孫桂麗，陸海燕，禹明柱，閆鑫苒，鄭 旭，張?jiān)?/p>

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與風(fēng)景園林學(xué)院，烏魯木齊 830052; 2.干旱區(qū)林業(yè)生態(tài)與產(chǎn)業(yè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830052)

【研究意義】生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)是評(píng)估生態(tài)環(huán)境狀況、識(shí)別生態(tài)脆弱因子的重要手段，也是保護(hù)與恢復(fù)生態(tài)環(huán)境的前提和基礎(chǔ)[1]。目前，關(guān)于生態(tài)脆弱性評(píng)估的相關(guān)研究引起了諸多學(xué)者的廣泛關(guān)注，是研究全球變化和可持續(xù)發(fā)展的熱點(diǎn)和重點(diǎn)?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】區(qū)域生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)的關(guān)鍵和核心內(nèi)容是評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建以及評(píng)估方法的選用[2]。目前，大多研究以評(píng)價(jià)指標(biāo)體系模型為框架，因地制宜篩選評(píng)價(jià)指標(biāo)，常用的生態(tài)脆弱性指標(biāo)體系模型主要有：基于“危險(xiǎn)性—暴露性—脆弱性”的HEV模型、基于“敏感性—恢復(fù)力—壓力度”的SRP模型、基于“暴露度—敏感性—適應(yīng)力”的VSD模型等[3-4]。其中，SRP模型將生態(tài)脆弱性分解為生態(tài)敏感性、生態(tài)恢復(fù)力和生態(tài)壓力度3個(gè)維度，用“目標(biāo)層—準(zhǔn)則層—指標(biāo)層”邏輯遞進(jìn)、內(nèi)容細(xì)化的方式組織構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系[5-6]，可以綜合考慮自然與人為因素的雙重影響[6-7]，并且在已有的研究中應(yīng)用較為廣泛，如已在新疆和田、沂蒙山、遼寧朝陽(yáng)縣和甘肅省白龍江流域等區(qū)域的生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建中得到廣泛應(yīng)用。國(guó)內(nèi)外大量研究表明，生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)中常用方法有主觀的也有客觀的評(píng)價(jià)方法，主要有人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、層次分析、主成分分析、熵權(quán)法、綜合指數(shù)法和變異系數(shù)法等。目前用于生態(tài)脆弱性的評(píng)價(jià)方法尚未統(tǒng)一，但客觀評(píng)價(jià)方法已經(jīng)成為生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)的主流[8]，而其中改進(jìn)的主成分分析方法(空間主成分分析，SPCA)不僅具有降維和減少主觀影響的作用，而且能夠考慮不同因素之間的空間關(guān)系，是目前廣泛應(yīng)用于生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)的客觀方法[9-10]，故本研究采用此方法進(jìn)行天山北坡經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)脆弱性的評(píng)價(jià)。【本研究切入點(diǎn)】天山北坡經(jīng)濟(jì)帶是形成于山麓洪—沖積扇的條帶狀綠洲城鎮(zhèn)帶，是新疆的經(jīng)濟(jì)重心，是以農(nóng)牧業(yè)和石油、煤炭等能源開(kāi)發(fā)為重點(diǎn)的綜合經(jīng)濟(jì)帶[11]。在國(guó)家“一帶一路”的倡議下，天山北坡經(jīng)濟(jì)帶迎來(lái)了新的發(fā)展機(jī)遇，但是隨著人類(lèi)活動(dòng)與自然環(huán)境的相互作用日益頻繁，生態(tài)環(huán)境相對(duì)脆弱，天山北坡經(jīng)濟(jì)帶的生態(tài)環(huán)境面臨較大壓力。然而，目前關(guān)于天山北坡經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)脆弱性的研究相對(duì)較少。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本文基于SRP模型結(jié)合天山北坡經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展概況，構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，利用空間主成分分析法建立生態(tài)脆弱性指數(shù)模型，并計(jì)算生態(tài)脆弱性指數(shù)，分析其生態(tài)脆弱性變化趨勢(shì)，利用地理探測(cè)器模型分析該區(qū)生態(tài)脆弱性的驅(qū)動(dòng)力因子，為該區(qū)生態(tài)保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

