海南宁远河流域生态脆弱性分析

罗改改，陆 禹，李明月，佘济云，韦志飞

(1.华南理工大学，广东 广州 510641； 2.中南林业科技大学，湖南 长沙 410000；3.湖南省国土资源规划院，湖南 长沙 410000)

海南宁远河流域生态脆弱性分析

罗改改1，陆 禹2，李明月1，佘济云2，韦志飞3

(1.华南理工大学，广东 广州 510641； 2.中南林业科技大学，湖南 长沙 410000；3.湖南省国土资源规划院，湖南 长沙 410000)

以海南宁远河流域为研究对象，选取分离度、分维度倒数、破碎度3个景观格局指数和生态敏感性构建生态脆弱性评价模型，应用空间叠加分析和克里金插值法，从景观格局和生态敏感性结合的角度研究流域的生态脆弱性。结果表明：①宁远河流域生态敏感性由自然和人类活动共同决定，主要驱动因子为土壤类型和土地覆盖类型。②景观类型生态脆弱性排序为建设用地>未利用地>牧草地>林地>农地>水域，景观类型生态脆弱性与分离度呈极度正相关，与破碎度及生态敏感性呈显著正相关，人为干扰是生态脆弱性演替的主导因素。③宁远河流域以中低生态脆弱性为主，微度脆弱、轻度脆弱、中度脆弱、重度脆弱、极度脆弱区占比依次为6.53%、42.97%、35.74%、7.43%、7.33%，生态脆弱性的空间分布规律为东北低西南高，人为干扰是影响生态脆弱性分布的主要因素。生态脆弱性主要的驱动因子是人为干扰和海洋影响，地形地貌是影响生态脆弱性布局的根源。

宁远河流域；景观格局；生态敏感性；生态脆弱性

生态脆弱性是生态系统在特定时空尺度上相对于外界干扰所表现出的敏感性和恢复力[1-2]，影响着生态过程的进行和生态环境演化方向[3]。近年来随着社会经济的发展和城市化进程的推进，生态系统的脆弱性明显上升，开展生态脆弱性研究可为保护和改善生态环境提供科学依据[4-6]。传统研究多基于自然条件、资源状况和环境现状的统计数据分析[7-8]，不能较好地反映区域生态演化机制。景观格局是多种生态过程相互作用的结果，体现着区域异质性，能反映自然与人文活动的内在联系[9]，结合景观格局与生态敏感性分析能反映出生态脆弱性的演化机制，具有较强的现实指导意义。

目前生态脆弱性的研究多涉及市县[10]、矿区[11]、湿地[12]、草地[13]、自然灾害[14]等方面，以沿海流域为对象探讨生态脆弱性的研究较少[15]。宁远河流域处于特殊的海滨海岛地理位置，岛屿生物种群的抗外界干扰能力和自我恢复能力低，易受自然灾害影响，加之旅游开发不断深化，已出现开发模式错位、景观破碎化、环境污染等诸多问题，环境保护迫在眉睫。本研究以宁远河流域为对象，从景观格局和生态敏感性相结合的角度探讨宁远河流域的生态脆弱性，以期为该流域生态环境建设提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

宁远河发源于海南省保亭黎族苗族自治县毛感乡，109°5′46″—109°33′20″ E、18°19′30″—18°39′30″ N(图1)，于三亚市崖城镇注入南海，干流全长83.5 km，年均径流量6.49亿m3，流域面积1020 km2，被誉为三亚“母亲河”。流域地势东北高西南低，属热带海洋性季风气候，年均降水量1462 mm，土壤类型包括山地黄壤、山地赤红壤、砖红壤、沙土等。因受地形地势影响，植被垂直分布明显，主要类型有热带雨林次生乔木林、灌木林、草地、人工林等。流域涉及保亭黎族苗族自治县的毛感乡及新政镇，三亚市的凤凰镇、天涯镇及崖城镇，土地利用类型以林地、耕地为主，分别占流域总面积的85.48%、8.73%，森林覆盖率达85.05%，随着人为干扰程度的加剧，宁远河流域景观破碎化程度增大，生态系统出现脆弱化发展趋势。

