劉海龍,王煒橋,王躍飛,丁婭楠,田慶春

1 山西師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院, 臨汾 041000

2 山西師范大學(xué)人文地理研究所, 臨汾 041000

進(jìn)入新世紀(jì)以來,隨著社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,人類對生產(chǎn)、生活空間的需求不斷增長,高強(qiáng)度的土地開發(fā)與快速轉(zhuǎn)變的土地利用方式,使得生態(tài)空間不斷被擠壓[1],生態(tài)過程被過度干擾,出現(xiàn)植被減少、水土流失、生物多樣性喪失等一系列生態(tài)安全問題。十九大報(bào)告中提出要加大生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)力度,推進(jìn)重大生態(tài)保護(hù)和修復(fù)工程建設(shè),不斷提升生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量和穩(wěn)定性。因此,開展生態(tài)敏感性變化研究對社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)文明建設(shè)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。通過生態(tài)敏感性評價(jià),可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)前自然環(huán)境下潛在的生態(tài)問題,并將各類問題與具體空間區(qū)域相匹配。生態(tài)敏感性不僅是全球地理學(xué)、生態(tài)學(xué)以及環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域研究的重點(diǎn)議題,更是當(dāng)下生態(tài)環(huán)境恢復(fù)建設(shè)與實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展研究的熱點(diǎn)[2]。進(jìn)行生態(tài)敏感性研究,能客觀地揭示生態(tài)系統(tǒng)對外界干擾的敏感程度,把握區(qū)域生態(tài)敏感性的空間分異規(guī)律,識別流域重點(diǎn)治理區(qū)域,對制定區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護(hù)與恢復(fù)治理措施具有重要的科學(xué)參考價(jià)值。

目前國外對生態(tài)敏感性的研究主要集中在特定生態(tài)過程的敏感性探究、區(qū)域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)對氣候變化的敏感性影響以及自然保護(hù)區(qū)劃定等方面。特定生態(tài)過程的敏感性探究主要包括氣候變化對作物生態(tài)性能的敏感性影響[3]以及碳、水循環(huán)對氣候變化的敏感性影響[4]等。生態(tài)系統(tǒng)對于氣候變化的敏感性影響具體包括水文系統(tǒng)對氣候變化的敏感性[5]、湖泊和濕地對于氣候變化的敏感性[6]以及森林管理對氣候變化的敏感程度[7]等。在自然保護(hù)區(qū)劃定方面,環(huán)境敏感區(qū)的劃分可為區(qū)域開發(fā)與保護(hù)[8]等提供指導(dǎo)。當(dāng)前國內(nèi)學(xué)者主要采用多指標(biāo)構(gòu)建綜合生態(tài)敏感性[9],對區(qū)域景觀敏感性與環(huán)境演變過程中的生態(tài)敏感性進(jìn)行探討,包括濕地[10]、林帶[11]、水域[12]以及環(huán)境演變過程中的土壤侵蝕[9]、沙漠化[13]、水土流失[14]等方面。從單因子敏感性分析與綜合生態(tài)敏感性分析的角度出發(fā)[9],為自然功能區(qū)劃分、城市選址、生態(tài)保護(hù)紅線劃定等方面[15]提供依據(jù)?？傮w來看,目前大部分研究仍是對敏感性空間特征進(jìn)行解釋性描述,在敏感性空間關(guān)聯(lián)性方面定量化表征較少。

汾河流域位于黃土高原東部,地形支離破碎,水土流失嚴(yán)重,自然本底較差[16]。多年來為追求經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展,流域內(nèi)不合理的人類活動使原本脆弱的生態(tài)環(huán)境進(jìn)一步遭受破壞。隨著黃河流域生態(tài)保護(hù)及高質(zhì)量發(fā)展上升為國家戰(zhàn)略,汾河作為黃河的第二大支流,對其進(jìn)行生態(tài)研究可為黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展實(shí)踐提供應(yīng)用參考。目前,國內(nèi)學(xué)者對汾河流域生境問題的研究多是從土地利用變化方式著手,采用PSR模型、物元模型、ESV模型等方法[17-18]對流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)[18]、生態(tài)安全格局構(gòu)建[19]、生境質(zhì)量[20]以及生態(tài)補(bǔ)償[21]等方面進(jìn)行研究,但對流域生態(tài)問題的人文因素作用體現(xiàn)不足。流域生態(tài)敏感性評價(jià)主要是明確自然和人文因素可能造成的生態(tài)問題及危害程度,通過對敏感性區(qū)域進(jìn)行劃分來識別重點(diǎn)治理區(qū)域,以促進(jìn)流域經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展。本文以汾河流域?yàn)檠芯繀^(qū),圍繞“典型流域生態(tài)敏感性評價(jià)及重點(diǎn)功能區(qū)識別”這一科學(xué)問題,選取景觀生態(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,結(jié)合空間自相關(guān)分析與圈層分析方法,基于格網(wǎng)尺度表征研究區(qū)2000—2018年生態(tài)敏感性時(shí)空分異特征并揭示其演變動因,為研究區(qū)以及其他相似區(qū)域生態(tài)修復(fù)治理和環(huán)境保護(hù)相關(guān)政策的制定提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

