苗 旭，李九一，柳玉梅，宋小燕

(1.西北農林科技大學 水利與建筑工程學院，陜西 楊陵 712100；2.中國科學院 地理科學與資源研究所，北京 100101； 3.蘇州科技大學 地理科學與測繪工程學院，江蘇 蘇州 215009)

生態(tài)脆弱性是指在自然與人類活動因素以及它們疊加作用下生態(tài)環(huán)境做出的敏感反應與自我恢復能力反應[1]。為應對全球氣候變化以及人類活動帶來的生態(tài)環(huán)境變化，生態(tài)脆弱性評價逐漸成為研究的熱點[2]。生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性一般表現(xiàn)出2個特征，即自身所帶有的不穩(wěn)定性以及外界干擾的敏感性，對區(qū)域生態(tài)脆弱性的評價本質就是對區(qū)域生態(tài)結構及其功能的評估。通過脆弱性評價不僅可以明確區(qū)域脆弱性程度以及空間分布，而且對生態(tài)保護以及區(qū)域發(fā)展提供一定的科學對策。

目前關于生態(tài)脆弱性的研究已經由單一生態(tài)要素發(fā)展到涉及自然、經濟、人文等區(qū)域整體性研究[3]，關于生態(tài)脆弱性的評價目前尚未有統(tǒng)一的體系指標，許多專家提出了不同的評級體系[4]，趙躍龍等[5]通過建立脆弱度模型對全國26個省、 區(qū)生態(tài)環(huán)境進行評價；徐明德等[6]建立改進型的模糊脆弱度評價模型對渾源縣生態(tài)脆弱性進行評價；李平星等[7]通過建立暴露-敏感-適應(VSD)模型對廣西西江經濟帶的生態(tài)脆弱性進行分析；楊俊等[8]通過建立暴露度-敏感性-應對能力(ESC)模型對城市邊緣的生態(tài)脆弱性進行評估，李芮芝等[9]通過建立生態(tài)敏感性-生態(tài)恢復力-生態(tài)壓力度(SRP)模型對南雄丹霞梧桐自然保護區(qū)生態(tài)脆弱性評價。

我國生態(tài)脆弱性大多基于一定的尺度開展研究，但由于不同區(qū)域生態(tài)脆弱性不同，涉及的生態(tài)指標也不同，因此模型或方法的選取需要根據實際情況而定[10]。農牧交錯帶的生態(tài)系統(tǒng)非常容易受到內外部的擾動，是生態(tài)狀況最容易發(fā)生變化的區(qū)域之一[11]，SRP模型是在生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的基礎上建立的生態(tài)脆弱性評價模型，在資源枯竭型城市生態(tài)脆弱性分析[12]與川滇農林牧交錯帶[13]等地區(qū)都得到很好的應用。本研究采用SRP模型，通過空間主成分分析、地理探測器模型等交叉分析方法，對農牧交錯的鄂爾多斯市進行生態(tài)脆弱性進行評價，并揭示其空間脆弱性格局特征，以期為該地區(qū)在制定可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略以及生態(tài)環(huán)境保護與恢復中提供科學依據。

1 研究區(qū)概況

鄂爾多斯市位于內蒙古西南部，東西北三面均被黃河圍繞，是干旱半干旱地區(qū)內一個相對獨立的自然地理單元[14]，多年平均氣溫為5～8 ℃，氣溫自東向西逐漸升高，多年平均蒸發(fā)量在2 000～3 000 mm，雨季為6-9月，受海洋性季風氣候影響，降水量自東向西逐漸降低，多年平均降水量160～400 mm。境內草原生態(tài)系統(tǒng)占全市總面積的70%以上，植被覆蓋類型以稀疏低矮分布為特點(圖1)。

