GIS支持下绿洲生态敏感性研究——以伊犁河谷为例

陈万基,赵 阳,崔 东,吕绍伦,卢吉瑞,穆耶赛尔·赛达合麦提

(1. 伊犁师范大学资源与生态研究所,新疆 伊宁 835000; 2. 伊犁师范大学生物与地理科学学院,新疆 伊宁 835000)

随着社会生产力的发展,人类对生态环境的过度索取和有害排放日益加重,生态环境与人类社会经济发展的矛盾冲突已是全球面临的共同挑战,改善生态环境和建设环境友好发展秩序是当今全球共同探索的课题。生态敏感性是指生态系统对人类活动干扰和自然环境变化的反应程度,反映发生区域生态环境问题的难易程度和可能性大小[1]。进行生态敏感性分析评价、制定生态环境保护规划、指导区域社会经济建设是全球各地普遍采用的战略[2]。

自20世纪90年代,生态敏感性问题一直是研究热点。早期生态敏感性问题主要以研究单一的生态环境问题为主,如石漠化敏感性[3]、水土流失敏感性[4]、地质灾害敏感性[5-6]、盐渍化敏感性[7]等。近年来,综合多因子进行生态敏感性分析与评价逐渐成为研究方向,如文献[8]采用空间自相关与圈层分析法,对汾河流域进行综合生态敏感性评价,研究了其时空演变特征;文献[9]基于GIS技术,选取坡度、高程、景观生态价值、景观格局、植被覆盖、水域6个评价指标,对济西国家湿地公园进行了综合生态敏感性评价;文献[10]从地形、气象、自然条件3个方面选取9个因子构建锡尔河中游生态敏感性评价指标体系,研究了锡尔河中游生态敏感性。随着研究的深入,新的统计学模型的出现为生态敏感性评价提供了新方法,如层次分析法[11]、CV-SOM耦合加权聚类模型[12]、组合赋权法[13]等。然而,目前国内对干旱区绿洲生态敏感性与社会经济相关性的研究较少。

伊犁河谷南北两侧为高大山脉,中间为伊犁河冲积形成的河谷平原,整体轮廓呈向西张口的“喇叭”状,向西的张口可以接收来自大西洋的暖湿气流,河谷温暖多雨、森林广布,具有典型绿洲特征。解决伊犁河谷的生态环境与社会经济发展之间的矛盾非常重要。本文通过选取海拔、坡度、坡向、水体、土地利用类型、土壤类型、NDVI等指标,利用层次分析法和均方差决策法确定各因子权重,构建伊犁河谷生态敏感性评价体系,对伊犁河谷生态敏感性进行分析;并进一步结合人口密度、GDP、人均GDP、单位载牧量等分析其与社会经济的相关性,以期为伊犁河谷生态保护、水土保持、国土空间规划、自然资源开发利用、社会经济发展等提供一定的理论指导和参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区伊犁河谷如图1所示,位于新疆维吾尔自治区西北部,属于温带大陆性气候,南北山区有高山高原气候特征。平原区与山区气候明显不同,平原区干旱少雨,蒸发较强,年降水量约为200 mm,山区降水丰沛,年降水量可达1000 mm左右,天气冷凉[14-15]。河谷内森林繁茂、草原广布,适宜的水热条件使伊犁河谷成为全国优质天然牧草地[16]。伊犁河及其支流贯穿河谷全境,丰富的水量为河谷农业生产及社会发展提供了保障。近年来对矿产资源和旅游资源的开发力度日益增强,人类活动剧烈,使伊犁河谷生态稳定健康发展面临新的挑战。

图1 研究区概况

1.2 数据来源与数据预处理

选取DEM、Landsat 8 OLI影像、NDVI、土壤类型、人口密度、GDP、放牧牲畜数量等数据,来源见表1。

表1 数据来源

基于SuperMap iDesktopX10i软件对DEM进行镶嵌、研究区裁剪、转换投影、坡度分析、坡向分析等操作,用于地形因子评价;对土壤类型数据进行矢量转栅格操作;对人口密度数据进行重采样、投影转换、研究区裁剪、矢量化等操作;通过ENVI 5.3软件和MRT(MODIS reprojection tool)工具对MOD13Q1数据进行投影转换、Savitzky-Golay滤波、研究区数据提取;采用最大值合成法对研究区生长季NDVI进行合成,用于生态敏感性评价指标的植被因子评价;基于GEE平台解译Landsat 8 OLI影像,提取水体和土地利用类型;整理分析《新疆统计年鉴(2020)》中伊犁河谷的GDP、人均GDP、放牧牲畜数量等数据。