1.2 数据来源及处理

以2010年海南省二类调查数据、海南省行政边界图、海南省DEM数字高程模型(分辨率20 m×20 m)、土壤类型分布图、1∶10000地形图及Goolge Earth遥感影像数据为研究基础，二类调查数据的影像信息源为2008年QuickBird遥感影像数据(分辨率3 m×3 m)。利用谷歌地图下载器下载研究区16级遥感影像图(比例尺1∶12000，分辨率4 m×4 m)，遥感影像数据西南部拍摄日期为2014年7月3日，东北部为2013年10月7日，正好与流域西南部发展迅速，东北部发展相对缓慢的特点一致，数据精确度较高。采用北京54坐标系配准数据，根据解译标志对二类调查数据进行校对调整和地类合并，得林地、耕地、牧草地、水域、未利用地和建设用地6种土地利用类型[16]。

1.3 研究方法

1.3.1 评价指标体系 选取对生态环境影响较大的坡度、地形起伏度、土壤类型、土地覆盖类型4个因子作为生态敏感性测定指标，与生态脆弱性相关性较强的分离度(FI)、分维度倒数(FD)、破碎度(FN)作为景观格局测定指标[16]，建立宁远河流域生态脆弱性评价指标体系(图2)。

1.3.2 生态敏感性的计算 将流域生态敏感性分为不敏感、轻度敏感、中度敏感、高度敏感、极度敏感5个级别，利用层次分析法分别以1、3、5、7、9确定权重，运用几何平均数法计算生态敏感性[16]：

(1)

式中：Si为i类景观的敏感性指数；i为景观类型；j为敏感级；Aij为i类景观分布在j敏感级上的面积；Ai为i类景观总面积；Wij为i类景观相对于j敏感级的权重。

1.3.3 生态脆弱性计算 不同景观类型的组成元素和所处环境不同，表现出不同的生态脆弱性。景观类型共同组成了区域生态系统，因此景观类型的生态脆弱性是区域生态脆弱性的基础。根据景观类型的分离度、分维度倒数、破碎度和敏感性，利用主成分分析法确定各指标权重，构建景观类型脆弱性评价模型：

VIi=aFIi+bFDi+cFNi+dSi

(2)

式中：VIi为i类景观的脆弱性；a，b，c，d为各评价指标权重，a+b+c+d=1。

利用Arcgis渔网工具将研究区划分为58个5 km×5 km的格网进行采样，运用加权求和法根据景观类型面积比计算格网质心的生态脆弱性[16]：

(3)

式中：EVIi为生态脆弱性；Ai为i类景观的面积；TA为研究区总面积。

在格网生态脆弱性的基础上，利用克里格插值法预测模拟宁远河流域的生态脆弱性。

2 结果与分析

2.1 生态敏感性分析

利用层次分析法计算坡度、地形起伏度、土壤类型及土地覆盖类型的权重值依次为0.4115、0.0672、0.1504、0.3709，一致性检验为CI=0.0077<0.1，分析结果合理。利用Arcgis的栅格计算工具，根据公式(1)将4个敏感性测定指标进行加权叠加(图3)。

宁远河流域生态敏感性分布存在明显的空间分异：Ⅰ级敏感区占总面积的23.97%，主要分布在流域中游，以林地为主，有少量耕地和建设用地；Ⅱ级、Ⅲ级敏感区分别占总面积的32.41%、28.10%，主要分布在流域上游，以林地为主，地形起伏度较大；Ⅳ级、Ⅴ级敏感区分别占总面积的11.76%、3.76%，主要分布在流域下游入海口，多为耕地和建设用地。

