豆明偉, 唐莉華,*, 徐翔宇, 楊大文

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安徽省生態(tài)彈性力時空變化及影響因素研究

豆明偉1, 唐莉華1,*, 徐翔宇2, 楊大文1

1. 清華大學(xué)水利水電工程系, 北京 100084 2. 水利部水利規(guī)劃設(shè)計總院, 北京 100120

社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展帶來的環(huán)境問題使人們?nèi)找嬷匾暽鷳B(tài)環(huán)境保護(hù)與修復(fù)?；谏鷳B(tài)彈性力的概念, 從生境、水文及氣候等3個方面構(gòu)建了生態(tài)彈性力評價指標(biāo)體系, 并運用層次分析法(AHP)得到各個指標(biāo)在生態(tài)彈性力評價中的權(quán)重。以安徽省為例, 對生態(tài)彈性力的時空變化及影響因素進(jìn)行了分析和評價。結(jié)果表明, 在1995—2014年間,安徽省生態(tài)彈性力呈現(xiàn)下降趨勢, 主要是受土地利用變化如耕地和林地減少、建設(shè)用地增加的影響, 同時地下水資源量的減少對生態(tài)彈性力下降有很大作用。從空間分布來看, 安徽省生態(tài)彈性力由南向北呈現(xiàn)遞減規(guī)律, 空間上的差異主要受水資源量和土地利用類型的影響。該研究結(jié)果可為安徽省生態(tài)彈性力的治理與保護(hù)提供科學(xué)參考。

生態(tài)彈性力; 層次分析法; 指標(biāo)體系; 安徽省

1 前言

工業(yè)革命以來, 全球生態(tài)環(huán)境遭到破壞, 20世紀(jì)50年代后, 破壞更為嚴(yán)重[1]。我國近年來的生產(chǎn)力取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展, 城市化進(jìn)程不斷推進(jìn), 由此引發(fā)的資源、生態(tài)、環(huán)境等一系列問題[2], 從本質(zhì)上改變了生態(tài)系統(tǒng)的功能和過程[3]。生態(tài)環(huán)境的惡化促使人們對生態(tài)環(huán)境的關(guān)注與研究, 其中, 生態(tài)彈性力的研究具有基礎(chǔ)性意義[2]。

生態(tài)彈性力是目前生態(tài)學(xué)研究的熱點之一?；袅諿4]最早將“彈性力”一詞引入生態(tài)學(xué)研究當(dāng)中, 將生態(tài)彈性力定義為生態(tài)系統(tǒng)承受外界干擾以保持原狀的能力, 并將其與系統(tǒng)受到破壞恢復(fù)到原狀的“穩(wěn)定性”能力區(qū)分開[5]。后來, Westman[6]、高吉喜[7]等學(xué)者傾向于認(rèn)為生態(tài)彈性力表示生態(tài)系統(tǒng)抵御外界干擾的能力和恢復(fù)原狀的能力。目前普遍認(rèn)為, 生態(tài)系統(tǒng)彈性力包括彈性強(qiáng)度和彈性限度兩個方面[8–9]。生態(tài)系統(tǒng)的彈性力用彈簧來類比: 彈簧的彈性強(qiáng)度取決于彈簧的材質(zhì), 生態(tài)系統(tǒng)的彈性強(qiáng)度取決于氣候、水文、植被等因素[10]; 彈簧的彈性限度表示彈簧可伸縮程度的大小, 生態(tài)系統(tǒng)的彈性限度表示生態(tài)系統(tǒng)的緩沖與調(diào)節(jié)能力大小[7,11], 后者取決于地物覆蓋類型多樣性以及等級狀況等[10]。對生態(tài)彈性力的研究方法多樣, 國外Guillermo等[14]人用水分利用效率來表征生態(tài)彈性力, Stephen等[15]用全局靈敏性和不確定性分析來評估生態(tài)彈性力, 國內(nèi)王云霞等[11]運用主成分分析法和指標(biāo)體系法評價北京地區(qū)的生態(tài)彈性力, 張星標(biāo)等[16]運用層析分析法以及模糊數(shù)學(xué)方法對江西省生態(tài)彈性力進(jìn)行評價?？傮w來看, 人們多將生態(tài)彈性力研究作為生態(tài)承載力研究的一部分, 多注重人類活動的影響, 對自然系統(tǒng)的彈性恢復(fù)力研究較少。