1.3 构建生态敏感性评价指标体系

1.3.1 建立评价指标体系的基本原则

评价因子选定、敏感等级划分、因子权重确定是整个生态敏感性评价过程中最为核心的内容,是直接关系评价正确性的决定要素。因此评价过程的基本原则为:①客观性和科学性,即评价过程要依据科学原则,以客观数据为基础;②完整性和全局性,即确保评价指标能够完整代表整体影响因子,在评价过程中全局考虑,避免以偏概全;③定量研究与定性分析相结合,定量分析可以直观体现数据,定性分析可使评价结果更加准确[9]。

1.3.2 选取评价指标因子

评价因子要具有研究区整体生态代表性。经分析并结合研究区生态特色,本文从地形条件、自然环境、人类活动3个方面选取指标。地形条件包括海拔、坡度、坡向3个因子;自然环境包括水体、土壤类型、植被3个因子;人类活动选取土地利用类型因子。

1.3.3 确定评价指标因子权重

运用层次分析法和均方差决策法计算各因子对生态环境的作用程度,赋予其权重值,作用程度越大,权重值越大[13]。

层次分析法(analytic hierarchy process,AHP)是生态敏感性研究中最常用、可信度最高的方法,如文献[17]在生态敏感性评价过程中运用层次分析法计算各指标因子权重值。计算步骤如下。

(1)构建结构。

(2)构建判断矩阵。

(3)计算权重。将判断矩阵在Matlab中进行归一化处理。由于判断矩阵中的每一列都近似反映了权重值的分配情况,因此采用全部列向量的算术平均值估计权向量[18],即

(1)

(4)一致性检验。将判断矩阵导出,在Matlab软件中计算最大特征值。一致性指标(consistency index,CI)公式为

(2)

式中,λmax表示判断矩阵的最大特征值。

查找随机一致性指标RI,见表2。

表2 随机一致性指标

计算一致性比例(consistency ratio,CR),公式为

(3)

当CR<0.10时,认为判断矩阵的一致性可以接受;否则一致性检验不通过,需要适当修正判断矩阵。

层次分析法是一种主观赋权法,为平衡人为因素造成的主观误差,引入均方差决策法。均方差决策法是一种客观赋权法,指标数据的相对离散程度表示指标的权重。计算步骤如下。

(1)标准化评价指标。

(2)计算各指标的均值,公式为

(4)

(3)计算各指标的均方差,公式为

(5)

(4)计算各指标权重,公式为

(6)

主观赋权法受人的主观意识干扰,客观赋权法却无法客观评价研究区特殊情况,因此将两种方法有效结合,可发挥各自优势,规避研究误差。引入拉格朗日函数、欧式距离函数[19],建立优化决策模型,计算主客观权重与相应偏好系数,进而得到规避主客观误差的理想权重值。计算公式如下

(7)

(8)

α+β=1

(9)

w=αwa+βwb

(10)

式中,wa表示层次分析法确定的权重;wb表示均方差决策法确定的权重;α表示主观偏好系数;β表示客观偏好系数;w表示最终评价因子权重。

由式(7)—式(10)计算可得,主观偏好系数约为0.61,客观偏好系数约为0.39。综合上述方法,最终得到的各评价因子权重见表3。

表3 各评价因子权重计算

1.3.4 评价指标因子分级赋值

不同的指标因子对生态环境的影响程度不同,指标的不同级别类型对生态环境的影响程度也不同。因此细化指标因子,基于各因子一般物候特征、客观原理,并结合研究区特色,进行分级赋值,将生态敏感性划分为5个等级,按数值1～5进行赋值,等级依次为非敏感、低敏感、中敏感、高敏感、极高敏感。

伊犁河谷海拔相差悬殊,最高处海拔达6340 m,最低处为480 m,因此海拔因子需要结合研究区特色划分等级。河谷平原核心带海拔主要为[480,800) m,这一区间是河谷内人类活动的密集区域,也是生态环境与社会发展问题最早爆发、最快形成持续稳定状态的区域,生态敏感性极低,一般不存在潜在生态风险,为非敏感等级;海拔为[800,1600) m的区域是山麓草原和天然阔叶林,传统畜牧业和精耕农业长期发展,已形成较稳定的生态平衡,敏感等级为低敏感;海拔为[1600,2400) m的区域主要是高山草场和人工林,受高海拔低气温制约,地表土壤附着力相比低海拔区较差,敏感等级为中敏感;海拔为[2400,3000) m的区域是繁茂的针叶原始森林,气候长期处于稳定阶段,生境波动较小,植被易被破坏,难以恢复,潜在较大的生态风险,敏感等级为高敏感;海拔为[3000,6340] m的区域主要是高山草甸和雪被,生境极为脆弱,敏感等级为极高敏感。

