發布時間：2020-09-08所屬分類：管理論文瀏覽：1次
摘 要： 摘 要:為及時掌握川西北高原區生態環境脆弱性狀況,以 RS和 GIS為技術手段,選擇高程、坡度、土地利用類型等9 項指標,完成了該地區20002015年生態環境脆弱性評價分析。結果表明:(1)整個高原區生態環境的脆弱性呈現自西向東逐漸降低的變化趨勢。(2)微度和重度柵
摘 要:為及時掌握川西北高原區生態環境脆弱性狀況,以 RS和 GIS為技術手段,選擇高程、坡度、土地利用類型等9 項指標,完成了該地區2000—2015年生態環境脆弱性評價分析。結果表明:(1)整個高原區生態環境的脆弱性呈現自西向東逐漸降低的變化趨勢。(2)微度和重度柵格比例分居最大和最小,潛在、輕度和中度比例依次遞減,且輕度及以下柵格比例達到75%以上,該地區整體處于中等脆弱水平。(3)整體趨勢變化分析表明,15年內該地區脆弱程度明顯加重的區域僅有6.92%,而明顯好轉和未發生明顯變化的區域占據93.08%,區域生態環境整體處于明顯好轉的變化狀態。(4)驅動力分析表明,系列生態環境保護措施的實施是主要驅使地區生態環境好轉的因素,而大量水電基地的建設也對較小部分地區的脆弱程度產生一定威脅。
關鍵詞:生態環境脆弱性;RS;GIS;川西北高原區
生態環境脆弱性作為全球地理學、生態學及環境科學學科領域研究的核心熱點之一,是自然與人為因素共同作用的結果,能客觀地描述區域生態環境質量的優劣程度[1]。科學地進行區域生態環境脆弱性評價及動態監測,對地區生態環境的保護與恢復治理措施的制定與實施具有重要的科學參考價值[2]。雖然我國學者們對區域生態環境脆弱性的研究起步相對較晚,但經過30多年的努力該學科領域發展速度迅猛。楊琴業[3]于1992年,首次完成了我國生態環境脆弱區等級分布圖的編制,促使人們對區域生態環境脆弱區的認識進一步加深,研究的腳步也加快。目前,學者們已經在內涵定義[4-6]、評估模型[7-9]、監測技術手段[10-12]等方面取得系列重要研究成果。
相關期刊推薦：《水土保持研究》(雙月刊)創刊于1985年，是由中國科學院、中國科學院水利部水土保持研究所主辦的地球科學類期刊。及時報道本學科前沿領域科學理論、技術創新及其實踐應用研究最新成果，積極引導和推動水土保持學科和水土保持實踐的發展與繁榮。從事水保科技研究、教學與推廣的科教工作者及有關行政管理人員;國內外環境科學、地學、農業、林業、水利等相關學科科教人員及大專院校師生。
川西北高原區地處青藏高原東南緣,其不僅是四川省重要的生態功能區也是長江上游重要的水源涵養區;然而,由于受海拔高、地勢陡峭、溫度寒冷、地質條件復雜等自然條件的限制,其生態系統先天脆弱; 加之,林草地、耕地及水電資源長期不合理的開發利用,導致其不僅未能發揮生態屏障的作用,反而成為四川省生態環境問題突出的典型區域之一[13]。
然而,迄今為止對該地區生態環境脆弱性進行評估,并對其時空變化規律和主要驅動力進行探索分析的研究卻仍出于空缺。為彌補這一不足,及時掌握該區域生態環境脆弱性的真實變化和主要驅動因素,研究結合 RS和 GIS技術從地形、土地、氣候和社會經濟等方面出發,選取高程、坡度、NDVI等共計9項指標,完成該地區不同年份的脆弱性現狀評價。此外, 研究還引 入 一 元 線 性 回 歸 和 主 成 分 分 析 模 型 對 其 2000—2015年的生態環境脆弱性變化規律與主要驅動因素進行探索分析,以期為實現地區生態環境的有效保護與恢復治理提供科學的理論參考和技術支持。
1 研究區概況
川西北 高 原 區 地 處 青 藏 高 原 東 南 緣 (97°24'— 107°42'E;31°20'—34°08'N),幅 員 面 積 約 8.2 萬 km2,是長江、黃河重要的水系發源區,也是四川省重要的生態功能區和典型的生態環境脆弱區。該地區地跨甘孜和阿壩兩個少數民族自治州,包括若爾蓋、紅原、阿壩縣等8個縣級行政單元,地勢呈現東低西高的變化形態,地貌類型主要為丘狀高原,平均海拔約4098m,年均溫度為-7.36~9.07℃,降水主要集中于5—10 月且年降雨量在 447.54~859.93 mm。同時,該區域土壤類型在空間分布上也呈現出明顯的差異,主要土壤類型為黑氈土、草氈土、灰褐土等。
