关中地区人类活动对生态系统胁迫变化影响评估

王纪伟等

摘要

以关中地区为对象，选取社会活动强度、开发建设活动强度、农业活动强度、污染物排放强度四大类11个指标，运用SPSS 20.0的主成分分析法将2000、2005和2010年各种胁迫要素间相互作用关系矩阵化，分析它们之间的联系，并计算出各市（区）人类胁迫综合指数（HPI），进行排序。结果表明，不同时期对关中地区生态系统胁迫最大的因子也不同，2000年对生态系统产生胁迫最大的因子为化肥施用强度，2005年为城镇人口密度，2010年为人口密度、城镇人口密度、GDP密度、第二产业增加值密度、第三产业增加值密度；2000～2010年关中各市（区）受人类活动胁迫综合指数影响强度由高到低分别为杨凌区、西安市、咸阳市、渭南市、铜川市、宝鸡市。

关键词 生态系统；人类活动胁迫指数；主成分分析；影响评估；关中地区

中图分类号 S181.3 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2014）11-03326-04

Abstract With Guanzhong Region as object， selecting social activities， development and construction activities， agricultural activities， pollutants emission intensity 4 types 11 indexes， SPSS 20.0 principal component analysis method was used to matriculate various indicators， analyze the relationship between them， and figure out the HPI of cities in Guanzhong， its contribute to simplify the relationship between different stress factors. The research results show that the biggest stress factors affecting the ecological system of Guanzhong area are various at different times. The biggest stress factors affecting the ecological system are respectively strength of fertilizer and urban population density at 2000， 2005， which are population density， urban population density， GDP density， density of the second and third industry added value in 2010. The stress composite impact strength of human activity from high to low in every city of Guanzhong area during 2000 and 2010 is Yangling， Xian， Xianyang， Weinan， Tongchuan， Baoji in turn.

Key words Ecosystem； Human activities stress index； Principal components analysis； Influence estimation； Guanzhong area

生态系统胁迫是指各种自然和人类活动因素对生态系统的干扰和破坏作用，是导致区域生态系统格局、质量、服务功能和生态问题变化的原因和外在驱动因素。以往几乎所有胁迫研究的共同点都是从胁迫和胁迫反应的关系入手，胁迫因子比较集中于干旱胁迫、水分胁迫、低温胁迫、重金属胁迫、盐胁迫等方面[1-4]。目前国内外很多学者认识到生态系统退化诊断对于生态恢复实践的重要性[5-7]，因此，学者们开始从不同层次、不同角度研究生态系统退化，以便了解生态系统胁迫发生、发展机制。如Rapport等基于生态系统健康理论建立生态系统健康综合评判模型，从生态系统组分、活力、弹性力组建指标入手分析了生态系统综合状况，从功能上诊断生态系统胁迫特征与退化机制[8-10]。

不同人类活动所造成的胁迫因素通过错综复杂的交互作用共同影响着生态系统，目前研究胁迫对生态系统的影响主要包括营养循环的变化、初级生产力的变化、物种多样性的变化、优势种群个体大小的变化、逆行演替以及发病率的变化和种群数量波动等其他征兆[11]。虽然近年来对生态系统重要性认识及保护有所加强，但各种人类活动对生态系统的胁迫仍然存在，并带来生态风险。如何评价并降低关中地区生态系统所承受的生态风险，是关中地区生态保护与可持续发展面临的一个重要问题。由于关中地区生态系统所承受的人类活动胁迫的多样性和交互作用增加了生态系统胁迫评估的难度，因此，生态系统胁迫评估中不仅要考虑单个胁迫还要考虑多种胁迫交互作用对生态系统的影响[12]。笔者综合了关中地区2000、2005、2010年的社会经济活动强度（人口密度、城镇人口密度、单位国土面积GDP、3次产业增加值密度）、开发建设活动强度（建设用地强度）、农业活动强度（化肥施用强度）、污染物排放强度（污水排放强度、SO2排放强度、COD排放强度）4类11个指标，建立人类活动胁迫综合指数，分析关中地区人类活动多因子胁迫的生态系统时空强度及变化特征。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

关中地区又称关中盆地、关中平原，位于陕西省中部（106°18′～110°37′E、33°35′～35°50′N），西起宝鸡峡，东至潼关，东西长约300 km，平均海拔约500 m，西窄东宽，号称“八百里秦川”，渭河横贯盆地中部，两岸为宽广的阶地平原，南部以秦岭北坡为限，北部以北山为界，总面积55 359.19 km2。关中地区属大陆性季风气候区，冬冷夏热，四季分明，雨热同季，易发生干旱。年平均气温12～14 ℃，极端最高气温43 ℃，极端最低气温-21.9 ℃；年平均降水量盆地地区500～700 mm、秦岭山区800～900 mm，具有由南北部向中部递减、由西部向东部递减的地域变化规律。降水主要集中在汛期6～9月。关中地区包括西安、铜川、宝鸡、咸阳、渭南5个市及杨凌农业高新技术产业示范区，共54个县（市、区），是陕西省政治、经济、文化最为发达的地区，也是全省人口密度最大、人类活动最为强烈的地区。