圖1 研究區(qū)概況

2 材料與方法

2.1 數(shù)據來源與處理

數(shù)據主要包括2005、2010和2018年鄂爾多斯市氣象、地理、社會經濟、人口數(shù)據等。氣象數(shù)據來源于中國氣象數(shù)據共享網(http://data.cma.cn/)包括溫度、降水量、風速等，利用鄂爾多斯市及周邊的氣象站點的觀測值在ArcGIS軟件下用克里金插值法獲取得柵格數(shù)據集；地理數(shù)據來源于中國科學院資源環(huán)境科學與數(shù)據中心(http://www.resdc.cn/)包括高程數(shù)據、土地利用數(shù)據、土壤類型數(shù)據等，其中，坡度、坡向地表起伏度、地表粗糙度等通過高程數(shù)據計算生成；社會經濟和人口數(shù)據來源于鄂爾多斯市統(tǒng)年鑒，通過ArcGIS軟件計算空間人口密度、人均GDP、牲畜密度(羊單位)、萬元GDP用水量；植被NDVI數(shù)據來源于MOD13Q1；NPP數(shù)據來源于MOD17A3；土壤侵蝕強度是利用通用土壤流失方程(RUSLE)計算得到。在ArcGIS中將所有柵格數(shù)據統(tǒng)一分辨率為250 m，采用等面積投影法，且均采用WGS-1984坐標系。

2.2 研究方法

2.2.1 評價指標構建 通過分析前人的研究成果[12,14]，結合SRP模型所需的評價指標，在遵循評價原則的基礎上選取14個指標因子，構建鄂爾多斯市生態(tài)脆弱性評價體系并進行歸一化處理，生態(tài)敏感性包括地形因子、地表因子、氣象因子。其中地形因子包括高程、地表起伏度和地表粗糙度；地表因子包括土壤侵蝕強度和潛在蒸散量；氣象因子包括年均降水和年均氣溫；生態(tài)恢復力用植被因子代替包括土壤有機碳含量、植被覆蓋度和NPP；社會因子用人口密度、人均GDP、牲畜密度、萬元GDP用水量代表，表示生態(tài)壓力。

2.2.2 空間主成分分析 空間主成分分析通過旋轉原始空間坐標軸，將原來的多個指標轉化為一組新的互不相關的綜合指標，從而在減少數(shù)據量的同時又替代原始的指標信息[15]。公式如下

Zi=a1iA1+a2iA2+…+aniAi

(1)

式中：Zi是第i個主成分；a1i，a2i，…，ani是第i個主成分各項指標因子所對應的特征向量；A1，A2，…，Ai為各項指標因子的標準化值。

2.2.3 生態(tài)脆弱性計算及分級 通過SRP生態(tài)評價模型結合主成分分析法，計算出生態(tài)脆弱性指數(shù)(EVI)[16]，參考相關生態(tài)脆弱性研究[17,18]，進行分級，分為潛在脆弱(0～0.2)、微度脆弱 (0.2～0.4)、輕度脆弱(0.4～0.6)、中度脆弱(0.6～0.8)、重度脆弱(0.8～1)5個脆弱等級。

2.2.4 地理探測器 引入中國科學院地理科學與資源研究所王勁峰等[19]開發(fā)的地理探測器模型，通過因子探測器中的q值和p值探究鄂爾多斯市生態(tài)脆弱性中各指標因子的影響力大小[20]。

3 結果與分析

3.1 生態(tài)脆弱性時空分布特征

選取累計貢獻率>90%的5個主成分(表1)。計算2005、2010和2018年鄂爾多斯市生態(tài)脆弱性指數(shù)，并參照該市生態(tài)脆弱性分級標準，獲得生態(tài)脆弱性空間分級狀況圖(圖2)。

