郭兵, 孔維華, 姜琳, 范業(yè)穩(wěn)

1. 山東理工大學(xué)建筑工程學(xué)院, 山東 淄博 255000

2. 華東師范大學(xué)地理信息科學(xué)教育部重點實驗室, 上海 200241

3. 武漢大學(xué)測繪遙感信息工程國家重點實驗室, 武漢 433079

4. 區(qū)域開發(fā)與環(huán)境響應(yīng)湖北省重點實驗室, 武漢 430062

5. 東華理工大學(xué)江西省數(shù)字國土重點實驗室, 南昌 330013

6. 地理國情監(jiān)測國家測繪地理信息局重點實驗室, 武漢 433079

7. 浙江水利水電學(xué)院, 杭州 310018

1 前言

生態(tài)系統(tǒng)是構(gòu)成陸地生態(tài)圈的最基本組成單元之一, 是維持社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要保證[1]。20世紀(jì)以來, 氣候變暖狀況日益加劇, 全球氣候與環(huán)境發(fā)生了極大變化, 物種多樣性喪失、極端天氣事件頻發(fā)、沙漠化加劇、兩極冰川融化等正是對生態(tài)系統(tǒng)變化的強(qiáng)烈反饋, 極大的威脅了人類的生存和社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展[2]。關(guān)于“脆弱生態(tài)環(huán)境”、“生態(tài)系統(tǒng)脆弱性”的研究已引起國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。目前 IPCC(2010)的定義相對權(quán)威, 認(rèn)為生態(tài)系統(tǒng)脆弱性研究內(nèi)容主要包括生態(tài)系統(tǒng)自身變化的評價、生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)變化的敏感性評價、變化對生態(tài)系統(tǒng)造成的潛在影響評估和預(yù)測以及生態(tài)系統(tǒng)對外界脅迫或變化的適應(yīng)性評價[3]。生態(tài)系統(tǒng)脆弱性是生態(tài)系統(tǒng)在特定時空尺度相對于外界干擾所具有的敏感反應(yīng)和自恢復(fù)能力, 是自然屬性和人類經(jīng)濟(jì)行為共同作用的結(jié)果。中國是世界上脆弱生態(tài)類型最多的國家之一, 其中青藏高原高寒生態(tài)區(qū)則是生態(tài)系統(tǒng)脆弱性最為明顯的地區(qū), 主要脆弱生態(tài)環(huán)境問題包括凍融侵蝕、水力侵蝕、土地沙漠化、鹽漬化、水資源匱乏等[4-5]。生態(tài)系統(tǒng)脆弱性的時空差異性是導(dǎo)致區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展不平衡和貧富差距的重要原因之一, 很大程度上影響了地區(qū)社會的和諧、可持續(xù)發(fā)展[6-7]。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(jī)制,為指導(dǎo)生態(tài)區(qū)保護(hù)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(hù)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(jì)社會可持續(xù)的必然要求[8-9]。

當(dāng)前國內(nèi)外研究學(xué)者針對青藏高原高寒生態(tài)區(qū)的脆弱生態(tài)系統(tǒng)開展了大量研究。李佳[10]基于生態(tài)-經(jīng)濟(jì)-社會耦合模型, 運用生態(tài)旅游雙向責(zé)任制度,從生態(tài)、社會、經(jīng)濟(jì)三個方向選取指標(biāo)構(gòu)建了評價體系, 全面剖析和研究了三江源地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)脆弱性。高江波等基于MODIS數(shù)據(jù)結(jié)合生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能、生境的脆弱性評價指標(biāo)體系, 評估了西藏高原自然生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性, 并分析了其空間異質(zhì)性特征[11]。肖桐等基于凈初級生產(chǎn)力(NPP), 利用IPCC提供的生態(tài)系統(tǒng)脆弱性的概念, 探討和分析了三江源地區(qū)基于NPP的脆弱性時空變化分布格局[12]。于伯華等分析了青藏高原高寒生態(tài)系統(tǒng)形成機(jī)制, 從3個層次選取了10個指標(biāo)構(gòu)建了脆弱性評價指標(biāo)體系, 進(jìn)而對青藏高原生態(tài)脆弱性及其區(qū)域差異進(jìn)行了分析和探討[13]。春梅利用景觀指數(shù)對玉樹州7個天然草地景觀類型進(jìn)行了生態(tài)脆弱性空間格局對比和分析。盡管不同的專家學(xué)者針對不同的生態(tài)類型區(qū)開展了相關(guān)的脆弱性研究, 但是由于各個研究對象的尺度和地域差異顯著, 其評價結(jié)果很難對比和推廣[14]。此外, 全球氣候變暖日益加劇, 極端氣候事件頻發(fā), 人類活動對自然生態(tài)系統(tǒng)干擾強(qiáng)度也日趨增大, 應(yīng)高度重視氣候變化和人類活動在生態(tài)脆弱性評價中的作用[15]。

