南流江流域土地利用与生态脆弱性评价

李 彪　卢 远　许贵林

(1.广西师范学院 地理科学与规划学院， 南宁　530001;2.北部湾环境演变与资源利用教育部重点实验室， 南宁　530001；3.广西壮族自治区海洋研究院， 南宁　530001)



南流江流域土地利用与生态脆弱性评价

李 彪1,2卢 远1,2许贵林3

(1.广西师范学院 地理科学与规划学院， 南宁530001;2.北部湾环境演变与资源利用教育部重点实验室， 南宁530001；3.广西壮族自治区海洋研究院， 南宁530001)

摘要：利用GIS和RS技术，基于“压力—状态—响应”模型，选取15个指标，对所有指标进行标准化处理，并应用主成分分析法进行指标的选取，对南流江流域2006-2013年的生态脆弱性进行定量的评价，根据计算得到的生态脆弱性指数，将生态脆弱性划分为微度脆弱、轻度脆弱、中度脆弱、强度脆弱和极度脆弱5个等级，并根据生态脆弱性指数进一步得到生态脆弱性综合指数，对生态脆弱性的动态变化以及空间分布特征进行分析，并分析了土地利用与生态脆弱性的关系。结果表明：南流江流域生态脆弱性综合指数逐年降低，从2006年的5.11701降低到2013年的4.06904，生态环境朝好的方向发展；旱地多数处于微度和轻度脆弱状态，林地、草地、水域、建筑用地和水田大部分属于轻度和中度脆弱的等级，未利用地处于轻度脆弱的状态；生态脆弱性综合指数EVSI值的大小整体上表现为：建筑用地>草地>水田>旱地>林地>未利用地>水域。生态脆弱性是人与自然共同作用的结果，主要的驱动因子包括植被覆盖度、生活污水、工业废水以及地形坡度等。为保护南流江流域的生态脆弱性，应当加强林地的保护和耕地的生态环境建设。

关键词：南流江；生态脆弱性；主成分分析；土地利用

随着社会经济的快速发展，人们对自然资源的需求不断增加，资源利用方式呈现多样化，导致自然资源及生态环境的损坏，生态脆弱性也受到了很大的影响。土地利用/覆被变化(LUCC)能够引起生物多样性、碳循环等一系列的地表生态过程变化[1-3]，土地利用变化的研究也成为全球变化研究的核心研究领域之一。生态环境脆弱性是生态系统在特定时空尺度相对于外界干扰所具有的敏感反应和自恢复能力，是自然属性和人类活动共同作用的结果[4]。土地利用类型的变化改变了地表覆盖状况，改变了水文过程、土壤水分等生态过程，从而影响生态环境的脆弱性。开展生态环境脆弱度评价不仅可以了解该地区的脆弱程度，而且有助于因地制宜地利用土地资源和保护脆弱生态环境[5]。借助相关资料和数据，利用GIS和RS技术，对广西南流江流域的生态脆弱性和土地利用变化进行了研究及评价，并分析了二者的关系，为生态环境的建设提供科学依据。

1　研究区概况

南流江流域位于21°34′～22°52′N、108°51′～110°22′E，发源于北流县大容山南侧，全长287km，流域总面积为9 462 km2，多年年平均流量为166 m3/s，是广西南部独自流入大海诸河中流程最长、流域面积最广、水量最丰富的河流[6]。南流江向南沿途流经玉州和福绵区，中游流经博白县，下游流经合浦县。流域全境位于北回归线以南，属亚热带季风气候，拥有良好的生态环境基础[7]。南流江流域地势平坦、土地肥沃、森林覆盖率高、水系发达。

2　研究方法

2.1构建评价指标体系

20世纪80年代末，经济合作和开发组织(OECD)与联合国环境规划署(UNEP)共同提出了环境指标的P-S-R概念模型，即压力(pressure)-状态(state)-响应(response)模型[8]。在P-S-R框架内，环境问题可以表述为3个不同但又相互联系的指标类型：压力指标反映人类活动给环境造成的负荷；状态指标表征环境质量、自然资源与生态系统的状况;响应指标表征人类面临环境问题所采取的对策与措施。P-S-R概念模型从人类与环境系统的相互作用与影响出发，对环境指标进行组织分类，具有较强的系统性[8]。

