李月皓,王曉峰,2,*,楚冰洋,牛澤鵬,符鑫鑫,延 雨

1 長(zhǎng)安大學(xué)土地工程學(xué)院, 西安 710054

2 陜西省土地工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 西安 710054

3 長(zhǎng)安大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院, 西安 710054

青藏高原是中國重要的生態(tài)安全屏障,能夠防御外部環(huán)境惡化威脅、保護(hù)內(nèi)部生態(tài)良好健康,也對(duì)東亞、全球的自然環(huán)境穩(wěn)定性產(chǎn)生巨大的屏障作用[1]。在全球氣候變化和人類活動(dòng)的綜合影響下,青藏高原呈現(xiàn)出生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性降低、資源環(huán)境壓力增大等諸多問題,對(duì)國家生態(tài)安全產(chǎn)生威脅[2]。因此,國家與有關(guān)部門在青藏高原已部署實(shí)施多項(xiàng)和生態(tài)建設(shè)與環(huán)境保護(hù)有關(guān)的規(guī)劃或項(xiàng)目,例如2009年2月,國務(wù)院批準(zhǔn)通過了《西藏生態(tài)安全屏障保護(hù)與建設(shè)規(guī)劃(2008—2030年)》；2011年5月1日,國務(wù)院頒布了《青藏高原區(qū)域生態(tài)建設(shè)與環(huán)境保護(hù)規(guī)劃 (2011—2030年)》。2010年12月,為維護(hù)國家生態(tài)安全,改善生態(tài)環(huán)境并使之與經(jīng)濟(jì)發(fā)展相適應(yīng)從而達(dá)到可持續(xù)發(fā)展[3],國務(wù)院印發(fā)《全國主體功能區(qū)規(guī)劃》,明確了青藏高原生態(tài)屏障的概念,亟待開展相關(guān)的科學(xué)監(jiān)測(cè)和評(píng)估[4]。生態(tài)系統(tǒng)格局反映了各類生態(tài)系統(tǒng)自身的空間分布規(guī)律和各類生態(tài)系統(tǒng)之間的空間結(jié)構(gòu)關(guān)系[5—6],生態(tài)系統(tǒng)變化不僅與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間聯(lián)系密切,也是全球生態(tài)環(huán)境變化的重要原因和驅(qū)動(dòng)力[7—8]。明確生態(tài)系統(tǒng)的分布狀況,并通過理解要素相互作用過程的機(jī)理,揭示其動(dòng)態(tài)變化的規(guī)律,是自然地理學(xué)的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容[9],也是制定生態(tài)保護(hù)與生態(tài)文明建設(shè)政策與措施的依據(jù)[10]。因此,明確青藏高原生態(tài)屏障生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)狀,分析其生態(tài)系統(tǒng)格局的演變規(guī)律,探究影響生態(tài)系統(tǒng)格局演變的驅(qū)動(dòng)機(jī)制具有重要意義[11]。

近年來,國內(nèi)外諸多學(xué)者針對(duì)生態(tài)系統(tǒng)格局演變及其驅(qū)動(dòng)因素進(jìn)行了大量有益的探索。在理論層面,傅伯杰[12]、歐陽志云等[13]對(duì)生態(tài)系統(tǒng)格局與生態(tài)安全格局、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的相互關(guān)系進(jìn)行了詳細(xì)論述；Shichang Kang[14]、王新華等[15]分析了自然條件和人為干預(yù)共同影響下的生態(tài)系統(tǒng)格局演變以及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化；孫鴻烈等[1]對(duì)青藏高原國家生態(tài)安全屏障保護(hù)與建設(shè)進(jìn)行了綜合分析與論述。在實(shí)踐方面,牟雪潔等[16]的研究發(fā)現(xiàn)2000—2010年青藏高原生態(tài)屏障濕地面積增加明顯,且氣候變化是引起濕地面積增加的主要自然因素；郭兵等[17]認(rèn)為青藏高原高寒生態(tài)區(qū)的脆弱生態(tài)系統(tǒng)主要受地形、氣候、和人口密度的影響。但是目前多數(shù)的生態(tài)系統(tǒng)演變驅(qū)動(dòng)機(jī)制研究都僅僅在全局或者平均意義上對(duì)參數(shù)進(jìn)行估計(jì),在反映空間局部變化和空間異質(zhì)性上研究不足；且在對(duì)青藏高原生態(tài)屏障保護(hù)和建設(shè)開展的綜合評(píng)估中,未見全面分析生態(tài)系統(tǒng)格局的時(shí)空演變過程的研究,還沒有形成一套系統(tǒng)、全面的驅(qū)動(dòng)機(jī)制的指標(biāo)體系[18]。冗余分析是一種回歸分析結(jié)合主成分分析的排序方法,不僅可以確定各要素的獨(dú)立貢獻(xiàn),也能排序分析各因子之間的相關(guān)關(guān)系[19],方差分析能在冗余分析的基礎(chǔ)上剝離出各因子的貢獻(xiàn)率和交互作用大小[20],而地理加權(quán)回歸可以進(jìn)一步表達(dá)驅(qū)動(dòng)因子的空間異質(zhì)性[21]。將三種方法充分結(jié)合形成體系,層層遞進(jìn)、互為補(bǔ)充,可以全面分析生態(tài)系統(tǒng)格局演變的驅(qū)動(dòng)機(jī)制，并為形成科學(xué)完整的指標(biāo)體系打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ),是探討生態(tài)系統(tǒng)格局演變機(jī)制的有力工具。

