基于空間距離指數(shù)的中國(guó)西北干旱內(nèi)陸河流域生態(tài)敏感性時(shí)空演變特征
——以石羊河流域?yàn)槔?/h1>
2019-12-04 02:09:30李振亞郭澤呈頡斌斌周俊菊
生態(tài)學(xué)報(bào) 2019年20期
李振亞, 魏 偉,*, 周 亮, 郭澤呈, 頡斌斌, 周俊菊
1 西北師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 蘭州 730070 2 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所資源與環(huán)境信息系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100010 3 蘭州城市學(xué)院旅游學(xué)院, 蘭州 730070
進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái),人們對(duì)生產(chǎn)、生活空間的需求不斷增長(zhǎng),城鎮(zhèn)空間、農(nóng)業(yè)空間和生態(tài)空間的矛盾進(jìn)一步加劇,導(dǎo)致生態(tài)空間不斷被擠壓,生態(tài)功能破壞,生態(tài)系統(tǒng)退化,生態(tài)環(huán)境惡化等一系列區(qū)域生態(tài)安全問(wèn)題[1- 2]。而生態(tài)敏感性作為反映區(qū)域潛在生態(tài)問(wèn)題的重要參數(shù),對(duì)其進(jìn)行探索研究對(duì)區(qū)域生態(tài)建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。
敏感性的概念最初由醫(yī)學(xué)和生物學(xué)學(xué)者提出,20世紀(jì)70年代Coleman G和DeCoursey DG將敏感性的概念引入生態(tài)學(xué)領(lǐng)域,開(kāi)啟了生態(tài)敏感性研究的序幕[3]。當(dāng)前,生態(tài)敏感性的研究主要集中于對(duì)區(qū)域景觀的敏感性研究,如對(duì)濕地[4]、地下水[5]、林帶[6]、水域[7]等進(jìn)行研究；對(duì)環(huán)境演變過(guò)程中的生態(tài)敏感性研究,主要是對(duì)酸雨[8]、土壤侵蝕[9]、沙漠化[10]、鹽漬化[11]、水土流失[12]等進(jìn)行研究；對(duì)特定生態(tài)過(guò)程的敏感性研究,主要對(duì)作物光合作用[13]、作物生長(zhǎng)[14]、碳循環(huán)[15]等進(jìn)行研究；對(duì)敏感性目的的研究,主要通過(guò)敏感性評(píng)價(jià)進(jìn)行生態(tài)功能區(qū)劃分[16]、城市選址[17]和旅游區(qū)劃[18]等[19]。此外,在敏感性的研究尺度上主要包含國(guó)家[20]、省域[21]、流域[22]、市域以及縣域[23]。其研究成果主要應(yīng)用于指導(dǎo)城市規(guī)劃建設(shè)、生態(tài)保護(hù)紅線劃定、土地科學(xué)利用、生態(tài)環(huán)境保護(hù)與建設(shè)和土地資源承載力分析等方面[24]。本文在整理上述研究結(jié)果后發(fā)現(xiàn),雖然相關(guān)學(xué)者對(duì)生態(tài)敏感性的研究做了大量的工作,且取得長(zhǎng)足進(jìn)步,但對(duì)其的研究還處于發(fā)展階段,在評(píng)價(jià)指標(biāo)體系上并沒(méi)有形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),且評(píng)價(jià)指標(biāo)主題單一,存在著很大的不確定性和隨意性,造成評(píng)價(jià)體系普適性不強(qiáng)。在研究方法方面,主成分分析法、層次分析法、專家打分法等傳統(tǒng)權(quán)重方法在生態(tài)敏感性評(píng)價(jià)與分區(qū)中應(yīng)用廣泛[25]。在敏感性影響因素方面,重自然環(huán)境因素研究,而忽視了人類干擾因素的研究,造成評(píng)價(jià)結(jié)果失真。
針對(duì)上述問(wèn)題,本文以石羊河流域?yàn)槔?從人類干擾因素、自然干擾因素和生物干擾因素3個(gè)層面出發(fā),選取生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)敏感性指數(shù)、水土流失敏感性指數(shù)和生物多樣性敏感性指數(shù),構(gòu)建綜合生態(tài)敏感性模型,對(duì)石羊河流域的生態(tài)敏感性時(shí)空變化特征進(jìn)行研究。石羊河流域是我國(guó)人口最密集、水資源開(kāi)發(fā)利用程度最高、用水矛盾最突出、生態(tài)環(huán)境問(wèn)題最嚴(yán)重的干旱區(qū)內(nèi)陸河流域之一[26]。對(duì)其進(jìn)行生態(tài)敏感性研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義,如可以明確生態(tài)環(huán)境保護(hù)的重點(diǎn)區(qū)域。此外,由于當(dāng)前學(xué)術(shù)界對(duì)干旱區(qū)內(nèi)陸河流域的生態(tài)敏感性研究偏少。因此,對(duì)該區(qū)域的生態(tài)敏感性研究顯得尤為重要。鑒于此,本文以極具代表性的干旱內(nèi)陸河流域-石羊河流域?yàn)槔?為中國(guó)及全球干旱內(nèi)陸河流域的生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作提供科學(xué)參考。
1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)
1.1 研究區(qū)概況
圖1 研究區(qū)概況圖Fig.1 Research area overview
石羊河流域位于甘肅省河西走廊東部,祁連山北麓,黃土、青藏、蒙新三大地理景觀的交匯過(guò)渡地帶,東以烏鞘嶺、毛毛山、老虎山與黃河流域?yàn)榻?西以大黃山、馬營(yíng)灘與黑河流域?yàn)榻纭５乩砦恢媒橛?01°22′—104°16′ E, 36°29′—39°27′N (圖1)[27]。流域行政區(qū)劃包括涼州區(qū)、金昌市、民勤縣、古浪縣全部與天祝縣部分地區(qū),還有張掖肅南裕固族自治縣和山丹縣的部分區(qū)域、白銀市景泰縣的少部分地區(qū)?？偯娣e約為4.16×104km2。流域內(nèi)地勢(shì)南高北低,自西南向東北傾斜,且深居大陸腹地,屬大陸性溫帶干旱氣候,降水稀少,蒸發(fā)強(qiáng)烈。上游覆被類型有亞寒帶針葉林、溫帶闊葉林和灌叢,間有高山草甸,中下游為人工灌溉綠洲和荒漠化植被。
1.2 數(shù)據(jù)源
本研究的數(shù)據(jù)主要包括土地利用、DEM、NDVI、坡度、土壤侵蝕、降水量及石羊河流域基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)等。其中土地利用數(shù)據(jù)來(lái)源于地理國(guó)情監(jiān)測(cè)云平臺(tái)(www.dsac.cn),時(shí)間為1987—2016年。DEM數(shù)據(jù)來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn)。NDVI數(shù)據(jù)由Landsat TM/OIL影像計(jì)算獲取,Landsat TM/OIL影像來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn)。坡度數(shù)據(jù)是利用ArcGIS10.2的Spatial Analyst工具從高程數(shù)據(jù)中提取所得。土壤侵蝕數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺(tái)(http://www.resdc.cn)。降水?dāng)?shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)的中國(guó)地面氣候資料數(shù)據(jù)集,時(shí)間為1987—2016年,通過(guò)ArcGIS10.2軟件插值成100m×100m分辨率的柵格數(shù)據(jù)。 最后將所有數(shù)據(jù)的分辨率通過(guò)重采樣為100m×100m。
2 研究方法
2.1 綜合生態(tài)敏感性模型的構(gòu)建
本研究在對(duì)現(xiàn)有生態(tài)敏感性的研究及對(duì)石羊河流域諸多地理生態(tài)環(huán)境問(wèn)題綜合分析的基礎(chǔ)上,經(jīng)過(guò)調(diào)查研究與相關(guān)資料查閱,將石羊河流域生態(tài)敏感性分為生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)敏感性、水土流失敏感性、生物多樣性敏感性三個(gè)模塊,利用這三個(gè)模塊構(gòu)建綜合生態(tài)敏感性模型,對(duì)石羊河流域的生態(tài)敏感性狀況進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。
2.1.1生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)敏感性指數(shù)
生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)敏感性指數(shù)是生態(tài)系統(tǒng)及其組分受自然或人類活動(dòng)脅迫程度的反映,本文更側(cè)重于人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的脅迫程度的研究[28-29]。土地利用是人與自然交互作用的核心環(huán)節(jié),它與諸多環(huán)境與生態(tài)問(wèn)題密切相關(guān)[30]。因此,本文在此模塊中運(yùn)用土地利用數(shù)據(jù)研究生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)敏感性,其表達(dá)式為：
(1)
式中,F為生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)；i為各類土地利用類型；Si為樣地內(nèi)第i種土地利用類型的面積；Wi為第i種土地利用類型所反映的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)強(qiáng)度權(quán)重；S為樣地總面積。通過(guò)借鑒前人的研究成果[31],同時(shí)結(jié)合石羊河流域土地利用實(shí)際狀況,將生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)強(qiáng)度權(quán)重分別設(shè)定為：林地0.14,草地0.16,耕地0.32,水域0.45,未利用地0.82,建設(shè)用地0.72.