借助相关研究成果，结合南流江流域的生态环境实际，以“压力-状态-响应”模型为基础，选取了15个指标体系构建了南流江流域的生态脆弱性评价指标体系(图1)。

图1　南流江流域生态脆弱性评价指标体系

2.2数据来源及处理

人口密度、生活污水排放量、化肥施用强度、农药施用强度、工业废水排放量、人均水资源量、年均降水量、年平均气温、人均GDP、土地垦殖率这几类基础数据均来自广西统计年鉴并经过相应的计算得到；由ASTER生成的90m分辨率的广西DEM数字高程模型数据；南流江流域的矢量范围文件；土地覆盖类型数据来源于美国太空总署(NASA)的500m的MCD12Q1数据并采用美国马里兰大学植被分类方案(UMD)重分类为水体、林地、草地、耕地、建设用地和裸地6个类型，并根据所获得的统计资料、地形图及各种专题图件，结合野外调查资料，建立该区域解译标志；应用图像处理软件，采用人机交互的监督分类方法进行解译，并通过野外验证对其精度进行评价，得到各土地利用类型的矢量图；植被覆盖度利用250m的MOD13Q1数据的NDVI基于像元二分模型计算得到；将土地覆盖类型数据和植被覆盖度数据重采样成空间分辨率为90m的栅格；将点源数据均利用克里金插值(Kriging)进行空间化处理，并将栅格大小统一定义为90m*90m以便研究，研究以栅格作为基本评价单元，最终得到的数据空间分辨率统一定义为90m，并采用统一的椭球体坐标和Albers投影。

2.3指标标准化处理

由于研究所涉及到的各个指标的量纲、所代表的意义、类型均不一致，因此无法对其进行直接的运算，为保证指标的一致性，对各项指标标准化处理，使所有指标的值均在0～10之间。指标值与脆弱性成正比则视其为正向指标，指标值与脆弱性成反比则视其为负向指标，分别用公式(1)、(2)计算[9-10]。

(1)

(2)

式中：Ri为第i个指标经过标准化处理后的值，Xi为第i个指标的值，Xmax为第i个指标的最大值，Xmin为第i个指标的最小值。

2.4主成分分析

主成分分析(PCA)基于统计学分析的原理，由于研究涉及的变量较多，增加了研究的复杂性，考虑指标之间的相互关系，将多个指标转换为少数几个不相关的指标，同时也保留了原指标的大量信息。对所有的评价指标进行主成分分析，根据因子累积贡献率达85%以上，确定了4个主因子(表1)。

由主成分分析结果可看出，2006年第一主成分PC1的贡献率为45.6189%，且信息量较大，和其他三个主成分相比，它的解释能力最强，所占的比例接近了1/2，植被覆盖度、坡度、土地垦殖率的贡献率较大；2006年第二主成分PC2的贡献率为21.4214%，土地覆盖类型、年均降水量、土壤有机碳含量对该地区生态脆弱性影响较大，第一主成分和第二主成分总和为67.0403%，所占比例超过了2/3；2013年第二主成分PC2的贡献率为27.9996%，人口密度、人均GDP以及生活污水排放量对生态脆弱性影响较大，第一主成分和第二主成分总和为73.3065%，4个年份的第一和第二主成分均超过了67%，所占比例超过了2/3。4个年份的前4个主成分均超过了89%，解释原变异的信息量超过85%，因此可以用前4个主成分来研究土地利用的生态脆弱性，并且以第一和第二主成分为主。人为因素和自然因素共同主导着生态脆弱性，人为因素对生态脆弱性的影响逐步增强。

表1　主成分分析因子结果

2.5脆弱性指数的计算

脆弱性指数可由提取出的几个主成分的加权和来表示，如公式(3)所示：

EVI=α1Y1+α2Y2+α3Y3+···αnYn

(3)

式中：α1表示第i个主成分相应的贡献率(第i个主成分的特征值和所有主成分特征值综合的比值)，Yn表示第n个主成分。

2.6生态脆弱性综合指数

根据脆弱性分级标准以及相关的研究[11-13]，将生态脆弱性等级分为5个标准，如表2所示，计算公式如公式(4)所示：

(4)

