静乐县生态脆弱性时空演变与分区研究

刘 慧,师学义

〔中国地质大学(北京)土地科学技术学院,北京 100083〕

生态脆弱性是生态系统在特定时间和空间尺度上,相对于外界扰动而具有的敏感反应和恢复状态,是生态系统固有属性在干扰作用下的表现[1]。我国是世界上生态脆弱区分布面积最大、脆弱生态类型最多、生态脆弱性表现最为明显的国家之一[2],生态脆弱性研究一直处于重要地位。国内最早于20世纪80年代开展生态脆弱性研究[3],最初研究集中针对生态脆弱带、生态过渡带(ecotone)或脆弱生态。目前,有关生态脆弱性的研究也从单一生态要素逐渐发展到关注区域人地系统的整体性[4]。以西南喀斯特地区、北方农牧交错带、南方丘陵区、青藏高原区和西北干旱区为研究区域的实证研究最多[5],研究尺度以行政级别划分的省、市、县尺度,流域和地区尺度最为常见。研究内容则覆盖理论探究和发展研究、格局和过程的空间分异特征研究、生态脆弱区社会经济可持续发展研究、生态修复和重建研究以及生态脆弱性评价和预测等多个方面[6]。其中,作为生态脆弱性研究的核心内容,生态脆弱性评价是识别脆弱区生态状况的重要手段之一,受到众多学者的关注[7]。评价类型包括静态评价和动态评价[8],评价模型主要包括“成因-结果”[9]、“压力-状态-响应”[10]、“暴露-敏感-适应”[11]、“敏感-弹性-压力”[12]、“生态敏感力-生态恢复力-生态压力度”[13]和“多系统综合评价”[14]等。研究方法有综合指数法、物元可拓法、模糊综合决策分析法和AHP结合、基于格网GIS、空间主成分分析法以及3S技术方法等,分析方法由数理模型分析向3S空间分析转变,将生态脆弱性研究不断向纵深推进[15]。

静乐县位于汾河上游,是黄土高原土壤保持重要区和山西最重要水源涵养区,生态战略地位十分突出。同时,该县也是典型生态脆弱区和深度贫困区,生态脆弱与贫困问题交加,亟需开展生态治理和修复。因此,开展静乐县生态脆弱性评价研究对改善区域生态环境、提升生态功能,实现人与自然和谐发展具有重要科学和现实意义。但目前,鲜有学者针对该区域开展生态脆弱性研究。基于此,采用空间主成分分析方法对2007—2017年静乐县生态脆弱性进行动态定量评价,揭示区域生态脆弱性演变特征,根据生态脆弱性时空转移变化进行分区探索,分析其致变因素并提出相应对策和建议,以期为静乐县及同类型地区开展生态脆弱性研究提供新思路和新方法。同时,静乐县作为山西省汾河中上游山水林田湖草生态保护修复工程试点区域之一[16-17],对其开展生态脆弱性评价可完善区域基础研究,为静乐县统筹山水林田湖草综合治理,因地制宜开展生态修复与治理工作提供数据支撑和科学依据。

1 研究区概况

静乐县属于忻州市,位于晋西北黄土高原,汾河上游,距太原市约81 km,地理坐标为北纬38°08′～38°40′、东经110°43′～112°20′(图1)。

图1 研究区地理位置

静乐县东临忻府区,西交岚县,南与娄烦接壤,北与宁武毗邻,静乐县总面积为2 036.57 km2。该地海拔为1 092～2 422 m,相对高度为1 330 m,为典型山地丘陵地貌区,具体可分为土石山区、黄土丘陵区和河川区3种类型。研究区属北温带大陆性气候区,年平均气温为3.5～6.8 ℃,全年无霜期为90～145 d,全年≥10 ℃积温为2 698.6 ℃,历年平均降水量为420～704 mm,历年平均蒸发量为2 860.2 mm。全年降水冬春少,夏秋多,7—9月降水量达全年降水量的56%,春季降水量只占全年降水量的11.7%。静乐县辖4镇10乡,2017年年末常住人口为16.16万,全年生产总值为29.04亿元。

