李劍鋒,朱玉晨,劉春雷,李亞松,郝奇琛,李政紅

(1.中國地質科學院水文地質環(huán)境地質研究所,河北 石家莊 050061;2.自然資源部地下水科學與工程重點實驗室,河北 石家莊 050061)

近年來,我國經濟經歷了飛速的發(fā)展,在發(fā)展經濟的同時,引發(fā)的水土流失、環(huán)境污染、植被退化等一系列生態(tài)問題威脅著人類賴以生存的環(huán)境[1]。在這種環(huán)境下,學者從多角度開展了生態(tài)環(huán)境脆弱性研究。從研究尺度上看,省、市以及重點地區(qū)、城市群均有學者開展研究:陸海燕[2]、任源鑫等[3]以省級單位為評價單元,分別開展了新疆維吾爾族自治區(qū)、陜西省的生態(tài)脆弱性研究;王貝貝等[4]以市為研究單元,對南昌市開展脆弱性評價研究;張慧琳等[5]、周玲美等[6]以地區(qū)作為評價單元,分別對山西五臺山地區(qū)、內蒙古呼日查干淖爾地區(qū)開展脆弱性評價研究。從評價體系看,多采用SRP概念模型[2-5]來搭建評價體系,主成分分析法[4]、綜合復權法[3]、層次分析法[6]等也有學者采用。POLSKY C等[7]受美國公共空間計劃整合框架的啟示,發(fā)展了基于“暴露-敏感-適應”的VSD(Vulnerability Scoping Diagram)評價整合模型。

晉江流域是典型的南方丘陵地區(qū),多山地、丘陵。素有“中國茶葉之都”之稱的安溪縣就位于晉江流域的上游。然而,在茶葉產業(yè)發(fā)展的過程中,由于土地利用不當,茶園過度開發(fā),出現(xiàn)了大面積紅壤嚴重退化、水土流失、滑坡侵蝕等諸多環(huán)境問題[8]。本文依托地質調查項目“廈漳泉同城化地區(qū)綜合地質調查”,以福建省晉江流域作為評價區(qū),基于“暴露性-易損性-恢復力”三個維度開展評價,應用Getis-Ord Gi*統(tǒng)計模型、Calinski-Harabasz指數評價聚類模型等評價方法進行分析,為流域尺度上開展脆弱性評價提供了新思路。

1 研究區(qū)概況

晉江流域主要位于福建省泉州市(圖1),地勢西北高、東南低，既有低山丘陵,又有高峰峽谷,河流盆地穿插其中。有東溪和西溪兩大支流,于南安市雙溪口匯入晉江干流,水系具有格子狀扇形水系的特征,流域面積為5 600 km2。晉江流域地處低緯度地區(qū),東臨海洋,屬于中亞熱帶海洋性季風氣候,冬短夏長,光熱豐富,降雨充沛,降雨量年際間變化率大,季風氣候顯著,干、濕季分明。土壤主要類型以南園屬紅壤、河田屬紅壤、魁岐屬紅壤為主,其他為老紅壤、赤紅壤、黃紅壤、潮土、鹽土、黃赤土等土壤類型。植被主要有亞熱帶季風雨林和中亞熱帶常綠闊葉林,以次生林和人工林為主,杉木林、馬尾松林、建柏林等人工林也較為常見。

1.水系;2.公路;3.縣區(qū);4.流域范圍

2 評價指標體系構建

2.1 影響因素分析

生態(tài)系統(tǒng)脆弱性是由多種因素綜合作用引起的,從外界威脅的程度、自我保護的能力與受到破壞后的恢復力3方面考慮,可將脆弱性劃分為暴露性、易損性和恢復力[9-10]。

暴露性反映了生態(tài)系統(tǒng)遭受外界的影響和破壞程度,主要包含自然破壞與人為破壞。自然破壞方面,降雨量是引發(fā)水土流失等生態(tài)地質問題的首要條件,因此降雨量越大,生態(tài)地質問題發(fā)生的可能性就越大。人為破壞分為2類:一類是由于人類生活導致的生態(tài)系統(tǒng)破壞,從空間分布角度看,海拔200～500 m、起伏度50～200 m為丘陵地帶,該區(qū)域是人類活動最頻繁的區(qū)域;另一類是人類生產行為對自然的破壞,晉江流域是茶葉的重要產地,由于不合理的開發(fā)導致茶園易發(fā)生生態(tài)地質問題,茶園種植面積越大,該地區(qū)受到的生態(tài)風險也越大。從土地利用類型來看,建設用地是人類改造自然的區(qū)域,這兩類區(qū)域都是生態(tài)地質問題易發(fā)的區(qū)域。

