2000—2015年间贵州省土地生态环境质量时空演变特征

姜海峰, 安裕伦, 周旭, 许幼霞 余晓芳

1.贵州师范大学地理与环境科学学院, 贵阳 550001 2.贵州省山地资源与环境遥感应用重点实验室, 贵阳 550001

2000—2015年间贵州省土地生态环境质量时空演变特征

姜海峰1,2, 安裕伦1,2, 周旭1,*, 许幼霞1, 余晓芳1,2

1.贵州师范大学地理与环境科学学院, 贵阳 550001 2.贵州省山地资源与环境遥感应用重点实验室, 贵阳 550001

土地生态环境质量的时空演变分析旨在检验多年生态环境治理成果、优化国土空间结构、揭示喀斯特内部差异性, 并为不同类型区域生态环境治理等提供决策依据, 对生态文明建设具有重要意义。从水热、地质地貌、土壤、土地利用/土地覆盖4个方面考虑, 对2000—2015年贵州省土地生态环境质量时空演变特征分析, 结果表明: 1)贵州省土地生态环境质量综合指数整体平稳转好, 4期综合指数分别为51.08(2000)、52.65(2005)、51.93(2010)、53.36(2015)。2)黔南州、遵义市以及铜仁市土地生态环境质量较稳定; 六盘水市、安顺市土地生态环境质量改善明显; 毕节市、黔西南州综合指数稳定性较差。3)丘陵土地生态环境质量综合指数增幅较大, 盆地波动较为明显。4)不同喀斯特类型区综合指数: 非喀斯特地区＞亚喀斯特地区＞典型喀斯特地区, 喀斯特地区改善幅度高于非喀斯特地区。未来应继续加强土地相对匮乏、生态环境脆弱的喀斯特地区土地生态环境治理力度; 对于人类活动影响较大的盆地地区应进一步优化开发利用方式, 实现区域生态环境、社会经济的可持续发展。

土地生态环境; 时空演变; 喀斯特; 贵州

1 前言

土地是人类生存发展的最基本物质基础, 土地及其生态环境质量深刻影响着人类生活水平、粮食安全和生态安全等。土地生态环境质量评价是以生态环境为视角, 对土地生态环境质量状况进行评价分析。在社会经济发展的过程中, 土地生态环境问题日益突显[2], 随着当代人对于更高生活质量的需求日益迫切, 生态环境质量评价作为生态建设和环境保护的基础性工作重要性与日俱增[3]。近年来依托遥感技术及统计数据对土地生态环境敏感性评价研究[4]、安全评价研究[6]、土地利用与生态环境关系研究[8]较多, 但存在研究时间尺度较短、研究区多处于东部地区及城市周边的特点, 对多时空尺度的西南喀斯特地区研究较少。贵州省作为长江和珠江流域的重要水源地, 因喀斯特岩溶发育强烈、土地生态环境脆弱而备受关注, 针对《全国林业生态建设与治理区划》、《贵州省林业发展规划》、《贵州省巩固退耕还林成果专项规划》、《贵州省生态文明先行区建设规划(2013—2020)》等战略方针, 贵州省先后组织实施了长江、珠江防护林体系建设, 天然林资源保护, 退耕还林和石漠化综合防治等林业生态建设工程, 亟待对多时空尺度生态治理成效进行检验。通过构建喀斯特地区土地生态环境质量评价指标体系, 对贵州省15年间土地生态环境质量时空演变特征分析, 为区域生态环境恢复、生态文明建设以及社会、经济与环境的可续发展提供理论依据和方法基础, 对于制定合理的土地利用、环境保护政策以及采取恰当的土地规划方案具有重要的意义。