表1 鄂爾多斯市生態(tài)脆弱主成分分析結果

2005年鄂爾多斯市生態(tài)脆弱性指數(shù)標準化平均值為0.52，總體處于輕度脆弱。由圖2可知，杭錦旗大部分區(qū)域處于重度脆弱區(qū)，生態(tài)脆弱性極嚴重；中度脆弱區(qū)主要在鄂托克前旗中西部以及鄂托克旗西部地區(qū)；烏審旗、鄂托克旗以及鄂托克前旗大部分地區(qū)屬于輕度脆弱區(qū)；達拉特旗、準格爾旗、伊金霍洛旗、東勝區(qū)、康巴什區(qū)生態(tài)狀況較好，整體脆弱性較低。從全市看，2005年鄂爾多斯市生態(tài)狀況東部地區(qū)優(yōu)于西部地區(qū)。2010年鄂爾多斯市生態(tài)脆弱性指數(shù)標準化平均值0.44，總體處于輕度脆弱。重度脆弱區(qū)主要在杭錦旗西部地區(qū)，中度脆弱區(qū)在杭錦旗中東部以及鄂托克前旗西部地區(qū)，輕度脆弱區(qū)在鄂托克旗西部，烏審旗、伊金霍洛旗、達拉特旗、東勝區(qū)、康巴什區(qū)、準格爾旗以及鄂托克旗東部區(qū)域生態(tài)狀況較好，整體脆弱性較低。2018年鄂爾多斯市生態(tài)脆弱性指數(shù)標準化平均值0.42，總體處于輕度脆弱。杭錦旗大部分區(qū)域處于重度脆弱區(qū)，鄂托克前旗西部、達拉特旗部分區(qū)域以及康巴什區(qū)部分域屬于中度脆弱區(qū)外，其余各旗區(qū)生態(tài)狀況較為良好(圖3)，從數(shù)量關系上也可以看出2005年生態(tài)脆弱程度分級中輕度脆弱性占比較大，40.47%，2010與2018年微度脆弱性占比大，分別為42.45%和49.39%。

3.2 生態(tài)脆弱性空演變格局

2005與2010年、2010與2018年間各類生態(tài)脆弱性等級面積轉移矩陣見表 2、表3。2005與2010 年間潛在脆弱性等級面積共增加390 km2，微度脆弱性等級面積共增加22 628 km2，輕度脆弱性等級面積共減少21 811 km2，中度脆弱性等級面積共增加7 535 km2，重度脆弱性等級面積共減少8 742 km2，總體看，2005與2010年鄂爾多斯市生態(tài)脆弱性等級積極轉移面積大于消極轉移面積，反映鄂爾多斯市生態(tài)有所改善。

2010與2018 年間，潛在脆弱性等級面積共增加5 616 km2，微度脆弱性等級面積共增加6 031 km2，輕度脆弱性等級面積共減少4 558 km2，中度脆弱性等級面積共減少16 942 km2，重度脆弱性等級面積共增加9 854 km2；2010與2018年鄂爾多斯市生態(tài)脆弱性等級積極轉移面積>消極轉移面積，但相比于2005與2010年，鄂爾多斯市積極性轉移面積減少，且重度脆弱性等級面積增加量較大，但總體上鄂爾多斯市生態(tài)脆弱性逐漸向良好發(fā)展。

