許長軍, 金孫梅, 王英

基于GIS的青藏高原人居環(huán)境自然適宜性評價

許長軍1, 金孫梅2,*, 王英3

1. 青海省地理空間信息技術與應用重點實驗室, 青海省地理信息中心, 西寧 810008 2. 青海師范大學地理科學學院、青藏高原地表過程與生態(tài)保育重點實驗室, 西寧 810008 3. 青海省地理信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司, 西寧 810008

青藏高原自然環(huán)境較為極端, 自然環(huán)境對人類聚落分布格局影響較大, 在自然環(huán)境因素中選取10個準則層和26個次級指標, 運用ArcGIS和SPSS統(tǒng)計分析軟件, 對26個指標進行主成分分析, 確定了影響高原人居環(huán)境的主要環(huán)境因子, 并結(jié)合聚類和異常值分析方法, 建立了該區(qū)域人居環(huán)境自然適宜性評價函數(shù)模型, 得到相應適宜性評價指數(shù)、分級閾值和區(qū)劃范圍, 探討了人居環(huán)境自然適宜性特征及其空間差異。研究表明: 影響青藏高原人居環(huán)境自然適宜性分異的主要因子是氣溫、蒸發(fā)量、海拔、植被NPP分類及坡向, 其累計貢獻率達到71.351%。研究區(qū)整體上屬生態(tài)敏感和生態(tài)脆弱區(qū), 人居環(huán)境適宜性不高, 空間分布不平衡, 高低值聚簇現(xiàn)象顯著, 適宜性指數(shù)介于0.13—0.63之間, 由高原東南部呈半月形向西北部腹地遞減。川西高原和橫斷山區(qū)自然要素最佳組合使其成為高度適宜區(qū), 面積占比12.64%, 為各區(qū)最少(326741 km2); 分布于河湟谷地、青南高原及“一江兩河”流域的比較適宜區(qū)面積占比14.89%, 在各區(qū)中的鄉(xiāng)鎮(zhèn)數(shù)量(616個)最多; 一般適宜區(qū)分布范圍最廣, 主要為柴達木盆地、那曲高原及藏南谷地, 面積占比49.30%, 達1274024 km2; 藏北高原自然環(huán)境惡劣, 面積占比23.18%, 不適宜人類長期居住; 此外青藏高原鄉(xiāng)鎮(zhèn)數(shù)量、分布范圍與人居環(huán)境適宜性出現(xiàn)不一致現(xiàn)象揭示高原人居環(huán)境適宜性由自然環(huán)境與社會人文環(huán)境等多種因素共同決定, 不單受自然環(huán)境因子制約。

GIS; 青藏高原; 人居環(huán)境; 適宜性評價

0 前言

人居環(huán)境(human living environment)是與人類生存活動密切相關的一個多層次的地表空間系統(tǒng), 它是人類在大自然中賴以生存的根基, 是人類利用自然、改造自然的主場所[1]。吳良鏞院士認為人居環(huán)境是在自然、社會、人類、居住、支撐網(wǎng)絡等5大系統(tǒng)基礎之上演變而來[2]。20世紀80年代以來, 在人居環(huán)境自然適宜性研究方面國內(nèi)學者按照不同的區(qū)域空間進行分析, 其中以全國范圍[3-6]、省域尺度[7-9]及城市單元[10-12]為研究區(qū)域居多, 通過分析地形、氣候等因素, 從而構建對應尺度的人居環(huán)境指數(shù)模型, 探討自然環(huán)境與人類聚居分布的空間關系; 此外有學者以流域[13-15]和地理單元為例[16-18]分析局部地區(qū)生態(tài)環(huán)境與人居環(huán)境的空間分異格局及優(yōu)化問題; 在構建評價指標體系時多采用多指標綜合評價法、層次分析法、熵值法、主成分分析法、全排列多邊形指數(shù)法[19-22]。同時, 遙感和GIS技術的發(fā)展也為多要素、綜合定量研究提供了可能。研究過程中人居環(huán)境評價內(nèi)容不斷豐富和拓展, 但多數(shù)研究針對宏觀尺度、行政區(qū)域、河流流域以及單個城市等區(qū)域, 對自然環(huán)境較為復雜的青藏高原研究相對較少[19-20]。青藏高原地形地貌復雜, 自然環(huán)境惡劣, 羌塘高原、可可西里等地存在無人區(qū), 加之近年來人類活動強度加大、氣候變化頻率加快、植被遭到破壞, 如何選擇適宜的自然人居環(huán)境問題顯得尤為重要。因此, 本文在借鑒相關研究成果的基礎上以青藏高原為研究區(qū), 運用ArcGIS和SPSS統(tǒng)計分析軟件, 結(jié)合主成分分析、聚類和異常值分析方法, 選取26個自然因子, 構建該區(qū)域1616個鄉(xiāng)鎮(zhèn)人居環(huán)境適宜性評價體系, 揭示研究區(qū)人居環(huán)境的自然適宜性以及空間格局特征, 以期為青藏高原區(qū)域持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

