岷江上游生态环境时空演变特征

杨晓凤, 杨苏花, 向明顺,b*, 邓岚兰

(成都理工大学 a.地理与规划学院 b.青藏高原及其东缘人文地理研究中心,四川 成都 610059)

0 引言

2015年联合国可持续发展峰会提出通过经济发展、环境美好、社会进步三方面实现可持续发展目标[1].党的二十大报告指出,人与自然和谐共生是建设中国式现代化的本质要求.人口数量的增加和社会经济的快速发展引发水资源短缺、生物多样性降低以及生态系统破坏等生态环境问题[2],生态环境质量降低严重影响了区域可持续发展[3].我国山地面积占国土总面积的60%以上[4].山区特别是山区过渡性地理空间,代表着自然与人文相互作用的综合空间,彰显了人地关系地域复杂性,是我国发展不平衡不充分的核心地带,也是生态脆弱和地质灾害高发的区域[5-6].虽然随着国家环境保护政策的实施,我国生态环境不断改善,但与人民群众渴望过上美好生活的期望相比,同建设美丽中国、构建新发展格局、推动高质量发展、全面建设社会主义现代化国家等方面的要求相比,还有较大差距[7].近年来,随着乡村振兴战略的实施,对于山区过渡性地理空间的生态环境保护显得更加紧迫,对地质灾害多发区生态环境质量进行评估越来越重要.

生态环境系统是资源环境与生物体以及能量流中产生的各种元素之间相互作用的集合体[8].目前关于生态环境质量的研究多集中于生态环境脆弱区和人类活动强干扰区,如土地退化区[9-10]、Africa[11-12]、城市群[13-14]、黄河流域[15-16]、焉耆盆地[17]等.生态环境评价通常指对一定时空范围内的整个生态系统或一些生态环境因素的组合进行评估,以确定其与人类的生存需求和社会经济的可持续发展要求相适应程度[18].自压力-状态-响应(P-S-R)模型提出之后,大量研究者改进并提出了驱动力-状态-响应(D-S-R)体系、驱动力-压力-状态-影响-响应(D-P-S-I-R)体系[19-20],并被广泛应用于生态环境评价中.学者们使用的评价方法主要包括系统分析法、层次分析法[21]、综合排序法、神经网络法[22]、模糊综合评价法[23]和可拓法[24]等.生态环境时空分异的研究内容十分丰富,主要涉及生物多样性、生态系统服务、生态环境质量等,其中生态环境质量和风险的空间分异是重要的研究内容[25-26].近年来,有学者通过熵权法和弹性系数方法,剖析并评价了生态环境与高质量发展水平的时空耦合特征.这种分析方法帮助我们更好地将生态环境质量评估与高质量发展水平结合起来,为全面理解两者之间的关系提供了有力支撑,更具应用价值[27].李永平等[28]基于土地利用变化对沱江流域景观生态风险时空变化进行评价,对流域生态环境质量保护和提升提供了参考和决策依据.可见以往研究更多聚焦于生态环境质量现状和生态风险的评价,对于生态环境的动态变化研究还不足.另外,对于山区尤其是山区过渡性地理空间的生态环境时空演变研究还有待丰富.

岷江上游地区是我国典型的山地-平原过渡地带,是生物多样性保护的重要区域,也是重要的生态屏障[29].对山区过渡性地理空间生态环境质量及其变化的评估对区域可持续发展和环境治理具有重要意义,更能为巩固拓展山区生态环境保护与建设成效提供科学支撑.因此,本文侧重于通过生态安全评价对岷江流域上游2000—2020年生态环境情况进行分析,基于PSR 模型构建具有针对性的评价指标体系,在此基础上使用自然断点法、全局莫兰指数(Global Moran’s I)、冷热点分析(Getis-Ord G*)探索研究区生态环境质量时空演变特征,揭示生态环境时空演变规律.

1 研究区域及数据来源

1.1 研究区概况

岷江上游是学界划分的一个以岷江上游流域为研究单元的自然地理区域,位于102°35′E～104°15′E,30°45′N～33°10′N,坐落于阿坝州东部、四川平原西北部,地处我国青藏高原东麓、横断山脉北端与川西北高山峡谷东侧的接合部[30].从行政区划来看,包括汶川县、理县、茂县、黑水县和松潘县,面积约为24 741.05 km2.