天山北坡經(jīng)濟(jì)帶位于天山北麓，準(zhǔn)噶爾盆地南緣，是形成于山麓洪—沖積扇的條帶狀綠洲帶。地勢(shì)南高北低，自南向北依次為天山山區(qū)—沖積平原—古爾班通古特沙漠，主要由山地、綠洲、荒漠構(gòu)成其生態(tài)系統(tǒng)[12-13]。本文所取的天山北坡經(jīng)濟(jì)帶研究區(qū)以行政區(qū)劃為界，包括烏魯木齊市、克拉瑪依市、石河子市、昌吉市、阜康市、呼圖壁縣、瑪納斯縣、奎屯市、烏蘇市、沙灣縣和五家渠11個(gè)縣市[14-15](圖1)。天山北坡經(jīng)濟(jì)帶較高的人口密度、較快的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平以及得天獨(dú)厚的區(qū)位優(yōu)勢(shì)和能源優(yōu)勢(shì)，使得成為輻射帶動(dòng)全疆社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的核心。但是，受干旱區(qū)氣候條件和頻繁的人類(lèi)活動(dòng)綜合影響，天山北坡經(jīng)濟(jì)帶開(kāi)發(fā)建設(shè)面臨水資源短缺、土地沙化、鹽漬化、資源的過(guò)度開(kāi)發(fā)與不合理利用等生態(tài)方面的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及預(yù)處理

1.2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源 本文主要采用了Landsat衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)(DEM)、氣象數(shù)據(jù)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和其他數(shù)據(jù)。衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)和DEM數(shù)據(jù)來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)(http://www.gscloud.cn)，包括2005年和2015年的天山北坡各縣市的影像數(shù)據(jù)，影像數(shù)據(jù)條帶號(hào)為141～146，成像日期在6—9月且圖像云量均少于5%。氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/)，包括天山北坡各縣市的2005年和2015年的年平均降水量、≥10 ℃積溫柵格數(shù)據(jù)。社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)源于新疆統(tǒng)計(jì)年鑒(2006年、2016年)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，包括人口密度、人均GDP、人均耕地面積、第二產(chǎn)業(yè)比重。其他數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn)，包括天山北坡各縣市2005年和2015年的歸一化植被指數(shù)(NDVI)、干燥度和土壤侵蝕分布圖。

1.2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理 在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，將所有不同分辨率的空間數(shù)據(jù)統(tǒng)一重采樣為1 km×1 km，為保證采用的指標(biāo)具有良好的空間重合性，統(tǒng)一投影到CGCS_2000坐標(biāo)系上。利用ENVI軟件Landsat衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)進(jìn)行波段選取、幾何校正、圖像增強(qiáng)、影像鑲嵌裁剪及解譯等處理，采用CART決策樹(shù)方法進(jìn)行影像分類(lèi)，參考國(guó)家土地利用現(xiàn)狀分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)[16]，采用一級(jí)分類(lèi)提取天山北坡經(jīng)濟(jì)帶土地覆蓋分布類(lèi)型圖，經(jīng)過(guò)精度驗(yàn)證，總精度達(dá)到90.8%?；谔幚淼玫降奶焐奖逼陆?jīng)濟(jì)帶各縣市土地覆蓋分類(lèi)數(shù)據(jù)，參考環(huán)境保護(hù)部發(fā)布的生態(tài)環(huán)境狀況評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范[17]計(jì)算生境質(zhì)量指數(shù)用以反映天山北坡經(jīng)濟(jì)帶各縣市生態(tài)環(huán)境發(fā)展?fàn)顩r。在ArcGIS 10.2軟件中利用NDVI數(shù)據(jù)通過(guò)像元二分模型和柵格計(jì)算器計(jì)算天山北坡經(jīng)濟(jì)帶植被覆蓋度。利用ArcGIS 10.2在Spatial Analyst 模塊中的Slope和Surface Analysis工具用天山北坡經(jīng)濟(jì)帶的DEM影像計(jì)算坡度和地形起伏度。利用景觀格局分析軟件Fragstats 4.2來(lái)提取天山北坡經(jīng)濟(jì)帶2005年和2015年的景觀格局指數(shù)，提取斑塊數(shù)量(Number of patch, NP)、平均斑塊面積(Mean patch size, MPS)構(gòu)建景觀破碎度指數(shù)，提取斑塊密度(Patch denisty, PD)、香農(nóng)多樣性(Shannon’s diversity index, SDI)和香農(nóng)均勻度(Shannon’s evenness index，SEI)三者的乘積構(gòu)建景觀恢復(fù)性指數(shù)。

