基于VSD模型的新疆生态脆弱性评价

2020-03-12陆海燕孙桂丽白一纯

新疆农业科学 2020年2期

陆海燕,孙桂丽,2，李路，卢航，白一纯

(1.新疆农业大学林学与园艺学院，乌鲁木齐 830052 ; 2.干旱区林业生态与产业技术重点实验室，乌鲁木齐 830052)

0 引言

【研究意义】气候变化及人类日益频繁的活动对生态系统造成的损伤，超过了其自身的恢复能力和自净能力，带来了一系列生态问题，使得生态系统呈现越来越脆弱的趋势[1]。开展有关生态脆弱性的研究是评估生态环境状况和时空分布特征、识别生态脆弱因子的重要手段，也是制定区域生态保护措施和进行生态修复的基础。自1989年对生态环境脆弱带进行判定以来[2]，我国生态脆弱性评价研究无论评价尺度大小基本都涉及西北干旱半干旱区、北方农牧交错带、南方丘陵区、西南喀斯特地区和青藏高寒区五个区域，近年来，西北干旱半干旱区的生态脆弱性问题较为突出引起人们的重视[3]。新疆是我国干旱区的主体，典型的山地-绿洲-荒漠生态本底环境和干旱为主的气候特征使其生态系统较为脆弱。正确认识和评价新疆生态脆弱性状况，了解其变化趋势并加以恢复和保护，对实现新疆生态环境和经济的可持续发展具有一定现实意义。【前人研究进展】Amy根据人地耦合系统脆弱性概念框架，建立了评估适应能力对脆弱性状况影响的定量评估模型，并通过评估小麦产量、气候变化、市场因素对墨西哥Yaqui谷地的脆弱性影响来说明这个模型的有效性[4]；王让会等[5]通过构建生态脆弱性指数来反映塔河流域生态环境质量的优劣，从而了解了塔河流域生态环境改善区、平衡区、失调区和受损区的大致分布状况；谢霞等[6]用区域综合生态脆弱度模型对艾比湖区域的生态脆弱性进行了评估，研究发现该地区生态环境较为脆弱且局部区域的脆弱程度还在不断加强，并根据评价结果提出研究区生态恢复与保护的对策；何彦龙等[7]使用空间主成分分析和层次分析法构建评价指标体系，结合ArcGIS软件，对长江口海域生态环境脆弱性进行综合评价并分级，研究发现大量陆源污染物输入是导致研究区脆弱度较高的主因；【本研究切入点】深居亚欧大陆腹地的新疆是我国典型的生态系统严重脆弱区[8]，对14个地州市的相对脆弱性状况研究较少，各个行政区划单元难以高效地协调开展环境保护。分析近11年来新疆整体及14个地州市生态脆弱性时空分布特征和变化规律。【拟解决的关键问题】以新疆14个地州市为研究对象，从暴露度、敏感性和适应力3个角度选取20个自然和人文指标，采用综合生态脆弱性指数评价2007～2017年生态脆弱性的时空变化。为新疆地区采取针对性措施开展生态环境保护和生态修复提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料

研究区域为新疆行政区划下辖的14个地、州、市，分别为乌鲁木齐市、克拉玛依市、吐鲁番市、哈密市、昌吉回族自治州、伊犁州直属县市、塔城地区、阿勒泰地区、博尔塔拉蒙古自治州、巴音郭楞蒙古自治州、阿克苏地区、克孜勒苏柯尔克孜自治州、和田地区和喀什地区，约占全疆总面积99.5%，不包括新疆生产建设兵团实行“师市合一”管理体制的9个兵团城市。图1