青藏高原的平均海拔超過4000 m, 面積達250×104km2[25], 空氣稀薄, 高寒缺氧, 生態(tài)環(huán)境極為脆弱, 四周高山環(huán)繞, 有世界第三極之稱[26](圖1)。高原全境氣候和環(huán)境差異性顯著, 自北向南依次為高山極端干旱區(qū)、高山亞寒帶及高山溫帶, 自西向東為高原亞寒帶氣候、高原山地氣候與高原溫帶濕潤氣候, 東南部分布少量亞熱帶氣候。高原冬季寒冷干燥, 夏季涼爽, 年平均溫度為7—8 °C。北部邊緣極端干旱區(qū)平均年降水量僅10—30 mm, 南部和東南部的高原降雨量較為豐富, 年均降水量達370—1800 mm[27]。多大風且持續(xù)時間長, 區(qū)內(nèi)大部分地區(qū)年平均風速在3 m·s–1以上, 大風日數(shù) (瞬時風速≥17 m·s–1) 超過50天[28], 高原面上山地和山間盆地與河谷地交錯分布, 土壤發(fā)育年輕, 以永久性凍土、高寒、干旱土為主, 土壤貧瘠且抗侵蝕能力弱[29]。除了周邊山地局部存在森林植被外, 主體為高山草甸、草原和荒漠植被, 生物量低[30]。高原人口稀少, 平均人口密度為5人·km-2, 部分地區(qū)不足1人·km-2, 且主要分布在水熱條件較好的城鎮(zhèn)和河谷地帶[28]?？傮w來講, 青藏高原地形高聳、氣候寒冷干燥、動植物資源貧乏, 紫外線輻射強烈, 氧氣稀薄, 對多數(shù)生物(尤其是人類)而言, 是極端而嚴酷的生存環(huán)境。

圖1 研究區(qū)概況圖

Figure 1 Overview of the research area

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究將各鄉(xiāng)鎮(zhèn)政府所在位置作為該鄉(xiāng)鎮(zhèn)的地理坐標, 用以計算各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的地形及氣候數(shù)據(jù)。所使用的數(shù)據(jù)為: 青藏高原范圍與界線數(shù)據(jù)來自全球變化科學研究數(shù)據(jù)出版系統(tǒng)(http://www.geodoi.ac.cn/ doi.aspx?doi=10.3974/ geodb.2014.01.12.v1); 青藏高原90m×90m空間分辨率的DEM數(shù)據(jù)產(chǎn)品來自中國科學院計算機網(wǎng)絡信息中心國際科學數(shù)據(jù)鏡像網(wǎng)站(http://www.gscloud.cn); 基于DEM數(shù)據(jù), 通過ArcGIS的提取功能計算研究區(qū)地形因子: 海拔、坡度、坡向、起伏度及鄉(xiāng)鎮(zhèn)與河流距離; 土地利用強度根據(jù)中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心提供的1km×1km空間分辨率的LUCC數(shù)據(jù)集 (http://www. resdc.cn/data.aspx?DATAID=145)和相關學者[31-33]對土地利用強度的計算, 對研究區(qū)出現(xiàn)的22種土地利用類型根據(jù)利用度進行重分類(表1); 土壤類型數(shù)據(jù)來自1:400萬的中國土壤數(shù)據(jù)集(http://westdc westgis.ac.cn), 其中土壤有機質(zhì)含量根據(jù)土壤發(fā)生學[34]進行分類統(tǒng)計。氣象數(shù)據(jù)來自資源學科創(chuàng)新平