2 研究区概况

图1 贵州省区位图Fig.1 Guizhou provincial bitmap

贵州省(103°36′E—109°35′E、24°37′N—29°13′N)地处云贵高原东部, 是世界三大喀斯特集中分布区东亚片区中心[10], 下辖9个地州市(如图1), 地貌以高原山地丘陵为主(约占 89%)。贵州省属亚热带湿润性季风气候区, 气候温暖湿润, 降水丰沛, 年平均气温15 °C左右, 年降水量1100—1400毫米。因岩溶地貌广泛发育, 喀斯特出露面积占全省面积73%[11], 地形结构复杂, 生态环境稳定性差、敏感性强, 环境人口承载力低, 人地矛盾突出, 是典型的生态环境脆弱区[12]。

3 数据来源与方法

3.1 数据来源

地质岩性数据通过贵州省 1: 20万岩性分布图扫描数字化获得; 地表粗糙度数据、地形湿度指数通过数字高程模型ASTER GDEM数据地形分析获得; 有效积温数据由气象站点观测数据空间插值获得; 土壤有机质数据来源于全国第二次土壤普查数据; 土壤碎屑含量根据南京土壤所土壤类型数据通过世界土壤数据库(HWSD)查找获取; 土地利用数据来源于《贵州省生态环境十年(2000—2010年)变化遥感调查与评估》及《贵州省2015年生态环境监测》数据。植被盖度数据通过Landsat遥感影像, 基于NDVI的像元二分模型方法反演得到。遥感影像数据和数字高程模型数据分辨率均为 30m, 分别获取自我国地理空间数据云平台(http://www.gscloud.cn/)和美国马里兰大学 GLCF平台(http://www.landcover.org/), 所有数据均按照 Albers Conical Equal Area定义投影。

3.2 研究方法

针对贵州省喀斯特分布范围广、生态环境脆弱的特殊生态环境状况, 选取适宜本研究区范围的土地生态环境评价指标, 构建相应评价体系, 并采用栅格数据结构, 建立多要素综合分析模型, 对贵州省的土地生态环境质量变化进行时空分析。

3.2.1 评价指标体系

不同的评价指标体系直接影响综合评价的结果,在充分考虑科学性、综合性、针对性、层次性原则后, 构建适宜贵州省的土地生态环境指标体系。从自然和人类活动两方面考虑, 并充分考虑贵州省喀斯特广泛分布的特点, 将评价体系分为 4个二级指标以及8个三级指标。

水热条件提供整个系统中所需的能源以及水分,有效积温从强度和作用时间两方面体现适宜温度对生物有机体生长发育的影响; 湿润度从生物生长所必须的水分条件体现对生态环境的影响。土壤作为植被生长的基础条件, 为植被生长提供所必须的养分[13], 有机质含量以及碎屑含量从有利和不利于植被生长两方面考虑对整个系统的影响。土地覆盖是从自然环境角度表现地表自然覆盖状况; 土地利用则从人类活动角度反映人类有目的地开发利用土地资源对生态环境的影响[14], 两者体现人类社会与自然环境间的相互作用, 通过改变生态系统结构与功能对生态系统和人类产生相应的影响[15], 是整个系统核心部分。地质地貌提供最基本的下垫面组织结构和表现形态, 为整个生态系统的演化和相互作用提供了空间和骨架[16], 其中地表粗糙度反映了地表起伏变化与侵蚀程度的指标, 从地表形态角度考其对整个系统的影响, 指数值越大越不利于生态环境发展。

土地利用数据取值参考刘纪远提出的土地利用程度综合分析方法[17], 根据土地利用的程度从未利用地级, 林、草、水用地级, 农业用地级, 城镇聚落用地级由低至高分4级(表1), 分级指数越高受人类影响程度越大。地质类型数据由贵州省岩性数据划分喀斯特分类标准[18], 根据不同喀斯特类型环境状况差异[19]-[20], 将典型喀斯特区、亚喀斯特区、非喀斯特区由低至高分级赋值。

3.2.2 评价指标权重

因各项指标存在敏感性差异, 在选取评价指标同时, 需确定所构建指标体系权重。确定权重方法包括主观判断法、经验判断法及数学方法等。其中层次分析法具分层交错评价特点, 指标间关联性强、对结果影响清晰明确。选取层次分析法通过层次排序、矩阵判断及一致性检验等步骤, 得到各指标权重如表1所示:

3.2.3 多要素综合分析模型

为使指标间具可比性, 剔除不同数量级指标间阈值差异, 采取标准化及归一化处理[21-22]并采用土地生态环境状况指数(Land Eco-environment Index,LEI)模型进行相关计算:

式中:Wi为标准化后的指标量值,Ci为该量值对应指标的权重,i为子系统的指标数。

表1 土地生态环境状况评价指标体系及权重Tab.1 Evaluation index system and weight of land ecological environment

该模型充分考虑各指标间关系, 对已标准化的指标变量值在栅格单元基础上进行叠加计算, 对较大研究区分析计算具有简单高效特点并具直观性。最终获取的研究区土地生态环境质量综合指数值处于0—100之间, 值越大表明土地生态环境质量状况越好。

4 结果分析

4.1 全省演变特征

图2 贵州省土地生态环境质量综合指数图Fig.2 Comprehensive index of land eco-environment quality in Guizhou Province

贵州省土地生态环境质量综合指数分布如图2所示。4期指数均值分别为 51.08、52.65、51.93、53.36, 2010年一期指数出现下降。15年间贵州省植被盖度、土地利用指数由2000年60.32、57.72增至2015年 69.13、57.99, 分别增长 13.88%、0.46%。2010年指数下降, 与整体转好趋势不符, 分析得到 4期有效积温指数分别为53.18、46.63、38.80、59.85, 受2008年特大凝冻灾害等自然灾害影响较大, 2005—2010年间有效积温指数较往年偏低是其重要原因。贵州省土地生态环境质量整体呈自北向南先减后增趋势, 贵州省东南部、西南部地区因土地土壤有机质含量较高、水热条件较好, 生态环境质量综合指数整体较高。

4.2 不同行政单元演变特征

统计分析不同行政单元的土地生态环境质量如图3所示。根据各地州市变化异同性, 将不同地州市划分为增长型、稳定型、波动型三种类型。增长型: 六盘水市、安顺市综合指数呈持续增长态势,恢复状况良好。稳定型: 黔南州、遵义市以及铜仁市4期综合指数波动范围小于2, 处于平稳状态。波动型: 黔东南州、毕节市、黔西南州、贵阳市 4期指数波动范围处于2至5之间, 土地生态环境质量稳定性差。

4.3 不同地貌类型区演变特征

如图4所示, 2000—2015年间丘陵地貌类型综合指数由49.93增至53.04, 增长6.23%; 山地地貌类型由51.41增至53.47, 增长4.00%; 台地地貌类型由51.11增至54.43, 增长6.48%, 最后一期指数增长明显; 盆地地貌类型由50.55增至52.31增长3.48%, 4期综合指数先增后减波动明显。受生态恢复工程影响, 15年间山地及丘陵地貌类型综合指数波动较小、整体增长趋势明显, 而台地及盆地地貌类型受人类生产活动及开发利用影响大, 波动较为明显。

从空间分布来看, 丘陵及山地地貌类型演变特征相似, 4期指数较高; 盆地及台地地貌类型受人类活动影响大且因喀斯特发育分布较为破碎, 4期指数较低。

图3 贵州省各地州市变化统计Fig.3 Change statistics of prefectures and cities in Guizhou Province

图4 贵州省不同地貌类型区变化统计Fig.4 Change statistics of different geomorphic types in Guizhou Province

