盧應爽,韓 蕊,石 宇,郭 濼,*

1 中央民族大學生命與環(huán)境科學學院,北京 100081 2 天津大學環(huán)境科學與工程學院,天津 300350

生態(tài)系統(tǒng)是人類生存和發(fā)展不可或缺的基礎,生態(tài)系統(tǒng)只有保持其結(jié)構(gòu)和功能的完整性,才能為人類提供服務。生態(tài)系統(tǒng)健康體現(xiàn)了生態(tài)系統(tǒng)的綜合特性[1],是人類可持續(xù)發(fā)展的基本保障,被認為是環(huán)境管理的終極目標[2]。對生態(tài)系統(tǒng)健康進行評價是我們了解生態(tài)系統(tǒng)所處狀況的重要途徑之一,已經(jīng)成為社會關注的熱點問題,區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康是綜合評價生態(tài)系統(tǒng)健康的核心,也是規(guī)范區(qū)域開發(fā)、環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展的重要基礎[3- 4]。近30年來,由于中國經(jīng)濟的快速增長,土地退化、污染加劇、生物多樣性減少等一系列的環(huán)境問題出現(xiàn)[5],干擾和破壞了生態(tài)系統(tǒng)健康,自然系統(tǒng)對人類提供的服務功能逐漸減弱,繼而使人們的生產(chǎn)生活和身體健康受到一定威脅[6-7]。而區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康是一個龐大的體系,任何因子的變化都可能影響其生態(tài)系統(tǒng)健康的狀況,這為生態(tài)系統(tǒng)健康的評估和生態(tài)系統(tǒng)的保護帶來了困難。

目前,生態(tài)系統(tǒng)健康評價常用的研究方法有綜合指數(shù)評價法、聚類分析法、模糊數(shù)學法、層次分析法、景觀空間格局分析法、生態(tài)足跡法、質(zhì)量指數(shù)法和韋伯—費希納評價法等,并將遙感技術、地理信息系統(tǒng)等技術與生態(tài)監(jiān)測相結(jié)合以獲取更加全面、準確的數(shù)據(jù)已成為生態(tài)系統(tǒng)健康評價的熱點[8- 9]。生態(tài)系統(tǒng)健康評價的研究主要集中在濕地[10]、草原[11]、河流[12]、農(nóng)田[13]、沙漠[14]、流域[15]、湖泊[16]、煤礦區(qū)[17]、交錯區(qū)[18]、水庫[19]和城市[20]等方面,但有關喀斯特地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康評價的研究相對較少。喀斯特地貌具有植被易受破壞、土壤侵蝕強、滲漏強烈、成土速度慢和恢復難度大等特點,其直接或間接地影響喀斯特區(qū)域中人與生態(tài)系統(tǒng)之間的關系,形成了喀斯特區(qū)域的自然資源開發(fā)、生態(tài)建設和經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展之間的獨特要求[21]。在國際上,LeGrand首次指出喀斯特地區(qū)易出現(xiàn)地面塌陷、森林退化、旱澇災害等生態(tài)環(huán)境問題[22],此后關于喀斯特地貌的研究受到學者的廣泛關注[23]。國內(nèi)近年來對喀斯特地貌的研究主要探討喀斯特生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性、人類影響和喀斯特地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的退化方向,而對喀斯特地貌生態(tài)系統(tǒng)健康的研究目前有限,例如曹歡等[24]運用模糊數(shù)學評價法對貴州省畢節(jié)市生態(tài)系統(tǒng)健康進行評價,并對喀斯特地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康評價方法進行了比較[25]。周文龍等[26]基于子系統(tǒng)對施秉縣云臺生態(tài)系統(tǒng)健康進行評價。李遠艷等[27]基于PSR模型評價貴州省喀斯特地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康。姚嵐等[28]基于三角模型評價了喀斯特地區(qū)土地利用系統(tǒng)健康,但大多數(shù)研究缺乏對生態(tài)系統(tǒng)健康的影響因素進行探究。

貴州省黔東南苗族侗族自治州位于長江與珠江的分水嶺地區(qū),是長江、珠江上游地區(qū)的重要生態(tài)屏障和西部大開發(fā)生態(tài)建設的重點區(qū)域[29]。黔東南州大部分縣市屬于連片特殊困難地區(qū)內(nèi)的國家扶貧開發(fā)工作重點縣,存在較大的人地矛盾,生態(tài)環(huán)境十分脆弱[30]。因此,本研究以黔東南州為例,對1990—2015年黔東南州的生態(tài)系統(tǒng)健康進行評價,并分析其影響因素,為區(qū)域可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