1.2 数据来源及预处理

岷江上游行政区划边界、地质灾害点、国内生产总值空间分布、归一化植被指数以及土地利用栅格数据来源于中国科学院资源环境科学与数据中心(https://www.resdc.cn);气温、降水量、湿度以及PM2.5浓度数据来源于国家地球系统科学数据中心(http://www.geodata.cn);DEM(数字高程模型)数据来源于地理空间数据云(https://www.gscloud.cn);土壤数据来源于国家青藏高原科学数据中心(https://data.tpdc.ac.cn);水网数据来源于全国地理信息资源目录服务系统(https://www.webmap.cn);单位面积粮食产量、农作物播种面积等社会经济数据主要来源于《中国统计年鉴》《四川省统计年鉴》,粮食价格来源于四川粮网(http://www.scgrain.com/).收集整理基础的地理数据后,在ArcGIS软件中对所有的基础地理数据进行统一坐标系、栅格矢量转变、裁剪、重分类和统一分辨率为 1 km等处理.

2 研究方法

2.1 指标体系构建

压力-状态-响应(Pressure-state-response, PSR)框架模型在生态环境评价方面具有综合性、灵活性.压力(pressure)主要指对自然环境产生影响的经济活动、社会发展模式及产业结构等给生态环境带来的潜在风险或显在危机;状态(states)包括生态、经济以及社会系统在压力风险下所存在的状态,例如景观格局、生态水涵养等;响应(response)即在生态系统面临压力风险时由于历史和自然因素的共同作用,人类可以采取的对策和措施,包括基础设施建设、经济情况和一些社会组织等.鉴于研究区内生态环境脆弱、地质灾害多发以及人类活动对生态环境影响大等现实情况,参考国内外相关研究指标体系构建结果[31-36],考虑数据的可获取性,增加人类活动强度、地质灾害点密度以及生态服务价值等指标,最终构建的指标体系如表1 所示.

表1 岷江上游生态环境指标体系

2.2 评价方法

在使用线性函数归一化的基础上,将层次分析法与熵值法结合起来,在利用层次分析法简单明了、实用性强、可靠度高、误差较小等优点的基础上,利用熵权法判断指标相对重要程度的方式对前者所得权重进行修正,从而解决传统的AHP法信息缺失和标度把握不准的短板问题,有效提高评价结果的准确性和可信度,得到评价指标的权重系数.

Step 1:正负指标标准化.

正向指标标准化:

逆向指标标准化:

式中:yi为生态环境评价指标i转化后的标准化值,xi为该指标原始值,xmin为指标在研究区内最小值,xmax为区域内最大值.

Step 2:层次分析法确定主观权重.利用专家打分判断指标之间重要程度得到相对重要程度得分矩阵后,应用层次分析法,计算出评价指标体系主观权重w′j.

Step 3:熵权法确定客观权重.计算公式如下:

式中:Hi为熵值,m为评价指标的数目,n为被评价对象的数目,K=1/lnm,Tij为第i个指标的第j个数值;当Yij=0时,Yij(lnYij)=0,wi为第i个指标的客观权重.

Step 4:采用 AHP-Entropy 方法修正.引入距离函数,消除数据大波动的干扰,使主客观权重差值与组合系数α和β的差值一致.公式如下:

式中:w为第i个指标的组合权重,α和β主要为客观权重的组合系数,两者之和为1,而D(w′i,w″i)是主要客观权值之间的距离函数.使用AHP-Entropy 方法修正后的最终指标权重如表2 所示.

表2 AHP-Entropy 方法修正后的指标权重

2.3 全局自相关分析(Global Moran’s I)

本研究采用探索性空间分析揭示ESV的空间集聚类型和自相关.Global Moran’s I用于全局自相关测量和检验,其计算公式如下:

采用z检验对Moran’s I进行统计检验,通过比较全局自相关得到的p值和z值来判断要素的空间相关性,判断标准如表3 所示.

表3 全局自相关置信度

如果z得分为正值且显著,表明生态环境评价值的分布特征为集聚分布;如果z得分为负值且显著,则表明其分布特征为离散分布.当p值大于 0.1 时,则实验失败,生态环境评价结果呈现随机分布特征.

