基于多源数据的三江源国家公园土地生态安全综合评价

张晓瑶,虞 虎,张 潇,周 侃,*

1 中国科学院地理科学与资源研究所,区域可持续发展分析与模拟重点实验室, 北京 100101 2 中国科学院大学资源与环境学院, 北京 100049 3 华东师范大学城市与区域科学学院, 上海 200241

土地是人类生存与发展的物质基础[1—2],土地利用变化是人类活动的直接反映[3]。全球气候变暖与人类活动日益成为三江源国家公园土地利用变化的关键因素[4—5],气候变暖造成的降水增加一方面使三江源国家公园进入暖湿周期[6],有助于植被生长期的延长、产草量的增加[7],另一方面也会因冰川、冻土融化而加剧水土流失[8]。近几十年来,城镇化进程加快、过度放牧等人类活动表现剧烈,国家公园地区建设用地面积的增加对耕地、草地、林地等自然景观产生较大影响。脆弱的生态环境基底与紧张的人地矛盾,使三江源国家公园生态安全问题日益突出[9],严重制约了土地资源的可持续利用[10]。因此,土地生态安全评价对于认识和解构三江源国家公园生态安全状况及变化趋势具有重要意义。

国外学者的相关研究多集中在土地评价、生态风险评价、生态系统服务价值评价等方面[11—12],与国内“土地生态安全评价”完全对应的研究较少[13],但国外构建的PSR、DPSR、DPSIR等模型为土地生态安全评价提供了良好的研究路径[14]。国内对土地生态安全评价研究处于探索阶段[15],一些学者对土地生态安全概念开展了积极研究。目前已有的研究多聚焦于土地生态安全评价指标的选取[16]、土地生态安全评价方法的选择以及土地生态安全阈值的界定[17—18]。其中在构建评价指标体系方面主要借助概念模型(PSR、DPSIR等)或框架模型(EES、NES等)两类模型[19—20],两类模型为研究提供了较清晰的逻辑思路,具有较强的科学性和针对性,但由于两类模型本身并非针对土地生态安全评价而设计[21],其评价体系较侧重社会经济层面,难以完整表征土地生态安全状况[22]。基于此,本研究参考相关研究[22—23],在土地生态安全综合评价指标中融入冻土稳定型分布、景观生态安全指数和生态系统服务价值,在一定程度上规避了传统评价方法过于依赖社会经济统计资料而忽视土地利用分布的局限。

本研究以三江源国家公园为案例区,选择多源数据,综合研究区自然人文情况,在PSR理论框架中融入冻土稳定型分布、景观生态安全指数、生态系统服务价值等具有区域独特性的指标,尝试构建三江源国家公园土地生态安全综合评价指标体系,以全面表征三江源国家公园的生态环境现状及潜力,为三江源国家公园地区土地资源可持续利用和土地生态安全的改善规划提供参考借鉴。

1 研究区域与数据

1.1 研究区域概况

三江源国家公园位于中国西部、青海省南部,是长江、黄河和澜沧江的源头汇水区,地理位置介于东经89°50′57"—99°14′57",北纬32°22′36"—36°47′53"之间。三江源国家公园由长江源、黄河源和澜沧江源三个园区组成,涉及治多、曲麻莱、玛多、杂多四县和可可西里自然保护区管辖区域。三江源国家公园拥有丰富的自然资源和重要的生态功能,是中国江河中下游和东南亚国家环境的生态保障,其地理位置的特殊性、生物资源的多样性以及生态功能的重要性,使其成为我国重要的生态安全屏障(图1)。

图1 研究区概况

1.2 数据来源

本研究涉及的社会经济数据主要来源于《2016年青海省统计年鉴》、《2016年青海省国民经济和社会发展统计公报》、青海省所辖县地方志以及2016年政府网站公布的经济、社会发展统计公报。遥感影像数据中土地利用数据和NDVI数据主要获取自国家青藏高原数据中心(http://data.tpdc.ac.cn/zh-hans/),DEM数据主要来源于地理空间数据云(http://www.gscloud.cn/)。环境数据主要包括气象数据和土壤数据,获取来源为中国科学院资源环境科学数据中心(https://www.resdc.cn/)。

2 研究方法

2.1 单元格网划分

单元格网是进行区域土地生态安全评价的最小单元。本研究在借鉴相关研究的基础上,综合考虑研究区实际范围的前提下,以研究区景区斑块平均面积的2—5倍为划分原则[24],采用格网技术将研究区划分为1431个10km×10km的独立评价单元。

