五台山地区生态脆弱性评价及其时空变化

张慧琳,吴攀升,侯艳军

(忻州师范学院地理系,山西 忻州 034000)

生态文明建设是关系中华民族永续发展的根本大计，但随着社会经济的快速发展以及人口的不断增长，人类活动正越来越强烈地影响着地球的生态系统平衡，导致当前生态环境的脆弱性进一步加剧，影响着我国生态文明的建设。对独特地理环境的生态脆弱性进行相关研究有利于我国生态文明建设的实现。生态脆弱性指的是特定区域在一定时空尺度内，生态环境在一种或多种因素的影响下表现出来的异质性。这是生态系统固有的一种属性，同时也是其对外界干扰敏感性的体现，这种体现是自然和人类综合作用的结果，这种结果往往朝着不适合的方向发展[1-2]。从“压力-状态-响应”的角度来讲，凡是外界对生态环境的压力接近或超过生态阈值的区域，都会导致生态脆弱性的出现[3-4]。近些年来，随着社会经济的发展，人类社会对生态环境日益重视，有关生态脆弱性以及生态脆弱性评价的研究成为全球研究热点，受到国内外众多学者的关注[5-7]。国内对生态脆弱性的研究起步较晚，开始于20世纪80年代。牛文元[8]将生态脆弱性定义为“凡某个空间区域被2种或2种以上的物质体系、能量体系或者结构体系所包围的界限，或者是围绕界限向外延伸的过渡地带”，将生态脆弱性限制到了生态交错带。之后，1996年提出的“可持续发展纲要”，2000年提出的“西部大开发战略”，2006年国家“十一五”规划纲要中提出的“国土主体功能区划”，这些都对脆弱生态环境的研究工作起到了很大的推动作用[9]。经过多年的努力，国内学者在脆弱性方面的理论不断完善，研究不断深入，逐步形成了模糊评价法[10-11]、主成分分析法[12]、层次分析法[13]、综合分析法[14]、灰色关联度评价法[15]、人工神经网络法[16]等一系列的评价方法以及生态敏感性-生态恢复力-生态压力度(sensitivity-resilience-pressure，SRP)[17-20]、自然成因指标-表现指标[21]、影响因子-表现因子-胁迫因子[22-23]、自然-生态-社会经济系统指标体系[24]等评价模型。周梦云等[25]基于VSD(exposure-sensitivity-adaptive capability)模型，从暴露、敏感、适应建立指标体系，对宁夏贺兰山地区进行生态脆弱性评估, 研究1988和2013年国家级自然保护区建立前后宁夏贺兰山生态脆弱性的时空格局。卢亚灵等[26]基于SRP模型建立指标评价体系，运用主成分分析法对环渤海地区5个省(区、市)的生态脆弱性进行评价和空间相关性分析。李永化等[20]借助SRP模型，应用层次分析法选取14个指标，分析辽宁省朝阳市朝阳县生态脆弱性的时空变化特征。在众多的评价模型中，研究者普遍认为SRP模型涵盖了生态脆弱性的构成要素。同时，随着评估方法的不断完善，该模型的应用也日趋广泛[20, 27]。为了避免指标权重赋值受主观影响较大的局限性，减少评价指标之间的相关性，避免指标重复[9,14]，该研究选取主成分分析法对指标进行筛选。

五台山地区是我国沿海向内陆、高原向山地、暖温带向中温带、半湿润区向半干旱区、暖温带落叶阔叶林区向温带草原区过渡的特殊生态环境连接带，区内生态环境复杂，生物资源丰富，是亚洲大陆东部具有代表性的山地植被生态景观区，加上其特殊的地理环境，使得该地区具有极其重要的生态学地位[28]，同时该地区的生态又具有不稳定性、敏感性、脆弱性和难再生性等特征[29]。因此，科学客观地评价五台山地区的生态脆弱性并探讨分布规律十分必要，这不仅能正确认识该地区生态脆弱的程度，而且能掌握其空间分布差异，以实现生态脆弱区的科学治理，促进资源的有效利用和生态系统的可持续发展[30-32]。笔者以五台山地区为研究区，基于SRP模型，科学选取11个指标，对2000、2005、2010和2015年的生态脆弱性进行研究。

