基于景观格局和生态敏感性的左江流域生态脆弱性分析

卢远,苏文静,华璀

(广西师范学院资源与环境科学学院,南宁530001)

生态脆弱性是指生态环境对内部和外部的干扰活动或过程的不良反应,包括两层含义:生态的敏感性和生态的恢复力[1]。开展区域生态脆弱研究不仅对保护生态环境有重要意义,同时对区域土地资源合理利用及可持续发展也有重要的指导意义[2-3]。当前,国内外学者在区域生态环境脆弱评价方面开展了大量的研究[4-7],但多是以自然环境、社会经济等离散的统计数据作支撑,以行政区域为评价单元进行的,较大程度上限制了对生态脆弱性空间分布规律的揭示。为了解决这个问题,部分学者从景观视角出发,采用能指示各种生态影响的空间分布与梯度变化特征的景观结构信息建立评价模型,实现了生态环境脆弱度评价的定量化和空间化[8-10]。左江流域位于我国西南喀斯特发育区的南缘地带,喀斯特地貌广泛发育,加上生存型经济发展阶段不合理的土地开发方式使该流域生态环境不断恶化,土壤侵蚀退化严重,人地关系矛盾十分尖锐[11]。因此,本文从景观格局与生态敏感性结合角度,综合景观格局信息与生态敏感性信息构建生态脆弱性评价指标体系,揭示生态脆弱度的空间分异特征及其机制,为流域环境经济协调发展提供科学依据。

1 研究区与数据资料

1.1 研究区概况

左江流域位于广西西南部,地理坐标处于21°36′-23°22′N,106°33′-108°16′E,土地总面积 20 153 km2。总地势西南略高,向东北倾斜,四面山岳环绕,大部分面积属山地丘陵,中部被左江及其支流切割,形成南部土山丘陵和北部喀斯特地貌两大地貌单元。属南亚热带季风气候区,气候温暖,雨量充沛,年均气温19.6～22.1℃,年均降雨量1 200 mm左右,降水集中在4-9月,年均蒸发量1 285～1 634 mm。母岩以泥盆系、石灰系,二叠系石灰岩、白云岩为主,页岩、砂岩次之;地带性土壤有赤红壤、红壤、石灰土,海拔较高的山地有山地黄壤、酸性紫色土分布,易发生水土流失。境内北部喀斯特丘陵、峰丛洼地、峰林谷地交错发育,分布广泛。植被以常绿季雨林、次生热带季雨林、热带杂木林、灌丛草坡和草坡为主[11-12]。

1.2 数据准备及处理

研究所用资料包括左江流域2008年分辨率为30 m的LandsatTM 影像、2008年1∶10万土地利用数据、1∶25万地质图、1∶25万地形图、第二次土壤普查数据、90 m×90 m分辨率的SRTM DEM数据、中高分辨率成像光谱仪(MODIS)植被指数产品(MOD02QKM),以及流域及其周边地区站点1956-2006年的逐月气象观测数据。基于野外考察观测资料和土地利用数据,运用ERDAS Imagine 9.3遥感图像处理软件提取流域景观类型信息。景观类型的分类标准以国家级土地利用与覆被分类系统[13]为基础,同时结合流域的生态景观特征,划分为水田、旱地、有林地、灌丛、草地、建设用地、水域和未利用地等8种景观类型[13]。

将研究区用等间距方法划分为2 km×2 km的单元,以便统计各单元的指数,利用ArcGIS软件对逐月降水量进行空间插值,生成90 m×90 m分辨率的栅格数据。为了便于进行空间分析,上述空间数据均采用统一的投影坐标系统。

2 研究方法

2.1 评价指标体系与权重的确定

景观格局作为自然与人为多种因素相互作用所产生的区域生态环境体系的综合反映,既是景观异质性的具体体现,又是各种生态过程在不同尺度上作用的最终结果,可以反映出不同景观生态系统所受到的干扰及脆弱程度[14]。本研究选取破碎度、分维数和分离度作为景观干扰度评价的景观格局因子,选取土壤侵蚀敏感性、石漠化敏感性作为生态敏感性因子,构建左江流域生态脆弱性评价指标体系(图1)。为了减小指标权重的主观随意性,采用均方差决策法[15]确定评价指标的权重。

图1 左江流域生态脆弱性评价指标体系

2.2 景观干扰度指数的计算

2.2.1 景观格局指标的获取 景观破碎度Ci和景观分维数Mi用Patch Analyst软件[16]直接计算得到;景观分离度Fi采用 Patch Analyst软件,结合陈顶利和傅伯杰[14]修改的分离度公式(1)计算得到:

式中:Fi——景观类型 i分离度;Di——景观类型 i斑块密度;AIi——景观类型i面积比例;Ai——景观类型i的面积;Ni——景观类型i的斑块数;A——景观总面积。

