劉 慧,師學(xué)義

〔中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院,北京 100083〕

生態(tài)脆弱性是生態(tài)系統(tǒng)在特定時(shí)間和空間尺度上,相對(duì)于外界擾動(dòng)而具有的敏感反應(yīng)和恢復(fù)狀態(tài),是生態(tài)系統(tǒng)固有屬性在干擾作用下的表現(xiàn)[1]。我國(guó)是世界上生態(tài)脆弱區(qū)分布面積最大、脆弱生態(tài)類(lèi)型最多、生態(tài)脆弱性表現(xiàn)最為明顯的國(guó)家之一[2],生態(tài)脆弱性研究一直處于重要地位。國(guó)內(nèi)最早于20世紀(jì)80年代開(kāi)展生態(tài)脆弱性研究[3],最初研究集中針對(duì)生態(tài)脆弱帶、生態(tài)過(guò)渡帶(ecotone)或脆弱生態(tài)。目前,有關(guān)生態(tài)脆弱性的研究也從單一生態(tài)要素逐漸發(fā)展到關(guān)注區(qū)域人地系統(tǒng)的整體性[4]。以西南喀斯特地區(qū)、北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶、南方丘陵區(qū)、青藏高原區(qū)和西北干旱區(qū)為研究區(qū)域的實(shí)證研究最多[5],研究尺度以行政級(jí)別劃分的省、市、縣尺度,流域和地區(qū)尺度最為常見(jiàn)。研究?jī)?nèi)容則覆蓋理論探究和發(fā)展研究、格局和過(guò)程的空間分異特征研究、生態(tài)脆弱區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展研究、生態(tài)修復(fù)和重建研究以及生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)等多個(gè)方面[6]。其中,作為生態(tài)脆弱性研究的核心內(nèi)容,生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)是識(shí)別脆弱區(qū)生態(tài)狀況的重要手段之一,受到眾多學(xué)者的關(guān)注[7]。評(píng)價(jià)類(lèi)型包括靜態(tài)評(píng)價(jià)和動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)[8],評(píng)價(jià)模型主要包括“成因-結(jié)果”[9]、“壓力-狀態(tài)-響應(yīng)”[10]、“暴露-敏感-適應(yīng)”[11]、“敏感-彈性-壓力”[12]、“生態(tài)敏感力-生態(tài)恢復(fù)力-生態(tài)壓力度”[13]和“多系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)”[14]等。研究方法有綜合指數(shù)法、物元可拓法、模糊綜合決策分析法和AHP結(jié)合、基于格網(wǎng)GIS、空間主成分分析法以及3S技術(shù)方法等,分析方法由數(shù)理模型分析向3S空間分析轉(zhuǎn)變,將生態(tài)脆弱性研究不斷向縱深推進(jìn)[15]。

靜樂(lè)縣位于汾河上游,是黃土高原土壤保持重要區(qū)和山西最重要水源涵養(yǎng)區(qū),生態(tài)戰(zhàn)略地位十分突出。同時(shí),該縣也是典型生態(tài)脆弱區(qū)和深度貧困區(qū),生態(tài)脆弱與貧困問(wèn)題交加,亟需開(kāi)展生態(tài)治理和修復(fù)。因此,開(kāi)展靜樂(lè)縣生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)研究對(duì)改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境、提升生態(tài)功能,實(shí)現(xiàn)人與自然和諧發(fā)展具有重要科學(xué)和現(xiàn)實(shí)意義。但目前,鮮有學(xué)者針對(duì)該區(qū)域開(kāi)展生態(tài)脆弱性研究?；诖?采用空間主成分分析方法對(duì)2007—2017年靜樂(lè)縣生態(tài)脆弱性進(jìn)行動(dòng)態(tài)定量評(píng)價(jià),揭示區(qū)域生態(tài)脆弱性演變特征,根據(jù)生態(tài)脆弱性時(shí)空轉(zhuǎn)移變化進(jìn)行分區(qū)探索,分析其致變因素并提出相應(yīng)對(duì)策和建議,以期為靜樂(lè)縣及同類(lèi)型地區(qū)開(kāi)展生態(tài)脆弱性研究提供新思路和新方法。同時(shí),靜樂(lè)縣作為山西省汾河中上游山水林田湖草生態(tài)保護(hù)修復(fù)工程試點(diǎn)區(qū)域之一[16-17],對(duì)其開(kāi)展生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)可完善區(qū)域基礎(chǔ)研究,為靜樂(lè)縣統(tǒng)籌山水林田湖草綜合治理,因地制宜開(kāi)展生態(tài)修復(fù)與治理工作提供數(shù)據(jù)支撐和科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