2.1.2水土流失敏感性指數(shù)
水土流失敏感性指數(shù)是反映生態(tài)過(guò)程中發(fā)生水土流失的潛在可能性及其程度。根據(jù)Wischmeier和Smith提出的通用土壤侵蝕方程(USLE)[32-33],水土流失敏感性指數(shù)表達(dá)式為：
A=R×K×LS×C×P
(2)
式中,A為土壤侵蝕量；R為降水侵蝕力；K為土壤因子；LS為坡度坡長(zhǎng)因子；C為地表覆蓋因子；P為人工措施因子。
2.1.3生物多樣性敏感性指數(shù)
根據(jù)最小累計(jì)阻力模型[34-35],生物多樣性敏感性可以用生物空間流動(dòng)阻力來(lái)表征,生物空間流動(dòng)阻力值越大,生物多樣性的敏感性越高。最小累計(jì)阻力模型表達(dá)公式為：
(3)
式中,MCR為最小累計(jì)阻力；f為MCR與變量(Dij×Ri)之間的函數(shù)；Dij為源j到景觀i的距離；Ri為景觀單元i對(duì)景觀流向某個(gè)方向擴(kuò)散的阻力。
“源”：源地一般在生態(tài)過(guò)程中發(fā)揮重要作用,具有空間擴(kuò)展性、連續(xù)性,是生境質(zhì)量極高的區(qū)域。本文借鑒前人的研究成果[31],選用自然保護(hù)區(qū)核心區(qū)及面積大于100hm2且在空間上具有連續(xù)性、面積較大的林地和水域作為生態(tài)“源”。
阻力面的建立：參考有關(guān)文獻(xiàn)[34-37],結(jié)合研究區(qū)的實(shí)際情況,選用生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量與植被覆蓋度作為阻力因子,將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量因子和植被覆蓋度因子的權(quán)重各設(shè)置為0.5。根據(jù)“阻力面=生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量×0.5+植被覆蓋度×0.5”,運(yùn)用柵格計(jì)算器進(jìn)行柵格計(jì)算生成阻力面,再利用MCR模型獲得生物空間流動(dòng)阻力表面。
2.1.4綜合生態(tài)敏感性
傳統(tǒng)的生態(tài)敏感性評(píng)價(jià)多采用主觀賦權(quán)重的方法,為克服傳統(tǒng)的賦權(quán)法,本文以歸一化生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)敏感性指數(shù)、歸一化水土流失敏感性指數(shù)和歸一化生物多樣性敏感性指數(shù)的最大值為空間中生態(tài)敏感性最高點(diǎn),計(jì)算空間中其他點(diǎn)到敏感性最高點(diǎn)的距離來(lái)構(gòu)建綜合生態(tài)敏感性指數(shù)(Comprehensive ecological sensitivity index,CESI),距離越大,指數(shù)越大,生態(tài)敏感性越低,反之越高(圖2)。CESI的計(jì)算公式如下[38]：
(4)
式中,CESI為綜合生態(tài)敏感性指數(shù)；F為某一像元的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)敏感性指數(shù)；A為某一像元的水土流失敏感性指數(shù)；MCR為某一像元的生物多樣性敏感性指數(shù)。
圖2 綜合生態(tài)敏感性指數(shù)構(gòu)建原理圖(X軸為水土流失指數(shù),Y軸為生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù),Z軸為生物多樣性指數(shù))Fig.2 Schematic diagram of the comprehensive ecological sensitivity index(X-axis is the soil erosion index, the Y-axis is the ecological risk index, and the Z-axis is the biodiversity index)
2.2 生態(tài)敏感性變化模式分析
網(wǎng)格是突破行政界線并在空間上表達(dá)生態(tài)敏感性變化的有效方法[39]。它可以通過(guò)網(wǎng)格編碼反映生態(tài)敏感區(qū)在空間上的聚集情況。本文將研究區(qū)劃分為1km×1km等大小的格網(wǎng)單元,分析研究區(qū)長(zhǎng)時(shí)間序列的生態(tài)敏感區(qū)變化。格網(wǎng)累計(jì)變化模型的公式為：
(5)
式中,C為同一格網(wǎng)內(nèi)生態(tài)敏感性累計(jì)變化次數(shù)；n為樣本年；Gi為前一期的生態(tài)敏感性代碼；Gi+1為后一期的生態(tài)敏感性代碼。其中,當(dāng)Gi-Gi+1<0時(shí),生態(tài)敏感性變差,令Gi-Gi+1=-1。即生態(tài)敏感性變差一次；當(dāng)Gi-Gi+1>0時(shí),生態(tài)敏感性變好,令Gi-Gi+1=1。即生態(tài)敏感性變好一次；,當(dāng)Gi-Gi+1=0時(shí),生態(tài)敏感性不變。
生態(tài)敏感性變化模式及分類描述：為了更好地了解生態(tài)敏感性的變化,我們將生態(tài)敏感性變化分為不敏感區(qū)、輕度敏感區(qū)、中度敏感區(qū)、重度敏感區(qū)和極度敏感區(qū),又將其代碼分別賦值為：1、2、3、4、5。此外,本文結(jié)合編碼方法,運(yùn)用排列組合等數(shù)學(xué)算法獲得不同代碼的總數(shù),然后采用分區(qū)方法將生態(tài)敏感性變化模式分為不同的類型,具體的生態(tài)敏感性變化模式劃分標(biāo)準(zhǔn)如下(表1)。
表1 生態(tài)敏感性變化模式劃分標(biāo)準(zhǔn)述
2.3 圈層分析
圈層分析是基于圈層結(jié)構(gòu)理論,以區(qū)域幾何中心依次向外發(fā)展為依據(jù),在對(duì)研究區(qū)進(jìn)行緩沖區(qū)分析及方向劃定之后,按照劃分不同圈層和不同方向?qū)ρ芯繀^(qū)的生態(tài)敏感性變化進(jìn)行分析的一種方法[39]。本文以石羊河流域幾何中心為圓心,構(gòu)建半徑為15km的圓形緩沖區(qū)(圖3),再將其分為東北、西北、西南、東南四個(gè)不同方向。利用時(shí)間序列分析方法對(duì)每個(gè)圓環(huán)內(nèi)的生態(tài)敏感區(qū)變化進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。最終構(gòu)建了12個(gè)圓形層,覆蓋整個(gè)研究區(qū)。在ArcGIS中分別對(duì)1987、1995、2006、2016年每個(gè)圓環(huán)內(nèi)的各類生態(tài)敏感區(qū)面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。
圖3 圈層分析示意圖Fig.3 Circle analysis diagram
3 結(jié)果與分析
3.1 單指標(biāo)生態(tài)敏感性空間分布特征
由圖4可以看出,石羊河流域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)敏感性呈現(xiàn)由西南向東北升高的趨勢(shì),且流域內(nèi)大部分區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較高。從空間分布來(lái)看,生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)敏感性較高的區(qū)域主要分布在流域中下游,而上游的敏感性相對(duì)較低。這主要是流域上游祁連山區(qū)水資源充沛,人類活動(dòng)少,生態(tài)破壞小。流域中游綠洲區(qū)是人類聚居區(qū),經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá),人口密度大,城鎮(zhèn)建設(shè)用地和居民點(diǎn)廣布,人類對(duì)自然環(huán)境的開(kāi)發(fā)力度較大,這使得中游生態(tài)環(huán)境十分嚴(yán)峻。流域下游地區(qū)分布著大量戈壁荒漠,該區(qū)域景觀類型單一,生物量較少,生態(tài)環(huán)境極度敏感。
由圖5可以看出,研究區(qū)水土流失敏感性較高的區(qū)域主要分布在流域上游的祁連山山區(qū),植被覆蓋較高的區(qū)域水土流失敏感性較低。這主要是流域上游山區(qū)坡度較大,降水較多,且為石羊河流域主干河發(fā)源地,水域充沛,水土流失也最為嚴(yán)重。中、下游地區(qū)地勢(shì)較平坦,降水較少,且綠洲區(qū)植被覆蓋較高,水土流失較少。
