安徽省1980—2015年生态系统健康时空演变

汪左, 王萌, 王畅畅, 李虎, 张运

(1.安徽师范大学地理与旅游学院,芜湖 241002; 2.安徽师范大学资源环境与地理信息工程安徽省工程技术研究中心,芜湖 241002)

0 引言

自生态系统健康概念提出以来[4],国内外学者对生态系统健康相关问题展开了一系列研究,并取得显著成果。Schaeffer等[5]在1988年首次对生态系统健康量化评估进行研究; Rapport等[6-7]首先提出生态系统健康具有活力(vigor)、组织结构(organization)和弹力(resilience),而后又对生态系统健康的测量方法及公式进行探索。目前生态系统健康评价常用模型主要有活力—组织力—弹力(vigour-organization-resilience,VOR)模型、压力—状态—响应(pressure-state-response,PSR)模型,在PSR模型的基础上也产生了驱动力—状态—响应(drivingforce-state-response,DSR)模型以及驱动力—压力—状态—影响—响应(driving-pressure-state-impact-response,DPSIR)模型。其中VOR和PSR模型已被广泛运用于城市、区域、流域、荒漠草原、湿地等生态系统健康评估[8-15],取得了很好的应用效果,但在省域范围开展县级尺度的生态系统健康评估研究较少。安徽省作为长三角地区的重要一员,对其开展时间序列生态系统健康评估,对于长三角生态绿色一体化高质量发展具有重要意义。

因此,本文拟基于安徽省1980年、1990年、1995年、2000年、2005年、2010年、2015年7期土地利用数据,根据VOR模型建立安徽省生态系统健康评价体系,采用熵权法确定系统指标权重,在县级尺度上计算生态系统健康综合指数和划分等级,并在此基础上探讨安徽省县级尺度的生态系统健康时空演变特征,为安徽省未来的生态规划提供理论支持。

1 研究区概况与数据源

1.1 研究区概况

安徽省(图1)地理位置处于中国华东地区,位于长江、淮河中下游,是长三角地区重要组成部分,其位置于E114°54′～119°37′,N29°41′～34°38′之间,重要地理分界线秦岭—淮河线横贯全省。安徽省地跨淮河、长江、新安江三大水系,由淮河平原区、江淮丘陵区、沿江平原区、皖西丘陵山地区、皖南丘陵山地区5个地貌区构成。安徽省气候分布差异明显,处于东亚季风区、亚热带与暖温带过渡区; 季风明显,四季分明,降水周期变化大。

1.2 数据源及预处理

本文采用的1980年、1990年、1995年、2000年、2005年、2010年、2015年共7期安徽省土地利用类型栅格图的数据来源于国家地球系统科学数据中心黄河中下游分中心(http: //henu.geodata.cn),其空间分辨率为100 m[16]。根据《土地利用现状分类》(GB/T 21010—2017)和《中华人民共和国土地管理法》“三大类”的对照表将土地利用类型二级分类重新整合成一级分类,得到耕地、林地、草地、水域、建设用地、未利用地6类土地利用类型。安徽省总体结构以耕地为主,南北方地类分布存在差异,耕地、林地为安徽省优势地类,林地、水域在南方处于优势地类,北方耕地多与建设用地相间分布。

2 研究方法

2.1 生态系统健康评价指标体系

生态系统活力揭示了生态系统功能; 组织力根据景观格局的稳定性和连通性确定; 弹力是指在受到胁迫下维持自身结构和功能稳定的能力[17]。本文选择活力、组织力、弹力3个方面构成安徽省生态系统健康评价体系子系统,子系统下选取林/草地覆盖率C、香浓多样性(Shannon’s diversity index,SHDI)、蔓延度(contagion index,CONTAG)、平均斑块面积(mean patch area,MPS)、人类干扰指数IH、生境质量指数Qxj[17-21]6个指标构建安徽省生态系统健康评价体系[15]。各指标描述和计算如表1所示,其中(+/-)代表该指标对生态系统具有正向/负向作用。

表1 生态系统健康评价体系指标及其描述

为避免数据来源、类型等差异导致指标无法进行比较与计算,采用极差法[1]将指标各数据进行标准化处理,正、负向作用指标的公式分别为:

地铁已成为人们出行不可或缺的重要一环，一条条搏动不息的“城市动脉”为中国的城市发展注入蓬勃动力[1].但城市中空间资源有限，近年来基坑尺寸“大深化”[2]，这使得深基坑开挖过程中安全隐患也加大.