靜樂(lè)縣屬于忻州市,位于晉西北黃土高原,汾河上游,距太原市約81 km,地理坐標(biāo)為北緯38°08′～38°40′、東經(jīng)110°43′～112°20′(圖1)。

圖1 研究區(qū)地理位置

靜樂(lè)縣東臨忻府區(qū),西交嵐縣,南與婁煩接壤,北與寧武毗鄰,靜樂(lè)縣總面積為2 036.57 km2。該地海拔為1 092～2 422 m,相對(duì)高度為1 330 m,為典型山地丘陵地貌區(qū),具體可分為土石山區(qū)、黃土丘陵區(qū)和河川區(qū)3種類(lèi)型。研究區(qū)屬北溫帶大陸性氣候區(qū),年平均氣溫為3.5～6.8 ℃,全年無(wú)霜期為90～145 d,全年≥10 ℃積溫為2 698.6 ℃,歷年平均降水量為420～704 mm,歷年平均蒸發(fā)量為2 860.2 mm。全年降水冬春少,夏秋多,7—9月降水量達(dá)全年降水量的56%,春季降水量只占全年降水量的11.7%。靜樂(lè)縣轄4鎮(zhèn)10鄉(xiāng),2017年年末常住人口為16.16萬(wàn),全年生產(chǎn)總值為29.04億元。

2 研究方法

2.1 生態(tài)脆弱性指標(biāo)構(gòu)建

2.1.1評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立

以30 m柵格為最小評(píng)價(jià)單元,從生態(tài)脆弱性成因角度出發(fā),選擇人文、土地利用和植被為生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)人為因素(人為干擾脆弱);選擇氣候、土壤和地形地貌為生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)自然因素(自然潛在脆弱)。同時(shí)考慮數(shù)據(jù)可獲得性及可操作性,構(gòu)建研究區(qū)生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(表1)。

2.1.2指標(biāo)歸一化

由于評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)類(lèi)型及量綱不同,無(wú)法直接進(jìn)行評(píng)價(jià),因此需在評(píng)價(jià)前對(duì)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理,以消除量綱影響。對(duì)于定量指標(biāo)和定性指標(biāo)分別采用極差法和分等級(jí)賦值法,使其標(biāo)準(zhǔn)化值在0～1之間。定量評(píng)價(jià)指標(biāo)與生態(tài)脆弱性的關(guān)系有正向和負(fù)向之分。正向關(guān)系指標(biāo)數(shù)值越大,生態(tài)脆弱性越高;負(fù)向關(guān)系指標(biāo)數(shù)值越小,生態(tài)脆弱性越高。為便于進(jìn)一步研究,將負(fù)向指標(biāo)正向化,使指標(biāo)作用方向一致,正向指標(biāo)和負(fù)向指標(biāo)分別采用不同標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算公式。