2.2 景观生态脆弱性

景观结构赋予景观以功能属性,景观功能的差异化也是结构差异的重要体现[25],景观结构和功能对景观生态安全的影响程度同等重要[5]。本研究综合景观格局脆弱性指数和景观功能脆弱性指数,将两者的几何平均值作为景观生态脆弱性值。

(1)景观格局脆弱性(LSV)：一般通过景观敏感度指数(LSI)和景观适应度指数(LAI)构建而成,其中景观敏感度指数由景观干扰度指数(Ui)和景观易损度指数(Vi)构成[26]；景观适应度指数主要由斑块丰富密度指数(PRD)、香农多样性指数(SHDI)和香农均匀度指数(SHEI)构成[27]。计算公式如下：

(1)

LAI=PRD×SHDI×SHEI

(2)

LSV=LSI×(1-LAI)

(3)

式中,n为景观类型数量；i为某一景观类型；Aki表示第k个小区域内第i类景观类型在网格内所占面积；Ak为第k个小区域的面积。

(2)景观功能脆弱性(LFV)：利用生态系统服务价值当量因子算法对景观功能脆弱性进行量化,参照生态系统服务价值当量表示景观类型的功能差异性[26]。计算公式如下：

(4)

式中,Ai表示第i类景观类型在网格内所占面积；m表示景观类型数量；A表示网格面积；ESVi表示第i类景观类型生态系统服务；LFV表示景观功能脆弱性。

(3)景观生态脆弱性[28],计算公式如下：

(5)

式中,LEV表示区域景观生态脆弱性；LSV表示景观格局脆弱性;LFV表示景观功能脆弱性。

2.3 构建评价指标体系

2.3.1指标选取

本研究引入PSR(Pressure-State-Response)作为评估三江源国家公园景观生态脆弱性的概念模型,该模型由压力(P)、状态(S)和响应(R)三个子系统构成,其中压力表征外界扰动对研究区生态环境安全产生的压力作用,状态是研究区生态环境应对压力系统的能力,而响应则是研究区生态环境管理部门在面对压力与状态时采取的相应缓解措施[29]。PSR模型是解释人类活动与生态环境变化间因果关系的有效途径[30],展现了多重因素对研究区生态环境的破坏、反馈与保护的全过程。

在PSR模型框架下,借鉴已有研究成果,基于数据可获性、全面性和动态性等原则,充分考虑三江源国家公园内的自然生态环境与社会经济发展情况,选取各项指标。为弥补PSR模型在土地生态安全方面反映的不足,本研究在选取指标时强调所选指标与土地生态安全的相关性[31],选取了农作物播种面积、化肥施用强度、冻土稳定型分布、土壤侵蚀、生态系统服务价值和景观生态安全指数等指标,共计26项。为确保选择指标的合理性,本研究采用相关性分析,筛选标准为相关性高于0.60,最终筛选出相应的21项指标,构建了三江源国家公园土地生态安全综合评价指标体系(表1)。

2.3.2评价指标标准化与权重确定

熵权法作为一种客观赋权方法,在求解权重过程中能有效避免人为主观因素对其的干扰[11]。本研究采用熵权法对各项指标进行权重求解(表1)。具体流程如下：

表1 三江源国家公园土地生态安全评价指标体系及其权重

(1)指标标准化处理：

(6)

(7)

式中,Yij为标准化后的值；Xij为第i年第j项指标原始值；Xmaxj和Xminj分别是对应指标的最大值和最小值,为避免0值,参考前人研究[23]设置修正值a,a取值为0.9。

(2)计算指标信息熵(Ej)：

(8)

(3)权重计算：

(9)

2.4 土地生态安全综合评价

2.4.1土地生态安全指数

土地生态安全指数是区域土地生态安全程度的重要表征[32],其计算主要采用综合评价模型,值域范围为[0,1]。计算公式如下：

(10)

式中,ESI为第i个区县的土地安全指数；Pj为第j个指标标准化后的值；Wj为第j个指标的权重。

2.4.2土地生态安全等级划分

在已有研究基础上[33],充分考虑三江源国家公园景观生态脆弱性和生态环境的特殊性,对土地生态安全指数进行修正划定。将土地生态安全等级划分为Ⅰ不安全、Ⅱ较不安全、Ⅲ临界安全、Ⅳ较安全和Ⅴ安全5个等级(表2)。