臺(http://www.data.ac.cn/list/tab_ climate)126個氣象站點的1971—2000年平均降水、1951—1980年的0 °C積溫、10 °C積溫、1月平均氣溫、7月平均氣溫、年平均氣溫, 1961—1990年累年平均最低氣溫、累年平均最高氣溫、全年蒸發(fā)量、1月蒸發(fā)量、7月蒸發(fā)量、1月日照、7月日照、1956—1980年平均風速、全年凍土深度和十厘米凍土解凍日; 對于蒸發(fā)量、平均風速等記錄不全面的數(shù)據(jù)基于每個氣象站點的坐標, 采用克里金(Kriging)插值法將站點氣象數(shù)據(jù)展布到高原面上; 植被覆蓋指數(shù) (Normalized Difference Vegetation Index, NDVI) 數(shù)據(jù)是由馬里蘭大學全球植被覆蓋實驗室提供的分辨率為8km×8km的GIMMS-NDVI數(shù)據(jù)集(https://ecocast. arc.nasa.gov/data/pub/gimms); 受青藏高原特殊的地理環(huán)境影響, 高原中、西部局地缺乏氣象臺站, 數(shù)據(jù)方面尚需進一步改善。

2.2 方法

2.2.1 評價指標的選擇

自然環(huán)境是人居的基礎, 人類的生產(chǎn)生活以及具體的人居環(huán)境建設活動都離不開廣闊的自然環(huán)境背景。通過對研究區(qū)人居環(huán)境的調(diào)查和綜合分析, 遵循全面性、系統(tǒng)性和可實施性原則, 選取自然環(huán)境要素中的26個指標, 利用主成分分析遴選出5個主要指標, 建立了以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為單位的青藏高原人居環(huán)境自然適宜性評價指標體系(表2)。

表1 青藏高原土地利用類型強度重分類[31-33]

表2 青藏高原人居環(huán)境自然適宜性評價指標

2.2.2 主成分分析

主成分分析(Principal Component Analysis, PCA)主要通過對協(xié)方差矩陣進行特征分析, 達到在減少數(shù)據(jù)維數(shù)的同時保持數(shù)據(jù)集對方差貢獻最大的目的, 也就是在數(shù)據(jù)信息損失最小的情況下, 通過降維把原來的多個指標轉(zhuǎn)化為一個或幾個綜合的指標, 并盡可能多的保留原來多個變量所反映的信息, 即主成分[35]。在具體應用中主成分載荷矩陣中的數(shù)據(jù)除了以主成分相對應的特征值開平方根, 得到主成分中每個指標所對應的特征向量, 將初始特征值中各指標的累積貢獻率確定為該指標的權重, 具體步驟如下[36]:

(1) 不同指標的量綱可顯著影響主成分分析的結(jié)果, 首先對原始指標數(shù)據(jù)進行無量綱化處理, 公式如下:

(3) 求相關系數(shù)矩陣:

(7) 確定指標權重:

式中w為第個指標的權重。

2.2.3 建立鄉(xiāng)鎮(zhèn)人居自然環(huán)境宜居性評價函數(shù)

采用多目標線性加權函數(shù)法對人居環(huán)境適宜性水平進行測算, 指數(shù)越大說明風險越大, 反之則越小。

2.2.4 聚類和異常值分析

聚類和異常值分析實際上是通過對局部計算和顯著性分析, 得出統(tǒng)計顯著性的熱點、冷點和空間異常值, 局部Moran’s的公式表達為:

3 結(jié)果與分析

3.1 主成分特征分析

主成分分析是多元統(tǒng)計中常用的降維方式, 比起人為方法大大降低了權數(shù)確定過程的主觀性和工作量, 保證了指標體系合成的客觀性。在對各鄉(xiāng)鎮(zhèn)自然因子數(shù)據(jù)進行標準化處理后, 利用SPSS25軟件求出其相關矩陣的特征值和各主成分貢獻率(表3)。從表2中可知, 前5個主成分的特征根大于1, 且累計貢獻率達到71.351%, 基本可以反映原指標的大部分信息。因此用5個主成分來代替原來的26個原始變量, 可降低原始數(shù)據(jù)的復雜性, 達到降維的目的。