式中：EVSI为生态脆弱性综合指数，Pi为第i类脆弱性等级的值即各个程度脆弱性的EVI值，Ai为第i类脆弱性等级的面积，通过对脆弱性等级栅格分布数据进行面积统计得到，S为所有脆弱性等级的总面积。通过EVI计算得到的生态脆弱性综合指数EVSI能够更加直观的表示生态脆弱性状态。

表2　生态脆弱性等级分级标准

3　结果与分析

3.1生态脆弱性空间分布特征

利用主成分分析法计算得到的生态脆弱性指数EVI值的空间分布，并按照表2对其进行了脆弱性等级的划分，结果见图2及表3。

由图2可以看出，南流江流域的生态脆弱性空间分布特征较明显，主要表现为西南部脆弱性低、东北部脆弱性高的格局。可以明显看出2013年生态脆弱性强度降低，主要表现为中度脆弱性向轻度脆弱性程度的转变。

由表3看出，从2006年到2013年，南流江流域生态脆弱性处于微度脆弱的面积从139.2876 km2增加到了1 415.038km2，共增加了1 275.7504km2，年均增加182.25km2；轻度脆弱的面积从2006到2008年减少了127.121km2，2008到2013年从4 865.443km2增加到6 559.153km2，共增加了1 693.71km2，年均增加338.742km2；处于中度脆弱程度的面积从2006年的3 387.088km2增加到了2011年的3 804.845km2，而2011到2013年快速减少到了1 119.112km2，共减少了2 685.733km2，年均减少1 342.8665km2；重度脆弱和极度脆弱程度均大体上表现为逐年减少的趋势，重度脆弱的面积从2006年的695.725km2减少到了2013年的296.9541km2，共减少了398.771km2，年均减少56.967km2；极度脆弱程度从2006年的207.741km2减少到了2013年的8.829km2，南流江流域的生态脆弱性整体上表现为脆弱性变小的趋势。

图2　2006-2013年南流江流域生态脆弱性空间分布图

表3　南流江流域各年生态脆弱性程度面积　km2

各年份生态脆弱性程度面积分布见图3。

图3　南流江流域各年生态脆弱性程度面积折线图

由图3可以得出，2013年相对于之前的年份，微度和轻度脆弱的面积有明显的增加，中度脆弱的面积急剧降低，重度脆弱和极度脆弱的面积基本上变化不大。

3.2土地利用变化与生态脆弱性

各土地利用类型生态脆弱性面积及EVSI值见表4、5。

由表4可以看出，旱地多数处于微度和轻度状态；林地、草地、水域、建筑用地和水田大部分属于轻度和中度脆弱的等级；未利用地处于轻度脆弱的状态。2006年和2013年林地处于轻度和中度脆弱性程度的面积分别占林地总面积的90.79%和85.38%，2013年相对于2006年下降了5.41%，大部分转向了微度脆弱的程度；草地处于轻度和中度脆弱性程度的面积分别占草地总面积的85.87%和83.54%，2013年相对于2006年下降了2.33%，大部分转向了微度脆弱的程度；建筑用地处于轻度和中度脆弱性程度的面积分别占建筑用地总面积的90.05%和88.60%，2013年相对于2006年下降了1.45%。处于微度脆弱程度的土地利用类型中旱地、草地和林地的面积显著增加，分别增加了95.76%、94.79%、94.57%，林地处于微度脆弱程度的面积增加最多，为600.1 km2，旱地面积增加了217.2km2；处于微度脆弱程度的土地利用类型中未利用地和草地的面积显著增加，分别增加了55.46%、40.0%。

表4　各土地利用类型生态脆弱性程度面积　km2

由表5可以得出，从2006年到2013年，南流江流域的生态脆弱性指数呈持续下滑的趋势，从5.11701减小到了4.06904。4年的EVSI值均处在4～6之间，因此总体上南流江流域的生态脆弱性处于中度脆弱的程度。生态脆弱性综合指数EVSI值的大小整体上表现为建筑用地>草地>水田>旱地>林地>未利用地>水域。2006年到2013年间，整体上7类土地利用类型的生态脆弱性综合指数EVSI值均有不同程度的减小，2013年相对于2006年减少最多的依次为水域、旱地、林地、水田和未利用地，分别为1.47、1.24、1.07、0.81、0.36，表明采取的生态措施取得了一定的效果，草地和建设用地呈现先减少后增加的趋势，表明在今后要增强对城镇、农村居民地的生态保护以及对草地的恢复建设工作。

