王志杰, 蘇 嫄

1 貴州大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院, 貴陽(yáng) 550025 2 貴州大學(xué)林學(xué)院, 貴陽(yáng) 550025

生態(tài)環(huán)境脆弱性是景觀或生態(tài)系統(tǒng)在特定時(shí)空尺度上相對(duì)于外界干擾而具有的敏感反應(yīng)和恢復(fù)狀態(tài),是生態(tài)系統(tǒng)的固有屬性在干擾作用下的表現(xiàn)[1]。隨著全球變化和人類活動(dòng)的加劇,生態(tài)與環(huán)境問(wèn)題大量涌現(xiàn),人類賴以生存和發(fā)展的生態(tài)系統(tǒng)受到巨大的影響,其中生態(tài)脆弱性問(wèn)題尤為突出。近年來(lái),關(guān)于生態(tài)脆弱性的研究已逐漸成為全球變化和可持續(xù)發(fā)展研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn),也是當(dāng)前資源環(huán)境領(lǐng)域重要的問(wèn)題之一,受到國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者的廣泛關(guān)注[2- 4]。區(qū)域生態(tài)環(huán)境脆弱性評(píng)價(jià)不僅可以從宏觀上了解區(qū)域的脆弱性現(xiàn)狀和分布特征,而且有助于合理配置土地資源和保護(hù)脆弱生態(tài)環(huán)境。同時(shí),也是制定區(qū)域可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃的重要前提[4- 5]。目前,關(guān)于生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)的方法主要有綜合評(píng)價(jià)法[6]、模糊評(píng)價(jià)法[7]、層次分析法[8]、主成分分析法[3,9]、指標(biāo)權(quán)重法[10]、景觀評(píng)價(jià)法[11]以及生態(tài)脆弱性指數(shù)評(píng)價(jià)法[1]等。

南水北調(diào)中線工程是為了緩解我國(guó)華北地區(qū)水資源嚴(yán)重短缺的一項(xiàng)大型調(diào)水工程,其水源地丹江口水庫(kù)多年平均入庫(kù)水量408.5億m3,其中陜西境內(nèi)漢江和丹江入庫(kù)水量284.7億m3,占入庫(kù)總水量的70%。發(fā)源于陜南秦巴山地的漢江流域是丹江口水庫(kù)的主要水源地,保護(hù)水源地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量,確保南水北調(diào)中線工程水質(zhì)安全、促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展、實(shí)現(xiàn)人與自然和諧共處一直是相關(guān)管理部門和學(xué)術(shù)界關(guān)心的熱點(diǎn)問(wèn)題。然而,長(zhǎng)期以來(lái),陜西境內(nèi)的漢江流域經(jīng)濟(jì)落后,生態(tài)環(huán)境惡化問(wèn)題相當(dāng)突出,不合理的人類活動(dòng)劇烈引起的土壤侵蝕嚴(yán)重,自然災(zāi)害頻繁[12-13],區(qū)域生態(tài)環(huán)境正面臨嚴(yán)重的威脅。因此,開(kāi)展水源地生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)及其特征研究,明確其生態(tài)脆弱性整體狀況與空間分布以及今后的重點(diǎn)治理區(qū)域和方向,對(duì)有針對(duì)性地進(jìn)行生態(tài)環(huán)境建設(shè)與保護(hù)具有重要的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義,對(duì)區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的改善,以及保障南水北調(diào)中線工程的安全運(yùn)行具有重要的科學(xué)意義。而我國(guó)關(guān)于生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)的區(qū)域多涉及喀斯特地區(qū)[14-15]、農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)[16]、高寒山地[17]、三峽庫(kù)區(qū)[2]以及流域濕地[18-19]等典型的生態(tài)脆弱區(qū),對(duì)于地處我國(guó)中部生態(tài)安全的屏障區(qū)和重要水源涵養(yǎng)區(qū)的南水北調(diào)中線水源地的生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)相關(guān)研究鮮有報(bào)道。

基于此,本研究以位于南水北調(diào)中線水源地的漢中市為研究對(duì)象,利用RS和GIS技術(shù),采用空間主成分分析方法,對(duì)漢中市生態(tài)脆弱性進(jìn)行定量評(píng)價(jià),揭示漢中市生態(tài)脆弱性現(xiàn)狀和空間分布特征,明確該區(qū)生態(tài)脆弱性的驅(qū)動(dòng)因子,以期為南水北調(diào)中線水源地的生態(tài)建設(shè)與恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)和決策支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