表2 三江源国家公园土地生态安全综合评价指数等级划分

2.5 地理探测器模型

地理探测器是一种可以揭示主导因子的统计学新方法[34],它也是基于空间叠加技术和集合论而提出的一种分析方法[35]。由于三江源国家公园土地生态安全指数在空间分布上存在显著的异质性与分层性,且影响因子较多。因此,本研究借助地理探测器识别主导影响因子,并探讨不同园区影响因子的差异性。具体公式如下：

(11)

式中,D为影响因子；H为面积指标；PD,H为D对H的解释力；n和σ2分别为三江源国家公园土地生态安全指数的整体样本个数和方差；m为某种因子的分类个数；nDi为指标D在i类上样本的个数。PD,H取值范围为[0,1],数值越大则表明该因子对三江源国家公园土地生态安全的影响越大。

3 结果与分析

3.1 景观生态脆弱性分析

依据三江源国家公园景观生态脆弱性基本情况,借助自然间断点分级法将研究区内的景观生态脆弱性指数划分为五个脆弱等级,分别是低脆弱区(≤0.30)、较低脆弱区(0.30—0.37)、中等脆弱区(0.37—0.49)、较高脆弱区(0.49—0.64)、高脆弱区(≥0.64),等级越高说明景观生态系统的植被覆盖度越低,应对外界扰动能力越弱,景观生态脆弱性越大。三江源国家公园景观生态脆弱性指数总体为0.34,脆弱性等级属于较低脆弱区,说明三江源国家公园景观生态环境较优良,生态脆弱性普遍较低(表3)。

表3 三江源国家公园景观生态脆弱性指数及等级情况

不同园区景观生态脆弱性存在较显著差异,其中长江源园区景观生态脆弱性等级最高,为中等脆弱区,景观生态脆弱性指数为0.38；黄河源园区脆弱性仅次于长江源园区,其脆弱性等级与三江源国家公园整体脆弱情况较为一致,为较低脆弱区,景观生态脆弱性指数为0.32；相较于其他两个园区,澜沧江源园区景观生态环境较优良,景观生态脆弱性指数为0.27,脆弱性等级为低脆弱区。

三江源国家公园景观生态脆弱性等级分布表现出空间集聚态势,且各等级脆弱区相互嵌套(图2)。高脆弱区与较高脆弱区交错分布于长江源园区北部、西北部,以及黄河源园区北部,其中长江源园区分布规模相对较大,分布位置多集中于园区北部、西部及西南部边界地带。中等与较低脆弱区分布相对较为零散,多以高脆弱区与较高脆弱区为核心环绕分布。

图2 三江源国家公园景观生态脆弱性空间分布情况

3.2 土地生态安全综合评价结果分析

三江源国家公园土地生态安全综合评价指数为0.3738,依据土地生态安全分级标准(表2),其土地生态安全等级属于较不安全,说明三江源国家公园受外界开发破坏影响,土地生态系统问题较多,自我恢复能力较差,需借助外力才能恢复。比较三园区土地生态安全情况发现(图3),长江源园区与澜沧江源园区的土地生态安全指数相对较低,分别为0.3481和0.3371,其值处于0.38—0.49间,土地生态安全等级为较不安全。而黄河源园区的土地生态安全指数最高为0.4863,等级属于临界安全,由此说明黄河源园区的土地生态系统虽然受到外界的干扰破坏,但其结构与功能基本保持完善,存在一定的自我恢复能力。

图3 三江源国家公园各土地生态安全等级面积占比

3.2.1土地生态安全面积组成结构分析

三江源国家公园内,较不安全等级区覆盖面积最大,为67997.5km2,占区域总面积的55.31%,其次为临界安全区,面积占比为23.21%,面积占比最小的等级区为不安全区,其覆盖面积为4924.23km2,仅占总面积的4.01%。三江源国家公园土地生态安全等级总体偏低,如何优化生态环境,完善生态保护网络建设成为该区域亟待解决的关键问题。

由于三江源国家公园各园区的生态本底条件与受外界干扰程度不同,使得各园区在土地生态安全面积组成结构上表现出显著的异质性。长江源园区与澜沧江源园区土地生态安全等级的面积组成结构较为一致,均表现为较不安全区等级为主,临界安全等级次之,其余土地生态安全等级少量分布。但在澜沧江源园区土地生态安全等级面积组成结构中缺少安全等级的分布,较不安全区面积占比也相对较高,为75.38%,临界安全与较安全等级的面积则相对较低,为19.70%和1.37%。由此说明,虽然长江源园区与澜沧江源园区的土地生态安全等级的面积组成结构较为一致,但与长江源园区相比,澜沧江源园区的土地生态安全状况较为恶劣。黄河源园区的土地生态安全状况较好,临界安全及其以上等级面积占总面积的93.94%,其中较安全等级的面积占据主导,为56.93%,临界安全面积次之,为32.36%。黄河源园区的安全等级面积分布情况在三个园区中也是最为良好,面积占比为4.65%。