由圖6可以看出,研究區(qū)生物多樣性敏感性空間分布趨勢(shì)總體上與生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)敏感性類似。流域上游及河流周邊區(qū)域的生物多樣性敏感性較低,這里水量豐沛,植被覆蓋高,動(dòng)植物資源豐富,自我調(diào)節(jié)能力較強(qiáng)。生物多樣性敏感性較高的區(qū)域主要分布在流域下游的綠洲-沙漠過(guò)渡帶及沙漠區(qū),該區(qū)域水資源匱乏,動(dòng)植物資源稀少,生態(tài)彈性差,自我修復(fù)能力弱,生物多樣性敏感性極高。
3.2 綜合生態(tài)敏感性時(shí)空變化分析
研究結(jié)果表明,1987—2016年間石羊河流域的CESI均值先降低再升高,從1987年的1.143降低到1995年的1.137,再降低到2006年的1.130,后又升高到2016年的1.287,這表明自2006年后研究區(qū)綜合生態(tài)敏感性明顯降低。此外,為更好的探討流域生態(tài)敏感性的時(shí)空變化,本文對(duì)4個(gè)時(shí)期的生態(tài)敏感性進(jìn)行分級(jí),共分為5級(jí)：不敏感區(qū)(S≤0.15)、輕度敏感區(qū)(0.15從空間分布來(lái)看,綜合生態(tài)敏感性較高的區(qū)域主要分布在流域下游巴丹吉林沙漠和騰格里沙漠區(qū)。此外,在流域綠洲的外圍區(qū)域生態(tài)敏感性也較高。生態(tài)敏感性較低的區(qū)域主要分布在流域的中上游,主要包括流域上游的祁連山山區(qū)和中游的綠洲內(nèi)部。
表2 石羊河流域綜合生態(tài)敏感性分區(qū)面積統(tǒng)計(jì)表
圖4 生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)敏感性圖Fig.4 Ecological risk sensitivity map
圖5 水土流失敏感性圖Fig.5 Soil erosion sensitivity map
圖6 生物多樣性敏感性圖Fig.6 Biodiversity sensitivity map
圖7 綜合生態(tài)敏感性圖Fig.7 Integrated ecological sensitivity map
3.3 生態(tài)敏感性變化模式分析
為了更加深入的認(rèn)識(shí)石羊河流域生態(tài)敏感性變化的時(shí)空特征和規(guī)律,需要同時(shí)從空間分布和數(shù)量變化兩個(gè)方面確定每一個(gè)格網(wǎng)上生態(tài)敏感性的動(dòng)態(tài)變化情況。因此,本文通過(guò)格網(wǎng)編碼法將石羊河流域生態(tài)敏感性變化特征劃分為兩大分區(qū)(表1)：常年不變區(qū)(表3)和波動(dòng)變化區(qū)(表4),又將常年不變區(qū)又分為常年不敏感區(qū)、常年輕度敏感區(qū)、常年中度敏感區(qū)、常年重度敏感區(qū)和常年極度敏感區(qū)(圖8a)。其中常年不敏感區(qū)和常年輕度敏感區(qū)主要分布在流域的上游地區(qū),常年中度敏感區(qū)和常年重度敏感區(qū)主要分布在流域中游和下游的綠洲區(qū)邊緣,常年極度敏感區(qū)主要分布在流域下游的沙漠區(qū)。石羊河流域生態(tài)敏感性常年不變分區(qū)面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明(表3),常年極度敏感區(qū)占所有分區(qū)的37.84%,是分區(qū)中面積最大的區(qū)。這表明石羊河流域生態(tài)敏感較高。同時(shí)又將波動(dòng)變化區(qū)分為波動(dòng)升高區(qū)和波動(dòng)降低區(qū)(圖8b)。波動(dòng)變化區(qū)主要集中于流域中下游的綠洲區(qū)。
從生態(tài)敏感性變化分區(qū)圖(1987—2016年)可以看出(圖8b),敏感性波動(dòng)降低的區(qū)域主要分布在流域中下游綠洲外圍區(qū)域。敏感性波動(dòng)升高的區(qū)域主要分布在流域中下游綠洲區(qū)。相比常年不變區(qū),波動(dòng)變化區(qū)面積更大,占總面積的51.24%,這表明,石羊河流域生態(tài)敏感性變化比較活躍。此外,根據(jù)波動(dòng)變化分區(qū)面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果(表4),敏感性波動(dòng)降低的區(qū)域面積為11693.57km2,占波動(dòng)變化區(qū)總面積的56.24%。敏感性波動(dòng)升高的區(qū)域面積為9099.66km2,占波動(dòng)變化區(qū)總面積的43.76%,這表明石羊河流域近30年來(lái)生態(tài)敏感性有所降低,尤其是流域中下游綠洲外圍區(qū)域,說(shuō)明近些年來(lái)石羊河流域生態(tài)環(huán)境治理取得積極效果。但與此同時(shí),由于中下游綠洲區(qū)人類生產(chǎn)、生活活動(dòng)較多,該地區(qū)的生態(tài)敏感性波動(dòng)升高,需引起高度重視。
表3 石羊河流域生態(tài)敏感性常年不變分區(qū)面積統(tǒng)計(jì)表
表4 波動(dòng)變化分區(qū)面積統(tǒng)計(jì)表
圖8 生態(tài)敏感性變化分區(qū)圖Fig.8 Zoning map of ecological sensitivity change
3.4 生態(tài)敏感性圈層變化分析
為準(zhǔn)確了解生態(tài)敏感性在不同方向、不同距離上的變化,本文將研究區(qū)1987、1995、2006和2016年4期綜合生態(tài)敏感性分區(qū)與劃分后的圈層矢量數(shù)據(jù)分別進(jìn)行疊加,計(jì)算各圈層內(nèi)各個(gè)方向上不同敏感區(qū)的面積所占比例,得出不敏感區(qū)、輕度敏感區(qū)、中度敏感區(qū)、重度敏感區(qū)和極度敏感區(qū)5種分區(qū)在各個(gè)圈層、各個(gè)方向上的分布(圖9)。由圖10可以看出,1987—2016年間石羊河流域不敏感區(qū)在第六圈層分布最廣,且主要分布在西南象限,東南象限也有分布,但比重不大。極度敏感區(qū)分布范圍較廣,在西北象限、東北象限和東南象限都有所分布?？傮w而言,石羊河流域西南象限的生態(tài)敏感性最低,除了不敏感區(qū)、輕度敏感區(qū)和中度敏感區(qū)有所分布,再無(wú)其他類型敏感區(qū)分布。其次是東南象限,極度敏感區(qū)集中分布在2—5圈層,且極度敏感區(qū)與重度敏感區(qū)在整個(gè)東南象限的面積占比較低。西北象限和東北象限敏感性最高,二者包含了所有的敏感性分區(qū)類型。雖然相比西北象限,東北象限的極度敏感區(qū)分布圈層廣,總面積多,但西北象限在圈層內(nèi)的面積比重更大,且分布面積也較多。此外,二者都有敏感性隨圈層的增加而升高的共同規(guī)律,因此本文將西北象限和東北象限一起劃分為生態(tài)環(huán)境治理的重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域。值得注意的是,4個(gè)象限中,極度敏感區(qū)主要分布在西北象限和東北象限的外緣,這也體現(xiàn)了干旱內(nèi)陸河流域生態(tài)敏感性的空間分布特征。
圖9 分區(qū)結(jié)果圈層疊加示意圖Fig.9 Partition result circle layer overlay diagram
圖10 圈層分析圖Fig.10 Circle analysis chart
4 討論
4.1 指標(biāo)共線性診斷
本文考慮到評(píng)價(jià)指標(biāo)間可能會(huì)存在信息重疊影響生態(tài)敏感性的評(píng)價(jià),因此運(yùn)用SPSS軟件,用輔助回歸方法對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)間的共線性狀況進(jìn)行檢驗(yàn)。通常，學(xué)術(shù)界一般用方差膨脹因子(VIF)和容忍度(TOL)表示共線性程度,TOL<0.1和VIF>10表明所選指標(biāo)的共線性比較嚴(yán)重。本文以2016年石羊河流域各指標(biāo)為例探討指標(biāo)間的共線性程度,共線性統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明(表5)：生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)敏感性指數(shù)、水土流失敏感性指數(shù)和生物多樣性敏感性指數(shù)之間不存在嚴(yán)重的共線性,具備構(gòu)建生態(tài)敏感性評(píng)價(jià)指標(biāo)的合理性。