,

(1)

,

(2)

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

2.2 生态系统健康评价指标权重

本文对于生态系统健康评价体系的指标权重确定采用熵权法[23],熵权法主要公式为:

,

(3)

,

(4)

,

(5)

式中:Yuv为第u个指标下第v个评价单元的指标标准化值;puv为第u个指标下第v个评价单元的指标值比重;eu为第u个指标的信息熵;t=1/ln(n),n为评价单元的总数;l为指标总个数;wu为第u个指标相对于子系统的权重。评价子系统的权重可用相同方法计算,不做赘述。

通过熵值的大小反映指标的差异,判断指标对于生态系统健康体系的影响程度进而确定权重。最终获取安徽省生态系统健康评价体系各指标权重(表2)。

表2 安徽省生态系统健康评价体系及权重

2.3 生态系统健康等级划分

生态系统健康评价是指在确定各指标权重基础上,对生态系统健康评价体系的各指标进行加权累加,计算安徽省生态系统健康综合指数[1],公式为:

,

(6)

根据计算出的健康综合指数,参考其他学者研究[15,23-26],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,如表3所示。值越接近于1,表明生态系统健康水平越高,反之表明生态系统健康水平较低、结构与功能受到破坏的可能性极大。

表3 安徽省生态系统健康评价等级及相关描述

3 结果与分析

3.1 生态系统健康评价指标计算

基于安徽省时间序列土地利用数据,计算出1980—2015年安徽省SHDI,CONTAG和生境质量指数及县级尺度林/草地覆盖率、平均斑块面积和人类干扰指数,并在对各指标标准化处理的基础上,计算得到安徽省1980—2015年生态系统活力、组织力与弹力(图2—4)。

(a) 1980年 (b) 1990年 (c) 1995年 (d) 2000年

生态系统活力可以反映出系统循环与能量输入效率[26]。由图2可以看出,1980—2015年黄山市整体生态系统活力水平最高,亳州市、阜阳市整体生态系统活力水平最低。从空间分布来看,安徽省生态系统活力水平较高的区域集中在皖南丘陵山地区和皖西丘陵山地区,而淮河平原区和江淮丘陵区生态系统活力较低,沿江平原区活力居中,空间差异明显。这种差异主要是由于地貌类型差异造成的,生态系统活力水平较高的区域对应山区,其林地和草地覆盖率高,这2种地类不易受人类活动干扰、有利于生态系统的物质循环,具有较高的生态活力; 而生态系统活力水平较低的区域对应平原区,土地类型以耕地为主,其生物多样性较低、易受人类活动而造成生态系统不同程度的破坏,因此生态系统活力水平较低。

生态系统组织力可以反映出系统复杂程度,系统越复杂,其组织结构与功能越复杂,其生态系统健康水平越高。由图3可以看出,在空间分布方面,安徽省北部地区生态系统组织力水平整体低于安徽省南部地区。这种差异主要是由于安徽北部耕地和建设用地面积比例要远大于安徽南部,而在生态系统组织力的指标构成中,人类干扰指数权重最大,也即耕地和建设用地比例越大,人类干扰指数越大,生态系统组织力越弱。其中,淮南市八公山区生态系统组织力水平最低,其平均值约为0.18; 黄山市祁门县生态系统组织力水平最高,其平均值约为0.84。

(a) 1980年 (b) 1990年 (c) 1995年 (d) 2000年

生态系统弹力可以反映出受到外界干扰的抵抗力和自我恢复能力。由图4可以看出,在空间分布方面,安徽省生态系统弹力变化存在较明显的南北差异。安徽省北部地区生态系统弹力整体处于较低水平,南部地区尤其是长江以南区域生态系统弹力水平较高,且状态较为稳定。主要原因是安徽省南方地区植被覆盖度高、生物多样性较高、抵抗人类活动干扰的能力较强,且生态系统稳定性强,很少发生大规模自然灾害,因此其生态系统弹力较强; 而安徽省北部地区耕地分布广泛,且耕地流失严重,因此生态系统弹力健康水平较低。