2.2.2 景观干扰度指数的计算 景观干扰度指数可反映不同景观受到干扰的程度,选取破碎度Ci、分离度Fi、分维数Mi、构建景观干扰度指数Ii来衡量不同景观所遭受的干扰程度,其计算公式如下:

式中:i——不同的景观类型;Ii——景观干扰度;a,b,c——各指标的权重值,a+b+c=1。

采用均方差决策法计算各指标权重,求得景观破碎度、景观分维数和景观分离度指标的权重为0.441,0.457和0.102;然后依据公式(2)计算各景观类型的景观干扰度指数。

2.3 土壤侵蚀敏感性的评价

土壤侵蚀敏感性的评价考虑因素有降水侵蚀力(R)、土壤质地(K)、坡长坡度(LS)与地表覆盖(C)[17]。其中,R采用周伏建等人提出的降水冲蚀潜力公式估算[18]。坡长坡度因子(LS)以地形起伏因子来代替,即分别计算3×3窗口的最大高程值和最小高程值,再将最大高程值和最小高程值进行差值运算,即得地形起伏度因子值。当植被覆盖度为25%～80%时,植被指数NDVI随植被盖度呈线性增加,采用NDVI估算来确定植被覆盖度,NDVI数据来源于MOD02QKM植被指数产品。参照广西土壤侵蚀敏感性评价[17],确定各影响因子评价指标的敏感性等级(表1)。

表1 不同因子对土壤侵蚀敏感性影响评价标准

在GIS支持下,利用几何平均数法计算土壤侵蚀敏感性综合指数,其计算公式如下:

式中:SS——评价单元的土壤侵蚀敏感性指数;Ci——i因素敏感性等级值。在此基础上,运用自然分界法和定性分析相结合的方法,将流域土壤侵蚀敏感性综合指数划分为不敏感、轻度敏感、中度敏感、高度敏感和极度敏感5个级别(见表1)。

2.4 石漠化敏感性的评价

石漠化敏感性评价主要根据研究区的岩性、地形坡度、植被覆盖度和降雨量因子来确定的[19]。其中,岩性因子根据1∶20万地质图的岩性进行定性判断和划分;地形坡度利用分辨率90 m的SRTM DEM数据提取分级;植被覆盖度同土壤侵蚀敏感性中的C因子一样,降雨量因子则利用年降雨量进行空间插值,生成年降雨量栅格图。各项单因子敏感性指标参照《生态功能区划暂行规程》进行分级。最后,采用几何平均数法计算流域的石漠化敏感性指数(表2)。

石漠化敏感性计算模型:

式中:RS——评价单元的石漠化敏感性指数;Ri——石漠化敏感性因子等级值。

表2 不同因子对石漠化敏感性影响评价标准

在ArcGIS中运用空间叠加分析功能和几何平均数法计算石漠化敏感性综合指数,然后对石漠化评价结果按Natural Breaks(Jenks)方法进行分级,即得到石漠化敏感性综合评价图。

2.5 生态脆弱度计算模型

利用景观干扰度、土壤侵蚀敏感性、石漠化敏感性等指数加权叠加计算生态脆弱度指数,其计算模型如下:

式中:Ii——评价单元 i的景观干扰度;SSi——评价单元i土壤侵蚀敏感性指数;RS i——单元 i石漠化敏感性指数 ;ω1,ω2,ω3— —指标的权重值,ω1+ω2+ω3=1。同样,采用均方差方法计算指标权重,权重值分别为:0.436,0.352,0.212,依据公式(5)计算各单元的生态脆弱度。

3 结果与分析

3.1 景观类型的生态脆弱度

为了分析流域各景观类型的生态脆弱度,利用ArcGIS的Zonal Statistics模块对生态脆弱度综合指数以及景观干扰度、土地侵蚀敏感性、石漠化敏感性等指数进行统计分析(表3)。从表3可以看出,各景观类型的脆弱度排序为:未利用地＞草地＞旱地＞灌丛＞有林地＞建设用地＞水田＞水域。其中,未利用地多为裸岩地,水土保持能力差,植被生境条件恶劣,其景观干扰度、土壤侵蚀敏感性、石漠化敏感性均是最高的,其生态脆弱度最高。其次是草地,流域草地很大一部分是林地砍伐、垦荒弃耕后退化而来,同时受持续的垦殖和放牧的影响,土壤侵蚀和石漠化状况较为严重。流域旱地中坡耕地面积大,且缺乏合理的保护措施,加上降雨季节分配不均,旱涝灾害频繁,水土流失状况严重。研究区灌丛多是石灰岩灌丛,群落结构相对简单,群落的自调控能力弱,受人为活动干扰较大,因而灌丛的生态脆弱度也较高。