本研究通過深入調(diào)查青藏高原高寒生態(tài)區(qū)的生態(tài)環(huán)境背景特征(凍融侵蝕、鹽漬化、水力侵蝕、干旱等災(zāi)害嚴(yán)重), 引入了極端氣候和災(zāi)害指數(shù), 構(gòu)建了青藏高原高寒生態(tài)區(qū)的生態(tài)脆弱性評價體系, 并分析和探討了該地區(qū) 2000—2013年的脆弱性時空變化格局及其驅(qū)動機(jī)制, 為后續(xù)的生態(tài)脆弱性相關(guān)研究提供重要參考。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)域

青藏高原高寒生態(tài)區(qū)包括青藏高原大部(除去柴達(dá)木盆地), 橫跨西藏、青海、四川和云南四省(26°N—39°N, 73°E—104°E), 以高寒氣候為主, 年平均氣溫低(-5—12℃), 降水稀少, 主要集中于5月到9月[12]。該生態(tài)區(qū)水資源量約為5688.61×108 m3,占中國水資源總量的20.23%, 是長江、黃河及恒河等10余條河流的源區(qū)。青藏高原水熱時空分布格局差異顯著, 多風(fēng)、干旱、低氧、寒冷、輻射強(qiáng)以及晝夜溫差大是高原氣候的典型特點, 加上該區(qū)大部分地區(qū)位于 5000米以上, 凍融侵蝕發(fā)育明顯, 鹽湖廣布,鹽漬化嚴(yán)重[14]。青藏高原東南部由于地形起伏較大,降水充沛并且集中, 從而導(dǎo)致地區(qū)的水力侵蝕狀況較為嚴(yán)重。青藏高原的地表覆被類型從東南向西北依次是森林、灌叢、高寒草原、高寒草甸、高寒荒漠, 主要的植被類型有高山松林、高山櫟林、常綠落葉闊葉混交林、針闊混交林等。該地區(qū)以草地生態(tài)系統(tǒng)為主,占總面積的 50.16%, 其次是荒漠生態(tài)系統(tǒng), 其面積約占37%左右[12]。青藏高原高寒生態(tài)區(qū)的土壤類型空間分布具有明顯的水平地帶性和垂直地帶性, 主要有沼澤鹽土、草甸鹽土、棕鈣土、栗鈣土、寒漠土等。

2.2 指標(biāo)介紹

本研究通過對青藏高原高寒生態(tài)區(qū)生態(tài)環(huán)境本底特征的實地調(diào)查, 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)》以及相關(guān)研究[14-18], 同時考慮到相關(guān)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)建了研究區(qū)評價體系(圖2)。

2.3 數(shù)據(jù)來源

圖1 研究區(qū)概況Fig.1 Location of the study region

圖2 青藏高原高寒生態(tài)區(qū)脆弱性評價體系Fig.2 Evaluation system of vulnerability in alpine ecological fragile region in Qinghai-Tibet Plateau

表1 指標(biāo)介紹及生態(tài)學(xué)意義Tab.1 Evaluation indexes and ecological significance

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, 空間分辨率為1 km2x1 km2。NPP數(shù)據(jù)來自MOD17A3產(chǎn)品,該數(shù)據(jù)集的時空間分辨率分別為1 km和1年, 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)。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), 空間分辨率為1 km。氣象站點數(shù)據(jù)主要包括20—20時的降水量(0.1 mm)、平均風(fēng)速(0.1 m·s-1)、日照時數(shù)(0.1小時)、日最高氣溫(0.1℃)、日最低氣溫(0.1 ℃)、日平均氣溫(0.1 ℃), 來源于中國氣象共享數(shù)據(jù)網(wǎng)。1：100萬土壤類型數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)格式為 Grid, 由中國科學(xué)院南京土壤研究所研制。