4.4 不同喀斯特类型区演变特征

如图5所示, 4期综合指数均表现为: 非喀斯特地区＞亚喀斯特地区＞典型喀斯特地区。非喀斯特地区综合指数处三者中最高, 喀斯特地区因岩溶发育, 生态环境脆弱, 综合指数值低, 与前人研究结果一致[19], 不同喀斯特类型区综合指数值差异明显,特征显著。从时间尺度分析, 非喀斯特地区 4期指数由53.51增至55.00, 提升2.78%; 亚喀斯特地区由51.26增至 54.18, 提升 5.70%; 典型喀斯特地区由48.75增至51.50, 提升5.63%, 喀斯特地区指数增长趋势拟合程度高, 增长趋势明显。从各指标变化来看, 非喀斯特地区、亚喀斯特地区、典型喀斯特地区 4期植被盖度指数分别增长 8.81%、19.30%、16.79%; 4期土地利用指数分别增长1.60%、0.27%、-0.43%。究其原因, 退耕还林及石漠化治理使生态环境得到恢复[24]喀斯特地区植被改善增幅远高于非喀斯特地区, 土地利用趋于合理化, 指数呈负增长。从不同喀斯特分区对比分析来看, 喀斯特地区环境改善, 综合指数增幅高于非喀斯特地区。

图5 贵州省不同喀斯特分区变化统计Fig.5 Change statistics of different karst districts in Guizhou Province

4.5 典型喀斯特治理区演变特征

为检验生态保护、退耕还林、石漠化治理成果,分别选取乌江流域生态保护上中下游典型小流域区及花江石漠化综合治理示范区进行典型性分析。花江综合治理示范区石漠化问题十分具有典型性, 近年来采取多种措施进行探究实验, 寻求治理方案[27]。

如图6所示, 花江综合治理示范区4期土地生态环境综合指数分别为46.26、47.95、52.49、51.50,15年间增长11.34%, 增幅高于全省典型喀斯特地区平均 5.63%。15年间植被盖度指数由 37.31增至57.28, 增长53.55%, 植被盖度指数增幅远高于全省平均水平13.88%; 土地利用指数由59.51降至59.01,下降 0.84%, 土地利用指数因退耕还林等措施呈现负增长。因地处喀斯特干热河谷加之常年重点治理,受2008年特大凝冻灾害等自然灾害影响较小, 第3期指数仍呈现增长, 第 4期指数因治理重点向生态效益、民生产业等多元化持续发展方式倾斜、土地利用指数呈负增长而略微下降。乌江流域典型小流域区中撒拉溪小流域区4期综合指数分别为48.55、52.75、49.69、54.15, 15年间增长11.53%; 龙坝小流域区4期综合指数分别51.26、54.43、52.6、55.72, 15年间增长 8.71%; 梨子水小流域区 4期综合指数分别 52.12、54.30、54.19、55.45, 15 年间增长 6.39%, 第3期指数与全省整体因自然灾害影响呈下降趋势相同, 均出现下降。上中下小流域区喀斯特程度依次递减, 生态环境脆弱性降低, 因而表现为指数波动程度依次递减。通过分析表明, 乌江流域及花江综合治理示范区治理之初存在不合理土地利用及石漠化等生态问题, 生态环境本底脆弱, 随着多年重点治理保护, 综合指数增幅均高于全省平均水平4.45%, 生态环境治理成效显著。

图6 典型生态综合治理示范区统计Fig.6 Statistics of typical ecological comprehensive treatment demonstration area

5 结论

从水热、地质地貌、土壤、土地利用/土地覆盖4个方面选取8个指标, 构建贵州省土地生态环境质量综合评价指标体系, 得到贵州省土地生态环境质量综合指数图, 并对贵州省土地生态环境质量时空演变特征进行分析。结果表明:

(1)15年间贵州省土地生态环境质量处于动态变化、整体转好态势。六盘水市、安顺市呈现持续增长, 毕节市、黔西南州、贵阳市各期指数波动明显。

(2)不同地貌类型指数特征差异明显, 未来对指数波动较大盆地及台地类型区应提高重视程度并加强管控力度, 实现区域生态环境、社会经济的可持续发展。

(3)喀斯特地区生态环境较非喀斯特地区脆弱, 敏感性强; 不同喀斯特类型区指数差异明显, 特征显著。近年来通过多项生态治理工程, 典型生态治理区改善增幅高于同类其他地区, 治理成效显著。未来应稳固治理成果、推广治理经验, 实现省域范围整体提升。

[1]姜仁良.土地资源利用与生态环境保护交互耦合关系及规律研究[J].生态经济, 2013(9): 77–81, 86.