2 研究方法
2.1 數據來源
研究獲取的基礎數據包括空間和屬性兩類�？臻g數據有:(1)90m×90m DEM,源于地理空間數據云平臺;(2)2000—2015年6—8月 NDVI數據,來源于 NASA;(3)1∶10萬土地利用類型數據,源于中國科學院資源環境科學數據中心(http:∥www.resdc.cn); (4)1∶100萬土壤類型數據,來源于中國土壤數據庫; (5)1∶10萬土壤侵蝕數據,源于地球系統科學數據共享服務平臺(http:∥www.geodata.cn)。屬性數據包括:(1)2000—2015年氣象站觀測的年均溫度和年降水數據,來源于中國氣象數據網;(2)2000—2015年高原地區社會經濟數據,來源于《甘孜州統計年鑒》和《阿壩州統計年鑒》(2001年、2006年、2011年、2016年)。
2.2 指標體系構建
研究在參考已有成果的基礎上[7,14-16],遵循指標選取的相關原則,結和區域實際狀況從地形、土地、氣候和社會經濟等系統出發,選取高程、坡度、NDVI、人口等9個評價指標(表1)。
2.3 基礎數據處理
(1)數據插值。為實現統計數據可視化處理,研究以 ArcGIS10.4軟件為工具,采用反距離權重模型完成人口和 GDP 數據的空間插值;以 ANUSPLIN 4.37為工具完成氣象數據的可視化處理,其將 DEM 作為協變量參與運算,更好地提高了插值結果的準確性[17]。
(2)數據分類定級。由于各指標數據在表達方式、數量級及量綱上均存在明顯差異,不存在直接可比性。因此,研究在參考已有成果的基礎上[2,4]將各指標劃分為5個不同等級(圖1)。
一方面,就土地利用和土壤類型兩個數據而言, 主要通過參考已有成果實現數據分級。通過建立土地利用 與 土 壤 侵 蝕 類 型/強 度 的 關 系 完 成[7,16](表 2);土 壤 的 可 侵 蝕 K 值 是 通 用 水 土 流 失 方 程 (USLE)的一項重要組成部分,將 K 值與土壤保水性、貧瘠程度相合實現其分等定級[14-16](表3)。
另一方面,針對高程、坡度、NDVI和年均溫度等 7個數據,則從數據聚類原理出發,采用自然斷點的方式完成,其以數據空間聚類原理為依據,對數據實現分類定級,客觀程度上較好地實現了數據分類的 “物以類聚”[15,18](表4)。
(3)坐標系統與格式的統一。為實現9項指標在空間位置上具有較好的重合性,規定所有指標分辨率均為250m×250m,且坐標系統為 Albers投影系統。
2.4 評價模型
2.4.1 數據標準化 對數據進行標準化處理能提高其收斂性[18-20],進一步提高數據處理的準確性,研究采用極差數學模型實現各指標的標準化,僅溫度、降水、NDVI為負相關指標,
2.4.2 指標權重 由于各指標在信息上存在關聯性, 信息的重疊會對評價結果的準確性造成一定干擾�？臻g主成分能實現各指標信息的降維重組,將多個指標轉換為關聯性極低的幾個少數綜合指標[21-24]。研究對9 個指標進行主成分分析,最終選取累計因子貢獻率達到 85%以上的前5個變量為主成分因子(表5)。
2.4.3 脆弱性指數 生態環境脆弱性是人為與自然環境的共同影響的結果,將各指標因子進行加權疊加才能客觀全面地對其真實狀況進行表征[4,18,21]。研究采用因子加權計算模型完成其指數 EVI的計算, 對其進行定量描述。
3 結果與分析
3.1 空間分布特征