2.4 研究方法

2.4.1 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[6,10], 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(qiáng), 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：

其中, EVI(Ecosystem Vulnerability Index)為生態(tài)脆弱性指數(shù); Ii為第i個歸一化指標(biāo)(或分級指標(biāo));為第i個指標(biāo)權(quán)重;n為指標(biāo)個數(shù)。

歸一化方法：

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。

2.4.2 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)[16-17]。其計算公式如下：

式中,rxt為趨勢系數(shù)絕對值;xi為氣候因子 i;x為氣候因子i的多年平均值;n為時間序列數(shù);t為(n+1)/2.rxt越大則表明相應(yīng)的氣候因子年際變化越劇烈。

氣象要素的趨勢變化的一次線性方程為：

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：

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。

3 結(jié)果與分析

根據(jù)青藏高原高寒生態(tài)區(qū)的自然、人文特征及主導(dǎo)生態(tài)環(huán)境問題, 結(jié)合專家打分法和層次分析法(Analytic Hierarchy Process, AHP), 參考國內(nèi)外相關(guān)科研科學(xué)研究成果、案例及文獻(xiàn)[3,7,18-20], 在此基礎(chǔ)上, 對每一個判斷矩陣行向量進(jìn)行幾何平均和歸一化, 計算得到各判斷矩陣中對應(yīng)每一行指標(biāo)的權(quán)重,然后對各個判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗, 其各因素判斷矩陣的一致性指標(biāo)分別為 0.020、0.024、0.018、0.027、0.013, 其相應(yīng)的一致性比率分別為 0.017、0.020、0.015、0.021、0.009, 其數(shù)值均小于 0.1, 表明各判斷矩陣均具有較好的一致性, 進(jìn)而確定了該地區(qū)的一級指標(biāo)和二級指標(biāo)的相對權(quán)重(表2—6)。

利用 ArcGIS 10.2的柵格計算器, 基于表 2—6中青藏高原高寒生態(tài)區(qū)脆弱性評價體系中指標(biāo)權(quán)重值, 利用綜合指數(shù)法計算生態(tài)脆弱性指數(shù)(不包括土壤), 根據(jù)該指數(shù)的數(shù)據(jù)直方圖分布和標(biāo)準(zhǔn)差結(jié)合ArcGIS10.2的 Natural Breaks 工具, 確定該指數(shù)分級閾值(表 7), 得到生態(tài)脆弱性指數(shù)(不包括土壤)的分級結(jié)果, 然后結(jié)合土壤脆弱性指數(shù)分級結(jié)果(由于土壤脆弱性計算中水力侵蝕、鹽漬化、凍融侵蝕計算指標(biāo)的重復(fù)性較大, 為了避免指標(biāo)的重復(fù)計算導(dǎo)致的其影響因子權(quán)重被擴(kuò)大, 本研究對土壤指數(shù)的二級指標(biāo)水力侵蝕、鹽漬化、凍融侵蝕的分級結(jié)果求最大值進(jìn)而直接獲取土壤脆弱性分級結(jié)果), 進(jìn)而利用柵格計算器計算獲取了青藏高原高寒生態(tài)區(qū)生態(tài)弱性值(EVI), 最后基于表格 8中的分級標(biāo)準(zhǔn), 對青藏高原高寒生態(tài)區(qū)的四期脆弱性值進(jìn)行了分級。

通過對圖3分析發(fā)現(xiàn), 青藏高原高寒生態(tài)區(qū)總體上處于中度脆弱狀態(tài)： 其中極度脆弱區(qū)和重度脆弱區(qū)主要分布于噶爾縣中北部、那曲縣大部、格爾木縣、治多縣北部; 中度脆弱區(qū)則主要分布于治多縣的南部、瑪沁縣、雅魯藏布江流域的上游; 而輕度和微度脆弱區(qū)則主要集中于青藏高原東南部。其中雅魯藏布江河谷地帶區(qū)居民多從事農(nóng)牧業(yè), 對植被破壞較為嚴(yán)重, 加之坡度較大, 土壤流失嚴(yán)重,滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害嚴(yán)重, 因此該地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)脆弱性較大。

表2 一級指標(biāo)權(quán)重Tab.2 Index weight of first level

表3 二級指標(biāo)權(quán)重(水體)Tab. 3 Index weight of second level(water)