[2]张宇, 游和远.基于 P-S-R 的土地资源生态环境安全评价——以湖北省为例[J].生态经济, 2015, 31(8): 125–128.

[3]颜梅春, 王元超.区域生态环境质量评价研究进展与展望[J].生态环境学报, 2012, 21(10): 1781–1788.

[4]刘智慧, 周忠发, 郭宾.贵州省重点生态功能区生态敏感性评价[J].生态科学, 2014, 33(6): 1135–1141.

[5]李军, 曹明明, 邱海军等.基于 GIS的西安市土地生态环境敏感性评价研究[J].西北大学学报, 2014, 44(1):121–126.

[6]许月卿, 崔丽.小城镇土地生态安全评价研究—以贵州省猫跳河流域为例[J].水土保持研究, 2007,14(5):346–348.

[7]李林潼, 舒英格.基于 P-S-R模型的贵州省土地资源生态安全评价[J].广东农业科学, 2015, 15(6): 116–121.

[8]丁润超.黑龙江城市土地利用与生态环境耦合关系评价研究[D].哈尔滨: 东北农业大学, 2013.

[9]王兰霞, 李巍, 王蕾.哈尔滨市土地利用与生态环境物元评价[J].地理研究, 2009, 28(04): 1002–1010.

[10]SWEETING M M.Reflections on the development of Karst geomorphology in Europe and a comparison with its development in China[J].Zeitschrift für Geomorphologie,1993, 37: 127–138.

[11]高江波, 吴绍洪, 蔡运龙.区域植被覆盖的多尺度空间变异性: 以贵州喀斯特高原为例[J].地理研究,2013,32(12): 2179–2188.

[12]胡锋, 安裕伦, 许璟.“亚喀斯特” 概念与景观特征的初步探讨——以贵州为例[J].地理研究, 2015, 34(8): 1569–1580.

[13]CHEN Liding, WEI Wei, FU Bojie, et al.Soil and water conservation on the Loess Plateau in China: review and perspective[J].Progress in Physical Geography, 2007, 31(4):389–403.

[14]陈佑启, 杨鹏.国际上土地利用/土地覆盖变化研究的新进展[J].经济地理, 2001, 21(1): 95–100.

[15]林栋, 马晖玲, 任正超等.基于 LUCC 的兰州城市生态系统服务价值动态分析[J].生态科学, 2016, 35(2):134–142.

[16]高志强, 刘纪远, 庄大方.中国土地资源生态环境质量状况分析[J].自然资源学报, 1998, 14(1): 93–96.

[17]刘纪远.中国资源环境遥感宏观调查与动态研究[M].北京: 中国科学技术出版社, 1996.

[18]许璟, 安裕伦, 胡锋等.基于植被覆盖与生产力视角的亚喀斯特区域生态环境特征研究—以黔中部分地区为例[J].地理研究, 2015, 34(4): 644–654.

[19]安裕伦, 吕涛, 熊康宁等.“3S”在贵州喀斯特石漠化现状研究中的应用探讨[C]//郭索彦.全国第一届水土保持监测学术研讨会论文集, 中国水利水电出版社, 2001:144–152.

[20]吕红梅, 安裕伦, 杨广斌, 等.喀斯特地区 CBERS02植被覆盖度的分形研究: 以贵州毕节地区为例[J].贵州师范大学学报(自然科学版), 2009, 27(2): 34–39.

[21]郑新奇, 王爱萍.基于RS与GIS的区域生态环境质量综合评价研究——以山东省为例[J].环境科学学报, 2000,20(4): 489–493.

[22]仲嘉亮, 谢勇, 朱海涌.塔里木河流域的生态环境质量综合评价研究[J].干旱环境监测, 2004, 18(4): 203–207.[23]李玉辉.喀斯特的内涵的发展及喀斯特生态环境保护.中国岩溶, 2000, 19(3): 260-267.