表1 生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

Table 1 Index system assessment of ecological vulnerability

目標(biāo)層因素層準(zhǔn)則層指標(biāo)層指標(biāo)說(shuō)明和計(jì)算方法數(shù)據(jù)來(lái)源 生態(tài)脆弱性綜合評(píng)價(jià)(A)人為因素(人為干擾脆弱)(B1)人文(C1)人口密度(D1)正向指標(biāo)。人口數(shù)量/土地面積2008—2018年忻州市統(tǒng)計(jì)年鑒、2013—2017年靜樂(lè)縣統(tǒng)計(jì)年鑒 人均GDP(D2)負(fù)向指標(biāo)。GDP/人口數(shù)量人均糧食產(chǎn)量(D3)負(fù)向指標(biāo)。糧食產(chǎn)量/人口數(shù)量農(nóng)村居民最低生活保障人數(shù)占比(D4)正向指標(biāo)。農(nóng)村最低生活保障人數(shù)/人口數(shù)量土地利用(C2)人均耕地面積(D5)負(fù)向指標(biāo)。耕地面積/人口數(shù)量2008—2018年忻州市統(tǒng)計(jì)年鑒、2013—2017年靜樂(lè)縣統(tǒng)計(jì)年鑒 土地墾殖率(D6)正向指標(biāo)。耕地面積/土地面積植被(C3)植被覆蓋度(D7)負(fù)向指標(biāo)。利用EVNI 5.3軟件處理2007和2017年研究區(qū)遙感影像得到地理空間數(shù)據(jù)云(http:∥www.gscloud.cn/)自然因素(自然潛在脆弱)(B2)氣候(C4)年平均氣溫(D8)正向指標(biāo)。1980年以來(lái)逐年年平均氣溫空間插值數(shù)據(jù)集中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心資源環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺(tái)(http:∥www.resdc.cn/)年均降水量(D9)負(fù)向指標(biāo)。1980年以來(lái)逐年年降水量空間插值數(shù)據(jù)集土壤(C5)土壤類(lèi)型(D10)按類(lèi)型分級(jí)賦值。中國(guó)土壤類(lèi)型空間分布數(shù)據(jù)土壤侵蝕程度(D11)按類(lèi)型分級(jí)賦值。中國(guó)土壤侵蝕空間分布數(shù)據(jù)地形地貌(C6)坡度(D12)正向指標(biāo)。30 m分辨率數(shù)字高程模型(DEM)計(jì)算獲取地理空間數(shù)據(jù)云(http:∥www.gscloud.cn/) 地形起伏度(D13)正向指標(biāo)。單位面積內(nèi)最大高程值和最小高程值差值采用ArcGIS 10.0軟件提取得到高程(D14)正向指標(biāo)。30 m分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù)

(1)定量指標(biāo)處理

對(duì)人口密度、農(nóng)村居民最低生活保障人數(shù)占比、土地墾殖率、年平均氣溫、坡度、地形起伏度和高程等正向指標(biāo),其標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算公式為

(1)

對(duì)人均GDP、人均糧食產(chǎn)量、人均耕地面積、植被覆蓋度和年均降水量等負(fù)向指標(biāo),其標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算

公式為

(2)

式(1)～(2)中,Zij為柵格j上評(píng)價(jià)指標(biāo)i的標(biāo)準(zhǔn)化值;Xij為柵格j上評(píng)價(jià)指標(biāo)i的值;Xij,min和Xij,max分別為評(píng)價(jià)指標(biāo)i的最小值和最大值。

(2)定性指標(biāo)處理

參考靜樂(lè)縣土壤圖及耕地地力等級(jí)圖,結(jié)合SL 190—2007《土壤侵蝕分類(lèi)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》和HJ 192—2015《生態(tài)環(huán)境狀況評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》,參照文獻(xiàn)[18]并咨詢有關(guān)專(zhuān)家,得到研究區(qū)土壤類(lèi)型和土壤侵蝕程度等級(jí)賦值標(biāo)準(zhǔn)(表2)。

表2 指標(biāo)分等級(jí)賦值標(biāo)準(zhǔn)

Table 2 Criteria for grading and assignment of indices

標(biāo)準(zhǔn)化賦值土壤類(lèi)型土壤侵蝕程度 0.2紅黏土、新積土、粗骨土微度 0.4黃綿土輕度 0.6淋溶褐土、褐土性土中度 0.8棕壤性土強(qiáng)度 1潮土極強(qiáng)度、劇烈

2007和2017年靜樂(lè)縣生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)的14個(gè)指標(biāo)歸一化結(jié)果見(jiàn)圖2。由圖2可知,2007—2017年靜樂(lè)縣各指標(biāo)空間分布情況如下:(1)人口密度和人均GDP主要集中在以鵝城鎮(zhèn)為中心的區(qū)域內(nèi),表現(xiàn)為中心城區(qū)呈聚集分布特征。鵝城鎮(zhèn)為縣城所在地,是靜樂(lè)縣政治經(jīng)濟(jì)文化中心,相應(yīng)的人類(lèi)活動(dòng)較其他區(qū)域更為頻繁。(2)人均糧食產(chǎn)量、農(nóng)村居民最低生活保障人數(shù)占比和人均耕地面積呈增加趨勢(shì)。人均糧食產(chǎn)量和農(nóng)村居民最低生活保障人數(shù)占比指標(biāo)變化呈“西南-東北”方向性漸變趨勢(shì)。(3)植被覆蓋度、年平均氣溫、年降水量和土壤侵蝕程度呈明顯地帶性分布特征。研究區(qū)中部為河谷地帶,海拔較低,土壤侵蝕較為嚴(yán)重;兩側(cè)主要為黃土丘陵區(qū)和土石山區(qū),植被覆蓋情況較好。