4.2 石羊河流域生態(tài)敏感性演變動(dòng)因
生態(tài)敏感性是自然環(huán)境和人類活動(dòng)共同作用的結(jié)果,自然環(huán)境決定了石羊河流域的生態(tài)環(huán)境與人類生存狀況,而人類活動(dòng)反過(guò)來(lái)可以改變石羊河流域生態(tài)環(huán)境的原本面貌。從單指標(biāo)生態(tài)敏感性時(shí)空變化特征來(lái)看,生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)敏感性、水土流失敏感性和生物多樣性敏感性總體上呈下降趨勢(shì)。因此,受單指標(biāo)敏感性影響,流域綜合生態(tài)敏感性總體上也呈現(xiàn)出好轉(zhuǎn)趨勢(shì),尤其是流域中下游綠洲外圍區(qū)域,這反映出流域的生態(tài)環(huán)境總體上是向著可持續(xù)的方向在發(fā)展。其中,綠洲中下游綠洲外圍區(qū)敏感性降低,主要因?yàn)?009年9月以來(lái),甘肅省開(kāi)始實(shí)施景電二期工程,開(kāi)始將黃河水調(diào)入石羊河,使得石羊河流域可用水量增加,緩解了流域生物生存需水壓力。且2007年國(guó)務(wù)院頒布《石羊河流域重點(diǎn)治理規(guī)劃》,自此以后,當(dāng)?shù)卣畬?duì)石羊河流域?qū)嵤┮幌盗兄卫泶胧?如關(guān)井壓田、節(jié)水灌溉、人工壓沙、退耕造林、生態(tài)移民等措施。關(guān)井壓田措施緩解了因過(guò)度抽取地下水而導(dǎo)致的地下水埋深問(wèn)題；節(jié)水灌溉措施提高了流域的用水效率,節(jié)省了農(nóng)業(yè)灌溉用水量,保證了生態(tài)用水量；人工壓沙措施通過(guò)人為干預(yù),防范騰格里沙漠和巴丹吉林沙漠對(duì)流域生態(tài)環(huán)境的侵蝕；退耕造林和生態(tài)移民措施減輕了人類活動(dòng)對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的破壞。這一系列措施的實(shí)施對(duì)全流域,尤其是中下游綠洲外圍區(qū)域的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)敏感性、水土流失敏感性和生物多樣性敏感性的降低起到重要作用,從而使得該區(qū)域的綜合生態(tài)敏感性狀況得到改善[38]。與此同時(shí),流域中下游綠洲區(qū)隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,人口不斷聚集,土地利用強(qiáng)度進(jìn)一步加大,生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)敏感性、水土流失敏感性和生物多樣性敏感性逐年升高。這使得該區(qū)域的綜合生態(tài)敏感性呈逐年升高趨勢(shì)。
表5 共線性診斷結(jié)果
4.3 研究結(jié)果的不確定性分析
本文在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上,通過(guò)生態(tài)距離法構(gòu)建綜合生態(tài)敏感性指數(shù),將評(píng)價(jià)指標(biāo)歸納為人類干擾、自然干擾和生物干擾這3個(gè)方面。有效地得到研究區(qū)生態(tài)敏感性分布及其時(shí)空變化結(jié)果。但考慮到影響生態(tài)敏感性的因子具有綜合性和復(fù)雜性等特點(diǎn),而就目前的評(píng)價(jià)技術(shù)和實(shí)踐還不能做到精確與全面的評(píng)價(jià)。此外,本文在歸納生態(tài)敏感性影響因素及其表征指數(shù)時(shí)仍存在不足之處,且這種思路與方法有待于進(jìn)一步驗(yàn)證其準(zhǔn)確性。但從綜合評(píng)價(jià)區(qū)域生態(tài)敏感性視角來(lái)看,利用該文提出的基于生態(tài)距離計(jì)算方法得到的綜合生態(tài)敏感性指數(shù)仍然為其他類似區(qū)域提供了一種全新的視角和思路,是今后值得深入探索和推廣使用的方法。
5 結(jié)論
(1)1987—2016年間石羊河流域生態(tài)敏感性總體上逐年降低,CESI值從1987年的1.143上升到2016年的1.287,這反映出流域生態(tài)環(huán)境當(dāng)前還是向著可持續(xù)發(fā)展的方向發(fā)展。但另一方面,流域中下游綠洲區(qū)生態(tài)敏感性逐漸升高,且在綠洲外圍區(qū)呈現(xiàn)兩極分化現(xiàn)象(圖8)。此外,流域大部分區(qū)域生態(tài)敏感性變化波動(dòng)較為頻繁,波動(dòng)變化的區(qū)域面積為20793.23 km2,占流域總面積的51.24%,呈現(xiàn)不穩(wěn)定變化態(tài)勢(shì),此類問(wèn)題應(yīng)引起相關(guān)部門的重視。
(2)流域生態(tài)敏感性整體偏高,空間分異明顯。極度、重度和中度敏感區(qū)占比較高,1987—2016年間,三者占比之和分別為59.39%、53.95%、55.88%、57.81%。生態(tài)敏感性空間差異顯著,不敏感區(qū)主要聚集分布在流域的上游,極度敏感區(qū)和重度敏感區(qū)主要聚集分布在流域的下游沙漠腹地和綠洲與沙漠過(guò)渡地帶,這說(shuō)明流域生態(tài)敏感性與人類活動(dòng)及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有較為密切的關(guān)系。
(3)研究發(fā)現(xiàn),目前流域生態(tài)敏感性整體趨于好轉(zhuǎn),但局部地區(qū)有惡化的趨勢(shì),敏感性波動(dòng)升高的區(qū)域占總面積的22.43%,這說(shuō)明一方面在國(guó)家宏觀政策的引導(dǎo)下,當(dāng)?shù)卦谏鷳B(tài)環(huán)境保護(hù)方面做了大量工作,另一方面也表現(xiàn)出在全球生態(tài)環(huán)境逐漸惡化的大背景下,當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境治理工作仍然任重道遠(yuǎn)。
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李振亞, 魏 偉,*, 周 亮, 郭澤呈, 頡斌斌, 周俊菊
1 西北師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 蘭州 730070 2 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所資源與環(huán)境信息系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100010 3 蘭州城市學(xué)院旅游學(xué)院, 蘭州 730070
進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái),人們對(duì)生產(chǎn)、生活空間的需求不斷增長(zhǎng),城鎮(zhèn)空間、農(nóng)業(yè)空間和生態(tài)空間的矛盾進(jìn)一步加劇,導(dǎo)致生態(tài)空間不斷被擠壓,生態(tài)功能破壞,生態(tài)系統(tǒng)退化,生態(tài)環(huán)境惡化等一系列區(qū)域生態(tài)安全問(wèn)題[1- 2]。而生態(tài)敏感性作為反映區(qū)域潛在生態(tài)問(wèn)題的重要參數(shù),對(duì)其進(jìn)行探索研究對(duì)區(qū)域生態(tài)建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。