本文以青藏高原生態(tài)屏障為研究區(qū),分析其2000—2015年生態(tài)系統(tǒng)格局時(shí)空動(dòng)態(tài)演變特征；采用冗余分析、方差分析和地理加權(quán)回歸的方法,探究自然要素中降水(PREC)、氣溫(TEMP)、歸一化植被指數(shù)(NDVI)、凈初級(jí)生產(chǎn)力(NPP)、植被葉面積指數(shù)(LAI)、產(chǎn)水(WY)、帕默爾干旱指數(shù)(PDSI)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)要素中人口密度(POP)、區(qū)域國內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)與生態(tài)系統(tǒng)格局演變之間的關(guān)系,并揭示其驅(qū)動(dòng)機(jī)制,以期為青藏高原生態(tài)屏障的生態(tài)建設(shè)、生態(tài)保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)理論基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況

青藏高原是世界上平均海拔最高的高原, 被稱為“世界屋脊”, 享有“江河之源” “中華水塔”等殊榮, 其特殊的地理位置、豐富的自然資源、重要的生態(tài)價(jià)值使之成為我國重要的生態(tài)安全屏障。青藏高原生態(tài)屏障的概念和范圍與青藏高原地理區(qū)域有所不同, 它源自《全國主體功能區(qū)規(guī)劃》[4], 并以示意圖的形式呈現(xiàn)。

“全國生態(tài)環(huán)境十年變化(2000—2010年)遙感調(diào)查與評(píng)估項(xiàng)目”第9專題“國家生態(tài)屏障區(qū)生態(tài)環(huán)境十年變化調(diào)查與評(píng)估”的研究團(tuán)隊(duì)在示意圖的基礎(chǔ)上,綜合考慮地形地貌特征和縣域行政邊界的完整性,最終得到青藏高原生態(tài)屏障邊界范圍[22]，如圖1所示。青藏高原生態(tài)屏障位于中國西南部,包含了青海省、四川省、甘肅省、西藏自治區(qū)的36個(gè)縣, 總面積約93萬km2。近10年來屏障區(qū)年平均氣溫為-2.84℃,年平均降水量為451.43 mm, 氣候高寒、干旱,生態(tài)環(huán)境敏感脆弱[16]。

圖1 研究區(qū)概況

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

(1)國家屏障區(qū)2000—2015年土地利用、人口數(shù)量、國內(nèi)生產(chǎn)總值數(shù)據(jù)獲取于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(www.resdc.cn/),每五年一期數(shù)據(jù),分辨率為1 km。參考《第三次全國土地調(diào)查土地分類》,對(duì)國家屏障區(qū)土地利用類型進(jìn)行分析判定,并結(jié)合生態(tài)系統(tǒng)格局的前人研究成果建立了面向生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的生態(tài)系統(tǒng)分類體系[5—6],分類結(jié)果包括六大生態(tài)系統(tǒng)：包含水田、旱地的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)；包含有林地、灌木林、其他林地的森林生態(tài)系統(tǒng)；包含各等級(jí)草地、荒漠草原的草原生態(tài)系統(tǒng)；包含河流、湖泊、永久性冰川雪地、水庫坑塘、灘涂的河流生態(tài)系統(tǒng)；包含城鎮(zhèn)用地、農(nóng)村居民區(qū)、其他建筑用地在內(nèi)的城市生態(tài)系統(tǒng),以及包含沙地、荒漠、裸土裸巖在內(nèi)的荒漠生態(tài)系統(tǒng)[23]。

(2)2000—2015年間的降水、氣溫?cái)?shù)據(jù)是來自中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)的中國地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集V3.0,本文采用專業(yè)的氣象插值軟件ANUSPLIN[24]批量插值上述全國氣象要素,分辨率均為1 km/d。

(3)葉面積指數(shù)來自于Gevo2數(shù)據(jù)集(https://land.copernicus.eu/global/products/lai)。

(4)干旱指數(shù)來自于全球干旱數(shù)據(jù)集(http://climexp.knmi.nl/selectfield_obs2.cgi?Id =so meone@som ewhere)。

(5)歸一化植被指數(shù)來源于GIMMS NDVI 3gv1.0數(shù)據(jù)集(https://ecocast.arc.nasa.Gov/data/pub/gimms),經(jīng)過批處理將月數(shù)據(jù)最大值合成年度數(shù)據(jù)集。

(6)凈初級(jí)生產(chǎn)力和產(chǎn)水分別采用CASA模型和InVEST模塊模擬得到,已被用于分析國家屏障區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同[25]。