安徽省是一個自然資源種類豐富的省份, 但近些年也存在水土流失、生態(tài)破壞、環(huán)境污染、水資源安全等一系列問題[12–13]。在“中部崛起”戰(zhàn)略以及依托“長三角”轉(zhuǎn)移產(chǎn)業(yè)的政策背景下, 安徽省將面臨更多的資源與環(huán)境問題[21],生態(tài)安全受到嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。本文通過構(gòu)建生態(tài)彈性力評價指標(biāo)體系, 對安徽省1995—2014年間的生態(tài)彈性力變化以及生態(tài)彈性力空間分布規(guī)律進(jìn)行了分析, 為安徽省生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)參考。

2 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來源

2.1 研究區(qū)概況

安徽省位于長江下游和淮河下游中部平原地區(qū), 南部的黃山地區(qū)是新安江的發(fā)源地, 介于北緯29°41′—34°38′, 東經(jīng)114°54′—119°37′之間, 東西寬約450 km, 南北長約570 km, 總面積約14萬km2, 平均海拔119.3 m。安徽省地形地貌齊全, 包括平原、臺地、丘陵、山地等, 全省被劃分成淮河平原區(qū)、江淮臺地丘陵區(qū)、皖西丘陵山地區(qū)、沿江平原區(qū)、皖南丘陵山地等5個地貌區(qū)。安徽省是個農(nóng)業(yè)大省, 耕地面積占總面積的比例超過50%, 林地和草地約占30%, 生態(tài)環(huán)境總體較好。地/市級行政單元包括合肥、黃山、馬鞍山等共16個(圖1)。

安徽省常年水資源量716億m3, 多年平均降雨量1173 mm, 屬于亞熱帶與暖溫帶過渡區(qū), 具有明顯的過渡性氣候特征, 全省降雨等值線見圖2。受季風(fēng)氣候影響, 天氣多變, 降雨年際變化大。全省四季分明, 年平均氣溫在14 ℃到17 ℃之間。

2.2 數(shù)據(jù)來源

本研究所用到的數(shù)據(jù)包括1995年、2000年、2005年及2010年共4期的土地利用數(shù)據(jù), 分辨率為1 km×1 km, 數(shù)據(jù)來自地理國情監(jiān)測云平臺; 水文數(shù)據(jù)來自《中國水資源公報》和《安徽省水資源公報》; 氣象數(shù)據(jù)來自《中國地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集(V3.0)》, 該數(shù)據(jù)集代碼是SURF_CLI_CHN_ MUL_DAY, 包含了中國824個基準(zhǔn)、基本氣象站1951年1月以來本站氣壓、氣溫、降水量、蒸發(fā)量、相對濕度、風(fēng)向風(fēng)速、日照時數(shù)和0 cm地溫要素的日值數(shù)據(jù)。

圖1 安徽省水系及行政分區(qū)圖

圖2 安徽省多年平均降雨量分布

3 研究方法

本文選用指標(biāo)體系法和層次分析法進(jìn)行生態(tài)彈性力的評價研究。指標(biāo)體系法是一種通過建立一系列指標(biāo), 并對其進(jìn)行評價以描述系統(tǒng)狀態(tài)的方法。指標(biāo)的構(gòu)建需要考慮系統(tǒng)性、代表性、區(qū)域差異性、可獲取性、實用性、動態(tài)性、可比性等。

在前人研究成果的基礎(chǔ)上[2,7,17], 考慮到前述指標(biāo)選取的原則, 本文從生境、水文、氣候三個方面選取指標(biāo)來對生態(tài)彈性力進(jìn)行評價, 這三類要素是生態(tài)彈性力的決定性因素[2,10]。

生境要素: 生境要素用來評價一個地區(qū)的棲息地質(zhì)量的適宜性, 對生物的生存具有重要意義, 主要用土地利用類型來表示。根據(jù)環(huán)境保護(hù)部發(fā)布的《生態(tài)環(huán)境狀況評價技術(shù)規(guī)范(HJ192—2015)》, 生境質(zhì)量指數(shù)可以采用以下公式評價:

=A×(0.35×1+0.21×2+0.28×3+0.11×4+0.04×5+0.01×6) (1)

式中:生境質(zhì)量指數(shù);A生物豐度指數(shù)的歸一化系數(shù), 參考值為5.1126;A林地面積比例;A草地面積比例;A水域濕地面積比例;A耕地面積比例;A建設(shè)用地面積比例(建設(shè)用地包括城鄉(xiāng)、工礦、居民用地);A未利用地面積比例。