黔東南苗族侗族自治州(黔東南州)地處貴州高原東南部,位于西南喀斯特地貌分布區(qū),地跨107°17′20″ E—109°35′24″ N,總面積為30337 km2,共16個市縣(圖1)。全州海拔高度在137—2178 m之間,該州西北地區(qū)屬于典型的喀斯特地貌,東南一側(cè)為不同形態(tài)的剝蝕、侵蝕地貌。據(jù)2005年統(tǒng)計,黔東南州喀斯特地貌地區(qū)有25%發(fā)生石漠化[31]。年均氣溫約為14—18℃,年均降水量為1003.8—1366.7 mm,屬于亞熱帶季風濕潤氣候。該州河網(wǎng)稠密水資源豐富,年徑流量225 億m3,分別匯入長江、珠江兩大水系,是長江、珠江上游地區(qū)的重要生態(tài)屏障,國家實施對其實施“天?！惫こ?屬長江、珠江防護林保護區(qū)范圍[32]。森林覆蓋率達67.67%,具有豐富的水資源和森林資源,但該地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件較差,經(jīng)濟水平較為落后。

圖1 黔東南州地理位置Fig.1 Location of Qiandongnan Prefecture

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及處理

1990—2015年是黔東南州在生態(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟發(fā)展上經(jīng)歷的比較有代表性的一個時段,在此期間,黔東南州歷了較大范圍的城市化,并實施了完整的一輪退耕還林保護工程。本研究基于2 km×2 km的網(wǎng)格評價單元進行數(shù)據(jù)計算,利用1990年、1995年、2000年、2005年、2010年及2015年6期的Landsat TM/ETM遙感影像, 結(jié)合研究區(qū)域1:25萬地形圖、土壤和植被專題圖進行分析。根據(jù)土地利用覆蓋變化(LUCC)分類體系與黔東南州土地利用現(xiàn)狀,將研究區(qū)的土地利用類型劃分成耕地、林地、草地、水域、建筑用地及未利用地6種一級類型；黔東南州相關社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)均來源于貴州省統(tǒng)計年鑒等。

2.2 PSR模型的構(gòu)建

“壓力-狀態(tài)-響應”模型(Pressure-State-Response,簡稱PSR模型)用于分析各個環(huán)境指標變化和生態(tài)系統(tǒng)響應措施之間的關系[33-34],并且能夠反映區(qū)域各個環(huán)境因子相互關系與外界人為因素的干擾,用于評估區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康狀況[35]。壓力指人類為滿足糧食生產(chǎn)、經(jīng)濟生產(chǎn)、生態(tài)保護等需求而對土地生態(tài)系統(tǒng)的脅迫,即人類對土地資源的利用強度。生態(tài)系統(tǒng)健康面臨的壓力包括生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部自然因素和外部人類活動因素的干擾,絕大部分是由于受到人類活動的影響。因此選取人口密度和人為壓力指數(shù)兩個指標來構(gòu)建黔東南州生態(tài)系統(tǒng)健康評價的壓力指標。狀態(tài)指標反映了環(huán)境要素的變化和環(huán)境政策的終極目標,其中主要包括自然環(huán)境狀況和生態(tài)系統(tǒng)狀況[36]。結(jié)合“活力-組織-彈性-功能”理論框架,主要從生態(tài)系統(tǒng)的生物、物理化學及生態(tài)功能等多個角度選取植被覆蓋度指數(shù)、香農(nóng)多樣性指數(shù)、蔓延度、斑塊凝聚度指數(shù)、生態(tài)彈性度和生態(tài)系統(tǒng)服務價值來評估生態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)[37- 38]；由于本研究主要從土地利用視角對生態(tài)系統(tǒng)健康進行評價,因此選取基于土地利用類型的植被覆蓋指數(shù),從土地利用視角反應生態(tài)系統(tǒng)活力；根據(jù)指標的可獲取原則和可比性原則,本研究從自然以及人類活動兩個方面選取響應指標對生態(tài)系統(tǒng)的響應進行描述。

本文基于PSR模型并結(jié)合研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的組成、功能、生態(tài)特征、經(jīng)濟社會等方面的特征,選取11個評價指標構(gòu)建黔東南生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標體系,見表1,并采用熵權法確定各指標權重[39]。

表1 生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標及權重

生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)(Health Index,簡稱HI)計算公式如下[40]：