表5　各土地利用类型的生态脆弱性综合指数EVSI值

4　结果与讨论

南流江流域的生态脆弱性空间分布特征较明显，主要表现为西南部脆弱性低、东北部脆弱性高的格局。从2006年到2013年生态脆弱性强度降低，主要表现为中度脆弱性向轻度脆弱性程度的转变。生态脆弱性综合指数从2006年的5.11701降低到2013年的4.06159，旱地多数处于微度和轻度状态；林地、草地、水域、建筑用地和水田大部分属于轻度和中度脆弱的等级；未利用地处于轻度脆弱的状态。生态脆弱性综合指数EVSI值的大小整体上表现为建筑用地>草地>水田>旱地>林地>未利用地>水域。影响生态脆弱性的因素主要表现为生活污水排放量、植被覆盖度、坡度等。该地区的生态措施建设取得了一定的效果，草地和建设用地的EVSI值呈现先减少后增加的趋势，表明在今后要增强对城镇、农村居民地的生态保护以及对草地的恢复建设工作，其次对于未利用地，应该对其进行相应的保护，如进行相应的植被恢复等措施以减少水土流失，对于农田，可进行农业方式的转变，建设生态农业，对于生态环境脆弱性好的地区，以保护为主。

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基金项目：广西自然科学基金资助项目(2015GXNSFAA139234)，广西自然科学基金资助项目 (2014GXNSFAA118293)

收稿日期：2016-03-01；2016-05-23修回

作者简介：李彪，男，1992年生，硕士研究生，研究方向：GIS与RS。E-mail：1206762500@qq.com 通讯作者：卢远，男，1971年生，博士，教授，研究方向：生态遥感与土壤侵蚀研究。E-mail：51150403@qq.com.

中图分类号：X171.1

文献标志码：A

Nanliujiang River Watershed land use and ecological vulnerability assessment

Li Biao1,2，Lu Yuan1,2，Xu Guilin3

(1.College of Geography and Planning of Guangxi Normal University, Nanning 530001;2.Key Laboratory of Beibu Gulf Environment Change and Resources Use, Ministry of Education, Nanning 530001;3.Guangxi Zhuang Autonomous Region, Marine Research Institute，Nanning 530001,China)

Abstract:Using GIS and RS technology and based on the "pressure-state-response" and applying GIS and RS technologies, a quantitative assessment on ecological vulnerability of Nanliujiang River Basin from the year 2006 to the year 2013 was at first carried out through normalization of 15 originally selected indicators and dimension reduction treatment of normalized indicators with PCA method. According to ecological vulnerability indexes obtained from ecological vulnerability assessment, ecological vulnerability in Nanliujiang River Basin can be divided into 5 levels, namely, minimum, slight, medium, intensified, and extremely intensified levels. A comprehensive ecological venerability index was further calculated based on ecological vulnerability levels and ecological vulnerability indexes. Finally, dynamic change of ecological vulnerability and spatial distribution features were analyzed based on comprehensive ecological venerability index obtained together with the relationship between land use and ecological vulnerability. The results show that comprehensive ecological vulnerability index of Nanliujiang River Basin has been decreasing steadily on yearly basis from 5.11701 in 2006 to 4.06904 in 2013. The ecological quality gets better. The majority of dry land is at minimum and slight vulnerability levels, while the majority of forestland, grassland, water area, construction land, paddy field and unused land belong to the slight and/or medium vulnerability levels. The order of values for comprehensive ecological vulnerability index generally shows the following features: construction land > grassland > paddy field > dry land > forest land > unused land > water area. Ecological vulnerability is as the result of the combination of anthropogenic and natural processes. The main driving factors include vegetation coverage, sewage, industrial wastewater, and the terrain slope etc.In order to further protect eco-system of Nanliujiang River Basin, ecological construction of forest land and cultivated land should be strengthened.

Keywords:Nanliujiang River; ecological vulnerability; principal component analysis; land use