2.2 分析方法

2.2.1生態(tài)脆弱性綜合評(píng)價(jià)

采用空間主成分分析(spatial principal component analysis,SPCA)方法進(jìn)行生態(tài)脆弱性綜合評(píng)價(jià),可以消除統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)之間的重疊信息,具有一定科學(xué)性。借助ENVI 5.3軟件進(jìn)行主成分分析處理,選取特征值累計(jì)貢獻(xiàn)率≥85%的主成分代表原始數(shù)據(jù)信息。將各個(gè)指標(biāo)層用ENVI 5.3軟件進(jìn)行歸一化處理之后,采用layer stacking工具進(jìn)行波段合并,再進(jìn)行SPCA操作,結(jié)果見(jiàn)表3。

根據(jù)各評(píng)價(jià)指標(biāo)主成分計(jì)算結(jié)果,獲得2007和2017年靜樂(lè)縣柵格圖像每個(gè)像元的生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)指數(shù)(eco-environmental vulnerability index, EVI,IEV),其計(jì)算公式為

(3)

(4)

IEV=r1F1+r2F2+…+rnFn。

(5)

式(3)～(5)中,Wij為主成分i中因子j的權(quán)重;aij為特征向量矩陣中主成分i中因子j的系數(shù);λi為主成分i相對(duì)應(yīng)的特征值;Fi為主成分i得分;Zj為因子j的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值;m為因子個(gè)數(shù);ri為主成分i的貢獻(xiàn)率;n為主成分個(gè)數(shù)。

2.2.2生態(tài)脆弱性等級(jí)

綜合考慮研究區(qū)特點(diǎn)及參考前人研究成果[19]和HJ 192—2015,將靜樂(lè)縣生態(tài)脆弱性劃分為5個(gè)等級(jí)(表4),EVI值越大,區(qū)域生態(tài)脆弱性越嚴(yán)重。

2.2.3生態(tài)脆弱性時(shí)空演變格局

利用ArcGIS 10.0軟件中Raster Calculator工具將2007和2017年生態(tài)脆弱性分級(jí)圖進(jìn)行空間疊加,提取生態(tài)脆弱性變化動(dòng)態(tài)圖斑[20],使用“2007年生態(tài)脆弱性等級(jí)-2017年生態(tài)脆弱性等級(jí)”表示每個(gè)柵格上2007與2017年生態(tài)脆弱性等級(jí)變化。

2.3 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

數(shù)據(jù)包括遙感影像數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型(DEM)、溫度降水和土壤等專(zhuān)題和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。遙感影像數(shù)據(jù)為地理空間數(shù)據(jù)云(http:∥www.gscloud.cn/)提供的2007年6月2日的Landsat 4-5 TM影像和2017年8月16日的Landsat 8 OLI-TIRS影像,空間分辨率均為30 m;DEM數(shù)據(jù)空間分辨率為30 m,用于提取研究區(qū)坡度和地形起伏度等信息;溫度、降水和土壤專(zhuān)題數(shù)據(jù)均來(lái)自中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心資源環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺(tái)(http:∥www.resdc.cn/),空間分辨率均為1 km;統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)自2008—2018年忻州市統(tǒng)計(jì)年鑒和2013—2017年靜樂(lè)縣統(tǒng)計(jì)年鑒。

處理數(shù)據(jù)時(shí),利用ENVI 5.3軟件對(duì)遙感影像進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正等預(yù)處理,并結(jié)合ArcGIS 10.0軟件獲取研究區(qū)植被覆蓋度指標(biāo)層數(shù)據(jù);對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)采用ArcGIS 10.0軟件中要素轉(zhuǎn)點(diǎn)和反距離插值(IDW)工具得到分辨率為30 m的柵格數(shù)據(jù)。借助ArcGIS 10.0軟件將所有指標(biāo)層地理坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為GCS-WGS-1984,投影坐標(biāo)系為橫軸墨卡托(universal transverse Mercator,UTM)投影,并重采樣為30 m空間分辨率。