由圖2可知,整個研究區生態環境脆弱性呈現出自西向東逐漸降低的梯度變化,西部相比東部地區生態環境的脆弱程度更加嚴重,生態環境整體質量和生態系統的穩定性、自我恢復能力也相對更差。同時,各等級脆弱區在空間分布上也呈現出明顯的地域差異性;潛在和微度脆弱區約占整個地區的60%,在整個地區的比例最大且分布范圍也最廣,生態系統結構相對完成,系統的穩定性和抗干擾能力相對較強, 生態景觀主要是以有林地、灌木林和高覆蓋草地等, 區內有眾多徑流量大的江河水系流過,建設有較多的水電基地;輕度脆弱區約占據整個地區的20%左右, 主要分布于研究區中西部,是人類活動和社會經濟發展的核心地帶,耕地和城鎮建設用地均主要集中于該區域范 圍 內,此 外 還 有 低 覆 蓋 草 地、其 他 林 地和疏林地等生態景觀;中度和重度脆弱區約占整個地區的18%,主要分布于石渠縣大部分、甘孜和德格縣南部的小部分區域,這些地區海拔高,溫度寒冷,幾乎沒有人類活動和植被覆蓋度極低,地貌類型主要為高山和極高山,生態景觀以裸土地和冰川雪被為主,生態系統的結構嚴重缺損,系統極不穩定且抗干擾能力也基本沒有。
3.2 結構特征
根據川西北高原區生態環境脆弱性分級標準,對該地區不同年份的評價結果進行等級劃定,并對其結構特征進行分析(表7)。
通過對15a內各脆弱區的柵格比例分析可知,各脆弱區的比例關系為微度>潛在>輕度>中度>重度,微度和重度脆弱區分列該地區的首尾兩端;以2015年為例,微度和重度的柵格比例分別為38.24%,7.24%,位居首尾;其次,潛在、輕度和中度的比例分別為25.24%, 20.23%,9.06%,位居中間,且呈現逐漸遞減的變化狀態; 此外,2000年、2005年、2010年、2015年輕度及以下脆弱區的柵格比例分別為77.87%,81.69%,82.63%,83.7%, 占據整個區域的絕大部分,這客觀程度上可以反映出該地區生態環境整體一直處于輕等脆弱水平。
3.3 整體趨勢變化
通過比較 15a內各脆弱區柵格比例變化狀況 (圖3)可知:潛在、微度和輕度這3類脆弱區的柵格比例均呈 現 增 加 的 變 化 狀 態,分 別 增 加 了 1.85%, 2.02%,1.97%;微度脆弱區的增加幅度最明顯,而潛在脆弱增加的比例最小,輕度脆弱居中;相反,中度和重度的柵格比例在整個時期內柵格比例均一直呈現減少的變化狀態,15a內它們分別減少了3.63%, 2.2%;且 相 比 重 度 中 度 脆 弱 柵 格 整 體 減 少 的 幅 度更明顯。
通過分析川西北高原區2000—2015年生態環境脆弱性指數斜率變化(圖4)可知:整個研究區有61.95%的柵格像元為負值,即其脆弱性指數呈現減小的變化狀態,僅有38.05%的柵格像元為正值,數值為增加的變化狀態。F檢驗結果顯示:15a內,生態環境脆弱性顯著降低(X<0,p≤0.05)環境質量整體明顯好轉的區域比例達到54.43%,在整個研究區內均有分布且大多主要集中于若爾蓋、紅原和阿壩縣;而無顯著降低(X<0, p>0.5)和 增 加 (X >0,p >0.05)的 柵 格 比 例 為 38.65%,大部分主要集中分布于研究區的中西部區域,其生態環境的脆弱程度和質量均無明顯的變化; 而脆弱性顯著增加的比例僅有6.92%,且大部分主要分布于甘孜、石渠和色達3個縣中部區域。
綜上所述,結合15a內各等級脆弱區柵格比例和斜率變化狀況可知,該地區整體的生態環境脆弱性呈現明顯降低的變化狀態,生態環境整體的質量有好轉的變化趨勢。
4 討 論
4.1 主要驅動力因素
為了解影響該地區生態環境脆弱性變化的主要驅動因素,研究采用主成分分析對各因子進行分析 (圖5)。 由圖5可知,從 NDVI到土壤類型各指標對生態環境脆弱性形成的影響作用呈現逐漸降低的變化形態,當到達第5個指標時累計因子貢獻率已經達到 85%以上,由此可以判定前5項指標與脆弱性的形成關系最為密切。同時,對這5項指標進行深入分析可知,高程相對穩定對脆弱性的改變驅動作用不明顯, 而氣候因子的影響作用也相對有限。此外,研究發現 EVI空間分布特征與 NDVI和土地分級結果變化基本一致,特別是與土地變化的相似度最高。由此可以判定,影響該地區生態環境脆弱性改變的主要驅動因素為土地利用類型。