HI=PI×WP+SI×WS+RI×WR

(1)

式中,PI、SI和RI分別代表壓力指數(shù)(Pressure Index)、狀態(tài)指數(shù)(State Index)和響應指數(shù)(Response Index)；WP、WS和WR分別代表PI、SI和RI的權重系數(shù)。

壓力層指標為人口密度和人為壓力指數(shù)。人為壓力指數(shù)的計算公式為：

(2)

式中,n為土地利用類型的數(shù)量,ai為第i種土地利用類型的面積,qi為第i種土地利用類型的人為壓力強度參數(shù)[41],A為評價單元總面積。

狀態(tài)層指標中,香農(nóng)多樣性指數(shù)、蔓延度、斑塊凝聚度由Fragstats 4.2計算得到。植被覆蓋指數(shù)(V)計算公式為[42]：

(3)

式中,Aveg為植被覆蓋指數(shù)的歸一化系數(shù),ai為第i種土地利用類型的面積,hi為植被覆蓋指數(shù)分權重,A為評價單元總面積。

生態(tài)系統(tǒng)彈性度(R)[43]的計算公式如下：

(4)

(5)

式中,n為土地利用類型的數(shù)量,ai為第i種土地利用類型面積,qi為第i種土地利用類型的彈性分值[34],A為評價單元總面積,S為景觀多樣性。

生態(tài)系統(tǒng)服務價值采取的計算方法如下:

(6)

式中,ESV表示單位生態(tài)系統(tǒng)服務價值總量；Ai表示土地利用類型i的面積；Pi表示土地利用類型i的單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務價值[44]

響應層由景觀破碎化指數(shù)、人均GDP和建設用地比例3個指標進行表示。

2.3 城市化分級

本研究通過人口密度、人均GDP以及建設用地比例3個指標,分別衡量黔東南州的人口城市化水平、經(jīng)濟城市化水平以及土地城市化水平,進而衡量黔東南州的綜合城市化水平。將3個指標歸一化后,依據(jù)自然間斷點分級法將城市化評估結(jié)果分為5個水平,即低水平、較低水平、中等水平、較高水平及高水平,計算公式如下[45]：

(7)

式中,UL是指城市化水平指數(shù)；PD′為標準化后的人口密度；GDPD′為標準化后的GDP密度；ULP′為標準化后的建筑用地面積占比。

2.4 地形梯度分級

選取地形位指數(shù)對黔東南州地形梯度進行描述。地形位指數(shù)綜合了海拔因子和坡度因子,是一個可以全面反映某點地形狀況的地形因子。 地形位指數(shù)與海拔和坡度呈正相關關系,若海拔越高而坡度越小,則地形位居中。為更清晰地了解黔東南州地形梯度分布情況,采用自然間斷點分級法把地形位指數(shù)分為5個等級：0.6119—1.0035、1.0035—1.2498、1.2498—1.4413、1.4413—1.6603、1.6603—2.3262。

本研究采取的地形位指數(shù)(T)計算公式如下[46]：

(8)

式中,E為某點海拔(m),E0為某點所在區(qū)域海拔的平均值(m),S為某點的坡度(°),S0為某點所在區(qū)域的平均坡度(°)。

2.5 空間相關性研究

本文結(jié)合黔東南州社會經(jīng)濟發(fā)展狀況和自然地理特征選取人均生產(chǎn)總值(GDP)、人口密度(POP)、建設用地比例(CLP)和地形位指數(shù)4個指標,利用GeoDa 軟件分析每個指標與生態(tài)系統(tǒng)健康的空間相關性,并采用蒙特卡洛模擬法檢驗Moran指數(shù)顯著性,若Moran′sI>0則表示兩者存在正相關關系,反之則存在負相關關系[47]。針對地形位指數(shù)與HI空間關系繪制空間聚集圖,聚集類型包括：不顯著、高-高、高-低、低-低及低-高5種類型。