表4 二級指標(biāo)權(quán)重(植被)Tab.4 Index weight of second level (vegetation)

表5 二級指標(biāo)權(quán)重(氣候)Tab.5 Index weight of second level(climate)

表6 二級指標(biāo)權(quán)重(人文)Tab.6 Index weight of second level(humanity)

表7 一級指標(biāo)脆弱性分區(qū)閾值Tab.7 Thresholds of first level index

表8 生態(tài)脆弱性分級Tab.8 Classification of ecological vulnerability

本研究通過對不同級別的脆弱性面積及面積百分比進(jìn)行統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)(表 9)： 近十三年中, 輕度脆弱區(qū)面積最大, 面積百分比分別為 45.62%(2000年)、41.84%(2005年)、41.92%(2010年)和37.45(2013);其次為重度脆弱區(qū), 所占面積百分比分別為17.30%(2000年)、18.44%(2005年)、17.05%(2010年)和15.81(2013年), 呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢; 微度脆弱區(qū)和中度脆弱區(qū)面積在近十三年中均呈現(xiàn)先減小后增加的態(tài)勢, 2013年面積百分比相比2000年分別增加4.07%和6.95%。極度脆弱區(qū)面積則在2000—2005年期間增加 12.09(104) km2, 而在 2005—2010年和2010—2013年面積有一定程度的減小, 分別為7.03(104) km2和7.87(104) km2?？傮w上, 2000—2005年青藏高原高寒生態(tài)區(qū)的生態(tài)脆弱性狀況加劇,而在2005—2010年和2010—2013年生態(tài)系統(tǒng)狀況則表現(xiàn)為一定程度的改善。青藏高原高寒生態(tài)區(qū)2000、2005、2010和 2013年的平均生態(tài)系統(tǒng)脆弱性值分別為3.80、3.93 、3.82和3.81, 因此近十三年該地區(qū)總體的生態(tài)系統(tǒng)脆弱性表現(xiàn)為先增加后減小的趨勢。

圖3 青藏高原高寒生態(tài)區(qū)2000-2013年生態(tài)脆弱性 (a)2000年; (b)2005年; (c)2010年; (d)2013年Fig.3 Ecological vulnerability of alpine ecological fragile region in Qinghai-Tibet Plateau in 2000, 2005, 2010, and 2013

表9 青藏高原高寒生態(tài)區(qū)近十三年不同等級脆弱性面積對比Tab. 9 Area comparisons of different grades of ecosystem vulnerability

4 討論

4.1 自然因素對生態(tài)脆弱性變化的影響

(1)海拔

青藏高原高寒生態(tài)區(qū)的海拔高度落差大(93—8805 m), 平均海拔4000 m以上, 其生態(tài)環(huán)境具有顯著的垂直地帶性分布, 海拔每升高100 m, 氣溫則降低 0.8—0.9℃。本研究分析了海拔因子對近十三年平均生態(tài)系統(tǒng)脆弱性分布格局及變化強(qiáng)度的影響。