底圖采用自然資源部標(biāo)準(zhǔn)地圖制作，審圖號(hào)：GS(2019)3333號(hào)，對(duì)底圖無(wú)修改，下同The base map is made with the standard map of the Ministry of Natural Resources, the approval number: GS (2019) 3333, no modification to the base map, the same as below圖1 天山北坡經(jīng)濟(jì)帶各縣市區(qū)位Fig.1 The map of economic belt on the northern slope of Tianshan Mountains

1.3 研究方法

1.3.1 生境質(zhì)量指數(shù) 生境質(zhì)量指數(shù)計(jì)算公式[17]如下。

生境質(zhì)量指數(shù)=Abio(0.35x林地+0.21x草地+0.28x水域濕地+0.11x耕地+0.04x建設(shè)用地+0.01x未利用地)/區(qū)域面積

(1)

式中, Abio為生境質(zhì)量歸一化系數(shù)，參考值為511.2642131067。

1.3.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化 本研究所用的不同指標(biāo)的量級(jí)不同，所以在評(píng)價(jià)前，采用極差法[17-18]對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，將指標(biāo)值映射到[0,1]。對(duì)土壤侵蝕強(qiáng)度采用分等級(jí)賦值處理，根據(jù)馬駿等[18]研究，按對(duì)脆弱性的影響排序，依次為微度侵蝕、輕度侵蝕、中度侵蝕、強(qiáng)度侵蝕、極強(qiáng)度侵蝕，分別賦值0.2、0.4、0.6、0.8、1.0。將標(biāo)準(zhǔn)化后的屬性數(shù)據(jù)在ArcGIS中利用普通克里金插值法轉(zhuǎn)換為空間柵格數(shù)據(jù)，得到指標(biāo)的空間化數(shù)據(jù)[19]。

1.3.3 生態(tài)脆弱性分級(jí)與生態(tài)脆弱性綜合指數(shù) 為了使EVI的度量和比較更方便，故對(duì)其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理[20-22]。在EVI標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)上，參照國(guó)內(nèi)外已有的生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[22]，并根據(jù)研究區(qū)的具體特征，將天山北坡經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)脆弱性劃分為5個(gè)等級(jí)：微度脆弱(EVI≤0.2)、輕度脆弱(0.20.8)。

使用定量的綜合性指數(shù)能夠更加直觀的表示生態(tài)脆弱性狀態(tài)。采用乘算模型計(jì)算生態(tài)脆弱性綜合指數(shù)(EVSI)[23]。

(2)

式中，EVSI為生態(tài)脆弱性綜合指數(shù)；Pi為第i類(lèi)脆弱性等級(jí)值，微度脆弱、輕度脆弱、中度脆弱、強(qiáng)度脆弱和重度脆弱的P值分別為1、2、3、4、5；Ai為第i類(lèi)脆弱性面積;s為區(qū)域總面積。

1.3.4 生態(tài)脆弱性變化趨勢(shì)分析 在ArcGIS 10.2軟件中利用柵格計(jì)算器工具將2005年和2015年2期生態(tài)脆弱性結(jié)果進(jìn)行差值處理，分析天山北坡經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)脆弱性指數(shù)變化情況，脆弱性指數(shù)為負(fù)的區(qū)域表示生態(tài)狀況有所改善，數(shù)值為正的區(qū)域表示生態(tài)環(huán)境狀況有惡化的趨勢(shì)。

1.3.5 地理探測(cè)器模型 本研究利用王勁峰等[24-25]地理探測(cè)器模型的因子探測(cè)和交互探測(cè)識(shí)別天山北坡經(jīng)濟(jì)帶不同縣市生態(tài)脆弱性的驅(qū)動(dòng)因素及其交互作用，分別以2005年和2015年天山北坡經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)脆弱性指數(shù)作為因變量，以對(duì)應(yīng)的兩個(gè)時(shí)期的原始指標(biāo)體系作為自變量來(lái)進(jìn)行因子分析，以?xún)善谏鷳B(tài)脆弱性指數(shù)的平均值作為因變量、原始指標(biāo)平均值作為自變量來(lái)進(jìn)行交互探測(cè)分析。

(1)單因子驅(qū)動(dòng)分析。單因子探測(cè)模塊通過(guò)比較因變量在自變量各類(lèi)別中的方差與總體方差的關(guān)系來(lái)計(jì)算因子解釋力，借助因子解釋力來(lái)判斷自變量因子對(duì)因變量變化的貢獻(xiàn)大小,從而檢驗(yàn)?zāi)车乩硪蛩厥欠駷樾纬傻乩憩F(xiàn)象空間分異的原因[26]。

(3)