水文要素: 水文條件是一個地區(qū)動植物生存、社會發(fā)展運行的關(guān)鍵要素。水文條件越好, 越有利于生物的生長生存, 生態(tài)系統(tǒng)就越穩(wěn)定。選取地表水資源模數(shù)和地下水資源模數(shù)兩個指標(biāo)來反映水文要素。地表水資源模數(shù)和地下水資源模數(shù)的評分參照全國各個省份地表水資源模數(shù)和地下水資源模數(shù)的大小計算。在實際操作中, 統(tǒng)計全國各個省份2004—2014年十年間的地表水資源模數(shù)平均值和地下水資源模數(shù)平均值, 去除極端異常值, 選取最大值倒數(shù)作為歸一化系數(shù)。得到地表水資源模數(shù)的歸一化系數(shù)為1/1079.74, 地下水資源模數(shù)的歸一化系數(shù)為1/256.55。

氣候要素: 氣候條件是動植物生存的重要因素之一, 是人類社會生產(chǎn)生活的重要資源。這里選取≥10℃積溫、降雨量、日照時長三個指標(biāo)對氣候要素進(jìn)行評價。氣候條件越適宜, 生態(tài)彈性力越大。類似于水文要素中各個指標(biāo)的評分, 通過統(tǒng)計全國各個省份2004—2014年十年間的降雨量平均值, 得到降雨量的歸一化系數(shù)為1/1952.85, 通過查閱文獻(xiàn)[22–23], 得到≥10℃積溫、日照時長的歸一化系數(shù)分別為1/9000、1/3400.

綜上, 本文構(gòu)建的生態(tài)彈性力評價指標(biāo)體系如表1。

表1 生態(tài)彈性力指標(biāo)體系

指標(biāo)體系構(gòu)建完成后, 對各個因素的重要性進(jìn)行比較, 并應(yīng)用層次分析法進(jìn)行指標(biāo)權(quán)重計算。水文對于一個地區(qū)生態(tài)彈性力評價具有基礎(chǔ)性意義, 其相對于氣候處于略重要與同等重要之間, 在比較矩陣中取值為2, 生境與水文具有同等重要性, 在比較矩陣中的取值為1。在水文方面, 地表水和地下水同等重要; 在氣候方面, 降雨相比于積溫和日照時長略重要。最終得到各個指標(biāo)層及準(zhǔn)則層在整個評價體系中的權(quán)重見表2。

在本研究中, 將六個指標(biāo)的量乘以上文提到的歸一化系數(shù), 得到各個指標(biāo)的評分。在各行政區(qū)之間的分析比較時, 取安徽省整體作為標(biāo)準(zhǔn), 將全省的整體水平調(diào)整為1, 各個區(qū)域按比例調(diào)整。

將各個指標(biāo)的評分加權(quán)平均, 得到生態(tài)彈性力, 評價公式如下:

式中,為生態(tài)彈性力的綜合評價,W為第個指標(biāo)的權(quán)重,為指標(biāo)數(shù)量,F為第個指標(biāo)的評分值。

3 結(jié)果與分析

3.1 生態(tài)彈性力的變化規(guī)律

考慮到土地利用數(shù)據(jù)每五年一期, 將1995年到2014年劃分為四個時期, 分別為1995—1999年, 2000—2004年, 2005—2009年, 2010—2014年。由評價結(jié)果可以看出, 安徽省生態(tài)彈性力總體較高, 但在近20年間評分依次為0.8205、0.8010、0.7968、0.7926, 呈現(xiàn)持續(xù)下降趨勢(圖3)。生態(tài)彈性力對應(yīng)的指標(biāo)比如土地利用等, 隨時間變化非常緩慢, 這也使得生態(tài)彈性力變化緩慢。這里出現(xiàn)持續(xù)性的下降, 幅度對于生態(tài)彈性力而言較為顯著。

表2 層次總排序結(jié)果

圖3 1995—2014年各個時期安徽省生態(tài)彈性力變化

圖3中, 生境要素、水文要素、氣候要素的所對應(yīng)的值均為其評分乘以其在生態(tài)彈性力評價中所占的權(quán)重。這里乘以權(quán)重的做法使得各個要素隨時間變化的絕對量減小, 但仍可以看出: 1995—2014年, 生境要素以及水文要素評分呈現(xiàn)持續(xù)下降趨勢,氣候要素評分先下降后上升。由表2可知, 生境要素、水文要素、氣候要素在生態(tài)彈性力評價中的權(quán)重分別是0.4、0.4、0.2, 可知生境要素、水文要素是影響生態(tài)彈性力的主要因素。考慮到這兩個主要因素的持續(xù)下降, 下面進(jìn)一步分析生境要素和水文要素的變化。