3 結(jié)果與分析

3.1 生態(tài)系統(tǒng)健康指標層的變化

研究區(qū)1990年、1995年、2000年、2005年、2010年、2015年生態(tài)系統(tǒng)健康的指標分析結(jié)果見表2。1990—2015年黔東南州生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)總體處于下降趨勢,對應生態(tài)系統(tǒng)健康狀況由亞健康狀態(tài)轉(zhuǎn)為臨界狀態(tài)。壓力指數(shù)和狀態(tài)指數(shù)在研究時段內(nèi)亦呈現(xiàn)相似的變化趨勢,而響應指數(shù)整體呈現(xiàn)上升的趨勢。1990—2000年期間,生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)和狀態(tài)指數(shù)都呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢,年均下降率分別為0.41%和0.59%；2000—2005年期間,生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)和狀態(tài)指數(shù)都有所上升,年均增長率分別為0.57%和0.63%；2005—2015年期間,生態(tài)系統(tǒng)健康和狀態(tài)指數(shù)重新呈現(xiàn)下降趨勢且下降程度加劇,年均下降率分別為2.22%和36.36%。在整個研究時段內(nèi),壓力指數(shù)持續(xù)下降,年均下降率最大為6.15%,響應指數(shù)持續(xù)上升,年增長率最大為4.29%。

表2 黔東南州生態(tài)系統(tǒng)各指標變化情況

3.2 生態(tài)系統(tǒng)健康時空變化

1990—2015年不同生態(tài)系統(tǒng)健康水平的面積占比見圖2。研究期間生態(tài)系統(tǒng)健康水平的區(qū)域面積占比大小依次為亞健康(42%—45%)、臨界健康(30%—35%)、健康(15%—22%)、不健康(0.1%—0.4%)、病態(tài)(<0.1%),且25年間研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)各種健康水平的占地面積有顯著變化。1990—2000年期間,生態(tài)系統(tǒng)健康處于臨界、病態(tài)的面積占比分別上升了1.44%和0.02%,說明處于生態(tài)系統(tǒng)健康低水平狀態(tài)區(qū)域環(huán)境條件趨于惡劣,但處于健康的區(qū)域面積所占比例從20.31%上升至21.26%,這說明2000—2005年期間的生態(tài)系統(tǒng)健康狀況有所好轉(zhuǎn)。而后,2005—2015年期間處于病態(tài)、不健康、臨界狀態(tài)區(qū)域面積所占比例分別又上升了0.25%、2.85%和3.81%,且處于亞健康和健康的區(qū)域面積所占比例分別下降了2.16%和4.74%。以上結(jié)果表明黔東南州生態(tài)系統(tǒng)健康受到一定程度的威脅。

圖2 1990—2015年不同生態(tài)系統(tǒng)健康水平區(qū)域比例Fig.2 Proportion of regions with different ecosystem health levels from 1990 to 2015

黔東南州1990—2015年生態(tài)系統(tǒng)健康水平空間分布見圖3?？傮w來說,黔東南州中部的臺江縣、劍河縣和東北部的三穗縣、錦屏縣等地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康水平較高,多處于亞健康和健康狀態(tài)；而南部的榕江縣、東部的黎平縣和北部的鎮(zhèn)遠縣、岑鞏縣等區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康狀況多處于臨界狀態(tài)；西北部的凱里市等區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康水平最低,且整體上呈現(xiàn)下降的趨勢。1990—2000年期間,生態(tài)系統(tǒng)健康處于臨界狀態(tài)和病態(tài)的區(qū)域增加；2000—2005年期間生態(tài)系統(tǒng)健康狀況有所好轉(zhuǎn),如西北部凱里市及其周圍的麻江縣、黃平縣生態(tài)系統(tǒng)健康水平處于不健康狀態(tài)的區(qū)域有所減少,南部榕江縣、從江縣、黎平縣以及北部的施秉縣、岑鞏縣處于臨界狀態(tài)的區(qū)域部分轉(zhuǎn)為亞健康狀態(tài)；而在2010—2015年期間,生態(tài)系統(tǒng)健康水平再次下降且惡化程度加劇。

3.3 基于地形位指數(shù)梯度的生態(tài)系統(tǒng)健康變化

圖4 黔東南州生態(tài)系統(tǒng)健康隨地形梯度等級的變化(level1—5指地形梯度1—5)Fig.4 Changes of ecosystem health in Qiandongnan Prefecture with different terrain gradient level (level1—5 means the terrain gradient from 1—5)

1990—2015年期間黔東南州生態(tài)系統(tǒng)健康水平在地形梯度上表現(xiàn)為隨梯度增大而增大的趨勢(圖4)。梯度1—3之間生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)增加的趨勢較平均,梯度3—5之間增加的幅度變大。即山地特征越明顯,生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)整體越高。1990—2015年,在各地形位指數(shù)上生態(tài)系統(tǒng)健康水平整體呈現(xiàn)下降的趨勢,2005年生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)有所上升。梯度1—5上生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)減小的程度依次減小,分別減小了16.89%、16.37%、16.10%、15.94%和14.94%。黔東南州生態(tài)系統(tǒng)健康水平下降程度最大的地區(qū)均出現(xiàn)在低地形位區(qū)域上,而海拔高坡度大的地區(qū)人類活動影響較小,生態(tài)系統(tǒng)健康水平下降相對緩慢。

