近14年广西生态系统健康时空变化特征

张 楠, 窦世卿, 徐 勇, 靖娟利, 张寒博

(桂林理工大学 测绘地理信息学院, 广西 桂林 541006)

0 引 言

区域生态系统健康是保护环境和实现可持续发展的重要基础[1]。目前已经成为生态环境研究和社会发展的一个热点和趋势。因此, 对区域生态系统健康状况进行合理评价, 及时发现区域内生态系统健康状况, 对区域经济可持续发展有十分重要的作用[2]。

VOR(vigour-organization-resilience model, 活力-组织力-恢复力)模型作为一种客观、 大范围、 科学合理的生态系统健康评价模型在区域生态系统健康研究中具有广泛的应用。众多学者利用VOR模型对区域生态系统进行健康评价研究, 如滇池流域[3]、 宁夏盐池县[4]、 贵州红枫湖[5]等。广西由于其特殊的地理位置以及气候条件, 拥有非常丰富的自然资源[6], 但是随着社会经济的飞速发展， 对资源、 土地等的过度开发利用以及人类活动对该地区自然资源环境造成一定的破坏使该地区生态环境压力和可持续发展面临巨大挑战。然而目前众多学者对广西的生态系统健康评价研究仅处于小范围以及单一指标方面, 宏观上、 多指标的研究较少。如 Liu[7]通过对广西西江流域农业面源污染所面临的挑战分析提出西江水生态环境可持续健康发展的可行性建议; 李象钦等[8]采用踏查法对研究区进行摸底调查， 分析外来入侵植物对广西生态健康安全的影响并提出预防外种入侵建议; 步秀芹等[9]通过构建环境功能综合评价指标体系对广西各区域发展现状、 该地区空间分异以及环境功能进行综合性评价; 宋波等[10]采用地积累指数法对广西西江流域土壤镉含量的研究对该地区进行生态健康风险评估。因此, 本文尝试利用VOR模型从自然景观变化方面入手, 借助遥感和GIS等手段针对广西构建生态系统健康评价体系, 采用熵权法对系统各个指标计算权重并计算生态系统健康指数, 探讨广西生态系统健康空间分布以及时间变化特征, 以期为合理开发利用当地自然资源、 保护区域生态系统健康提供理论指导和科学依据。

1 研究区概况

广西地处中国第二级阶梯的云贵高原的东南边缘, 位于104°26′—112°04′E、 20°54′—26°24′N, 两广丘陵的西部, 南边朝向北部湾, 北回归线横贯全区中部。地势整体四周多山地与高原, 而中部与南部多为平地, 因此地势自西北向东南倾斜, 西北与东南之间呈盆地状, 素有“广西盆地”之称[11]。广西地处低纬度, 北回归线横贯全区中部, 属亚热带季风气候区, 年平均气温在16.5～23.1 ℃[12]。全区大部地区气候温暖, 热量丰富, 雨水丰沛, 干湿分明, 季节变化不明显, 日照适中, 冬季时间短夏季时间长。广西拥有较长的海岸线, 地处华南经济圈、 西南经济圈与东盟经济圈的结合部, 是我国唯一与东盟既有陆地接壤又有海上通道的省区, 是我国西南地区最便捷的出海口和对外开放的窗口, 是建设“海上丝绸之路”的重要区域, 是连接我国与东盟市场的重要枢纽。随着中国-东盟自由贸易区2010年全面建成以来, 广西的区域优势和战略作用更为突出, 经济建设得到飞速发展。

2 数据来源与预处理

2.1 数据来源

本文所采用的2006—2019年归一化植被指数(NDVI)、 植被净初级生产力 (NPP)、 地表温度值(LST)和土地覆盖类型数据均来源于NASA数据共享网站(https: //ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/)。具体数据信息及用途: NDVI是由MOD13A3月合成的1 km分辨率数据, 比例因子为0.000 1, 用于提取研究区评价指标NDVI; NPP是由MOD17A3HGF年产品合成的数据, 分辨率为500 m, 比例因子为0.000 1, 用于提取研究区评价指标NPP; LST是由8 d分辨率的MOD11A2通过最大值合成法合成年数据, 分辨率为1 km, 比例因子为0.02, 用于提取研究区评价指标LST; 通过MCD12Q1数据(年合成土地覆盖类型数据)进行土地利用分类, 分辨率为500 m。详见表1。