本研究選用最大方差法對因子進行旋轉(zhuǎn), 得到因子旋轉(zhuǎn)矩陣。從因子旋轉(zhuǎn)矩陣可以看出, 第一主成分主要包括累年平均最高氣溫、全年凍土深度、年均溫、累年平均最低氣溫、十厘米解凍日等, 其方差貢獻率為40.178%, 主要反映了宜居度中的氣溫因子; 第二主成分主要包括全年蒸發(fā)量、七月植被NDVI、一月蒸發(fā)量等, 其方差貢獻率為14.667%, 主要反映了蒸發(fā)因子對宜居度的影響; 第三主成分主要包括海拔、土壤有機質(zhì)含量等, 其方差貢獻率為8.106%, 主要反映了宜居度評價中的地形、土壤因子; 第四主成分和第五主成分所占比重較小, 主要反映了宜居度中的植被因子和地形因子。按照上述設計思路, 將各指標方差貢獻率設定為該指標權重。

3.2 聚類與異常值分析

聚類與異常值分析工具可識別具有高值或低值的要素的空間聚類, 在主成分分析基礎上的聚類, 可有效地剔除一些影響程度弱的因子, 利用這一方法可以辨析自然條件適宜性高的鄉(xiāng)鎮(zhèn)及趨向于高值鄉(xiāng)鎮(zhèn)的次級鄉(xiāng)鎮(zhèn), 同樣與適宜性低的鄉(xiāng)鎮(zhèn)相集聚的亦為不適宜地區(qū), 從而達到劃分鄉(xiāng)鎮(zhèn)人居環(huán)境自然適宜性分級的目的。而異常值檢測則是為了檢測出與其他對象不強相關的數(shù)據(jù)點予以剔除。為了得到青藏高原鄉(xiāng)鎮(zhèn)人居環(huán)境自然適宜性分級范圍, 首先, 需要對青藏高原地區(qū)的累年平均最高氣溫指數(shù)、全年蒸發(fā)量指數(shù)、海拔指數(shù)、植被NPP重分類指數(shù)、坡向指數(shù)進行無量綱化處理; 其次, 根據(jù)鄉(xiāng)鎮(zhèn)人居環(huán)境自然適宜性評價函數(shù), 運用SPSS25軟件將青藏高原1616個鄉(xiāng)鎮(zhèn)各指標數(shù)據(jù)值進行運算, 得到青藏高原鄉(xiāng)鎮(zhèn)人居環(huán)境自然適宜性評價指數(shù)。利用ArcGIS10.2的空間統(tǒng)計工具中聚類分布制圖的Anselin Local Moran I功能, 將適宜性得分作為聚類和異常值分析的權重, 輸出值COType字段將始終指明聚類和異常值置信度為95%的顯著性統(tǒng)計, 在反復模擬試驗和實證修訂的基礎上, 通過分析得到青藏高原鄉(xiāng)鎮(zhèn)適宜性聚類和異常值分布圖(圖2)。

表3 相關系數(shù)矩陣的主成分特征值、貢獻率和累積貢獻率

注: H-H分布指高值被高值包圍, H-L分布指高值被低值包圍, L-H分布指低值被高值包圍, L-L分布指低值被低值包圍。

Figure 2 Suitability clustering and abnormal value distribution of villages and towns in Qinghai-Tibet Plateau