1.2 研究数据与方法

1.2.1

数据来源。采用的数据资料主要有30 m分辨率的TM影像（2000、2005、2010年）、陕西省各市统计年鉴（2000～2010年）、陕西省环境统计数据。

1.2.2

研究方法。将2000、2005和2010年 TM影像进行辐射纠正与几何纠正，利用ENVI4.8对影像进行监督分类，解译得到陕西省土地覆被类型图；利用ArcGIS10.0将解译结果转化成矢量格式，然后切割出关中地区土地覆被类型图。利用SPSS20.0，综合社会经济活动强度、开发建设活动强度、农业活动强度、污染物排放强度四类，以某一年各地区某一指标原始值为一列，录入2000、2005和2010年各地区评估指标数据，运用Factor设置分析的变量，打开Extraction，选择Method中的主成分分析法（Principal components），设置需要提取的主成分数目，得到各个变量的特征值、累计贡献率和主成分中各变量的得分系数，计算各地区各年人类胁迫综合指数。借助ArcGIS空间分析功能中Measuring Geographic Distributions工具进行胁迫要素重心分布分析。研究中应用指标计算方法如下。

2.1 最强胁迫因子分析

通过对2000、2005和2010年人口密度（PD）、城镇人口密度（UPD）、GDP密度（DGDP）、第一产业增加值密度（DPIVA）、第二产业增加值密度（DSIVA）、第三产业增加值密度（DTIVA）、建设用地指数（USLI）、化肥施用强度（CFUI）、污水排放强度（WWDI）、COD排放强度（CODI）、SO2排放强度（SDOI）11个胁迫因子进行计算，得出关中各市（区）2000、2005、2010年胁迫因子值。运用主成分分析法得出的各胁迫因子相关矩阵并结合黄宝荣等提出的根据各种胁迫直接相互作用关系构建联结矩阵的原则[13]，得出2000、2005和2010年关中地区生态系统不同胁迫之间的联结矩阵。

2.1.1

2000年最强胁迫因子。从表1可以看出，2000年由11个胁迫因素组成的总的胁迫路径数共74条，其中100%为增大效应路径。路径数（PN）可以反映不同胁迫因素的影响力和敏感性的大小[13]。从表1中PN列可以看出，2000年不同胁迫对其他胁迫的直接影响力从大到小排序为化肥施用强度>（人口密度、城镇人口密度、GDP密度、污水排放强度、第一产业增加值密度、第二产业增加值密度、第三产业增加值密度、建设用地指数）>SO2排放强度>COD排放强度；从PN行可以看出，不同胁迫对其他胁迫因素的直接敏感性由高到低排序为化肥施用强度>（人口密度、城镇人口密度、GDP密度、第二产业增加值密度、第三产业增加值密度、第一产业增加值密度、建设用地指数、污水排放强度）>SO2排放强度>COD排放强度；另外，单一胁迫因子同其他胁迫相互影响路径总数得出胁迫因子交互作用由强到弱排序为化肥施用强度>（人口密度、城镇人口密度、GDP密度、第二产业增加值密度、第三产业增加值密度、污水排放强度、第一产业增加值密度、建设用地指数）>SO2排放强度>COD排放强度。从3种排序方式可以得出化肥施用强度、人口密度、城镇人口密度、GDP密度、第一产业增加值密度、第二产业增加值密度、第三产业增加值密度、建设用地指数等胁迫因子处于排序的前列，说明这些胁迫因子影响力大，且敏感性高、交互作用强，可以得出2000年化肥施用强度是对生态系统产生影响的人类活动胁迫重点因子。

化肥施用强度成为2000年对关中地区生态系统产生胁迫的重点因子与生态系统服务价值功能发展时期和程度有关。1997年，Daily和Constanza等的研究促进了生态系统服务功能价值评估的发展，2001～2006年陕西省生态系统服务价值呈增长趋势[14]，表明陕西省对生态系统服务价值重要性研究从2000年前后开始受到关注，处于发展初期。关中地区一直是陕西省社会、经济、文化发展的中心，在生态系统服务价值没有得到普遍认知、社会不断发展、人口快速增长的情况下，农业生产仍然是满足人口增长的重要途径。国内外大量科学试验和生产实践证明，施用1 kg化肥可使粮食增产5～10 kg，施肥的贡献率可达40%[15]，因此通过大量的施用化肥来增加粮、油、菜、果等农副产品，满足社会经济发展的需求，必然会导致生态系统负担加剧。