汾河流域位于山西省中部和西南部,地勢北高南低,是黃土高原的重要組成部分,介于110°30′—113°32′ E,35°20′—39°00′ N(圖1)。參照《汾河流域生態(tài)景觀規(guī)劃(2020—2035年)》,流域范圍涉及忻州、呂梁、太原、晉中、陽泉、長治、晉城、臨汾、運(yùn)城9個(gè)市51個(gè)縣(市、區(qū)),總面積3.97×104km2。流域內(nèi)地形起伏大,山地、丘陵占流域總面積的74%,以林、草地為主的景觀類型占流域總面積的50.71%。多年平均降水量500 mm左右,年降水量變化梯度大,高值區(qū)分布于流域兩側(cè)高山地區(qū),低值區(qū)主要分布于盆地平川區(qū)。研究區(qū)現(xiàn)有森林面積約1×104km2,除幾大林區(qū)和自然保護(hù)區(qū)植被略好,覆蓋率達(dá)70%外,大部分區(qū)域植被覆蓋率低于40%。流域水土流失面積較大,目前仍有1.64×104km2的水土流失面積沒有得到有效治理。

圖1 研究區(qū)概況

1.2 研究方法

本文基于格網(wǎng)尺度,從自然與人為干擾因素出發(fā),選取景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)敏感性指數(shù)、水土流失敏感性指數(shù)、生物多樣性敏感性指數(shù)構(gòu)建綜合生態(tài)敏感性指數(shù),采用空間自相關(guān)分析與圈層分析的方法綜合評價(jià)汾河流域生態(tài)敏感性狀況(圖2)。

圖2 技術(shù)路線圖

1.2.1景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)敏感性指數(shù)

景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)敏感性指數(shù)可以反映不同景觀類型對外界干擾的反應(yīng)程度,不同的景觀類型在維持區(qū)域生態(tài)穩(wěn)定、維護(hù)生物多樣性等方面發(fā)揮的作用存在著差異[22]。因此,本文從流域生態(tài)系統(tǒng)的景觀結(jié)構(gòu)出發(fā)揭示景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)敏感性,其表達(dá)式為：

(1)

Ei=a·FNi+b·FDi+c·DOi

(2)

式中,ERI為景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)；N為景觀類型數(shù)量；Ski為第i類景觀類型的面積；Sk為第k個(gè)風(fēng)險(xiǎn)小區(qū)總面積；Ei為景觀擾動指數(shù)；Fi為景觀脆弱指數(shù)；FNi為景觀破碎化指數(shù)；FDi為景觀分維數(shù)倒數(shù)；DOi為景觀優(yōu)勢度指數(shù)；a、b、c分別為FNi、FDi和DOi的權(quán)重,且a+b+c=1,三類指數(shù)分別賦值為0.5,0.3,0.2[23]；將其他土地賦值為7,林草地為5,耕地為3,建設(shè)用地和水域?yàn)?,經(jīng)歸一化得到景觀脆弱性指數(shù)[24]。

1.2.2水土流失敏感性指數(shù)

本文采用通用土壤侵蝕方程(USLE)[25-26]表征水土流失敏感性,其表達(dá)式為：

A=R×K×LS×C×P

(3)

式中,A為土壤侵蝕量；R為降水侵蝕力因子；K為土壤可侵蝕性因子；LS為地形起伏度；C為植被覆蓋因子；P為水土保持措施因子。

1.2.3生物多樣性敏感性指數(shù)

最小累積阻力模型(minimal cumulative resistance model,MCR)是某個(gè)物種從“源”到達(dá)目的地運(yùn)動過程中所需克服阻力而耗費(fèi)最小代價(jià)的模型[27],本文采用生物空間流動阻力值表征生物多樣性敏感性。源地是指那些具有良好生態(tài)穩(wěn)定性、空間擴(kuò)展性、連續(xù)性的區(qū)域。參考有關(guān)文獻(xiàn)[28- 29]并結(jié)合汾河流域?qū)嶋H情況,選用面積大于50 km2的林地和面積大于5 km2的水體作為生態(tài)“源”。選取土地利用類型與植被覆蓋度作為阻力因子,各種土地利用類型植被覆蓋差異顯著,植被覆蓋是對土地利用類型的反映,土地利用類型和植被覆蓋度對生物多樣性保護(hù)均具有重要影響,因此將兩者的權(quán)重各設(shè)置為0.5。根據(jù)“阻力面=土地利用類型×0.5+植被覆蓋度×0.5”,生成生物多樣性阻力面。最小累計(jì)阻力模型表達(dá)公式為：

(4)

式中,f表示MCR與變量(Dij×Ri)之間的正相關(guān)關(guān)系；Dij為物種從源j擴(kuò)散到景觀i的距離；Ri為景觀單元i對物種向某個(gè)方向運(yùn)動的阻力系數(shù)。

