基于SRP模型的四川省生态环境脆弱性评价

姚 昆， 余 琳， 刘光辉， 刘汉湖

(成都理工大学 国土资源部地学空间信息技术重点实验室, 成都 610059)

基于SRP模型的四川省生态环境脆弱性评价

姚 昆， 余 琳， 刘光辉， 刘汉湖

(成都理工大学 国土资源部地学空间信息技术重点实验室, 成都 610059)

四川省地处长江上游，对其进行生态环境脆弱性评价与分析，有利于全省及下游地区社会经济发展及生态环境保护与建设。研究以生态敏感性-生态恢复力-生态压力度(SRP)模型为框架，从气象、地形、生态景观等方面选取14个评价指标，利用空间主成分分析综合评价对四川省生态环境脆弱性进行综合分析。结果表明：全省生态环境状况总体良好，大部分地区处于中度脆弱以下水平；生态脆弱度呈现由南向北逐渐增强的变化趋势。

生态脆弱性； 四川省； 生态敏感性-生态恢复力-生态压力度； 空间主成分分析

0 引言

生态环境脆弱性指生态系统在特定区域环境下受外界影响所表现出的敏感性与自我修复能力，是生态多因素共同作用的结果，是反映区域生态环境质量的客观指标[1-3]。近年来，随着我国经济迅猛发展、工业化水平日益提高、人们环保意识增强，生态环境安全已成为社会关注的热点。对区域实施有效的生态环境脆弱性监测及评价，有利于人们对生态环境实现科学治理。

自20世纪80年代初期，国内学者便对区域生态环境脆弱性作了大量研究，特别是在指标体系构建、评价方法探索、成因分析及综合治理等方面取得诸多成果。学者们提出了生态敏感性-生态恢复力-生态压力度(SRP)模型、自然成因-结果表现模型、压力-状态-响应(PSR)模型等指标体系构建模型，综合指数法、景观格局法、主成分分析法、层次分析法等生态脆弱性评价分析方法[1-7]。但是，生态环境脆弱性是多因素共同作用的结果，区域不同其评价结果亦不同。

四川省位于长江上游，其生态环境质量不仅关系到全省经济发展，区域资源合理规划利用，同时也会对长江下游地区产生巨大影响。2008年5月12日四川发生汶川特大地震，全省及附近部分地区受到灾害严重破坏，区域生态环境发生巨大改变，然而对四川进行生态评价的研究相对较少。鉴于此，笔者在参考大量文献[3-8]的基础上结合四川省实际同时兼顾评价指标可获得性、可操作性与全面性的选取原则，以SRP模型为框架构建评价指标体系，运用空间主成分综合评价,完成四川省生态脆弱性评价与分析。

1 研究方法

1.1 评价指标体系构建

SRP模型是集自然、人文及生态系统内部变化因素为一体的生态评价指标体系构建模型，由生态敏感性-生态恢复力-生态压力度3部分构成。生态敏感性表征生态系统受外界影响时引发生态环境问题的可能性，包括气象因子、地形因子、地表因子，其中气象因子有降水量、温度、相对湿度、风速；地形因子有坡度、高程；地表有降雨侵蚀力、多样性指数、破碎化指数。生态恢复力是生态系统受到破坏时所表现的自我调节修复的能力，研究中用土壤有机碳含量、土壤有机氮含量与植被覆盖度表示。生态压力度指对生态系统稳定性造成干扰的因素，通过人口密度与人均GDP表征。

1.2 数据来源及预处理

景观破碎度表征了区域生态景观被分割的破碎程度，较客观地反映出人类活动对生态景观结构地影响[9],研究利用土地利用类型数据计算得到。

FN=MPS(Nf-1)/Nc

(1)

式中：FN为单一景观类型破碎化指数；MPS为各类型景观斑块平均面积；Nf为某类型景观斑块数量；Nc为区域景观斑块总数。

植被覆盖度由MODIS-NDVI月合成产品计算，取2010年6月-8月植被覆盖度的平均值。

(2)