圖4(a)顯示青藏高原高寒生態(tài)區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)脆弱性平均值隨著海拔的升高增大, 達(dá)到5100 m之后脆弱性值增加幅度減小, 原因在于隨著海拔的升高,氣溫降低, 降水減小, 氣候類型由熱帶-山地?zé)釒?山地亞熱帶-山地寒溫帶-高山寒帶-高山寒冬風(fēng)化帶-高山冰雪帶, 植被覆蓋類型則依次由山地森林-灌叢草原-山地草原-高寒草甸-高寒草原-高寒荒漠草原-高寒荒漠, 植被覆蓋度依次降低, 生物多樣性減小,生態(tài)環(huán)境逐漸惡化, 加上海拔較高的羌塘高原地區(qū)多冰雹、暴雪、大風(fēng)、凍融侵蝕嚴(yán)重, 因此生態(tài)系統(tǒng)脆弱性隨著海拔的升高變大; 而從生態(tài)系統(tǒng)脆弱性值的標(biāo)準(zhǔn)差分析, 脆弱性值標(biāo)準(zhǔn)差先隨著海拔的升高而增大, 在3000 m左右達(dá)到最大值, 之后則隨著海拔的增加而減小, 原因是東南部多為低海拔地區(qū), 受印度洋、孟加拉灣、太平洋暖濕氣流的影響,降水豐富, 植被茂盛, 植被類型多為熱帶、亞熱帶山地森林等, 人類活動干擾較小, 總體生態(tài)系統(tǒng)狀況較好, 因此內(nèi)部差異性較小。而高海拔地區(qū)則主要分布于西部和北部, 氣溫低, 降水少, 地表覆被類型單一, 多高寒草原、高寒荒漠草原、高寒荒漠, 加上該地區(qū)凍融侵蝕、鹽漬化、冰雹、暴雪等自然災(zāi)害嚴(yán)重, 生態(tài)系統(tǒng)脆弱性普遍較低, 內(nèi)部差異不明顯。在3000 m左右的海拔帶, 為山地森林-高山灌叢-草原的過渡地帶, 植被覆蓋類型多樣, 降水較多, 加上該地區(qū)地形起伏較大, 水力侵蝕嚴(yán)重, 人口密集,人類活動干擾強(qiáng)度較大, 因此區(qū)內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)脆弱性差異顯著。圖4(b)顯示了青藏高原高寒生態(tài)區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)脆弱性變化強(qiáng)度與海拔的相關(guān)性, 結(jié)果表明：以2000 m、4300 m為分界點, 生態(tài)系統(tǒng)脆弱性變化強(qiáng)度的正負(fù)值交替變換, 即海拔＜2000 m時, 生態(tài)系統(tǒng)脆弱性變化強(qiáng)度約等于0, 說明該海拔帶上生態(tài)系統(tǒng)脆弱性相對穩(wěn)定, 與該地區(qū)的氣候類型、植被覆蓋類型、低人口密度等因素相關(guān); 2000 m＜海拔＜4300 m時, 生態(tài)系統(tǒng)脆弱性變化強(qiáng)度為負(fù)值, 說明該海拔帶上的生態(tài)系統(tǒng)脆弱性呈減小趨勢, 這主要受氣候、地形、植被、人類活動影響較大; 海拔＞4300 m時, 生態(tài)系統(tǒng)脆弱性變化強(qiáng)度為正值, 說明該海拔帶上的生態(tài)系統(tǒng)脆弱性呈增加趨勢, 與該地帶的低氣溫、低降水、植被覆蓋類型、凍融侵蝕等相關(guān)。生態(tài)系統(tǒng)脆弱性變化強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)差在2700 m左右的海拔帶上達(dá)到最大值, 說明該地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)脆弱性變化強(qiáng)度空間分布格局復(fù)雜多樣, 主要受地形地貌、降水、水力侵蝕、滑坡、泥石流等因素的影響。

圖4 海拔對近十三年平均脆弱性及脆弱性變化強(qiáng)度的影響Fig.4 Relations between altitude and average vulnerability and change intensity

(2)氣溫

為了更深入的分析探討氣溫變化強(qiáng)度對生態(tài)系統(tǒng)脆弱性變化的影響, 本節(jié)基于氣象站點數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析了氣溫氣候傾向率與生態(tài)系統(tǒng)脆弱性及其變化強(qiáng)度的相關(guān)性。圖5(a)表明： 青藏高原高寒生態(tài)區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)脆弱性隨著氣溫氣候傾向率的增加而增大, 其中主要原因是20世紀(jì)80年代尤其是近十三年來氣溫增加顯著, 增加速率相比 20世紀(jì)60年代—80年代有一定程度的增大。氣溫的快速增加一方面加大了地區(qū)水分蒸發(fā)量, 加上降水和氣溫時空分布差異明顯, 造成半干旱、干旱區(qū)的旱災(zāi)、沙漠化、鹽漬化加重, 另一方面加劇了高寒凍土區(qū)的凍融進(jìn)程, 凍融侵蝕加重。圖5(b)顯示了生態(tài)系統(tǒng)脆弱性變化強(qiáng)度與氣溫氣候傾向率的相關(guān)性, 結(jié)果發(fā)現(xiàn)： 當(dāng)氣溫氣候傾向率＜0.24 ℃·10a-1,生態(tài)系統(tǒng)脆弱性為減小趨勢, 但是減小的強(qiáng)度逐漸降低, 說明在該區(qū)間氣溫的增加對生態(tài)系統(tǒng)狀況的改善產(chǎn)生積極的影響, 其原因在于氣溫的增加對植被的光合作用和生長期生長產(chǎn)生影響; 當(dāng) 0.24℃·10a-1＜?xì)鉁貧夂騼A向率＜0.52 ℃·10a-1時, 生態(tài)系統(tǒng)脆弱性變化強(qiáng)度為正值并且呈現(xiàn)增加趨勢, 說明氣溫的增加是該地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)脆弱性加速增大主要誘因, 該階段氣溫的增加通過蒸散比、土壤濕度、干燥度、沙漠化、凍融侵蝕等因素對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響; 當(dāng)0.52 ℃·10a-1＜?xì)鉁貧夂騼A向率＜0.73℃·10a-1時, 生態(tài)系統(tǒng)脆弱性變化強(qiáng)度為正值但是呈現(xiàn)增加減小, 說明生態(tài)系統(tǒng)脆弱性隨著氣溫增加速度的增大加劇的幅度減小, 該現(xiàn)象與地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)自身本底狀況相關(guān); 氣溫氣候傾向率＞0.73℃·10a-1時, 生態(tài)系統(tǒng)脆弱性變化強(qiáng)度為負(fù)值, 說明生態(tài)系統(tǒng)脆弱性隨著氣溫增加速度的增大而減小, 主要原因在于氣溫的上升改變了植被在垂直空間上的分布, 從而使不適宜植被生長的部分高海拔地區(qū)的氣候發(fā)生改變, 進(jìn)而改善生態(tài)環(huán)境狀況。