2 研究方法

2.1 生态脆弱性指标构建

2.1.1评价指标体系的建立

以30 m栅格为最小评价单元,从生态脆弱性成因角度出发,选择人文、土地利用和植被为生态脆弱性评价人为因素(人为干扰脆弱);选择气候、土壤和地形地貌为生态脆弱性评价自然因素(自然潜在脆弱)。同时考虑数据可获得性及可操作性,构建研究区生态脆弱性评价指标体系(表1)。

2.1.2指标归一化

由于评价指标数据类型及量纲不同,无法直接进行评价,因此需在评价前对指标数据进行归一化处理,以消除量纲影响。对于定量指标和定性指标分别采用极差法和分等级赋值法,使其标准化值在0～1之间。定量评价指标与生态脆弱性的关系有正向和负向之分。正向关系指标数值越大,生态脆弱性越高;负向关系指标数值越小,生态脆弱性越高。为便于进一步研究,将负向指标正向化,使指标作用方向一致,正向指标和负向指标分别采用不同标准化计算公式。

表1 生态脆弱性评价指标体系

Table 1 Index system assessment of ecological vulnerability

目标层因素层准则层指标层指标说明和计算方法数据来源 生态脆弱性综合评价(A)人为因素(人为干扰脆弱)(B1)人文(C1)人口密度(D1)正向指标。人口数量/土地面积2008—2018年忻州市统计年鉴、2013—2017年静乐县统计年鉴 人均GDP(D2)负向指标。GDP/人口数量人均粮食产量(D3)负向指标。粮食产量/人口数量农村居民最低生活保障人数占比(D4)正向指标。农村最低生活保障人数/人口数量土地利用(C2)人均耕地面积(D5)负向指标。耕地面积/人口数量2008—2018年忻州市统计年鉴、2013—2017年静乐县统计年鉴 土地垦殖率(D6)正向指标。耕地面积/土地面积植被(C3)植被覆盖度(D7)负向指标。利用EVNI 5.3软件处理2007和2017年研究区遥感影像得到地理空间数据云(http:∥www.gscloud.cn/)自然因素(自然潜在脆弱)(B2)气候(C4)年平均气温(D8)正向指标。1980年以来逐年年平均气温空间插值数据集中国科学院资源环境科学数据中心资源环境数据云平台(http:∥www.resdc.cn/)年均降水量(D9)负向指标。1980年以来逐年年降水量空间插值数据集土壤(C5)土壤类型(D10)按类型分级赋值。中国土壤类型空间分布数据土壤侵蚀程度(D11)按类型分级赋值。中国土壤侵蚀空间分布数据地形地貌(C6)坡度(D12)正向指标。30 m分辨率数字高程模型(DEM)计算获取地理空间数据云(http:∥www.gscloud.cn/) 地形起伏度(D13)正向指标。单位面积内最大高程值和最小高程值差值采用ArcGIS 10.0软件提取得到高程(D14)正向指标。30 m分辨率数字高程数据

(1)定量指标处理

对人口密度、农村居民最低生活保障人数占比、土地垦殖率、年平均气温、坡度、地形起伏度和高程等正向指标,其标准化计算公式为

(1)

对人均GDP、人均粮食产量、人均耕地面积、植被覆盖度和年均降水量等负向指标,其标准化计算

公式为

(2)

式(1)～(2)中,Zij为栅格j上评价指标i的标准化值;Xij为栅格j上评价指标i的值;Xij,min和Xij,max分别为评价指标i的最小值和最大值。

(2)定性指标处理

参考静乐县土壤图及耕地地力等级图,结合SL 190—2007《土壤侵蚀分类分级标准》和HJ 192—2015《生态环境状况评价技术规范》,参照文献[18]并咨询有关专家,得到研究区土壤类型和土壤侵蚀程度等级赋值标准(表2)。