圖2 2005、2010和2018年鄂爾多斯市生態(tài)脆弱性分級

圖3 鄂爾多斯市生態(tài)脆弱度狀況

表2 2005年與2010年鄂爾多斯市不同生態(tài)脆弱性等級轉移矩陣

3.3 生態(tài)脆弱性驅動機制分析

為探究鄂爾多斯市生態(tài)脆弱性在空間上表現(xiàn)力不同的原因，將生態(tài)脆弱性評價的14個指標因子作為自變量，計算得出的生態(tài)脆弱性指數(shù)作為因變量，在 ArcGIS中將所有柵格重采樣為1 km×1 km，通過地理探測器進行研究分析。因子探測器的結果表明(表4)，2005、2010和2018年的p值為0，說明14個評價指標對區(qū)域生態(tài)脆弱性指數(shù)的解釋力很充足；從q值來看， 2005年影響鄂爾多斯市生態(tài)脆弱性最強的5個影響因子順序為NPP<年均降水<萬元GDP用水量<人均GDP<人口密度；2010年影響鄂爾多斯市生態(tài)脆弱性最強的5個影響因子順序中NPP<人口密度<年均降水<人均GDP<萬元GDP用水量；2018年影響鄂爾多斯市生態(tài)脆弱性最強的5個影響因子順序為NPP<年均降水<人口密度<人均GDP<萬元GDP用水量。由此可見，年均降水量、NPP、人口密度、人均GDP、萬元GDP用水量是影響鄂爾多斯市生態(tài)脆弱性的關鍵因子，且人是影響當?shù)厣鷳B(tài)脆弱性的主要原因。q值越大說明對鄂爾多斯市生態(tài)影響力越大，p值越大說明對鄂爾多斯市生態(tài)脆弱性的解釋力越小。

表3 2010年與2018年鄂爾多斯市不同生態(tài)脆弱性等級轉移矩陣

表4 鄂爾多斯市地區(qū)因子探測結果

4 結論與討論

通過建立生態(tài)脆弱性評價模型對鄂爾多斯市2005、2010和2018年生態(tài)脆弱性進行綜合評價發(fā)現(xiàn)：這些年鄂爾多斯市的生態(tài)狀況在逐年得到改善，歸一化的生態(tài)脆弱性指數(shù)值在逐年降低。2005與2010年之間生態(tài)脆弱性向積極方向轉移量大于2010與2018年，且生態(tài)脆弱性等級轉移過程中很少出現(xiàn)跨等級轉移，基本向著臨近等級轉移；綜合所有因素來看，鄂爾多斯市的生態(tài)改善與國家政策以及鄂爾多斯市近些年來的發(fā)展有關，自2000年以來在國家“退耕還林還草”工程的號召下，鄂爾多斯市積極開展森林建設工程以及草原生態(tài)保護建設，使得森林覆蓋率從2005年的16.2%提高到2018年的26.9%，植被覆蓋率75%以上，毛烏素沙漠得到綜合治理，治理面積超出總面積的70%，沙害現(xiàn)象基本消失。但同時由于鄂爾多斯市的發(fā)展也逐漸增加了生態(tài)壓力，2005-2018年鄂爾多斯市GDP大約增長7倍，2005年人均GDP 4 500美元，2018年超出20 000美元，經濟的迅速增長加大了鄂爾多斯市的生態(tài)壓力。鄂爾多斯市處在半干旱與干旱的氣候過渡帶，雖然三面被黃河所包圍，但水資源短缺，不但限制鄂爾多斯市的進一步發(fā)展，同時也使得當?shù)厣鷳B(tài)脆弱性加重，相關資料顯示，杭錦旗2005、2010年和2018年用水量分別占據全市用水量的29.63%、15.84%和19.67%，但經濟總值卻處在全市末尾。處在杭錦旗腹地的庫布齊沙漠雖然得到有效的治理，但相比于毛烏素沙漠來說植被覆蓋較差。

生態(tài)脆弱性因子探測中，自然因素的年均降水量、植被凈初級生產力和人為因素的人口密度、人均GDP、萬元GDP用水量是影響鄂爾多斯市生態(tài)脆弱性的關鍵因子；生態(tài)脆弱性狀態(tài)同時反映了鄂爾多斯市各旗區(qū)間的差異，在實施生態(tài)保護政策時需要考慮各旗區(qū)之間產業(yè)發(fā)展的不均衡以及各旗區(qū)之間的生態(tài)差異。以杭錦旗為例，境內的庫布齊沙漠植被覆蓋度較小，通過逐年增加防風固沙林固定風沙、種植牧草，采取先進的農業(yè)種植手段，逐漸降低農田灌溉用水，積極引進低耗能綠色清潔產業(yè)，對于高耗能產業(yè)采取新工藝以減少資源的消耗等措施來改善生態(tài)環(huán)境。