通過聚類與異常值分析得出, 代表中心地鄉(xiāng)鎮(zhèn)及周邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)都具有較高適宜性的H—H分布類型主要集中在青藏高原南部橫斷山區(qū)及川西高原。適宜性無明顯聚類特征的鄉(xiāng)鎮(zhèn)主要分布在河湟谷地、青南高原及“一江兩河”(既雅魯藏布江、拉薩河及年楚河)流域。而代表單一鄉(xiāng)鎮(zhèn)與周邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)呈現(xiàn)適宜性較低的L—L類型主要分布在柴達木盆地、祁連山區(qū)、那曲高原及藏南谷地。此外, 少數(shù)具有一定的中心意義或中心作用H—L類型的鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)在雅魯藏布江谷地, 同時青藏高原東南部出現(xiàn)了部分宜居度明顯低于周邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)的L—H分布類型。在結(jié)合聚類與異常值分析特征基礎上, 剔除與其他對象不強相關的數(shù)據(jù)點, 得到適宜區(qū)范圍。將鄉(xiāng)鎮(zhèn)適宜性指數(shù)計算結(jié)果參照《國家人口發(fā)展功能分區(qū)》中人居環(huán)境分區(qū)標準, 用自然斷點法[37](Arc GIS中該分類方法是利用統(tǒng)計學上的Jenk最優(yōu)化法得出分界點, 能夠使劃分各級之間的內(nèi)部方差之和達到最小)將其劃分為4級(高度適宜區(qū)0.41—0.63、比較適宜區(qū)0.30—0.40、一般適宜區(qū)0.14—0.29、不適宜區(qū)0—0.13), 利用自然斷點法劃分出的4個等級范圍, 建立鄉(xiāng)鎮(zhèn)人居環(huán)境自然適宜性區(qū)域分級和空間格局, 其中Ⅰ為高度適宜區(qū)、Ⅱ為比較適宜區(qū)、Ⅲ為一般適宜區(qū)、Ⅳ為不適宜區(qū)(表3, 圖3)。

3.3 青藏高原鄉(xiāng)鎮(zhèn)人居環(huán)境自然適宜性評價

總體而言, 青藏高原鄉(xiāng)鎮(zhèn)人居環(huán)境自然適宜性指數(shù)介于0.13—0.63之間, 自然適宜分區(qū)以帶狀分布為主, 適宜性由高原東南部呈半月形向西北部腹地遞減, 空間分布不平衡, 區(qū)域分異明顯, 受主成分限制因子的影響, 鄉(xiāng)鎮(zhèn)數(shù)量分布與人居環(huán)境適宜性出現(xiàn)不一致的現(xiàn)象。

表3 青藏高原人居環(huán)境自然適宜性分級閾值

圖3 青藏高原鄉(xiāng)鎮(zhèn)人居環(huán)境自然適宜性空間格局

Figure 3 Spatial pattern of natural suitability of human settlements in villages and towns of Qinghai-Tibet Plateau

青藏高原東南部為高度適宜區(qū), 人居環(huán)境指數(shù)均值為0.47(表3), 鄉(xiāng)鎮(zhèn)總數(shù)487個, 高度適宜的鄉(xiāng)鎮(zhèn)共計305個, 占比92.42%, 集中分布在川西高原和橫斷山區(qū)河谷地帶, 明顯多于其他區(qū)高度適宜的鄉(xiāng)鎮(zhèn)數(shù)量(表4)。比較適宜區(qū)人居環(huán)境適宜性得分介于0.30—0.40之間, 鄉(xiāng)鎮(zhèn)數(shù)量達616個, 為各區(qū)中最多, 主要分布在河湟谷地、青南高原及“一江兩河”流域; 具有一般適宜性的Ⅲ區(qū)面積達1274024 km2, 占高原面積的49.30%, 主要分布在柴達木盆地、祁連山區(qū)及那曲高原, 適宜性指數(shù)在0.14—0.29之間的鄉(xiāng)鎮(zhèn)共計432個, 占該區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)總數(shù)的82.76%; 適宜性得分低于0.13的Ⅳ區(qū)主要分布在昆侖山脈和藏北高原, 該區(qū)自然條件惡劣, 目前不適宜人口長期居住。

