郭夢(mèng)迪， 韓繼沖， 施 玥， 邵懷勇， 楊青林

(1.國(guó)土資源部 地學(xué)空間信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610059； 2.成都理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院， 成都 610059)

0 引言

二十世紀(jì)中葉以來(lái)，隨著人類(lèi)活動(dòng)的增多，全球環(huán)境發(fā)生了巨大的變化。眾多環(huán)境問(wèn)題，如全球變暖、冰川融化、洪水、干旱、水污染以及生物多樣性的喪失，嚴(yán)重影響著人類(lèi)的可持續(xù)發(fā)展。因此，對(duì)生態(tài)環(huán)境脆弱性進(jìn)行評(píng)價(jià)是適應(yīng)和改善氣候變化的科學(xué)依據(jù)，同時(shí)也是生態(tài)學(xué)和可持續(xù)發(fā)展領(lǐng)域的關(guān)鍵問(wèn)題之一[1-3]。

生態(tài)環(huán)境脆弱性研究不僅為脆弱的生態(tài)環(huán)境恢復(fù)和重建提供了科學(xué)依據(jù)，也是區(qū)域可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃的重要前提，是生態(tài)環(huán)境管理的基礎(chǔ)。目前常用的脆弱性評(píng)估方法有：模糊綜合評(píng)價(jià)方法[4-5]、EVI(生態(tài)環(huán)境脆弱性指數(shù))方法、層次分析法( analytic hierarchy process，AHP)[6-7]、主成分分析方法[8]、基于遙感和地理信息系統(tǒng)的圖層疊加綜合評(píng)價(jià)法[9]。對(duì)于流域生態(tài)環(huán)境脆弱性的評(píng)價(jià)近年來(lái)發(fā)展較快，但較之以前的生態(tài)環(huán)境脆弱性評(píng)價(jià)[8,10-11]研究，研究工具和指標(biāo)體系幾乎沒(méi)有改善。

筆者選擇岷江上游流域作為研究區(qū)，建立基于驅(qū)動(dòng)力-壓力-狀態(tài)-影響-響應(yīng)-管理(Driving force-Pressure-State-Impact-Response-Management ，DPSIRM)概念框架的EVI模型，并利用生態(tài)環(huán)境脆弱性綜合指數(shù)及其變化率定量探究研究區(qū)2000年～2014年間生態(tài)環(huán)境脆弱性時(shí)空變化規(guī)律。本文提出的動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)框架，整合了自然和社會(huì)兩方面數(shù)據(jù)，研究結(jié)果能夠令相關(guān)決策者和利益相關(guān)者從多維度及可視化的角度就生態(tài)脆弱區(qū)進(jìn)行溝通交流，對(duì)引導(dǎo)區(qū)域生態(tài)環(huán)境恢復(fù)與發(fā)展提供借鑒。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 研究區(qū)概況

岷江發(fā)源于青藏高原東緣岷江山麓，屬于長(zhǎng)江上游的一級(jí)支流。岷江上游與四川省阿壩藏族羌族自治州的汶川、理縣、茂縣、松潘及黑水五縣行政區(qū)范圍基本重合，面積約24 365 km2，地理坐標(biāo)范圍為31°26′N(xiāo)-33°16′N(xiāo)，102°59′E-104°14′E；區(qū)域內(nèi)呈典型高山峽谷地貌，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，斷裂構(gòu)造發(fā)育；氣候?yàn)楦咴撅L(fēng)氣候，主要表現(xiàn)為冬季干冷，夏季濕熱。其中海拔低于1 500 m區(qū)域，年平均氣溫大于15℃，年降雨量1 000 mm ～1 600 mm；海拔在1 500 m～2 500 m的區(qū)域，年平均氣溫為11℃～13℃，年降雨量400 mm～800 mm；海拔高于2 500 m，年平均氣溫為5℃～9℃，年均降雨量為700 mm～800 mm[12]。研究區(qū)森林資源、水資源豐富，是全球25個(gè)生物多樣性地區(qū)之一，但地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)、自然條件差，生態(tài)環(huán)境先天脆弱、人地矛盾突出，屬于典型的生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)。