漢中市(33°02′—33°22′N,106°51′—107°10′E)位于陜西省西南部,地處秦巴山區(qū)西段,北靠秦嶺、南倚米倉(cāng)山(即大巴山西段),中為漢江上游谷地平壩(即漢中盆地)。全市轄漢臺(tái)區(qū)、南鄭、城固、洋縣、西鄉(xiāng)、勉縣、寧強(qiáng)、略陽(yáng)、鎮(zhèn)巴、留壩、佛坪等11個(gè)縣區(qū),土地面積約2.7×104km2(圖1)。地勢(shì)南北高,中間低,形成了“兩山夾一川”的地貌骨架,區(qū)內(nèi)地貌類型以山地為主,中高山區(qū)面積占總面積的57%,低山、丘陵占32.8%,平壩僅占10.2%。氣候類型屬內(nèi)陸東亞季風(fēng)氣候,由于盆地地形影響,自漢江谷地到秦嶺山地,氣候垂直差異明顯。隨著海拔高度的不同,分為3種不同的氣候類型：海拔800m以下的北亞熱帶氣候；海拔800—1250m的暖溫帶濕潤(rùn)氣候；海拔1250m以上的中溫帶濕潤(rùn)氣候。多年平均氣溫14.3℃,年最高平均氣溫19.2℃,年極端最高氣溫38℃(1953年8月18日)；年平均最低溫度10.6℃,年極端最低氣溫-10.1℃(1957年1月14日)。多年平均降水量為700—1700mm之間,年均平均風(fēng)速介于1—2.5m/s之間[20]。境內(nèi)地帶性植被屬于北亞熱帶常綠、落葉闊葉混交林,但由于多次大規(guī)模的毀林和過(guò)度采伐,原始森林幾乎破壞殆盡,目前,山區(qū)以天然次生林為主,生態(tài)效益變差,保障區(qū)域生態(tài)安全的功能明顯下降[12-13]。

圖1 研究區(qū)位置示意圖Fig.1 Location of the study area

1.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

影響生態(tài)脆弱性的因素歸納起來(lái)包括自然因素和人為因素兩方面,區(qū)域自身的自然地理環(huán)境構(gòu)成生態(tài)脆弱性的本底條件,人類通過(guò)一系列的活動(dòng)加速或減緩生態(tài)脆弱性的進(jìn)程[21]。因此,生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)的關(guān)鍵在于指標(biāo)體系是否科學(xué)合理,壓力—狀態(tài)—響應(yīng)(PSR)框架模型從人類系統(tǒng)和自然系統(tǒng)的相互作用與影響出發(fā),具有清晰的因果關(guān)系,被廣泛應(yīng)用于生態(tài)評(píng)價(jià)[2]。參考已有相關(guān)研究成果[2- 5, 21- 22],結(jié)合漢中市自然、社會(huì)實(shí)際狀況,遵循科學(xué)性、系統(tǒng)性、綜合性、目的性和可操作性的原則,本研究選取10個(gè)指標(biāo)構(gòu)建漢中市生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。具體而言：

壓力指標(biāo)反映人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)所造成的負(fù)荷[2]。長(zhǎng)期以來(lái),該區(qū)域經(jīng)濟(jì)相對(duì)落后,人口地域分布差異顯著,城鄉(xiāng)二元結(jié)構(gòu)明顯。近年來(lái)人口數(shù)量的增長(zhǎng)使區(qū)域環(huán)境承載力不堪重負(fù),同時(shí),導(dǎo)致對(duì)資源環(huán)境的不合理利用和干擾程度大[23]。人口的區(qū)域分異與數(shù)量增長(zhǎng)形成該區(qū)域人類活動(dòng)干擾生態(tài)系統(tǒng)的主要內(nèi)在原因,因此,選取人口密度代表人類活動(dòng)對(duì)漢中市生態(tài)系統(tǒng)造成的壓力指標(biāo)。

狀態(tài)指標(biāo)是生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)各種因素長(zhǎng)期作用的結(jié)果,也是生態(tài)系統(tǒng)和功能的最直接體現(xiàn)[2]。漢中市位于我國(guó)秦巴山區(qū)腹地,受長(zhǎng)期地質(zhì)時(shí)期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)作用,境內(nèi)大部分區(qū)域山高坡陡,地勢(shì)相對(duì)高差懸殊,地形破碎,地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,地貌類型多樣,加上降雨集中,多暴雨,降水與氣溫的空間異質(zhì)性強(qiáng),構(gòu)成特殊的本底地質(zhì)地貌和氣象氣候條件。并且由于水土保持基礎(chǔ)設(shè)施薄弱,加之多次大規(guī)模的毀林和過(guò)度采伐,原始森林幾乎破壞殆盡,目前,山區(qū)以天然次生林為主,生態(tài)效益變差,保障區(qū)域生態(tài)安全的功能明顯下降,不合理的人類活動(dòng)引起的土壤侵蝕嚴(yán)重,自然災(zāi)害頻繁,生態(tài)環(huán)境惡化問(wèn)題突出[12-13]。因此,選取海拔、坡度和地形起伏度代表地形地貌脆弱因子；年均降水量和年均氣溫反映了區(qū)域水熱資源狀況,代表了區(qū)內(nèi)不同生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性和生態(tài)穩(wěn)定性；NDVI、土地利用/覆被類型代表植被對(duì)漢中市環(huán)境變異的抗干擾能力和緩沖能力；土壤侵蝕強(qiáng)度代表水土流失特征。