各驅(qū)動(dòng)因子的分辨率經(jīng)過重采樣之后統(tǒng)一為8 km。

2.2 研究方法

2.2.1 驅(qū)動(dòng)因子選取

本文主要以研究區(qū)域特征為基礎(chǔ),結(jié)合專家意見和前人研究成果進(jìn)行驅(qū)動(dòng)因子的選取。

生態(tài)系統(tǒng)變化中復(fù)雜驅(qū)動(dòng)機(jī)制由自然、社會(huì)經(jīng)濟(jì)多種因素共同組成。其中氣候、水資源等自然條件是生態(tài)系統(tǒng)變化的約束和條件,人類活動(dòng)是影響生態(tài)系統(tǒng)變化的主要原因[26]。本文選取自然要素中具有代表性的氣溫和降水因子,進(jìn)一步以通過氣溫和降水結(jié)合模型計(jì)算出來的干旱指數(shù)和產(chǎn)水量作為補(bǔ)充,選取植被覆蓋度、植被凈初級(jí)生產(chǎn)力以及葉面積指數(shù)因子來直觀的分析森林、草地、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的變化過程,并基于以上七個(gè)指標(biāo)來定量分析自然因素對(duì)國家屏障區(qū)生態(tài)系統(tǒng)格局演變的影響。影響生態(tài)系統(tǒng)變化的社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素可分為直接因素和間接因素兩類,前者包括人口變化、技術(shù)發(fā)展、經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)、政經(jīng)政策等；后者包括城市化程度、土地利用集約化程度、土地權(quán)屬、土地投入等[27]。由于國家屏障區(qū)地理位置特殊,數(shù)據(jù)難以獲取,且政經(jīng)政策、土地權(quán)屬等指標(biāo)難以量化,本文最終選取人口數(shù)量和國內(nèi)生產(chǎn)總值來定量研究社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素對(duì)生態(tài)系統(tǒng)格局演變的影響。

2.2.2 轉(zhuǎn)移矩陣

轉(zhuǎn)移矩陣方法來源于系統(tǒng)分析中對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)與狀態(tài)轉(zhuǎn)移的定量描述,可以全面而又具體的刻畫區(qū)域土地利用變化的結(jié)構(gòu)特征與各用地類型的變化方向[28]。具體計(jì)算方法如下[29]:

(1)

2.2.3 冗余分析

冗余分析(RDA)是一種直接梯度分析方法,是多元線性回歸的擴(kuò)展,主要以統(tǒng)計(jì)學(xué)的角度來探究單變量或多變量與多變量之間的關(guān)系[19],能夠獨(dú)立的保持每個(gè)變量的貢獻(xiàn)率[30—31]。RDA是將樣點(diǎn)投射到兩條排序軸構(gòu)成的二維平面上形成排序圖,通過樣點(diǎn)的散集形態(tài)、在象限的分布來反映變量的特點(diǎn)[32]。本文在Canoco4.5軟件環(huán)境下進(jìn)行冗余分析[33],計(jì)算并利用排序圖探析生態(tài)系統(tǒng)與驅(qū)動(dòng)因子之間的相關(guān)關(guān)系[34]。

2.2.4 方差分析

復(fù)雜系統(tǒng)中各種因變量和自變量相互聯(lián)系、相互制約。方差分析是在復(fù)雜條件下經(jīng)過數(shù)據(jù)分析判斷因素間的相互影響、是否顯著及最佳值等,將總的方差分解為各個(gè)成分的方差[35—36]。方差分析是生態(tài)學(xué)中分析多種環(huán)境條件和響應(yīng)變量之間關(guān)系的有效方法[20]。本研究使用RStudio中的Vegan包進(jìn)行方差分析[37],從而實(shí)現(xiàn)將冗余分析的貢獻(xiàn)率分解為因子的獨(dú)立貢獻(xiàn)率與因子之間的交互作用的目的,進(jìn)一步定量分析驅(qū)動(dòng)因子對(duì)生態(tài)系統(tǒng)格局演變的影響。

2.2.5 地理加權(quán)回歸

地理加權(quán)回歸(GWR)在傳統(tǒng)回歸分析的基礎(chǔ)上引入了空間自相關(guān),在探討影響區(qū)域發(fā)展的驅(qū)動(dòng)因素上能夠很好的反映變量間的空間位置關(guān)系,同時(shí)地理加權(quán)回歸則能夠捕捉空間數(shù)據(jù)的非平穩(wěn)性,分析結(jié)果能全面反映空間數(shù)據(jù)的真實(shí)特征,以便更好地揭示潛在的驅(qū)動(dòng)因素[38]。傳統(tǒng)的線性回歸模型只是對(duì)參數(shù)進(jìn)行“平均”或“全局”估計(jì),忽視了空間數(shù)據(jù)之間的相互依賴性,未考慮到空間數(shù)據(jù)中所包含的空間位置信息,從而掩蓋了變量間關(guān)系的局部特性,其結(jié)果就是研究區(qū)內(nèi)的某種“平均”,說服力不足。GWR模型是在傳統(tǒng)線性回歸的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展的,將數(shù)據(jù)的地理位置嵌入到回歸參數(shù)之中,能夠較好的反映區(qū)域的異質(zhì)性[21]。模型結(jié)構(gòu)如下[39]:

yi=β0(ui,vi)+∑βk(ui,vi)xik+ε1

(2)