1 研究区概况

五台山地区(38°27′～39°15′ N、112°48′～113°55′ E)位于山西省东北部,包括3县 (五台县、繁峙县和代县)15镇28乡,面积为6 955.5 km2(图1)。

图1 五台山地区地形分布

境内温带大陆性气候广布,冬季寒冷,夏季炎热,年均气温在6～10 ℃之间,年降水量为300～700 mm。河流分布有滹沱河及其干流清水河,土壤类型以山地褐土、山地淋溶褐土、山地栗钙土为主,山地棕壤、亚高山草甸土和山地草甸土次之。境内动植物资源丰富,种属繁多,植被以寒温性针叶林和亚高山草甸为主,在北方高寒地区极为罕见,国内独有的金莲花(Nymphoidesaurantiacum)、迎红杜鹃(Rhododendronmucronulatum)也分布在此,以褐马鸡(Crossoptilonmantchuricum)为代表的国家Ⅰ类保护动物、40多种国家Ⅱ类保护动物及多个昆虫新物种分布于此[33]。全区共有79.78万人,农业人口占绝大多数。该区总体特点是宜林、宜牧地多, 宜农地少。全区以第二产业为主,2015年第二产业占比达47.25%,而第一产业仅占8.95%。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

该研究使用的数据包括DEM数据、气象数据、土地利用数据和社会经济数据等。DEM数据来源于中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云平台(http:∥www.gscloud.cn/),空间分辨率为90 m;降水和气温数据由中国科学院资源环境科学数据中心(http:∥www.resdc.cn/)提供的逐年年平均气温和年平均降水量空间插值数据,相对湿度数据来源于气象数据共享服务网(http:∥data.cma.cn/),经过空间插值运算得到;人口和GDP空间分布数据来自中国科学院资源环境科学数据中心数据(http:∥www.resdc.cn/),该数据是在各省的人口和GDP的基础上,实现了人口和GDP空间化的数据;归一化植被指数(NDVI)是中国科学院资源环境科学数据中心数据(http:∥www.resdc.cn/)提供的年度植被指数数据集;土地利用数据是以各期Landsat TM/ETM遥感影像为主要数据源,通过人工目视解译生成,来源于中国科学院资源环境科学数据中心数据(http:∥www.resdc.cn/)。最后所有数据都转化为1 km×1 km基本评价单元。

2.2 研究方法

2.2.1指标选取与描述

指标的选择是基于生态敏感性-生态恢复力-生态压力度模型(SRP),它是评价一个地区生态脆弱性的经典模型。结合五台山地区的特点,根据指标选取的科学性、可行性、系统性等原则,选取高程、坡度、坡向、地形起伏度、人口、GDP、气温、降水、相对湿度、生物丰度、植被覆盖率11个指标。

(1)生态敏感性

生态敏感性指的是生态系统受外界环境影响所表现出的敏感性[18],选取地形因子、地表因子和气象因子3类8个指标来表示五台山地区的生态敏感性。气象因子对一个地区的气候变化、地表植被的生长等起着至关重要的作用,选择年均气温、年均降水量和年均相对湿度3个指标来反映生态环境的气象因子。地形因子综合考虑了高程、坡度、坡向和地表起伏度,这些是反映地形信息的重要的物理指标,因此可以作为生态敏感性的重要因子。植被因子选取植被覆盖度作为指标,由最大值合成的月度NDVI值(INDV)进行计算,其公式[18]为

(1)

式(1)中,f为植被覆盖度;INDV,i为不同年份归一化植被指数;INDV，max和INDV，min分别为归一化植被指数的最大值和最小值。

(2)生态恢复力

生态恢复力指区域内的生态系统受到外界破坏后自我调节和恢复的能力,当外界压力超过系统承受能力和恢复能力时,生态环境就会遭到破坏[9]。使用生物丰度来表示一个地区生态系统的恢复力,生物丰度可以反映一个区域内生物数量的多少,表现的是生态系统的活力,生物丰度指数越高,表明生态系统的恢复力越强,其计算公式[20]为

F=(0.11×Acultivated+0.35×Aforest+0.21×

Agrass+0.28×Awater+0.04×Aconstruction+0.11×Aunutilized)/A。

(2)

式(2)中,F为生物丰富指数;Acultivated、Aforest、Agrass、Awater、Aconstruction、Aunutilized分别为耕地、森林、草地、水域、建设用地和未利用土地的面积,m2;A为土地总面积,m2。

