凉山地区生态环境脆弱性的时空动态变化

姚 昆, 吴 亮, 相恒星, 何 超, 刘汉湖

(1.成都理工大学 国土资源部地学空间信息技术重点实验室， 四川 成都610059；2.水利部新疆水利水电勘测设计研究院测绘工程院， 新疆 昌吉831117； 3.延边大学 理学院 地理系， 吉林 延吉133000)

凉山地区生态环境脆弱性的时空动态变化

姚 昆1, 吴 亮2, 相恒星3, 何 超1, 刘汉湖1

(1.成都理工大学 国土资源部地学空间信息技术重点实验室， 四川 成都610059；2.水利部新疆水利水电勘测设计研究院测绘工程院， 新疆 昌吉831117； 3.延边大学 理学院 地理系， 吉林 延吉133000)

[目的] 了解凉山地区2000—2010年生态环境脆弱性动态变化状况，为地区生态环境治理与保护提供参考依据。[方法] 将RS与GIS技术相结合，以生态敏感性—生态恢复力—生态压力度(SRP)为模型选取16个评价指标，利用空间主成分综合与动态变化分析模型从时间与空间相结合角度，对凉山地区2000—2010年生态环境脆弱性动态变化进行定量分析。[结果] 凉山地区生态环境脆弱性整体呈现南高北低的分布规律,就单一动态度而言潜在脆弱最大中度脆弱最小,就综合动态度分析该地区整体变化速度接近中度水平,而生态脆弱性综合指数则反映出该地区整体生态环境脆弱性有缓慢恶化趋势。[结论] 凉山地区生态环境脆弱性空间分布规律明显，生态环境治理力度仍需加大。

凉山地区; 生态环境脆弱性; SRP; 空间主成分; 时空动态变化

文献参数： 姚昆, 吴亮, 相恒星, 等.凉山地区生态环境脆弱性的时空动态变化[J].水土保持通报，2017,37(1)：329-334.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.01.058； Yao Kun, Wu Liang, Xiang Hengxing, et al. Spatio-temporal variation of ecological environment vulnerability in Liangshan region[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(1)：329-334.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.01.058

随着社会经济的快速发展，人类活动的愈加频繁，人与生态环境的矛盾也愈加突出。因此，科学合理的实现人与自然的和谐相处已成为当今世界的迫切需求。对区域生态环境状况进行科学的监测与评价分析，有助于人们实时了解地区生态环境质量，及时采取相应措施。生态环境脆弱性指特定区域条件下生态系统受外界刺激或干扰时，所表现出的敏感性与自我恢复能力，是自然、人文、生态系统内部演替变化共同作用的结果[1-3]，能定量反映出区域生态环境状况变化。

自20世纪80年代初，中国学者开始对区域生态环境脆弱性做研究起，经过约30 a的努力与探索，学者们已在地区生态环境脆弱性的评价方法、成因分析与治理等热点问题上取得诸多成果。目前，国内已形成综合指数法[4-6]、景观格局法[7]、主成分分析法[8-11]、层次分析法[2,12-14]等系列生态环境脆弱性评价方法,研究区也从最初的喀斯特地区[3]、高原寒区[2]、流域湿地[6,12,15]扩展到平原城市[8,16-17]、水土保持功能区[13]等地区。然而，生态环境脆弱性受多因素的共同影响与制约，研究地区与角度不同其结果亦不同。

凉山州位于四川省西南部,幅员面积6.04×104km2，有山地、平原、丘陵等多种地形。近年来，该地区受乱砍乱伐、乱开荒、工程建设等人为活动与区域先天自然条件的共同影响，地区生态环境状况不断恶化。然而,截至目前对该地区进行生态环境脆弱性变化的研究却相对较少。因此，本研究拟在参考大量前人成果[5-6,9-10,14]的基础上，兼顾评价指标选取的可获得性、可操作性与科学性原则，同时结合凉山地区生态环境实际特征，以SRP模型为框架选取评价指标，采用空间主成分综合与动态变化分析模型，从时间与空间相结合的角度，对凉山地区2000—2010年生态环境脆弱性动态变化状况进行定量分析，以期为地区生态环境保护提供参考。

