宁夏清水河平原生态脆弱性评价及驱动因子分析

王 婧,康荣华,方 媛,冯 波,高世昌

(1.宁夏回族自治区国土资源调查监测院,宁夏 银川 752100; 2.宁夏大学 土木与水利工程学院,宁夏 银川 752100)

0 引 言

随着社会经济的快速发展,城市化进程不断推进,人类活动对生态环境的影响日益突出[1],水体流失、土地荒漠化、生态多样性锐减、环境污染等生态环境问题不断涌现,直接影响区域自然地理条件和社会经济发展,同时也体现出生态环境的脆弱性。如何科学认识生态环境脆弱性并进行有效治理管控,已成为生态环境建设面临的紧迫问题和艰巨任务[2],生态脆弱性的研究不仅能为区域社会经济发展和生态文明建设提供决策支持,还能为非脆弱生态区的生态环境保护提供借鉴作用和科学依据[3]。目前,国内外相关领域的专家学者对生态脆弱性的研究方式多样,手段方法新颖,从单一方法向数据模型分析、3S空间分析等方法转变,将生态环境脆弱性研究不断深入。徐庆勇等[4]基于GIS技术。利用空间主成分分析方法对珠江三角洲生态环境脆弱性进行了定量评价。金丽娟等[5]基于SRP(Sensitivity-Resilience-Pressure)模型,采用层次分析法对四川省生态脆弱性进行评价。何亮等[6]利用遥感生态指数(RSEI)模型和主成分分析方法(PCA)对塔里垦区2010,2015,2020年生态环境质量做出评价。Malik等[7]通过对气候变化引起的生态暴露度、敏感度、适应能力3方面构建加权气候变化的生态脆弱性指数。Kienberger等[8]提出了生态脆弱性研究的时空尺度和概念框架理论。

中国是世界上脆弱生态类型最多且分布最广、生态脆弱性表现较为明显的国家[9],宁夏回族自治区作为西北干旱荒漠区典型的生态脆弱区之一,近年来受水资源开发和人类活动的影响,出现水土流失、水体污染、水质下降、地下水位下降,土壤盐渍化等生态环境问题,国内目前对宁夏地区生态环境脆弱性开展了一些研究,陈红翔等[10]通过建立SRP模型,对宁夏南部山区生态环境进行了定量评价。苏胜亮等[11]通过构建评价指标体系,分析了宁夏海原县生态脆弱性,并分析了生态脆弱性与经济贫困的空间耦合关系。黄越等[12]基于遥感数据,运用景观格局指数法、空间自相关以及地理探测器等模型对盐池县生态脆弱时空演变格局进行综合评价。

国内外针对生态脆弱性的研究尺度多集中在国家、省域、市域等宏观尺度,对县、乡以及小流域等小尺度的研究较少。而清水河平原作为宁夏南部地区重要的水源涵养地和粮食生产基地,生态环境质量直接关系到区域社会经济可持续发展状况。本文以宁夏清水河平原为研究范围,结合遥感影像、地理信息系统和综合指数概念模型,选取涵盖气象、土壤、水体、人类活动等10个评价因子,通过构建生态脆弱性评价指标体系,采用层次分析法、综合指数法以及主成分分析等手段,分析清水河平原地区2015,2018,2021年的生态脆弱性时空变化趋势以及驱动因素,为宁南地区生态环境恢复及保护治理提供参考依据。

1 研究区概况

清水河平原位于宁夏回族自治区南部(图1),是宁南主要人口聚集区,也是该地区少数宝贵的淡水资源赋存区之一,研究区地处清水河平原上游,为一完整的水文地质单元,行政区划隶属固原市原州区,中卫市海原县部分地段,北起海原七营镇,南至固原三里铺,地理位置介于北纬35°56′～36°34′和东经106°01′～106°19′,属中温带半干旱气候区,气候夏短冬长,四季分明,干旱少雨,降水多集中在6～9月,占全年降水量的60%～70%。

图1 研究区地理位置

清水河平原作为固原地区重要的粮食生产基地,同时也是中国严重缺水地区之一,且资源性缺水和水质性缺水问题并存[3]。20世纪80年代因盲目打井,大量开采地下水,一度造成地下水严重超采,地下水水位逐年下降,一些相应的生态环境问题也接踵而来,加之人类活动剧烈,导致清水河平原区水土流失、水体污染、土地退化等,属于典型的生态环境脆弱区。