1.2 數(shù)據(jù)收集

本研究使用的數(shù)據(jù)為：①氣象數(shù)據(jù)來(lái)自于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http：//cdc.cma.gov.cn)，獲取研究區(qū)及其附近縣市的8個(gè)標(biāo)準(zhǔn)氣象站點(diǎn)2000年、2007年、2014年的月平均溫度和月降水量等資料，此數(shù)據(jù)用于計(jì)算年累計(jì)溫度≥10℃和年均降水量；②遙感數(shù)據(jù)來(lái)自于自美國(guó)馬里蘭大學(xué)(http://glcf.umiacs.umd.edu/data/)，獲取研究區(qū)2000年、2007年、2014年三期遙感影像，其中2000年和2007年的影像屬于Landsat5 TM影像，2013年的影像屬于Landsat8 OLI影像。采用ArcGIS 10.3對(duì)影像進(jìn)行解譯得到研究區(qū)土地利用數(shù)據(jù)，利用Fragstate 4.2計(jì)算景觀破碎指數(shù)，景觀分異指數(shù)和景觀分形維數(shù)倒數(shù)等景觀格局指數(shù)；③基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)來(lái)自于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn/Default.aspx)，包括研究區(qū)行政圖，數(shù)字高程模型等；④社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來(lái)自于自四川省2000年、2007年、2014年統(tǒng)計(jì)年鑒，包括人口密度、人均GDP、GDP增長(zhǎng)率、工業(yè)生產(chǎn)總值、農(nóng)林牧漁業(yè)生產(chǎn)總值、第三產(chǎn)業(yè)占比等。

所有數(shù)據(jù)均采用1954北京坐標(biāo)系，克拉索夫斯基橢球體，并將其分辨率統(tǒng)一為1 000 m*1 000 m。通過(guò)這種方式，研究區(qū)域共分為24 365個(gè)柵格單元。

1.3 DPSIRM框架

驅(qū)動(dòng)力-壓力-狀態(tài)-影響-響應(yīng)(Driving force-Pressure-State-Impact-Response ，DPSIR)框架已經(jīng)多次被證明在人地系統(tǒng)的因果關(guān)系分析中發(fā)揮了重要作用。該系列概念框架包括早期的壓力-狀態(tài)-響應(yīng)(Pressure-State-Response，PSR)模型，壓力-狀態(tài)-影響-響應(yīng)(Pressure-State-Impact-Response ，PSIR)模型，驅(qū)動(dòng)力-壓力-狀態(tài)-生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)-響應(yīng)(Driving force-Pressure-State-Ecosystem services-Response，DPSER)模型以及生態(tài)系統(tǒng)評(píng)價(jià)實(shí)證研究中的DPSIR模型和PSIRM模型后續(xù)發(fā)展[13-14]。本研究參照已有的生態(tài)安全DPSIR概念框架[15]，基于DPSIRM框架的岷江上游生態(tài)環(huán)境脆弱性評(píng)價(jià)研究，建立了驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)、壓力子系統(tǒng)、狀態(tài)子系統(tǒng)、影響子系統(tǒng)、響應(yīng)子系統(tǒng)和管理子系統(tǒng)六個(gè)子系統(tǒng)(圖1)，整個(gè)體系每個(gè)環(huán)節(jié)都與政府宏觀調(diào)控和管理的中心思想密切相關(guān)，以達(dá)到社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的目的。

圖1 DPSIR框架模型Fig.1 DPSIR framework model

1.3.1 驅(qū)動(dòng)力子系統(tǒng)

驅(qū)動(dòng)力因素是生態(tài)環(huán)境脆弱性的內(nèi)在動(dòng)力。研究區(qū)常住人口約39.33×104，人與自然的互動(dòng)關(guān)系密切。此外，區(qū)域內(nèi)多為高山峽谷地貌，自然條件敏感脆弱。因此選擇高程(F1)、坡度(F2)、年均降雨量(F3)、年累計(jì)氣溫(F4)、GDP增長(zhǎng)率(F5)、農(nóng)林牧漁業(yè)生產(chǎn)總值(F6)作為該子系統(tǒng)指標(biāo)。

1.3.2 壓力子系統(tǒng)

壓力因素是驅(qū)動(dòng)力因素的直接結(jié)果，其對(duì)于生態(tài)環(huán)境脆弱性的影響往往是負(fù)面的。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人類(lèi)活動(dòng)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成一定程度的破壞。本文選擇工業(yè)生產(chǎn)總值(F7)、人口密度(F8)、人均GDP(F9)作為該子系統(tǒng)指標(biāo)。

1.3.3 狀態(tài)子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)是流域生態(tài)系統(tǒng)在驅(qū)動(dòng)因素和壓力因素下的反映狀態(tài)，本文選擇土壤類(lèi)型(F10)、林地面積占比(F11)、草地面積占比(F12)、水域面積占比(F13)作為該子系統(tǒng)指標(biāo)。