表1 研究采用的数据集及说明

2.2 数据预处理

利用MODIS重投影工具(MODIS reprojection tool, MRT)分别对MOD17A3HGF、 MOD13A3和MOD11A2影像进行镶嵌、 投影、 重采样和数据格式转换处理, 并结合广西行政矢量边界图对处理后的图像进行裁剪。MCD12Q1数据[13]是经过监督决策树分类后的数据, 该数据集共有5 种土地覆盖分类方案，本文选用第一种IGBP(International Geosphere-Biosphere Program) 分类方案，共划分出17 类土地利用类型。 在ArcGIS 10.6支持下, 采取重分类方法将研究区景观划分为耕地、 林地、 草地、 水体、 灌木丛、 建设用地和裸地7 种类型, 将解译后的影像经过拼接、 镶嵌及裁剪处理得到研究区景观类型图, 利用Fragstats 4.2 提取景观格局指数, 并利用ArcGIS 10.6 进行空间分析和制图[14]。

3 研究方法

3.1 评价指标体系构建及标准化

从资源环境、 景观生态、 人类活动3个角度中分别选取活力、 组织力和恢复力组成广西的生态系统健康评价子系统, 通过3个子系统下选取的8类指标共同构成生态系统健康评价指标体系。活力指生态系统的能量积累和营养循环, 是衡量系统新陈代谢和生产力的主要指标, 由绿色植物的覆盖率和光合作用来决定的。光合作用与温度以及植被生长之间相互作用, 相互影响, 因此选取NDVI[15]、 NPP[16]和LST[17]表征系统活力。组织力是指生态系统的复杂性, 一般来说组织结构越复杂, 生态就越健康, 因此选用景观多样性、 景观破碎度、 平均斑块面积、 人类干扰指数来表征生态系统组织结构的复杂性和人类活动影响这两方面[18]。恢复力是系统弹性的相对程度， 是系统受外来干扰后逐步恢复的能力, 主要受景观要素的影响较大, 所以选择生态弹性度表征系统恢复力[19], 生态弹性度是生态系统受到压力或破坏时自我调节恢复的能力[20]。广西生态系统健康评价指标体系及指标类型见表2, 其中(+)代表指标具有正向驱动作用, (-)代表指标具有负向驱动作用。

表2 广西生态系统健康评价指标体系、指标及类型

参考有关研究并结合研究区实际情况, 不同景观类型生态弹性度分值[21]见表3。

表3 不同景观类型生态弹性度分值

为避免指标数据来源和类型等不同造成的指标间不能进行综合计算与相互比较, 本文采用极差法[22]将表2中的各个指标进行标准化处理。

1)正向健康意义指标

Y=(X-Xmin)/(Xmax-Xmin),

(1)

2)负向健康意义指标

Y=(Xmax-X)/(Xmax-Xmin),

(2)

式中:Y为指标标准化值;X为指标实际值;Xmax、Xmin分别为指标观测数据中的最大值和最小值。

3.2 评价指标权重确定

生态系统健康评价多目标多准则且复杂, 采用熵权法 (EWM)[23]引入熵的概念, 通过熵值来判断指标的离散程度确定各个指标的权重值。计算的评价指标与子系统以及生态系统健康评价系统之间的权重值见表4。

表4 广西生态健康评价指标体系及其权重

3.3 生态系统健康评价模型

本文通过活力、 组织力和恢复力来反映生态系统健康, 通过综合指数法分别计算评价指标与子系统以及子系统与生态系统的生态系统健康指数,并根据生态系统健康分值来反映生态系统健康状况， 这是生态系统健康评价研究中经常使用的方法, 因此在评价模型建立时应考虑[24]:

子系统评价模型为

(3)

式中:HIi为第i个子系统的生态系统健康分值;xij为第i个子系统第j项指标经标准化处理得到的值;yj是第j项指标相对于目标层的权重;n为评价指标个数。

VOR模型为

HI=HIV×HIO×HIR,

(4)