敏感性的概念最初由醫(yī)學(xué)和生物學(xué)學(xué)者提出,20世紀(jì)70年代Coleman G和DeCoursey DG將敏感性的概念引入生態(tài)學(xué)領(lǐng)域,開(kāi)啟了生態(tài)敏感性研究的序幕[3]。當(dāng)前,生態(tài)敏感性的研究主要集中于對(duì)區(qū)域景觀的敏感性研究,如對(duì)濕地[4]、地下水[5]、林帶[6]、水域[7]等進(jìn)行研究；對(duì)環(huán)境演變過(guò)程中的生態(tài)敏感性研究,主要是對(duì)酸雨[8]、土壤侵蝕[9]、沙漠化[10]、鹽漬化[11]、水土流失[12]等進(jìn)行研究；對(duì)特定生態(tài)過(guò)程的敏感性研究,主要對(duì)作物光合作用[13]、作物生長(zhǎng)[14]、碳循環(huán)[15]等進(jìn)行研究；對(duì)敏感性目的的研究,主要通過(guò)敏感性評(píng)價(jià)進(jìn)行生態(tài)功能區(qū)劃分[16]、城市選址[17]和旅游區(qū)劃[18]等[19]。此外,在敏感性的研究尺度上主要包含國(guó)家[20]、省域[21]、流域[22]、市域以及縣域[23]。其研究成果主要應(yīng)用于指導(dǎo)城市規(guī)劃建設(shè)、生態(tài)保護(hù)紅線劃定、土地科學(xué)利用、生態(tài)環(huán)境保護(hù)與建設(shè)和土地資源承載力分析等方面[24]。本文在整理上述研究結(jié)果后發(fā)現(xiàn),雖然相關(guān)學(xué)者對(duì)生態(tài)敏感性的研究做了大量的工作,且取得長(zhǎng)足進(jìn)步,但對(duì)其的研究還處于發(fā)展階段,在評(píng)價(jià)指標(biāo)體系上并沒(méi)有形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),且評(píng)價(jià)指標(biāo)主題單一,存在著很大的不確定性和隨意性,造成評(píng)價(jià)體系普適性不強(qiáng)。在研究方法方面,主成分分析法、層次分析法、專家打分法等傳統(tǒng)權(quán)重方法在生態(tài)敏感性評(píng)價(jià)與分區(qū)中應(yīng)用廣泛[25]。在敏感性影響因素方面,重自然環(huán)境因素研究,而忽視了人類干擾因素的研究,造成評(píng)價(jià)結(jié)果失真。
針對(duì)上述問(wèn)題,本文以石羊河流域?yàn)槔?從人類干擾因素、自然干擾因素和生物干擾因素3個(gè)層面出發(fā),選取生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)敏感性指數(shù)、水土流失敏感性指數(shù)和生物多樣性敏感性指數(shù),構(gòu)建綜合生態(tài)敏感性模型,對(duì)石羊河流域的生態(tài)敏感性時(shí)空變化特征進(jìn)行研究。石羊河流域是我國(guó)人口最密集、水資源開(kāi)發(fā)利用程度最高、用水矛盾最突出、生態(tài)環(huán)境問(wèn)題最嚴(yán)重的干旱區(qū)內(nèi)陸河流域之一[26]。對(duì)其進(jìn)行生態(tài)敏感性研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義,如可以明確生態(tài)環(huán)境保護(hù)的重點(diǎn)區(qū)域。此外,由于當(dāng)前學(xué)術(shù)界對(duì)干旱區(qū)內(nèi)陸河流域的生態(tài)敏感性研究偏少。因此,對(duì)該區(qū)域的生態(tài)敏感性研究顯得尤為重要。鑒于此,本文以極具代表性的干旱內(nèi)陸河流域-石羊河流域?yàn)槔?為中國(guó)及全球干旱內(nèi)陸河流域的生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作提供科學(xué)參考。
1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)
1.1 研究區(qū)概況
圖1 研究區(qū)概況圖Fig.1 Research area overview
石羊河流域位于甘肅省河西走廊東部,祁連山北麓,黃土、青藏、蒙新三大地理景觀的交匯過(guò)渡地帶,東以烏鞘嶺、毛毛山、老虎山與黃河流域?yàn)榻?西以大黃山、馬營(yíng)灘與黑河流域?yàn)榻纭５乩砦恢媒橛?01°22′—104°16′ E, 36°29′—39°27′N (圖1)[27]。流域行政區(qū)劃包括涼州區(qū)、金昌市、民勤縣、古浪縣全部與天祝縣部分地區(qū),還有張掖肅南裕固族自治縣和山丹縣的部分區(qū)域、白銀市景泰縣的少部分地區(qū)?？偯娣e約為4.16×104km2。流域內(nèi)地勢(shì)南高北低,自西南向東北傾斜,且深居大陸腹地,屬大陸性溫帶干旱氣候,降水稀少,蒸發(fā)強(qiáng)烈。上游覆被類型有亞寒帶針葉林、溫帶闊葉林和灌叢,間有高山草甸,中下游為人工灌溉綠洲和荒漠化植被。
1.2 數(shù)據(jù)源
本研究的數(shù)據(jù)主要包括土地利用、DEM、NDVI、坡度、土壤侵蝕、降水量及石羊河流域基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)等。其中土地利用數(shù)據(jù)來(lái)源于地理國(guó)情監(jiān)測(cè)云平臺(tái)(www.dsac.cn),時(shí)間為1987—2016年。DEM數(shù)據(jù)來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn)。NDVI數(shù)據(jù)由Landsat TM/OIL影像計(jì)算獲取,Landsat TM/OIL影像來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn)。坡度數(shù)據(jù)是利用ArcGIS10.2的Spatial Analyst工具從高程數(shù)據(jù)中提取所得。土壤侵蝕數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺(tái)(http://www.resdc.cn)。降水?dāng)?shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)的中國(guó)地面氣候資料數(shù)據(jù)集,時(shí)間為1987—2016年,通過(guò)ArcGIS10.2軟件插值成100m×100m分辨率的柵格數(shù)據(jù)。 最后將所有數(shù)據(jù)的分辨率通過(guò)重采樣為100m×100m。
2 研究方法
2.1 綜合生態(tài)敏感性模型的構(gòu)建
本研究在對(duì)現(xiàn)有生態(tài)敏感性的研究及對(duì)石羊河流域諸多地理生態(tài)環(huán)境問(wèn)題綜合分析的基礎(chǔ)上,經(jīng)過(guò)調(diào)查研究與相關(guān)資料查閱,將石羊河流域生態(tài)敏感性分為生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)敏感性、水土流失敏感性、生物多樣性敏感性三個(gè)模塊,利用這三個(gè)模塊構(gòu)建綜合生態(tài)敏感性模型,對(duì)石羊河流域的生態(tài)敏感性狀況進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。
2.1.1生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)敏感性指數(shù)
生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)敏感性指數(shù)是生態(tài)系統(tǒng)及其組分受自然或人類活動(dòng)脅迫程度的反映,本文更側(cè)重于人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的脅迫程度的研究[28-29]。土地利用是人與自然交互作用的核心環(huán)節(jié),它與諸多環(huán)境與生態(tài)問(wèn)題密切相關(guān)[30]。因此,本文在此模塊中運(yùn)用土地利用數(shù)據(jù)研究生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)敏感性,其表達(dá)式為：
(1)
式中,F為生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)；i為各類土地利用類型；Si為樣地內(nèi)第i種土地利用類型的面積；Wi為第i種土地利用類型所反映的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)強(qiáng)度權(quán)重；S為樣地總面積。通過(guò)借鑒前人的研究成果[31],同時(shí)結(jié)合石羊河流域土地利用實(shí)際狀況,將生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)強(qiáng)度權(quán)重分別設(shè)定為：林地0.14,草地0.16,耕地0.32,水域0.45,未利用地0.82,建設(shè)用地0.72.