坡度直接影响地表土壤附着与植被固定,坡度越陡,水土流失越严重,生境越脆弱。根据《森林资源规划设计调查技术规程》(GB-T 26424—2010),将不同坡度区间划分为平坡(坡度范围为[0°,5°])、缓坡(坡度范围为[6°,15°])、斜坡(坡度范围为[16°,25°])、陡坡(坡度范围为[26°,35°])、急坡(坡度范围为[36°,45°])、险坡(坡度范围为[46°,90°]),敏感性等级随坡度增大而升高。坡向直接影响地面接收日照、太阳辐射、降水等。伊犁河谷地处北回归线以北,一年内正午阳光基本照射在南坡,北坡接受太阳辐射较少,因此极高敏感等级位于北坡区域,高敏感等级位于西北坡、东北坡区域,中敏感等级位于东坡、西坡区域,低敏感等级位于东南坡、西南坡区域,非敏感等级位于南坡和平地。

伊犁河上游流域全境在河谷内,水体承担了区域生态调节功能,也给生态环境带来一定风险。由于水体受气象、人类活动等众多因素影响,水体可控性和区域稳定性较差,河流不断冲刷侵蚀河岸,造成水土流失,越靠近河流、水体的区域生态环境越脆弱,敏感等级越高。采用基于欧几里得度量的缓冲区分析,水体本身的敏感等级为极高敏感,距水体[0,300) m缓冲区的敏感等级为高敏感,距水体[300,800] m缓冲区的敏感等级为中敏感,缓冲区外的区域敏感等级为低敏感。

植被是生态环境稳定发展的一个重要指标,植被茂盛生长,代表该区域生态环境稳定,敏感等级较低。将最值合成的研究区生长季NDVI进行分级,NDVI为[0,0.2)是极高敏感区域,[0.2,0.4)是高敏感区域,[0.4,0.5)是中敏感区域,[0.5,0.6)是低敏感区域,[0.6,1]是非敏感区域。

基于土壤类型,对土壤黏度、质地、有机质含有程度进行区分,沼泽土、灰色草甸土为非敏感土壤类型,黑钙土为低敏感土壤类型,栗钙土为中敏感土壤类型,灰钙土、灰褐土为高敏感土壤类型,内陆盐土、冰川为极高敏感土壤类型。

土地利用类型是自然与人类活动共同作用的成果,是直接关系人类社会的关键因子。非敏感土地类型为城镇和建设用地,低敏感土地类型为草地,中敏感土地类型为农田,高敏感土地类型为林地,极高敏感土地类型为水体和雪被。

评价指标因子具体分级赋值见表4。

表4 生态敏感性评价指标因子

根据各因子权重,对各单因子栅格进行加权计算,获得伊犁河谷综合生态敏感性,并对其进行分析。

1.3.5 莫兰指数

莫兰指数(Moran’s I)是一种被广泛使用的空间自相关性分析统计量,其表达形式如下[20]

(11)

式中,Zi和Zj分别为空间单元i与j的标准化值;Wij为空间权重。

Moran’s I的值域为[-1,1]。Moran’s I>0表示呈正相关;Moran’s I=0表示不相关;Moran’s I<0表示呈负相关。使用GeoDa模型中的双变量Moran’s I工具分析生态敏感性与人口密度、县域GDP、人均GDP、单位载牧量空间分布的相关性。为提高对比显著性,进行999次随机化置换。

2 结果与分析

2.1 单因子生态敏感性分析

2.1.1 海拔敏感性分析

海拔因子主要影响气温、生境条件,海拔越高,气温越低,生境条件越艰难,生物多样性越小,生态环境敏感性越大。伊犁河谷南北两侧与中部皆为高大的山脉,海拔梯度丰富,生态环境复杂。非敏感等级主要分布在河谷平原的核心地带,占总面积的10.6%。该地区主要为发达的城市区域或人类活动频繁的劳动生产地带,在城市建立初期就已经形成可长期持续稳定的生态环境与社会经济和谐发展的平衡,潜在突发性生态风险可能性极小。低敏感等级主要分布在河谷平原外围与低海拔山麓,占总面积的26.27%。该地区与城市距离适中,一般为水热条件适宜、地形平坦的天然林地和草场,生物多样性丰富,生态环境相对稳定。中敏感等级主要分布在低海拔山区,占总面积的29.85%。该地区温度偏低,主要为天然林与人工经济林,生物多样性偏低,生境条件相对艰难,生态环境稳定性偏低。高敏感等级主要分布在中海拔但有丰富原始森林的山区,占总面积的14.09%。该地区多为喜阴耐凉的原始针叶林,主要以雪岭云杉为主,生物结构单一,生境条件苛刻,生态环境稳定性较低。极高敏感等级主要分布在较高海拔山区,占总面积的19.19%。该地区多为高山草甸、高原草甸、冰雪和雪被覆盖区,生境条件恶劣,生物结构较单一,自然恢复力较差,生态环境极不稳定(如图2(a)所示)。