图1 研究区位置

Fig.1 Location map of the research area

选择2007～2017年为研究时段，各地州市各指标统计数据来源于《中国统计年鉴》(2007～2017)、《新疆统计年鉴》(2007～2017)及各地州市统计年鉴、当地国民经济和社会发展统计公报和相关气象、水文部门的资料，调查整理后校验不同来源的数据。空间行政边界矢量数据，取自全国地理信息资源目录服务系统(http://www.webmap.cn)1∶100万基础地理信息数据库。植被指数(NDVI)数据集是基于连续时间序列的SPOT/VEGETATION NDVI卫星遥感数据，采用最大值合成法生成的1998年以来的年度植被指数数据集[9]。土地利用类型数据、DEM数据和植被净初级生产力数据均来源于资源环境数据云平台(www.resdc.cn)。农业依赖度为农业总产值占国内总产值的比例[10]。生境质量指数是利用土地利用类型图的数据，结合中华人民共和国生态环境部修订的生态环境状况评价技术规范(HJ192-2015)规定生境质量指数的计算公式计算得出。网址为：http://www.mee.gov.cn/gzfw13107/kjbz/sthjbhbz/201605/t20160522342943.shtml。

1.2 方法

1.2.1 指标体系构建及权重确定

在综合分析研究区的实际情况及相关资料的基础上，以VSD评价模型为框架并结合新疆14个地州市的生态状况，遵循科学性、可获取性和应用性等原则，构建了暴露度、敏感性和适应能力3维度、7个层级和20个指标的新疆生态脆弱性评价指标体系。表1

表1 生态脆弱性评价指标体系

Table 1 Evaluation index system of ecological environment vulnerability

子目标层Sub-targetlayer要素层Featurelayer指标层Indicatorlayer内容Content权重Weights内容Content权重Weights内容Content指标指向Indicatorpoint权重Weights暴露度(+)Exposure0.395自然环境条件0.761人类社会活动0.239地形起伏度+0.178坡度+0.180年均温+0.192年降水量-0.202年日照时数+0.115人均水资源量-0.133地垦殖率+0.447人均粮食作物产量-0.553敏感性(+)Sensitivity0.218人口压力0.463土地压力0.537人口密度+0.581人口自然增长率+0.419人均耕地面积-0.430农业依赖度+0.570适应能力(-)Adaptability0.387社会进步0.381农业发展0.231环保措施0.388第三产业占GDP比重+0.405医疗机构每万人床位数+0.328普通中学在校生占比+0.267植被覆盖度+0.422植被净初级生产力+0.578造林总面积+0.343水土流失治理面积+0.253生境质量指数+0.404

1.2.2 数据标准化及权重确定

由于生态脆弱性各个评价指标具有不同的属性与量纲，在评价前需要对原始统计数据进行标准化，将指标值转化为标准化值。正向和逆向指标采取了不同的标准化处理方法，具体公式见参考文献[11]。

该选用客观赋权法中的主成分分析法来确定评价指标的权重，以求通过降维把多个指标转化为几个互不相关的主成分，减弱极值对评价结果的影响[12]。在主成分分析中，选取累计贡献率>90%、特征值>1的前6个主成分计算指标权重，对新疆生态脆弱性进行分析和评价。由样本点数据得到相关矩阵并进行数据有效性检验，得到KMO取样适切性量数为：0.849，且Bartlett球形检验中显著性<0.05，所选择的最终数据和指标适合进行主成分分析。表2

1.2.3 生态综合脆弱性评价

暴露度、敏感性与生态脆弱性呈正相关关系，即暴露程度和敏感性越强，生态就越脆弱。适应能力体现的是1种代偿功能，即适应能力越高其脆弱度也就越低，两者之间是负相关关系。选用综合指数法结合VSD评价模型对新疆生态脆弱性进行评价[13]。在确定生态脆弱性评价指标体系的基础上，对各项指标个体指数加权平均，计算出综合脆弱性指数，以准确地评价脆弱性水平。该方法的具体步骤如下：

EVI=(E+S-A).