式中：(ui,vi) 是第i個(gè)樣本空間單元的地理中心坐標(biāo)；βk(ui,vi)是連續(xù)函數(shù)βk(ui,vi)在i樣本空間單元的值,是關(guān)于地理位置的函數(shù)。

GWR模型的參數(shù)設(shè)置關(guān)系著整個(gè)模型構(gòu)建的優(yōu)劣程度,模型參數(shù)包括權(quán)函數(shù)的選擇,有Gauss函數(shù)和Bi-square函數(shù),還有核帶寬的設(shè)置。本文總結(jié)前人優(yōu)秀的研究經(jīng)驗(yàn),選擇高斯函數(shù)作為地理加權(quán)回歸模型核函數(shù)；核類型選擇了固定距離法[40],通過模型計(jì)算得到青藏高原生態(tài)屏障驅(qū)動(dòng)因子貢獻(xiàn)率的空間表達(dá)。

3 結(jié)果與分析

3.1 青藏高原生態(tài)屏障生態(tài)系統(tǒng)格局演變狀況

青藏高原生態(tài)屏障內(nèi)凍土廣布且植被覆蓋多為天然草原,因此區(qū)域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)面積占比最大的是草地生態(tài)系統(tǒng)和荒漠生態(tài)系統(tǒng),分別占70%和21%左右。其次是森林生態(tài)系統(tǒng)和河流生態(tài)系統(tǒng),面積占比分別為4.4%和3.9%。城市生態(tài)系統(tǒng)和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的面積占比較小,分別為0.48%和0.35%。

2000—2015年青藏高原生態(tài)屏障生態(tài)系統(tǒng)空間分布圖如圖2所示,2015年的青藏高原生態(tài)屏障各縣域生態(tài)系統(tǒng)格局構(gòu)成如表1所示。結(jié)合來看,草地生態(tài)系統(tǒng)覆蓋全域,分布十分廣闊,主要分布在尼瑪縣(157440 km2)、格爾木市(50304 km2)、班戈縣(89024 km2)和治多縣(44352 km2)?；哪鷳B(tài)系統(tǒng)主要分布青藏高原生態(tài)屏障北部,集中在在格爾木市(47360 km2)、都蘭縣(31232 km2)、治多縣(30592 km2)和曲麻萊縣(17536 km2)等縣。森林生態(tài)系統(tǒng)的分布受到氣候等自然條件的限制,主要分布在青藏高原生態(tài)屏障東南部,集中于德格縣(4736 km2)、石渠縣(3520 km2)、白玉縣(2304 km2)和囊謙縣(2368 km2)等縣。河流生態(tài)系統(tǒng)主要分布在中部和西部,其中格爾木市(9216 km2)、班戈縣(7424 km2)、治多縣(4928 km2)和安多縣(2176 km2)的河流生態(tài)系統(tǒng)面積最大。城市生態(tài)系統(tǒng)主要分布在青藏高原生態(tài)屏障北部的格爾木市(256 km2)、都蘭縣(128 km2)和興?？h(64 km2),由于研究區(qū)內(nèi)城鎮(zhèn)化程度較低,并考慮數(shù)據(jù)的分辨率問題,在本次統(tǒng)計(jì)分析中對(duì)面積不足64 km2的城市生態(tài)系統(tǒng)不予考慮。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)主要分布在北部的貴南縣(640 km2)、都蘭縣(448 km2)和同德縣(320 km2),南部的丁青縣也有少量分布 (320 km2),這主要是由青藏高原生態(tài)屏障內(nèi)主要以畜牧業(yè)為主,農(nóng)業(yè)極不發(fā)達(dá)造成的。