表2 指标分等级赋值标准

Table 2 Criteria for grading and assignment of indices

标准化赋值土壤类型土壤侵蚀程度 0.2红黏土、新积土、粗骨土微度 0.4黄绵土轻度 0.6淋溶褐土、褐土性土中度 0.8棕壤性土强度 1潮土极强度、剧烈

2007和2017年静乐县生态脆弱性评价的14个指标归一化结果见图2。由图2可知,2007—2017年静乐县各指标空间分布情况如下:(1)人口密度和人均GDP主要集中在以鹅城镇为中心的区域内,表现为中心城区呈聚集分布特征。鹅城镇为县城所在地,是静乐县政治经济文化中心,相应的人类活动较其他区域更为频繁。(2)人均粮食产量、农村居民最低生活保障人数占比和人均耕地面积呈增加趋势。人均粮食产量和农村居民最低生活保障人数占比指标变化呈“西南-东北”方向性渐变趋势。(3)植被覆盖度、年平均气温、年降水量和土壤侵蚀程度呈明显地带性分布特征。研究区中部为河谷地带,海拔较低,土壤侵蚀较为严重;两侧主要为黄土丘陵区和土石山区,植被覆盖情况较好。

2.2 分析方法

2.2.1生态脆弱性综合评价

采用空间主成分分析(spatial principal component analysis,SPCA)方法进行生态脆弱性综合评价,可以消除统计数据之间的重叠信息,具有一定科学性。借助ENVI 5.3软件进行主成分分析处理,选取特征值累计贡献率≥85%的主成分代表原始数据信息。将各个指标层用ENVI 5.3软件进行归一化处理之后,采用layer stacking工具进行波段合并,再进行SPCA操作,结果见表3。

根据各评价指标主成分计算结果,获得2007和2017年静乐县栅格图像每个像元的生态脆弱性评价指数(eco-environmental vulnerability index, EVI,IEV),其计算公式为

(3)

(4)

IEV=r1F1+r2F2+…+rnFn。

(5)

式(3)～(5)中,Wij为主成分i中因子j的权重;aij为特征向量矩阵中主成分i中因子j的系数;λi为主成分i相对应的特征值;Fi为主成分i得分;Zj为因子j的标准化数值;m为因子个数;ri为主成分i的贡献率;n为主成分个数。

2.2.2生态脆弱性等级

综合考虑研究区特点及参考前人研究成果[19]和HJ 192—2015,将静乐县生态脆弱性划分为5个等级(表4),EVI值越大,区域生态脆弱性越严重。

2.2.3生态脆弱性时空演变格局

利用ArcGIS 10.0软件中Raster Calculator工具将2007和2017年生态脆弱性分级图进行空间叠加,提取生态脆弱性变化动态图斑[20],使用“2007年生态脆弱性等级-2017年生态脆弱性等级”表示每个栅格上2007与2017年生态脆弱性等级变化。

2.3 数据来源与处理

数据包括遥感影像数据、数字高程模型(DEM)、温度降水和土壤等专题和统计数据。遥感影像数据为地理空间数据云(http:∥www.gscloud.cn/)提供的2007年6月2日的Landsat 4-5 TM影像和2017年8月16日的Landsat 8 OLI-TIRS影像,空间分辨率均为30 m;DEM数据空间分辨率为30 m,用于提取研究区坡度和地形起伏度等信息;温度、降水和土壤专题数据均来自中国科学院资源环境科学数据中心资源环境数据云平台(http:∥www.resdc.cn/),空间分辨率均为1 km;统计数据来自2008—2018年忻州市统计年鉴和2013—2017年静乐县统计年鉴。

处理数据时,利用ENVI 5.3软件对遥感影像进行辐射定标、大气校正等预处理,并结合ArcGIS 10.0软件获取研究区植被覆盖度指标层数据;对经济社会统计数据采用ArcGIS 10.0软件中要素转点和反距离插值(IDW)工具得到分辨率为30 m的栅格数据。借助ArcGIS 10.0软件将所有指标层地理坐标系转换为GCS-WGS-1984,投影坐标系为横轴墨卡托(universal transverse Mercator,UTM)投影,并重采样为30 m空间分辨率。