易損性是生態(tài)系統(tǒng)受到外界影響破壞時自身的抗干擾能力,取決于環(huán)境自身的屬性特征。坡度越陡的地區(qū)越容易發(fā)生地質災害,易損性越高。不同土壤類型對水土保持、植被發(fā)育、生態(tài)適宜性也有所區(qū)別,適宜性差的區(qū)域,受到外界脅迫時更易受損。土壤有機質不同的區(qū)域土壤保肥性不同,有機質越高的區(qū)域植被生長越好,生態(tài)條件越穩(wěn)定，易損性越低。

恢復力指的是生態(tài)系統(tǒng)在遭受外界破壞后的自我恢復能力和調節(jié)能力,植被初級生產力是植物通過光合作用生產有機物質的總量,是估算地球支持能力和評價陸地生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的重要指標,植被初級生產力越高,生態(tài)系統(tǒng)恢復的可能性越大,恢復的也越快。

綜上所述,選擇降雨量、丘陵面積比、茶園種植面積比、建設用地面積比、坡度、土壤類型、土壤有機質與植被初級生產力8個指標建立脆弱性評價指標體系。

2.2 評價指標權重

晉江流域生態(tài)系統(tǒng)脆弱性評價指標體系中各個指標的權重采用層次分析法確定[11]。根據模型選定的評價指標,將評價指標兩兩比對,建立判斷矩陣(表1)。首先,對判斷矩陣進行一致性檢驗,判斷矩陣是否具有一致性,通常采用計算CI及CR值的方法,當CR≤0.1時具有可接受的一致性。經計算λmax=8.05,CI=(λmax-10)/9=0.007 2,查詢8階判斷矩陣RI=1.41,得到CR=CI/RI=0.005 1,滿足CR值≤0.1,滿足一致性要求。由此得到各指標圖層及綜合權重值(表2)。

表1 層次分析判斷矩陣

表2 晉江流域生態(tài)脆弱性評價指標及權重

3 脆弱性評價

3.1 數據收集與處理

系統(tǒng)收集研究區(qū)用于脆弱性評價的數據,包括多年平均降雨量、研究區(qū)高程、植被初級生產力、遙感影像、土壤類型、土壤有機質等數據(表3)。對遙感影像數據進行解譯,獲取了研究區(qū)茶園種植區(qū)分布圖與建設用地分布圖,進而統(tǒng)計各類面積比值。

表3 數據來源

3.2 脆弱性評價分區(qū)

在晉江流域脆弱性指數的基礎上,將晉江流域生態(tài)環(huán)境按照生態(tài)環(huán)境脆弱性指數的高低分為脆弱性較高分區(qū)、脆弱性中等分區(qū)、脆弱性較低分區(qū)3個級別(圖2)。本文采用自然斷點分級法,該方法在考慮了數據聚類特征的基礎上,進一步兼顧了數據的數量與范圍。

1.脆弱性較高分區(qū);2.脆弱性中等分區(qū);3.脆弱性較低分區(qū);4.河流;5.縣市

通過脆弱性分析可知,安溪縣感德鎮(zhèn)、長坑鄉(xiāng)、蓬萊鎮(zhèn)所在的子流域脆弱性最高,南安市南部到泉州市的平原區(qū)脆弱性較低,其他地區(qū)脆弱性一般。整體來看,西溪比東溪脆弱,上游比下游脆弱。

安溪縣幾個鄉(xiāng)鎮(zhèn)脆弱性較高的主要原因是受茶園種植以及土壤性質的影響。這幾個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的主要土壤類型為河田屬紅壤,土層中富含白色石英砂,茶園墾殖過程中常年鏟除雜草,雨后細土隨地表徑流流失,土壤逐漸砂化。由于茶樹的聚鋁性特征[17],導致茶園表土迅速酸化,進而加劇土壤表層肥力的退化。茶園的開采對區(qū)域的原生植被有破壞作用,植被覆蓋信息與初級生產力指標均表明這幾個鄉(xiāng)鎮(zhèn)恢復力一般,特別是感德鎮(zhèn)與長坑鄉(xiāng),初級生產力與植被覆蓋指標均較差,更加凸顯了脆弱性。