(1)

表2 相关系数矩阵的特征值

Table 2 Eigenvalues of the correlation matrix

成分Ingredient特征根Characteristicroot贡献率Contributionrate(%)累计贡献率Accumulatedcontributionrate(%)成分Ingredient特征根Characteristicroot贡献率Contributionrate%累计贡献率Accumulatedcontributionrate%16.31231.55931.55990.2571.28498.26924.35521.77653.335100.1610.80399.0733.06415.31968.654110.1140.56899.64041.8439.21577.869120.0630.31599.95551.3986.99284.861130.0900.045100.0061.0955.47690.337140.0000.000100.0070.8024.01194.348…80.5272.63796.985200.0000.000100.00

表3 生态脆弱性分级

Table 3 Ecological vulnerability scale

IIIIIIIVVEVI值EVIValue[0,0.2)[0.2,0.4)[0.4,0.6)[0.6,0.8)[0.8,1]状态Status微度脆弱轻度脆弱中度脆弱重度脆弱极度脆弱

1.2.4 生态脆弱性变异幅度

采用变异系数分析法[15]计算2007～2017年新疆各地州市生态脆弱性变异幅度大小。计算公式如下：

(2)

利用变异系数法分别求出新疆各地州市生态脆弱性的权重，然后与其数值相乘累加求得新疆总体的敏感性指数、暴露度指数、适应力指数和综合脆弱性指数。

2 结果与分析

2.1 新疆各地州市生态脆弱性时间变化特征

2.1.1 乌鲁木齐市生态脆弱性年际变化呈小幅波动状态，总体处于轻度脆弱水平

2007～2017年生态脆弱性呈小幅波动。近11年，乌鲁木齐市的年生态用水量从0.27×108m3上升到1.11×108m3、公共绿化面积增加1.15×104hm2等有利于促进生态脆弱性下降。与此同时，乌鲁木齐市增加了20.78×104人，人口及资源压力随之增大从而可能会使生态脆弱性上升。克拉玛依市生态脆弱性总体相对平稳，2007年以来，绿地面积由2007年的19.06 km2增加到2017年的76.4 km2，2007年到2017年人均绿地面积增长到11.63 m2，建成区绿化覆盖率达43.23%。图2

2.1.2 吐鲁番市生态脆弱性近11年在0.76～0.82间波动，总体一直处于极度脆弱区间

主要是受当地高达3 000 h年日照时数、16℃左右的年均温及约13 mm年降水的自然环境条件影响。哈密市生态脆弱性属于重度脆弱，2010年出现谷值0.53，呈波动上升趋势。近11年间，哈密市气温暖化趋势明显年均温上升了0.5℃、人均水资源量减少了387 m3/人、人均耕地面积增加了0.08 hm2用水需求随之增大，在这些因素的综合影响下哈密市的生态脆弱性有继续上升的趋势。图2

图2 2007～2017年新疆各地州市生态脆弱性年际变化

Fig.2 The annual variations of ecological environment vulnerability for Xinjiang in 2007-2017

2.1.3 昌吉州的生态脆弱性处于微度脆弱和轻度脆弱区间，2010年达到最低点

2011～2013年出现反弹上升，2014～2017年出现逐步下降的态势，可能与人口自然增长率从2013年的14.38‰下降到2017年的2.71‰有较大关联。伊犁州直属在2007～2009年期间呈下降趋势，2010～2012年小幅回升后又呈下降趋势，2015～2017年又有所上升，属中度脆弱。塔城地区总体生态脆弱性较低，基本处于轻度脆弱区间，塔城地区水资源相对丰富有大小河流107条、草茂林密的山地丘陵占总面积的41.1%、沙漠仅占总面积的12.1%、树种资源丰富等优越的自然环境条件使得其生态脆弱性较低。图2

2.1.4 阿勒泰地区近11年生态脆弱性在轻度脆弱和中度脆弱区间内波动

与GDP密度、人口自然增长率和人均粮食产量等因素的波动变化有密切关系。博州生态脆弱性年际变化相对稳定，近11年均处于中度脆弱区间，这11年间该地区年均人口密度仅为0.198 人/hm2、人均水资源量有6 060 m3及年造林总面积约为5 961 hm2是主要原因。