圖5 年均氣溫氣候傾向率與近十三年平均脆弱性值和脆弱性變化強(qiáng)度的相關(guān)性Fig.5 Relations between temperature climate tendency rate and the average vulnerability and change intensity

(3)降水

本節(jié)基于氣象站點統(tǒng)計和分析了降水氣候傾向率與生態(tài)系統(tǒng)脆弱性及其變化強(qiáng)度的相關(guān)性。圖6(a)分析了青藏高原高寒生態(tài)區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)脆弱性多年平均值與降水氣候傾向率的相關(guān)性, 結(jié)果表明： 青藏高原高寒生態(tài)區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)脆弱性多年平均值隨著降水氣候傾向率的增加而增大, 其主要原因有兩個,其一是青藏高原當(dāng)前處于暖濕化狀態(tài), 而氣溫升高速率尤為顯著, 并且該地區(qū)降水、氣溫增加的空間分布差異性很大, 因而造成多數(shù)地區(qū)的蒸散比增大,土壤濕度降低, 不利于植被生長, 其二是高寒地區(qū)多冰雹、暴雪, 對于區(qū)域生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生一定程度的破壞, 加上快速增加的降水, 加劇了高寒凍土區(qū)的凍融侵蝕, 而東南部低海拔地區(qū), 由于地勢起伏較大, 降水多, 且多集中于 5—9月份, 滑坡、泥石流等次生災(zāi)害頻發(fā), 因此降水的增加在一定程度上加劇了該地區(qū)的水土流失量。圖6(b)顯示了生態(tài)系統(tǒng)脆弱性變化強(qiáng)度與降水氣候傾向率的相關(guān)性, 結(jié)果發(fā)現(xiàn)： 當(dāng)降水氣候傾向率＜18 mm·10a-1, 生態(tài)系統(tǒng)脆弱性變化強(qiáng)度為負(fù)值并且強(qiáng)度減小, 說明生態(tài)系統(tǒng)脆弱性呈現(xiàn)減小趨勢; 當(dāng)18 mm·10a-1＜降水氣候傾向率＜52 mm·10a-1時, 生態(tài)系統(tǒng)脆弱性變化強(qiáng)度為正值且強(qiáng)度增加, 說明生態(tài)系統(tǒng)脆弱性呈現(xiàn)增加趨勢; 當(dāng)52 mm·10a-1＜降水氣候傾向率時, 生態(tài)系統(tǒng)脆弱性變化強(qiáng)度為正值但強(qiáng)度減小, 說明生態(tài)系統(tǒng)脆弱性增加趨勢加劇。青藏高原高寒生態(tài)區(qū)的降水氣候傾向率與生態(tài)系統(tǒng)脆弱性變化強(qiáng)度的相關(guān)性格局, 主要原因是總體上降水的增加對生態(tài)環(huán)境的改善產(chǎn)生積極的影響, 如土壤濕度、植被蓋度、地表水資源, 但是當(dāng)降水增加速度過快時, 由于青藏高原高寒生態(tài)區(qū)的降水集中, 多冰雹、暴雪, 對植被、土壤質(zhì)地都產(chǎn)生破壞, 容易引發(fā)滑坡、泥石流等自然災(zāi)害, 進(jìn)一步加劇凍融侵蝕和水力侵蝕, 因此降水增加速度過大對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生一定的破壞作用。