圖2 2007和2017年靜樂(lè)縣14個(gè)生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)歸一化數(shù)據(jù)

表3 靜樂(lè)縣2007和2017年空間主成分分析結(jié)果

Table 3 Results of spatial principal component analysis in Jingle County in 2007 and 2017

主成分2007年2017年特征值貢獻(xiàn)率/%累計(jì)貢獻(xiàn)率/%特征值貢獻(xiàn)率/%累計(jì)貢獻(xiàn)率/% PC10.8677.3477.341.1281.5381.53 PC20.076.6383.970.085.8187.33 PC30.054.2688.230.053.5290.86 PC40.043.4791.700.042.9693.81 PC50.032.3394.020.031.9495.75 PC60.021.8695.880.021.0996.84 PC70.011.1697.040.010.8697.70 PC80.010.9698.010.010.7998.49 PC90.010.8698.870.000.6399.12 PC100.010.5999.460.000.5099.62 PC110.000.2799.730.000.1999.80 PC120.000.1699.890.000.1499.94 PC130.000.0899.970.000.06100.00 PC140.000.02100.000.000.00100.00

表4 生態(tài)脆弱性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

Table 4 Classification criteria for ecological vulnerability

綜合等級(jí)等級(jí)生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)指數(shù)EVI特征 微度脆弱Ⅰ<0.20生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定,抗干擾能力強(qiáng),生態(tài)脆弱性低 輕度脆弱Ⅱ0.20～0.40生態(tài)系統(tǒng)較穩(wěn)定,抗干擾能力較強(qiáng),微度水土流失,生態(tài)脆弱性較低 中度脆弱Ⅲ>0.40～0.60生態(tài)系統(tǒng)較不穩(wěn)定,抗干擾能力較差,輕度水土流失與土壤退化,生態(tài)脆弱性較高 重度脆弱Ⅳ>0.60～0.80生態(tài)系統(tǒng)不穩(wěn)定,抗干擾能力差,中度水土流失與土壤退化,生態(tài)脆弱性高 極度脆弱Ⅴ>0.80生態(tài)系統(tǒng)極不穩(wěn)定,抗干擾能力極差,嚴(yán)重水土流失與土壤退化,生態(tài)脆弱性極高

3 結(jié)果與分析

3.1 生態(tài)脆弱性特征分析

利用SPCA方法提取累計(jì)貢獻(xiàn)率≥85%的主成分，將14個(gè)指標(biāo)進(jìn)行降維簡(jiǎn)化,分別得到2007和2017年研究區(qū)生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)的主成分。2007年,第1主成分中,高程、地形起伏度、土壤侵蝕程度、人均耕地面積和人均糧食產(chǎn)量貢獻(xiàn)較大;第2主成分中,人均GDP、年均降水量、人均耕地面積、人口密度和土壤侵蝕程度貢獻(xiàn)較大;第3主成分中,土壤侵蝕程度、地形起伏度、人均耕地面積、人均糧食產(chǎn)量和農(nóng)村居民最低生活保障人數(shù)占比貢獻(xiàn)較大。2017年,第1主成分中,地形起伏度、土壤侵蝕程度、人均糧食產(chǎn)量、人均耕地面積和年均降水量貢獻(xiàn)較大;第2主成分中,地形起伏度、人均GDP、人口密度、年均降水量和人均耕地面積貢獻(xiàn)較大?？梢?jiàn),研究區(qū)生態(tài)脆弱性的形成和發(fā)展是自然因素和人為因素共同作用的結(jié)果,其中,地形起伏度、土壤侵蝕程度、人均耕地面積、年均降水量和人均GDP是影響研究區(qū)生態(tài)脆弱性的主要因素。