表3 各景观类型的生态脆弱度评价指标统计

3.2 流域生态脆弱度空间异质性

利用地统计分析Geostatistics模块对标准化转换后的样地脆弱度数据进行单样本K-S检验,结果表明研究区的生态脆弱度数据符合正态分布,可以直接进行地统计学分析。图2a是流域生态环境脆弱度指数在各向同性条件下的变异函数曲线。基台值(C0+C)的大小反映脆弱性指数的波动幅度,块金值(C0)与基台值的比值反映脆弱度的空间相关性的程度,其值越大说明由随机因素(主要是人为因素)引起的脆弱度空间异质性越高[20]。变程表示的是在某种观测尺度下,空间相关性的作用范围,本研究中以步长4 km为观测尺度,变程(a)为33.1 km,说明在33.1 km以内具有较强的空间相关性。偏基台值=0.0471,块金值=0.0888,基台值=0.1359,块金值/基台值为65.34%,说明流域生态脆弱度具有明显的空间自相关性,且随机因素(人为因素)引起的脆弱度空间异质性处于主导地位,结构性因素(如土壤、岩性、地形和植被等)引起的脆弱度空间异质性相对较小。

图2 生态脆弱度的变异函数曲线

为了分析流域生态脆弱度指数的空间异质性,分别计算 0°、45°、90°和 135°等 4 个方向的变异函数(图2b)。由图2b可以看出,流域生态脆弱度在各个方向上的变异函数曲线在16 km以内比较接近,具有明显的各向同性的特点,而16 km以外则表现出明显的各向异性,其中0°和45°两个方向上表现最为明显。生态脆弱度指数在空间上各向异性特征可能与区域岩性构造有关,研究区地质构造上属于右江再生地槽的西大明山隆起,北部的岩性构造呈北西向带状分布,南部的岩性构造则呈北东东向的带状分布[21]。岩性分布带宽平均为16 km,因此在16 km范围内,岩性构造较为均一,脆弱度空间变异性的方向性差异不明显,当大于 16 km 时,岩性在 0°、45°方向上的变化趋向增强,生态脆弱度在该方向上的变异性较高。

3.3 流域生态脆弱度空间格局

基于对流域脆弱度的空间分异性特征分析,对流域生态脆弱度值进行克里格插值,得到流域生态脆弱度指数图,然后按Natural Breaks(Jenks)法将生态脆弱度指数图划分为 5个等级:Ⅰ级——弱风险区(0.2385≤EVI＜0.4238),Ⅱ 级——低 风险 区(0.4238≤EVI＜0.5030),Ⅲ 级——中 风险 区(0.5030≤EVI＜0.5931),Ⅳ级——高风险 区(0.5931≤EVI＜0.7054),Ⅴ级——极高风险区(EVI≥0.7054)5个等级(图3),并对研究区生态脆弱度进行面积统计。其中:Ⅰ级分区面积占15.29%,Ⅱ级分区面积占27.85%,Ⅲ级分区面积占27.94%,Ⅳ级分区面积占22.28%,Ⅴ级分区面积占6.64%。

从空间分布上看,Ⅰ级、Ⅱ级分区主要集中在南部的十万大山、东北的西大明山及其周边地区,该区母岩以砂页岩为主,地貌以山地、高丘为主;土壤主要是红壤、赤红壤和黄壤,土层较厚;植被以热带雨林和季风带绿叶林为主,植物种类多且生长茂盛,系统稳定性好,生态敏感性较低,抗干扰性强。Ⅲ级主要集中分布在中部,沿左江及支流两岸一带,该分区母岩由砂页岩和部分可溶岩基岩构成,地貌以丘陵、谷地为主,间有峰林或峰丛残丘分布;受人类不合理的开垦、乱伐,自然植被多遭到破坏;土壤多以赤红壤和石灰性土为主,生态环境比较脆弱,遇雨则易发生水土流失,遇旱则亦易成灾。Ⅳ级、Ⅴ级分区主要分布在北部,该分区母岩则以石灰岩为主,地貌多以喀斯特地貌为主,岩溶石山、峰丛洼地、峰林谷地和孤峰平原交错,受地质岩性制约,地表土壤覆盖较少,且土层浅薄;由于多年来人为的肆意砍伐、烧山垦荒,如今大部分植被已退化为林分单一的矮林灌丛、灌丛草被,甚至岩石裸露,生态环境极其脆弱。整体而言,流域生态脆弱度呈现南低北高的格局,与地质地貌空间格局基本一致,说明在流域尺度上地质地貌是生态环境的主导控制因素之一。