(a) 1980年 (b) 1990年 (c) 1995年 (d) 2000年

3.2 生态系统健康时空特征分析

3.2.1 空间格局特征分析

基于生态系统活力、组织力、弹力指标,和熵权法确定的指标权重(表2),计算1980—2015年生态系统健康综合指数与多年平均健康综合指数,并划分等级得到安徽省1980—2015年生态系统健康等级与多年平均健康等级(图5)。

(a) 1980年 (b) 1990年 (c) 1995年 (d) 2000年

由图5可见,安徽省生态系统多年平均健康综合指数与多年平均健康等级空间分布整体呈现南高北低格局,且均与地貌类型有较强关联。健康和很健康等级的区县全部集中分布于皖西丘陵山地区和皖南丘陵山地区2类区域,亚健康等级区县也主要分布于这2类地貌类型区的边缘区县,且该2类地貌类型区无不健康和病态等级的区县分布。其他地貌类型区则以不健康等级和病态健康等级的区县为主。其中,不健康等级区县连片分布于淮河平原区、江淮丘陵区以及沿江平原区; 病态等级区县则集中分布于地处淮河平原区的阜阳市大部分区县和亳州市谯城区、淮北市相山区、蚌埠市龙子湖区,以及江淮丘陵区的合肥市庐阳区和瑶海区。此外,六安市因地处淮河平原区、江淮丘陵区、皖西丘陵山地区等多种地貌区,其所辖区县同时存在很健康、健康、亚健康、不健康4种不同健康等级,其中霍邱县耕地分布广泛,人类干扰指数约0.89、林/草地覆盖率约0.73%,MPS归一化值约0.35,SHDI值约0.50,CONTAG值约63.98,表明霍邱县的植被覆盖度低,耕地聚集度较高、连通性较强,易受人类活动的影响,生态系统组织结构不稳定,进而导致其生态系统健康水平较低; 而金寨县、霍山县海拔较高多山地丘陵,耕地分布较少,林/草地覆盖率80%以上,人类干扰指数均小于0.2,高覆盖度的林地使得该地区生物种类丰富、生物多样性增大,故其生态系统结构稳定、生态系统健康水平高。

2015年,在全省104个县级行政区中,很健康、健康、亚健康、不健康和病态各等级的区县数量分别为11个、8个、16个、65个和4个,数量占比分别为10.58%,7.69%,15.38%,62.50%和3.85%,面积占比分别为13.46%,12.89%,16.83%,56.37%和0.46%。无论是区县数量还是面积,均以不健康等级为主,亚健康等级次之。其中,合肥市庐阳区生态系统健康综合指数最低,约0.17,主要是由于庐阳区以人类活动为主,人类干扰指数约0.87,SHDI值约0.67,CONTAG值约56.65,平均斑块面积归一化值约0.18,表明该地区人类活动影响强度大,生物多样性较低,生态系统组织结构不稳定,景观破碎化程度深,进而生态系统健康水平较低。黄山市祁门县生态系统健康水平最高,达到0.92,是由于其人类干扰指数小于0.1,SHDI平均值约0.48,CONTAG值约69.11,林/草地覆盖率大于90%,生境质量指数约0.94,表明该地区植被覆盖度高,生境质量水平高,优势地类即林/草地的聚集度高,且不易受人类活动干扰,故生态系统健康水平较高。

3.2.2 时间演变特征分析

基于图5统计各时期安徽省不同健康等级的面积,得到安徽省1980—2015年生态系统健康各等级面积变化图(图6)。由图6(a)可以看出,1980—2015年安徽省平均生态系统健康综合指数由0.37提升至0.40,使得安徽省整体的平均健康等级由不健康提升至亚健康。其中,阜阳市临泉县、阜南县和亳州市利辛县的生态系统健康综合指数提升最大,均提升了0.07,增幅分别为47.94%,43.69%和41.57%。尽管整体平均的健康综合指数有所提升,但依然有蚌埠市龙子湖区,滁州市琅琊区、南谯区,合肥市包河区、庐阳区,黄山市徽州区、屯溪区,马鞍山市雨山区,铜陵市铜官区,芜湖市繁昌区、鸠江区、弋江区,以及宣城市广德市等13个区县的健康综合指数下降,表明这些区域的生态系统健康水平不稳定,健康等级有下降风险。其中,综合指数下降最多的区县分别为黄山市屯溪区下降0.06,马鞍山市雨山区下降0.04,芜湖市繁昌区下降0.03。