1 生态环境脆弱性评价

1.1 指标体系构建

科学的构建评价指标体系是生态环境脆弱性评价的重难点。生态敏感性—生态恢复力—生态压力度(ecological sensitivity-resilience-pressure， SRP)型从生态环境脆弱性定义出发，综合考虑人与自然的相互作用关系，从而实现地区生态环境脆弱性评价指标取。研究中，生态敏感性指生态系统受外界干扰时所表现的敏感程度，用气象因子、地形因子、地表因子表现，其中气象因子有降水量、温度、相对湿度、风速；地形因子有高程、坡度；地表因子有多样性指数、破碎化指数、土壤有机碳含量、土壤有机氮含量；生态恢复力则表征生态系统受破坏时的自我修复能力，通过净植被初级生产力(NPP)与植被覆盖度描述；生态压力指对生态系统稳定性造成破坏的外界因素，通过人口密度、人均GDP、年末实有耕地面积、化肥施用量描述。

1.2 数据来源与预处理

景观破碎度描述了地区景观结构受外界因素干扰由单一向复杂转变的过程，是描述生态景观格局变化的客观指标[9,18]。

FN=MPS(Nf-1)/Nc

(1)

式中：FN——某类型景观破碎化指数；MPS——某类型景观斑块平均面积；Nf——某类型景观斑块数量；Nc——区域斑块总数。

植被覆盖度用MODIS中国区NDVI月合成产品计算得到，取6—8月的均值。

(2)

式中:f——平均植被覆盖度；NDVImax，NDVImin——NDVI灰度分布置信度的5%截取上下阈值[19]。

研究中高程、坡度数据由DEM提取；气象、人口密度、土壤有机碳、土壤有机氮含量、NPP数据利用行政区划矢量数据裁剪得到；年末实有耕地面积、化肥施用量均利用反距离权重法插值得到。所有数据均采用Albers投影，栅格化为1 000m。

因为指标量纲与数量级差异将造成评价结果的偏差，因此研究采用极差法完成指标标准化处理。此方法需考虑各指标与生态环境脆弱性的相关性关系[5,10,14]，指标与生态环境脆弱性呈正相关，则生态环境脆弱性随指标数值的增大而加重，呈现负相关则相反。正相关指标包括：温度、风速、坡度、多样性指数等；负相关指标包括:降雨量、相对湿度、土壤有机氮含量等(表1)。

正相关指标：

Li=(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(3)

负相关指标：

Li=(Xmax-Xi)/(Xmax-Xmin)

(4)

式中：Li——第i个指标的标准值；Xi，Xmax，Xmin——第i个指标的真实值、真实最大值和真实最小值。

1.3 评价方法

利用主成分综合分析模型，将各指标对生态环境脆弱性的影响进行综合，计算出生态环境脆弱性指数EVI，可定量描述地区生态环境脆弱性状况。生态环境脆弱性受多因素作用的影响，各评价指标间存在一定的关联性，指标重复将干扰评价结果的准确性。空间主成分分析(spatial principal component analysis，SPCA)基于数理统计原理，对各指标进行相关性分析，筛选出少数几个关联性极低的综合指标。研究通过ArcGIS10.0对16个指标进行空间主成分分析，最终选取累积因子贡献率达到75%的前5个指标作为主成分因子(表2)，进行生态环境脆弱性指数计算。

EVI=β1Y1+β2Y2+β3Y3+，…，βnYn

(5)

式中：EVI——生态环境脆弱性指数；Yi——第i个主成分；βi——第i个主成分对应的贡献率。

表1 数据来源及描述

表2 各主成分因子特征值、贡献率、累积因子贡献率

研究区生态环境脆弱性指数分级划定，对全面认识生态环境脆弱性状况有重大意义。目前，大多数学者采用专家经验判定法[4-5,12]，该方法受主观因素影响较大。自然断点法既能最大限度地实现“物以类聚”将具有相似值的栅格像元进行恰当分组，又能最大化的凸显各类别间的差异[2,6](表3)。