(2)因子交互驅(qū)動(dòng)分析。交互探測(cè)模塊通過(guò)比較兩個(gè)影響因子的單因子解釋力之和及其交互作用的解釋力,以判別交互后對(duì)地理現(xiàn)象的影響程度。按照解釋力q值的大小可以分為非線(xiàn)性減弱、單因子非線(xiàn)性減弱、雙因子增強(qiáng)、獨(dú)立和非線(xiàn)性增強(qiáng)5種情況，非線(xiàn)性增強(qiáng)類(lèi)型對(duì)生態(tài)脆弱性的變化具有最強(qiáng)的影響作用。

2 結(jié)果與分析

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及模型建立

在綜合分析研究區(qū)的實(shí)際情況及已有的區(qū)域生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上，綜合人為因素和自然因素，遵循科學(xué)性、可獲取性和應(yīng)用性等原則，從生態(tài)敏感性、生態(tài)恢復(fù)力和生態(tài)壓力度3個(gè)維度選取15個(gè)指標(biāo)構(gòu)建天山北坡經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(表1)，選用高程、坡度、地形起伏度來(lái)反映天山北坡經(jīng)濟(jì)帶的地形地貌狀況；選用干燥度、年均降水量、 ≥10 ℃積溫反映區(qū)域氣候敏感性；生境質(zhì)量指數(shù)、景觀破碎度、土壤侵蝕程度作為地表因子；植被覆蓋度、景觀恢復(fù)力指數(shù)為植被因子；人口密度、人均GDP、人均耕地和第二產(chǎn)業(yè)比重反映天山地區(qū)人為活動(dòng)的影響。根據(jù)指標(biāo)對(duì)生態(tài)環(huán)境脆弱性的影響，將指標(biāo)屬性分為正向指標(biāo)和負(fù)向指標(biāo)。

表1 天山北坡經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

為消除指標(biāo)信息中的重疊和共線(xiàn)性，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化后的空間柵格數(shù)據(jù)采用空間主成分分析方法[18-20]，得到天山北坡經(jīng)濟(jì)帶2005年和2015年的主成分分析結(jié)果(表2)，為盡量多地提取相關(guān)信息，本文選取2005年和2015年兩個(gè)時(shí)期累積貢獻(xiàn)率均大于90%的前6個(gè)主成分用于天山北坡經(jīng)濟(jì)帶的生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)。在ArcGIS 10.2中利用柵格計(jì)算器分別計(jì)算各主成分的得分，構(gòu)建天山北坡經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)脆弱性指數(shù)(EVI)評(píng)價(jià)模型。

EVI2005=0.4022PC12005+0.2474PC22005+0.1208PC32005+0.1068PC42005+0.0321PC52005+0.0298PC62005

EVI2015=0.3615PC12015+0.2322PC22015+0.1384PC32015+0.0930PC42015+0.0609PC52015+0.0393PC62015

表2 天山北坡經(jīng)濟(jì)帶2005年和2015年生態(tài)脆弱性指標(biāo)主成分分析

2.2 天山北坡經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)脆弱性整體特征

由圖2可知，總體空間分布態(tài)勢(shì)為中部沖積平原地區(qū)高于南部山區(qū)和北部沙漠地區(qū)，由城市人口聚居區(qū)由中部往兩側(cè)逐步減少，這一現(xiàn)象和天山北坡經(jīng)濟(jì)帶經(jīng)濟(jì)格局相一致。

圖2 天山北坡經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)脆弱性空間分布Fig.2 Spatial distribution of ecological vulnerability in the economic belt on the northern slope of Tianshan Mountains

為進(jìn)一步定量分析天山北坡經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)脆弱性變化特征，對(duì)天山北坡經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)脆弱性分級(jí)結(jié)果進(jìn)行面積統(tǒng)計(jì)。由表3可知，2005年中度脆弱面積占比最高，占總面積的36.95%；其次為輕度脆弱，面積占比為34.35%；強(qiáng)度脆弱區(qū)面積占比20.88%；微度脆弱和重度脆弱面積占比較小分別為7.05%、0.77%。2005年以后，天山北坡經(jīng)濟(jì)帶城市化水平在不斷提高，人類(lèi)活動(dòng)對(duì)生態(tài)環(huán)境干擾加重，到2015年，強(qiáng)度脆弱區(qū)從2005年的20.88%提升到29.85%，呈片狀分布在天山北坡經(jīng)濟(jì)帶的中部人口聚集的綠洲區(qū)域。中度脆弱區(qū)占比略有減少，但依舊最大，為36.48%，西南部山區(qū)部分地區(qū)由微度脆弱和輕度脆弱轉(zhuǎn)向中度脆弱轉(zhuǎn)變。重度脆弱區(qū)面積略有增加，微度脆弱和輕度脆弱區(qū)面積減少，天山北坡經(jīng)濟(jì)帶中部區(qū)域生態(tài)脆弱狀況有加重趨勢(shì)。