響應(yīng)指標(biāo)體現(xiàn)人類面臨生態(tài)問(wèn)題所采取的對(duì)策與措施[2]。一般而言,人均GDP代表區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r,一定程度上能夠反映生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況以及對(duì)生態(tài)建設(shè)和保護(hù)的投入能力[2]。因此,選取人均GDP作為漢中市生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)的響應(yīng)指標(biāo)因子。

1.3 數(shù)據(jù)源與數(shù)據(jù)處理

本文所采用的資料包括研究區(qū)Landsat- 8 TM遙感影像、DEM數(shù)據(jù)、氣溫、降雨、人口密度、人均GDP和行政區(qū)劃圖,以及相關(guān)的統(tǒng)計(jì)資料,數(shù)據(jù)來(lái)源與特征見(jiàn)表1。

表1 數(shù)據(jù)源與數(shù)據(jù)特征

根據(jù)研究需要,須對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步處理。其中：

土地利用/覆被類型提取,運(yùn)用研究區(qū)TM遙感影像,依據(jù)土地利用現(xiàn)狀分類標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 21010—2007),結(jié)合漢中市具體情況及研究目標(biāo),將研究區(qū)土地利用劃分為林地、草地、水域、農(nóng)用地、建筑用地和裸地6類。通過(guò)野外調(diào)查建立解譯標(biāo)志,進(jìn)而在ENVI 5.1軟件平臺(tái)上采用最大似然法監(jiān)督分類,完成對(duì)遙感數(shù)據(jù)的解譯,得到漢中市2014年土地利用/覆被類型圖。土地利用分類結(jié)果參照Google Earth高分辨率遙感影像和GPS野外調(diào)查樣點(diǎn)進(jìn)行精度驗(yàn)證,監(jiān)督分類結(jié)果精度為92.12%,Kappa系數(shù)值為0.9121,遙感圖像數(shù)字處理精度可以滿足研究要求。

NDVI的提取,利用漢中市TM遙感影像,在ENVI 5.1軟件平臺(tái)上運(yùn)用Band math功能實(shí)現(xiàn),計(jì)算公式如下：

(1)

式中：ρNIR為近紅外波段的反射率,ρR為紅波段的反射率,NDVI為歸一化植被指數(shù)。

坡度和地形起伏度的提取,分別基于DEM在ArcGIS10.2軟件平臺(tái)的Surface和Neighborhood工具下計(jì)算生成。

年均降雨量和年均氣溫,利用漢中市及周邊地區(qū)15個(gè)氣象站的統(tǒng)計(jì)資料,基于ArcGIS10.2軟件平臺(tái),運(yùn)用反距離加權(quán)插值(IDW)方法進(jìn)行空間插值,以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的空間化。

土壤侵蝕強(qiáng)度由土壤侵蝕各因子經(jīng)RUSLE模型計(jì)算后,依據(jù)水利部頒布的《土壤侵蝕強(qiáng)度分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(SL196—2007)轉(zhuǎn)化得到。

由于各類數(shù)據(jù)來(lái)源、投影方式與比例尺等不同,在數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)分析前對(duì)所有數(shù)據(jù)統(tǒng)一進(jìn)行幾何配準(zhǔn)與數(shù)據(jù)重采樣,將所有空間數(shù)據(jù)統(tǒng)一到Transverse_Mercator投影坐標(biāo)系下,中央經(jīng)線為111°,所有數(shù)據(jù)柵格大小統(tǒng)一重采樣為30m×30m。

1.4 指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化

因各評(píng)價(jià)指標(biāo)性質(zhì)不同、量綱各異,無(wú)法直接進(jìn)行生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià),因此,必須對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,以解決參數(shù)不可比的問(wèn)題。本研究所選取的10個(gè)指標(biāo)對(duì)生態(tài)脆弱性的影響可以分為正向指標(biāo)和逆向指標(biāo)。正向指標(biāo)表示指標(biāo)值越大,生態(tài)脆弱性程度越高,逆向指標(biāo)表示指標(biāo)值越大,生態(tài)脆弱性程度越低。其中,正向指標(biāo)包括人口密度、坡度、海拔、地形起伏度、年均氣溫和年均降水,逆向指標(biāo)包括NDVI和人均GDP,土壤侵蝕強(qiáng)度和土地利用/覆被類型為定性指標(biāo)。在標(biāo)準(zhǔn)化之前首先對(duì)定性指標(biāo)進(jìn)行量化處理,借鑒相關(guān)研究成果[3],按照分等級(jí)賦值法對(duì)指標(biāo)因子進(jìn)行量化賦值(表2),并將其量化后按正向指標(biāo)進(jìn)行處理。指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化采用極差標(biāo)準(zhǔn)化方法進(jìn)行,計(jì)算方法如下[2]：