1.2.4綜合生態(tài)敏感性指數(shù)

本文通過計(jì)算其他點(diǎn)到敏感性最高點(diǎn)之間的距離來構(gòu)建綜合生態(tài)敏感性指數(shù)(comprehensive ecological sensitivity index, CESI),指數(shù)越小,則表示生態(tài)敏感性越高。其中生態(tài)敏感性最高點(diǎn)是用景觀生態(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)各自歸一化后的最大值來表示[30-31]。CESI的計(jì)算公式如下：

(5)

式中,ERI代表某一像元的景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)敏感性指數(shù)；A代表某一像元的水土流失敏感性指數(shù)；MCR代表某一像元的生物多樣性敏感性指數(shù)。

1.2.5空間自相關(guān)分析

空間自相關(guān)分析是衡量空間數(shù)據(jù)相互依賴性的重要形式,本文選用全局Moran′sI指數(shù)和局部Moran′sI指數(shù)兩個(gè)指標(biāo),在GeoDa軟件平臺的支持下,對2000、2005、2010和2018年綜合生態(tài)敏感性指數(shù)的空間差異及集聚特征進(jìn)行分析,計(jì)算公式如下[32]：

全局Moran′sI指數(shù)：

(6)

局部Moran′sI指數(shù)：

(7)

式中,I代表Moran′sI指數(shù)；xi、xj代表的是第i個(gè)、第j個(gè)格網(wǎng)的綜合生態(tài)敏感性指數(shù)均值；ˉx指的是全部格網(wǎng)的敏感性均值；wij指的是生態(tài)敏感性空間鄰接的權(quán)重大??；S代表空間權(quán)重矩陣之和。全局Moran′sI計(jì)算結(jié)果采用Z檢驗(yàn),當(dāng)|Z|>2.58,說明通過P<0.01顯著性檢驗(yàn)。

1.2.6圈層分析

圈層分析是以區(qū)域幾何為中心,依次向外做緩沖區(qū)并劃定方向,按照不同圈層與方向?qū)ρ芯繀^(qū)進(jìn)行分析的一種方法[31]。本文以汾河流域幾何中心為圓心,以 15 km為半徑依次向外構(gòu)建圓形緩沖區(qū),在最終生成的15個(gè)圓形層上劃定東北、西北、東南、西南四個(gè)方向。利用ArcGIS 10.4軟件分別對2000、2005、2010和2018年每個(gè)圓環(huán)內(nèi)各類生態(tài)敏感區(qū)面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

1.3 數(shù)據(jù)來源及處理

本文所采用的數(shù)據(jù)包括2000、2005、2010和2018年DEM、地形起伏度、土地利用、NDVI、降水量、土壤侵蝕以及汾河流域基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)。DEM數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn)GDEMV2,分辨率為30 m×30 m；地形起伏度數(shù)據(jù)利用ArcGIS10.4軟件平臺的Neighborhood工具從DEM數(shù)據(jù)中獲得；土地利用數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn)[33],分辨率為30 m×30 m；NDVI數(shù)據(jù)基于地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn)下載的Landsat TM/OIL影像計(jì)算而得,分辨率為30 m×30 m；降水?dāng)?shù)據(jù)基于全國溫室數(shù)據(jù)系統(tǒng)(http://data.sheshiyuanyi.com)中山西省18個(gè)氣象站點(diǎn)資料,通過ArcGIS 10.4空間插值后提取所得；土壤侵蝕數(shù)據(jù)來源于國家冰川凍土沙漠科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.crensed.ac.cn)世界土壤數(shù)據(jù)庫(HWSD)提取的中國土壤數(shù)據(jù)集；汾河流域底圖涉及縣界線的矢量數(shù)據(jù)來源于國家測繪地理信息局基礎(chǔ)地理信息中心(http://ngcc.sbsm.gov.cn/)1：400萬數(shù)據(jù),審圖號為GS(2016)2556號,底圖無修改。參考前人研究成果[24]并結(jié)合研究區(qū)基本特征,本文選擇3.5 km×3.5 km的格網(wǎng)作為基本評價(jià)單元。

2 結(jié)果分析

2.1 單指標(biāo)生態(tài)敏感性時(shí)空分布

研究區(qū)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)敏感性時(shí)空變化表明(圖3),景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)敏感性較高的區(qū)域在空間分布上相對集中且與流域地形分布具有一致性,主要分布在流域上游汾河水庫周圍、中游太原盆地東側(cè)太行山區(qū)、下游呂梁山區(qū)與太岳山區(qū),此類區(qū)域地形以山地丘陵為主,山地丘陵面積占總面積的74%,景觀基質(zhì)以林草地為主,景觀類型單一,生物量少,生態(tài)環(huán)境較為敏感。流域景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)敏感性較低的區(qū)域集中分布在中游的太原盆地以及下游的臨汾盆地,此類區(qū)域地勢較低,隨著土地開發(fā)利用程度的提高,土地利用結(jié)構(gòu)逐步優(yōu)化,景觀系統(tǒng)多樣性豐富且分布均勻[24],因此流域內(nèi)地勢低的區(qū)域景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)敏感性相對較低。2000—2010年汾河源頭蘆芽山景觀生態(tài)敏感性逐漸降低。2010—2018年汾河源頭蘆芽山、中游太原盆地南部太岳山區(qū)景觀生態(tài)敏感性逐漸變高,中游太原盆地西側(cè)呂梁山區(qū)景觀生態(tài)敏感性逐漸降低?？傮w而言,2000—2018年研究區(qū)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)敏感性階段差異顯著,在空間分布上與流域地勢相契合,地勢高的區(qū)域景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)敏感性值也較高。

