基于地理探测器的江西省万安县生态脆弱性时空演变及驱动力分析

张 莹, 张学玲, 蔡海生

(江西农业大学 江西省鄱阳湖流域农业生态工程技术中心/南昌市鄱阳湖生态重点实验室/农村土地资源利用与保护研究中心, 江西 南昌 330045)

随着人口数量的急剧增加和社会经济的快速发展，人类活动的加剧对生态环境造成巨大的压力，生态脆弱性问题尤为突出。生态脆弱性已成为全球环境变化和可持续发展研究的核心问题之一[1-3]。开展生态脆弱性研究不仅对环境保护十分重要，而且对合理利用土地资源及可持续发展具有重要的指导意义。在社会经济发展和农业开发利用过程中，县级的自然生态系统受到严重的人为干扰，为保证生态系统的连续性，迫切需要开展县级生态脆弱性研究。通过对生态脆弱区实施生态修复和优化农业资源利用等手段，实现县域可持续发展。脆弱性概念起源于对自然灾害的研究，Timmerman(1981年)首次在地学领域提出了脆弱性概念，1988年第7届SCOPE(环境问题科学委员会)大会中进一步明确提出了“生态脆弱带”的概念，之后全球范围内相关生态脆弱性的研究便逐渐铺展开来。中国对生态脆弱环境的研究源于20世纪80年代。有关生态脆弱性的概念国外学者Bogard，Dow等[4-6]以及国内学者赵越龙、赵平、周劲松等[7-10]分别从不同角度进行阐述。总体而言，生态脆弱性是由于生态系统内部结构的不稳定性，受到人类干扰所表现出的敏感性，以及生态环境受到外界损害时所表现出的恢复能力，是自然属性和人类行为共同作用的结果。目前，在区域生态脆弱性评价方面，国内外学者开展了大量的研究。评价方法多样，主要采用SRP模型、AHP法、人工神经网络法、综合评价法、模糊综合评判法等。近年来，一些学者[8,11-16]开始从景观生态学的角度深度挖掘景观格局变化和生态环境脆弱性之间的内在关联性，以此来建立更加全面、科学的生态脆弱性评价指标体系，为区域生态环境脆弱性提供新思路与新方法。景观格局指景观组成单元的类型、数目以及空间分布和配置，反映了自然、人为、生物与非生物多种因素的综合作用，涉及多种生态过程，在一定程度上决定了生态系统的结构和功能[16]。此外，从宏观景观格局分析县级生态脆弱性的研究仍很少见，指标赋权重的方法更多采用主观分析法，如：特尔菲法、层次分析法等，人为因素影响较大。因此，为了全面反映区域生态脆弱性的时空演变规律，本文应用景观生态学原理，构建生态压力度、生态敏感度和生态恢复力指标体系，运用景观指数评价法、熵权法、灰色关联法、空间自相关性分析等方法，采用RS/GIS技术，对万安县生态脆弱性近30 a的脆弱性进行定量研究，旨在为县级土地脆弱性定量评价提供借鉴方法，以此促进县级社会—经济—生态可持续发展。

1 研究区概况

万安县位于罗霄山脉东麓，江西省中南部，吉安市南缘，居赣江上游东西两岸，地跨东经114°30′—115°5′，北纬26°8′—26°43′。县境东西宽约47 km，南北长约65.5 km，总面积2 038 km2。赣江由南至北纵贯该县，可上溯赣州市，下抵南昌市入鄱阳湖。万安县具有典型的江南丘陵地貌特征，由于南岭山系罗霄山脉的中段脉系和武夷山脉的余脉逶迤入境，形成了赣江两岸复杂多样的小地貌结构。近年来，万安县人口快速增加、经济急速发展，导致生态环境问题加剧，生态脆弱性问题明显显现。

2 指标体系与研究方法

2.1 数据来源及预处理

本研究选取1987年12月8日Landsat 5，1995年10月27日Landsat 5影像和2015年10月18日Landsat 8 TM 影像(空间分辨率30 m)作为数据源，30 m分辨率的DEM以及各年万安县社会发展统计年鉴。景观类型的分类标准以2007年8月颁布的《土地利用现状分类》[17]为基础，根据研究需要和万安县实际情况，将研究区土地利用类型分为：耕地、林地、草地、建设用地、水域和未利用地6个类型。采用ENVI 5.3遥感处理软件对各年遥感影像进行大气校正、几何校正、增强、裁剪等过程，采用监督分类和目视纠正的方法，解译精度在85%以上。本文以3 km×3 km网格单元为研究尺度，共有243个网格。每个网格中景观水平指数的计算通过ArcGIS中Patch Analysis插件获取[18]。