正向指標(biāo)：

(2)

逆向指標(biāo)：

(3)

式中：Zi表示第i指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值,變化范圍為0—10,Xi為第i指標(biāo)的實(shí)際值,Xmin為實(shí)際值的最小值,Xmax為實(shí)際值的最大值。

表2 定性指標(biāo)的定量化處理

1.5 生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)方法

在眾多生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)的方法中,空間主成分分析基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)的原理,考慮各指標(biāo)之間的相互關(guān)系,在損失很少信息的前提下,實(shí)現(xiàn)了將多個(gè)指標(biāo)轉(zhuǎn)換為少數(shù)幾個(gè)互不相關(guān)的綜合指標(biāo)。同時(shí),該方法整個(gè)過(guò)程不再需要專家打分,評(píng)價(jià)結(jié)果具有一定的客觀性。因此,本研究采用空間主成分分析方法進(jìn)行漢中市生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)研究。空間主成分分析的基本原理是將n個(gè)相關(guān)變量Xi線性組合成m個(gè)獨(dú)立變量Yj(m

EVI=r1Y1+r2Y2+r3Y3+…+rnYn

(4)

式中：EVI為生態(tài)脆弱性指數(shù),ri為第i個(gè)主成分,Yi為第i個(gè)主成分對(duì)應(yīng)的貢獻(xiàn)率。

為便于生態(tài)脆弱性指數(shù)(EVI)的度量和比較,對(duì)其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算方法如下：

(5)

式中：SEVI為生態(tài)脆弱性指數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化值,變化范圍為0—10；EVI為生態(tài)脆弱性指數(shù)的實(shí)際值；EVImax為生態(tài)脆弱性指數(shù)的最大值,EVImin為生態(tài)脆弱性指數(shù)的最小值。

1.6 空間自相關(guān)分析

采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)的半變異函數(shù)進(jìn)行生態(tài)環(huán)境脆弱性的空間分析,可以揭示生態(tài)脆弱性空間變化的結(jié)構(gòu)性和隨機(jī)性特征。半變異函數(shù)的計(jì)算公式為：

(6)

式中：N(h)為相隔距離等于h時(shí)的樣點(diǎn)對(duì)數(shù),Z(xi)為樣點(diǎn)Z在xi的實(shí)測(cè)值,Z(xi+h)為與xi距離為h處的樣點(diǎn)值。

半變異函數(shù)具有3個(gè)重要參數(shù)：塊金值(Nugget)、基臺(tái)值(Sill)和變程(Range)。塊金值C0的大小反映區(qū)域化變量隨機(jī)性的大小,基臺(tái)值(C0+C)反映變量變化幅度或系統(tǒng)的總變異程度,變程a表明變量自相關(guān)變化的尺度,塊金值和基臺(tái)值之比C0/(C0+C)表示由隨機(jī)因素引起的空間變異占系統(tǒng)總變異的比例,可反映變量的空間自相關(guān)程度。一般而言,比例小于25%,說(shuō)明變量具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性,25%—75%之間,變量具有中等的空間相關(guān)性,大于75%時(shí),變量空間自相關(guān)性很弱[22]。

2 結(jié)果與分析

2.1 漢中市生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)主成分分析原理,由公式(4)和表3得出漢中市生態(tài)脆弱性計(jì)算公式為：

EVI=0.3396×P1+0.2762×P2+0.1199×P3+0.1052×P4+0.0675×P5

(7)