3.1.1 生境要素的變化

生境要素的下降, 主要受土地利用變化的影響。由圖4可以看出, 全省的耕地和林地呈現(xiàn)減少趨勢, 平均每5年的減少速率分別為448.1 km2、56.5 km2, 而建設(shè)用地、水域濕地、草地及未利用地呈現(xiàn)增加趨勢, 根據(jù)趨勢線, 平均每5年分別增加465.2 km2、26.9 km2、6.3 km2、0.9 km2。結(jié)合生境質(zhì)量計算時賦予不同土地利用類型的權(quán)重可知, 耕地和林地的減少以及建設(shè)用地的增加是生境要素評價降低的主要原因。這反映了人類經(jīng)濟(jì)社會活動對生態(tài)環(huán)境的不利影響。

3.1.2 水文要素的變化

水文要素的評價包括地表水資源模數(shù)和地下水資源模數(shù)兩個指標(biāo)。由圖5可以看出, 地表水資源模數(shù)先下降后逐漸上升, 地下水資源模數(shù)先上升后逐漸下降, 水資源總量模數(shù)(地表水資源模數(shù)+地下水資源模數(shù))在前3個時期逐漸下降, 最后一個時期上升。水資源總量模數(shù)變化與降雨量的變化趨勢基本一致, 這與“降雨是地區(qū)水資源的主要來源”相符合[18]。地表水資源模數(shù)在第一個時期到第二個時期下降, 之后逐漸上升, 地下水資源模數(shù)在第一個時期到第二個時期上升, 之后逐漸下降。水文要素的評價(圖3)在四個時期都是下降的, 這是因為水文要素的評價中, 地表水資源模數(shù)與地下水資源模數(shù)權(quán)重相同, 第一個時期到第二個時期, 地表水資源模數(shù)的減小比例大于地下水資源模數(shù)的增加比例, 地表水資源模數(shù)的減少占主導(dǎo)趨勢; 第二個時期到第四個時期, 地表水資源模數(shù)的增加幅度小于地下水資源模數(shù)的減少幅度, 地下水資源模數(shù)的減少占主導(dǎo)趨勢。

注: a 耕地; b 林地; c 建設(shè)用地; d 水域濕地; e 草地; f 未利用地。

由圖5還可以發(fā)現(xiàn), 在第二個時期到第四個時期(2000—2014年), 降雨量與地表水資源模數(shù)是增加的, 地下水資源模數(shù)卻呈現(xiàn)減少趨勢。這是因為地下水資源除受到降雨量影響外, 還受到包氣帶厚度、持水條件等多種因素的影響?？梢酝茰y安徽省地下水資源模數(shù)的下降與兩個方面因素有關(guān), 一是地下水埋深的加深增大了包氣帶厚度, 二是土地利用方式的變化。根據(jù)胡巍巍等(2009)的研究, 人類對地下水開采的增加使得安徽淮北平原地區(qū)1990到2006年地下水的埋深有明顯加深趨勢[20], 另外, 根據(jù)《安徽省水資源公報》提供數(shù)據(jù), 2006—2013年, 安徽省地下水供水量持續(xù)增加, 淮北地區(qū)地下水位累計下降1.37 m。可見, 安徽省地下水位埋深呈現(xiàn)增大趨勢, 從而使得降雨對地下水的補給減小。同時, 建設(shè)用地的增加, 林地、耕地的減少, 增大了不透水地面面積, 也影響了降雨對地下水的補給。

圖5 水資源量與降雨量的變化

3.2 生態(tài)彈性力的空間分布

為了分析全省生態(tài)彈性力的空間分布規(guī)律, 以2014年的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ), 采用前文相同的方法對11個行政分區(qū)的生態(tài)彈性力進(jìn)行了計算, 結(jié)果如圖6所示?？梢钥闯? 安徽省生態(tài)彈性力由南到北呈現(xiàn)逐漸降低趨勢。就各準(zhǔn)則層而言, 生境要素、水文要素均由南向北均呈現(xiàn)下降趨勢, 氣候要素由南向北有一定程度下降, 但下降不明顯。進(jìn)一步分析可以看出, 從南到北的變化規(guī)律與降雨的自然分布以及土地利用方式有一定關(guān)系。南部黃山市有中國著名的黃山風(fēng)景區(qū), 降雨豐沛(多年平均降雨量1827.59 mm), 植被豐富(林地占比85%), 其生態(tài)彈性力居全省首位。實際上, 安徽省的旅游景區(qū)主要集中在黃山、安慶、六安等地[19–20]。良好的生態(tài)系統(tǒng)使得這些地區(qū)的旅游資源豐富, 而重視旅游產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也使得人類活動對生態(tài)的破壞較小。良好的生態(tài)與良好的保護(hù)相互促進(jìn), 保障了這些地區(qū)的高生態(tài)彈性力。與之相對的是位于北部的宿州、淮北等地, 這些地區(qū)降水較少, 土地利用多為耕地和建設(shè)用地。