2.4 冷热点分析

Getis-Ord G*是一种用于识别区域生态环境空间分布的高值空间集聚和低值空间集聚的统计方法,它反映了区域响应水平的冷热点区域的空间分布,具体公式如下:

3 结果与分析

3.1 岷江上游流域生态环境状况分级演变

利用 ArcGIS 软件进行生态环境分级和可视化表达.在分级过程中,根据研究区生态环境评价结果数据直方图,以2000年生态环境为基准,采用自然断点法,对研究区生态环境状况的自然属性进行分析,进而找出不同类别之间的间断点,将研究区生态环境分为5级(F值范围为[0,1]):F≤0.586为生态环境差;0.5860.720为生态环境优.岷江上游各研究年份生态环境状况分级栅格数量及占比统计结果如表 4所示 .

由评价结果可以看出,2000—2020年间,岷江上游生态环境状况分级变化不大,空间分布差异明显,但分布特征相对稳定.生态环境差和较差地区主要分布在研究区东部和东南部的汶川县、茂县境内,少部分分布在理县西部和松潘西北部.从流域来看,生态环境差和较差主要分布于岷江干流、杂谷脑河和黑水河两岸.生态环境一般的区域主要分布于较差的外围区域,而生态环境良好和优的区域则主要分布于研究区的西北部,同时西部也形成较明显的几处聚集区域.

3.2 岷江上游流域生态环境时间演变特征

利用ArcGIS的分析工具,分别统计岷江上游各年份不同生态环境等级的网格数量(见表4).2000年和2005年生态环境差异不大,生态环境为良好和优的区域占据主导地位,二者占比超过68%,生态环境为差和较差的占比最少,二者之和分别占9.50%和10.16%,综合来看,2000—2005年生态环境保护和改善取得了一定的成绩.由于2008年汶川特大地震的发生,2005—2010年研究区生态环境差和较差的占比都有所增加,特别是生态环境差的占比呈明显的上升趋势,由0.74%增加至2.14%,生态环境为良好和优的地区占比也从2005年的68.45%下降至67.70%.2010—2015年,生态环境为差的占比呈下降趋势,由2.14%降低至1.75%,但是区域生态环境状况总体变差,良好和优的区域较2010年下降2.04%.2015—2020年,生态环境状况改善明显,生态环境差和较差的占比分别下降至0.88%和8.93%,而良好和优的区域较2015年则上升4.64%.由此表明,从时间上看,研究区生态环境状况经历了先下降再提升的过程,总体向良性发展.

表4 生态环境状况各分级栅格数量及占比统计

3.3 岷江上游流域生态环境空间演变特征

为了深入探究岷江上游地区 2000—2020年生态环境时空演变特征,结合研究区的地形特征及面积大小,采用 1 km×1 km 的网格作为本文的研究单元.通过 ArcGIS 中的创建渔网工具创建格网,并与研究区边界相交产生 24 111 个格网,统计每个网格的值.该做法有利于突破行政尺度的限制,实现生态环境值的微观重建,从而更加直观地表现出每个网格单元的变化程度.

3.3.1 全局自相关分析(Global Moran’s I)

本研究在研究区 24 111 个格网的基础上,采用 ArcGIS10.8 中的全局空间自相关(Global Moran’s I)工具对岷江上游生态环境值分布的空间格局进行分析,得到 2000 年、2005 年、2010 年、2015 年和 2020 年岷江上游生态环境的 Moran’s I 指数分别为0.916、0.912、0.919、0.918和0.916,Z得分分别为282.414、281.103、283.286、283.082和282.387,P值均为 0,说明岷江上游生态环境具有较强的空间集聚性.

3.3.2 冷热点分析

运用Getis-Ord G*方法对研究区生态环境进行局部自相关分析.由分析结果可以看出,2000—2020年生态环境的冷热点区域空间分布特征变化不大.高值区分布较为分散,主要集中在海拔较高的山地地区,其生态系统类型以草地生态系统、森林生态系统、灌丛生态系统为主,自然资源禀赋优势明显.低值区主要聚集在岷江干流、黑水河和杂谷脑河两岸,主要是岷江上游地区地形起伏大,山高谷深,岩石破碎、风化程度高,河流下蚀作用强烈,河流流速快,地质灾害风险高;同时,这些地区以农田生态系统、城镇生态系统为主,人类活动对生态环境干扰强烈,故生态环境水平相对较低.

利用ArcGIS的分析工具,分别统计岷江上游各年份冷热点网格数量占比,结果如表5所示.生态环境聚集特征为不显著网格数量最多,各年度占比均在40%左右;其次为置信度99%的热点区域,占比均超过17%;置信度为99%的冷点区域与热点区域占比接近,也在17%左右;置信度为95%的区域中,热点区域数量比冷点区域明显更多,各年度数量占比均高出6个百分点;90%置信度区域相对偏少,其中热点区域占比在6%左右,冷点区域约5%.