式中：EVI為生態(tài)脆弱性指數(shù),P1—P5分別為原始空間變量進(jìn)行主成分提取的前5個(gè)主成分因子,5個(gè)主因子累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到90%以上。前5個(gè)主成分因子中原始變量的貢獻(xiàn)反映了漢中市生態(tài)脆弱性特征驅(qū)動(dòng)力,其中：第1主成分中年均氣溫和年均降水量貢獻(xiàn)最大；第2主成分中年均氣溫的貢獻(xiàn)較大；第3主成分中人均GDP的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)大于其他指標(biāo)；第4主成分中土壤侵蝕強(qiáng)度的貢獻(xiàn)較大；第5主成分中海拔的貢獻(xiàn)最大,即年均氣溫、年均降水、人均GDP、土壤侵蝕強(qiáng)度和海拔等構(gòu)成漢中市生態(tài)脆弱性形成的驅(qū)動(dòng)因子。這說(shuō)明漢中市生態(tài)脆弱性的形成是人類活動(dòng)和自然環(huán)境的綜合作用,惡劣的自然條件使生態(tài)環(huán)境存在潛在的脆弱性,而人類活動(dòng)的干擾和破壞則使?jié)撛诘拇嗳跣赞D(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)的脆弱性。具體而言,研究區(qū)內(nèi)大部分區(qū)域山高坡陡,地勢(shì)起伏高差懸殊,地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,巖層松散,巖體風(fēng)化較深,地層破碎,加上降雨集中,多暴雨,區(qū)內(nèi)生態(tài)環(huán)境敏感性強(qiáng)[23- 24]。加之人口數(shù)量的增長(zhǎng),對(duì)資源環(huán)境的不合理利用和干擾程度大,使區(qū)域環(huán)境承載力不堪重負(fù)。已有研究發(fā)現(xiàn),漢江上游近2/3的耕地都是25°以上坡耕地,并且由于多次大規(guī)模的毀林和過(guò)度采伐,原始森林幾乎破壞殆盡,目前,山區(qū)以天然次生林為主,生態(tài)效益變差,保障區(qū)域生態(tài)安全的功能明顯下降,生態(tài)環(huán)境遭到嚴(yán)重破壞,滑坡、泥石流等自然災(zāi)害頻發(fā),水土流失分布廣、侵蝕強(qiáng)度大,2009年漢中市水土流失面積達(dá)4775.07km2,占漢中市國(guó)土總面積的近35%,土壤侵蝕模數(shù)更高達(dá)9031t km-2a-1,導(dǎo)致漢中市生態(tài)環(huán)境惡化問(wèn)題相當(dāng)突出[12- 13, 23- 24]。同時(shí),陜西省屬于我國(guó)經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)的省份之一,而漢中市更是貧困縣比較集中的區(qū)域,經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展滯后,自我發(fā)展能力有限,生態(tài)環(huán)境治理的困難重重[12]。此外,在全球氣候變化(增暖)的背景下,漢中市氣候變暖的趨勢(shì)明顯,20世紀(jì)90年代以來(lái),呈現(xiàn)降水減少、氣溫升高、氣候偏旱的趨勢(shì)[25- 26]。而降水和氣溫是影響研究區(qū)植被生長(zhǎng)的主要限制因子[27]。在相同的水分條件下,氣溫的增加意味著蒸發(fā)量增大和干燥度增加,影響植被的生長(zhǎng)及土壤狀況,直接加劇了以植物為基礎(chǔ)的生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性[28]。

表3 空間主成分分析結(jié)果

基于公式(7)的計(jì)算結(jié)果,借助ArcGIS10.2軟件平臺(tái),按公式(5)對(duì)漢中市生態(tài)脆弱性指數(shù)(EVI)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。進(jìn)而依據(jù)國(guó)內(nèi)外關(guān)于生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)研究的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[2- 4],結(jié)合漢中市自然-社會(huì)復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的特征,將漢中市生態(tài)脆弱性劃分為5個(gè)等級(jí)(表4,圖2),分別為微度脆弱(SEVI<2)、輕度脆弱(2≤SEVI<4)、中度脆弱(4≤SEVI<6)、重度脆弱(6≤SEVI<8)和極度脆弱(SEVI≥8)。同時(shí),為了更加直觀的表達(dá)生態(tài)脆弱性的狀態(tài),本文引入乘算模型的生態(tài)脆弱性綜合指數(shù)(Ecological vulnerability synthetic index,EVSI),進(jìn)行不同空間單元生態(tài)環(huán)境狀況的整體差異分析[2,29],計(jì)算公式如下：

(8)

式中：EVSI為生態(tài)脆弱性綜合指數(shù)；Pi為第i類脆弱性等級(jí)值；Ai為第i類脆弱性等級(jí)面積；S為區(qū)域(評(píng)價(jià)單元)總面積。

表4 漢中市生態(tài)脆弱性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[2,29]

根據(jù)上述評(píng)價(jià)方法和標(biāo)準(zhǔn),統(tǒng)計(jì)分析漢中市生態(tài)脆弱性的整體特征,結(jié)果表明(表5)：漢中市生態(tài)脆弱性指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化平均值為5.21±1.41,EVSI值為3.09,整體處于中度偏高脆弱水平,這與潘景璐等[30]人的研究結(jié)果基本一致。生態(tài)脆弱性空間分異特征明顯,呈現(xiàn)“四周高,中間低”的格局。各脆弱性等級(jí)的面積分布表現(xiàn)為：中度脆弱所占面積比例最高,占研究區(qū)總面積的57.24%；其次為重度脆弱和輕度脆弱,分別占24.68%和13.07%；微度和極度脆弱面積分布較小,分別僅占3.05%和1.96%。

表5 漢中市生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)結(jié)果

圖2 2014年漢中市生態(tài)脆弱性空間分布圖 Fig.2 Spatial distribution of eco-environmental vulnerability in Hanzhong City at 2014