15a內,整個區域絕大部分地區生態環境呈現明顯好轉的變化狀態,可能是如下的原因驅動的:(1)該地區在2000年左右分別實施了“天然林保護”、“退耕(牧)還林(草)”、“防沙治沙”等系列生態環境保護措施。根據各時期土地利用遙感解譯成果可知,15a內草地的面積基本維持不變;而林地的比例則增加約5.56%。林草地面積則增加,較大程度上提高了區域植被的覆蓋面積和覆蓋度,有效抑制了區域地質災害的頻發、緩解了人地矛盾、減緩了生態環境惡化的腳步且促進了區域整體環境質量的好轉。(2)近年來,全球氣候變暖部分高海拔地區冰川雪被開始融化為這些地區植被的生長提供比較充足的水源,一定程度上又促進了這些地區植被的生長。
同時,15a內整個地區仍然有部分區域生態環境整體發展的狀態并不理想,可能是如下原因造成的: 顯著性檢驗發現明顯惡化的地區主要集中于雅礱江、達曲河、大渡河等徑流量較大的江河水系兩側,這些地區水資源充沛大量水電基地被建設,水電基地的建設不僅會淹沒大面積的林草地和耕地資源,也會加速區域土地資源侵蝕的面積與強度,同時更會對地區氣候變化產生干擾。
4.2 生態環境恢復與重建
為實現區域生態環境的恢復重建,研究在參考已有成果的基礎上[14-16,22],結合地區實際狀況將其分為 3個不同的區域,并對其恢復重建提出參考建議。
分區一:由潛在和微度脆弱兩個區域構成。其主要位于整個高原區的高植被覆蓋地區,近年來隨著系列環保措施的有效實施,其比例呈現相對穩定的上升狀態,研究推測隨著時間的推移,其比例仍將繼續增加。同時,區內有雅礱江、定曲、大渡河等徑流量大的江河,大量水電基地被建設在江河兩側對其生態環境造成一定的威脅。因此,為有效實現生態環境的保護,應當建立更加嚴格的生態紅線保護機制加強對環境狀況的監控與保護,政府和水電公司在進行區域水電開發時應當更加注重生態環境的保護。
分區二:該地區僅由輕度脆弱區構成。該地區生態環境的保護應當加強,其生態環境整體處于中等脆弱水平、系統的穩定性和抗干擾能力也相對較弱,是區域生態環境保護的重要緩沖區,應當防止其脆弱程度向中度和重度轉變。應當加強對牧場、耕地和林地的規范化管理嚴禁過度放牧和非法開荒,減小草地、林地和耕地資源承受的壓力,同時應當對已受損區域進行大面積植樹造林與草地修復。
分區三:包括中度和重度脆弱區兩個部分,該區域主要分布于極高山地區,由于海拔高、氣溫寒冷、以裸巖石質地景觀為主,小部分為永久性冰川雪被,因此該地區植被覆蓋度極低,生態系統一旦被破壞恢復重建的難度極大。因此,對該地區更加嚴格的保護, 防止其脆弱程度加深和范圍擴大是最有效的保護方式。同時,選擇合適的地區和植被進行植樹造林與草地恢復可能會起到一定的輔助作用。
5 結 論
(1)從空間角度分析。該地區生態環境脆弱性整體呈現出西高東低的空間梯度變化;各等級脆弱區在結構和地區分布上也呈現出明顯比例差異;微度和重度的比例分局首尾兩端,其次潛在、輕度和中度呈現依次遞減的變化狀態;且潛在和微度主要集中于中東部地區,而其他3類則主要分布于研究區西北部地區。
(2)從時間角度分析。15 年內,該地區各等級脆弱區的柵格比例發生了明顯的結構變化,主要變現為潛在、微度和輕度的柵格比例均呈現增加的變化趨勢,而中度和重度則呈現減少的變化狀態;整體趨勢變化分析顯示整個研究時期內,該地區生態環境呈現明顯好轉的趨勢變化;驅動力則表征出系列生態環境保護措施的實施是促使該地區生態環境好轉的主要驅動因素,而大量水電基地的修建也對小部分地區生態環境產生一定的影響;針對不同地區生態環境的保護與恢復重建應當采取不同的措施。
(3)研究將 GIS和 RS技術與空間主成分模型相結合實現該地區不同時期生態環境脆弱性的現狀評價,并引入一元線性回歸從時空變化的狀況對其整體趨勢變化進行分析。相比以往研究,空間主成分較大限度地減少了指標間的關聯性提高權重計算的精度,趨勢變化從時空相結合的角度分析,更具直觀性與科學性。同時,生態環境脆弱性是多系統作用用的結果,受數據獲取的限制研究在紙條體系的構建和基礎數據的分類定級上仍存在一定不足,需要在今后的研究中進一步完善。——論文作者：姚 昆1,張存杰2,何 磊3,李玉霞4,李小菊5
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