式中:HI为生态系统健康指数;HIV为生态系统健康活力指数;HIO生态系统健康组织力指数;HIR生态系统健康恢复力指数。

3.4 生态系统健康等级划分

根据计算出的生态系统健康指数, 将研究区生态系统健康水平按照等间断法划分为5个级别[25], 如表5所示。

表5 生态系统健康等级划分

4 结果分析

4.1 生态系统活力变化特征

生态系统活力健康状况主要体现在能量输入和营养循环容量两方面, 其活力等级占比大小反映生态系统的新陈代谢及能量积累, 是生态系统的健康基石。广西2006、 2010、 2015和2019年生态系统活力等级空间分布以及面积占比如图1、 图2所示。

图1 广西生态系统活力等级空间分布

图2 生态子系统各等级面积占比

从空间分布来看, 广西三级以上活力健康水平高的区域占整个研究区域面积的4/5以上, 且多集中在桂林、 柳州、 河池、 百色等北部地区, 这些地区多高山与丘陵， 对应的地物是林地、 灌木丛以及草地, 这3种地物在整个生态系统中就是通过光合作用在扮演着能量积累的角色, 其NDVI以及NPP较高, 所以活力值也相对的较高。由四周向中南部地区活力值逐渐降低, 这部分主要都是建设用地与草地、 灌木丛以及林地相交的区域, 由于广西地处我国南方地区， 加之特殊的地貌环境, 建设用地多处在高山间的平地中且建设用地中也具有一定量的植被覆盖率, 所以形成建设用地与植被相互混合的环境, 这部分由于具有一定的植被覆盖率, 所以有相应的能量输入积累, 但含量要明显小于植被覆盖率高的地区, 地表温度值较高, 所以活力值相对较低。

从时间变化来看, 研究区活力等级在近14年里均发生不同程度的变化, 整体活力等级呈现下降趋势, 即生态系统压力增大。灌木丛和草地面积占比分别下降11.07%和5.13%, 年变化率分别为0.79%和0.37%。而林地、 耕地、 建设用地和裸地面积占比都相应的增加, 人类为了满足自身发展需求, 对自然资源开发利用强度增大, 大量草地和灌木丛转变为建设用地和耕地, NDVI以及NPP相对降低, 但为响应国家生态建设号召进行植树造林的同时由于开发不当导致资源利用不合理, 裸地面积相应增加, 造成资源浪费, 同时导致环境压力增大, 生态系统健康等级降低。

从整体来看, 由图2中可见， 活力等级为二级的区域面积占比先上升到2015年达到峰值后大幅度降低, 2006—2015年一级和三级区域面积占比向二级转化, 生态系统活力整体较为稳定； 2019年二级健康区域面积占比骤降, 三、 四和五级区域面积占比相应升高, 主要原因是随着经济的发展, 城镇化率的提高, 当地政府虽采取一定措施进行生态环境的保护， 但人类对自然资源的利用强度增加, 造成生态系统压力增大, 整体活力降低。

4.2 生态系统组织力变化特征

生态系统的健康状况用组织力来体现, 生态系统越复杂, 组织力越复杂, 生态系统越健康。广西2006、 2010、 2015和2019年生态系统组织力等级空间分布以及面积占比见图3和图2。

图3 广西生态系统组织力等级空间分布

从空间分布来看, 近14年以来研究区生态系统健康组织力处于较平稳状态, 2015年出现较明显变化。 部分二级区域转化为三级后又向二级区域转化。三级以上区域约占研究区总面积的80%, 整体组织力较高， 这部分主要包括草地、 林地和灌木丛, 景观类型多样且复杂, 对生态系统健康起积极作用。 四级的区域主要为林地, 由于该区域主要由种类繁多的树木构成, 景观破碎度较高, 组织力较差。 五级区域主要由裸地构成, 裸地生态系统类型单一、 组织力低, 生态系统健康状况差。

从时间变化来看, 研究区组织力为二级的面积占比呈现先下降后上升趋势, 这主要是由景观多样性、 景观破碎度和平均板块面积决定的, 灌木丛和草地面积占比分别下降11.07%和5.13%, 但林地面积占比上升12.54%。 由于人口的不断增长、 经济的高速发展, 人类活动增加, 导致人类干扰指数上涨, 大量草地和灌木丛转变为建设用地和耕地, 导致平均斑块面积小幅下降, 同时景观多样性以及景观破碎度相应上升0.29和0.13, 造成整个地区高等级的组织力面积占比上升。