圖2 2000—2015年青藏高原生態(tài)屏障生態(tài)系統(tǒng)空間分布圖

表1 2015年青藏高原生態(tài)屏障縣域生態(tài)系統(tǒng)面積統(tǒng)計(jì)表/km2

青藏高原生態(tài)系統(tǒng)變化統(tǒng)計(jì)圖如圖3所示,生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)移空間分布圖如圖4所示。由圖可知：2000—2015年間,草地生態(tài)系統(tǒng)變化最為明顯,呈明顯下降趨勢(shì),16年間共減少1792 km2,2010—2015年間減少最為明顯,減少了896 km2,主要分布在青藏高原生態(tài)屏障西北地區(qū)的班戈縣和尼瑪縣；草地生態(tài)系統(tǒng)主要轉(zhuǎn)化為荒漠生態(tài)系統(tǒng)和河流生態(tài)系統(tǒng),轉(zhuǎn)換面積分別為1088 km2和832 km2。森林生態(tài)系統(tǒng)呈現(xiàn)輕微增加趨勢(shì),16年間共增加128 km2,發(fā)生在青藏高原生態(tài)屏障的東南部區(qū)域,以白玉縣為主,主要由草地生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換而來。河流生態(tài)系統(tǒng)呈現(xiàn)明顯的增加趨勢(shì),16年間共增加1600 km2,2010—2015年間增加最為明顯,增加了960 km2,主要分布在青藏高原生態(tài)屏障的西北地區(qū)的班戈縣和尼瑪縣,主要由荒漠生態(tài)系統(tǒng)和草地生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換而來,分別轉(zhuǎn)換了1152 km2和832 km2。城市生態(tài)系統(tǒng)呈現(xiàn)增加趨勢(shì),16年間共增加256 km2,主要表現(xiàn)為格爾木市的城市范圍的擴(kuò)張?；哪鷳B(tài)系統(tǒng)在2000—2010年間增加趨勢(shì)明顯,10年間共增加764 km2,主要分布在青藏高原生態(tài)屏障的北部,以曲麻萊縣為主；但2010年以后,由于環(huán)境保護(hù)政策的實(shí)施,荒漠生態(tài)系統(tǒng)的面積在2015年時(shí)已減少至與2000年相同,生態(tài)環(huán)境有所改善。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)基本沒有變化,這主要由青藏高原生態(tài)屏障內(nèi)部農(nóng)業(yè)極不發(fā)達(dá),農(nóng)田面積較小導(dǎo)致的。

圖3 2000—2015年青藏高原生態(tài)屏障生態(tài)系統(tǒng)變化統(tǒng)計(jì)圖

圖4 2000—2015年青藏高原生態(tài)屏障生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)移空間分布圖

3.2 青藏高原生態(tài)屏障生態(tài)系統(tǒng)演變驅(qū)動(dòng)機(jī)制

3.2.1 青藏高原生態(tài)屏障生態(tài)系統(tǒng)演變驅(qū)動(dòng)因素分析

(1)自然因素分析

青藏高原生態(tài)屏障氣候寒冷,年均溫在零度以下,2000—2015年間,最低年均溫為2000年的-3.89℃,最高年均溫為2006年的-2.2℃,總體呈現(xiàn)輕微增長(zhǎng)趨勢(shì)。青藏高原生態(tài)屏障降水豐富但年際差異較大,2006年年平均降水最低,為377.06 mm,2005年年平均降水最高為513.79 mm,16年的年平均降水均值為451.43 mm。NPP、NDVI和LAI的物理意義相關(guān)但并不相同,因此其變化趨勢(shì)既具有一定的關(guān)聯(lián)性又有一定的差異性：2000—2008年間,三指標(biāo)都呈現(xiàn)下降趨勢(shì),2008年達(dá)到了最低值,分別為158.37 gC?m-2?a-1、0.197、0.484；2008—2010年間,三指標(biāo)都有明顯的增長(zhǎng),且最高值皆出現(xiàn)在2010年,分別為194.12gC m-2a-1、0.218和0.491；2010—2015年間NPP有增長(zhǎng)趨勢(shì),NDVI和LAI則呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；總體來說,NPP呈現(xiàn)增加趨勢(shì),而NDVI和LAI則呈現(xiàn)減少趨勢(shì)。WY的變化趨勢(shì)和降水具有一定的關(guān)聯(lián)性,2000—2015年間青藏高原生態(tài)屏障的WY總體呈現(xiàn)增加趨勢(shì),2005年達(dá)到最高值,為221.56 mm,2006年為最低值,僅有83.82 mm。PDSI的變化趨勢(shì)與溫度、降水等多種因素相關(guān),2000—2015年間青藏高原生態(tài)屏障的PDSI總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì),干旱發(fā)生率降低,2006年達(dá)到最低值,為-0.17,2008年達(dá)到最高值,為1.71，自然因素變化統(tǒng)計(jì)圖見圖5。

圖5 2000—2015年驅(qū)動(dòng)因子變化折線圖

(2)社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素分析

青藏高原生態(tài)屏障社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速。2000—2015年間GDP增長(zhǎng)趨勢(shì)十分明顯,從2000年的4568.38萬元/km2增長(zhǎng)至2015年的58993.46萬元/km2,增長(zhǎng)速率為74.4%/a。POP的增加趨勢(shì)也十分明顯,從2000年的17354.7萬人/km2增長(zhǎng)至2015年的24761.72萬人/km2,共增長(zhǎng)7407.021萬人/km2,增長(zhǎng)速率為8.8%/a，社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素變化統(tǒng)計(jì)圖見圖5。