2.2 生态脆弱性分析

对宁远河流域的景观类型进行栅格化处理，像元大小为10 m×10 m，利用Fragstats 3.0计算各景观类型的分离度(FI)、分维度倒数(FD)、破碎度(FN)，并进行景观类型的生态脆弱性计算。采用主成分分析法计算各测定指标的权重，分离度、分维度倒数、破碎度及生态敏感性指标的权重分别为0.2808、0.2014、0.2474、0.2704。根据公式(2)计算各景观类型脆弱性(表1)。

建设用地、未利用地的分离度较大，表明其在地域上分散程度高，生态系统聚合度和稳定性较差，易受外界干扰的影响。分维度倒数最大的是建设用地，其次是牧草地，说明建设用地和牧草地通过人为规划，形状呈现规则化，受人为影响较大。未利用地的破碎度最大，建设用地次之，说明未利用地及建设用地受人类的干扰强烈，景观较破碎分散。各景观类型脆弱性的顺序为：建设用地>未利用地>牧草地>林地>耕地>水域，建设用地和未利用地生态脆弱性最高，主要是受人为干扰较大，景观呈现高度破碎化；水域生态脆弱性最低，主要是水域分布较为集中，受人为干扰较少，生态系统相对稳定。

表1 景观类型脆弱性指数

在SPSS 17.0中对景观类型的生态脆弱性进行Pearson相关性分析，以探讨景观类型生态脆弱性与测定指标之间的相互关系(表2)。景观类型生态脆弱性与分离度之间存在极度相关，与破碎度和生态敏感性之间存在显著正相关关系，说明宁远河流域生态脆弱性主要是受分离度、破碎度和生态敏感性的影响，其中分离度对生态脆弱性的作用最为明显。分离度和破碎度存在显著正相关，这与二者的性质是相符的，都反映出人类对景观类型的干扰程度。生态敏感性与分离度、破碎度之间存在显著正相关，说明生态敏感性与人类干扰之间存在相互作用，人类干扰对生态敏感性产生较大影响。分维度倒数与其他生态脆弱性指数之间的相关性较弱，说明分维度倒数对区域生态脆弱性的影响程度较低。

表2 生态脆弱性指数相关性分析

*：*为显著相关；**为极度相关。

依据公式(3)计算各格网的生态脆弱性，并预测生成宁远河流域生态脆弱性分布图，采用自然断裂法(Natural Breaks)将流域生态脆弱性划分为5个等级(图4)：Ⅰ级，微度脆弱区(EVI值为0.2313～0.2366)，占总面积的6.53%；Ⅱ级，轻度脆弱区(0.2366～0.2385)，占总面积的42.97%；Ⅲ级，中度脆弱区(0.2385～0.2438)，占总面积的35.74%；Ⅳ级，重度脆弱区(0.2438～0.2579)，占总面积的7.43%；Ⅴ级，极度脆弱区(0.2579～0.2959)，占总面积的7.33%。

Ⅰ、Ⅱ级区集中分布在流域的中上游及西北方，该区地形起伏度较大，以山地丘陵为主，高程多在300 m以上，土壤主要是山地黄壤、赤红壤及砂页岩砖红壤，植被多为原始次生林，生态脆弱性最低。Ⅲ级区主要分布在中游，地形起伏度小，高程100～300 m，林地占区域大部分面积，少量耕地和建设用地散布其间，生态脆弱性较低。Ⅳ、Ⅴ级区集中分布在流域下游的入海口区域，该区地势平坦，海拔较低，土壤主要为滨海沙土和水稻土，土壤侵蚀和盐碱化现象严重，土地利用类型多为耕地、建设用地和未利用地，景观呈现高度破碎化，生态脆弱性最高。

