性 Fig.9 Relations between population density and the average vulnerability

本小節(jié)以縣級行政區(qū)為統(tǒng)計基本單元統(tǒng)計和分析了生態(tài)系統(tǒng)脆弱性均值(2000、2005、2010和2013年4期脆弱性值的平均值)與人口密度(人/km2)的相關(guān)性(2000、2005、2010和2013年4年的人口密度均值)之間的相關(guān)性(P=0.05),結(jié)果(圖9)發(fā)現(xiàn)：近13年西南喀斯特山區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)脆弱性平均值與人口密度(人/km2)兩者相關(guān)性趨勢變化(曲線c)可分為兩個階段：人口密度(人/km2)<600和人口密度(人/km2)>600。在人口密度(人/km2)<600階段,變化曲線可分為兩種情況：曲線a和曲線b。曲線a反映的是生態(tài)系統(tǒng)脆弱性隨著人口密度(人/km2)的增加而減小,說明區(qū)域生態(tài)環(huán)境的好的地區(qū),氣候宜人,水資源豐富,能夠為人類的生存和發(fā)展提供更多資源,因此人口密度(人/km2)隨著生態(tài)系統(tǒng)脆弱性的減小而增加；曲線b則反映了生態(tài)系統(tǒng)脆弱性值隨著人口密度(人/km2)的增加而增大,說明了在生態(tài)環(huán)境較好的喀斯特地區(qū),人口壓力及對資源的不合理開采和利用, 嚴(yán)重地造成動植物資源銳減、礦產(chǎn)資源極大浪費、土地資源退化、水資源短缺。人口與環(huán)境的對立關(guān)系使農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)退化、土地質(zhì)量變異和承載力降低,成為喀斯特地區(qū)經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的瓶頸。介于兩個曲線之間的點則受以上因素的綜合影響和制約。在人口密度(人/km2)>600階段表現(xiàn)為脆弱性值隨著人口密度(人/km2)的增大而增大,說明快速增長的人口數(shù)量超出了自然生態(tài)環(huán)境的資源承載能力和恢復(fù)能力,脆弱性值則隨之而增大。

5 結(jié)論

本研究基于西南山地特殊的地理國情和生態(tài)環(huán)境特征,引入了大尺度景觀格局指數(shù)和極端氣候指數(shù)進(jìn)而構(gòu)建了西南喀斯特山區(qū)生態(tài)系統(tǒng)脆弱性評價體系,最終分析了該區(qū)的脆弱性時空變化分異格局,并初步探討了生態(tài)系統(tǒng)脆弱性變化驅(qū)動機制,研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

(1)西南喀斯特山區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)則屬于輕-中度脆弱,其分布格局表現(xiàn)為以川滇黔為核心向周邊減小的趨勢。

(2)2000—2013年,西南喀斯特山區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)脆弱性表現(xiàn)為先增加后減小的趨勢：2000—2005年,生態(tài)系統(tǒng)脆弱性表現(xiàn)出一定程度的增加,而2005—2010年和2010—2013年生態(tài)系統(tǒng)脆弱性均表現(xiàn)一定程度的減小。

(3)近13年西南喀斯特山區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)脆弱性時空變化格局受人類活動(不同產(chǎn)業(yè)GDP和人口密度)、降水等因素影響較為顯著。

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Studyofanevaluationmethodofecosystemvulnerabilitybasedonremotesensinginasouthwesternkarstmountainareaunderextremeclimaticconditions

GUO Bing1,2, JIANG Lin1,*, LUO Wei3,YANG Guang4, GE Dazhuan3

1SchoolofCivilandArchitecturalEngineering,ShandongUniversityofTechnology,Zibo255000,China2KeyLaboratoryforNationalGeographicCensusandMonitoring,NationalAdministrationofSurveying,MappingandGeoinformation,Wuhan430079,China3InstituteofGeographicalSciencesandNaturalResourcesResearch,ChineseAcademyofSciences,Beijing100101,China4InstituteofRemoteSensingandDigitalEarth,ChineseAcademyofSciences,Beijing100101,China

During the past several decades, extreme weather conditions have become frequent because of global warming. This study introduces a large-scale landscape pattern index (Shannon uniformity index and contagion index) and extreme climate index (extreme high/low temperature days and extreme precipitation days) to establish an evaluation system for the ecosystem′s vulnerability, considering the unique geographical conditions (serious soil erosion and rocky desertification) in the karst mountain region of Southwest China. Next, the spatial and temporal changes in the ecosystem′s vulnerability during the past 13 years were analyzed and discussed. The results indicated that the ecosystem vulnerability in the karst mountain regions belonged to the mild-moderate level, which decreased from the Sichuan-Yunnan-Guizhou zones to the marginal zones. The severe and extreme vulnerable zones were mainly distributed in the central and northern areas because of severe karst rocky desertification, low vegetation coverage, and intensive disturbance due to human activity. Conversely, the slight and mild vulnerable zones were mainly distributed in the southeastern and southwestern areas because of the high vegetation coverage, abundant precipitation, and lower disturbance due to human activity. From 2000 to 2013, the ecosystem vulnerability in the southwestern karst mountain areas increased at first and then decreased. Zones of moderate and severe increases in vulnerability were mostly concentrated in the northeastern portion of the study region, whereas zones of moderate and severe decreases were mainly distributed in the northwestern part. During the past 13 years, the temporal and spatial patterns of the ecosystem′s vulnerability changes were significantly affected by human activities (different industrial GDP and population density), precipitation, topography, soil erosion, and rock desertification. This research can provide a decision-making foundation and technical support for protection of the ecosystem and restoration of the ecological environment in the karst mountain regions of Southwestern China.

ecosystem vulnerability; dynamic monitoring; remote sensing; southwestern karst mountain area; extreme climate

地理國情監(jiān)測國家測繪地理信息局重點實驗室開放基金(2016NGCM02); 山東理工大學(xué)教學(xué)研究與改革項目(116205)；山東省自然科學(xué)基金(ZR2014DL001); 國家自然科學(xué)基金項目(41501425)

2016- 08- 11; < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版日期

日期:2017- 07- 11

*通訊作者Corresponding author.E-mail: linlin20061998@126.com

10.5846/stxb201608111651

郭兵,姜琳,羅巍,楊光,戈大專.極端氣候脅迫下西南喀斯特山區(qū)生態(tài)系統(tǒng)脆弱性遙感評價.生態(tài)學(xué)報,2017,37(21):7219- 7231.

Guo B, Jiang L, Luo W,Yang G, Ge D Z.Study of an evaluation method of ecosystem vulnerability based on remote sensing in a southwestern karst mountain area under extreme climatic conditions.Acta Ecologica Sinica,2017,37(21):7219- 7231.