2.1.2 坡度敏感性分析

坡度因子在一定程度上制约着生物的生境条件,坡度越大,生境条件越恶劣,地表土壤附着力越差,水土流失越严重,生态敏感性越大。非敏感等级和低敏感等级主要分布在河谷平原及其周围低缓的山麓地区,分别占总面积的41.43%和35.94%;中敏感等级、高敏感等级、极高敏感等级主要分布在坡度复杂的山区,分别占总面积的21.17%、1.39%、0.07%(如图2(b)所示)。

2.1.3 坡向敏感性分析

坡向因子主要以接收太阳辐射、降水、气流等方式影响生境条件,进而影响生态环境。伊犁河谷平原和山地坡向都复杂多样,各坡向分布差别不大。高敏感等级分布最多,占总面积的25.16%;其次为低敏感等级、中敏感等级、非敏感等级,分别占总面积的24.23%、19.54%、16.06%;极高敏感等级分布最少,占总面积的15.01%(如图2(c)所示)。

2.1.4 水体敏感性分析

伊犁河谷水体分布集中,主要为伊犁河中上游及其支流和较少的山间湖泊。城市人工湖对生态影响仅限于人工湖所在的极小范围城区,且人工湖完全被管理,不存在生态风险;山区较小的河流主要以流量较小的季节性冰雪融水汇聚的河流为主,其生态服务价值微弱,且有季节限制,很难突发影响范围较大的生态风险。因此,城市人工湖和山区较小的河流在本文不计入水体。

伊犁河谷水体敏感性较高的地区主要为河流、湖泊及距其较近的区域。低敏感等级的分布占总面积的94.55%,中敏感等级的分布占总面积的3.25%,高敏感等级和极高敏感等级的分布分别占总面积的1.24%和0.96%(如图3(a)所示)。

图3 自然环境因子生态敏感性

2.1.5 植被敏感性分析

伊犁河谷全域植被茂盛,植物结构层次复杂,覆盖范围较广,在其生态环境中的价值巨大。在植被生长季,不论是河谷平原,还是山地,植被生长极其旺盛。植被生长越旺盛,生态调节功能越强,生态环境越稳定,生态敏感性越低。伊犁河谷植被敏感性等级中非敏感等级分布最多,占总面积的54.37%;其次为低敏感等级,占总面积的20.75%;中敏感等级分布最少,占总面积的4.56%;由于伊犁河谷高山较多,高山植被生境恶劣,因此高敏感等级和极高敏感等级占一定比例,共占总面积的20.32%(如图3(b)所示)。

2.1.6 土壤类型敏感性分析

适宜的水热条件和丰富的植被使得伊犁河谷平原区和低海拔山麓区土壤湿润,有机质丰富。土壤类型敏感性等级分布最多的是低敏感等级,占总面积的42.01%;极高敏感等级最少,占总面积的4.93%;非敏感等级分布占总面积的6.65%;中敏感等级分布占总面积的16.09%;高敏感等级分布占总面积的30.32%(如图3(c)所示)。

2.1.7 土地利用类型敏感性分析

伊犁河谷土地利用类型敏感性的非敏感等级和低敏感等级分布最少,主要分布在河谷平原外缘,分别占总面积的0.45%和11.92%;中敏感等级分布最多,主要分布在中海拔以下的山区,占总面积的62.50%;高敏感主要分布在河谷平原地带,占总面积的15.56%;极高敏感等级主要分布在高海拔冰川与雪被地区,占总面积的9.57%(如图3(d)所示)。

2.2 综合生态敏感性分析

综合分析伊犁河谷地形因子、自然环境因子及人类活动,将以上7个因子进行加权计算,得到伊犁河谷综合生态敏感性(如图4所示)。各敏感等级面积统计见表5。

表5 伊犁河谷各敏感等级面积统计

图4 伊犁河谷生态敏感性

伊犁河谷生态敏感性总体上以中敏感等级为主,极高敏感等级极少。高敏感等级和极高敏感等级主要分布在高海拔山区,分别占总面积的12.22%和2.35%。原因是该区域海拔较高,地表多为冰川和雪被,气温较低,生境条件苛刻,生物结构单一,生态环境脆弱,自然恢复能力低。该区域为生态保护的核心区域,需加大保护力度,限制人类活动向该区域蔓延,纳入气候变化保护范围,对冰川和雪线实施定期监测。