3 讨论

流域面积广阔，且地形地貌呈现规律变化，因此流域的生态敏感性空间分布特征明显。宁远河流域生态敏感性的空间分布规律为：中游生态敏感性较低，上游生态敏感性中等，下游入海口的生态敏感性最高。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级敏感区与Ⅳ、Ⅴ级敏感区相比，土地覆盖类型、土壤类型存在明显差异，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级区域土地覆盖类型以林地和水域为主，林地和水域生态结构相对复杂，与外界环境隔离性较强，且2类景观主要分布在丘陵和山地，受人为干扰程度低，生态系统稳定性较好；土壤类型为山地黄壤、赤红壤和砂页岩砖红壤，土壤侵蚀程度相对较低，土体结构完整，抗干扰能力较强。Ⅳ、Ⅴ级敏感区土地覆盖类型以生态结构单一的耕地和建设用地为主，土壤类型为易受外界侵蚀的滨海沙土和水稻土，该区人类活动频繁，生态系统稳定性差。Ⅰ级敏感区与Ⅱ级、Ⅲ级敏感区相比，土地覆盖类型和土壤类型相差不大，但坡度较缓，地形起伏度较小。该流域处于台风灾害多发地带，年降雨量大，较缓的坡度和较小的起伏度有利于抵抗自然灾害，生态系统稳定性较好。从形成特点看，土壤类型受自然和人文共同影响，地形地貌主要受自然条件控制，土地覆盖类型与人为干扰相关性较强，因此宁远河流域生态敏感性由自然和人文共同决定。

生态系统的稳定性必须依赖于生态系统信息传递，因此景观破碎化程度大的生态系统脆弱性较高。相关性分析表明，宁远河流域景观类型生态脆弱性与景观破碎化存在极显著相关，生态脆弱性最大的2类景观为建设用地和未利用地，建设用地是人类活动的主要载体，受人为干扰最大，流域建设用地主要分布在入海口，由于开发和规划程度不高，建设用地呈现高度破碎化；未利用地主要分布在海岸线沿岸，海岸线沿岸是重要的旅游资源。近年来三亚旅游业的迅速发展，海岸沿线的游客数量直线上升，过多的人为干扰和强烈的海风影响导致沿岸植被退化、土地盐碱化和沙化，生态环境极为脆弱。生态敏感性对生态脆弱性影响明显，但不能对生态脆弱性起决定性作用：生态敏感性Ⅱ、Ⅲ级区生态脆弱性较低，Ⅰ级区生态脆弱性较高，说明生态脆弱性受更深层次因素的影响。同时，生态敏感性与生态脆弱性空间分布的差异，也说明生态敏感性与景观格局相结合能较好地反映生态脆弱性的实际情况。

宁远河流域生态脆弱性空间分布特征为上游较低，中游中等，下游较高，整体呈现东北低西南高的空间趋势，与流域地形地貌格局相一致，这与卢远等[9]的研究结果一致。上游多为生态环境良好的原始次生林，地形起伏较大，人类活动频率低，受人为干扰很少，景观完整性较好；中游多为林地和水域，只有少量农田和建设用地散布其间，人为干扰程度有所加强，但景观破碎化程度不高，生态脆弱性稍有提高；下游主要为城镇和农业发展区，是人类活动的主要区域，受人类干扰较大，景观破碎化程度急剧上升，加之建设用地和未利用地生态结构单一，对自然灾害抵抗力极弱，生态系统极为脆弱。调查表明，该流域极度脆弱区的空间分布与工、农业污染源的位置正好吻合，人为干扰和环境污染是生态环境迅速脆弱化的主要原因。宁远河流域的生态脆弱性呈带状分布，与海岸线呈显著平行关系，即越靠近海岸线，生态环境的脆弱性越高，说明流域的生态脆弱性受海洋影响较大，这与邱彭华等[16]的研究结果一致。宁远河流域位于海南岛西南部沿海，盛行的东南风加剧了土地盐碱化程度和速度，加强了环境污染对生态环境的影响和破坏，加之几十年来海防林遭人为破坏严重，不少地区出现海防林老化、退化、病虫害严重等现象，这些都加强了海风对流域生态环境的干扰，加速了生态系统脆弱化。

4 结论

1)宁远河流域生态敏感性较强的Ⅳ、Ⅴ级区域主要分布在下游入海口，占流域总面积的15.52%；Ⅱ、Ⅲ级生态敏感区主要分布在地势较高的上游区域，占流域总面积的60.51%；Ⅰ级生态敏感区主要分布在中游区域，占流域总面积的23.97%。生态敏感性由自然和人类活动共同决定，主要驱动因子为土壤类型和土地覆盖类型，次要驱动因子为坡度和地形起伏度。