2.1.5 2007～2017年巴州生态脆弱性在0.27～0.45间波动并在2012和2016年分别形成2个谷值0.27和0.36，与这2个年份较大的年降水量有一定关联，多年平均降水量是69.1 mm，而2012年降水量为127.4 mm，2017年降水量为141.1 mm。阿克苏地区生态脆弱值最低点出现在2010年，近11年来其值从中度脆弱波动上升至重度脆弱状态并且仍有上升趋势。占该地区总面积31%的沙漠是其原生脆弱性的基底，干旱少雨的自然环境条件约束以及灌溉效率低下，导致土壤盐碱含量较高、生态用水保障不稳定，进而容易诱发次生脆弱性。图2

2.1.6 克州生态在2007～2009年间处于极度脆弱状态，2010～2013年波动起伏较大但仍处于中度脆弱状态，2014～2017年下降到中度脆弱区间。克州平均海拔3 000 m左右，独特的高山地貌、缺水少地、植被稀疏，使得生态脆弱性居高不下。但近年来，成功建设博古孜河大桥、阿喀高速公路以及卡拉贝利水利枢纽工程等是当地生态脆弱性下降的社会进步因素。图2

2.1.7 喀什地区近11年生态脆弱性主要位于中度脆弱区间，反复波动有略微上升的趋势。该地区人口自然增长率从2007年的7.41 ‰波动上升到2017年的26.06 ‰,且人均水资源量从2 511 m3/人波动下降到1 750 m3/人。和田地区常年干旱少雨，2009～2015年生态脆弱性呈年际规律性波动，脆弱度大体处于中度脆弱状态。近11年第3产业的GDP占比提升了9.8%等因素的影响。图2

2.2 新疆各地州市生态脆弱性空间分布

研究表明,新疆大部分地州市生态脆弱性都比较高，以中度脆弱和重度脆弱为主，这与新疆地处内陆干旱区，普遍具有降水量少而变率大、蒸发量远高于降水量、温差大、风沙多等气候特征，故其脆弱性与暴露度有密切关系。新疆生态脆弱性也存在明显的地域差异，其中，吐鲁番市的生态脆弱性最大，其次是克州和喀什地区；生态脆弱性最小的是昌吉州，其次是伊犁和塔城地区。各地州市综合生态脆弱性由大到小依次为：吐鲁番市(25.86)> 克孜勒苏柯尔克孜自治州(19.82)> 喀什地区(19.01)> 巴音郭楞蒙古自治州(18.82)> 阿克苏地区(18.71)> 和田地区(18.09)> 哈密市(17.85)> 博尔塔拉蒙古自治州(17.24)> 阿勒泰地区(11.32)> 克拉玛依市(10.40)> 乌鲁木齐市(9.50)> 塔城地区(8.63)> 伊犁州直属县市(6.91)> 昌吉回族自治州(5.80)。

新疆天山南部大部分地区的脆弱度普遍高于北部地区；西南部属重度脆弱区，北部大部分地区属轻度脆弱区。

吐鲁番市是中国海拔最低的地方，植被少、水分奇缺、大风频繁，恶劣的气候条件使得该地区属生态极端脆弱区。新疆南北两端脆弱性差异较大，天山以南大部分地区都属于重度脆弱区，浩瀚的塔克拉玛干沙漠作为地貌基底和干旱、沙尘、倒春寒等恶劣的自然条件使得南疆的生态脆弱性居高不下。北疆的大部分地区相对而言属于轻度脆弱区。博州和哈密属于中度脆弱区，昌吉州属于轻度脆弱区。北疆为温带大陆性干旱半干旱气候，南疆属暖温带大陆性干旱气候，这2种气候的差异很大程度上影响了当地生态脆弱性的差异。图3

图3 新疆生态脆弱性空间分布

Fig.3 The spatial distribution of ecological environment vulnerability in Xinjiang

2.3 新疆各地州市生态脆弱性变异特征

研究表明,2007～2012年，吐鲁番市、克州、博州、哈密的脆弱性差异度较小，塔城地区、伊犁州直属县(市)、昌吉州和阿勒泰地区的脆弱性差异度较大；2013～2017年，吐鲁番、哈密市、阿克苏和博州脆弱性差异度变化轻微，部分指标数据波动不大，并且一些指标项数据的下降弥补了另一些指标项数据增加所带来的影响。乌鲁木齐市、伊犁直属和克州的差异度大幅上升，面对干旱胁迫的敏感性大幅度下降，适应能力快速提高，但受人类社会活动的影响大，表现为脆弱性变异幅度较大。图4

图4 2007～2017年新疆生态脆弱性变异特征

Fig.4 Variation characteristics of the ecological environment vulnerability during 2007-2017 in Xinjiang.