3.2.2 驅(qū)動(dòng)因子貢獻(xiàn)率及相關(guān)關(guān)系分析

基于冗余分析方法得到的驅(qū)動(dòng)因子貢獻(xiàn)率結(jié)果如表2所示,結(jié)合冗余分析排序圖(圖6)分析可得：人類活動(dòng)對(duì)青藏高原生態(tài)屏障生態(tài)系統(tǒng)格局演變的影響十分巨大,GDP和POP的貢獻(xiàn)率最高,分別為83.2%和72.3%；且社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)和河流生態(tài)系統(tǒng)變化的影響最為強(qiáng)烈,這與近些年來青藏高原生態(tài)屏障所實(shí)施的國家公園、濕地保護(hù)政策息息相關(guān)。PREC、NPP等指標(biāo)在該研究區(qū)域內(nèi)對(duì)驅(qū)動(dòng)機(jī)制的貢獻(xiàn)率小于5%,社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)和河流生態(tài)系統(tǒng)的影響尤其大,對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)卻基本沒有影響；該研究區(qū)域除了GDP、POP、TEMP之外的其他因子的數(shù)據(jù)變化比較劇烈,所得到的線性回歸數(shù)據(jù)具有的代表性較小。氣溫的貢獻(xiàn)率達(dá)到了6.8%,且與荒漠生態(tài)系統(tǒng)相關(guān)性較高,說明荒漠生態(tài)系統(tǒng)的變化受氣溫影響較大。青藏高原生態(tài)屏障中,植被變化后表現(xiàn)最為直觀的驅(qū)動(dòng)因子是NDVI,其貢獻(xiàn)率為5.2%,與農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)和草地生態(tài)系統(tǒng)相關(guān)性較高。NPP的貢獻(xiàn)率為2.9%,與河流生態(tài)系統(tǒng)和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)相關(guān)性較高。LAI的貢獻(xiàn)率較低,為1.9%,且與各生態(tài)系統(tǒng)類型之間的關(guān)系并不密切。PDSI的貢獻(xiàn)率為8.7%,且與荒漠生態(tài)系統(tǒng)相關(guān)度較高,說明荒漠生態(tài)系統(tǒng)的變化受干旱發(fā)生的影響較大。產(chǎn)水的貢獻(xiàn)率僅為0.1%,但其與城市生態(tài)系統(tǒng)和荒漠生態(tài)系統(tǒng)關(guān)系密切,說明其他生態(tài)系統(tǒng)類型產(chǎn)水穩(wěn)定,只有城市和荒漠生態(tài)系統(tǒng)的產(chǎn)水發(fā)生較大變化。

圖6 冗余分析排序圖

3.2.3 驅(qū)動(dòng)因子貢獻(xiàn)率分解分析

通過分析表1可以看出,冗余分析結(jié)果中各個(gè)驅(qū)動(dòng)因子貢獻(xiàn)率之和遠(yuǎn)超過100%,達(dá)到了183%。究其原因是因?yàn)槿哂喾治龅囊蜃迂暙I(xiàn)率結(jié)果并不獨(dú)立,由因子獨(dú)立貢獻(xiàn)率和該因子與其他因子的交互作用兩部分組成。因此需要進(jìn)一步利用方差分析分解冗余分析結(jié)果中的驅(qū)動(dòng)因子貢獻(xiàn)率,剝離出最突出因子使其貢獻(xiàn)率獨(dú)立,進(jìn)一步定量分析青藏高原生態(tài)屏障生態(tài)系統(tǒng)格局演變的驅(qū)動(dòng)機(jī)制。通過RStudio中Vegan包計(jì)算各個(gè)驅(qū)動(dòng)因子與生態(tài)系統(tǒng)分布之間的相關(guān)關(guān)系的顯著性,結(jié)果如表2所示,本文選取GDP、POP、TEMP和PDSI四項(xiàng)顯著性最高的驅(qū)動(dòng)因子為典型因子以用于方差分析。

表2 驅(qū)動(dòng)因子貢獻(xiàn)率及顯著性表

方差分析結(jié)果如圖7所示，結(jié)果表明：驅(qū)動(dòng)因子的獨(dú)立貢獻(xiàn)率較低,但驅(qū)動(dòng)因子之間交互作用的效應(yīng)明顯。GDP、POP、TEMP和PDSI的獨(dú)立貢獻(xiàn)率較低,分別為13%、8%、5%和1%；青藏高原生態(tài)屏障GDP的獨(dú)立貢獻(xiàn)率為13%,但與其他因子之間的共同作用率達(dá)到了91%,尤其是和POP的共同貢獻(xiàn)率達(dá)到了77%,社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子的影響十分明顯；POP的獨(dú)立貢獻(xiàn)率為8%,與其他因子之間的共同作用率達(dá)到了85%。PDSI的獨(dú)立貢獻(xiàn)率僅為1%,但與其他因子的共同貢獻(xiàn)率達(dá)到了20%,其中與GDP的共同貢獻(xiàn)率最高,為11%。TEMP的獨(dú)立貢獻(xiàn)率為5%,與其他因子之間的共同貢獻(xiàn)率也較低,共有4%。