式中:f为平均植被覆盖度；NDVImax与NDVImin分别取当月NDVI像元灰度分布置信度的5%确定上下限[10]。

降雨侵蚀力主要反映降水对土壤的搬运与剥离强度，是衡量水土流失状况的重要指标，采用Wischmeier[11]提出的年平均降雨侵蚀力模型计算。

(3)

式中：R为降雨侵蚀力；pi为月均降水量；p为年均降水量；其中pi与p的单位均为mm。

为消除各指标量纲的影响提高研究的准确性，研究采用极差法对各指标进行标准化处理。极差方法需考虑各指标的属性，指标与生态环境脆弱性呈正相关，则指标值越大生态系统脆弱度越高，呈现负相关则相反。正相关指标包括：温度、风速、坡度、高程、降雨侵蚀力、多样性指数、破碎化指数、人口；负相关指标包括:降雨量、相对湿度、土壤有机氮含量、土壤有机碳含量、植被覆盖率、人均GDP。

正相关指标：

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

(4)

负相关指标：

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

(5)

式中：Li为第i个指标标准化值；Xi、Xmax、Xmin分别为第i个指标真实值、最大值、最小值。

表1 数据来源

1.3 评价方法

鉴于指标间存在关联性，指标重复将对评价结果造成干扰，因此研究利用ArcGIS-10.0软件对指标体系进行空间主成分分析(SPCA)。空间主成分分析是基于数理统计原理，在信息量损失极少的前提下，将多个指标转换为几个关联性极低的指标的数据处理方法。在研究中，选取累计因子贡献率达到85%以上的前5个指标作为主成分指标，它们已包含原有14个指标的大部分信息(表2)。

主成分综合评价数学表达式为式(6)。

EVI=β1Y1+β2Y2+β3Y3+…+βnYn

(6)

根据式(6)与表2，得到四川省生态脆弱性综合评价数学表达式为式(7)。

EVI= 0.4428×Y1+0.1611×Y2+

0.1171×Y3+0.0795×Y4+

0.0581×Y5

(7)

式中:EVI为生态脆弱性综合指数，其值越大生态环境越脆弱，生态系统受到的破坏程度越明显；Y1、…、Y5为空间主成分分析提取的累计因子贡献率达到85%以上的前5个评价指标。

表2 各主成分因子特征值、贡献率、累积因子贡献率

表3 四川省生态环境脆弱性分级标准

2 结果分析

2.1 脆弱性分级

对研究结果进行生态环境脆弱性等级划分，有利于人们因地制宜，科学治理。目前,国内、外专家主要通过经验判定法[12-14]实现区域生态脆弱性等级划分，该方法主要依赖专家经验进行判定，受人为因素影响较明显。笔者采用自然断点法[15]实现研究区生态脆弱性分级，该方法既能将具有相似像元值的栅格像元进行最恰当的分组，又能最大化凸显各类别间的差异(表3)。

2.2 评价分析

2010年全省生态环境脆弱性综合指数变动范围为0.592～2.632，生态环境质量整体比较乐观大部分处于中度脆弱以下，其中南部、西北部地区生态环境质量较好，东部地区较恶劣。

1)微度、轻度脆弱区。该类型主要分布于甘孜州西北小部分及南部地区、凉山州大部分、雅安、眉山、乐山、泸州、宜宾和成都等的大部分以及四川东北部小部分地区。其中，凉山、甘孜、雅安及乐山的大部分地区以山地地形为主，山区较多，森林与草地面积比重较大，植被类型多样，海拔高、坡度大、人口密度相对较小、人类活动相对较少，人为因素对生态环境影响较轻，地形因子占据绝对优势对区域生态环境质量产生较大影响；除这些区域外的大部分地区虽受到海拔相对较低，易受人类活动干扰的限制，却拥有降水充足、相对湿度大、植被类型相对单一却覆盖度高、景观破碎化程度较轻等有利条件，这些优势对维持生态系统稳定、帮助生态环境扭转恢复起到了重大作用。