3.2.2土地生态安全空间分布分析

三江源国家公园土地生态安全的Moran′sI指数为0.8047,通过了α=0.01的显著性检验,说明研究区土地生态安全呈显著空间集聚态势。HH集聚区与LL集聚区分布相对割裂,HH集聚区主要分布在长江源园区南部、西南部和黄河源园区北端、东南端,其中长江源园区南部的HH集聚呈连片分布态势,其余区域的HH集聚区分布较为零散。LL集聚区整体呈轴带状分布在长江源园区北部边界地带和黄河源园区中部偏北地区。LH集聚区与HL集聚区表现出显著的环绕特征,LH集聚区主要以HH集聚区为中心散落环绕分布,而HL集聚区则多以LL集聚区环绕布局(图4)。

图4 三江源国家公园土地生态安全综合指数的局部自相关特征

土地生态安全区分布在长江源区内的治多县与曲麻莱县交界处,以及黄河源园区南北两侧边缘区,较安全等级区与安全等级区嵌套分布,并在长江源园区南部与唐古拉山镇交界地区,以及黄河源园区北端、东南端形成高值集聚,不安全等级则主要集聚在长江源园区西北端,仅有少量散落在黄河源园区(图5)。这与上述土地生态安全的HH集聚区和LL集聚区分布情况较为一致,一定程度上对其结果进行了验证。较不安全等级区占据三江源国家公园大部分面积,且与临界安全区在三个园区内大规模交错分布。与长江源园区和黄河源园区复杂的土地生态安全等级分布格局相比,澜沧江源园区的土地生态安全等级结构相对简单,仅有少量不安全等级分布在南部,临界安全与较不安全等级区成为澜沧江源园区的主体。

图5 三江源国家公园土地生态安全综合指数空间分布

3.3 主导因素识别

土地生态安全状况是多种因素综合作用的结果,识别其主导因素对于三江源国家公园土地生态保护政策的制定具有重要意义36]。本研究主要采用地理探测器,从社会、经济、生态等方面选取了21项指标,对影响三江源国家公园及各园区土地生态安全状况的主导因素进行识别。在使用地理探测器之前,需要对输入数据进行分类化处理,本研究主要采用自然间断点分级法将指标划分为5个层级,以实现连续变量转化为类别变量[37]。识别结果显示,居民点密度、水网密度和景观生态脆弱性的q值最大,分别为0.2464、0.3592和0.2466,这三个因素是三江源国家公园土地生态安全指数的主要影响因素；而坡度、草地退化指数和旅游产业收入的q值分别为0.0036、0.0126和0.0212,说明这三个因素对三江源国家公园土地生态安全指数的影响相对较小(图6)。

图6 三江源国家公园土地生态安全状况主导因素识别

其中,水网密度对三江源国家公园土地生态安全指数的解释力最大。周天元等指出水网密度与湿地生态系统的稳定性和维持功能具有较为密切的联系[38]。通常地,以蓝水资源存在的河流网络对地表植被较缺少的三江源国家公园土地生态系统的生产、服务功能维护具有重要意义,水网密度越高越有利于维持区域内的湿地生态系统稳定性和健康状态。但由于三江源国家公园地区的国民经济主要以畜牧业为主,畜牧业对于水资源的依赖性使得该区域的居民更倾向在河流附近生活,人口在河流两岸集聚,造成河流两岸居民点密度增加[39]。随着人口聚集规模扩大,对地表水资源需求量也在不断增加,水库、池塘等水利工程的建设导致人类干扰强度加剧。景观生态脆弱性对土地生态安全状况具有较强的负向驱动作用,由于景观生态脆弱性是人类活动对景观生态系统的影响以及系统自身所具备的应对能力的反映[40],其值越高说明该区域的景观生态系统对来自人类活动或自然环境变换扰动的应对能力就越弱,进而影响土地生态系统的自我恢复能力,不利于土地生态系统安全状况的维持。因此,三江源国家公园的土地生态安全状况受人类活动扰动程度与生态系统脆弱性的综合作用。