2.2 评价指标体系的构建

依循“压力—状态—响应”评估框架，基于景观格局指数和生态系统稳定性的内涵，从生态系统压力度、敏感性、恢复力三方面出发构建万安县生态脆弱性指标体系。

经过筛选，最终选取面积加权平均分维数、扰动指数2个指标来衡量生态压力度。面积加权平均分维数反映了人类活动对斑块形状的影响，受人类活动干扰小的自然景观的分数维值高，而受人类活动影响大的人为景观的分数维值低[16]。扰动指数用来衡量人类活动对生态系统的影响[15]，研究发现影响程度与距离之间呈现一定的递减关系[19]。因此以提取出的建设用地为基础，设<200 m，20～500 m，500～800 m，>800 m这4个缓冲区，分别赋值0.8，0.6，0.4，0.3。

生态敏感因子包含景观破碎度指数、地形因子指数、景观类型指数、植被覆盖度指数。景观破碎度指景观被分割的破碎化程度，反映了景观空间结构的复杂性，是区域生态脆弱性评价中最常用的指标。地形地貌因子是影响生态系统脆弱性的重要因子，当环境受到人类破坏后，地形坡度越大，景观越敏感，造成的侵蚀退化程度越大。参照水利部颁布的《土壤侵蚀分类分级标准(SL190-1996)，根据万安县地形特征，设5个坡度级，分别为：<5°，5°～10°，10°～15°，15°～25°，>25°。分别赋值0.1，0.2，0.3，0.5，0.8。地形指数越大，生态敏感性越高。结合万安县未利用地和草地容易被改变、其次林地易改变、水体和建设用地不易改变的特点。根据各个景观类型的易损度划分为6个等级权重值，分别为：未利用地=0.6，草地=0.5，林地=0.3，耕地=0.2，水体和建设用地=0.1。植被覆盖度指数是地表因子的组成部分[20]。植被是陆地生态系统的主体部分，是衡量气候和人文因素对环境影响的重要指标[21]。采用象元二分模型进行计算植被覆盖度，具体步骤不做赘述，参考文献[22]。

生态恢复力因子包含景观适应度指数和景观优势度指数。脆弱性与系统的适应性有密切关系[23]。系统的结构和功能与生态恢复力联系密切，景观系统的多样性越多，结构越复杂且分布均匀，系统越稳定。因此，选取斑块丰度密度指数(PRD)、香农多样性指数(SHDI)和香农均匀性指数(SHEI)构建景观适应度指数(LAI)[24]。最大斑块指数(LPI)表示优势度，LPI指数越大，抗外界干扰能力越强，生态脆弱性指数越小。

2.3 指标的标准化

为了消除量纲的影响，将各个指标进行标准化处理。对于正向指标(数值越大越脆弱)，需采用[25]：

(1)

对于负向指标(数值越小越脆弱)，需采用：

(2)

式中：Yij——标准化的指标值；Xij——原指标值； min(Xij)——原指标最小值； max(Xij)——原指标最大值。

2.4 综合评价的方法

2.4.1 熵权法 为了克服主观因素对权值的影响，本研究选取熵权法对各指标赋权值。熵权法是一种基于各个因素考虑计算综合指标的方法，极大程度上有效、客观反映了各个指标的重要程度[26]。计算公式参考文献[27]。表1为万安县生态脆弱性评价指标权重结果。

表1 万安县生态脆弱性评价指标权重

2.4.2 灰色关联分析法 本研究参考邓聚龙提出的灰色关联的计算模型和公式。运用灰色关联度计算万安县各个网格单元土地生态脆弱度指数。计算公式参考文献[28]。最终得到土地生态脆弱度指数，计算公式为：

(3)

式中：EVI——生态脆弱度指数；Wi——第i项指标的权重；ε——关联系数。

2.4.3 空间自相关分析方法 本文采用Moran’sI来衡量全局空间自相关和LISAi衡量局部空间自相关。具体公式参考文献[24]。

空间自相关分析是分析空间数据相关性和显著性的方法[27-28]。将其与生态脆弱性评价相结合，可以更好的揭示和阐述区域脆弱性的空间集聚特征和内在变化规律。利用GeoDa设置空间权重时采用“车式”邻接法，并以此进行空间自相关方面的分析和计算。