(3)生态压力度

生态压力度指的生态系统受到外界压力和干扰的程度,经济活动和人类活动都包含在生态压力度中[17]。选取人口和GDP 2个指标表示五台山地区的生态压力度(表1)。

表1 五台山地区生态脆弱性评价指标体系

2.2.2无量纲化

为消除原始指标单位的影响,采用极差法对原始指标进行标准化处理[18],根据各指标与生态环境的关系,将11个指标分为5个正向指标和6个负向指标,具体情况见表1。

2.2.3主成分分析

主成分分析法(spatial principal component analysis,SPCA)主要用较少的综合指标来最大限度保留原来较多变量所反映的信息。选择累计贡献率在85%以上的主成分代替原始指标,确定主因子,在此基础上计算主成分的综合指标[18]:

Fi=α1iX1+α2iX2+…+αpiXp。

(3)

式(3)中,Fi为第i个主成分;α1i,α2i，…,αpi为第i个主成分对应的各个指标的特征向量;X1,X2,…,Xp为各个指标因子。

根据主成分的结果计算生态脆弱性指数(IEV),其基本公式[34]为

IEV=α1F1+α2F2+…+αNFN。

(4)

式(4)中,IEV为生态环境脆弱性指数;F1,F2, …,FN为第1,2, …,N个主成分;α1,α2,…,αN为第1,2, …,N个主成分对应的贡献率,%;N为所保留的主成分个数。IEV值越大,生态环境越脆弱。

为进行生态脆弱性指数之间的有效对比和度量,对IEV进行标准化处理[34]:

(5)

式(5)中,SEVI为标准化后的生态脆弱性指数,其范围为0～10;IEV,i为i区域生态脆弱性指数实际值;IEV,max和IEV,min分别为该地区生态脆弱性指数的最大值和最小值。

2.2.4生态脆弱性分级和生态脆弱性综合指数

结合流域的特征及已有的生态脆弱性分级[35],将五台山地区生态脆弱性分为5个等级,具体情况见表2。

表2 生态脆弱性分级

为了将不同年份不同空间单元的生态脆弱性进行比较,并度量研究区生态脆弱程度的整体情况,采用生态脆弱性综合指数,其公式[36]为

(6)

式(6)中,IEVB为生态脆弱性综合指数;Pi为各脆弱性分级标准值;Ai为等级i的面积,m2;Sj为总面积,m2;n为脆弱等级数。

2.2.5重心迁移

通过计算2000、2005、2010、2015年五台山地区生态脆弱性重心来研究其生态脆弱性的空间动态变化,具体公式[37-39]如下:

(7)

3 结果与分析

3.1 生态脆弱性时空分布特征

分别对2000、2005、2010和2015年五台山地区生态脆弱性的多个指标进行空间主成分分析,得到各主成分的特征值和贡献率,选取累计贡献率在85%以上的主成分代替原始指标,各年份的主成分特征值和贡献率如表3所示。

根据表3和式(4)可以计算五台山地区2000—2015年各时段的生态脆弱性指数(IEV),并根据分级标准(表2),得出2000、2005、2010和2015年4期五台山地区生态脆弱性分级图,结果如图2所示。

五台山地区2000、2005、2010和2015年的生态脆弱性指数分别为3.83、5.34、4.82和5.31,2000年处于轻度脆弱,而2005、2010和2015年均处于中度脆弱,4期生态脆弱性均值为4.83,整体处于中度脆弱状态。

由图2～3可知,2000年五台山地区以微度和轻度脆弱为主,两者占比高达84.97%,微度和轻度脆弱区遍布整个五台山地区,而中度脆弱区占比为14.41%,呈东北—西南条带状分布在五台山地区的北部;2005年五台山地区以中度脆弱为主,面积占比高达51.02%,强度脆弱的比例在升高,达到11.14%,主要分布在五台山的东北角;2010年全区脆弱性降低,以轻度脆弱为主,面积占比达46.77%,强度脆弱性面积比例略有降低,为7.41%,仍零星分布在五台山的东北角;2015年五台山地区以中度脆弱性为主,面积占比达48.13%,而强度脆弱性面积占比在上升,达10.3%,分布区域由区域东北角向整个北部区域蔓延。