4 讨论与结论

4.1 讨论

土地生态安全状况分析显示,三江源国家公园土地生态安全指数为0.3738,属于较不安全等级,土地生态安全状况较差,该研究结果与前人的相关研究评价基本一致[40]。三江源国家公园地处青藏高原腹地,以山原和高山峡谷地貌为主,冻融侵蚀作用强烈,拥有独特的高寒植被生态系统。本研究立足于三江源国家公园土地生态系统的本质属性和核心特征,在构建指标体系中选取了能够反映三江源国家公园土地生态安全状况和区域特征的关键指标,如土壤侵蚀度指数、草地退化指数、土壤湿润度指数、冻土稳定型分布、景观生态脆弱性和生态系统服务价值等,以凸显本研究所构建的土地生态安全评价体系的独特性和针对性,提高评价的准确性、科学性,对于指导区域未来土地生态治理建设规划具有重要意义。

通过地理探测器的主导因素识别发现,居民点密度、水网密度和景观生态脆弱性是三江源国家公园土地生态安全的主要影响因素。有研究表明，自然条件恶劣、草地退化、水土流失和生物多样性萎缩是造成三江源地区生态环境大规模脆弱的主要原因，人类与经济活动是对区域产生明显影响的人文因素[41]。本研究识别出的主导因素与前人研究指出的三江源国家公园面临的主要问题较为一致。由此建议,三江源国家公园应不断深化国家公园体制试点工作,实施退牧还草、退耕还林,以优化生态系统结构[42],通过增强植被生态系统及其功能整合性,改善区域河流供水能力。同时,应在最大程度上减少人类活动,引导生活在三江源国家公园核心区、缓冲区的居民逐步、有序转移,以减少其对生态环境的压力,通过农耕生态治理、自然修复等方式重新合理规划已迁出居民点,以达到生态恢复的目标[43]。

土地生态安全评价是一项复杂系统功能,其研究涉及的数据呈现多源性、本土性、多层次性的特征。本研究构建的三江源国家公园土地生态安全评估框架,借鉴前人已有成果[37],因地制宜考虑了研究区的自然人文情况,并通引入生态系统服务价值与景观生态脆弱性指数优化土地生态安全评价的合理性。由于数据获取的局限性,本研究仅对三江源国家公园土地生态安全格局进行横向对比,未能对其时序变化进行较细致分析,未来研究中将加强横向、纵向的多源数据收集,深化对三江源国家公园土地生态安全的探索。土地生态安全评价是土地生态安全研究的起点并非终点,将评价、检测、调控、管护一体化应用于土地生态安全研究,才能实现土地生态安全研究的合力[13]。因此,未来应突破就评价而评价的思维局限,系统构建集“监测-评价-预警-调控”于一体的土地生态安全研究框架体系。

4.2 结论

本研究以三江源国家公园为研究区,基于PSR模型构建三江源国家公园土地生态安全评价指标体系,并通过GIS空间分析方法,分析三江源国家公园土地生态安全空间格局,同时借助地理探测器软件识别其主导因素。主要结论如下：

(1)三江源国家公园景观生态脆弱性等级属于较低脆弱区,研究区整体生态脆弱性较低。其中长江源园区景观生态脆弱性等级较高,为中等脆弱区,黄河源园区脆弱性次之。相较于其他两个园区,澜沧江源园区景观生态环境状态较优,为低脆弱区。高脆弱区与较高脆弱区交错分布于长江源园区北部、西北部,以及黄河源园区北部,中等脆弱区与较低脆弱区多以高脆弱区与较高脆弱区为核心呈零散分布。

(2)三江源国家公园土地生态安全等级的面积组成结构存在区域差异。三江源国家公园整体土地生态安全状况为较不安全等级,其面积占总面积的55.31%,其次为临界安全区,面积占比为23.21%。长江源园区与澜沧江源园区土地生态安全等级的面积组成结构较一致,均表现为较不安全区等级为主,临界安全等级次之,其余土地生态安全等级少量分布。黄河源园区的土地生态安全状况较好,临界安全及其以上等级的面积占总面积的93.94%,其中以较安全等级为主,临界安全面积次之。

(3)三江源国家公园土地生态安全状态分布具有空间集聚性。土地生态较安全区和安全区分布于长江源园区中南部,以及黄河源园区南北两侧边缘区,较不安全区和临界安全区在长江源园区、澜沧江源园区以及黄河源园区交错且连片分布。

(4)基于地理探测器模型的自然生态和社会经济影响因素识别结果显示,居民点密度、水网密度和景观生态脆弱性是影响三江源国家公园土地生态安全的主导因素,揭示了人类活动扰动程度与生态系统脆弱性对国家公园土地生态安全状况的综合作用。