中国县域生态系统弹性力时空演变特征分析

杨 超, 陈万旭, 冉 端, 林 玲

(1.中山职业技术学院 经济管理学院， 广东 中山 528403; 2.中国地质大学(武汉) 公共管理学院，武汉 430074; 3.中国地质大学(武汉) 地理与信息工程学院, 武汉 430074)

21世纪以来，快速的城市化进程带来了如城市人口急剧增长、工业污染迅速蔓延和生态环境恶化等一系列的资源环境问题，对我国生态环境保护造成了前所未有的压力。党的十八大、十八届三中全会和十九大报告均提出推进我国生态文明建设和生态环境保护的必要性和迫切性，科学评估中国生态系统弹性力对我国社会经济健康可持续发展具有重要意义。然而当前生态系统弹性力研究缺乏对中国县域单元生态系统弹性力时空演化特征的相关研究。生态系统弹性力作为生态系统健康研究和生态承载力研究的重要组成部分，逐渐引起了学者和政府部门的高度重视[1]。

生态系统弹性力概念最早由Holling在1973年提出，生态生态系统弹性力定义为：生态系统受外界扰动且保持其原状的能力[2]。随着生态系统弹性力研究的不断推进，部分学者将稳定性的概念引入到生态系统弹性力研究中来，并注重生态系统在受到干扰后的自我恢复能力[3-4]。生态系统弹性力的研究不断丰富，生态系统具有的自我缓冲和调节能力也逐步受到广大学者的认可[5-6]。目前研究中生态系统弹性力的定义包含弹性强度和弹性限度双重内涵[7-10]，其中弹性强度是指有自身情况而决定的生态系统性质，如地形、地貌、气候、土壤、水文以及植被状况等[10]；弹性限度表示生态系统自我调节的极限能力大小，即在受到最大干扰幅度后能得到自我恢复的能力大小[11-12]。国内外关于研究生态系统弹性力的方法也呈现多样化，如采用陆地净初级生产力(Net Primary Productivity，NPP)[13]、暴露—敏感—适应机制模型(Vulnerability Scoping Diagram，VSD)[14]、浅水湖泊模型[15]、牧场模型[16]、水利用效率模型[17]以及全局灵敏性和不确定性分析模型等方法对生态弹性力进行定量分析[18]。另外还有部分学者通过采用综合评价法、层次分析法和主成分分析法对气候、水文、植被覆盖度等进行指标赋权来定量对生态系统弹性力进行定量分析[6,11-12]，也有学者通过土地利用类型反映植被覆盖情况，建立弹性分值反映生态系统弹性变化特征[19-21]。通过梳理相关文献发现，学者们多将生态系统弹性力的研究作为生态承载力研究的重要一环，而自然系统的弹性力的研究尚且缺乏。

鉴于此，本文在以往学者研究的基础上，本研究基于2000—2015年中国土地利用遥感监测数据、植被覆盖度数据以及气候数据，结合生态系统弹性力的内涵，即弹性强度系数和弹性限度，通过建立生态弹性力评估框架。测度并且分析2000—2015年中国生态系统弹性力时空演变特征，以期为我国生态环境保护和区域可持续发展提供科学参考。

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源

本文采用的2000年、2005年、2010年、2015年土地利用/覆被变化数据(Land use/land cover change，LUCC)数据、归一化植被指数年度植被指数(Normalized Difference Vegetation Index，NDVI)空间分布数据集和1980年以来中国逐年年平均气温、年降水量均来源于中国科学院资源环境科学数据中心(http:∥www.resdc.cn)。其中2000年、2005年、2010年3期LUCC数据生产制作是以各期Landsat TM/ETM遥感影像为主要数据源，通过人工目视解译生成，2015年LUCC数据更新是在2010年数据基础上，基于Landsat 8 遥感影像，通过人工目视解译生成，分辨率为1 km。中国土地利用现状遥感监测数据库是目前我国精度最高的土地利用遥感监测数据产品，总体精度高于90%，已经在国家土地资源调查、水文、生态研究中发挥着重要作用[22]。土地利用类型包括耕地、林地、草地、水域、居民地和未利用土地6个一级类型以及25个二级类型。中国年度植被指数空间分布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；中国1980年以来逐年年平均气温、年降水量空间插值数据集是基于全国2 400多个气象站点日观测数据，通过整理、计算和空间插值处理生成。