4 討論

青藏高原做為人類居住的最極端環(huán)境區(qū)域之一, 具有干旱、寒冷、多風、低氧、輻射強以及晝夜溫差大的氣候特點[38], 而適宜的人居條件是人類對生存環(huán)境長期適應的結(jié)果。氣溫是影響環(huán)境適宜性的重要因素之一[39], 對植被和土壤的蒸散發(fā)起著重要作用。目前, 青藏高原主要活動人群為藏族, 有調(diào)查顯示藏族人體熱舒適的最佳溫度范圍為17.87—20.05 °C, 藏族人的冷極限為13.9 °C[40], 而青藏高原年平均溫度為7—8 °C, 這就決定了人類在高原上生活趨暖避寒的重要性。此外, 溫度的變化還影響著植被的生長發(fā)育[41], 進而決定牧草生長和放牧活動。豐富的太陽輻射為抵御寒冷氣候提供了最直接的途徑, 坡向的變化不僅影響著居住地所接受的太陽輻射量[42], 還決定了植物群落物種多樣性, 陽坡的主要功能群落是禾草類, 而陰坡則是雜草類[43]。除了克服寒冷帶來的不適, 低氧環(huán)境也是人類定居面臨的重要挑戰(zhàn), 青藏高原氧含量只有平原地區(qū)50%—70%[44]。當海拔高于270 0m時, 人體心血管系統(tǒng)和神經(jīng)系統(tǒng)已經(jīng)開始受到缺氧的影響[45], 即使經(jīng)過較長時間的持續(xù)暴露, 人類對低氧環(huán)境的適應能力仍處于較低水平[46,47]。就氧氣相對含量而言, 植被覆蓋度和海拔的方差解釋率分別為33.1%和3.9%, 地表植被蓋度與氧氣相對含量呈現(xiàn)顯著的正相關關系, 海拔則相反[44]。因此高原上定居需要考慮水熱條件良好、植被覆蓋度較高及可接受的太陽輻射量較多的低海拔地區(qū)。

表4 青藏高原各區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)人居環(huán)境自然適宜性數(shù)量統(tǒng)計

青藏高原東南部的高度適宜區(qū)屬于亞熱帶山地濕潤氣候和溫帶濕潤、半濕潤氣候, ≥10 °C期間的天數(shù)在120—180天不等, 區(qū)域地表水源非常豐富, 水熱狀況高度適宜[48]。森林覆蓋率高, 蒸騰作用旺盛, 氧氣充沛。該區(qū)南部生產(chǎn)條件十分優(yōu)越, 水熱條件良好的暖濕河谷農(nóng)作物熟制可達一年一熟或兩年三熟。水熱、海拔、植被自然要素的最佳組合, 使得高度適宜區(qū)自然環(huán)境尤為適合人居。比較適宜區(qū)溫濕狀況和水熱條件相比高度適宜區(qū)指標均有明顯下降, 平均海拔與地形起伏度均略高于高度適宜區(qū), 但河谷地區(qū)優(yōu)越的地形和肥沃的土壤條件是Ⅱ區(qū)的最大優(yōu)勢, 這類地區(qū)氣候溫和、土壤肥沃, 多為傳統(tǒng)人口密集區(qū)。此外, 該區(qū)受我國北方農(nóng)業(yè)文化的影響, 早在青銅時代已形成以河湟谷地為中心的人口聚居地。至隋唐時期, 高原東部的西寧、樂都及民和等地初具城鎮(zhèn)雛形[49]; 同時高原西部在公元637年松贊干布統(tǒng)一高原, 建都拉薩后, 迎來了以拉薩為中心的城鎮(zhèn)發(fā)展興盛時期, 而日喀則、當雄、江孜、昌都等自吐蕃時期就是青藏高原的重要城鎮(zhèn)[49]。此外, 中央政府實行和親、軍隊駐屯及移民等政策加強對青藏高原的統(tǒng)治, 使藏南谷地逐步發(fā)展為高原西部的人口和經(jīng)濟中心[50]。隨著中心地輻射效應的增強, 河湟谷地和藏南谷地成為高原城市分布的密集區(qū), 進而Ⅱ區(qū)出現(xiàn)鄉(xiāng)鎮(zhèn)數(shù)量、分布范圍及人居環(huán)境適宜性三者不一致的情況, 表明社會人文環(huán)境對人口分布的巨大驅(qū)動。一般適宜區(qū)(Ⅲ區(qū))中阿里—那曲—玉樹等地海拔驟增, 氣溫大幅下降, ≥10 ℃期間天數(shù)少于50天, 不宜種植農(nóng)作物[48]。部分海拔高且降水多的區(qū)域常年雪封, 形成了典型的高寒地無人區(qū), 降水量較少的地區(qū)發(fā)育高寒草甸和灌叢形成了牧區(qū), 畜牧業(yè)活動成為當?shù)鼐用褓囈陨娴幕A[51], 該區(qū)僅藏南湖盆谷地水熱條件相對良好, 形成農(nóng)業(yè)區(qū)或者農(nóng)林區(qū)。Ⅲ區(qū)東北部的柴達木盆地是青藏高原地勢最低、氣候最干的區(qū)域, 盆地內(nèi)重度和極重度沙漠化土地面積占高原沙漠化土地總面積的27.6%, 平均人口密度低于1人·km-2且多分布在盆地邊緣的綠洲[28]。Ⅲ區(qū)部分差異化極端氣候大大降低了區(qū)域環(huán)境的適宜程度, 高海拔地區(qū)惡劣的自然環(huán)境、欠發(fā)達的基礎設施建設水平和醫(yī)療衛(wèi)生體系以及愈來愈多的人口暴露和人類較低的適應能力, 使得這一區(qū)域的人口環(huán)境風險居高不下。適宜性得分最低的Ⅳ區(qū)(主體為藏北高原—昆侖山地)位于高原寒帶干旱區(qū), 自然環(huán)境惡劣, 平均海拔高度4800—5100米, 不出現(xiàn)或不穩(wěn)定出現(xiàn)日平均氣溫10 ℃的天數(shù), 最暖月平均氣溫6 ℃, 日最低氣溫幾乎全年都維持在0 ℃以下, 這一地區(qū)無農(nóng)作物, 植被稀疏, 土地貧瘠, 目前不適宜人口長期居住。