圖7 典型因子方差分析圖

3.2.4 驅(qū)動(dòng)因子貢獻(xiàn)率空間分布分析

本研究所設(shè)置的GWR模型中,代表森林、草地、河流生態(tài)系統(tǒng)的數(shù)值分別為1、2、3,代表城市、荒漠、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的數(shù)值為4、5、6。GWR模型生成的GDP、POP、TEMP、PDSI四個(gè)驅(qū)動(dòng)因子轉(zhuǎn)換作用的空間分布如圖8所示,數(shù)值越高,表示人類活動(dòng)加強(qiáng)、荒漠化程度增加,驅(qū)動(dòng)因子對(duì)生態(tài)系統(tǒng)由森林、草地、河流生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)為城市、荒漠、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的促進(jìn)作用越高,稱為逆向轉(zhuǎn)換；數(shù)值越低,表示人類活動(dòng)減弱、荒漠化程度降低,驅(qū)動(dòng)因子對(duì)生態(tài)系統(tǒng)由城市、荒漠、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)為森林、草地、河流生態(tài)系統(tǒng)的促進(jìn)作用越高,稱為正向轉(zhuǎn)換。

圖8 驅(qū)動(dòng)因子貢獻(xiàn)率空間分布圖

青藏高原生態(tài)屏障中,GDP呈正向轉(zhuǎn)換的面積占比為49.43%,主要分布在研究區(qū)東部；GDP呈逆向轉(zhuǎn)換的面積占比為50.57%,分布比較零散,極值出現(xiàn)在西南角。POP呈正向轉(zhuǎn)換的面積占比為86.24%,主要分布在東北部地區(qū)；POP呈逆向轉(zhuǎn)換的面積占比為13.76%,主要分布在西南部地區(qū)。TEMP呈正向轉(zhuǎn)換的面積占比為48.23%,主要分布在中部和南部地區(qū)；呈逆向轉(zhuǎn)換的面積占比為51.77%,主要分布在北部和西部地區(qū)。PDSI呈正向轉(zhuǎn)換的面積占比為66.67%,分布比較零散,極值出現(xiàn)在東部地區(qū)；呈逆向轉(zhuǎn)換的面積占比為33.33%,主要分布在北部和東部地區(qū)。

對(duì)驅(qū)動(dòng)因子的貢獻(xiàn)率空間分布圖進(jìn)行疊置分析,得到青藏高原生態(tài)屏障主導(dǎo)驅(qū)動(dòng)因子的空間分布圖(圖9),結(jié)果表明：生態(tài)系統(tǒng)演變受GDP主導(dǎo)的區(qū)域面積比例為51.36%,分布面積較廣,34個(gè)縣受GDP影響,稱多縣、玉樹縣和類烏齊縣完全由GDP主導(dǎo)；受POP主導(dǎo)的區(qū)域面積比例為9.05%,主要分布在青藏高原生態(tài)屏障東南部和南部地區(qū),白玉縣完全由POP主導(dǎo)；受TEMP主導(dǎo)的區(qū)域面積比例為19.57%,主要分布在青藏高原生態(tài)屏障西部地區(qū)和東部地區(qū),以尼瑪縣、都蘭縣為主；受PDSI主導(dǎo)的區(qū)域面積比例為20.02%,主要分布在青藏高原生態(tài)屏障中部和東部地區(qū),瑪沁縣和河南蒙古族自治縣完全由PDSI主導(dǎo)。地理加權(quán)回歸模型的結(jié)果充分體現(xiàn)了各驅(qū)動(dòng)力的空間分布差異,也發(fā)揮出了地理加權(quán)回歸模型能充分考慮變量間關(guān)系的空間異質(zhì)性的優(yōu)勢(shì)。

圖9 主導(dǎo)驅(qū)動(dòng)因素空間分布圖

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

牟雪潔等對(duì)青藏高原生態(tài)屏障2000—2010的生態(tài)系統(tǒng)變化進(jìn)行了分析,結(jié)果表明草地面積明顯減少,濕地與城鎮(zhèn)面積增加[16]。本文結(jié)果表明青藏高原生態(tài)環(huán)境正在向好發(fā)展,部分荒漠、草地生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為森林、河流生態(tài)系統(tǒng),尤其是河流生態(tài)系統(tǒng)面積增加十分明顯,生態(tài)系統(tǒng)正向演替的趨勢(shì)變強(qiáng)；城市生態(tài)系統(tǒng)的面積占比較小,但2000—2015年間呈倍數(shù)增加,城市擴(kuò)張、城鎮(zhèn)化程度明顯提高,本文成果與前人研究結(jié)果具有相對(duì)一致性,并進(jìn)一步對(duì)生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換過程進(jìn)行了分析。

分析青藏高原生態(tài)屏障河流生態(tài)系統(tǒng)增加的原因,可歸結(jié)為兩部分,一是各水系、湖泊水量明顯上漲,二是濕地面積明顯增加,在三江源國家公園等重點(diǎn)保護(hù)地區(qū)十分顯著。目前青藏高原生態(tài)屏障內(nèi)生態(tài)環(huán)境保護(hù)政策正在大力推進(jìn),人類活動(dòng)強(qiáng)度以城市為中心逐漸增強(qiáng),未來城市生態(tài)系統(tǒng)、草地和河流生態(tài)系統(tǒng)必將發(fā)生激烈的相互作用,對(duì)生態(tài)環(huán)境造成影響。因此,必須將預(yù)估生態(tài)環(huán)境未來發(fā)展的趨勢(shì)作為下一步工作的重點(diǎn),這樣才能更好進(jìn)行提前的正向引導(dǎo)[9]。