圖3 2000—2018年汾河流域景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)敏感性

研究區(qū)水土流失敏感性時(shí)空變化表明(圖4),水土流失敏感性空間分布總體上與景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)敏感性相類似,水土流失敏感性較高的區(qū)域主要分布在流域上游蘆芽山、云中山,中游太原盆地東側(cè)太行山區(qū)、西側(cè)呂梁山區(qū)、南部太岳山區(qū)以及下游臨汾盆地東西兩側(cè)的太岳山區(qū)和呂梁山區(qū)。流域上游與中下游的東西兩側(cè)地形以山地高原為主,平均高程1500 m左右,地勢起伏大,溝壑縱橫,降水較多,其中源頭區(qū)蘆芽山、云中山年降水量為700 mm,南部河口年降水量為600 mm,均為流域降水高值區(qū)。上述區(qū)域也是流域水系的發(fā)源地,因此在長期的降水徑流侵蝕作用下,水土流失也最為嚴(yán)重。流域水土流失敏感性較低的區(qū)域主要分布在中游的太原盆地以及下游的臨汾盆地,該區(qū)地勢較低,平均高程500 m左右,植被覆蓋較高且降水較少,其中太原盆地年降水量在400 mm以下,臨汾盆地年降水量在500 mm以下,受流水侵蝕作用小,因此水土流失敏感性也較小。2000—2005年上游源頭蘆芽山區(qū)、中游太原盆地南部太岳山區(qū)以及下游臨汾盆地東西兩側(cè)太岳山區(qū)、呂梁山區(qū)水土流失敏感性逐漸變高。2005—2010年,流域上游以及下游臨汾盆地西側(cè)呂梁山區(qū)水土流失敏感性持續(xù)升高。2010—2018年流域上游蘆芽山、云中山、汾河水庫周圍區(qū)域,中游太原盆地南部太岳山區(qū)以及下游呂梁山區(qū)、太岳山區(qū)水土流失敏感性逐漸降低,表明研究區(qū)水土流失問題逐漸得到改善。

圖4 2000—2018年汾河流域水土流失敏感性

研究區(qū)生物多樣性敏感性時(shí)空變化表明(圖5),生物多樣性敏感性呈現(xiàn)出半環(huán)狀分布格局。生物多樣性敏感性較高的區(qū)域主要分布在流域中游太原盆地東側(cè)太行山區(qū)以及下游臨汾盆地,上游生物多樣性敏感性相對較低,此結(jié)論與《汾河流域生態(tài)景觀規(guī)劃(2020—2035年)》水生物調(diào)查結(jié)果相吻合。流域上游水量充沛,植被覆蓋度較高[34],為動植物生長提供了良好的自然條件。流域中下游河谷盆地是人口聚居區(qū),經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá),城鎮(zhèn)建設(shè)用地和居民點(diǎn)廣布,區(qū)域水資源匱乏,水生態(tài)環(huán)境差,動植物資源少,生物多樣性敏感性較高。2000—2005年流域中游太原盆地東側(cè)太行山區(qū)生物多樣性敏感性逐漸降低,下游河谷盆地生物多樣性敏感性逐漸變高。2005—2010年流域中游太原盆地東側(cè)太行山區(qū)與下游河谷盆地生物多樣性敏感性不斷升高。2010—2018年中游太原盆地東側(cè)太行山區(qū)生物多樣性敏感性再次降低,出現(xiàn)明顯好轉(zhuǎn),而下游區(qū)域受人類活動影響,生物多樣性不斷減少?？傮w而言,研究區(qū)生物多樣性敏感性時(shí)序變化明顯,下游問題較為突出。

圖5 2000—2018年汾河流域生物多樣性敏感性

2.2 綜合生態(tài)敏感性時(shí)空變化

將2000、2005、2010和2018年汾河流域綜合生態(tài)敏感性采用自然斷裂法[30](Natural Breaks)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)5個(gè)等級(圖6),分別對不同等級所占面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(表1),結(jié)果發(fā)現(xiàn),2000—2018年研究區(qū)生態(tài)敏感性分區(qū)中不敏感區(qū)面積占總面積的比例保持在1.56%左右,主要集中在流域的邊緣地區(qū),屬于常年不敏感區(qū)。輕度敏感區(qū)面積占總面積的比重由2000年29.45%上升至2018年的39.19%,極度敏感和重度敏感區(qū)面積呈減少趨勢,共減少1788.9 km2,生態(tài)環(huán)境整體上呈良好發(fā)展態(tài)勢。