中敏感等级和低敏感等级杂错分布,覆盖伊犁河谷大面积地区,这是多因子共同影响的结果,分别占总面积的67.45%和17.98%。伊犁河谷生态敏感性总体适中,但有向高敏感等级发展的趋势,因此基于生态敏感性进行未来国土空间规划和社会经济发展规划是必要的,加强生态保护,合理开发利用土地,在不破坏生态环境的条件下,建设适宜发展区,减少对其他区域的生态干扰。

2.3 生态敏感性与社会经济的相关性

伊犁河谷是新疆主要的人口聚集地和畜牧业发达地区,传统畜牧业和现代畜牧业是社会经济的重要组成部分。本文基于县域空间格局,分析伊犁河谷生态敏感性与GDP、人均GDP、人口密度、单位载牧量的相关性,进而探究绿洲生态敏感性与社会经济相关性。通过GeoDa模型中的Moran’s I工具进行计算分析,伊犁河谷生态敏感性与GDP、人均GDP、人口密度、单位载牧量代表的社会经济发展呈负空间相关性。生态敏感性与人均GDP相关性最大,Moran’s I值为-0.146;与人口密度相关性适中,Moran’s I值为-0.169;与GDP的相关性最小,Moran’s I值为-0.284(见表6)。

表6 生态敏感性与社会经济发展指标Moran’s I值

空间自相关性Moran散点图如图5所示。可以看出,生态敏感性与GDP、人均GDP、人口密度、单位载牧量相关性总体上呈线性相关。伊宁市、霍城县、昭苏县的生态敏感性与GDP之间聚集性较弱,差异性较强,对邻域空间的影响较低;霍尔果斯市、伊宁县、巩留县、尼勒克县、特克斯县、新源县的生态敏感性与GDP之间聚集性较强,差异性较弱,对邻域空间影响较高;伊宁市和霍城县的生态敏感性与人均GDP之间聚集性较弱,差异性较强,对邻域空间影响较低,其余县市聚集性较强,差异性较弱,对邻域空间影响较高;伊宁县的生态敏感性与人口密度之间聚集性较弱,差异性较强,对领域空间影响较低,其余县市聚集性较强,差异性较弱,对领域空间影响较大;伊宁县、霍城县、巩留县、新源县的生态敏感性与单位载牧量聚集性较弱,差异性较强,对领域空间影响较低;伊宁市、昭苏县、霍尔果斯市、尼勒克县、特克斯县的生态敏感性与单位载牧量之间聚集性较强,差异性较弱,对邻域空间影响较高。

图5 生态敏感性与GDP、人均GDP、人口密度、单位载牧量相关性Moran散点图

3 结 论

伊犁河谷生态敏感性受海拔影响最大,其次是植被,人类社会经济发展直接影响植被覆盖、植被结构及植被生长。伊犁河谷自然环境与社会经济发展的主要矛盾是人类劳动生产与植被的矛盾。

伊犁河谷生态敏感性主要有低敏感、中敏感、高敏感、极高敏感4个等级,分别占总面积的17.98%、67.45%、12.22%、2.35%。高敏感和极高敏感等级主要分布在海拔较高的山地,主要受自然环境的制约。低敏感和中敏感等级杂错分布在伊犁河谷大面积地区,受地形、自然环境、人类活动多因子共同作用。

伊犁河谷生态敏感性总体适中,主要受垂直地带性影响,敏感性有随海拔升高而升高的趋势;受地形因子影响,敏感性与海拔和坡度呈正相关关系;受自然环境影响,敏感性与水体和植被呈负相关关系。

伊犁河谷生态敏感性与社会经济发展呈负空间相关性,生态敏感性与GDP、人均GDP、人口密度、单位载牧量Moran’s I值分别为-0.284、-0.146、-0.169、-0.177。其中生态敏感性与GDP相关性最小,与人均GDP相关性最大。

在县域空间格局下,伊宁市、霍城县及昭苏县的生态敏感性与GDP之间聚集性较弱,差异性较强;伊宁市和霍城县的生态敏感性与人均GDP之间聚集性较弱,差异性较强;伊宁县的生态敏感性与人口密度之间聚集性较弱,差异性较强。伊宁县、霍城县、巩留县和新源县的生态敏感性与单位载牧量聚集性较弱,差异性较强。