图2 2007和2017年静乐县14个生态脆弱性评价指标归一化数据

表3 静乐县2007和2017年空间主成分分析结果

Table 3 Results of spatial principal component analysis in Jingle County in 2007 and 2017

主成分2007年2017年特征值贡献率/%累计贡献率/%特征值贡献率/%累计贡献率/% PC10.8677.3477.341.1281.5381.53 PC20.076.6383.970.085.8187.33 PC30.054.2688.230.053.5290.86 PC40.043.4791.700.042.9693.81 PC50.032.3394.020.031.9495.75 PC60.021.8695.880.021.0996.84 PC70.011.1697.040.010.8697.70 PC80.010.9698.010.010.7998.49 PC90.010.8698.870.000.6399.12 PC100.010.5999.460.000.5099.62 PC110.000.2799.730.000.1999.80 PC120.000.1699.890.000.1499.94 PC130.000.0899.970.000.06100.00 PC140.000.02100.000.000.00100.00

表4 生态脆弱性分级标准

Table 4 Classification criteria for ecological vulnerability

综合等级等级生态脆弱性评价指数EVI特征 微度脆弱Ⅰ<0.20生态系统稳定,抗干扰能力强,生态脆弱性低 轻度脆弱Ⅱ0.20～0.40生态系统较稳定,抗干扰能力较强,微度水土流失,生态脆弱性较低 中度脆弱Ⅲ>0.40～0.60生态系统较不稳定,抗干扰能力较差,轻度水土流失与土壤退化,生态脆弱性较高 重度脆弱Ⅳ>0.60～0.80生态系统不稳定,抗干扰能力差,中度水土流失与土壤退化,生态脆弱性高 极度脆弱Ⅴ>0.80生态系统极不稳定,抗干扰能力极差,严重水土流失与土壤退化,生态脆弱性极高

3 结果与分析

3.1 生态脆弱性特征分析

利用SPCA方法提取累计贡献率≥85%的主成分，将14个指标进行降维简化,分别得到2007和2017年研究区生态脆弱性评价的主成分。2007年,第1主成分中,高程、地形起伏度、土壤侵蚀程度、人均耕地面积和人均粮食产量贡献较大;第2主成分中,人均GDP、年均降水量、人均耕地面积、人口密度和土壤侵蚀程度贡献较大;第3主成分中,土壤侵蚀程度、地形起伏度、人均耕地面积、人均粮食产量和农村居民最低生活保障人数占比贡献较大。2017年,第1主成分中,地形起伏度、土壤侵蚀程度、人均粮食产量、人均耕地面积和年均降水量贡献较大;第2主成分中,地形起伏度、人均GDP、人口密度、年均降水量和人均耕地面积贡献较大。可见,研究区生态脆弱性的形成和发展是自然因素和人为因素共同作用的结果,其中,地形起伏度、土壤侵蚀程度、人均耕地面积、年均降水量和人均GDP是影响研究区生态脆弱性的主要因素。

3.2 生态脆弱性时空演变

通过生态脆弱性评价模型计算得到2007和2017年研究区生态脆弱性指数的空间分布情况,在此基础上依据脆弱等级划分标准制作生态脆弱性等级空间分布图(图3),以此分析研究区生态脆弱性时空演变。整体上来看,研究区生态脆弱性等级由微度脆弱、轻度脆弱、中度脆弱和中度脆弱4类组成,不存在极度脆弱。2007年以轻度脆弱和中度脆弱为主,2017年以中度脆弱和重度脆弱为主。研究区生态脆弱性在空间上呈现“中部高-两边低”的格局,这主要是由于中部地区为汾河川河谷,海拔较低,水土流失问题严重。2007—2017年研究区中度脆弱和重度脆弱面积分别较2007年增加187.58和283.66 km2;轻度脆弱面积减少471.32 km2,微度脆弱面积变化不大,相对增加0.08 km2(表5)。总体而言,研究区生态脆弱性等级逐渐升高,呈渐变型推进趋势,生态状况不容乐观。