復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)機(jī)制由多方面多因素等共同組成,驅(qū)動(dòng)因子的選取需要考慮人類活動(dòng)和自然環(huán)境的方方面面[41—42],本文驅(qū)動(dòng)機(jī)制的結(jié)果是社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子主導(dǎo)了生態(tài)系統(tǒng)格局演變,但由于青藏高原生態(tài)屏障的特殊性,本文的驅(qū)動(dòng)因子指標(biāo)體系還需進(jìn)一步細(xì)化。例如,因研究區(qū)內(nèi)工業(yè)不發(fā)達(dá),以放牧業(yè)為主,社會(huì)經(jīng)濟(jì)驅(qū)動(dòng)因子中將選擇第一產(chǎn)業(yè)國內(nèi)生產(chǎn)總值；青藏高原生態(tài)屏障內(nèi)地形地貌差異較大,山脈、湖泊、盆地眾多,不同海拔高度生態(tài)系統(tǒng)格局全然不同,DEM和高程也是將要考慮的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因子。

青藏高原被譽(yù)為“江河之源”、 “亞洲水塔”,地理位置特殊,其生態(tài)環(huán)境不僅對(duì)區(qū)域內(nèi)部影響重大,更是我國與東亞氣候系統(tǒng)穩(wěn)定的重要屏障,是亞洲乃至北半球氣候變化的“感應(yīng)器”和“敏感區(qū)”[1]。青藏高原生態(tài)屏障是一個(gè)處于過渡地帶的復(fù)合生態(tài)系統(tǒng),不僅對(duì)青藏高原內(nèi)部具有保護(hù)作用,能夠降低青藏高原的生態(tài)脆弱性,更對(duì)外部地區(qū)帶來的荒漠化、草地退化、冰川退化等問題具有防護(hù)作用[43]。因此,探究全球氣候變化背景下青藏高原生態(tài)屏障對(duì)中國乃至亞洲生態(tài)環(huán)境的影響,是未來十分重要的課題。

4.2 結(jié)論

(1)青藏高原生態(tài)屏障生態(tài)系統(tǒng)面積占比最大的是草地生態(tài)系統(tǒng)和荒漠生態(tài)系統(tǒng),分別占70%和21%左右。2000—2015年間,草地生態(tài)系統(tǒng)共減少1792 km2,其原因一是城鎮(zhèn)擴(kuò)展侵占草地,二是草地與荒漠、河流生態(tài)系統(tǒng)相接,互相轉(zhuǎn)換形成交錯(cuò)分布的轉(zhuǎn)態(tài),并非由生態(tài)環(huán)境惡化導(dǎo)致。河流生態(tài)系統(tǒng)共增加1600 km2,主要由荒漠生態(tài)系統(tǒng)和草地生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換而來,分別轉(zhuǎn)換了1152 km2和832 km2?？傮w來說,青藏高原生態(tài)屏障生態(tài)環(huán)境改善,正在向好發(fā)展。

(2)2000—2015年青藏高原生態(tài)屏障生態(tài)系統(tǒng)格局演變驅(qū)動(dòng)機(jī)制中以社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子為主,冗余分析結(jié)果顯示GDP(83%)和POP(72%)貢獻(xiàn)率最大；方差分析結(jié)果中GDP和POP的共同貢獻(xiàn)率達(dá)到了77%；地理加權(quán)回歸結(jié)果顯示生態(tài)系統(tǒng)演變受社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子主導(dǎo)的區(qū)域面積比例為60.41%(GDP 51.36%、POP 9.05%),人類活動(dòng)相關(guān)驅(qū)動(dòng)要素的調(diào)控和管理將成為生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)、恢復(fù)和管理所面臨的關(guān)鍵問題[12]。

(3)生態(tài)保護(hù)政策的有效實(shí)施是發(fā)揮生態(tài)屏障功能、保護(hù)生態(tài)環(huán)境以達(dá)到人與自然和諧穩(wěn)定持續(xù)發(fā)展目的的重中之重。青藏高原生態(tài)屏障內(nèi)POP的總貢獻(xiàn)率達(dá)到了72%,獨(dú)立貢獻(xiàn)率為8%,在POP作用下生態(tài)系統(tǒng)呈正向轉(zhuǎn)換的面積占比達(dá)到了86.24%,且POP與河流、森林生態(tài)系統(tǒng)的相關(guān)程度較高,表明人為的生態(tài)環(huán)境保護(hù)措施如國家公園建設(shè)、濕地保護(hù)、生態(tài)公益林建設(shè)等生態(tài)工程的建設(shè)卓有成效,發(fā)揮了明顯的積極作用。