2.4 2007～2017年新疆总体暴露度、敏感性、适应力和脆弱性的评价

研究表明,新疆的暴露度指数一直高于敏感性指数及适应能力，且暴露度指数波动不大。2014年出现1个峰值，2014年全疆年平均气温和日照时数数据比2013和2015年的数据都要高上一些。图5

图5 2007～2017年新疆脆弱性相关指数时序演变曲线

Fig.5 Time series evolution curves of Xinjiang's Vulnerability indices from 2007 to 2017

3 讨论

研究表明，近11年来新疆生态脆弱性总体有下降趋势。究其原因，王长建等[17]认为城市化水平的提升会对生态综合质量指数造成先下降后不断上升的变化趋势，从长期来看城市化对生态质量具有提升作用。刘时栋等[18]认为新疆土地生态安全总体水平不断提高，机械化程度的逐渐增高以及土地产出能力的增强使得各地州市土地生态安全的不均衡性得到改善，空间差异缩小。分析发现近11年新疆各地州市政府的环境保护投资力度不断增强、居民受教育水平提升以及农业生产方式改良等都是使该地区生态脆弱性得到缓解的重要原因。2011年，新疆启动草原生态保护补助奖励机制，对环境恶劣、严重退化和不宜放牧的草原实行禁牧。博州对赛里木湖核心区的湖畔草原全面实行封育禁牧、塔城开展修复库鲁斯台草原生态工作、昌吉州建立了牧区草畜联营合作社、伊犁新源县打造以民俗旅游为主的村庄、克州为牧民提供日光温室大棚建设规模养殖小区等，使草原生态保持良好。2007年昌吉州天山天池投入大量资金在景区实行禁牧、封山育林及生态移民等多种措施，有效遏制了水土流失，天山天池水位因此上涨6 m，天池生态得到了有效保护；2015年艾比湖湿地国家级自然保护区生态移民项目启动后草情明显好转，大量野生动物回归；2017年新疆自然保护区内矿区恢复治理土地面积300 hm2等。新疆不断强化生态环保理念、加强生态保护建设方面的措施是不断推动新疆生态脆弱性逐步降低的最主要因素。

相比于孙凌云等[19]基于变异系数法的乌鲁木齐城市脆弱性评价、李佳芮等[20]基于VSD模型构建象山湾生态系统脆弱性评价分析体系，研究综合构建了以VSD评价模型为框架的生态脆弱性评价指标体系，并结合主成分分析法确定指标权重、综合指数法计算综合生态脆弱度以及变异系数法分析各地区变化幅度大小，更加全面考虑了生态的暴露度、敏感性和适应能力的影响因子，充分发挥出主成分分析法的客观赋权功能提高评价结果客观性的优势。将VSD评价模型和主成分分析法相结合，能够较客观全面地反映新疆14个地州市的生态脆弱性差异及其空间分布规律。

生态的脆弱性评价是一项影响因子繁多的复杂系统工程，涉及到的指标是方方面面的，该文仅从不同角度选取了20个指标。实际上，仍有许多其他因素对生态脆弱性造成影响，如土壤[21]、冰川[22]、交通路网[23]等。在后续工作特别是生态脆弱性预测预警研究中，可以在全面考虑研究区实际情况的同时，尽可能选取更多的具有代表性的指标对生态脆弱性评价进行一个全方位多角度的预测性研究。最终获得的是相对生态脆弱性分级，这种相对只是各地州市之间的相对差异，不是绝对的差异。并且这种差异也局限于这个评价体系以及这个时间段内。