3.2 五台山地区生态脆弱性动态变化特征

根据式(7),选取2000、2005、2010和2015年五台山地区的生态脆弱性指数,以每个栅格上的生态脆弱性为权重,计算4个时期的重心,具体结果如图4所示。研究期内,五台山地区生态脆弱指数的重心均落在繁峙县境内。2000年生态脆弱性的重心坐标为39.02° N,113.36° E;之后重心略向东北偏移,2005和2010年重心均在39.03° N,113.37° E附近,最后重心向西南微弱移动,2015年重心坐标为39.03° N,113.36° E。总体而言,2000—2015年五台山地区的重心虽有波动,其趋势是先向东北移动,再向西南移动,但是最终还是回归到39° N,113° E附近。

表3 各成分的特征值、贡献率和累计贡献率

图2 五台山地区生态脆弱性分级

图3 2000、2005、2010和2015年五台山地区不同生态脆弱性等级面积占比

图4 五台山地区生态脆弱性综合指数的重心迁移轨迹

3.3 生态脆弱性区域差异性特征

3.3.1不同行政区的生态脆弱性分析

2000—2015年3个行政区的年均生态脆弱性分级均属于中度脆弱性,最高的是繁峙县(5.34),其次是五台山县(4.59),最低的是代县(4.50)(图5)。具体而言,2000年代县、五台县、繁峙县的生态脆弱性综合指数分别为3.67、3.89、3.88,整体均处于轻度脆弱状态,轻度脆弱面积占比分别为77.86%、55.40%、47.72%,占整个行政区面积的 1/2 左右,而强度脆弱面积占比较低,均不足1%(图6)。2005年3个县的生态脆弱性综合指数都在不断升高,分别达4.77、5.14、5.99,均处于中度脆弱等级,且轻度脆弱面积占比降低,分别为33.66%、25.85%、34.07%,占整个行政区面积的1/3左右,而中度脆弱面积占比在不断升高,分别达62.48%、41.84%和44.75%,超过行政区面积的2/5,繁峙县和代县强度脆弱面积占比也急剧升高,分别达27.93%和5.19%,五台县仍不足1%;2010年3个县的生态脆弱仍保持在中度脆弱等级,但五台县和代县中度脆弱面积占比略有下降,分别降至28.22%和26.55%,而繁峙县中度脆弱面积占比却略有上升,升至49.87%,强度脆弱面积占比在不断降低,但繁峙县和代县仍高达18.49%和3.62%;2015年3个县的生态脆弱性保持在中度脆弱,中度脆弱面积占比都在上升,分别升至51.11%、48.23%、43.17%,超过整个行政区面积的1/4,强度脆弱面积占比在不断上升,分别达21.43%、9.80%、1.20%。总体而言,3个县的生态脆弱性综合指数在不断上升,由轻度脆弱上升至中度脆弱,而脆弱性面积占比处于波动状态,虽强度脆弱面积占比在波动上升,但是3个行政区以轻度脆弱和中度脆弱为主。

图5 2000、2005、2010、2015年五台山地区不同行政区的生态脆弱性指数

3.3.2不同土地利用类型的生态脆弱性分析

将4期生态脆弱性等级分布图与土地利用类型图进行叠加,可以得到各土地利用类型的生态脆弱性等级分布数据(表4)。

根据表4可知,耕地的生态脆弱性总体水平偏高,以轻度和中度脆弱性为主,且随着时间的推移,轻度脆弱性和中度脆弱的面积占比在逐渐降低,轻度脆弱的面积占比由46.33%降至43.10%,中度脆弱面积占比由51.40%降至40.21%,而强度脆弱面积占比由2000年的1.25%上升至2015年的8.16%;林地的生态脆弱性总体较低,以轻度脆弱为主,但轻度脆弱面积占比在不断降低,由2000年的60.65%降至2015年的43.76%,而中度脆弱面积占比在逐年上升,由2000年的2.31%上升至2015年的48.73%,中度脆弱面积占比也升至5.24%;草地的生态脆弱性总体较低,以轻度脆弱为主,轻度脆弱面积占比在逐年降低,由2000年的71.45%降至2015年的26.68%,中度脆弱面积占比逐年上升,到2015年超过了50%,而微度脆弱面积占比降至不足2%;水域以轻度脆弱性为主,但是轻度脆弱面积占比在逐年降低,而中度脆弱面积占比在逐年上升;城乡建设用地生态环境以轻度脆弱和中度脆弱性为主,且强度脆弱面积占比也最大,但随着时间的推移,城乡建设用地的生态脆弱性朝着良好的方向发展,到2015年轻度脆弱面积占比最大,达50%;其他用地则以强度脆弱性为主。