2.1.2水土流失敏感性指數(shù)
水土流失敏感性指數(shù)是反映生態(tài)過(guò)程中發(fā)生水土流失的潛在可能性及其程度。根據(jù)Wischmeier和Smith提出的通用土壤侵蝕方程(USLE)[32-33],水土流失敏感性指數(shù)表達(dá)式為：
A=R×K×LS×C×P
(2)
式中,A為土壤侵蝕量；R為降水侵蝕力；K為土壤因子；LS為坡度坡長(zhǎng)因子；C為地表覆蓋因子；P為人工措施因子。
2.1.3生物多樣性敏感性指數(shù)
根據(jù)最小累計(jì)阻力模型[34-35],生物多樣性敏感性可以用生物空間流動(dòng)阻力來(lái)表征,生物空間流動(dòng)阻力值越大,生物多樣性的敏感性越高。最小累計(jì)阻力模型表達(dá)公式為：
(3)
式中,MCR為最小累計(jì)阻力；f為MCR與變量(Dij×Ri)之間的函數(shù)；Dij為源j到景觀i的距離；Ri為景觀單元i對(duì)景觀流向某個(gè)方向擴(kuò)散的阻力。
“源”：源地一般在生態(tài)過(guò)程中發(fā)揮重要作用,具有空間擴(kuò)展性、連續(xù)性,是生境質(zhì)量極高的區(qū)域。本文借鑒前人的研究成果[31],選用自然保護(hù)區(qū)核心區(qū)及面積大于100hm2且在空間上具有連續(xù)性、面積較大的林地和水域作為生態(tài)“源”。
阻力面的建立：參考有關(guān)文獻(xiàn)[34-37],結(jié)合研究區(qū)的實(shí)際情況,選用生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量與植被覆蓋度作為阻力因子,將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量因子和植被覆蓋度因子的權(quán)重各設(shè)置為0.5。根據(jù)“阻力面=生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量×0.5+植被覆蓋度×0.5”,運(yùn)用柵格計(jì)算器進(jìn)行柵格計(jì)算生成阻力面,再利用MCR模型獲得生物空間流動(dòng)阻力表面。
2.1.4綜合生態(tài)敏感性
傳統(tǒng)的生態(tài)敏感性評(píng)價(jià)多采用主觀賦權(quán)重的方法,為克服傳統(tǒng)的賦權(quán)法,本文以歸一化生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)敏感性指數(shù)、歸一化水土流失敏感性指數(shù)和歸一化生物多樣性敏感性指數(shù)的最大值為空間中生態(tài)敏感性最高點(diǎn),計(jì)算空間中其他點(diǎn)到敏感性最高點(diǎn)的距離來(lái)構(gòu)建綜合生態(tài)敏感性指數(shù)(Comprehensive ecological sensitivity index,CESI),距離越大,指數(shù)越大,生態(tài)敏感性越低,反之越高(圖2)。CESI的計(jì)算公式如下[38]：
(4)
式中,CESI為綜合生態(tài)敏感性指數(shù)；F為某一像元的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)敏感性指數(shù)；A為某一像元的水土流失敏感性指數(shù)；MCR為某一像元的生物多樣性敏感性指數(shù)。
圖2 綜合生態(tài)敏感性指數(shù)構(gòu)建原理圖(X軸為水土流失指數(shù),Y軸為生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù),Z軸為生物多樣性指數(shù))Fig.2 Schematic diagram of the comprehensive ecological sensitivity index(X-axis is the soil erosion index, the Y-axis is the ecological risk index, and the Z-axis is the biodiversity index)
2.2 生態(tài)敏感性變化模式分析
網(wǎng)格是突破行政界線并在空間上表達(dá)生態(tài)敏感性變化的有效方法[39]。它可以通過(guò)網(wǎng)格編碼反映生態(tài)敏感區(qū)在空間上的聚集情況。本文將研究區(qū)劃分為1km×1km等大小的格網(wǎng)單元,分析研究區(qū)長(zhǎng)時(shí)間序列的生態(tài)敏感區(qū)變化。格網(wǎng)累計(jì)變化模型的公式為：
(5)
式中,C為同一格網(wǎng)內(nèi)生態(tài)敏感性累計(jì)變化次數(shù)；n為樣本年；Gi為前一期的生態(tài)敏感性代碼；Gi+1為后一期的生態(tài)敏感性代碼。其中,當(dāng)Gi-Gi+1<0時(shí),生態(tài)敏感性變差,令Gi-Gi+1=-1。即生態(tài)敏感性變差一次；當(dāng)Gi-Gi+1>0時(shí),生態(tài)敏感性變好,令Gi-Gi+1=1。即生態(tài)敏感性變好一次；,當(dāng)Gi-Gi+1=0時(shí),生態(tài)敏感性不變。
生態(tài)敏感性變化模式及分類描述：為了更好地了解生態(tài)敏感性的變化,我們將生態(tài)敏感性變化分為不敏感區(qū)、輕度敏感區(qū)、中度敏感區(qū)、重度敏感區(qū)和極度敏感區(qū),又將其代碼分別賦值為：1、2、3、4、5。此外,本文結(jié)合編碼方法,運(yùn)用排列組合等數(shù)學(xué)算法獲得不同代碼的總數(shù),然后采用分區(qū)方法將生態(tài)敏感性變化模式分為不同的類型,具體的生態(tài)敏感性變化模式劃分標(biāo)準(zhǔn)如下(表1)。
表1 生態(tài)敏感性變化模式劃分標(biāo)準(zhǔn)述
2.3 圈層分析
圈層分析是基于圈層結(jié)構(gòu)理論,以區(qū)域幾何中心依次向外發(fā)展為依據(jù),在對(duì)研究區(qū)進(jìn)行緩沖區(qū)分析及方向劃定之后,按照劃分不同圈層和不同方向?qū)ρ芯繀^(qū)的生態(tài)敏感性變化進(jìn)行分析的一種方法[39]。本文以石羊河流域幾何中心為圓心,構(gòu)建半徑為15km的圓形緩沖區(qū)(圖3),再將其分為東北、西北、西南、東南四個(gè)不同方向。利用時(shí)間序列分析方法對(duì)每個(gè)圓環(huán)內(nèi)的生態(tài)敏感區(qū)變化進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。最終構(gòu)建了12個(gè)圓形層,覆蓋整個(gè)研究區(qū)。在ArcGIS中分別對(duì)1987、1995、2006、2016年每個(gè)圓環(huán)內(nèi)的各類生態(tài)敏感區(qū)面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。
圖3 圈層分析示意圖Fig.3 Circle analysis diagram
3 結(jié)果與分析
3.1 單指標(biāo)生態(tài)敏感性空間分布特征
由圖4可以看出,石羊河流域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)敏感性呈現(xiàn)由西南向東北升高的趨勢(shì),且流域內(nèi)大部分區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較高。從空間分布來(lái)看,生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)敏感性較高的區(qū)域主要分布在流域中下游,而上游的敏感性相對(duì)較低。這主要是流域上游祁連山區(qū)水資源充沛,人類活動(dòng)少,生態(tài)破壞小。流域中游綠洲區(qū)是人類聚居區(qū),經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá),人口密度大,城鎮(zhèn)建設(shè)用地和居民點(diǎn)廣布,人類對(duì)自然環(huán)境的開(kāi)發(fā)力度較大,這使得中游生態(tài)環(huán)境十分嚴(yán)峻。流域下游地區(qū)分布著大量戈壁荒漠,該區(qū)域景觀類型單一,生物量較少,生態(tài)環(huán)境極度敏感。