3.4 基于地形梯度的城市化時空動態(tài)分析

1990—2015年黔東南的城市化指數(shù)依次為0.3589、0.3598、0.3145、0.3159、0.3618、0.6068,可以看出城市化水平呈“凹”字波動趨勢。黔東南州5個地形梯度上的城市化水平面積變化見圖5。1990年至2015年間,雖然2000—2005年城市化水平在下降,但1990—1995年以及2010—2015年期間,城市化進程一直處于加快的趨勢,黔東南州處于低城市化水平的區(qū)域占比最大,且該區(qū)域面積在梯度5上占比最大；而高城市化水平區(qū)域主要聚集于城市密集分布的地形梯度1、地形梯度2和海拔高坡度小的地形梯度3上,研究時段內(nèi),地形梯度1—3區(qū)域上的高城市化水平區(qū)域面積占整體高城市化水平區(qū)域面積比例分別為80.91%、76.13%、94.47%、100.00%、74.96%、68.14%,可見地形梯度1—3區(qū)域的城市化程度最高,表明該區(qū)域適合人類開發(fā)與居住,地形梯度對城市化的空間分布具有顯著的影響。

圖5 1990—2015年黔東南州城市化水平在不同地形梯度等級的分布情況Fig.5 The distribution of urbanization level in different terrain gradient levels in Qiandongnan Prefecture from 1990 to 2015

3.5 城市化與生態(tài)系統(tǒng)健康的空間相關性分析

黔東南州的人均生產(chǎn)總值(GDP)、人口密度(POP)、建設用地比例(CLP)與生態(tài)系統(tǒng)健康之間的空間相關性分析結(jié)果表明,這三個指標與生態(tài)系統(tǒng)健康指標之間無顯著的空間相關關系。但是,在各個縣市的分析中發(fā)現(xiàn),凱里市人均生產(chǎn)總值、人口密度、建設用地比3個指標與生態(tài)系統(tǒng)健康之間在空間上呈現(xiàn)顯著的負相關關系(表3),說明凱里市生態(tài)系統(tǒng)健康受到人為因素的干擾較大,凱里市作為黔東南州的州府,城市化相對于其他地區(qū)也更加明顯。因此,在黔東南州以凱里市為例進行了城市化與生態(tài)系統(tǒng)健康之間的空間相關性分析。從表3可以看出,1990—2015年期間,人均生產(chǎn)總值、建設用地比例與生態(tài)健康的Moran′sI指數(shù)在不斷增大；而人口密度與生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)之間Moran′sI指數(shù)則變化較小。

表3 凱里市城市化與生態(tài)系統(tǒng)健康的雙變量Moran′s I 指數(shù)

3.6 地形梯度與生態(tài)系統(tǒng)健康空間相關性分析

1990—2015年黔東南州地形梯度與生態(tài)系統(tǒng)健康的全局相關性的Moran′sI指數(shù)見表4,分別為0.0908、0.0555、0.0579、0.0675、0.0597、0.0747。由此可知地形梯度與生態(tài)系統(tǒng)健康之間呈現(xiàn)顯著的正相關關系,而Moran′sI指數(shù)在研究期間先下降后上升,說明地形梯度與生態(tài)系統(tǒng)健康的空間正相關效應有所減弱。數(shù)據(jù)的顯著性檢驗結(jié)果中每一年的P值都為0.001,說明地形梯度與生態(tài)系統(tǒng)健康之間的正相關性具有顯著的統(tǒng)計學差異。

表4 地形梯度與生態(tài)系統(tǒng)健康的雙變量Moran′s I 指數(shù)

地形位指數(shù)與生態(tài)系統(tǒng)健康之間呈現(xiàn)顯著的空間正相關關系,因此對局部集聚情況進行分析(圖6)?？煽闯?“低-低”集聚區(qū)主要分布在黔東南州西北部地區(qū),如麻江縣、丹寨縣、凱里市、雷山縣和臺江縣、東北部的鎮(zhèn)遠縣以及東南部的黎平縣等海拔低、坡度小的區(qū)域。“高-高”集聚區(qū)主要分布在中部的劍河縣、西北部的天柱縣、錦屏縣、中南部的榕江縣以及榕江縣的西南部等海拔高、坡度大的區(qū)域。1990—1995年期間,“低-低”集聚區(qū)和“高-高”集聚區(qū)面積變化情況相同,年均增長率分別為5.11%和5.94%,2015年與1990年相比,“低-低”集聚區(qū)和“高-高”集聚區(qū)面積年均下降率分別為0.93%和1.19%。