表1 2000—2018年汾河流域綜合生態(tài)敏感性分區(qū)面積統(tǒng)計(jì)

圖6 2000—2018年汾河流域綜合生態(tài)敏感性

從空間分布來看,2000年流域上游源頭區(qū)為重度敏感區(qū)、汾河水庫及其周邊區(qū)域?yàn)檩p度敏感區(qū),流域中游太原盆地為輕度敏感區(qū)、太原盆地東側(cè)太行山區(qū)為極度敏感區(qū)、太原盆地南部太岳山區(qū)為重度敏感區(qū),流域下游臨汾盆地為輕度敏感區(qū)、盆地東西兩側(cè)的太岳山區(qū)、呂梁山區(qū)均為重度敏感區(qū)。2005年流域上游汾河水庫及其周邊區(qū)域變?yōu)橹卸让舾袇^(qū),中游太原盆地東側(cè)太行山區(qū)由極度敏感區(qū)變?yōu)橹囟让舾袇^(qū)、太原盆地南部太岳山區(qū)變?yōu)闃O度敏感區(qū),下游臨汾盆地東側(cè)太岳山區(qū)變?yōu)闃O度敏感區(qū)。2010年流域源頭區(qū)變?yōu)闃O度敏感區(qū),中游太原盆地太行山北段變?yōu)闃O度敏感區(qū)、太原盆地南部太岳山區(qū)由極度敏感區(qū)變?yōu)橹囟让舾袇^(qū),下游臨汾盆地東側(cè)太岳山北段由極度敏感區(qū)變?yōu)橹囟让舾袇^(qū)、西側(cè)呂梁山區(qū)變?yōu)闃O度敏感區(qū)。2018年流域上游源頭區(qū)由極度敏感區(qū)變?yōu)橹囟让舾袇^(qū),中游太原盆地東側(cè)太行山北段由極度敏感區(qū)變?yōu)橹卸让舾袇^(qū),下游臨汾盆地西側(cè)呂梁山區(qū)由極度敏感區(qū)變?yōu)橹囟让舾袇^(qū)?？傮w而言,研究區(qū)生態(tài)環(huán)境得到改善,綜合生態(tài)敏感性較高的區(qū)域主要分布在流域上游源頭的蘆芽山和云中山區(qū),中、下游太岳山區(qū)以及臨汾盆地西側(cè)呂梁山區(qū),生態(tài)敏感性較低的區(qū)域主要分布在上游的汾河水庫及其周邊地區(qū),中游的太原盆地和下游的臨汾盆地地區(qū)。隨著時(shí)間變化,綜合生態(tài)敏感性較高的區(qū)域大部分由極度敏感區(qū)變?yōu)橹囟?、中度敏感區(qū),生態(tài)敏感性較低的區(qū)域仍保持以輕度、中度敏感為主。

2.3 生態(tài)敏感性空間集聚特征

2.3.1生態(tài)敏感性全局空間自相關(guān)分析

利用GeoDa軟件對研究區(qū)2000、2005、2010和2018年綜合生態(tài)敏感性進(jìn)行空間自相關(guān)分析,結(jié)果表明(表2),綜合生態(tài)敏感性Moran′sI指數(shù)均大于0,在空間上呈現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系。對全局Moran′sI指數(shù)進(jìn)行檢驗(yàn),P值均為0.001,通過99%的置信度檢驗(yàn),表明綜合生態(tài)敏感性的空間自相關(guān)是顯著的,具有相似綜合生態(tài)敏感性水平的區(qū)域相鄰度高。Z得分均大于2.58,表示可拒絕零假設(shè),表明研究區(qū)生態(tài)敏感性在空間分布上呈正相關(guān)關(guān)系,存在空間集聚狀態(tài),隨著時(shí)間變化,Z得分波動下降,表明生態(tài)敏感性空間集聚有逐漸減弱的趨向,空間趨同性逐漸降低。

表2 2000—2018年汾河流域生態(tài)敏感性全局Moran′s I指數(shù)統(tǒng)計(jì)值

2.3.2生態(tài)敏感性局部空間自相關(guān)分析

LISA集聚圖反映研究單元在空間上的具體分布情況,可以進(jìn)一步探討研究區(qū)生態(tài)敏感性格局形成的原因。在計(jì)算局部Moran′sI指數(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行空間聚類得到空間LISA聚類圖,在99%的置信區(qū)間內(nèi),將生態(tài)敏感性進(jìn)一步劃分為5種不同類型,即高高集聚區(qū)(H-H)、高低集聚區(qū)(H-L)、低高集聚區(qū)(L-H)、低低集聚區(qū)(L-L)和不顯著(No significant)。根據(jù)局部自相關(guān)分析,得到研究區(qū)3317個(gè)樣區(qū)2000、2005、2010和2018年的綜合生態(tài)敏感性局部自相關(guān)LISA結(jié)果(圖7)。