2 生态环境脆弱性动态变化

2.1 变化速度

生态环境脆弱性变化速度是表征区域各等级评价单元和整体生态状况变化进程的重要指标，采用单一动态度与综合动态度对速度进行表达。单一动态度可衡量区域各等级评价单元的变化速度，综合动态度则用于描述区域整体变化速度[15-16]。

(6)

(7)

式中:K——单一动态度；Ua——研究初期某等级评价单元的面积(hm2)；ΔUin,ΔUout——整个研究阶段内某等级评价单元转入、转出面积总和(hm2)；Q——综合动态度;Uai——i等级评价单元研究初期的面积(hm2)；ΔUin-i，ΔUout-i——整个研究阶段第i等级评价单元转入、转出面积总和(hm2);T——研究时段(a)。下同。

表3 凉山地区生态环境脆弱性指数分级

2.2 变化趋势

生态环境脆弱性综合指数EEVI是对整个地区生态环境质量全面的客观描述，而其变化率则可定量描述区域生态环境质量的变化趋势[6,13-14,16]。

(8)

(9)

式中：EEVI——生态环境脆弱性综合指数;Pi——脆弱性分级值;Ai——i等级脆弱性面积;R——综合指数变化率；Aia与Aib——a，b时间，第i等级评价单元面积(hm2)；S——研究区总面积(hm2)。

如果R<0则表示研究区生态环境状况整体趋于好转，生态环境质量比较乐观。

3 结果分析

3.1 生态脆弱性空间分布

如图1所示，2000—2010年内凉山地区生态环境脆弱性呈现由南向北降低的变化特征,中度、重度脆弱主要分布于会理县与会东县的南部、西昌市、宁南县、普格县、德昌县等的人口密度较大的核心区域，该地区具有人口密度大、城市化现象明显、耕地面积比例大、人类活动频繁等环境特征。

图1 凉山地区生态脆弱性空间分布状况

这些特征均不利于地区生态环境扭转恢复，并且很大程度上驱使地区生态环境向生态系统稳定性差，自我修复能力薄弱，生态问题显著，生态治理难度大等的方向发展。轻度脆弱区主要分布于重度与极重度的周边向周围发散开。微度与潜在脆弱主要分布于凉山州西部的木里县与盐源县、东北部的美姑县、雷波县与金阳县等的大部分地区，该地区虽然受到海拔高、坡度大、交通落后等劣势条件的限制，但这些限制性条件却形成了地区特有的人口密度小、人类活动不明显、森林草地受破坏程度较小、空气相对湿度大、植被类型多样且覆盖度高等环境友好型特征，这些限制指标较大限度的对地区自然生态环境进行了有力保护，促使地区生态系统向稳定性、抗干扰与自我恢复能力持续增强的趋势发展。

3.2 变化速度分析

根据单一动态度与综合动态度数学表达式(6)和(7)计算得出凉山地区各阶段各评价单元与整体速度变化结果(表4)。

表4 凉山地区生态环境脆弱性单—与综合动态度

凉山地区生态环境脆弱性变化速度由表4可知，从K进行分析，研究期内微度、轻度脆弱2种评价单元单一动态度为负值，表明这2种评价单元的面积正呈现减少的状态；其中，微度脆弱的单一动态度为-0.66%，面积减少的速度最快；潜在脆弱、中度脆弱、重度脆弱的单一动态度均为正，表明这些评价单元的面积均呈现增加的发展状态。

潜在脆弱的单一动态度最大，该评价单元的面积扩张速度最快，这是由于人们环保意识增强，环保治理力度加大的明显成效；从综合动态度看，凉山地区综合动态度随时间的改变而增大，表明整个地区生态脆弱性整体变化速度呈加快的状态；就整个阶段而言，综合动态度为0.34%，接近中度水平研究区整体变化速度不容乐观。

3.3 综合变化分析

利用生态环境脆弱性综合指数及变化率数学式(8)和(9)，得出凉山地区2000，2005，2010年生态环境脆弱性综合指数及各阶段变化率(表5)。

表5 凉山地区生态环境脆弱性综合指数变化

由表5可知，凉山地区2000，2005与2010年生态环境脆弱性综合指数值分别为2.7410，2.8500，2.7512。在整个研究时段内，凉山地区生态环境脆弱性综合指数呈现先增大后减小的变化状态，这主要由于轻度、中度、重度脆弱3类评价单元的脆弱性指数均为该种变化方式，较大限度的影响了地区生态环境状况整体变化趋势。