2 材料与方法

2.1 数据来源与处理

本次研究所用的数据主要包括遥感数据、气象水文数据、地下水水位埋深及水质化验数据,社会经济统计数据等,具体数据来源与处理如表1所示。

表1 数据来源及处理

2.2 指标选取及评价体系构建

影响生态环境效应的因素很多,主导因素对生态环境质量变化起关键性和控制性作用,构建生态环境脆弱性评价指标体系应遵循相关性、层次性和综合性原则,同时所选取的指标应易于获取和测量[13]。蔡海生等[14]对各评价模型指标体系构建情况进行了具体的归纳,主要划分为目标层、准则层、指标层3个基本结构,对于区域生态脆弱性评价有着重要的指导意义。

结合西北地区生态环境脆弱性特征研究[15],以自然环境因素为主,综合考虑人为作用因素,兼顾指标的科学性、可操作性原则,根据研究区实际情况及生态脆弱性特征,基于层次分析法选取气象因素、水体因素、植被要素、地理要素等自然因素和景观破碎度、人口密度等人为因素,构建一个初步的生态环境脆弱性评价指标体系,其中,景观破碎度指标是利用土地利用类型栅格数据计算得到。体系包括1个目标层,5个准则层,10个指标层,如图2所示。

图2 生态环境评价指标体系

2.3 评价方法

生态环境脆弱性评价方法主要包括层次分析法、模糊评价法[16]、主成分法[17]、综合评价法[18]等12种,其中,层次分析法适用于某一区域内的生态环境脆弱性比较分析,计算过程简单,可根据脆弱生态区域的特点选择不同环境影响因子、权重及评分等级,同时评价结果较为全面,具有综合性和系统性特征[1]。

针对清水河平原研究区生态环境脆弱性评价,本文选用层次分析法建立生态环境脆弱性评价指标体系。考虑到主观赋权法对最终的脆弱性评价结果影响较大,并且赋权的主观性很强,故本文采取分级赋权重的方法,即一级指标分级赋权重,二级指标归一化赋权重,然后加权求和进行综合研究,其计算公式为

(1)

式中:Eevi为生态环境脆弱性综合指数,取值范围为(0,1);Fi为第i个指标指数,Wi为第i个指标对应的权重。

归一化计算公式如下:

(2)

(3)

式中:X′i为第i个评价指标的标准化值;Xi为第i个评价指标原始数值;Xmax为第i个评价指标最大值;Xmin为第i个评价指标最小值。

3 结果与分析

3.1 综合判断标准及结果

根据宁南地区生态环境特点,结合清水河平原3个时期的基础数据选取10个指标并赋予相应的权重(表2),将2015,2018,2021年的评价结果通过Arcgis的自然间断法进行生态脆弱性程度等级划分[19],分为轻度脆弱性、低度脆弱性、中度脆弱性、较高脆弱性和高度脆弱性5个不同等级,具体的脆弱性程度划分如表3所示。

表2 生态环境脆弱性评价指标权重

表3 生态脆弱性分级

3.2 生态脆弱性变化特征

通过GIS克里金空间插值得到研究区不同时期生态脆弱性空间分布图(图3),为表征生态脆弱性时空变化特征,本研究采用自然间断法将其划分为轻度脆弱区、低度脆弱区、中度脆弱区、较高脆弱区和高度脆弱区5个等级。

图3 清水河平原生态脆弱性变化分布

3.2.1 生态脆弱性时空变化特征

从研究区2015,2018,2021年3期生态环境脆弱性变化强度来看,生态环境总体呈现不断改善的趋势,尤其低度脆弱区域面积增加的最为明显,由2015年108.74 km2增加到121.86 km2,2021年上升至177.50 km2,轻度脆弱区面积由132.22 km2减少到119.39 km2,2021年增加到124.10 km2,中度脆弱区面积呈现出先增大后减小的变化趋势。较高脆弱区面积则呈现降低的变化趋势,由2015年的263.21 km2降至192.80 km2,高度脆弱区面积呈微弱增加的趋势,增加比率为9.89%。总体看,2015～2021清水河平原研究区生态环境脆弱等级呈中等偏上的变化趋势,低度脆弱区面积有所增加,增加比率为63.23%,轻度、中度脆弱区面积变化较为平稳,变化比率分别为6.14%和2.15%,较高脆弱区面积减少明显,降低比率为26.75%,从5种脆弱性等级面积百分比分布来看(图4),轻度脆弱性面积占比最少,为14.65%;低度脆弱性面积占比为17.08%;高度脆弱性面积占比为17.20%;中度脆弱性面积占比为24.80%;较高脆弱性面积占比最多,为26.27%。