2.2 生態(tài)脆弱性空間分布特征

2.2.1 生態(tài)脆弱性在不同海拔梯度的空間分布

漢中市地處秦巴腹地,地貌類型多樣,從北到南,依次經(jīng)過(guò)秦嶺南麓、漢中盆地和大巴山北坡,相對(duì)高差達(dá)2800m以上。不同海拔梯度上,氣候特征、植被類型、土地利用狀況等具有明顯差異,生態(tài)環(huán)境質(zhì)量也存在差異。因此,有必要研究漢中市不同海拔梯度下生態(tài)脆弱性的垂直地帶性分布特征。

基于漢中市海拔分布特征,依據(jù)陳志明[31]、劉振東和涂漢明[32]根據(jù)國(guó)家DTM數(shù)據(jù)進(jìn)行高程頻數(shù)統(tǒng)計(jì)得出的地貌類型劃分標(biāo)準(zhǔn),將漢中市地貌類型劃分為5種類型,即：丘陵(海拔<500m)、低山(海拔500—800m)、中山(海拔800—2000m)、高中山(海拔2000—3000m)和高山(海拔>3000m)。將漢中市生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)結(jié)果圖與海拔分級(jí)圖疊加,分析不同海拔梯度各脆弱性等級(jí)的面積比例,結(jié)果表明(表6)：研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量最差的海拔梯度位于中山區(qū)和高中山區(qū),生態(tài)脆弱性綜合指數(shù)值(EVSI)分別達(dá)到3.33和3.23,高于研究區(qū)EVSI值(為3.09)的整體水平,以中度脆弱(分別占61.71%和76.82%)和重度脆弱(分別占31.43%和22.95%)為主,二者分別占中山區(qū)和高中山區(qū)總面積的90%以上,其中,重度脆弱主要分布在研究區(qū)東南部的大巴山區(qū),中度脆弱主要分布在研究區(qū)四周的秦嶺山區(qū)和大巴山區(qū)；其次為高山區(qū),EVSI值為3.00,該海拔梯度總面積較小,僅為0.15km2,但全部為中度脆弱；這是由于海拔較高的區(qū)域雖相對(duì)于低山丘陵區(qū)植被覆蓋狀況較高,但因地形破碎,坡度陡峭,地形起伏大,暴雨、滑坡、泥石流等自然災(zāi)害頻繁,自然環(huán)境本底基礎(chǔ)差,生態(tài)敏感性強(qiáng)。而低山區(qū)和丘陵區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量相對(duì)較好,EVSI值(分別為2.55和1.90)明顯小于其他海拔梯度和研究區(qū)整體水平。其中,低山區(qū)以中度脆弱和輕度脆弱為主,共占低山區(qū)總面積的83.71%,丘陵區(qū)則以輕度和微度脆弱為主,共占丘陵區(qū)總面積的72.82%。

表6 不同海拔梯度上各生態(tài)脆弱性等級(jí)分布圖

2.2.2 各縣區(qū)生態(tài)脆弱性空間分布特征

從各縣區(qū)不同脆弱性等級(jí)的面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出(表7)：位于研究區(qū)西部和東部的略陽(yáng)縣、寧強(qiáng)縣、佛坪縣、西鄉(xiāng)縣和鎮(zhèn)巴縣5個(gè)縣區(qū)脆弱性程度較高,EVSI值均高于研究區(qū)整體水平,尤以研究區(qū)東南部的鎮(zhèn)巴縣生態(tài)脆弱性程度最為嚴(yán)重,EVSI值達(dá)到4.02,遠(yuǎn)高于其他縣區(qū),且以重度脆弱和極度脆弱為主,重度脆弱等級(jí)面積占全縣總面積的71.98%,極度脆弱占15.01%；其他4個(gè)縣區(qū)的脆弱性等級(jí)以中度和重度脆弱為主,二者占各縣總面積的90%—95%以上。這是因?yàn)樯鲜?縣全部處于秦嶺山區(qū)和大巴山區(qū)的中山區(qū)、高中山區(qū)和高山區(qū),自然環(huán)境本底基礎(chǔ)差；同時(shí),該5縣屬于漢中市經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平靠后的縣份[30],如鎮(zhèn)巴縣和佛坪縣2014年GDP總量分別僅為56.42億元和6.65億元,分別約是漢臺(tái)區(qū)GDP總量的1/4和1/30,落后的經(jīng)濟(jì)水平,對(duì)生態(tài)環(huán)境建設(shè)和保護(hù)的投入力度不足。并且這些縣份的耕地資源貧乏,如西鄉(xiāng)縣2010年人均耕地面積不到0.05hm2/人,低于陜西省和全國(guó)的平均水平[30],迫于生活壓力,人們對(duì)周邊林地資源的不合理干擾強(qiáng)度大,對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞嚴(yán)重,土壤侵蝕程度較高,導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境的脆弱化程度明顯高于其他縣份。研究區(qū)北部的留壩縣,EVSI值為3.00,略低于研究區(qū)整體水平,脆弱性等級(jí)以中度脆弱為主,占留壩縣總面積的92.44%。研究區(qū)其他5個(gè)縣區(qū)的生態(tài)脆弱性程度相對(duì)較低,其中勉縣、南鄭縣、洋縣和城固縣生態(tài)脆弱性等級(jí)以中度和輕度脆弱為主,二者占各縣總面積的80%以上。研究區(qū)中部的漢臺(tái)區(qū)雖然人口密度大,人類活動(dòng)對(duì)自然環(huán)境的潛在影響力較大,但由于地處漢中盆地中心,耕地資源相對(duì)豐富,自然環(huán)境本底條件較好,加之社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平相對(duì)較高,生態(tài)環(huán)境建設(shè)和保護(hù)的力度較大,生態(tài)脆弱性程度最弱,EVSI值僅為1.54,且以微度脆弱為主,占漢臺(tái)區(qū)總面積的63.37%。整體上,隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,漢中市已基本形成以漢臺(tái)區(qū)為中心,向周邊輻射的“自然環(huán)境-社會(huì)-經(jīng)濟(jì)”系統(tǒng)良性發(fā)展生態(tài)圈,各縣區(qū)生態(tài)脆弱性空間分布表現(xiàn)出“東西部高、中部低；四周高,中間低”的特征。