圖7 2000—2018年汾河流域生態(tài)敏感性LISA聚類圖

整體而言,流域生態(tài)敏感性在空間上呈連片連帶式分布,具有明顯的聚集性特征。綜合生態(tài)敏感低值區(qū)主要分布在流域上游源頭蘆芽山、云中山區(qū),中游太原盆地東側(cè)太行山區(qū)以及南部太岳山區(qū),下游臨汾盆地東西兩側(cè)的太岳山區(qū)、呂梁山區(qū),形成低低集聚,低低聚集區(qū)主要與極度和重度敏感區(qū)相關(guān)。低低聚集的網(wǎng)格數(shù)量由2000年的727個(gè)減少到2018年的568個(gè),生態(tài)敏感性低值集聚區(qū)面積的大幅度縮減,表明生態(tài)敏感性高的區(qū)域在空間分布上不斷減少,流域生態(tài)環(huán)境得到了極大改善。綜合生態(tài)敏感性高值區(qū)集中分布在流域中游的太原盆地,形成高高集聚,高高聚集區(qū)主要與輕度敏感區(qū)相關(guān)。高高、低低聚集的網(wǎng)格數(shù)量均在減少,表明流域生態(tài)敏感性空間結(jié)構(gòu)逐漸趨于離散化。

2.4 生態(tài)敏感性圈層變化分析

分別將研究區(qū)2000、2005、2010和2018年綜合生態(tài)敏感性分區(qū)與圈層矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加(圖8),得到各類敏感性分區(qū)在不同圈層和方向上的分布。從各圈層分布來看,2000年重度、極度敏感區(qū)主要分布在7—12圈層,2005年主要分布在7—13圈層,2010年主要分布在6—13圈層,2018年主要分布在9—13圈層。重度、極度敏感區(qū)主要分布的圈層范圍呈現(xiàn)出先擴(kuò)大后縮小的態(tài)勢,表明隨著時(shí)間變化,重度、極度敏感區(qū)面積呈減少趨勢,研究區(qū)生態(tài)環(huán)境得到改善。從各象限分布來看,不敏感區(qū)、輕度敏感區(qū)、中度敏感區(qū)集中分布在西北和東北象限,重度敏感區(qū)與極度敏感區(qū)主要分布在西南和東南象限。結(jié)合圈層分布,可將西南象限9—13圈層的呂梁山區(qū)與東南象限9—13圈層的太岳山區(qū)識別為流域生態(tài)環(huán)境治理的重點(diǎn)區(qū)域,該類區(qū)域地形以山地丘陵為主,充分體現(xiàn)了地形因素對流域生態(tài)敏感性空間分布的影響。

圖8 2000—2018年汾河流域分區(qū)結(jié)果圈層疊加示意圖

3 討論

3.1 指標(biāo)共線性檢驗(yàn)

由于評價(jià)指標(biāo)間可能會存在高度相關(guān)性,影響生態(tài)敏感性模型的穩(wěn)定,因此運(yùn)用SPSS軟件對其進(jìn)行共線性狀況檢驗(yàn)[31]。一般情況下,當(dāng)方差膨脹因子(VIF)>10和容許度(TOL)<0.1時(shí),表明所選指標(biāo)存在嚴(yán)重的多重共線性。本文以2018年汾河流域各指標(biāo)為參考進(jìn)行檢驗(yàn),結(jié)果表明(表3)：景觀生態(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)TOL值遠(yuǎn)大于0.1,VIF值遠(yuǎn)小于10,說明并未出現(xiàn)變量冗余,指標(biāo)間共線性程度可忽略,因此具備構(gòu)建生態(tài)敏感性評價(jià)指標(biāo)的合理性。

表3 2018年生態(tài)敏感性指標(biāo)共線性診斷結(jié)果

3.2 汾河流域生態(tài)敏感性演變動因

2000—2018年流域綜合生態(tài)敏感性總體上呈現(xiàn)出好轉(zhuǎn)趨勢,尤其是流域的上、中游區(qū)域。2000—2010年流域上游生態(tài)環(huán)境逐漸惡化,該區(qū)是典型的山地丘陵區(qū),地形地貌破碎復(fù)雜[18],年降水量達(dá)700 mm之多,水土流失嚴(yán)重,因此受自然條件限制,上游生態(tài)系統(tǒng)存在先天脆弱性。人類活動強(qiáng)度會對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量產(chǎn)生一定的負(fù)面干擾影響,為追求經(jīng)濟(jì)發(fā)展,流域內(nèi)大量增加耕地面積[35],加之不合理的資源開采等,致使原本已十分敏感的生態(tài)環(huán)境面臨巨大壓力。伴隨人類活動對生態(tài)干擾程度減弱,對其修復(fù)與保護(hù)能力增強(qiáng),上游生態(tài)環(huán)境逐漸好轉(zhuǎn),2000年在實(shí)行三北防護(hù)林體系工程的基礎(chǔ)上大規(guī)模開展退耕還林還草建設(shè)。大量坡耕地改造為梯田,林草植被面積大幅增加[36]。加強(qiáng)對源頭蘆芽山國家級自然保護(hù)區(qū)和管涔山國家森林公園的保護(hù),為上游生態(tài)環(huán)境逐漸趨好奠定基礎(chǔ)。2010年以來,有關(guān)部門在原有生態(tài)保護(hù)措施基礎(chǔ)上,劃定源頭保護(hù)區(qū)、依法關(guān)停河源保護(hù)區(qū)內(nèi)的煤礦、興水增綠、涵養(yǎng)水源等極大地促進(jìn)流域上游生態(tài)環(huán)境好轉(zhuǎn),體現(xiàn)了生態(tài)本底與人類活動之間相互協(xié)調(diào)的協(xié)同關(guān)系。