通过分析2000—2005与2005—2010年的生态环境脆弱性综合指数的变化率，可以发现2000—2005年内凉山地区生态环境状况整体处于恶化的趋势，而研究后期2005—2010年内凉山地区生态状况则整体处于持续好转的变化状态。

然而，就整个研究时段而言，10 a来凉山地区生态环境整体状况发展不容乐观，生态环境治理仍需要坚持。

4 结 论

(1) 空间分布状况进行分析，凉山地区生态环境脆弱性呈现由南部向北部降低的变化趋势，总体上看凉山州西北部、东北部地区生态环境质量较好，生态环境脆弱性相对较轻，这主要得力于这些地区自然条件占据主要优势，对地区生态环境质量有较大帮助；而南部以及中部地区生态环境较脆弱性较高主要是由于人类活动频繁对地区生态破坏程度过大,导致区域生态环境较差。

(2) 从时间角度进行动态变化分析，10 a来凉山地区生态环境脆弱性呈现如下变化规律:面积增加的3种评价单元中潜在脆弱的单一动态度最大,面积增加速度最快；微度脆弱的单一动态度则是面积减少评价单元中最大的；比较2个阶段研究区综合动态度，可以发现研究区生态环境脆弱性状况整体变化速度随时间的退役呈加快的发展速度，就整个阶段而言地区综合动态度总体处于中偏下水平；生态环境脆弱性综合指数及其变化率，表明该地区2005年生态环境脆弱性状况最严重，10 a间整个凉山地区生态环境状况整体发展不容乐观，生态治理仍需坚持。

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Spatio-temporal Variation of Ecological Environment Vulnerability in Liangshan Region

YAO Kun1, WU Liang2, XIANG Hengxing3, HE Chao1, LIU Hanhu1

(1.KeyLaboratoryofGeoscienceSpatialInformationTechnology,MinistryofLandandResourcesofChina,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu,Sichuan610059,China; 2.XinjiangWaterConservancyandHydropowerSurveyandDesignInstitute,MinistryofWaterResourcesofChina,Changji,XinjiangUygurAutonomousRegion831117,China; 3DepartmentofGeography,CollegeofScience,YanbianUniversity,Yanji,Jilin133000,China)

[Objective] The paper aims to understand the dynamic change of ecological environment vulnerability in Liangshan region from 2000 to 2010, and to provide references for regional ecological environment management and protection．[Methods] Using the technologies of RS and GIS and taking ecological sensitivity-resilience-pressure(SRP) model, we selected 16 evaluation indicators to conduct quantitative analysis on the spatio-temporal change of ecological environment vulnerability in Liangshan region during in 2000—2010.[Results] The ecological environment vulnerability of Liangshan region exhibited an overall trend of higher in south and lower in north; In terms of the single dynamic degree, the potential vulnerability was highest while moderate vulnerability was lowest, and the region’s overall change speed was close to moderate level based on the comprehensive dynamic analysis, but the comprehensive index of ecological vulnerability indicated that the whole ecological environment vulnerability of the region exhibited a slow deteriorating trend.[Conclusion] The spatial distribution of ecological environment vulnerability in Liangshan region is obvious, and the ecological environment control efforts need to be strengthen.

Liangshan region; ecological environment vulnerability; SRP; space principal component; temporal and spatial dynamic change

2016-06-30

2016-07-20

国家自然科学基金项目“汶川强震区潜在泥石流危险性判识及其差异性分析”(41102225); 四川省科技支撑计划项目“川中丘陵区退耕还林工程的生态响应”(2014SZ0070)

姚昆(1991—),男(汉族),四川省西昌市人,硕士研究生,研究方向为3S技术与数字国土。E-mail:jiangshan996@126.com。

刘汉湖(1978—),男(汉族),山东省烟台市人,博士,副教授,主要从事遥感技术与应用、生态遥感与定量遥感研究。E-mail:liuhanhu@cdut.cn。

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1000-288X(2017)01-0329-06

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