图3 左江流域生态脆弱度空间分布图

从细部特征来看,在生态环境脆弱度普遍较低的南部区域,虽然脆弱度宏观上以Ⅰ级、Ⅱ级为主,但局部区域脆弱度仍达Ⅲ级,Ⅲ级区主要位于明江谷地、上思盆地一带,这些区域由于地形较为平坦,易于较大规模的土地开发活动的开展,人类长期为了追求自身发展和经济利益所进行的不合理的景观改造活动加大了生态环境的脆弱性。在生态环境脆弱度较高的北部区域,局部脆弱度却在Ⅲ级以下,形成生态环境脆弱度高低交错分布格局。这与北部区域地表切割破碎,形成岩溶石山、峰丛洼地、峰丛谷地和孤峰平原镶嵌排列的地貌有关,不同地貌单元的景观类型,其人类活动明显不同,因而生态脆弱度亦有显著的差异。

4 结语

本研究以左江流域为研究区,从景观格局视角出发,综合土壤侵蚀敏感性和石漠化敏感性信息构建生态环境脆弱性评价指标体系,对流域生态环境脆弱性进行定量分析和评价,研究结果较好地揭示流域自然因素与人类活动综合作用所形成的生态环境的脆弱性及其空间格局。研究表明:(1)各景观类型的脆弱度排序为:未利用地＞草地＞旱地＞灌丛＞有林地＞建设用地＞水田＞水域。(2)变异函数分析表明,流域生态脆弱度的块金值/基台值达65.34%,呈明显的空间相关性,生态脆弱度的空间变异在16 km以内比较接近,具有明显的各向同性的特点,而16 km以外则表现出明显的各向异性,随机因素引起的脆弱度空间异质性处于主导地位,而结构性因素(如土壤、岩性、地形和植被等)引起的脆弱度空间异质性相对较小。区域脆弱度空间变异在16 km以内表现出明显的各向同性。(3)在空间分布特征上,流域生态脆弱度呈现南低北高的格局,脆弱程度相对较高的区域与碳酸盐岩在研究区的分布较为一致,表明左江流域脆弱性的根源在于其特殊的地质岩性背景,而人类活动的影响是引起生态环境脆弱度空间异质性的主要动因。

[1] 张笑楠,王克林,张伟,等.桂西北喀斯特区域生态环境脆弱性[J].生态学报,2009,29(2):749-757.

[2] 冉圣宏,金建君,薛纪愈.脆弱生态区评价的理论与方法[J].自然资源学报,2002,17(1):116-122.

[3] 蔡海生,陈美球,赵小敏.脆弱生态环境脆弱度评价研究进展[J].江西农业大学学报,2003,25(2):270-275.

[4] 王让会,樊自立.塔里木河流域生态脆弱性评价研究[J].干旱环境监测,1998,12(4):39-44.

[5] 王经民,汪有科.黄土高原生态环境脆弱性计算方法探讨[J].水土保持通报,1996,16(3):32-36.

[6] 陶希东,赵鸿婕.河西走廊生态脆弱性评价及其恢复和重建[J].干旱区研究,2002,19(4):7-11.

[7] 姚建,丁晶,艾南山.岷江上游生态脆弱性评价[J].长江流域资源与环境,2004,13(4):380-383.

[8] 王介勇,赵庚星,杜春先.基于景观空间结构信息的区域生态脆弱性分析:以黄河三角洲垦利县为例[J].干旱区研究,2005,22(3):317-321.

[9] 邱彭华,徐颂军,谢跟踪,等.基于景观格局和生态敏感性的海南西部地区生态脆弱性分析[J].生态学报,2007,27(4):1257-1264.

[10] 布仁仓,胡远满,常禹,等.景观指数之间的相关分析[J].生态学报,2005,25(10):2764-2775.

[11] 黎代恒,唐乃焕.桂西南山区的开发与建设[J].自然资源,1994,8(3):68-78.

[12] 余承惠.左江流域生态系统与农业可持续发展的研究[J].环境保护,1998(12):22-25.

[13] 刘纪远.国家资源环境遥感宏观调查与动态监测研究[J].遥感学报,1997,1(3):225-230.

[14] 邬建国.景观生态学[M].北京:高等教育出版社,2000.

[15] 王明涛.多指标综合评价中权数确定的离差、均方差决策方法[J].中国软科学,1999(8):100-101.

[16] Environmental Systems Research Institute Inc.Using ArcView GIS[M].ESRI Redlands,CA,1996.

[17] 卢远,华璀,周兴.基于GIS的广西土壤侵蚀敏感性评价[J].水土保持研究,2007,14(1):89-93.

[18] 周伏建,陈明华,林福兴,等.福建省降雨侵蚀力指标 R值[J].水土保持学报,1995,9(1):13-18.

[19] 杨青青,王克林,陈洪松,等.地质地貌因素对喀斯特石漠化的影响:以广西大化县为例[J].山地学报,2009,27(3):314-315

[20] 张治国.生态学空间分析原理与技术[M].北京:科技出版社,2007:195-198.

[21] 广西壮族自治区地质矿产局.广西壮族自治区区域地质志[M].北京:地质出版社,1985:680-687.