为进一步探索研究区生态脆弱性等级随时间推移的空间变化情况,统计2007—2017年不同脆弱等级面积转移情况(表6)，并对2007和2017年生态脆弱性等级图进行交叉分析(图4)。

由表6可知,研究期内,静乐县各类生态脆弱性等级相互转移的总面积为662.84 km2。其中,以轻度脆弱和中度脆弱转移为主,分别转移473.19和189.32 km2;轻度脆弱主要转移为中度脆弱,转移面积为472.90 km2;中度脆弱主要转为重度脆弱,转移面积为187.65 km2。2017年增加的微度脆弱面积主要由轻度脆弱转化而来,其转化面积占比为90.32%;轻度脆弱主要由中度脆弱转化而来,其转化面积占比为87.70%;中度脆弱主要由轻度脆弱转化而来,其转化面积占比为99.98%;重度脆弱主要由中度脆弱转化而来,其转化面积占比为99.99%。在空间上,汾河川及其两岸地区生态脆弱性向高脆弱性转化,研究期间基本呈现“轻度向中度演变、中度向重度演变”的趋势。研究区生态脆弱性等级普遍增加,生态形势严峻,生态治理迫在眉睫。

图3 静乐县生态脆弱性等级空间分布

表5 静乐县生态脆弱性数据

Table 5 Data of ecological vulnerability in Jingle County

脆弱性等级2007年2017年栅格数面积/km2占比/%栅格数面积/km2占比/%面积变化/km2 微度脆弱 897 0.81 0.04 994 0.89 0.04 0.08 轻度脆弱544 727490.2524.0921 01918.930.93-471.32 中度脆弱1 715 3061 543.7875.852 030 4871 827.4489.78283.66 重度脆弱6290.570.03209 059188.159.24187.58

表6 静乐县不同生态脆弱性等级面积转移矩阵

Table 6 Conversion matrix of ecological vulnerability areas of different levels in Jingle Countykm2

年份脆弱性等级2017年微度脆弱轻度脆弱中度脆弱重度脆弱2007年总计2007年转移量 2007年微度脆弱0.320.23 0.080 0.63 0.31 轻度脆弱0.2816.80472.900.01489.99473.19 中度脆弱0.031.641 354.91187.651 544.23189.32 重度脆弱000.020.540.560.02 2017年总计0.6318.671 827.91188.202 035.412017年增加量0.311.87473.00187.66662.84

3.3 生态修复分区

生态修复分区是科学开展生态修复与治理的前提[21]。对研究区生态脆弱性时空演变做进一步分析,将生态脆弱性等级变化类型划分为生态修复区、生态持平区和生态退化区3种(图5)。

图4 静乐县生态脆弱性时空演变格局

图5 静乐县生态修复分区结果

生态修复区为研究区2017年生态脆弱性等级相对于2007年下降的区域,包括Ⅱ-Ⅰ、Ⅲ-Ⅰ、Ⅲ-Ⅱ和Ⅳ-Ⅲ;生态持平区为研究区生态脆弱性等级2017年相对于2007年保持不变的区域,包括Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ、Ⅲ-Ⅲ和Ⅳ-Ⅳ;生态退化区为研究区2017年生态脆弱性等级相对于2007年升高的区域,包括Ⅰ-Ⅱ、Ⅰ-Ⅲ、Ⅰ-Ⅳ、Ⅱ-Ⅲ、Ⅱ-Ⅳ和Ⅲ-Ⅳ。2007—2017年,研究区以生态持平区面积最大,为1 372.57 km2,占比为67.44%;生态退化区次之,面积为660.87 km2,占比为32.47%;生态修复区面积最小,为1.96 km2,占比为0.10%。从生态脆弱性等级变化情况来看,2017年研究区整体处于中-重度脆弱状态,生态状况较差。