2000—2018年流域中游生態(tài)環(huán)境一直保持良好發(fā)展趨勢。中游以太原盆地為主,地形平坦開闊,在流水沖積作用下河流兩岸形成較為寬廣的河漫灘,為經(jīng)濟(jì)社會良好發(fā)展提供了自然基礎(chǔ)[17]。為促進(jìn)流域可持續(xù)發(fā)展,政府加強(qiáng)對濕地、防護(hù)林帶、景觀公園的建設(shè),實(shí)施萬家寨引黃工程向汾河流域調(diào)水,緩解了流域需水壓力,劃分“太原西山煤炭綜合開發(fā)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)生態(tài)功能區(qū)”,以確保資源開發(fā)與生態(tài)修復(fù)并舉。良好的自然本底與合理的人類活動相互增益,有序發(fā)展的協(xié)同關(guān)系,共同促進(jìn)中游生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展。

2000—2018年流域下游生態(tài)環(huán)境質(zhì)量有所提高,但效果并不顯著。下游位于平原區(qū),自然本底較好[37]。根據(jù)《汾河流域生態(tài)景觀規(guī)劃(2020—2035年)》水生態(tài)環(huán)境評價(jià)可知,為追求經(jīng)濟(jì)發(fā)展,河道沿岸大量生態(tài)空間被破壞、侵占,導(dǎo)致動植物生存空間消失,物種貧化加劇,生物多樣性減少。流域下游蘊(yùn)藏豐富的鋁土礦、鐵礦、石膏以及金礦等資源,是重要的礦產(chǎn)資源富藏區(qū),能源開采與環(huán)境保護(hù)在短時(shí)間內(nèi)難以得到有效協(xié)調(diào),邊治理邊破壞的惡性循環(huán),未能改善其生態(tài)敏感性。下游生態(tài)保護(hù)工作相對滯后,良好生態(tài)基礎(chǔ)與不合理的人類活動之間此消彼長、無序混亂的權(quán)衡關(guān)系,使下游生態(tài)環(huán)境未能得到明顯改善。

為進(jìn)一步刻畫自然本底與人類活動強(qiáng)度對研究區(qū)生態(tài)敏感性變化影響,選取2000年歸一化景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)敏感性值衡量流域生態(tài)本底,選取2000—2018年單位面積GDP(表4)表征人類活動強(qiáng)度。其中歸一化景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)敏感性值大于0.5的格網(wǎng)分別占上中下游的77%、49%、28%,表明流域上游生態(tài)基礎(chǔ)最為薄弱,中游次之,下游最好。上中下游單位面積GDP均值分別為114.52、1169.82、686.09,表明人類活動強(qiáng)度上游<下游<中游。從綜合生態(tài)敏感性時(shí)空變化結(jié)果來看,現(xiàn)階段生態(tài)環(huán)境質(zhì)量下游<上游<中游。通過對上中下游自然本底、人類活動強(qiáng)度以及生態(tài)敏感性結(jié)果的比較可知：上游生態(tài)本底較為脆弱,人類活動強(qiáng)度最小,生態(tài)承載力與人類活動強(qiáng)度相適應(yīng)。中游生態(tài)基礎(chǔ)較好,人類活動強(qiáng)度最強(qiáng),在這樣的背景下其生態(tài)環(huán)境仍能保持良好發(fā)展勢頭,充分說明該區(qū)人類活動對生態(tài)環(huán)境提供正向促進(jìn)作用。下游是流域生態(tài)基礎(chǔ)最好的區(qū)域,也是生態(tài)最為敏感的區(qū)域,生態(tài)環(huán)境惡化受人為活動影響較大,經(jīng)濟(jì)發(fā)展對生態(tài)系統(tǒng)脅迫干擾較強(qiáng),不合理的人為活動給下游生態(tài)帶來負(fù)面影響。

表4 2000—2018年汾河流域單位面積GDP/(萬元/km2)