4 生態(tài)環(huán)境脆弱性評價

4.1 基于多維偽F統(tǒng)計量動態(tài)K-均值聚類分析算法的脆弱性主導因素識別

基于上述評價模型可知,影響晉江流域生態(tài)環(huán)境脆弱性的二級指標共8種,為了分析影響研究區(qū)脆弱性在不同子流域的特點,對這些指標進行聚類分析[18],以便深入了解研究區(qū)不同位置的脆弱性主導因素。

研究采用基于多維偽F統(tǒng)計量動態(tài)K-均值聚類分析算法。K-均值聚類分析算法是一種廣泛應用于數據聚類分析的迭代變換算法,通過指定類別數K,基于給定的聚類目標函數,采用迭代更新的方法,使得最終聚類結果目標函數值為極小值,達到較優(yōu)的聚類效果[19-20]。類別數K通過Calinski-Harabasz指數評價聚類模型[21]多維偽F統(tǒng)計量來確定(表4)。

表4 偽F統(tǒng)計量匯總表

對聚類模型來說,通常聚類結果為同一類的數據距離越近越好,而不同類別的數據距離越遠越好,偽F統(tǒng)計量反映的是聚類間方差和聚類內方差的比率,即反映組內相似性和組間差異的比率。該值越大,代表組內越緊密,不同組之間的差異越大,即有更優(yōu)的聚類結果。二級指標的偽F統(tǒng)計值結果顯示,隨著類別數量增加,偽F統(tǒng)計值呈逐漸降低的趨勢,即將研究目標分為3類時,分類效果最好。由此選定K值為3,進行K-均值聚類分析,得到聚類分布圖(圖3)。

1.組1;2.組2;3.組3;4.河流;5.縣市

組1為研究區(qū)中部大部分地區(qū),面積3 862 km2,占研究區(qū)面積的68.88 %;組2為東南部城市聚集區(qū),面積915 km2,占研究區(qū)面積的16.33 %;組3為研究區(qū)西部劍斗鎮(zhèn)、長坑鄉(xiāng)、西坪鎮(zhèn)等茶葉種植區(qū),面積829 km2,占研究區(qū)面積的14.79 %。創(chuàng)建基于組匯總的變量統(tǒng)計值見表5。

基于統(tǒng)計表反映出,組2的主導因素前三名分別為建設用地面積比、初級生產力與土壤有機質,坡度與降雨量的影響很小,充分反映了組2作為城市聚集區(qū)的特點:建設用地面積比非常高,同時由于城市化對于土地的破壞,初級生產力與土壤有機質均非常低,在城市聚集區(qū),脆弱性主要體現(xiàn)為居民活動所造成的影響。因此,改善城市聚集區(qū)的脆弱性應當從以下方面入手:減緩土地的占用、植樹造林增加植被覆蓋以及土壤修復。組3的主導因素為茶園,相對于其他因素非常突出,其他因素則相差不大,組3所反映的區(qū)域恰為研究區(qū)內茶葉種植密集的區(qū)域,說明茶葉的過度種植對生態(tài)環(huán)境脆弱性的影響非常大,需要合理規(guī)劃,適度科學種植,避免過度種植引發(fā)生態(tài)破壞與災害[22]。組1為研究區(qū)的中部大部分地區(qū),從統(tǒng)計指標來看,各項要素較為均衡,差別較小,沒有出現(xiàn)特別突出的主導因素,說明在研究區(qū)的大部分區(qū)域,各項二級指標對脆弱性共同產生作用,在各方面均需要適度注意。

4.2 基于Getis-Ord Gi*統(tǒng)計模型顯著性熱點分析的脆弱性聚集評價

應用Getis-Ord Gi*統(tǒng)計模型對研究區(qū)評價結果進行統(tǒng)計顯著性分析,開展晉江流域脆弱性較高區(qū)域與較低區(qū)域的聚集特征評價(圖4)。Getis-Ord Gi*是一種用于識別具有統(tǒng)計顯著性的高值(熱點)和低值(冷點)的空間聚類統(tǒng)計方法,它通過自動聚合數據,識別適當的分析范圍,并糾正多重測試和空間依賴性,對數據進行查詢,以確定可優(yōu)化熱點分析結果的設置[23]。對本研究來說,生態(tài)環(huán)境脆弱性指數作為評價數據,評價模型結果的高值區(qū),即熱點區(qū)域,代表了脆弱性相對較高的聚集區(qū)域。低值區(qū)，即冷點區(qū)域,代表了脆弱性相對較低的聚集區(qū)域。