整体来看, 近14年期间, 研究区组织力为二级区域面积上升7.27%, 三级和四级区域面积占比均先上升后下降, 区域整体组织力三级以上的面积占比年均上升1.15%, 中南部地区生态系统组织力呈明显的先下降后上升趋势。 由于人类干扰增大, 大量草地和灌木丛被破坏, 平均斑块面积下降, 但2015年后政府积极响应中央、 国务院联合印发的《关于加快推进生态文明建设的意见》, 提倡绿色发展理念, 积极推动生态文明建设, 保护生态环境, 林地的面积占比明显上升, 景观多样性与平均斑块面积小幅度上升, 研究区生态系统组织力相比2015年得到明显改善。

4.3 生态系统恢复力变化特征

恢复力体现系统受外来干扰的抵抗力和恢复速率。广西2006、 2010、 2015和2019年生态系统恢复力等级空间分布以及面积占比见图4和图2。

图4 广西生态系统恢复力等级空间分布

从空间分布来看, 整个研究区域恢复力等级混合交杂, 14年间恢复力等级总体上表现较为均匀, 南宁以及来宾等中南部区域明显劣于周围市区域, 整个研究区的生态系统恢复力健康状况处于较好的状态, 究其原因, 广西北部多高山地区, 植被种类较多、 生态弹性度较高， 且自然灾害较少, 没有大规模的自然环境损害， 所以北部地区生态恢复能力较强； 而南部地区地势较为平缓， 多耕地以及建设用地且比较集中, 生态弹性度较低, 整个研究区域的生态系统较为稳定。

从时间变化来看, 研究区生态系统恢复力整体呈上升趋势, 恢复力为一级的区域面积占比年均上升1.61%, 在2015年趋于最大； 二级区域面积占比在2010—2015年期间向一级和三级转化, 而在2015—2019年三级区域又向二级区域转化； 五级的区域面积占比缓慢上升。总体上，研究区二级以上区域面积占比在近14年间上升9.28%。

从整体来看, 研究区恢复力等级整体上升, 低等级区域向高等级区域转化, 恢复力为五级的区域面积占比虽有小幅度上升但相比二级以上区域上升幅度仍相见甚微。随着经济的发展, 人们对自然环境健康越来越重视： 政府关于生态文明建设政策的实施、 研究区域林地的面积占比增大、 对自然环境的保护行动, 都使研究区生态弹性度整体上升； 但低等级健康区域仍有扩散趋势, 应该进一步提高保护生态环境力度, 采取进一步措施对生态系统进行保护与恢复, 增强环保意识。

4.4 生态系统健康状况分析

综合生态系统活力、 组织力和恢复力三方面, 根据熵权法计算出的各指标的权重值, 得出广西生态系统健康综合评价值, 并根据生态系统健康等级对研究区域进行等级划分, 绘制了研究区2006、 2010、 2015和2019年生态系统健康等级空间分布及各等级面积占比见图2、 图5。

图5 广西生态系统健康等级分布图

从空间分布来看, 4个时期研究区生态系统健康状况总体呈现北部生态健康状况要优于南部地区。以2010年为例, 广西整体健康等级较高, 一级区域主要分布于梧州以及贺州零散区域, 面积占比7.83%, 这部分地区多是由灌木丛以及草地构成, NDVI与NPP值较高, 景观多样性较为丰富, 生态系统活力、 组织力和恢复力都处于较高的水平, 所以生态系统健康状况处于健康状态。二级区域面积占比大于70%, 多分布在广西西北部地区, 这类地区多是由林地、 灌木丛以及草地构成, 生态环境较为稳定, 生态弹性度较高, 生态系统健康状况良好。而健康等级三级地区多分布于来宾东北部地区, 这类地区主要是由林地构成, 面积占比为13.11%, 由于广西特殊的气候以及地质原因, 植被覆盖率较高, 植被通过光合作用进行能量存储, 调节区域气候, 所以健康状况处于一般的水平。健康等级四级区域主要是由建设用地构成, 多分布于南宁、 玉林、 贵港等主要经济发展地区, 面积占比为8.02%, 这部分区域受人类活动影响较大, 生态系统健康状况较差。