1.3.4 影響子系統(tǒng)

影響子系統(tǒng)描述了驅(qū)動(dòng)力、壓力、狀態(tài)三個(gè)因素影響下區(qū)域生態(tài)環(huán)境的變化。景觀格局是區(qū)域景觀異質(zhì)性的具體表現(xiàn)，是不同尺度上各種生態(tài)過(guò)程相互作用的結(jié)果，選取景觀生態(tài)學(xué)方法來(lái)描述該子系統(tǒng)，選擇景觀破碎指數(shù)(F14)、景觀分異指數(shù)(F15)、景觀分形維數(shù)倒數(shù)(F16)作為該子系統(tǒng)指標(biāo)。

景觀破碎度是指景觀類(lèi)型在特定時(shí)間和特定性質(zhì)上的碎片化程度，在一定程度上反映了人類(lèi)對(duì)景觀的干擾強(qiáng)度。表征景觀破碎度有很多指標(biāo)，選擇斑塊破碎度指數(shù)(式(1))。

FN=MPS(Nf-1)/Nc

(1)

其中：FN為斑塊破碎度指數(shù)，它的值在[0,1]范圍內(nèi)，“0”代表景觀是完整的，“1”代表景觀被完全破壞；MPS是斑塊平均面積除以最小斑塊面積；Nf是斑塊總數(shù)；Nc景觀總面積除以最小斑塊面積。

景觀分異是指不同景觀要素在景觀類(lèi)型上的分離程度，在一定程度上反映了人類(lèi)活動(dòng)對(duì)景觀格局的影響，分離度越高，景觀分布越分散，穩(wěn)定性差。

FI=Di/Si

(2)

Si=Ai/A

(3)

(4)

其中:FI是景觀分異指數(shù)是影響子系統(tǒng)的指標(biāo)之一；n是景觀類(lèi)型i的斑塊數(shù)；Ai是景觀類(lèi)型i的總面積；A是研究區(qū)面積。

景觀分形維數(shù)(FD)反映的是景觀類(lèi)型的復(fù)雜性和空間穩(wěn)定性，由周長(zhǎng)和面積計(jì)算得出。分形維數(shù)值在[1,2]范圍內(nèi)，當(dāng)數(shù)值接近于1時(shí)，斑塊的幾何形狀比較簡(jiǎn)單，說(shuō)明人為干擾強(qiáng)烈，反之，當(dāng)數(shù)值接近于2時(shí)，斑塊的幾何形狀復(fù)雜，表明自然屬性更強(qiáng)。因此，將景觀分形維數(shù)的倒數(shù)用于反映景觀的干擾程度，值越大，人為干擾越強(qiáng)：

(5)

1.3.5 響應(yīng)子系統(tǒng)

人類(lèi)是生態(tài)環(huán)境的不確定因素，響應(yīng)子系統(tǒng)反映的是人類(lèi)的主動(dòng)性，它包括人類(lèi)社會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境作出的一系列反應(yīng)措施。選擇有效灌溉面積(F17)、第三產(chǎn)業(yè)占比(F18)、工業(yè)廢水排放達(dá)標(biāo)率(F19)作為該子系統(tǒng)指標(biāo)。

1.3.6 管理子系統(tǒng)

人類(lèi)社會(huì)管理子系統(tǒng)是政府部門(mén)對(duì)日益脆弱的生態(tài)環(huán)境進(jìn)行的積極干預(yù)而采取的一系列措施。選擇教育支出(F20)、環(huán)保投資對(duì)GDP占比(F21)、城鎮(zhèn)化率(F22)作為該子系統(tǒng)指標(biāo)。

1.4 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

為了消除不同指標(biāo)量綱與數(shù)量級(jí)的差異問(wèn)題，需要將不同的指標(biāo)值統(tǒng)一到同一取值范圍。采用極差法，對(duì)與生態(tài)環(huán)境脆弱性指數(shù)呈正相關(guān)的指標(biāo)，采用公式(6)進(jìn)行歸一化；相反，與生態(tài)環(huán)境脆弱指數(shù)呈負(fù)相關(guān)的指標(biāo)，采用公式(7)進(jìn)行歸一化：

(6)

(7)

其中：Yi代表第i個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化指標(biāo)；Xi是第i個(gè)指標(biāo)的初始值；Xi,max和Xi,min分別是第i個(gè)指標(biāo)的最大值和最小值。