[24]苏维词, 朱文孝, 熊康宁.贵州喀斯特山区的石漠化及其生态经济治理模式[J].中国岩溶.2002, 21(1): 19–24.

[25]熊康宁, 盈斌, 罗娅, 等.喀斯特石漠化的演变趋势与综合治理—以贵州省为例[J].世界林业研究.2009.22:18–22

[26]邓坤丰, 刘肇军, 肖时珍, 等.石漠化防治区综合治理效益指标体系的构建及评价研究——以贵州关岭-贞丰花江示范区为例[J].中国农学通报.2012, 28(17): 187–194.

[27]魏小岛, 周忠发, 王媛媛.基于格网GIS 的喀斯特生态安全研究——以贵州花江石漠化综合治理示范区为例[J].山地学报, 2012, 30(6): 681–687.

spatial-temporal evolution characteristics of land ecological environment quality in Guizhou Province during 2000-2015

JIANG Haifeng1,2, AN Yulun1,2, ZHOU Xu1,*, XU Youxia1, YU Xiaofang1
1.School of Geographic and Environmental Science,Guizhou Normal University,Guiyang550001,China2.Guizhou Mountain Resources and Environmental Remote Sensing Application Laboratory,Guiyang550001,China

Temporal and spatial evolution analysis of land ecological environment quality aims to test the achievements of ecological environment control for many years, to optimize land space structure, to reveal the internal differences in Karst, and to provide decision-making basis for different types of regional ecological environment governance, hence it is of great significance to the construction of ecological civilization.Considering the 4 aspects from the hydrothermal condition, geology and physiognomy, soil, land use/land cover,analysis of temporal and spatial evolution characteristics of land ecological environment quality in Guizhou Province in 2000-2015 was done.The results show are as follows.1) The comprehensive index of land eco-environment quality in Guizhou province was stable as a whole and was better.Four period of index was 51.08(2000)、52.65(2005)、51.93(2010)、53.36(2015).2) The quality of land ecological environment was relatively stable in Qiannan state, Zunyi city and Tongren city.The quality of land ecological environment was improved obviously in Liupanshui city, Anshun city.The composite index had poor stability in Bijie city and Qianxinan state.3)The comprehensive index of hilly land ecological environment quality increased greatly, and basin fluctuation was obvious.4)Composite index of different types of karst was in the order of non-karst region＞semi-karst region＞typical karst region; the improvement rate of karst region was higher than that of non-karst region.In the future, efforts should be made to strengthen the management of land ecological environment in areas with relatively scarce land and fragile ecological environment in karst.For the basins affected by human activities, we should further optimize the development and utilization methods, to realize the sustainable development of regional ecological environment and social economy.

land ecological environment; temporal and spatial evolution; karst; Guizhou

10.14108/j.cnki.1008-8873.2017.05.022

X822

A

1008-8873(2017)05-170-07

姜海峰, 安裕伦, 周旭, 等.2000—2015年间贵州省土地生态环境质量时空演变特征[J].生态科学, 2017, 36(5): 170-176.

JIANG Haifeng, AN Yulun, ZHOU Xu, et al.Spatial-temporal evolution characteristics of land ecological environment quality in Guizhou Province during 2000-2015[J].Ecological Science, 2017, 36(5): 170-176.

2016-12-26;

2017-03-13

国家自然科学基金项目(41161002); 贵州省科技支撑项目(黔科合支撑[2017]2855); 贵州省基础研究项目(黔科合基[2017]1195); 贵州省教育厅项目(2015JG07)

姜海峰(1992—), 男, 山东东营人, 硕士研究生, 主要从事地理信息系统与环境遥感研究, E-mail:jhf1210@163.com

*通信作者:周旭(1981—), 男, 副教授, 硕士生导师, 主要从事遥感水文与GIS应用研究, E-mail:zxzy8178@163.com