青藏高原南部地勢起伏大, 水土流失和山體滑坡等地質(zhì)災害隱患多, 人居地點應選擇水熱條件良好, 地勢平坦開闊的區(qū)域。中部植被覆蓋度低、生態(tài)環(huán)境脆弱, 更孕育有三江源, 生態(tài)戰(zhàn)略地位顯著。北部高寒地帶氣候惡劣, 不適宜人居, 但卻是野生動物活動的天然場所, 目前, 人類活動的加劇對生態(tài)環(huán)境造成了一定壓力。因此, 為了保護高原生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和完整性, 除了需要加強對生態(tài)環(huán)境保護和治理外, 還需要將人口規(guī)模控制在生態(tài)環(huán)境可承受范圍內(nèi), 以期達到可持續(xù)發(fā)展的目的。

5 結(jié)論

本文考慮到青藏高原自然環(huán)境的極端性, 更注重通過生態(tài)建設構建人與自然和諧共處的宜居模式, 在指標選擇中側(cè)重自然環(huán)境因素, 選取10個準則層和26個次級指標, 運用ArcGIS和SPSS統(tǒng)計分析軟件, 結(jié)合主成分分析、聚類和異常值分析方法, 建立了該區(qū)域鄉(xiāng)鎮(zhèn)人居自然環(huán)境宜居性評價函數(shù)模型, 得到相應的評價指數(shù)、分級閾值和區(qū)劃范圍。分析結(jié)果表明:

(1) 影響青藏高原人居環(huán)境自然適宜性分異的主要因子是氣溫、蒸發(fā)量、海拔、植被NPP及坡向, 其累計貢獻率達到71.351%。此外, 河流、降水、氣流及日照等因子對鄉(xiāng)鎮(zhèn)分布的適宜或限制性不甚明顯。青藏高原整體上屬生態(tài)敏感和生態(tài)脆弱區(qū), 人居環(huán)境適宜性不高且空間分布不平衡, 高低值聚簇現(xiàn)象顯著, 適宜性指數(shù)介于0.13—0.63之間, 由高原東南部呈半月形向西北部腹地遞減, 高度宜居的鄉(xiāng)鎮(zhèn)僅有330個。

(2) 川西高原和橫斷山區(qū)自然要素最佳組合使其成為高度適宜區(qū), 面積占比12.64%, 為各區(qū)最少(326741 km2); 分布于河湟谷地、青南高原及“一江兩河”流域的比較適宜區(qū)面積占比14.89%, 在各區(qū)中的鄉(xiāng)鎮(zhèn)數(shù)量(616個)最多; 一般適宜區(qū)分布范圍最廣, 主要為柴達木盆地、那曲高原及藏南谷地, 面積占比49.30%, 達1274024 km2; 藏北高原自然環(huán)境惡劣, 不適宜人類長期居住; 自然環(huán)境是人類賴以生存、發(fā)展的基礎, 決定了鄉(xiāng)鎮(zhèn)分布的基本態(tài)勢, 然而人類聚居的選擇, 除早期易受自然地理條件的根本控制外, 后期更受到歷史沿革及社會經(jīng)濟因素等人類系統(tǒng)的綜合影響。