2)中度脆弱区。该类型区域面积约占研究区总面积的20%，主要分布于甘孜州西北大部分地区、攀西小部分、四川东北部达州、遂宁、南充、巴中等的大部分地区。甘孜西北大部分地区虽然也拥有海拔高、坡度大、森林草地面积比重大、植被类型多样等诸多有利条件，但相比南部地区，其降水量、相对湿度明显减少、人类活动、景观破碎化程度等明显增大，生态环境受破坏的程度加重；除该区域外的其他地区虽然人类活动相对明显、人为因素对生态环境影响较大，却拥有降水、相对充足、地形地貌类型多样，生态恢复与破坏因素对该区域的影响基本处于相对平衡状态。

3)重度、极重度脆弱区。该类型主要分布于阿坝州大部分及附近绵阳与广元的小部分区域及山脊处。其中，阿坝州及附近绵阳与广元等地区，经查询统计年鉴可知，这些区域在接近研究时段的近几年内，曾受到地震等自然灾害的严重破坏，区域生态环境质量发生巨大改变；山脊处温度与相对湿度较低、植被覆盖稀少、景观破碎化严重、景观类型相对单一，相比该地区地形与人为因子的优势作用，气象因子与地表因子的对生态环境质量影响的主导作用更突出。

图1 四川省生态脆弱性空间分布图Fig.1 Spatial distribution of ecological vulnerability in Sichuan province

3 结论与讨论

研究以SRP模型为框架，结合四川省实际状况同时兼顾评价指标选取原则，从气象、地形、地表、人文等方面考虑分析，构建四川省生态环境脆弱性评价指标体系，应用主成分综合评价和自然断点法对全省EVI进行计算与分级，可得到如下结论：

1)从面积上看，四川省整体上生态脆弱度较低，中度脆弱以下地区占全省的大部分；从空间分布分析，全省生态脆弱性呈现由南向北逐渐增强的发展趋势，微度、轻度脆弱主要分布于四川南部地区，这些地区生态系统较稳定，生态环境质量较好；重度、极重度脆弱主要分布在受灾害影响严重的阿坝州及附近区域与山脊处，这些区域生态系统稳定性差、抗干扰能力弱、生态环境恶劣、生态扭转难度极大、生态恢复与治理应高度重视、长期坚持。

2)研究表明，造成全省生态环境脆弱性空间分布差异明显的原因分析可归纳为自然因素与人为因素。其中气象、地形等自然因素在影响生态环境质量方面占据主导作用；但从根本上分析可以发现，植被覆盖状况、土壤肥力、景观格局、甚至气象等自然因素都间接或直接受到人类活动的影响，所以人文因素不仅是加速生态环境脆弱的催化剂，更是趋使生态恶化的根本原因。因此，提高人们的环保意识、加大环保力度，最大限度扭转生态环境质量，才有利于人与自然和谐相处，实现社会的可持续发展。

3)生态环境脆弱性评价分析，受指标获取、方法选择等多因素的影响，本文尚存在一定不足，在今后的研究中有待完善。

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Evaluation of ecological vulnerability in Sichuan province based on SRP model

YAO Kun， YU Lin， LIU Guanghui， LIU Hanhu

(Ministry of land and Resources Key Laboratory of Geological Spatial Information Technology, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059， China)

The ecological vulnerability assessment and analysis of Sichuan province, located in the upper reaches of the Yangtze river, will be conducive to the development of social economy and ecological environment protection and construction in the whole province and downstream areas. In this study, 14 evaluation indexes are selected from the aspects of meteorology, topography, ecological landscape and so on, based on the ecological sensitivity and ecological resilience (SRP) model as well as comprehensive evaluation of ecological vulnerability in Sichuan province by using spatial principal component analysis. The results showed that: the ecological condition of the whole province was good. Most of the area was in the moderate level of vulnerability, and the ecological vulnerability showed a trend change from south to north more serious.

ecological vulnerability; Sichuan province; ecological sensitivity; ecological restoration; ecological pressure; spatial composition analysis

2016-06-08 改回日期：2016-09-05

国家自然科学基金(41102225)；四川省科技支撑计划项目(2014SZ0070)

姚昆(1991-)，男，硕士，主要研究方向为3S技术与数字国土，E-mail：jiangshan996@126.com。

1001-1749(2017)02-0291-05

X 826

A

10.3969/j.issn.1001-1749.2017.02.21