表3 天山北坡經(jīng)濟(jì)帶2005年和2015年生態(tài)脆弱性不同等級(jí)面積占比

總體而言，2005—2015年間新疆北坡經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)脆弱性主要表現(xiàn)以中度脆弱和強(qiáng)度脆弱為主，中度脆弱區(qū)面積占比最大，強(qiáng)度脆弱區(qū)面積占比提升幅度最大，有輕度脆弱和中度脆弱向中度脆弱和強(qiáng)度脆弱轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)。

2.3 天山北坡經(jīng)濟(jì)帶各縣市生態(tài)脆弱性變化特征

由表4和圖2可知：2005—2015年烏魯木齊的輕度脆弱和中度脆弱區(qū)主要分布在北部沙漠和南部山區(qū)，強(qiáng)度脆弱區(qū)面積占比由13.80%提升到15.01%，主要集中在沙依巴克區(qū)、水磨溝區(qū)、新市區(qū)這些人口密度大、經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的區(qū)域。克拉瑪依市是典型的工業(yè)化城市、國(guó)家重要的石油石化基地，隨著工業(yè)化進(jìn)程的迅速推進(jìn)，區(qū)內(nèi)生態(tài)環(huán)境破壞嚴(yán)重，中度脆弱和強(qiáng)度脆弱面積占比一度高達(dá)86.84%～89.4%，近年來(lái)隨著該市建設(shè)“數(shù)字油田”、引入經(jīng)過(guò)生活污水處理廠(chǎng)處理的再生水“蓄水植綠”、綠化面積9867 hm2、種植樹(shù)木4800萬(wàn)株等環(huán)保舉措的實(shí)施，有效遏制了該市土地沙化的勢(shì)頭，重度脆弱區(qū)的面積小幅下降。

表4 2005—2015年各縣市生態(tài)脆弱性變化

昌吉市2005—2015年，強(qiáng)度脆弱區(qū)明顯增加，比2005年的占比增加了79%。阜康以輕度脆弱和強(qiáng)度脆弱為主，輕度脆弱區(qū)主要分布在北部沙漠區(qū)和南部山區(qū)，強(qiáng)度脆弱區(qū)主要分布在中部山前沖積平原和綠洲—荒漠過(guò)渡帶，除輕度脆弱區(qū)各脆弱區(qū)有小幅增加。2005—2015年，呼圖壁和瑪納斯皆以輕度脆弱、中度脆弱和強(qiáng)度脆弱為主，面積占比達(dá)90%以上，兩縣中南部綠洲—荒漠過(guò)渡帶的生態(tài)脆弱性隨著第二產(chǎn)業(yè)的發(fā)展日益惡化。五家渠2005—2015年重度脆弱區(qū)有所減少，仍以強(qiáng)度脆弱區(qū)為主，這與其作為烏魯木齊的衛(wèi)星城市，以第二產(chǎn)業(yè)、金屬加工、煤電煤化工、農(nóng)副產(chǎn)品加工等為主導(dǎo)的現(xiàn)狀關(guān)聯(lián)緊密。石河子是以工業(yè)為主導(dǎo)、城鄉(xiāng)結(jié)合的軍墾新城，2005—2015年石河子以中度脆弱和中度脆弱為主并且有向重度脆弱轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)，這與其穩(wěn)居天山北坡經(jīng)濟(jì)帶11個(gè)縣市人口密度首位密切相關(guān)。奎屯是新疆主要農(nóng)牧區(qū)和糧油棉基地，經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)人為擾動(dòng)日益加劇，使其生態(tài)環(huán)境整體上由2005年輕度脆弱轉(zhuǎn)變強(qiáng)度脆弱。沙灣和烏蘇2005年均以輕度脆弱和中度脆弱為主，而2015年轉(zhuǎn)變?yōu)橹卸群蛷?qiáng)度脆弱為主，可見(jiàn)生態(tài)環(huán)境脆弱程度逐漸加深。近年來(lái)，烏蘇的城市建設(shè)進(jìn)程加快，人類(lèi)的生產(chǎn)、生活強(qiáng)度超過(guò)了生態(tài)系統(tǒng)的承載能力，生態(tài)環(huán)境受人類(lèi)活動(dòng)干擾劇烈。