3.2 生態(tài)脆弱性時(shí)空演變

通過(guò)生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)模型計(jì)算得到2007和2017年研究區(qū)生態(tài)脆弱性指數(shù)的空間分布情況,在此基礎(chǔ)上依據(jù)脆弱等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)制作生態(tài)脆弱性等級(jí)空間分布圖(圖3),以此分析研究區(qū)生態(tài)脆弱性時(shí)空演變。整體上來(lái)看,研究區(qū)生態(tài)脆弱性等級(jí)由微度脆弱、輕度脆弱、中度脆弱和中度脆弱4類(lèi)組成,不存在極度脆弱。2007年以輕度脆弱和中度脆弱為主,2017年以中度脆弱和重度脆弱為主。研究區(qū)生態(tài)脆弱性在空間上呈現(xiàn)“中部高-兩邊低”的格局,這主要是由于中部地區(qū)為汾河川河谷,海拔較低,水土流失問(wèn)題嚴(yán)重。2007—2017年研究區(qū)中度脆弱和重度脆弱面積分別較2007年增加187.58和283.66 km2;輕度脆弱面積減少471.32 km2,微度脆弱面積變化不大,相對(duì)增加0.08 km2(表5)?？傮w而言,研究區(qū)生態(tài)脆弱性等級(jí)逐漸升高,呈漸變型推進(jìn)趨勢(shì),生態(tài)狀況不容樂(lè)觀。

為進(jìn)一步探索研究區(qū)生態(tài)脆弱性等級(jí)隨時(shí)間推移的空間變化情況,統(tǒng)計(jì)2007—2017年不同脆弱等級(jí)面積轉(zhuǎn)移情況(表6)，并對(duì)2007和2017年生態(tài)脆弱性等級(jí)圖進(jìn)行交叉分析(圖4)。

由表6可知,研究期內(nèi),靜樂(lè)縣各類(lèi)生態(tài)脆弱性等級(jí)相互轉(zhuǎn)移的總面積為662.84 km2。其中,以輕度脆弱和中度脆弱轉(zhuǎn)移為主,分別轉(zhuǎn)移473.19和189.32 km2;輕度脆弱主要轉(zhuǎn)移為中度脆弱,轉(zhuǎn)移面積為472.90 km2;中度脆弱主要轉(zhuǎn)為重度脆弱,轉(zhuǎn)移面積為187.65 km2。2017年增加的微度脆弱面積主要由輕度脆弱轉(zhuǎn)化而來(lái),其轉(zhuǎn)化面積占比為90.32%;輕度脆弱主要由中度脆弱轉(zhuǎn)化而來(lái),其轉(zhuǎn)化面積占比為87.70%;中度脆弱主要由輕度脆弱轉(zhuǎn)化而來(lái),其轉(zhuǎn)化面積占比為99.98%;重度脆弱主要由中度脆弱轉(zhuǎn)化而來(lái),其轉(zhuǎn)化面積占比為99.99%。在空間上,汾河川及其兩岸地區(qū)生態(tài)脆弱性向高脆弱性轉(zhuǎn)化,研究期間基本呈現(xiàn)“輕度向中度演變、中度向重度演變”的趨勢(shì)。研究區(qū)生態(tài)脆弱性等級(jí)普遍增加,生態(tài)形勢(shì)嚴(yán)峻,生態(tài)治理迫在眉睫。

圖3 靜樂(lè)縣生態(tài)脆弱性等級(jí)空間分布

表5 靜樂(lè)縣生態(tài)脆弱性數(shù)據(jù)

Table 5 Data of ecological vulnerability in Jingle County

脆弱性等級(jí)2007年2017年?yáng)鸥駭?shù)面積/km2占比/%柵格數(shù)面積/km2占比/%面積變化/km2 微度脆弱 897 0.81 0.04 994 0.89 0.04 0.08 輕度脆弱544 727490.2524.0921 01918.930.93-471.32 中度脆弱1 715 3061 543.7875.852 030 4871 827.4489.78283.66 重度脆弱6290.570.03209 059188.159.24187.58

表6 靜樂(lè)縣不同生態(tài)脆弱性等級(jí)面積轉(zhuǎn)移矩陣

Table 6 Conversion matrix of ecological vulnerability areas of different levels in Jingle Countykm2