2)该流域景观类型生态脆弱性排列顺序为：建设用地>未利用地>牧草地>林地>耕地>水域，建设用地和未利用地的生态脆弱性最高，主要是人为干扰导致。景观类型生态脆弱性与分离度呈极度正相关，与破碎度及生态敏感性呈显著正相关，人为干扰是生态脆弱性演化机制的主导因素。生态敏感性与分离度和破碎度呈显著正相关，说明生态敏感性与人为干扰之间存在复杂的相互关系。

3)该流域以中低生态脆弱性为主，微度脆弱、轻度脆弱、中度脆弱、重度脆弱和极度脆弱区占比依次为6.53%、42.97%、35.74%、7.43%和7.33%，空间分布规律为东北低西南高，Ⅰ、Ⅱ级生态脆弱性区域主要分布在上游，Ⅲ级生态脆弱性区域主要分布在中游，Ⅳ、Ⅴ级生态脆弱性区域主要分布在下游，人为干扰是影响生态脆弱性分布的主要因素。景观格局和生态敏感性结合能较好地反映生态脆弱性实际情况，流域生态脆弱性的主要驱动因子是人为干扰和海洋影响，地形地貌是影响生态脆弱性布局的根源。

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The Ecological Vulnerability of Ningyuan River Basin in Hainan Province

LUO Gai-gai1，LU Yu2，Li Ming-yue1，SHE Ji-yun2，WEI Zhi-fei3

(1.SouthChinaUniversityofTechnology，Guangzhou510641，Guangdong，China；2.CentralSouthUniversityofForestryandTechnology，Changsha410000，Hunan，China；3.LandandResourcesPlanningInstituteofHunanprovince，Changsha410000，Hunan，China)

This paper taking the basin of Ningyuan river as a subject investigated，selecting division index，fractal dimension reciprocal，fragmentation index 3 landscape pattern indexes and ecological sensitivity structured the evaluation model of ecological vulnerability，then used spatial overlay analysis and Kriging carry on the research from the angle of combining the landscape pattern and ecological sensitivity to the ecological vulnerability of river basin.The results showed that：①Nature and human activity determine the ecological sensitivity of the basin of Ningyuan river together，and the main driving forces are soil type and land cover type.②The ecological vulnerability of landscape types is in the following decreasing order：construction land>badlands>grassland>woodland>agricultural land>waters land.There is a extreme correlation between the ecological vulnerability of landscape type and division index，a marked correlation between the ecological vulnerability of landscape type and fragmentation index as well as ecological sensitivity.Human disturbance is the dominant factor to the succession of ecological vulnerability.③A majority of the basin of Ningyuan river is moderate ecological vulnerability and low ecological vulnerability.Slight，light，moderate，heave and extreme vulnerability occupied 6.53%、42.97%、35.74%、7.43% and 7.33%.The spatial distribution pattern of ecological vulnerability is northeast is low and southwest is high，and human disturbance is the main factor of ecological vulnerability distribution.The main driving forces of ecological vulnerability are human disturbance and the influence of ocean，and topography is the source that effects the spatial distribution of the ecological vulnerability.

Ningyuan river；landscape pattern；ecological sensitivity；ecological vulnerability

2015-03-04；

2015-05-11

海南省林业局重点科研项目(海南省五大河流域植被恢复与保护规划研究，LK20118478)

罗改改(1988—)，女，湖北荆门人，华南理工大学硕士研究生，从事土地制度与政策和土地生态脆弱性方面的研究。E-mail：729055262@qq.com。

陆禹，湖南武冈人，中南林业科技大学博士研究生。E-mail：lylgg245866@126.com。

10.13428/j.cnki.fjlk.2016.01.022

X171

A

1002-7351(2016)01-0099-06