由圖3可知，天山北坡經(jīng)濟(jì)帶整體的生態(tài)脆弱性綜合指數(shù)2005年為2.74，2015年為2.93，升高6.8%，說(shuō)明天山北坡經(jīng)濟(jì)帶的生態(tài)脆弱性整體上是呈小幅上漲趨勢(shì)。研究時(shí)段內(nèi)除阜康市、五家渠和克拉瑪依外，其他8個(gè)縣市2015年的生態(tài)脆弱性綜合指數(shù)均比2005年高，說(shuō)明2015年大部分縣市整體生態(tài)脆弱性有增強(qiáng)趨勢(shì)。研究時(shí)段內(nèi)天山北坡經(jīng)濟(jì)帶各縣市生態(tài)脆弱性綜合指數(shù)多年平均值最小的為烏魯木齊，最大的為五家渠。生態(tài)脆弱性綜合指數(shù)的大小與不同脆弱區(qū)等級(jí)的占比有密切聯(lián)系，烏魯木齊中度脆弱為主，其面積占比雖大，但比重系數(shù)較小，所以生態(tài)脆弱性綜合指數(shù)較小。而五家渠以強(qiáng)度脆弱為主，面積占比高達(dá)70%，所以生態(tài)脆弱性綜合指數(shù)較大。

圖3 天山北坡經(jīng)濟(jì)帶各縣市生態(tài)脆弱性綜合指數(shù)Fig.3 Comprehensive index of ecological vulnerability in the economic belt on the northern slope of Tianshan Mountains

2.4 天山北坡經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)脆弱性時(shí)間演變格局

從圖4來(lái)看，生態(tài)脆弱性有所恢復(fù)的區(qū)域主要零星分布在克拉瑪依、瑪納斯中南部、五家渠北部、烏魯木齊和阜康南部等地。結(jié)合景觀恢復(fù)力指數(shù)和植被覆蓋度變化數(shù)據(jù)來(lái)看，天山北坡經(jīng)濟(jì)帶內(nèi)生態(tài)恢復(fù)區(qū)與植被生長(zhǎng)狀況密切相關(guān)，生態(tài)恢復(fù)區(qū)的分布與各縣市植被覆蓋度增加的范圍總體上保持一>致。烏蘇、奎屯、沙灣南部、石河子南部、瑪納斯南部、呼圖壁中部、昌吉中部和烏魯木齊中部等生態(tài)脆弱性呈現(xiàn)增強(qiáng)趨勢(shì)，2005—2015年建設(shè)用地的擴(kuò)張、不合理的開(kāi)發(fā)利用資源等各種人為干擾活動(dòng)是天山北坡生態(tài)脆弱性增強(qiáng)的主因。

圖4 2005—2015年天山北坡經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)脆弱性變化Fig.4 Trend change of ecological vulnerability in the economic belt on the northern slope of Tianshan Mountains

2.5 天山北坡經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)脆弱性影響因素分析

生態(tài)脆弱性的驅(qū)動(dòng)力單因子探測(cè)結(jié)果如表5所示，2005—2015年，除人均GDP和土壤侵蝕程度兩個(gè)因子外，其他因子的q值均呈現(xiàn)不同程度的增長(zhǎng)，說(shuō)明這些因子對(duì)生態(tài)脆弱性的影響增大；2005年對(duì)EVI 影響較大的因子(q值≥0.3且P=0)排序依次為：高程>人口密度>人均GDP>生境質(zhì)量指數(shù)>坡度；而2015年對(duì)EVI影響較大的因子依次為：人口密度>第二產(chǎn)業(yè)比重>景觀破碎度>人均GDP>生境質(zhì)量指數(shù)。總體來(lái)看，2005年和2015年人口密度、人均GDP和生境質(zhì)量指數(shù)等因素對(duì)天山北坡經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)脆弱性的影響占據(jù)主導(dǎo)地位，而土壤侵蝕程度、干燥度、≥10 ℃積溫等因素對(duì)生態(tài)脆弱性的影響較弱。2005—2015年，人口密度和第二產(chǎn)業(yè)比重的影響作用逐漸增大，人口密度的提升會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境的干擾程度加大，特別是在綠洲—荒漠過(guò)渡帶，人類(lèi)活動(dòng)的不良影響極易造成固定、半固定沙地轉(zhuǎn)化成流動(dòng)沙地，第二產(chǎn)業(yè)比重的提升也會(huì)增加生態(tài)環(huán)境的壓力。