(a) 安徽省平均健康综合指数变化 (b) 安徽省各健康等级面积变化

结合图5和图6(b)可以看出,1980—2015年安徽省生态系统各健康等级的面积发生了不同程度的变化,整体表现为安徽省生态系统健康等级逐渐提升。经统计,共24个区县健康等级上升,无区县健康等级下降。生态系统病态等级转化为不健康等级的区县数为17个,转化面积高达23 367.85 km2,安徽淮河平原区基本实现病态等级区县清零,仅剩蚌埠市龙子湖区尚为病态等级。其中,阜阳市、亳州市健康等级实现整体提升,由1980年的全域病态等级提升为2015年的全域不健康等级; 淮北市相山区、蚌埠市淮上区、淮南市田家庵区及宿州市灵璧县、泗县也由病态等级提升至不健康等级。不健康等级转化为亚健康等级的区县数为5个,分别为滁州市明光县、六安市裕安区、合肥市巢湖市及铜陵市枞阳县和义安区,转化面积达8 624.73 km2。无亚健康等级区县转为健康等级。健康等级转化为很健康等级的区县数为2个,分别为六安市霍山县和安庆市岳西县,转化面积为4 410.82 km2。

4 结论与讨论

本文基于安徽省1980—2015年时间序列土地利用类型数据,根据“活力—组织力—弹力”(VOR)模型构建安徽省生态系统健康评价体系,分析安徽省生态系统健康时空演变特征,结论如下:

1)在空间格局方面,安徽省不健康等级区县最多,亚健康等级区县次之,面积占比分别为56.37%和16.83%; 安徽省生态系统多年平均健康综合指数与多年平均健康等级空间分布整体呈现南高北低格局,且均与地貌类型有较强关联。安徽省皖南丘陵山地区和皖西丘陵山地区2个地貌区整体健康水平始终优于其他地区,健康和很健康等级区域集中分布于此2个区域,亚健康等级区县也主要分布于这2个地貌区边缘。黄山市祁门县生态系统健康综合指数高达0.92,为县级最高生态系统健康水平。病态等级区县集中分布于淮河平原区的阜阳市大部分区县和亳州市谯城区、淮北市相山区、蚌埠市龙子湖区,以及江淮丘陵区的合肥市庐阳区和瑶海区,其中合肥市庐阳区生态系统健康综合指数约0.17,为县级最低生态系统健康水平。

2)在时间演化方面,1980—2015年安徽省整体的生态系统健康等级逐渐提升,共24个区县健康等级上升,无区县健康等级下降; 全省平均生态系统健康综合指数由0.37提升至0.40,使得全省整体平均健康等级由不健康提升至亚健康。其中,阜阳市、亳州市实现了由全域病态等级到全域不健康等级的整体提升,阜阳市临泉县、阜南县和亳州市利辛县生态系统健康综合指数提升最大。但依然还有13个区县的健康综合指数下降,下降最多的区县分别为黄山市屯溪区、马鞍山市雨山区和芜湖市繁昌区,表明这些区域的生态系统健康水平不稳定,健康等级有下降风险。

本文在县级尺度开展了安徽省时间序列生态系统健康时空演变分析。结论认为安徽省生态系统健综合逐渐提高,但部分地区依然存在健康等级下降风险,且目前安徽省整体以不健康等级的区县为主。因此,应在重点关注部分区县健康综合指数下降的前提下,逐步提升不健康等级区域的生态系统活力、组织力和弹力,进而提升安徽省生态系统整体健康水平的。研究结论对安徽省制定合理的土地利用政策、保护治理生态环境、优化生态系统服务功能等具有一定参考价值。