3 结果与分析

3.1 生态脆弱性空间格局总体特征

从1987，1995，2015年万安县生态脆弱度指数计算结果(表2—3)表明，1987—2015年万安县68.72%的样本区生态脆弱度指数增大。1987—1995年生态良好区面积轻微减少，1995—2015年生态良好区面积急速减少，减少比例27.58%；1987—1995年轻度脆弱区面积略微增加，而在1995—2015年轻度脆弱区面积快速减少，减少比例11.52%。中度脆弱区、重度脆弱区和极度脆弱区面积在1995—2015年都有所增加，增加比例分别是10.29%，11.93%，19.75%。从柱状图中可以看出，1987—1995年各个级别脆弱区的面积存在轻微变化，而在1995—2015年各个级别脆弱区的面积均存在明显的增加或是减少。

表2 万安县生态脆弱性分级面积和比例

表3 万安县1987-2015年各个级别区面积转移变化矩阵

从趋势分布图(图1—3)反映出，万安县生态脆弱度在自西向东、由南到北2个方向上均呈现先上升后下降的趋势。其中，1987，1995年的趋势线有略微变化，而2015年的趋势线变化较明显。

图1 万安县1987-2015年土地生态脆弱性分布示意图

图2 万安县1987-2015年生态脆弱性分布情况

由此可以得出，万安县生态脆弱度高值区域集中在中北部地区而低值区集中于南部和西北部。具体而言以“罗塘—芙蓉—百嘉”地区为生态脆弱度高值区，而“沙坪—武术—宝山”以南以及“潞田—高陂”以北为土地脆弱度低值区域，这一现象和万安县生态环境、经济格局、植被覆盖分布相一致。1987年万安县生态脆弱度呈现出较均匀分布趋势。主要是万安县县政府所在地周边区域存在高值区域，其余区域基本是低值区。相比于1987，1995年的生态脆弱度存在略微增加，但是增加幅度总体不大，分布基本遵循1987年分布特点。而与1987和1995年趋势图相比，2015年的生态脆弱度分布特征明显不同。由1987年主要以万安县县政府为主的高值区不断向外围拓展，形成以“芙蓉—罗塘—窑头—韶口”为主的高值区。

图4为万安县各个乡镇平均生态脆弱度，从图4可以看出，1987—2015年各个乡镇生态脆弱度均有不同程度增加。

高值区主要集中在以“芙蓉—罗塘”为中心的周边区域。而低值区主要分布在高陂、顺峰、沙坪等乡镇。

图3 万安县生态脆弱性趋势分布

图4 万安县1987-2015年各乡镇生态脆弱性分布情况

3.2 空间集聚特征

全局空间自相关表明全县生态脆弱度在空间上的相似性。1987，1995和2015年3个时期的Moran指数均为正数，分别是0.220 5，0.226 6和0.406 5，表明万安县生态脆弱度存在较高的空间自相关特征。从各个年份数值可以看出3个时期依次升高，由此可见全县生态脆弱度的全局空间自相关上升，空间分布集聚度增强。

局部空间自相关反映全县各个网格单元之间的空间关联度，图5为万安县生态脆弱度LISA集聚图，反映3个时期生态脆弱度的空间集聚特征。

由图5可知： ①高—高：具有显著的高值集聚区主要集中位于万安县县政府所在地的周边区域，1987和1995年的高值集聚区总体相差不大，而2015年的高值集聚区以县政府所在地向西逐渐扩展。②低—低：万安县生态脆弱度具有显著性的低值区主要分布于高陂镇，1995年的低值集聚区相比于1987年有减少趋势，而2015年位于高陂镇的低值集聚区向外围扩展，且扩展较为明显。③低—高：1987和1995年主要分布于高值集聚区的北部区域，而2015年的低—高区相比于1987和1995年明显减少，但是仍然主要分布于高值区附近，由此说明这些集聚区分布特点主要是高值区附近，这些区域主要是过渡带，具有较明显的低高区特点。