年份脆弱性等級(jí)2017年微度脆弱輕度脆弱中度脆弱重度脆弱2007年總計(jì)2007年轉(zhuǎn)移量 2007年微度脆弱0.320.23 0.080 0.63 0.31 輕度脆弱0.2816.80472.900.01489.99473.19 中度脆弱0.031.641 354.91187.651 544.23189.32 重度脆弱000.020.540.560.02 2017年總計(jì)0.6318.671 827.91188.202 035.412017年增加量0.311.87473.00187.66662.84

3.3 生態(tài)修復(fù)分區(qū)

生態(tài)修復(fù)分區(qū)是科學(xué)開(kāi)展生態(tài)修復(fù)與治理的前提[21]。對(duì)研究區(qū)生態(tài)脆弱性時(shí)空演變做進(jìn)一步分析,將生態(tài)脆弱性等級(jí)變化類(lèi)型劃分為生態(tài)修復(fù)區(qū)、生態(tài)持平區(qū)和生態(tài)退化區(qū)3種(圖5)。

圖4 靜樂(lè)縣生態(tài)脆弱性時(shí)空演變格局

圖5 靜樂(lè)縣生態(tài)修復(fù)分區(qū)結(jié)果

生態(tài)修復(fù)區(qū)為研究區(qū)2017年生態(tài)脆弱性等級(jí)相對(duì)于2007年下降的區(qū)域,包括Ⅱ-Ⅰ、Ⅲ-Ⅰ、Ⅲ-Ⅱ和Ⅳ-Ⅲ;生態(tài)持平區(qū)為研究區(qū)生態(tài)脆弱性等級(jí)2017年相對(duì)于2007年保持不變的區(qū)域,包括Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ、Ⅲ-Ⅲ和Ⅳ-Ⅳ;生態(tài)退化區(qū)為研究區(qū)2017年生態(tài)脆弱性等級(jí)相對(duì)于2007年升高的區(qū)域,包括Ⅰ-Ⅱ、Ⅰ-Ⅲ、Ⅰ-Ⅳ、Ⅱ-Ⅲ、Ⅱ-Ⅳ和Ⅲ-Ⅳ。2007—2017年,研究區(qū)以生態(tài)持平區(qū)面積最大,為1 372.57 km2,占比為67.44%;生態(tài)退化區(qū)次之,面積為660.87 km2,占比為32.47%;生態(tài)修復(fù)區(qū)面積最小,為1.96 km2,占比為0.10%。從生態(tài)脆弱性等級(jí)變化情況來(lái)看,2017年研究區(qū)整體處于中-重度脆弱狀態(tài),生態(tài)狀況較差。

4 討論與結(jié)論

在理論和方法上,筆者從人為和自然綜合作用出發(fā),利用SPCA方法開(kāi)展生態(tài)脆弱性動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià),明確了區(qū)域生態(tài)脆弱性空間分布和演變特征,豐富了區(qū)域生態(tài)脆弱性研究?jī)?nèi)容。研究區(qū)經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá),根據(jù)已有研究[22],貧困與脆弱的生態(tài)環(huán)境之間具有一定的耦合性,但受數(shù)據(jù)可獲得性等因素的限制,未能將表征貧困的指標(biāo)列入評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中,不能對(duì)其做出全面科學(xué)的分析。因此,未來(lái)仍需完善生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建。

在評(píng)價(jià)結(jié)果上,2007—2017年研究區(qū)生態(tài)脆弱性等級(jí)逐漸增強(qiáng),且等級(jí)較高的區(qū)域主要分布在中部汾河川等海拔較低的區(qū)域。此與雷波等[23]對(duì)黃土丘陵區(qū)的研究結(jié)果相似,生態(tài)脆弱性較高的地區(qū)分布在中、低海拔,且是水土流失最嚴(yán)重的地方,獨(dú)特的地形地貌和土壤侵蝕環(huán)境是影響生態(tài)脆弱性的關(guān)鍵因素。但此與陳楓等[24]發(fā)現(xiàn)生態(tài)脆弱性主要受坡度、土壤侵蝕類(lèi)型和降水量等自然因素的影響觀點(diǎn)不同,筆者研究發(fā)現(xiàn)人均耕地面積和人均GDP等部分人為因素也是影響生態(tài)脆弱性的主導(dǎo)因素。