1.2 研究方法

1.2.1 生态系统弹性力指数测算 参考以往研究，根据生态系统弹性强度系数与弹性限度因素，建立生态系统弹性力评估框架[23]。计算公式如下：

E=μ·ECOres

(1)

式中：E为生态系统弹性力；μ为生态系统弹性强度系数；ECOres生态系统弹性限度。

根据生态系统弹性强度系数与弹性限度的自身内涵和性质，式中各土地利用类型弹性分值参考有关学者的研究进行赋值[24]，生态系统弹性强度系数与弹性限度计算公式如下[3,12]：

(2)

(3)

式中：μ为生态系统弹性强度系数；H为景观多样性指数；V为植被覆盖指数；C1为年气温变率；C2为降水变率；ECOres为生态系统弹性限度；Pi为第i种土地利用类型面积的比重；Si为第i种土地利用类型的弹性分值，参考刘晓平等[9]。

1.2.2 景观多样性指数计算 景观多样性指数反映区域景观类型的多样性及其景观结构变化[25-26]。指数越高，景观类型越丰富，生态系统弹性力也就越大[27]，计算公式如下[28]：

(4)

式中：H为景观多样性指数；Pi为i类土地利用类型所占比重；n为研究区土地利用类型数量。

1.2.3 植被覆盖指数计算 本文采用国内外广泛运用的归一化植被指数来反映地表植被覆盖程度[29]，计算公式为：

(5)

式中：NDVI 为归一化植被指数，取值范围为[-1，1]，0以下表示非植被覆盖区；NIR为近红外波段(0.841～0.876 μm)；Red为可见光的红光波段(0.62～0.67 μm)。

1.2.4 年降水变率C1和年气温变率C2计算 本研究采用年降水相对变率，即降水绝对变率与某一时段内平均降水量的百分比，计算公式为：

(6)

式中：C1为研究区多年平均降水相对变率；Ri为第i年某时段内实际降水量；R为同时段内历年平均降水量。

年气温变率指的是气温的年度变化，用年度的相对变化比率来表征，计算公式为：

(7)

式中：C2为研究区多年平均气温相对变率；Ti为第i年某时段内温度；T为同时段内历年平均气温。

2 结果与分析

2.1 景观多样性指数分析

2000年、2005年、2010年、2015年全国县级单元的景观多样性指数分别为1.555，1.559，1.562，1.568，表现出持续增加的趋势。说明中国土地利用结构趋于稳定，复杂水平逐渐提高，中国土地利用正处于转型阶段。从空间分布来看，2000—2015年间全国县域景观多样性指数，低值区主要集中在新疆东南县区、西藏的西北县区、甘肃西北县区以及内蒙古的部分县区，这些地区主要以未利用地为主要的景观类型，导致景观多样性指数较低。另外景观多样性指数在华北平原以及四川盆地等部分县区仍然可以发现景观多样性指数低值区。景观多样性指数高值区主要分布在松嫩平原、太行山沿线地区、黄土高原地区、云贵高原和新疆的西北县区及主要的城市群地区(长江中游城市群、长三角地区和珠三角城市群)以及大城市周边县区(图1)。

注：此图根据国家测绘地理信息局标准底图(审图号：GS(2016)1569号)绘制，底图无修改。下同。

图1 2000年、2015年中国景观多样性指数分布

2.2 植被指数分析

2000年、2005年、2010年、2015年全国县级单元年度植被指数平均值分别为0.622，0.674，0.694，0.674，2000—2010年3个时期的中国年度植被指数持续增加，2015年略有降低，降低至2005年水平。空间分布上可以发现显著的空间异质性特征，中国植被覆盖度指数的低值区主要分布在中国西北地区(主要包括新疆、西藏、青海、甘肃、内蒙古和宁夏)以及东部的城市群和大城市周边地区。可以发现东部地区的山区植被覆盖度尤其高，而在东部地区的平原地区相对较低(图2)。中国西北地区由于气候条件的限制，未利用地广泛分布，导致植被覆盖度较低，而东部地区的平原地区是人口和经济集聚区，频繁的人类活动是这些地区植被覆盖度较低的原因。另外中国一系列林业工程项目的实施，如退耕还林以及天然林保护工程等项目的实施，在一定程度上改善了中国植被覆盖度。