圖6 地形位指數(shù)與生態(tài)系統(tǒng)健康之間的局部Moran′s I LISA 圖Fig.6 Local Moran ′s I LISA map between terrain index and ecosystem health

4 討論

4.1 黔東南州生態(tài)系統(tǒng)健康變化原因分析

本研究通過PSR模型和“活力—組織—彈性—功能”理論框架對黔東南州進行生態(tài)系統(tǒng)健康評估。研究表明,從時間上看,研究期間的黔東南州生態(tài)系統(tǒng)健康綜合指數(shù)整體呈現(xiàn)持續(xù)下降的趨勢,其生態(tài)健康水平從亞健康狀態(tài)變?yōu)榕R界狀態(tài)。在1990—2015年期間,生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)總體呈現(xiàn)下降趨勢,2000年—2005年期間,生態(tài)系統(tǒng)健康狀況變好,而2005—2015年期間,生態(tài)系統(tǒng)狀況繼而變差。在熊婭等[48]學者的黔東南州生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化趨勢及未來發(fā)展探討研究中指出,2008 年以來,黔東南州生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)表現(xiàn)出總體較平穩(wěn)的趨勢,2009、2011 年有所下降。與2008 年相比 2009 年、2011 年分別下降了 0.1%、0.2%,2010、2012 分別小幅上升了 0.08%、0.04%,增長幅度可忽略,這表明了在2008—2012年期間,總體上黔東南州生態(tài)環(huán)境質(zhì)量處于下降趨勢。賀祥等[49]學者的黔東南州生態(tài)系統(tǒng)服務價值及影響因素演變動態(tài)中,指出黔東南州2010—2015年生態(tài)系統(tǒng)服務價值處于下降的趨勢,黔東南州生態(tài)系統(tǒng)服務價值與功能整體均呈下降趨勢, 表明土地利用變化對其生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與格式造成一定負面影響, 生態(tài)系統(tǒng)整體效益與功能處于下降態(tài)勢。這與本研究中所得到的2010—2015年期間生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)下降的結(jié)果相呼應。

分析其下降原因主要是人口持續(xù)增長、大量林地的破壞和建設用地的增加。1990年黔東南州年末人口數(shù)為371.51萬人,而2015年增長至473.50萬人,年均增長率為40.80%[50]。在2005年—2015年間,耕地和建設用地呈現(xiàn)明顯增加的趨勢,而林地、草地呈下降趨勢,1999年黔東南耕地面積和建設用地面積分別為11276.37、54.69 km2,2013年時耕地面積和建設用地面積已分別增加至13142.19、284.21 km2,年均增長率為分別達到了1.18%、29.98%,而1999—2013年期間林地面積共減少了1625.84 km2,草地面積減少了5525.50 km2[50],說明黔東南州開發(fā)加劇,在快速發(fā)展經(jīng)濟的同時更應注意生態(tài)環(huán)境的保護。同時,黔東南州大力開展旅游業(yè),旅游人數(shù)每年呈現(xiàn)上升的趨勢,2010年旅游人數(shù)為1475.53萬人次,2015年旅游人次達到了4550.00萬人[51],年均增長率為41.67%,對生態(tài)系統(tǒng)健康造成了一定的負面影響。

此外,從黔東南州局部縣市研究結(jié)果來看,在賀祥等[52]學者脆弱生態(tài)環(huán)境區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務功能與價值時空演變的研究中表明了:在2005—2015年期間,劍河縣、雷山縣、黎平縣、天柱縣、鎮(zhèn)遠縣和榕江縣的生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化幅度高于全州, 呈現(xiàn)增加的趨勢；岑鞏縣、從江縣、丹寨縣、錦屏縣、施秉縣生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化幅度低于全州,呈現(xiàn)減少的趨勢；黃平縣和凱里市生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化幅度低于全州,呈現(xiàn)增加的趨勢。這與本研究得到的生態(tài)系統(tǒng)健康狀況分布情況相吻合。