表7 不同縣區(qū)的脆弱性等級(jí)面積分布

2.3 生態(tài)脆弱性空間自相關(guān)性特征

運(yùn)用ArcGIS 10.2的Fishnet工具,按500m的采樣間隔提取漢中市生態(tài)脆弱性指數(shù)值,得到107935個(gè)樣點(diǎn)生態(tài)脆弱度值,利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件GS+9.0,利用107935個(gè)樣點(diǎn)數(shù)據(jù)計(jì)算其半變異函數(shù)并進(jìn)行函數(shù)擬合。結(jié)果表明(表8)：高斯模型能真實(shí)反映漢中市各內(nèi)部因素的相關(guān)性?；_(tái)值C0+C為2.503反映漢中生態(tài)脆弱性指數(shù)的波動(dòng)變化較大,C0/C0+C為0.1254,屬于強(qiáng)烈的空間自相關(guān),說(shuō)明研究區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性是有自然因素和人為因素共同作用的結(jié)果,其中由隨機(jī)因素引起的空間異質(zhì)性占總空間異質(zhì)性的12.54%,且主要體現(xiàn)在500m以下的小尺度上；而由空間自相關(guān)引起的空間異質(zhì)性占總空間異質(zhì)性的87.46%。研究區(qū)的變程為72.92km,表明在該變程內(nèi)各區(qū)域生態(tài)環(huán)境脆弱性值存在空間相關(guān)性。

區(qū)域化變量的變異函數(shù)不僅與間隔距離有關(guān),而且也與方向有關(guān)。通過(guò)計(jì)算0°、45°、90°和135°等4個(gè)主要方向的變異函數(shù),分析其函數(shù)曲線的變化,可以反映區(qū)域化變量在各個(gè)方向上的變異特征。結(jié)果表明,漢中市生態(tài)環(huán)境脆弱程度的空間異質(zhì)性具有明顯的各向異性特點(diǎn),在45°和135°方向上的空間變異最大,而0°和90°方向上的空間變異較不明顯,說(shuō)明生態(tài)環(huán)境脆弱性的空間變異主要體現(xiàn)在45°和135°方向,主要原因是地形、降水、氣溫、地表覆蓋類型、人均GDP、人口密度等因子在不同方向上存在顯著的差異。

表8 漢中市生態(tài)脆弱性理論變異函數(shù)

3 主要結(jié)論

漢中市地處秦巴腹地,南依大巴山,北靠秦嶺,是我國(guó)生態(tài)功能區(qū)也是經(jīng)濟(jì)限制發(fā)展區(qū),更是我國(guó)南水北調(diào)中線工程的主要水源區(qū),擔(dān)負(fù)著保證足夠水源和合格水質(zhì)的重要作用,更承擔(dān)著保持水土、減少河道泥沙淤積的作用,其生態(tài)功能的優(yōu)劣,直接關(guān)系到中線工程的水質(zhì)和安全運(yùn)行[33]。本文基于壓力-狀態(tài)-響應(yīng)模型框架,構(gòu)建包括了人口密度、人均GDP、年均降水量、年均氣溫、海拔、坡度、地形起伏度、NDVI、土地利用/覆被類型和土壤侵蝕強(qiáng)度等10個(gè)因子的生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,運(yùn)用主成分分析方法,對(duì)漢中市生態(tài)脆弱性狀況及其特征進(jìn)行了分析,得到以下主要結(jié)論：