1.5 岷江上游生態(tài)環(huán)境脆弱性評(píng)價(jià)模型

AHP用于在復(fù)雜問(wèn)題中進(jìn)行相關(guān)合理決策分析，在生態(tài)環(huán)境脆弱性研究方面得到了廣泛地應(yīng)用。本研究利用層次分析法構(gòu)建了目標(biāo)層，標(biāo)準(zhǔn)層和子標(biāo)準(zhǔn)層的層次指標(biāo)體系并計(jì)算器其權(quán)重，結(jié)合上述歸一化值利用公式(8)計(jì)算EVI值。

EVI=DY1+PY2+SY3+IY4+RY5+MY6

(8)

其中：EVI是生態(tài)環(huán)境脆弱性指數(shù)；D、PS、I、R、M分別代表驅(qū)動(dòng)力、壓力、狀態(tài)、影響、響應(yīng)和管理子系統(tǒng)；Yi表示各子系統(tǒng)權(quán)重。

1.6 岷江上游生態(tài)環(huán)境脆弱性分級(jí)方法

通過(guò)上述方法得到的生態(tài)環(huán)境脆弱性評(píng)價(jià)結(jié)果，在空間分布上是較為連續(xù)的，為了在整體上對(duì)研究區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性有一個(gè)正確地認(rèn)識(shí)，筆者將生態(tài)環(huán)境脆弱性結(jié)果進(jìn)行分類(lèi)以確定不同地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性的級(jí)別。在分類(lèi)過(guò)程中，根據(jù)數(shù)據(jù)直方圖進(jìn)行分類(lèi)是一種客觀的方法；自然斷點(diǎn)分類(lèi)法是通過(guò)查找數(shù)據(jù)值差異相對(duì)較大的相鄰要素,使用統(tǒng)計(jì)方法確定分類(lèi)間隔，可以很好地將類(lèi)別相近的物體聚集在一起并且增大類(lèi)別之間的差異，每一類(lèi)之間都有一個(gè)較為明顯的斷裂之處，是目前較常用的數(shù)據(jù)分類(lèi)法[16]。因此，根據(jù)研究區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性評(píng)價(jià)結(jié)果直方圖選用自然斷點(diǎn)法，對(duì)研究區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性結(jié)果的自然屬性進(jìn)行分析進(jìn)而找出不同類(lèi)別之間的間斷點(diǎn)，將研究區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性分為5級(jí)(EVI值范圍為[0,1])：0

表1 岷江上游生態(tài)環(huán)境脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

(+)、(-)分別表示對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)與生態(tài)環(huán)境脆弱性的正、負(fù)相關(guān)性

2 結(jié)果與分析

2.1 岷江上游生態(tài)環(huán)境脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)與權(quán)重

本研究基于DPSIRM概念框架，綜合考慮完整性，可用性和可操作性等因素，在六個(gè)子系統(tǒng)中選擇了22個(gè)指標(biāo)(表1)。權(quán)重決定了每個(gè)指標(biāo)的重要性，它對(duì)最終評(píng)價(jià)結(jié)果有直接影響，通過(guò)專(zhuān)家的多元評(píng)估構(gòu)建判斷矩陣計(jì)算相應(yīng)權(quán)重，在判斷矩陣的一致性檢驗(yàn)中，標(biāo)準(zhǔn)層和目標(biāo)層的一致性系數(shù)(CR)值均小于0.1；最后6個(gè)子系統(tǒng)和22個(gè)指標(biāo)的權(quán)重值見(jiàn)表1。

2.2 時(shí)空變化特征分析

2.2.1 脆弱性空間分布

研究區(qū)共有24 365個(gè)柵格單元，表2為研究的三個(gè)時(shí)間段內(nèi)岷江上游生態(tài)環(huán)境脆弱性分級(jí)柵格單元數(shù)及其百分比。其中潛在脆弱總體呈下降趨勢(shì)，從2000年的8.09%下降至2014年的5.29%，中度脆弱呈現(xiàn)相同趨勢(shì)；微度脆弱從2000年的37.66%上升至2007年的46.09%，后下降到2014年的41.72%；輕度脆弱則是先上升后下降，從24.29%下降至16.51%，再上升至2014年的27.05%；重度脆弱總體變化不明顯。

表2 三個(gè)時(shí)間段內(nèi)生態(tài)環(huán)境脆弱性分級(jí)百分比

圖2 2000年、2007年、2014年生態(tài)環(huán)境脆弱性分級(jí)圖Fig.2 Classification of eco-environmental vulnerability in 2000, 2007 and 2014