图5 万安县生态脆弱性局部空间自相关情况

4 驱动力分析

区域生态脆弱性强弱与社会经济发展有密切关系。因此选取1987—2015年各乡镇人口自然增长率、非农业人口比重、乡村从业人口比重、乡镇人均纯收入、地均粮食产出、单位耕地面积化肥施用量七个影响因子，并计算3期平均值。运用ArcGIS软件计算1987—2015年各个乡镇生态脆弱度指数平均值，并将社会经济因子导入ArcGIS软件进行空间分析处理。通过地理探测器法进行因子探测得到各个影响因子对生态脆弱性强弱的解释力大小，其中具有显著性影响的因子分别是：乡镇人均纯收入、地均粮食产出、人口自然增长率和非农业人口比重，q值大小分别是0.903 2，0.667 6，0.667 6，0.662 6，0.6131。万安县属于典型丘陵地区，地区受海拔影响较为明显。人口、交通、工业、服务业密集区主要分布在中北部平原地区。这些地区人口密度大、土地投入产出强度大，经济快速发展导致生态环境不断恶化。其中在社会经济发展因子中，乡镇人均纯收入对区域生态脆弱性的影响力最大。由此表明万安县的经济发展是以牺牲生态环境为代价的，属于经济与生态不协调发展，是不可持续的发展方式。

对6个影响因子进行交互探测后得出15对因子对。结果表明任何两种因子的交互作用都比单因子交互作用强。非线性增强因子对具有最强的协同作用。根据表4，最强的非线性协同因子对是单位耕地面积化肥施用量与非农业人口比重。由此表明单位耕地面积化肥施用量对区域生态脆弱性的增强直接作用小，但与非农业人口比重因素交互所产生的间接作用力很大。由此表明城镇化发展进程中，需要合理规划引导城镇发展，避免城镇“摊大饼式”盲目外延，以及注重发展生态、绿色、循环农业，避免为快速获得经济效益而牺牲生态环境。

表4 生态脆弱性影响因子相互作用

注：①X1，X2，X3，X4，X5，X6分别表示单位耕地面积化肥施用量、人口自然增长率、乡镇人均纯收入、地均粮食产出、乡村从业人口比重、非农业人口比重；②“*”表示因子x和y之间为非线性双协同作用；未标注此符号表示因子x和y之间为双协同作用。

5 结 论

万安县近年来建设用地增加、经济快速发展以及人类干扰的加强，引起耕地、林地退化，生态系统内部平衡受到破坏，生态环境进一步恶化。当前要促进万安县人地协调发展、经济与环境保护可持续发展。需要针对万安县资源、气候、地形、土壤等条件，并结合万安县生态脆弱区特点，合理规划用地，科学系统划分生态功能区，主要分为水土保持区、生态修复区和生态防护区。

水土保持区主要位于地势比较高，人口分布稀少，气候条件相对较差，对外界干扰较为敏感，生态环境易于退化，由于坡度较大，山体易发生水土流失，在合理开发利用时要特别注意保护水土状况，及时退耕还林以及加大植树造林力度，并借助工程修复提高水土保持能力，改善生态状况。生态修复区主要是针对高度脆弱和极度脆弱区域，主要分布在万安县北部，这些区域由于受外界干扰，生态环境已遭到破坏，尤其是近几年万安县经济快速发展以及城镇快速扩张，因此需要对这些区域重点修复，主要采用人为监控和人工改良措施。在工业方面，降低工业污染，关闭或是改造升级污染性极大的企业；在农业方面，大力发展循环经济，减少使用化肥量，用绿肥代替化肥，改善生态环境。合理规划利用土地资源，特别是注重生态过渡带(城镇向农村过渡的地带)的合理规划和保护，以此提升城镇生存环境的同时又进一步保护郊区的环境。生态防护区主要针对生态良好区、轻度脆弱区和中度脆弱区，主要分布在万安县南部区域。这部分区域的人口密度小、交通网较稀疏以及植被覆盖较好。因此要特别注重提高区域生态系统稳定性，达到保护区域生态环境的目的。

目前，结合景观格局指数及影响生态脆弱性的重要因子进行县级生态脆弱性研究分析还处于初步阶段。本文依循“压力—状态—响应”评估框架构建万安县生态脆弱性评价指标体系，全面考虑了生态脆弱性的内涵，并结合熵权灰色关联法的优点，构建生态脆弱性评价模型，为今后探讨县级生态脆弱性提供一套新的研究方法和思路。然而，由于构建指标体系需要考虑数据的可获得性和可测性，导致所构建的指标体系并不全面概括生态脆弱性内涵，今后应进一步改善。此外，本文针对脆弱性阈值划分主要采用自然分裂法，对于阈值划分的科学性有待进一步研究。并且，本文主要是从景观水平的景观格局进行研究，未考虑各个地类的脆弱性，在今后的研究中可进一步探讨各个地类的生态脆弱差异性。