在空間尺度上,處于不健康和病態(tài)的區(qū)域集中于西北部的凱里市及其周圍等城市化進程較快的區(qū)域,因為凱里市是黔東南州的經(jīng)濟中心,建設用地面積從2010年的33.44 km2到2015年的54.53 km2,年增長率達到12.61%,且人口增速快,年末人口數(shù)從1990年的38.04萬人增長至2015年的56.95萬人[51],給生態(tài)系統(tǒng)造成了很大壓力；中部臺江縣和劍河縣等地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康水平較好,大部分處于亞健康狀態(tài),臺江縣植被保護較好,森林覆蓋率達到60%。劍河縣內(nèi)水系眾多,縣內(nèi)工業(yè)發(fā)展緩慢,生態(tài)環(huán)境情況良好；南部榕江縣和黎平縣等地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康處于臨界狀態(tài),且區(qū)域面積增加,榕江縣和黎平縣經(jīng)濟相對中部地區(qū)發(fā)達,人口數(shù)眾多,近年來大力發(fā)展旅游業(yè)、建設工業(yè)園區(qū)、機場和高速鐵路等,對生態(tài)系統(tǒng)健康造成一定的不利影響[53]。按照目前的生態(tài)系統(tǒng)健康水平的下降趨勢,若不采取相應的措施,該部分地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康水平極可能加快惡化,由臨界狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椴唤】禒顟B(tài)。2000—2005年期間,整體的生態(tài)系統(tǒng)健康水平有所好轉(zhuǎn),究其原因是黔東南州先后在部分區(qū)域和全州范圍內(nèi)實行人工造林和封山與育林的結(jié)果[51],說明退耕還林政策對保護和改善當?shù)氐纳鷳B(tài)系統(tǒng)健康具有可實現(xiàn)的作用。

通過從城市化因素和地形因素兩個方面探究影響黔東南州生態(tài)系統(tǒng)健康的原因,結(jié)果表明,黔東南州的人均生產(chǎn)總值、人口密度、和建設用地比例對整體的生態(tài)系統(tǒng)健康無顯著影響,但對于部分經(jīng)濟相對發(fā)達、城市化進程較快的區(qū)域,如凱里市等區(qū)域,生態(tài)系統(tǒng)健康受城市化因素的不利影響較為明顯。而黔東南州地形位指數(shù)與生態(tài)系統(tǒng)健康的空間相關性顯著。生態(tài)系統(tǒng)健康分布情況主要受苗嶺山脈的影響,處于地形位指數(shù)低的區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康水平也較低。在人類活動和特殊的地形地貌的綜合影響下,黔東南州這個喀斯特地區(qū)形成獨特的土地利用結(jié)構(gòu),使得建設用地、耕地和水域在地形位指數(shù)低的區(qū)域占主導地位,該研究結(jié)果也與陳鑄等[54]對地形梯度與土地利用研究結(jié)果相一致。海拔低、坡度小以及苗嶺以北地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康水平相比苗嶺以南地區(qū)整體來說較低,且有惡化的趨勢,這種趨勢如果持續(xù),生態(tài)系統(tǒng)的活力和恢復力將受到破壞,生態(tài)系統(tǒng)服務價值也將隨著降低,繼而生態(tài)系統(tǒng)退化,同時人們的生活和身體健康也將受到不利影響。因此,在土地利用規(guī)劃及管理中應注重區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康評價和監(jiān)測,并將地形因素充分考慮在內(nèi),因地制宜以促進區(qū)域可持續(xù)發(fā)展。