在研究的三個(gè)時(shí)間段中，微度脆弱是分布最廣的階層，中度脆弱和重度脆弱均呈現(xiàn)微弱下降，這些趨勢(shì)證明，研究區(qū)的生態(tài)環(huán)境狀況正在逐漸好轉(zhuǎn)。從圖2可以看出，大部分的重度脆弱和中度脆弱地區(qū)分布在研究區(qū)西部，少部分分布在中部，產(chǎn)生這種分布的原因主要是研究區(qū)地勢(shì)西北高東南低，海拔變化在780 m～6 125 m之間，西北部地區(qū)地貌類(lèi)型復(fù)雜，以山地為主，河谷深切，平壩面積小，生態(tài)環(huán)境先天脆弱。研究區(qū)東南部汶川縣北部縣城海拔較低，地勢(shì)平坦，受到人類(lèi)活動(dòng)的干擾明顯，故而生態(tài)環(huán)境遭到破壞，生態(tài)環(huán)境脆弱性值較高。此外，松潘縣西部以外地區(qū)，海拔相對(duì)較高，但由于該縣人口密度小，旅游業(yè)資源豐富，第三產(chǎn)業(yè)占比高達(dá)59.84%，工業(yè)污染較小，故該地區(qū)脆弱性值較小。

2.2.2 脆弱性動(dòng)態(tài)變化

利用生態(tài)環(huán)境脆弱性綜合指數(shù)(式(9))及其變化率(式(10))，定量探究研究時(shí)段內(nèi)研究區(qū)生態(tài)環(huán)境整體變化趨勢(shì)[17]。

(9)

(10)

其中：E是生態(tài)環(huán)境脆弱性綜合指數(shù)；Pi是脆弱性分級(jí)值；Ai是等級(jí)為i的脆弱性面積；R是生態(tài)環(huán)境脆弱性綜合指數(shù)變化率；Aia、Aib是a、b兩個(gè)時(shí)間內(nèi)分別對(duì)應(yīng)的脆弱性等級(jí)為i的區(qū)域面積；S為研究區(qū)總面積。

表3 生態(tài)環(huán)境脆弱性綜合指數(shù)及其變化率

由表3可知，岷江上游2000年、2007年、2014年生態(tài)環(huán)境脆弱性綜合指數(shù)值分別為2.838 8、2.829 7、2.811 7，呈現(xiàn)逐漸減小的變化狀態(tài)，與潛在脆弱、中度脆弱變化趨勢(shì)相近，說(shuō)明該兩種等級(jí)的脆弱性變化對(duì)岷江上游生態(tài)環(huán)境狀況變化過(guò)程有著顯著的影響。

通過(guò)分析2000年-2007年，2007年-2014年和2007年-2014年的生態(tài)環(huán)境脆弱性綜合指數(shù)變化率，可以發(fā)現(xiàn)變化率R均小于0，表明研究時(shí)間段內(nèi)岷江上游的生態(tài)環(huán)境狀況整體處于逐漸好轉(zhuǎn)的動(dòng)態(tài)變化狀態(tài)，但好轉(zhuǎn)趨勢(shì)不明顯。

3 結(jié)論

1)岷江上游生態(tài)環(huán)境質(zhì)量總體呈逐漸好轉(zhuǎn)趨勢(shì)。此外，重度脆弱、中度脆弱區(qū)主要分布在研究區(qū)西部高海拔地區(qū)，該地區(qū)地形起伏度差異明顯，區(qū)域水熱空間分布不均衡，生態(tài)環(huán)境敏感脆弱；小部分重度脆弱區(qū)分布于汶川縣城，該縣人口密度大、城市化率高、工業(yè)發(fā)展迅速，人類(lèi)活動(dòng)對(duì)生態(tài)環(huán)境的干擾極為嚴(yán)重。

2)基于DPSIRM概念框架，運(yùn)用AHP構(gòu)建了多目標(biāo)、多層次的岷江上游生態(tài)環(huán)境脆弱性評(píng)價(jià)模型，整合自然地理和社會(huì)經(jīng)濟(jì)兩方面的數(shù)據(jù)，全面探討了自然因素與人類(lèi)活動(dòng)對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境脆弱性的影響程度。并且運(yùn)用生態(tài)環(huán)境脆弱性綜合指數(shù)及其變化率來(lái)描述14年間岷江上游生態(tài)環(huán)境脆弱性整體動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，結(jié)果表明，14年間岷江上游生態(tài)環(huán)境脆弱性正在逐漸好轉(zhuǎn)，但總體狀況仍不樂(lè)觀，應(yīng)長(zhǎng)期堅(jiān)持合理的生態(tài)治理政策。