1.熱點區(qū)間(99%置信);2.熱點區(qū)間(95%置信);3.熱點區(qū)間(90%置信);4.無明顯特征區(qū)間;5.冷點區(qū)間(90%置信);6.冷點區(qū)間(95%置信);7.冷點區(qū)間(99%置信)

晉江流域統(tǒng)計顯著性的聚類分析結果表明,脆弱性高值聚集區(qū)分布在感德鎮(zhèn)—蓬萊鎮(zhèn)一帶以及永春縣湖洋鎮(zhèn)一帶。其中,感德鎮(zhèn)是最高的脆弱性高值聚集區(qū),該區(qū)域即為晉江流域脆弱性最為聚集的區(qū)域。

5 茶園種植優(yōu)化建議

綜上所述,本文對晉江流域茶園種植分布現(xiàn)狀合理性進行了評估。其中,生態(tài)地質脆弱性高、坡度高、植被初級生產力、土壤有機質含量與高程較低的茶園種植區(qū),不宜進行茶葉種植,建議作為茶葉種植調整優(yōu)化區(qū)。位于生態(tài)地質脆弱性中等的茶園種植區(qū),對生態(tài)地質系統(tǒng)影響不突出,建議作為維持現(xiàn)狀區(qū)。而對于晉江流域中生態(tài)地質脆弱性低、坡度較低、植被初級生產力與土壤有機質含量較高的區(qū)域,生態(tài)恢復力高,脆弱性低,具有較好的種植條件,作為適度擴大種植區(qū)。根據以上原則,分析得到晉江流域茶園種植建議面積統(tǒng)計表(表6)和優(yōu)化建議圖(圖5)。

表6 茶園種植建議面積統(tǒng)計表

建議茶園種植調整優(yōu)化區(qū)面積53.18 km2,主要分布在感德鎮(zhèn)、金谷鎮(zhèn)、長坑鄉(xiāng)、金谷鎮(zhèn)四個鄉(xiāng)鎮(zhèn)與劍斗鎮(zhèn)南部;維持現(xiàn)狀區(qū)面積168.00 km2,主要位于桃舟鄉(xiāng)、劍斗鎮(zhèn)北側、玉斗鎮(zhèn)、西坪鎮(zhèn)、虎邱鎮(zhèn)等地區(qū);適度擴大種植區(qū)主要分布在一都鎮(zhèn)、下洋鎮(zhèn)、桂陽鎮(zhèn)、以及藍田鄉(xiāng),總面積約為87.06 km2,面積較大,即使擴大種植業(yè)仍需要避免過度集中。

6 結論

(1)晉江流域脆弱性分級結果顯示,脆弱性較高的區(qū)域為感德鎮(zhèn)、長坑鄉(xiāng)、蓬萊鎮(zhèn),南安市南部至泉州市的平原區(qū)脆弱性較低,整體來看,西溪比東溪脆弱,上游比下游脆弱。

(2)晉江流域的脆弱性條件在不同的地區(qū)有著不同的主導要素,可分為3種類型:東南部城市聚集區(qū),影響脆弱性的主導因素分別為建筑用地、初級生產力與土壤有機質,脆弱性主要體現(xiàn)為高頻率居民活動所造成的影響;在晉江流域中西部,影響脆弱性的主導因素為茶葉的過度種植;其他區(qū)域脆弱性主導要素不明顯,多種要素共同作用。

(3)為了改善晉江流域的脆弱性,建議在城市聚集區(qū)減緩土地的占用,植樹造林增加植被覆蓋以及土壤修復;在茶葉種植密集區(qū),合理規(guī)劃,適度科學種植,建議感德鎮(zhèn)、金谷鎮(zhèn)、長坑鄉(xiāng)、金谷鎮(zhèn)4個鄉(xiāng)鎮(zhèn)與劍斗鎮(zhèn)南部不宜種植茶葉,進行茶葉種植調整優(yōu)化;在一都鎮(zhèn)、下洋鎮(zhèn)、桂陽鎮(zhèn)、以及藍田鄉(xiāng)適度擴展種植茶葉。