2.1.2

2005年最强胁迫因子。同理对2005年的最强胁迫因子进行分析，从PN列可以看出，不同胁迫对其他胁迫的直接影响力从大到小排序为城镇人口密度>（人口密度、GDP密度、污水排放强度、化肥施用强度、第一产业增加值密度、第二产业增加值密度、第三产业增加值密度、建设用地指数）>COD排放强度>SO2排放强度；从PN行可以看出，不同胁迫对其他胁迫因素的直接敏感性由高到低排序为城镇人口密度>（人口密度、GDP密度、污水排放强度、化肥施用强度、第一产业增加值密度、第二产业增加值密度、第三产业增加值密度、建设用地指数）>COD排放强度>SO2排放强度；单一胁迫因子同其他胁迫相互影响路径总数得出胁迫因子交互作用由强到弱排序为城镇人口密度>（人口密度、GDP密度、污水排放强度、化肥施用强度、第一产业增加值密度、第二产业增加值密度、第三产业增加值密度、建设用地指数）>COD排放强度>SO2排放强度。3种排序方式得出城镇人口密度是11个胁迫因子中影响力最大、敏感性最高，对2005年生态系统产生胁迫最大的因子。此外，化肥施用强度、人口密度、GDP密度、第一产业增加值密度、第二产业增加值密度、第三产业增加值密度、建设用地指数等胁迫因子也处于排序的前列，说明这些胁迫因子对生态系统影响力也较大。

城镇人口密度成为2005年对生态系统最主要的胁迫因子与关中地区城市化发展水平有关，人口向城市移动受社会生产方式和经济发展水平制约[16]，生产力的发展往往伴随着人口地域分布的变化[17]。统计数据表明，近10年来，关中地区各市（区）城市人口不断增多，城市不断扩大，说明生活方式的转变和生产力水平的提高对生态系统造成巨大压力。同时，城镇人口密度增加势必影响建设用地指数、三次产业增加值密度GDP密度等，因此，这些胁迫因子相互影响、相互作用，对关中地区生态系统胁迫产生增大效应。

2.1.3

2010年最强胁迫因子。同理对2010年的最强胁迫因子进行分析，从统计表（表略）可以看出，2010年由11个胁迫因素组成的总的胁迫路径数共56条，其中80.36%为增大效应路径。从PN列可以看出，不同胁迫对其他胁迫的直接影响力从大到小排序为（人口密度、城镇人口密度、GDP密度、第二产业增加值密度、第三产业增加值密度、建设用地指数）>第一产业增加值密度>SO2排放强度>（COD排放强度、污水排放强度、化肥施用强度）；从PN行可以看出，不同胁迫对其他胁迫因素的直接敏感性由高到低排序为（人口密度、城镇人口密度、GDP密度、SO2排放强度、第二产业增加值密度、第三产业增加值密度）>（第一产业增加值密度、建设用地指数、COD排放强度、污水排放强度）>化肥施用强度；单一胁迫因子与其他胁迫相互影响由强到弱排序为（人口密度、城镇人口密度、GDP密度、第二产业增加值密度、第三产业增加值密度）>建设用地指数>（第一产业增加值密度、SO2排放强度）>（COD排放强度、污水排放强度）>化肥施用强度。3种排序方式可以得出人口密度、城镇人口密度、GDP密度、第二产业增加值密度、第三产业增加值密度5个胁迫因子处于排序的前列，表明2010年对生态系统产生影响最大的胁迫因子就是人口密度、城镇人口密度、GDP密度、第二产业增加值密度、第三产业增加值密度。

2010年关中地区的社会经济、文化等发展到很高的水平，人口密度、城镇人口密度、化肥施用强度、二（三）次产业增加值密度等因子之间的联系越来越密切，它们之间相互作用和影响不断加强，生态系统不再受某单一因子影响，而是受这些胁迫因子共同作用影响。2.3 胁迫要素的重心分布及变化

胁迫要素的重心分布通过全局空间统计分析方法进行，全局空间统计研究空间分布整体性特征的统计描述、预测。通过对同一空间对象不同时间段的重心的分析，可以了解该对象的空间运动规律。从图1可以看出，2000～2010年人口密度和城镇人口密度、GDP密度、污水排放强度、COD排放强度、第二（三）次产业增加值密度重心集中在西安市未央区，除城镇人口密度重心呈现向人口密度分布重心偏移外，其他胁迫因子重心呈现向南部偏移趋势；SO2排放强度重心分布在西安市高陵县，2000～2010年向北部大幅度偏移；建设用地重心在咸阳市渭城区，2000～2010年重心位置向西南偏移，变化不大；第1次产业增加值密度和化肥施用重心分布在咸阳市泾阳县。通过胁迫重心的空间变化规律，对各市（区）受人类活动胁迫强度及排序变化进行验证，发现2000～2010年各胁迫重心偏移变化较小，表明2000、2005、2010年关中各市（区）受人类活动胁迫综合影响强弱变化较小。

3 结论

（1）在对关中地区生态系统产生胁迫的各种因子中，2000和2005年对生态系统胁迫最大的因子分别是化肥施用强度和城镇人口密度；2010年人口密度、城镇人口密度、GDP密度、第二产业增加值密度、第三产业增加值密度5个因子共同对关中地区生态系统产生胁迫，是重点胁迫因子。

（2）2000～2010年关中各市（区）受人类活动胁迫综合指数影响强度由高到低分别为杨凌区、西安市、咸阳市、渭南市、铜川市、宝鸡市。

（3）2000～2010年关中地区社会经济活动强度、污染物排放强度重心和开发建设活动强度、农业活动强度重心分别是西安市和咸阳市。

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