表5 各年冷热点数量占比统计 单位: %

从冷热点网格数量的变化上来看,2000—2020年,置信度99%的热点区域网格数量总体呈下降趋势,置信度99%的冷点区域呈缓慢增长趋势;而95%置信度的冷热点区则反之,呈现热点区域网格数量上升、冷点区域网格数量下降的趋势;90%置信度的热冷点区域网格数均呈增加趋势,热点区域增加趋势更加明显.综上所述,2000—2020 年间岷江上游生态环境质量聚集特征明显,但20年来高值聚集区和低值聚集区变化不显著.

4 结论与建议

4.1 结论

本文通过构建PSR模型,通过层次分析法加熵值法主客观结合的权重计算方法对岷江上游流域2000、2005、2010、2015、2020年生态环境时空格局演化进行分析,结论如下:

(1)从时间上看,岷江上游生态环境状况经历了先下降后上升的变化过程,但整体变化不大,总体上呈现向生态环境提升的方向发展的趋势.

(2)研究区生态环境虽然空间分布差异明显,但分布特征相对稳定.生态环境具有较强的空间集聚性,一定区域内的生态环境状况往往呈现出相似的特征和趋势.差和较差地区主要分布在研究区东部和东南部,理县西部和松潘西北部有少量分布;从流域来看,差和较差区域主要分布于岷江干流、杂谷脑河和黑水河两岸.生态环境一般的区域主要分布于较差的外围区域,研究区的西北部生态环境良好和优的区域分布较多,同时西部也形成较明显的几处聚集区域.

(3)生态环境的冷热点区域空间分布特征变化不大,高值聚集区和低值聚集区变化不显著.高值区分布较为分散,主要集中在海拔较高的山地地区,主要因其自然资源禀赋优势明显.低值区主要聚集在岷江干流、黑水河和杂谷脑河两岸,主要由于地形河流导致地质灾害多发以及人类活动对生态环境干扰强烈.

4.2 建议

(1)加快完善流域协调工作机制.岷江上游流域生态环境状况空间分异显著,空间积聚特征明显,部分区域状况相对较差,需要建立一个专门的流域管理机构.按照国家相关法律法规,结合《四川省总河长制运行规则》有关规定,在流域范围内,联合相关政府部门、科研机构和企事业单位建立专业的机构,负责统筹协调流域内生态环境保护工作和整合各类资源的开发利用.明确机构组织形式、基本运作和责任机制,促使标准制定、司法阐释、上下游规划、产业准入以及生态补偿机制的实施.同时,流域内相邻区域要建立协同治理体系,明确责任要求,协助地方政府制定和完善配套法律机制,推动相关法律“立改废释”.

(2)构建综合防灾体系.岷江干流、黑水河和杂谷脑河两岸由于地质风险高,人类活动强烈,生态环境状况相对较差,故需要加强自然灾害防治和应急综合保障的能力,同时进行全面的自然灾害综合风险评估,实施防灾减灾重大工程,加强山洪地质灾害的防范措施,进行易受灾地区的综合治理.根据灾害综合风险普查,开展自然灾害综合风险评估与区划工作,极高风险区和高风险区在原则上不应开展大规模建设,有序引导人口、经济向中低风险区聚集.实行专业监测与群测群防,仪器监测和人工监测相结合的办法,构建“天-空-地”一体化自然灾害隐患识别与监测预警体系,掌握自然灾害动态变化情况.加强紧急情况下的科技支持,提高应急管理信息化程度.加强应急物资储备管理,健全完善应急运力储备,建设应急物流基地和配送中心.

(3)持续推动人居环境整治.山区过渡性地理空间生态环境脆弱,容易受到污染和破坏,生态环境保护和生态修复工作需要结合人居环境整治开展.因此,需要推动改善人居环境行动,深入实施厕所革命,加强生活垃圾和污水治理,常态化开展村庄清洁和绿化,打造生态宜居的人居环境.一方面,需要厘清相应的山区过渡性地理空间人居环境整治的目标定位,要因地制宜地制定整治措施,解决当地乡村最迫切、最突出的基础性问题.充分考虑地方的财政能力与农民的接纳程度.另一方面,建立多方参与的低成本人居环境改善模式,激发村集体与农民的广泛参与,促使地区农民养成良好的生产和生活习惯.推动可持续发展,从根本上保护流域生态环境.