表5 天山北坡經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)脆弱性變化驅(qū)動(dòng)力單因子分析

采用地理探測(cè)器中的交互探測(cè)模塊對(duì)15個(gè)影響因子進(jìn)行交互探測(cè)后得出105個(gè)因子對(duì)，因子對(duì)均為雙因子增強(qiáng)或非線(xiàn)性增強(qiáng)的增強(qiáng)關(guān)系，無(wú)獨(dú)立及減弱的關(guān)系，結(jié)果(表6)顯示各因子具有交互協(xié)同作用。非線(xiàn)性增強(qiáng)因子對(duì)具有較強(qiáng)協(xié)同作用，共有26個(gè)。其中，第二產(chǎn)業(yè)比重和生境質(zhì)量指數(shù)是最強(qiáng)的非線(xiàn)性增強(qiáng)因子對(duì)，同時(shí)坡度和生境質(zhì)量指數(shù)、高程、人口密度；人均GDP與年均降水量、植被覆蓋度；第二產(chǎn)業(yè)比重與高程相互協(xié)同作用下也表現(xiàn)出較強(qiáng)的影響力。綜合來(lái)看，在因子對(duì)的交互作用中，人類(lèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)因子第二產(chǎn)業(yè)比重和人均GDP、自然環(huán)境因子年降水量、生境質(zhì)量指數(shù)和植被覆蓋度等的指標(biāo)變化與自然環(huán)境本底條件高程、坡度的協(xié)同作用下加重了天山北坡經(jīng)濟(jì)帶的生態(tài)脆弱性。

表6 天山北坡經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)脆弱性變化驅(qū)動(dòng)因子交互分析

綜合因子探測(cè)和交互作用探測(cè)分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，坡度、人口密度、人均GDP、第二產(chǎn)業(yè)比重等因素造成天山北坡經(jīng)濟(jì)帶中部、南部、北部的生態(tài)脆弱性空間分異，天山北坡經(jīng)濟(jì)帶中部位于坡度較小的沖積平原，屬于高密度人口聚居區(qū)，人均GDP多、第二產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá)等高強(qiáng)度的人為干擾，造成植被覆蓋減少、景觀破碎度變大，擴(kuò)大了中部區(qū)域生態(tài)環(huán)境脆弱性，導(dǎo)致天山北坡經(jīng)濟(jì)帶總體脆弱性由中部向南北部擴(kuò)大的趨勢(shì)。天山北坡經(jīng)濟(jì)帶南部山區(qū)屬于高海拔地帶且坡度陡、作物生長(zhǎng)所需的有效積溫較少，北部沙漠區(qū)植物覆蓋度低、年降水量少，這些自然環(huán)境因素都決定了天山北坡經(jīng)濟(jì)帶南部和北部的人為活動(dòng)較少、人為干擾程度低，所以其生態(tài)脆弱性低于中部。因此，天山北坡經(jīng)濟(jì)帶內(nèi)脆弱性較高的區(qū)域，在經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)要合理利用土地資源和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型，樹(shù)立可持續(xù)發(fā)展理念。