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Natural suitability evaluation of human settlements in Qinghai-Tibet Plateau based on GIS

XU Changjun1, JIN Sunmei2,*, WANG Ying3

1. Qinghai Provincial Key Laboratory of Geospatial Information Technology and Application, Provincial Geomatics Center of Qinghai,Xining 810001, China 2.School of Geography Science, Qinghai Normal University, Key Laboratory of Surface Process and Ecological Conservation of the Qinghai-Tibet Plateau,Xining 810001, China 3. Qinghai Province Geographic Information Industry Development Co., Ltd, Xining 810001, China

The natural environment of the Qinghai-Tibet Plateau isparticularly harsh, and it has a greater impact on the distribution pattern of human settlements. In this study, 10 criterion layers and 26 sub-indicators were selected from natural environmental factors, and the above26 indicators weresummarized and analyzed by ArcGIS and SPSS. This method can determine the main environmental factors that affect the human settlement environment on the plateau. On this basis, combined with clustering and outlier analysis methods, a function model for evaluating the natural suitability of the human settlement environment in the region is established. We Use this model to obtain the corresponding suitability evaluation index, classification threshold and zoning range, and to analyze the natural suitability characteristics and spatial differences of human settlements. The research shows that the main factors affecting the natural suitability of human settlements in the Qinghai-Tibet Plateau are temperature, evaporation, altitude, vegetation NPP classification and aspect, and its cumulative contribution rate reaches 71.351%. Most of the plateaus are ecologically sensitive and ecologically fragile areas with low suitability for human settlements, uneven spatial distribution, and significant clustering of high and low values, and the suitability index is between 0.13-0.63, spatially showing a half-moon in the southeast. The shape decreases toward the hinterland of the northwest declining to the hinterland of the northwest.The best combination of natural elements in the western Sichuan Plateau and Hengduan Mountains makes it a highly suitable area with an area of 12.64%, which is the smallest (326741km2) in each area; a suitable area is distributed in the Hehuang Valley, the Qingnan Plateau and the “One River and Two Rivers” basin. The area accounts for 14.89%, and the number of townships (616) in each district is the most. Generally, the suitable area is the most widely distributed, mainly in the Qaidam Basin, Naqu Plateau and the South Tibet Valley. The area accounts for 49.30%, reaching 1274024km2. The northern Tibetan Plateau has a harsh natural environment with an area accounting for 23.18%, which is not suitable for long-term human habitation. In addition, the inconsistency between the number and distribution of towns and villages on the Qinghai-Tibet Plateau and the suitability of human settlements reveals that the suitability of the human settlements in the plateau is determined by various factors such as the natural environment and the social and cultural environment, and is not only restricted by natural environmental factors.

GIS;Qinghai-Tibet Plateau; human settlements; suitability evaluation

10.14108/j.cnki.1008-8873.2020.06.013

K903

A

1008-8873(2020)06-093-11

2019-09-09;

2019-11-26基金項目:青海省科技成果轉(zhuǎn)化專項(2018-NK-126), 第二次青藏高原科考-綜合災害風險評價與防御子課題(2019QZKK0906), 青海省地理空間信息技術與應用重點實驗室基金(2019-002)

許長軍(1976—), 男, 青海西寧人, 博士, 高級工程師, 主要從事GIS與RS處理與應用研究, E-mail:39950625@qq.com

金孫梅(1994—), 女, 甘肅蘭州人, 碩士研究生, 主要從事全球變化與人類適應研究, E-mail:jinsunmei@sina.com

許長軍, 金孫梅, 王英. 基于GIS的青藏高原人居環(huán)境自然適宜性評價[J]. 生態(tài)科學, 2020, 39(6): 93–103.

Xu Changjun, Jin Sunmei, Wang Ying. Natural suitability evaluation of human settlements in Qinghai-Tibet Plateau based on GIS[J]. Ecological Science, 2020, 39(6): 93–103.