4 讨论与结论

在理论和方法上,笔者从人为和自然综合作用出发,利用SPCA方法开展生态脆弱性动态评价,明确了区域生态脆弱性空间分布和演变特征,丰富了区域生态脆弱性研究内容。研究区经济不发达,根据已有研究[22],贫困与脆弱的生态环境之间具有一定的耦合性,但受数据可获得性等因素的限制,未能将表征贫困的指标列入评价指标体系中,不能对其做出全面科学的分析。因此,未来仍需完善生态脆弱性评价指标体系的构建。

在评价结果上,2007—2017年研究区生态脆弱性等级逐渐增强,且等级较高的区域主要分布在中部汾河川等海拔较低的区域。此与雷波等[23]对黄土丘陵区的研究结果相似,生态脆弱性较高的地区分布在中、低海拔,且是水土流失最严重的地方,独特的地形地貌和土壤侵蚀环境是影响生态脆弱性的关键因素。但此与陈枫等[24]发现生态脆弱性主要受坡度、土壤侵蚀类型和降水量等自然因素的影响观点不同,笔者研究发现人均耕地面积和人均GDP等部分人为因素也是影响生态脆弱性的主导因素。

在实践上,笔者将不同年份生态脆弱性结果空间分布图进行叠加得到脆弱性转移矩阵,将研究区进一步划分为生态修复区、生态持平区和生态退化区,为区域生态环境治理和修复工作提供了决策支持。

笔者研究表明,地形起伏度、土壤侵蚀程度、人均耕地面积、年均降水量和人均GDP是影响研究区生态脆弱性的主要因素。从自然潜在脆弱来看,由于受地形、土壤、气候等自然条件因素的限制,致使研究区生态系统存在先天脆弱性。静乐县是黄土高原典型山地丘陵区,山地丘陵面积占总面积的86%,地形地貌破碎复杂,中度和重度脆弱区主要分布在河川区和黄土丘陵区,土壤侵蚀程度较高,水土流失严重。2015年静乐县水土流失总面积为1 700 km2,占土地总面积的83.47%。研究区年平均降水量范围由2007年的629.26～766.83 mm减少至2017年的447.39～501.31 mm,降水量大幅度减少加剧了脆弱生态环境的形成;从人为干扰脆弱来看,2007—2017年研究区人均耕地面积从0.17 hm2·人-1增至0.18 hm2·人-1,人均GDP从357.71元·人-1增至990.86元·人-1,生态脆弱程度随着人均耕地面积和GDP的增长而增加,表明研究区人类干扰力度超过了生态环境自身承载能力和自我恢复能力,致使原本已十分脆弱的生态环境面临巨大压力,区域经济社会发展与生态环境保护矛盾也愈加突出。因此,对地形起伏度和年降水量等不可控因素,可从周边区域植被结构调整、水源涵养和水土保持能力提升等方面按人为诱导加上自然修复的模式进行提质改造;而对人均耕地面积等可控因素,可在山区和沟域地区实施整村搬迁,通过人退-村退-林进模式,降低坡耕地开发等人类活动对自然环境的干扰力度;对河川区土地进行综合整治,实现农业规模化和现代化发展;另外,还可通过生态补偿、生态扶贫等政策因地制宜进行调控。

总体而言,构建了基于人为-自然综合作用的生态脆弱性评价体系,对静乐县2007—2017年生态脆弱性时空演变及分区进行研究,分析其演变特征并提出相应对策建议。主要结论为:(1)静乐县生态脆弱性整体上处于中-重度脆弱状态,主要受地形起伏度、土壤侵蚀程度、人均耕地面积、年均降水量和人均GDP等因素的影响。(2)区域整体向高生态脆弱性等级方向发展,中度和重度脆弱区面积逐渐增加,空间上呈现“中部高-两边低”的格局。(3)研究期间,各生态脆弱性等级间的相互转移以轻度和中度脆弱转移为主,基本呈现“轻度向中度演变、中度向重度演变”的趋势,生态环境形势严峻。(4)2007—2017年,生态持平区面积最大,生态退化区次之,生态修复区最小。总体来说,研究区生态状况较差,生态治理和修复力度仍需加强。