圖6 2014年各個地區(qū)評價

4 結(jié)論

本文對安徽省1995—2014年的生態(tài)彈性力進(jìn)行了評價和分析, 同時分析了全省各地市2014年的生態(tài)彈性力水平。結(jié)果表明, 1995—2014年安徽省生態(tài)彈性力在波動中呈現(xiàn)下降趨勢, 生態(tài)彈性力指數(shù)由1995—1999年的0.8205下降到2010—2014年的0.7926。土地利用是影響生態(tài)彈性力的主要因素, 而水資源量的減少是引起安徽省生態(tài)彈性力下降的主要原因; 在空間上, 安徽省從南到北生態(tài)彈性力逐漸降低, 主要受土地利用方式和水資源條件的影響。

基于生態(tài)彈性力評價結(jié)果的分析, 為改善安徽省生態(tài)彈性力下降趨勢, 保護(hù)全省良好的生態(tài)環(huán)境, 對今后的經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展規(guī)劃提出如下建議:

(1) 合理規(guī)劃土地開發(fā), 因地制宜發(fā)展, 構(gòu)建生態(tài)文明。在現(xiàn)代化建設(shè)過程中, 注意制定自然生態(tài)空間用途管理辦法, 禁止對土地用途的任意改變, 守護(hù)生態(tài)紅線。同時, 要加強(qiáng)開展土地資源的監(jiān)測, 動態(tài)掌握土地資源的變化情況。如對于黃山等風(fēng)景區(qū), 積極創(chuàng)建國家級風(fēng)景區(qū), 保護(hù)珍稀動植物資源。

(2) 控制對地下水資源的開采。地下水資源的大量開采將造成地下水水位的下降, 進(jìn)而影響降雨對地下水資源的補充。為避免地下水資源的減少, 對地下水的開采要適度, 逐步封閉未經(jīng)批準(zhǔn)的開采井, 并且對于超采區(qū)要進(jìn)行恢復(fù)性治理。

(3) 不同地區(qū)因地制宜, 保護(hù)和提高生態(tài)彈性力。安徽省不同地區(qū)自然條件和開發(fā)程度不同, 其生態(tài)彈性力也不同。需要根據(jù)各個地區(qū)不同的情況進(jìn)行生態(tài)彈性力的保護(hù)和恢復(fù)。

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The spatial-temporal variations and influence factors of Ecological Resilience in Anhui Province

Dou Mingwei1, TANG Lihua1,*, XU Xiangyu2, YANG Dawen1

1. Department of Hydraulic Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China 2.Water Resources and Hydropower Planning and Design General Institute, Ministryof Water Resources, Beijing 100120, China

Ecological environment protection and restoration have attracted more and more attentions because of the severe environmental problems caused by fast social and economic developments. Based on the concept of ecological resilience, this paper constructed an index system of ecological resilience in terms of climate, hydrology and habitat, and the analytic hierarchy process (AHP) method was used to obtain the weights of these indices in the system. Taking Anhui Province as an example, this paper calculated the ecological resilience and analyzed its spatial and temporal variations. The results showed that the ecological resilience presented a downward trend during the period from 1995 to 2014, which was mainly affected by the decrease of farmland, forest, and groundwater resources and the increase of construction land. For the spatial distribution, the ecological resilience showed a decreasing trend from south to north, which was caused by the differences of water resources and land uses.This research can provide a scientific reference for the protection of ecological elasticity in Anhui Province.

ecological resilience; analytic hierarchy process; index system; Anhui Province

10.14108/j.cnki.1008-8873.2018.06.024

F205, Q146

A

1008-8873(2018)06-184-07

2018-05-22;

2018-10-17

國家重點研發(fā)計劃(No.2016YFC0401303)

豆明偉(1992—), 男, 河南省駐馬店人, 碩士, 主要從事生態(tài)水文學(xué)研究, E-mail: 1670011700@qq.com

唐莉華,女, 副教授, 主要從事生態(tài)環(huán)境保護(hù)研究, E-mail: tanglh@tsinghua.edu.cn

豆明偉, 唐莉華, 徐翔宇, 等. 安徽省生態(tài)彈性力時空變化及影響因素研究[J]. 生態(tài)科學(xué), 2018, 37(6): 184-190.

DOU Mingwei, TANG Lihua, XU Xiangyu, et al. The spatial-temporal variations and influence factors of Ecological Resilience in Anhui Province[J]. Ecological Science, 2018, 37(6): 184-190.