圖6 年降水氣候傾向率與近十三年平均脆弱性值和脆弱性變化強(qiáng)度的相關(guān)性Fig.6 Relations between precipitation climate tendency rate and the average vulnerability and change intensity

4.2 人為因素(人口密度)對生態(tài)脆弱性變化的影響

人口密度作為社會經(jīng)濟(jì)指標(biāo)之一, 對青藏高原高寒生態(tài)區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)脆弱性產(chǎn)生較大的影響, 本小節(jié)以縣級行政區(qū)為統(tǒng)計基本單元統(tǒng)計和分析了兩者之間的相關(guān)性, 結(jié)果(圖7)發(fā)現(xiàn)： 近十三年青藏高原高寒生態(tài)區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)脆弱性平均值與人口密度(人·km-2)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·km-2)＜75 和人口密度(人·km-2)＞75。在人口密度(人·km-2)＜75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·km-2)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, 因此人口密集, 人口密度(人·km-2)表現(xiàn)為隨著生態(tài)系統(tǒng)脆弱性的減小而增加, 并且曲線 a還表明在青藏高原高寒生態(tài)區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)脆弱性較大的地區(qū)人口承載能力為 20人·km-2, 超過該閾值, 脆弱性隨之增加; 曲線 b則反映了生態(tài)系統(tǒng)脆弱性值隨著人口密度(人·km-2)的增加而增大, 說明了在生態(tài)環(huán)境較好的地區(qū), 人口數(shù)量的過度增加, 會對區(qū)域生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生壓力, 進(jìn)一步對區(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。在 20＜人口密度(人·km-2)＜75 階段, 脆弱性基本保持平穩(wěn), 在人口密度(人·km-2)＞75階段, 脆弱性值隨著人口密度(人·km-2)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, 曲線 b則表明在青藏高原高寒生態(tài)區(qū)生態(tài)環(huán)境較好的地區(qū)的人口承載力為60—80 人·km-2。

5 結(jié)論

本研究在充分考慮青藏高原高寒生態(tài)區(qū)特殊的自然生態(tài)環(huán)境背景特征(凍融侵蝕、鹽漬化、水力侵蝕劇烈, 海拔高, 氣候寒冷)的基礎(chǔ)上, 引入極端氣候事件因子和人類活動干擾因子構(gòu)建了青藏高原高寒生態(tài)區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)脆弱性評價體系, 進(jìn)而對研究區(qū)近 13年的生態(tài)系統(tǒng)脆弱性時空變化格局及其驅(qū)動機(jī)制進(jìn)行了分析和探討。

圖7 近十三年平均人口密度與平均脆弱性值的相關(guān)性Fig.7 Relations between population density and the average vulnerability

（1）青藏高原高寒生態(tài)區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)脆弱性總體上屬于中度脆弱狀態(tài), 其空間分布格局自東南向西北呈現(xiàn)遞增趨勢。

（2）2000—2013年, 青藏高原高寒生態(tài)區(qū)總體的生態(tài)系統(tǒng)脆弱性表現(xiàn)為先增加后減小的趨勢, 具體表現(xiàn)為： 2000—2005年青藏高原高寒生態(tài)區(qū)的生態(tài)脆弱性狀況加劇, 而2005—2010年和2010—2013年生態(tài)系統(tǒng)狀況則表現(xiàn)為一定程度的改善。

（3）生態(tài)系統(tǒng)脆弱性時空變化分異格局與地形、氣候(氣溫、降水等)、人口密度存在顯著地相關(guān)性。

由于受研究區(qū)特殊的地理區(qū)位限制, 部分評價指標(biāo)的反演精度有待進(jìn)一步提高。此外, 青藏高原高寒生態(tài)區(qū)的脆弱性時空變化驅(qū)動機(jī)制分析中需要充分考慮自然和人類活動因子的交互影響。以上不足之處將在后續(xù)的研究中進(jìn)行深入的探討。

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