3 討 論

2005—2015年，天山北坡經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)脆弱性總體空間分布態(tài)勢(shì)為中部沖積平原地區(qū)高于南部山區(qū)和北部沙漠地區(qū)，由城市人口聚居由中部平原向兩側(cè)荒漠和山區(qū)往外逐步減弱，對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響逐漸減弱，故生態(tài)脆弱性降低，這一研究成果與天山北坡經(jīng)濟(jì)帶經(jīng)濟(jì)發(fā)展分布情況一致[11,15]。2005—2015年天山北坡經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)脆弱性有由輕、中度脆弱(面積占比71.30%)向中、強(qiáng)度脆弱(面積占比66.33%)轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)。趙萬(wàn)羽等[27]認(rèn)為天山北坡區(qū)域生態(tài)消費(fèi)足跡逐年顯著增加，與我國(guó)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型過(guò)程密切關(guān)聯(lián)。在城市化進(jìn)程中，人為擾動(dòng)的不斷增強(qiáng)使得生態(tài)由贏余轉(zhuǎn)為赤字并呈快速增加的趨勢(shì)，人為對(duì)生態(tài)環(huán)境的干擾增加，使得生態(tài)壓力增大，生態(tài)脆弱性有所增加，這與本研究中天山北坡經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)脆弱性呈增強(qiáng)趨勢(shì)結(jié)果一致，但隨著國(guó)家生態(tài)文明建設(shè)的逐步實(shí)施，相關(guān)生態(tài)保護(hù)政策的出臺(tái)和落地，生態(tài)環(huán)境建設(shè)投入的逐步加大，人們環(huán)保意識(shí)的提升，生態(tài)環(huán)境將趨于良性可持續(xù)發(fā)展。研究期間天山北坡經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)脆弱性恢復(fù)區(qū)分布在克拉瑪依、瑪納斯和阜康等地，而變差的區(qū)域主要分布在烏蘇、奎屯、沙灣和昌吉等地，與方創(chuàng)琳等[28]對(duì)天山北坡城市群用地轉(zhuǎn)換的生態(tài)價(jià)值變動(dòng)有一定的一致性，生態(tài)改善區(qū)與生態(tài)價(jià)值正值區(qū)、生態(tài)變差區(qū)與生態(tài)價(jià)值負(fù)值區(qū)具有較好的重合度，但由于研究時(shí)間段、采用的評(píng)價(jià)指標(biāo)和研究方法不甚一致，結(jié)果也有一定差別。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，天山北坡經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)脆弱性驅(qū)動(dòng)力主要為第二產(chǎn)業(yè)比重、人口密度、人均GDP、生境質(zhì)量指數(shù)、景觀破碎度，由此可以看出人類(lèi)活動(dòng)干擾對(duì)天山北坡經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)脆弱性影響較大，在城鎮(zhèn)化進(jìn)程和經(jīng)濟(jì)發(fā)展過(guò)程中，合理規(guī)劃利用土地資源、水資源，增加植被覆蓋度，實(shí)現(xiàn)其可持續(xù)發(fā)展。

本研究分析了天山北坡經(jīng)濟(jì)帶2005年和2015兩個(gè)時(shí)期的生態(tài)脆弱性時(shí)空分布特征，但有關(guān)更長(zhǎng)時(shí)間序列的生態(tài)脆弱性的評(píng)價(jià)還不夠，同時(shí)研究深度也需要進(jìn)一步延伸。因此，在今后的研究中，將延長(zhǎng)時(shí)間序列，深刻探究生態(tài)脆弱性與驅(qū)動(dòng)因子之間的耦合關(guān)系，詳細(xì)闡明各縣市生態(tài)脆弱性的時(shí)空分布及演變趨勢(shì)，對(duì)研究區(qū)生態(tài)脆弱性與生態(tài)文明建設(shè)、區(qū)域規(guī)劃、可持續(xù)發(fā)展之間的關(guān)系進(jìn)一步明確，以期為天山北坡經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)環(huán)境的改善和生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展提供更有效的理論依據(jù)。

4 結(jié) 論

結(jié)合天山北坡經(jīng)濟(jì)帶實(shí)際，以SRP評(píng)價(jià)模型為框架分3個(gè)層次選取15個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)天山北坡經(jīng)濟(jì)帶的生態(tài)脆弱性時(shí)空分異特征及其驅(qū)動(dòng)力因子進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

(1)空間上，天山北坡經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)脆弱性總體分布為中部沖積平原區(qū)高于南部山區(qū)和北部沙漠，主要從城市中心區(qū)、人口聚居區(qū)往外逐步減弱。時(shí)間上，2005—2015年天山北坡經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)脆弱性呈增強(qiáng)趨勢(shì)。

(2)天山北坡經(jīng)濟(jì)帶有19.91%的區(qū)域生態(tài)脆弱性增加，2.07%的區(qū)域生態(tài)脆弱性降低，研究時(shí)段內(nèi)生態(tài)脆弱性綜合指數(shù)除阜康市、五家渠市和克拉瑪依外，其他8個(gè)縣市的綜合生態(tài)脆弱性狀況有增加趨勢(shì)。

(3)通過(guò)地理探測(cè)器模型進(jìn)行生態(tài)脆弱性驅(qū)動(dòng)力因子進(jìn)行分析，人均GDP對(duì)生態(tài)脆弱性結(jié)果解釋力最強(qiáng)，≥10 ℃積溫因子解釋力最弱，說(shuō)明人類(lèi)活動(dòng)干擾對(duì)天山北坡經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)脆弱性變化影響最大；任意因子對(duì)交互作用后對(duì)生態(tài)脆弱性的驅(qū)動(dòng)力均大于單一因子驅(qū)動(dòng)力，說(shuō)明多因素協(xié)同作用影響天山北坡經(jīng)濟(jì)帶的生態(tài)脆弱性。