在實(shí)踐上,筆者將不同年份生態(tài)脆弱性結(jié)果空間分布圖進(jìn)行疊加得到脆弱性轉(zhuǎn)移矩陣,將研究區(qū)進(jìn)一步劃分為生態(tài)修復(fù)區(qū)、生態(tài)持平區(qū)和生態(tài)退化區(qū),為區(qū)域生態(tài)環(huán)境治理和修復(fù)工作提供了決策支持。

筆者研究表明,地形起伏度、土壤侵蝕程度、人均耕地面積、年均降水量和人均GDP是影響研究區(qū)生態(tài)脆弱性的主要因素。從自然潛在脆弱來(lái)看,由于受地形、土壤、氣候等自然條件因素的限制,致使研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)存在先天脆弱性。靜樂(lè)縣是黃土高原典型山地丘陵區(qū),山地丘陵面積占總面積的86%,地形地貌破碎復(fù)雜,中度和重度脆弱區(qū)主要分布在河川區(qū)和黃土丘陵區(qū),土壤侵蝕程度較高,水土流失嚴(yán)重。2015年靜樂(lè)縣水土流失總面積為1 700 km2,占土地總面積的83.47%。研究區(qū)年平均降水量范圍由2007年的629.26～766.83 mm減少至2017年的447.39～501.31 mm,降水量大幅度減少加劇了脆弱生態(tài)環(huán)境的形成;從人為干擾脆弱來(lái)看,2007—2017年研究區(qū)人均耕地面積從0.17 hm2·人-1增至0.18 hm2·人-1,人均GDP從357.71元·人-1增至990.86元·人-1,生態(tài)脆弱程度隨著人均耕地面積和GDP的增長(zhǎng)而增加,表明研究區(qū)人類(lèi)干擾力度超過(guò)了生態(tài)環(huán)境自身承載能力和自我恢復(fù)能力,致使原本已十分脆弱的生態(tài)環(huán)境面臨巨大壓力,區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護(hù)矛盾也愈加突出。因此,對(duì)地形起伏度和年降水量等不可控因素,可從周邊區(qū)域植被結(jié)構(gòu)調(diào)整、水源涵養(yǎng)和水土保持能力提升等方面按人為誘導(dǎo)加上自然修復(fù)的模式進(jìn)行提質(zhì)改造;而對(duì)人均耕地面積等可控因素,可在山區(qū)和溝域地區(qū)實(shí)施整村搬遷,通過(guò)人退-村退-林進(jìn)模式,降低坡耕地開(kāi)發(fā)等人類(lèi)活動(dòng)對(duì)自然環(huán)境的干擾力度;對(duì)河川區(qū)土地進(jìn)行綜合整治,實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)規(guī)?；同F(xiàn)代化發(fā)展;另外,還可通過(guò)生態(tài)補(bǔ)償、生態(tài)扶貧等政策因地制宜進(jìn)行調(diào)控。

總體而言,構(gòu)建了基于人為-自然綜合作用的生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)體系,對(duì)靜樂(lè)縣2007—2017年生態(tài)脆弱性時(shí)空演變及分區(qū)進(jìn)行研究,分析其演變特征并提出相應(yīng)對(duì)策建議。主要結(jié)論為:(1)靜樂(lè)縣生態(tài)脆弱性整體上處于中-重度脆弱狀態(tài),主要受地形起伏度、土壤侵蝕程度、人均耕地面積、年均降水量和人均GDP等因素的影響。(2)區(qū)域整體向高生態(tài)脆弱性等級(jí)方向發(fā)展,中度和重度脆弱區(qū)面積逐漸增加,空間上呈現(xiàn)“中部高-兩邊低”的格局。(3)研究期間,各生態(tài)脆弱性等級(jí)間的相互轉(zhuǎn)移以輕度和中度脆弱轉(zhuǎn)移為主,基本呈現(xiàn)“輕度向中度演變、中度向重度演變”的趨勢(shì),生態(tài)環(huán)境形勢(shì)嚴(yán)峻。(4)2007—2017年,生態(tài)持平區(qū)面積最大,生態(tài)退化區(qū)次之,生態(tài)修復(fù)區(qū)最小?？傮w來(lái)說(shuō),研究區(qū)生態(tài)狀況較差,生態(tài)治理和修復(fù)力度仍需加強(qiáng)。