图4 研究区不同等级生态脆弱性面积对比

空间分布来看,以2021年为例,轻度和低度脆弱区主要集中在清水河平原南部固原市原州区清河镇、中河乡一带,分别占研究区面积的15.47%,24.3%,考虑到南部降水丰富,森林覆盖度面积大,地下水矿化度较低<1 000 mg/L,地下水埋深超过50 m,人类活动相对较少,人口密度低,景观破碎度低,故对生态环境的破坏较轻。研究区脆弱性主要以中度脆弱性和较高脆弱性为主,分别占全区总面积的24.8%和26.3%,其中,较高脆弱地区主要分布在固原市头营镇以北,三营镇以及中卫市海原县三河镇附近,主要原因在于降水减少,地下水矿化度增加到3 000 mg/L,加之处于清水河东岸径流排泄区,区域水环境总体较差,人类活动频繁,景观破碎度较大,因此生态脆弱程度较高,生态环境有待改善。高度脆弱区主要分布在研究区北部,集中在中卫市海原县七营镇附近,考虑到海原县南部位于黄土丘陵沟壑区,坡度大、海拔高、地表植被覆盖较为稀疏、覆盖率较低,自然生态本底较差[10],加之人类活动干扰,从而加剧了该区域生态环境的脆弱程度。

3.2.2 生态脆弱性的空间自相关分析

空间自相关分析是用来度量某一变量在空间的分布特征及其影响程度。空间自相关分析在地理统计学中应用广泛,现已有多种指数可以使用,但最主要的两种指数即Moran的I系数和Geary的c系数[20]。本文借助Geoda软件,利用Moran′sI系数,对研究区生态环境脆弱性指数进行空间自相关分析,以z得分和p值进行检验,当z值为正且显著时,表现为正相关,也就说明相似的观测值(高值或低值)趋于空间集聚;当z值为负且显著时,表现为负相关,也就是相似观测值趋于分散状态;当z值为0,则观测值呈独立随机分布状态。通常用局部自相关指标LISA来揭示空间自相关的空间异质性[21]。

以2021年的分析结果为例说明研究区空间异质性特征。从空间分布集聚性变化格局来看(图5(a)),高值与高值的集聚主要分布在研究区以北大部分,该区域植被覆盖稀疏,地下水矿化度大于3 g/L,生态环境处于高度脆弱等级,低值与低值集聚主要分布在研究区西南部,固原市原州区清河镇和中河乡一带,该区域地下水埋深10～20 m,水体矿化度小于1 g/L,植被覆盖度高,生态环境处于轻度脆弱等级,而低值与高值的集聚主要分布于研究区中部,头营镇以北,三营镇以南的大部分区域,生态环境为中度脆弱。基于Geoda软件得到Moran指数I为0.696,在p=0.05的水平上显著(图5(b)),说明研究区生态脆弱性分布存在一定的正相关且具有较强的集聚性,存在空间异质性分布特征。总体看,绝大部分生态环境脆弱性评价等级在空间分布上都表现出了较强的空间关联性,且空间自相关方式主要以高值与高值集聚,低值与低值集聚体现,而高值与低值区域则在研究区零散分布。从显著性水平分布图(图5(b))可以看出,区域大部分都达到了5%的显著性水平,小部分处于1%显著性水平。

图5 清水河平原2021年生态脆弱性

3.3 生态脆弱性变化驱动因子分析

生态环境脆弱性表现形式多种多样,在不同时空区域,生态环境脆弱性主导驱动因素与其表现形式存在很大的差异[22]。徐庆勇等[4]认为影响珠江三角洲地区生态环境脆弱性主导因素是海拔、土壤、土地利用变化3大要素,韦晶等认为导致三江源地区生态环境脆弱性的原因主要是人为活动剧烈[23]。为进一步分析驱动因子对研究区生态脆弱性空间异质性分布的影响,利用SPSS 26.0对评价指标进行主成分分析,选取累积贡献率排名前5的评价指标,采用地理探测器模型[24-25],对各指标影响研究区生态脆弱性决定力q值进行探测分析。

3.3.1 单因子探测分析

以指标因子为自变量,生态环境脆弱性评价为因变量,q值用来度量每一个自变量对因变量的空间分异程度,最小为0,最大为1,q值越大,表明该自变量对因变量的空间分异解释程度越大[26]。探测结果显示(表4),2015年、2018年、2021年研究区生态脆弱性决定力q值变化趋势基本平稳,从贡献量来看,降雨>TDS>蒸发>地下水埋深>植被覆盖度,说明降雨、TDS和蒸发是控制研究区生态环境脆弱性空间分异的主要驱动因素。