汾河既是黃河第二大支流,也是黃土高原的重要組成部分,通過研究黃河流經(jīng)黃土高原段的眾多支流[38],發(fā)現(xiàn)此類流域存在以下共性問題：一是流域景觀類型與地形地貌格局有關(guān),景觀類型結(jié)構(gòu)對流域生態(tài)產(chǎn)生重要影響；二是受黃土丘陵溝壑地貌、土壤、降水等自然因素和不合理的礦產(chǎn)開采、植被破壞等人為因素共同作用流域內(nèi)水土流失嚴(yán)重；三是由于人類活動長期影響,部分動植物生存空間受到很大威脅,生物多樣性在不斷減少。因此,結(jié)合汾河流域上中下游生態(tài)敏感性演變動因和黃河流經(jīng)黃土高原段眾多支流存在的共性問題,可以認(rèn)為汾河流域生態(tài)敏感性變化是生態(tài)本底與人類脅迫共同作用的結(jié)果,自然本底決定流域的生態(tài)環(huán)境與人類生存狀況,而人類活動反過來可以影響甚至改變流域的生態(tài)環(huán)境,兩者之間或協(xié)同或權(quán)衡的關(guān)系共同推動流域生態(tài)敏感性發(fā)生變化,如何協(xié)調(diào)兩者關(guān)系是流域可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。

4 結(jié)論

本文對汾河流域2000—2018年生態(tài)敏感性時(shí)空演變特征進(jìn)行分析,主要結(jié)論如下：

(1)研究區(qū)重度、極度敏感區(qū)面積減少,生態(tài)環(huán)境得到改善,生態(tài)敏感性空間分異與流域地形分布具有一致性,綜合生態(tài)敏感性較高的區(qū)域主要分布在流域上游源頭的蘆芽山和云中山區(qū),中、下游的太岳山區(qū)以及下游的呂梁山區(qū),生態(tài)敏感性較低的區(qū)域主要分布在上游的汾河水庫及其周邊地區(qū)、中游的太原盆地和下游的臨汾盆地地區(qū)。

(2)研究區(qū)生態(tài)敏感性具有顯著的空間正相關(guān)關(guān)系,在空間上呈連片連帶式分布,具有明顯的聚集性特征,隨著高高、低低聚集網(wǎng)格數(shù)量的減少,生態(tài)敏感性空間結(jié)構(gòu)逐漸趨于離散化。

(3)結(jié)合圈層分布,可將西南象限9—13圈層的呂梁山區(qū)與東南象限9—13圈層的太岳山區(qū)識別為流域生態(tài)環(huán)境治理的重點(diǎn)區(qū)域,該類區(qū)域地形以山地丘陵為主,體現(xiàn)了流域生態(tài)敏感性受地形影響的空間分布特征。

(4)研究區(qū)生態(tài)敏感性變化是生態(tài)本底與人類脅迫共同作用的結(jié)果,自然本底決定流域的生態(tài)環(huán)境與人類生存狀況,而人類活動反過來可以影響甚至改變流域的生態(tài)環(huán)境。

根據(jù)上述結(jié)論,提出以下對策：流域上游是重要的水源涵養(yǎng)區(qū),也是生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)的核心區(qū)。加強(qiáng)水源涵養(yǎng)林建設(shè),以封育保護(hù)為主,在水土流失嚴(yán)重的區(qū)域開展攔沙減沙、蓄水保土、溝道治理、水庫河岸防護(hù)林建設(shè)等水土保持工程。治理私挖亂采煤炭遺留的生態(tài)環(huán)境問題,加強(qiáng)對蘆芽山國家級自然保護(hù)區(qū)的管護(hù)。流域中游人口密集、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá),應(yīng)合理利用土地資源,加強(qiáng)濕地、河岸植被恢復(fù)等生態(tài)景觀建設(shè),優(yōu)化景觀結(jié)構(gòu)布局。依法關(guān)停破壞水資源、污染水環(huán)境及生態(tài)環(huán)境的產(chǎn)業(yè)。利用“五水濟(jì)汾”工程進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)水,控制用水增量,退還被生產(chǎn)、生活擠占的河道生態(tài)用水,維持流域生態(tài)良性循環(huán)。流域下游呂梁山區(qū)、太岳山區(qū)是水土流失較為嚴(yán)重的區(qū)域,要因地制宜,合理利用耕地,修建梯田,增加植被覆蓋率,多措并舉治理水土流失。在河道兩岸實(shí)行退耕、還灘、還濕,建立華北落葉松、云杉物種等基因庫以保護(hù)生物多樣性。

本文在構(gòu)建綜合生態(tài)敏感性指數(shù)的基礎(chǔ)上,運(yùn)用空間自相關(guān)分析與圈層分析的方法揭示汾河流域生態(tài)敏感性時(shí)空演變特征。目前,對于生態(tài)敏感性評價(jià)指標(biāo)的選取并沒有形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),本文僅從景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)敏感性、水土流失敏感性、生物多樣性敏感性方面構(gòu)建指標(biāo),略顯不足,有待于進(jìn)一步驗(yàn)證其準(zhǔn)確性。此外,需要說明的是本文降水?dāng)?shù)據(jù)是通過空間插值獲得,可能會對敏感性空間格局的精確性產(chǎn)生一定影響,在后續(xù)研究中需要進(jìn)一步完善。