4.2 生態(tài)系統(tǒng)健康的管理對策

“綠水青山和金山銀山?jīng)Q不是對立的,關鍵在人,關鍵在思路”。這是2014年習近平主席在參加貴州代表團審議時給建設者們的叮囑。根據(jù)黔東南州生態(tài)系統(tǒng)健康評估結(jié)果,對其生態(tài)系統(tǒng)健康管理提出以下幾點建議,以期對黔東南州人與自然協(xié)調(diào)發(fā)展提供可行性措施：首先,由黔東南州生態(tài)系統(tǒng)健康評估結(jié)果可知,2000—2005年期間,生態(tài)系統(tǒng)健康水平出現(xiàn)改善的情況,說明黔東南州實行的退耕還林政策對緩解生態(tài)系統(tǒng)健康水平下降有益,因此,建議黔東南州繼續(xù)實行退耕還林政策,特別是在喀斯特地貌顯著的北部和西北部如施秉縣、凱里市、黃平縣和麻江縣等、南部和東部生態(tài)系統(tǒng)健康處于臨界狀態(tài)的榕江縣、從江縣、黎平縣以及其他處于臨界狀態(tài)轉(zhuǎn)為亞健康狀態(tài)的區(qū)域等,對已經(jīng)實行過退耕還林工程的地區(qū)如凱里市、黃平縣和黎平縣等區(qū)域繼續(xù)進行保護,發(fā)展綠色農(nóng)業(yè)等來增加當?shù)鼐用袷杖氩⒆畲蟪潭葴p少對森林和草地的破壞,減緩喀斯特地貌的蔓延。其次,雖然黔東南州城市化對生態(tài)系統(tǒng)健康的影響整體上沒有地形的影響顯著,但人為因素對生態(tài)環(huán)境的破壞不可忽略,如凱里市城市化進程對生態(tài)系統(tǒng)健康的負面影響。生態(tài)系統(tǒng)服務價值也在一定程度上體現(xiàn)了城市化和生態(tài)系統(tǒng)健康之間的關系,因此建議將生態(tài)系統(tǒng)服務價值納入黔東南州GDP核算,便于管理者和決策者更好分析生態(tài)系統(tǒng)服務價值對GDP整體的影響程度,進而制定更為合適的經(jīng)濟發(fā)展計劃。最后,根據(jù)黔東南州地形梯度分布情況,應該在即將建設的區(qū)域因地制宜地做好景觀生態(tài)規(guī)劃、區(qū)域生態(tài)規(guī)劃和生物圈保護區(qū)規(guī)劃,將生態(tài)系統(tǒng)健康的保護和監(jiān)測考慮至規(guī)劃中去,實現(xiàn)民族聚居區(qū)的可持續(xù)發(fā)展,使綠水青山充分發(fā)揮經(jīng)濟社會效益。

5 結(jié)論

本研究基于PSR模型和“活力-組織-彈性-功能”框架理論,利用土地利用遙感數(shù)據(jù)、經(jīng)濟、人口遙感數(shù)據(jù)和年鑒數(shù)據(jù),采用空間網(wǎng)格對黔東南州1990—2015年生態(tài)系統(tǒng)健康進行評價和空間格局分析,結(jié)論如下：

(1)1990—2015年,黔東南州生態(tài)系統(tǒng)健康水平整體由“亞健康”狀態(tài)轉(zhuǎn)為“臨界”狀態(tài),生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)從1990年的0.73下降至2015年的0.56,呈現(xiàn)較明顯的下降趨勢,且2010—2015年下降速度最快。

(2)空間分布上,西北部凱里市及其周圍區(qū)縣生態(tài)系統(tǒng)健康水平相對較低,中部的臺江縣、劍河縣和東北部的三穗縣、錦屏縣等區(qū)縣生態(tài)系統(tǒng)健康狀況較好。1990—2000年期間,生態(tài)系統(tǒng)健康處于臨界狀態(tài)和病態(tài)的區(qū)域狀況輕微加劇,在2000—2005年期間情況有所好轉(zhuǎn),西北部凱里市及其周圍的麻江縣、黃平縣處于不健康狀態(tài)的區(qū)域有所減少,南部榕江縣、從江縣、黎平縣以及北部的施秉縣、岑鞏縣處于臨界狀態(tài)的區(qū)域部分轉(zhuǎn)為亞健康狀態(tài)。而2010—2015年期間,生態(tài)系統(tǒng)健康再次下降且程度加劇。

(3)黔東南州人口城市化、經(jīng)濟城市化、土地城市化與生態(tài)系統(tǒng)健康之間的空間相關性不顯著。黔南州的州府凱里市城市化與生態(tài)系統(tǒng)健康之間呈現(xiàn)較為顯著的空間相關性,說明在黔東南城市化水平較高的地方,城市化是影響生態(tài)系統(tǒng)健康的主要因素,而在城市化水平較低的地方,地形是影響生態(tài)系統(tǒng)健康的主要因素。

(4)地形梯度與黔東南州生態(tài)系統(tǒng)健康之間呈現(xiàn)顯著的空間正相關關系,說明地形梯度對黔東南州生態(tài)系統(tǒng)健康影響較大。生態(tài)系統(tǒng)健康隨著地形梯度的升高而升高,較高和高城市化水平的區(qū)域集中在地形梯度為1—3的區(qū)域上,這些區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康水平較低。在1990—2015年期間,地形位指數(shù)與生態(tài)系統(tǒng)健康之間的“低-低”集聚區(qū)面積呈現(xiàn)先減少后增加再減少的趨勢,“高-高”集聚區(qū)面積變化趨勢與“低-低”集聚區(qū)面積情況基本相同。