图2 2000年、2015年中国植被指数空间分布

2.3 年降水变率C1和年气温变率C2分析

本文以自1980—2015年的降水和气温变化数据为基准，通过公式(6)和(7)进行降水和气温相对变率计算，1980—2000年、1980—2005年、1980—2010年和1980—2015年间降水的相对变率分别为13.213%，13.636%，13.552%和13.213%，而气温的相对变率分别为0.151%，0.161%，0.177%和0.182%。可以发现不同时间阶段降水变化率显著高于气温变化率，降水相对变率呈现出先急剧上升后缓慢下降的过程，气温相对变率呈现的变化特点是逐期上升的变化趋势。从各个时期降水相对变率的空间分布图来看(图3)，总体的空间格局保持稳中，但是稳中又有波动。具体地，变化较小的低值区和较低值区主要集中在中国的山区(大兴安岭、小兴安岭、太行山和横断山脉等)，而在新疆的东南地区、西藏的南部以及华北平原的部分县区和内蒙古地区的部分地区波动较为显著。气温变化率的空间分布同样表现出东南地区变化波动小于西北地区的总体特征(图4)。具体地，在中国的新疆、西藏、青海、内蒙古地区以及东北地区气温波动较为显著，而相对而言秦岭淮河以南地区气温波动较小，相对较为稳定。

图3 2000年、2015年中国降水相对变率分布

2.4 生态弹性力强度系数结果与分析

利用公式(2)可以计算出生态弹性力强度系数，2000年、2005年、2010年、2015年全国县级单元生态弹性力强度系数均值分别为0.354，0.338，0.312，0.313，2000—2010年间中国生态弹性力强度系数呈现出逐期下降的态势，2015年较2010年有小幅增加，但均小于2000年、2005年的生态弹性力强度系数算术平均值，2000—2015年间我国生态弹性力强度系数整体是在不断降低，说明我国的生态系统自我调节和抗干扰能力减弱，系统稳定度降低。研究期间中国生态弹性力强度系数空间分布格局变化不大(图5)，具体来说生态弹性力强度系数高值区主要分布在秦岭淮河以南的地区，在西南地区(四川、云南、广西和重庆)最为显著。秦岭淮河以北地区生态弹性力强度系数总体较低，在西藏、新疆、青海、宁夏、甘肃和内蒙古地区尤其较低。

2.5 生态系统弹性限度分析

2000—2015年中国生态系统弹性限度的平均值分别为0.543，0.547，0.548，0.554。研究期间中国生态系统弹性限度呈现逐渐增长的趋势，2000—2005年间的生态系统弹性限度增长幅度最大，2010—2015年间次之，2005—2010年间的增长幅度最小。为了进一步分析生态系统弹性限度时空分布特征，本研究基于自然段点法，展示了中国生态系统弹性限度的时空分布特征。中国生态系统弹性限度的空间分布格局和景观多样性指数分布格局相似(图6)，中国生态系统弹性限度低值区主要集中在新疆、西藏、甘肃和内蒙古等省份的部分县区，另外在华北平原和四川盆地等地方同样可以发现生态系统弹性限度低值区。中国生态系统弹性限度高值区主要分布在松嫩平原、太行山沿线地区、黄土高原地区、横断山脉地区和云贵高原地区。另外在新疆的西北部分县域以及东南沿海地区的县区同样存在生态系统弹性限度高值区。