图6 五台山地区不同行政区不同生态脆弱性等级面积占比

4 讨论

基于SPR模型,对五台山地区生态脆弱性的空间分布特征进行了分析。从评价结果来看,王言荣等[40]对山西省县级行政单元的生态环境脆弱性进行分析,表明繁峙县、五台县和代县属于生态环境较差的县。史广等[41]对山西省地级市生态环境脆弱性进行评价,结果表明忻州市生态环境处于中度脆弱性状态。笔者研究结果表明五台山地区生态脆弱性整体上呈现中度脆弱状态,与以上学者的研究结果吻合。张敬[42]基于3S技术对山西省生态脆弱性进行评价,结果表明繁峙县的生态脆弱性指数最高,笔者结论与其一致。主要是由于繁峙县境内矿产资源品种多、储量大、品位高、分布广,其产业结构以第二产业为主,占比超过50%。土地利用类型与生态脆弱性的关系十分密切,不同土地利用类型的生态效益、面对干扰的敏感性、自身的恢复力以及生态压力度等都存在较大的差异,土地利用类型的不同也会导致生态脆弱性存在差异。李珍珍[43]对甘肃省土地利用类型与生态脆弱性的关系进行研究,发现耕地的生态脆弱性以中度为主,林地的生态脆弱性以轻度为主,水域以中度和强度脆弱性为主,建设用地以中度和强度脆弱性为主,未利用地基本都呈强度脆弱性和极强度脆弱性,这与笔者研究结果一致。在构建生态脆弱性评价指标体系时,因生态脆弱性是在人类活动和自然因素共同作用下长期演化形成的生态复合产物,涵盖自然、经济、社会、政策等多方面因素,该研究虽已经尽可能全面地选取评价指标,但由于数据来源不可获取或难以空间化表达等原因的限制,故而指标体系未能全方位反映五台山地区的生态脆弱性状况,有待于进一步完善和提高。该研究以1 km×1 km的栅格单元作为评价对象,但由于五台山地区范围较小,而数据的获取来源有限,因此若能获取分辨率更高的数据,评价结果将会更精确。

5 结论

五台山地区具有独特的生态环境和优势资源,以五台山地区为研究区域,基于SRP模型,运用主成分分析法,结合五台山地区的特点,选取11个指标构建生态脆弱性评价模型,对2000、2005、2010和2015年的生态脆弱性进行计算,系统分析了五台山地区生态脆弱性的时空分布特征、区域差异性分析及动态变化等,以期为五台山的生态恢复及山西省区域可持续发展提供参考。

表4 五区山地区不同土地利用类型的生态脆弱性等级面积占比

(1)五台山地区2000—2015年生态脆弱性整体处于中度状态,生态系统较不稳定,抗干扰与自我修复能力较弱,生态环境质量一般,生态问题较为明显。

(2)五台山地区2000—2015年生态脆弱指数的重心均落在繁峙县境内,重心变化幅度不大,各地区的变化较为均匀。

(3)五台山地区2000—2015年不同县级行政区均属于中度脆弱状态,最高的是繁峙县。3个县的生态脆弱性综合指数在研究期内不断上升,由轻度脆弱上升至中度脆弱,而脆弱性面积占比处于波动状态,虽强度脆弱面积占比在波动上升,但是3个县以轻度脆弱和中度脆弱为主。

(4)不同土地利用类型的生态脆弱性差异显著。耕地的生态脆弱性总体水平偏高,以轻度和中度脆弱性为主;林地的生态脆弱性总体较低,以轻度脆弱为主,水域以轻度脆弱为主;城乡建设用地生态环境的脆弱性以轻度脆弱和中度脆弱为主;未利用地以强度脆弱为主,主要是由于未利用地主要为沙地、荒山、荒滩、戈壁等,水土保持能力很弱,所以生态脆弱性均较高,几乎都是强度脆弱和重度脆弱。