由圖5可以看出,研究區(qū)水土流失敏感性較高的區(qū)域主要分布在流域上游的祁連山山區(qū),植被覆蓋較高的區(qū)域水土流失敏感性較低。這主要是流域上游山區(qū)坡度較大,降水較多,且為石羊河流域主干河發(fā)源地,水域充沛,水土流失也最為嚴(yán)重。中、下游地區(qū)地勢(shì)較平坦,降水較少,且綠洲區(qū)植被覆蓋較高,水土流失較少。
由圖6可以看出,研究區(qū)生物多樣性敏感性空間分布趨勢(shì)總體上與生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)敏感性類似。流域上游及河流周邊區(qū)域的生物多樣性敏感性較低,這里水量豐沛,植被覆蓋高,動(dòng)植物資源豐富,自我調(diào)節(jié)能力較強(qiáng)。生物多樣性敏感性較高的區(qū)域主要分布在流域下游的綠洲-沙漠過(guò)渡帶及沙漠區(qū),該區(qū)域水資源匱乏,動(dòng)植物資源稀少,生態(tài)彈性差,自我修復(fù)能力弱,生物多樣性敏感性極高。
3.2 綜合生態(tài)敏感性時(shí)空變化分析
研究結(jié)果表明,1987—2016年間石羊河流域的CESI均值先降低再升高,從1987年的1.143降低到1995年的1.137,再降低到2006年的1.130,后又升高到2016年的1.287,這表明自2006年后研究區(qū)綜合生態(tài)敏感性明顯降低。此外,為更好的探討流域生態(tài)敏感性的時(shí)空變化,本文對(duì)4個(gè)時(shí)期的生態(tài)敏感性進(jìn)行分級(jí),共分為5級(jí)：不敏感區(qū)(S≤0.15)、輕度敏感區(qū)(0.15 從空間分布來(lái)看,綜合生態(tài)敏感性較高的區(qū)域主要分布在流域下游巴丹吉林沙漠和騰格里沙漠區(qū)。此外,在流域綠洲的外圍區(qū)域生態(tài)敏感性也較高。生態(tài)敏感性較低的區(qū)域主要分布在流域的中上游,主要包括流域上游的祁連山山區(qū)和中游的綠洲內(nèi)部。 表2 石羊河流域綜合生態(tài)敏感性分區(qū)面積統(tǒng)計(jì)表 圖4 生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)敏感性圖Fig.4 Ecological risk sensitivity map 圖5 水土流失敏感性圖Fig.5 Soil erosion sensitivity map 圖6 生物多樣性敏感性圖Fig.6 Biodiversity sensitivity map 圖7 綜合生態(tài)敏感性圖Fig.7 Integrated ecological sensitivity map 為了更加深入的認(rèn)識(shí)石羊河流域生態(tài)敏感性變化的時(shí)空特征和規(guī)律,需要同時(shí)從空間分布和數(shù)量變化兩個(gè)方面確定每一個(gè)格網(wǎng)上生態(tài)敏感性的動(dòng)態(tài)變化情況。因此,本文通過(guò)格網(wǎng)編碼法將石羊河流域生態(tài)敏感性變化特征劃分為兩大分區(qū)(表1)：常年不變區(qū)(表3)和波動(dòng)變化區(qū)(表4),又將常年不變區(qū)又分為常年不敏感區(qū)、常年輕度敏感區(qū)、常年中度敏感區(qū)、常年重度敏感區(qū)和常年極度敏感區(qū)(圖8a)。其中常年不敏感區(qū)和常年輕度敏感區(qū)主要分布在流域的上游地區(qū),常年中度敏感區(qū)和常年重度敏感區(qū)主要分布在流域中游和下游的綠洲區(qū)邊緣,常年極度敏感區(qū)主要分布在流域下游的沙漠區(qū)。石羊河流域生態(tài)敏感性常年不變分區(qū)面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明(表3),常年極度敏感區(qū)占所有分區(qū)的37.84%,是分區(qū)中面積最大的區(qū)。這表明石羊河流域生態(tài)敏感較高。同時(shí)又將波動(dòng)變化區(qū)分為波動(dòng)升高區(qū)和波動(dòng)降低區(qū)(圖8b)。波動(dòng)變化區(qū)主要集中于流域中下游的綠洲區(qū)。 從生態(tài)敏感性變化分區(qū)圖(1987—2016年)可以看出(圖8b),敏感性波動(dòng)降低的區(qū)域主要分布在流域中下游綠洲外圍區(qū)域。敏感性波動(dòng)升高的區(qū)域主要分布在流域中下游綠洲區(qū)。相比常年不變區(qū),波動(dòng)變化區(qū)面積更大,占總面積的51.24%,這表明,石羊河流域生態(tài)敏感性變化比較活躍。此外,根據(jù)波動(dòng)變化分區(qū)面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果(表4),敏感性波動(dòng)降低的區(qū)域面積為11693.57km2,占波動(dòng)變化區(qū)總面積的56.24%。敏感性波動(dòng)升高的區(qū)域面積為9099.66km2,占波動(dòng)變化區(qū)總面積的43.76%,這表明石羊河流域近30年來(lái)生態(tài)敏感性有所降低,尤其是流域中下游綠洲外圍區(qū)域,說(shuō)明近些年來(lái)石羊河流域生態(tài)環(huán)境治理取得積極效果。但與此同時(shí),由于中下游綠洲區(qū)人類生產(chǎn)、生活活動(dòng)較多,該地區(qū)的生態(tài)敏感性波動(dòng)升高,需引起高度重視。 表3 石羊河流域生態(tài)敏感性常年不變分區(qū)面積統(tǒng)計(jì)表 表4 波動(dòng)變化分區(qū)面積統(tǒng)計(jì)表 圖8 生態(tài)敏感性變化分區(qū)圖Fig.8 Zoning map of ecological sensitivity change 為準(zhǔn)確了解生態(tài)敏感性在不同方向、不同距離上的變化,本文將研究區(qū)1987、1995、2006和2016年4期綜合生態(tài)敏感性分區(qū)與劃分后的圈層矢量數(shù)據(jù)分別進(jìn)行疊加,計(jì)算各圈層內(nèi)各個(gè)方向上不同敏感區(qū)的面積所占比例,得出不敏感區(qū)、輕度敏感區(qū)、中度敏感區(qū)、重度敏感區(qū)和極度敏感區(qū)5種分區(qū)在各個(gè)圈層、各個(gè)方向上的分布(圖9)。由圖10可以看出,1987—2016年間石羊河流域不敏感區(qū)在第六圈層分布最廣,且主要分布在西南象限,東南象限也有分布,但比重不大。極度敏感區(qū)分布范圍較廣,在西北象限、東北象限和東南象限都有所分布?？傮w而言,石羊河流域西南象限的生態(tài)敏感性最低,除了不敏感區(qū)、輕度敏感區(qū)和中度敏感區(qū)有所分布,再無(wú)其他類型敏感區(qū)分布。其次是東南象限,極度敏感區(qū)集中分布在2—5圈層,且極度敏感區(qū)與重度敏感區(qū)在整個(gè)東南象限的面積占比較低。西北象限和東北象限敏感性最高,二者包含了所有的敏感性分區(qū)類型。雖然相比西北象限,東北象限的極度敏感區(qū)分布圈層廣,總面積多,但西北象限在圈層內(nèi)的面積比重更大,且分布面積也較多。此外,二者都有敏感性隨圈層的增加而升高的共同規(guī)律,因此本文將西北象限和東北象限一起劃分為生態(tài)環(huán)境治理的重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域。值得注意的是,4個(gè)象限中,極度敏感區(qū)主要分布在西北象限和東北象限的外緣,這也體現(xiàn)了干旱內(nèi)陸河流域生態(tài)敏感性的空間分布特征。 