(1)漢中市生態(tài)脆弱性整體處于中等偏高水平。中度脆弱等級(jí)所占面積比例最高,占研究區(qū)總面積的57.24%。漢中市生態(tài)脆弱性的形成是人類活動(dòng)和自然環(huán)境的綜合作用,年均氣溫、年均降水、人均GDP、土壤侵蝕強(qiáng)度和海拔為主要的驅(qū)動(dòng)因子。

(2)漢中市生態(tài)脆弱性具有強(qiáng)烈的空間自相關(guān)特征,空間自相關(guān)引起的空間異質(zhì)性占總空間異質(zhì)性的87.46%。生態(tài)環(huán)境脆弱程度的空間異質(zhì)性具有明顯的各向異性特點(diǎn),在45°和135°方向上的空間變異最大。

(3)不同海拔梯度上,漢中市生態(tài)脆弱性程度最高的區(qū)域位于中山區(qū)和高中山區(qū),以中度脆弱和重度脆弱為主,二者占中山區(qū)和高中山區(qū)總面積的90%以上。重度脆弱主要分布在研究區(qū)東南部的大巴山區(qū),中度脆弱主要分布在研究區(qū)四周的秦嶺山區(qū)和大巴山區(qū)。低山區(qū)和丘陵區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量相對(duì)較好,其中低山區(qū)以中度脆弱和輕度脆弱為主,丘陵區(qū)則以輕度和微度脆弱為主。

(4)不同行政區(qū)劃上,漢中市西部和東部的略陽(yáng)縣、寧強(qiáng)縣、佛坪縣、西鄉(xiāng)縣和鎮(zhèn)巴縣5個(gè)縣區(qū)脆弱性程度最高,且以中度和重度脆弱為主。中部的漢臺(tái)區(qū)生態(tài)脆弱性程度最弱,以微度脆弱為主。其他5個(gè)縣區(qū)的脆弱性程度居中。整體上,各縣區(qū)生態(tài)脆弱性空間分布表現(xiàn)出“東西部高、中部低；四周高,中間低”的特征。

由于研究區(qū)自然環(huán)境的特殊性和復(fù)雜性,社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的不均性,影響生態(tài)脆弱性的各主導(dǎo)因子之間存在復(fù)雜的耦合關(guān)系,不同空間單元的生態(tài)脆弱性主要驅(qū)動(dòng)因子和驅(qū)動(dòng)機(jī)制各異,導(dǎo)致漢中市生態(tài)脆弱性的空間分異明顯。因此,針對(duì)漢中市特殊的區(qū)位特點(diǎn)及其生態(tài)脆弱性空間分布的異質(zhì)性,在今后生態(tài)環(huán)境治理與恢復(fù)過(guò)程中,對(duì)于生態(tài)脆弱性程度較高的鎮(zhèn)巴縣、西鄉(xiāng)縣、佛坪縣、略陽(yáng)縣和寧強(qiáng)縣等5縣區(qū),根據(jù)其“自然環(huán)境基礎(chǔ)差,社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平低,人類活動(dòng)對(duì)環(huán)境的干擾和破壞力度大”的特點(diǎn),應(yīng)將這些縣份作為重點(diǎn)治理區(qū),社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境建設(shè)與保護(hù)雙管齊下,優(yōu)化經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)業(yè)布局,通過(guò)生態(tài)補(bǔ)償、生態(tài)移民等綜合措施,減小人類活動(dòng)對(duì)環(huán)境的破壞,控制土壤侵蝕,以提高水源地特別是漢江源頭的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。對(duì)于“自然環(huán)境基礎(chǔ)較好,社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平較高,人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)環(huán)境的建設(shè)和保護(hù)力度較大”的生態(tài)脆弱性程度較弱的漢臺(tái)區(qū)及其周邊的勉縣、南鄭縣、城固縣等4縣區(qū),應(yīng)作為重點(diǎn)監(jiān)督區(qū),在社會(huì)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展的同時(shí),協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展的人地關(guān)系,預(yù)防人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)環(huán)境的惡化。而對(duì)于生態(tài)脆弱性程度居中的留壩縣和洋縣,應(yīng)作為重點(diǎn)預(yù)防保護(hù)區(qū),控制土壤侵蝕,加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)力度?？傮w而言,漢中市作為南水北調(diào)中線水源地,其生態(tài)環(huán)境的質(zhì)量直接決定著區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和調(diào)水工程的有效運(yùn)行,今后應(yīng)因地制宜、有的放矢,科學(xué)合理制定生態(tài)恢復(fù)與建設(shè)規(guī)劃方案,確保漢中市社會(huì)經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展,保障南水北調(diào)中線工程的水源安全以及調(diào)水工程的長(zhǎng)效安全運(yùn)行。

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