表4 研究区生态脆弱性影响因素探测q值

3.3.2 多因子交互作用探测

生态脆弱性变化不是由单一因子决定的,而是多种因子多方面作用的共同结果,多因子交互作用探测是用来评估每两个自变量共同作用时,对因变量解释能力的增加或减弱,共有5种结果,从弱到强分别是非线性减弱,单因子非线性减弱,双因子增强,独立,非线性增强。本次研究通过对5个指标因子交互计算(表5),得出结果是双因子增强作用,即降雨、TDS、蒸发交互作用对研究区生态脆弱性变化具有最强的解释作用,同时降雨-蒸发,降雨-TDS交互作用也表现出较强的影响力。单因子探测结果显示,降雨对生态环境脆弱性变化影响较大,其与TDS相结合时,呈现出更大的影响力。在两两交互作用中,降雨、TDS、蒸发相互作用是清水河平原生态脆弱性空间分异变化的主要驱动力。

表5 主要指标因子间交互作用

4 讨 论

生态脆弱性是在特定时空尺度上,景观或生态系统相对于外界环境的干扰而表现出的敏感性和恢复能力,是生态系统自身属性在外界干扰作用下的反应[11]。本文基于气象、水体、地理、人类活动5类指标构建生态脆弱性模型,综合运用GIS格网技术、空间自相关以及地理探测器等方法定量分析了清水河平原生态脆弱性时间、空间演变特征以及空间关联性规律,并分析了驱动因素。评价指标具有空间差异性和时间动态变化性,不同地区、不同生态系统类型及同一地区社会发展的不同阶段,生态环境效应评价的指标体系不尽相同[21]。

宁夏清水河平原作为宁南地区重要的水源涵养地,也是典型的生态脆弱区,目前针对清水河平原生态脆弱性时空分布特征及动态变化的研究较少,本文在前人对宁夏南部地区生态环境现状研究的基础上[9],探索建立清水河平原地区生态脆弱性评价指标体系和评价标准,受指标选取、评价方法的影响,评价结果与前人研究成果相比存在差异。从研究区2015,2018,2021年生态环境脆弱性空间分布规律看,中低度脆弱性区域面积增加,高度敏感性区域面积减少,总体看生态环境呈现不断改善的趋势,通过引入空间自相关分析对生态环境脆弱性空间分布规律进行相关性检验发现,绝大部分生态环境脆弱性评价等级在空间分布上都表现出了较强的空间关联性,这也说明在该研究区选择的生态环境脆弱性评价方法具有一定的科学性和适用性。

从研究区生态环境脆弱性指标权重分析结果看,气象与水体因素是生态环境脆弱性权重占比较大的两个指标,然后是植被与人为因素。引入地理探测器模型对影响生态环境脆弱性驱动因素贡献率进行分析。结果表明:降雨、TDS和蒸发是控制研究区生态环境脆弱性空间分异的主要驱动因素,由于研究区处于宁南黄土丘陵半干旱区,蒸发强烈,降雨相对宁夏中北部较为丰沛,也是地下水的重要补给来源,而地下水作为研究区重要的生活和灌溉水源,地下水中的TDS含量对生态环境有着重要的影响,且随着城镇等生活空间扩张,矿产资源开发,占用土地等人为因素会增加生态环境的敏感性。

本次研究从清水河平原生态现状出发,通过科学选取评价指标,构建生态脆弱性评价模型,分析了清水河平原地区生态脆弱性时空演变特征及其空间关联性和异质性,利用地理探测器手段分析生态环境脆弱影响因素,可为后续综合研究宁南地区生态脆弱性奠定基础,其研究结果可为宁南地区生态环境保护和生态可持续发展提供参考依据。

5 结 论

(1) 从2015,2018,2021年3期生态环境脆弱性评价结果来看,清水河平原研究区整体处于中度偏高脆弱性等级,空间上呈现西南低北东高的分布格局。从时间上来看,生态环境质量总体趋于好转,轻度、低度、中度脆弱性面积比重显著增加,而较高和高度脆弱性面积比重呈微弱增加趋势,增加比率不足10%。

(2) 利用主成分分析法,选取累积贡献率较大的5个主成分因子作为影响研究区生态脆弱性的主要驱动因素。地理探测器模型因子探测结果表明,降雨、TDS、蒸发是对生态脆弱性解释力最强的单因子,而降雨、TDS、蒸发多因子交互作用成为研究区生态环境脆弱性的主要驱动力。

(3) 空间自相关结果表明:研究区生态脆弱性呈现出显著正相关,具有较强的集聚性,存在空间异质性特征:高值与高值聚集区域主要分布在清水河平原西南部,固原市原州区一带,低值与低值聚集区分布在研究区北部,三营镇以北。研究区生态环境脆弱性评价等级分布格局与空间自相关得到的集聚分布一致,表明空间自相关得到的结果与清水河平原地区生态脆弱性分布现状基本一致。因此,本次研究的方法能够真实科学反映研究区生态脆弱性的空间分布,为今后生态环境的研究治理提供依据。