圖9 分區(qū)結(jié)果圈層疊加示意圖Fig.9 Partition result circle layer overlay diagram 圖10 圈層分析圖Fig.10 Circle analysis chart 本文考慮到評(píng)價(jià)指標(biāo)間可能會(huì)存在信息重疊影響生態(tài)敏感性的評(píng)價(jià),因此運(yùn)用SPSS軟件,用輔助回歸方法對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)間的共線性狀況進(jìn)行檢驗(yàn)。通常，學(xué)術(shù)界一般用方差膨脹因子(VIF)和容忍度(TOL)表示共線性程度,TOL<0.1和VIF>10表明所選指標(biāo)的共線性比較嚴(yán)重。本文以2016年石羊河流域各指標(biāo)為例探討指標(biāo)間的共線性程度,共線性統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明(表5)：生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)敏感性指數(shù)、水土流失敏感性指數(shù)和生物多樣性敏感性指數(shù)之間不存在嚴(yán)重的共線性,具備構(gòu)建生態(tài)敏感性評(píng)價(jià)指標(biāo)的合理性。 生態(tài)敏感性是自然環(huán)境和人類活動(dòng)共同作用的結(jié)果,自然環(huán)境決定了石羊河流域的生態(tài)環(huán)境與人類生存狀況,而人類活動(dòng)反過(guò)來(lái)可以改變石羊河流域生態(tài)環(huán)境的原本面貌。從單指標(biāo)生態(tài)敏感性時(shí)空變化特征來(lái)看,生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)敏感性、水土流失敏感性和生物多樣性敏感性總體上呈下降趨勢(shì)。因此,受單指標(biāo)敏感性影響,流域綜合生態(tài)敏感性總體上也呈現(xiàn)出好轉(zhuǎn)趨勢(shì),尤其是流域中下游綠洲外圍區(qū)域,這反映出流域的生態(tài)環(huán)境總體上是向著可持續(xù)的方向在發(fā)展。其中,綠洲中下游綠洲外圍區(qū)敏感性降低,主要因?yàn)?009年9月以來(lái),甘肅省開(kāi)始實(shí)施景電二期工程,開(kāi)始將黃河水調(diào)入石羊河,使得石羊河流域可用水量增加,緩解了流域生物生存需水壓力。且2007年國(guó)務(wù)院頒布《石羊河流域重點(diǎn)治理規(guī)劃》,自此以后,當(dāng)?shù)卣畬?duì)石羊河流域?qū)嵤┮幌盗兄卫泶胧?如關(guān)井壓田、節(jié)水灌溉、人工壓沙、退耕造林、生態(tài)移民等措施。關(guān)井壓田措施緩解了因過(guò)度抽取地下水而導(dǎo)致的地下水埋深問(wèn)題；節(jié)水灌溉措施提高了流域的用水效率,節(jié)省了農(nóng)業(yè)灌溉用水量,保證了生態(tài)用水量；人工壓沙措施通過(guò)人為干預(yù),防范騰格里沙漠和巴丹吉林沙漠對(duì)流域生態(tài)環(huán)境的侵蝕；退耕造林和生態(tài)移民措施減輕了人類活動(dòng)對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的破壞。這一系列措施的實(shí)施對(duì)全流域,尤其是中下游綠洲外圍區(qū)域的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)敏感性、水土流失敏感性和生物多樣性敏感性的降低起到重要作用,從而使得該區(qū)域的綜合生態(tài)敏感性狀況得到改善[38]。與此同時(shí),流域中下游綠洲區(qū)隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,人口不斷聚集,土地利用強(qiáng)度進(jìn)一步加大,生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)敏感性、水土流失敏感性和生物多樣性敏感性逐年升高。這使得該區(qū)域的綜合生態(tài)敏感性呈逐年升高趨勢(shì)。 表5 共線性診斷結(jié)果 本文在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上,通過(guò)生態(tài)距離法構(gòu)建綜合生態(tài)敏感性指數(shù),將評(píng)價(jià)指標(biāo)歸納為人類干擾、自然干擾和生物干擾這3個(gè)方面。有效地得到研究區(qū)生態(tài)敏感性分布及其時(shí)空變化結(jié)果。但考慮到影響生態(tài)敏感性的因子具有綜合性和復(fù)雜性等特點(diǎn),而就目前的評(píng)價(jià)技術(shù)和實(shí)踐還不能做到精確與全面的評(píng)價(jià)。此外,本文在歸納生態(tài)敏感性影響因素及其表征指數(shù)時(shí)仍存在不足之處,且這種思路與方法有待于進(jìn)一步驗(yàn)證其準(zhǔn)確性。但從綜合評(píng)價(jià)區(qū)域生態(tài)敏感性視角來(lái)看,利用該文提出的基于生態(tài)距離計(jì)算方法得到的綜合生態(tài)敏感性指數(shù)仍然為其他類似區(qū)域提供了一種全新的視角和思路,是今后值得深入探索和推廣使用的方法。 (1)1987—2016年間石羊河流域生態(tài)敏感性總體上逐年降低,CESI值從1987年的1.143上升到2016年的1.287,這反映出流域生態(tài)環(huán)境當(dāng)前還是向著可持續(xù)發(fā)展的方向發(fā)展。但另一方面,流域中下游綠洲區(qū)生態(tài)敏感性逐漸升高,且在綠洲外圍區(qū)呈現(xiàn)兩極分化現(xiàn)象(圖8)。此外,流域大部分區(qū)域生態(tài)敏感性變化波動(dòng)較為頻繁,波動(dòng)變化的區(qū)域面積為20793.23 km2,占流域總面積的51.24%,呈現(xiàn)不穩(wěn)定變化態(tài)勢(shì),此類問(wèn)題應(yīng)引起相關(guān)部門的重視。 (2)流域生態(tài)敏感性整體偏高,空間分異明顯。極度、重度和中度敏感區(qū)占比較高,1987—2016年間,三者占比之和分別為59.39%、53.95%、55.88%、57.81%。生態(tài)敏感性空間差異顯著,不敏感區(qū)主要聚集分布在流域的上游,極度敏感區(qū)和重度敏感區(qū)主要聚集分布在流域的下游沙漠腹地和綠洲與沙漠過(guò)渡地帶,這說(shuō)明流域生態(tài)敏感性與人類活動(dòng)及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有較為密切的關(guān)系。 (3)研究發(fā)現(xiàn),目前流域生態(tài)敏感性整體趨于好轉(zhuǎn),但局部地區(qū)有惡化的趨勢(shì),敏感性波動(dòng)升高的區(qū)域占總面積的22.43%,這說(shuō)明一方面在國(guó)家宏觀政策的引導(dǎo)下,當(dāng)?shù)卦谏鷳B(tài)環(huán)境保護(hù)方面做了大量工作,另一方面也表現(xiàn)出在全球生態(tài)環(huán)境逐漸惡化的大背景下,當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境治理工作仍然任重道遠(yuǎn)。3.3 生態(tài)敏感性變化模式分析
3.4 生態(tài)敏感性圈層變化分析
4 討論
4.1 指標(biāo)共線性診斷
4.2 石羊河流域生態(tài)敏感性演變動(dòng)因
4.3 研究結(jié)果的不確定性分析
5 結(jié)論
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