从时间变化来看, 研究区生态系统健康状况总体呈先下降后上升趋势, 生态状况健康的区域消失殆尽, 但生态系统健康状况良好的地区环境有轻微向好趋势, 所占面积比年均上升0.70%, 而生态系统健康状况一般的区域面积占比下降较为明显, 年均下降0.40%。生态系统健康状况较差的区域面积占比缓慢增长, 年均上升0.23%。

从整体来看, 广西生态系统健康状况在近14年间有小幅度的下降, 生态系统健康出现恶化趋势(图4和图5)。 2006—2010年生态系统健康趋于平稳状态, 生态系统健康为一级的区域面积占比趋于稳定, 表明2006年当地政府出台实施的“城乡清洁工程”对保护生态环境健康有积极的作用。2010—2015年, 生态系统健康状况较好的区域大幅度减少, 生态系统健康状况较差的区域逐渐向周围扩散, 而生态系统健康状况较好的区域也向健康状况较差转移, 但2015年后生态系统健康状况出现明显好转, 二级区域面积占比呈明显上升趋势。究其原因, 随着当地政府响应国家号召， 积极推动生态文明建设的发展, 人们意识到生态系统健康问题, 并为之付出行动加以补救, 但力度相对较小, 虽然生态环境出现明显好转, 但生态系统健康状况相比2010年之前仍呈现轻微恶化的现象。

5 结论与讨论

本文依据生态系统健康理论, 基于VOR模型建立广西生态系统健康评价体系和方法, 以遥感数据为基础, 结合熵权法来确定各个指标权重, 对广西生态系统健康进行评价得出以下结论:

(1)从空间分布来看, 2006、 2010、 2015和2019年4个时期研究区生态系统健康状况总体呈现北部要优于南部地区, 健康状况较好区域分布于梧州及贺州零散区域, 这部分地区多是由灌木丛以及草地构成。健康状况一般的区域多分布在来宾东北部地区, 这类地区主要是林地构成。健康状况较差的区域主要是由建设用地构成, 多分布于研究区的中部零散区域。

(2)从时间分布来看, 2019年较前3个时期生态系统健康状况较好区域面积下降严重, 但健康等级为二级以上的区域面积占比上升1.93%, 研究区生态系统健康状况总体呈现小幅度下降趋势。

(3)从整体来看, 广西生态系统健康状况在近14年间有小幅度的下降, 生态系统健康出现恶化趋势, 生态系统健康状况较好的区域消失殆尽, 生态系统健康状况较差的区域逐渐向周围扩散, 虽然2019年健康状况良好的区域面积占比仍占研究区总面积的80%以上, 但相较于之前3个时期, 研究区健康状况良好的区域面积占比大幅度下降, 生态系统健康状况较差区域面积占比小幅度上升。表明生态系统健康呈现恶化趋势, 当地政府虽出台相应保护环境的政策来推动生态文明建设改善生态环境健康, 虽然对环境改善起到了积极的作用, 但随着社会经济的飞速发展仍对环境造成一定的破坏, 应引起当地有关部门的高度重视, 加大广西生态系统的保护和管理, 实现当地生态系统健康的改善和恢复。

本文对广西生态系统健康状况评价方法与以往对该区域生态系统健康评价相比具有以下优势: (1)数据来源获取方便, 评价指标皆可由遥感影像中计算得到, 有利于开展长时间序列的地方性生态系统健康监测研究; (2)避免了采用单一评价指标对地区进行生态系统健康状况研究的片面性。评价内容从宏观上、 多指标的对研究区内多种不同地物进行研究得到结果, 具有客观科学合理性, 从当地出台的相关政策入手, 分析政策的变化与生态环境健康变化之间的关系, 能够为该地区生态系统健康管理与修复提供参考依据。但本文仍存在不足之处应在以后的工作中进一步优化: (1)将过去的14年分为2006、 2010、 2015和2019年4个时间段进行分析比较, 较为笼统, 下一步具体到每一年度作连续性长时间序列评价并分析趋势; (2)采用主客观组合赋权的方法计算指标权重, 提高权重计算的科学性, 增加评价结果可信度; (3)增加相关性较高的评价指标, 使评价模型更加系统全面。