图4 2000年、2015年中国气温变率分布

图5 2000年、2015年中国生态弹性力强度系数空间分布

2.6 生态系统弹性力时空演变特征分析

基于生态系统弹性强度系数和生态系统弹性限度计算得出2000—2015年间中国生态系统弹性力的时空分布特征。2000年、2005年、2010年、2015年4期中国生态系统弹性力系数空间分布见图7。2000—2015年总体来看中国生态系统弹性力系数变化处于不断减小的阶段，生态系统稳定性有较为明显的下降。2000年、2005年、2010年、2015年中国生态系统弹性力系数平均值分别为0.208，0.201，0.185，0.188。说明2000—2010年间中国生态系统自我调节能力和抗干扰能力下降，系统稳定性有所降低，而2010—2015年间中国生态系统弹性力有所改善，但是研究期间整体来看中国生态系统的稳定性总体是出于趋于不断弱化的状态。2000年、2005年、2010年、2015年中国生态系统弹性力系数标准差分为别0.163，0.150，0.130，0.137，变异系数分别为0.784，0.746，0.703，0.730。2000—2015年间中国生态系统弹性力变异系数不断降低，说明中国县区生态系统弹性力区域差异有所降低，但并不明显。2010—2015年中国县区生态系统弹性力区域差异有所扩大。但是总体来看生态系统弹性力稳定性区域不平衡性有所缓解，区域生态系统稳定性朝着均衡方向发展，差异仍然显著。2000—2005年、2005—2010年、2010—2015年间中国生态系统弹性力县区降低的数量比重分别为50.570%，62.510%，46.880%，可以看出2000—2005年到2005—2010年间中国生态系统弹性力恶化的县域数量在不断增加，而在2010—2015年间中国生态系统弹性力有所降低。基于自然断点法绘制了研究期间中国县区生态系统弹性力时空分布图，研究期间中国生态系统弹性力空间分布总体保持稳定，具体而言2000年、2005年、2010年、2015年中国生态系统弹性力的高值区分布在长江经济带以及以南的地区，在云南省、四川省以及贵州省的部分地区生态系统弹性力显著高于其他地区。另外在主要的河流湖泊沿线地区(如鄱阳湖平原地区和洞庭湖平原地区)同样是生态系统弹性力高值区。在横断山脉和太行山沿线地区以及黑龙江的部分县区生态系统弹性力同样较高，而在中国的西北地区(新疆、西藏、青海、甘肃省和内蒙古地区)生态系统弹性力指数低于0.1，其他区域包括四川盆地和华北平原的部分地区生态系统弹性力指数同样较低。从中国生态系统弹性力变化的时空分布特征来看，2000—2005年、2005—2010年间中国生态系统弹性力改善的县域主要分部分秦岭淮河以北的地区，而在2010—2015年间中国生态系统弹性力改善的县域主要集中在秦岭淮河以南的县区。

图6 2000年、2015年中国生态系统弹性限度空间分布

图7 2000-2015年中国生态系统弹性力空间分布

3 结论与讨论

(1) 2000—2015年中国生态系统弹性力指数总体呈现先增加后降低的态势。研究期间中国生态系统弹性力系数的高值区和低值区分布地区大致相同，高值区主要分布在云南、贵州、四川和重庆等地区，在其他地区有零星分布；低值区集中分布在西北地区的西藏、新疆、青海、内蒙古和甘肃等省份内。

(2) 2000—2005年和2005—2010年间中国生态系统弹性力改善区域主要分布在秦岭淮河以北地区，然而，2010—2015年间秦岭淮河以南地区是中国生态系统弹性力改善区域。中国中国生态系统弹性力的变化和中国林业工程项目以及社会经济发展有密切关系。

本研究对2000—2015年中国县域生态系统弹性强度系数和生态系统弹性限度计算的基础上构建了中国生态系统弹性力评价框架，对中国县域生态系统弹性力时空分布特征进行了深入分析。在一定程度上解释了中国生态系统弹性力空间格局形成机理，可以为国土空间规划和生态系统保护政策制定提供科学的借鉴。但是本研究仅对中国生态系统弹性力评估过程进行了全面的分析，缺乏局部演化特征的详细解释分析，而且具体的影响机理仍需进一步探索和深化。本研究采用的ArcGIS的可视化以及数据集成方法在同样可以运用到其他领域，为大尺度的自然地理数据获取方法提供了借鉴。构建评估框架模型把土地利用科学、生态学、社会学和经济学有效的联系起来，对于解决土地利用问题和生态环境问题具有重要的实践意义。本研究综合考虑了中国生态系统弹性力行政过程中的自然要素(植被覆盖度、土地利用和气候条件)，但是缺乏对社会经济因子的考虑，未来的生态系统弹性力研究中应该综合考虑自然因子和社会经济因子。