郭夢(mèng)迪， 韓繼沖， 冉浩楠， 楊 鑫

(成都理工大學(xué) 國土資源部地學(xué)空間信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610059)

0 引言

隨著全球環(huán)境變化影響研究的加強(qiáng)，特別是對(duì)人地關(guān)系研究的深入，有關(guān)生態(tài)脆弱帶、生態(tài)脆弱性及其脆弱性評(píng)估等研究逐漸成為全球性研究熱點(diǎn)[1]，多項(xiàng)國際科學(xué)計(jì)劃將生態(tài)環(huán)境脆弱性研究提上日程[2-3]。生態(tài)環(huán)境脆弱性是氣候變化的潛在影響和適應(yīng)性能力的函數(shù)[4]，目前國內(nèi)、外已有許多學(xué)者開展生態(tài)環(huán)境脆弱性評(píng)價(jià)方面的研究。吳紹洪等[5]應(yīng)用大氣-植被相互作用模型(AVIM2)，對(duì)21世紀(jì)中國生態(tài)系統(tǒng)的狀況進(jìn)行模擬，并對(duì)自然生態(tài)系統(tǒng)在氣候變化背景下的脆弱性進(jìn)行了評(píng)價(jià)；陳佳等[6]將VSD(Vulnerability scoping diagram)框架和 SERV(Spatially Explicit Resilience-Vulnerability)模型進(jìn)行整合，應(yīng)用SERV模型篩選脆弱性指標(biāo)，定量測(cè)度了黃土高原半干旱地區(qū)榆林市2000年-2011年社會(huì)—生態(tài)系統(tǒng)脆弱性空間分異特征及演化趨勢(shì)；溫曉金等[7]基于山地城市主體功能區(qū)劃方案設(shè)置不同適應(yīng)目標(biāo)，構(gòu)建了山地城市社會(huì)—生態(tài)系統(tǒng)脆弱性評(píng)價(jià)體系，分析秦嶺山地商洛市縣域長(zhǎng)時(shí)序的脆弱性時(shí)空演變規(guī)律。

筆者以雅安市為研究區(qū)，綜合考慮影響生態(tài)環(huán)境脆弱性的復(fù)雜過程，定義了一個(gè)包含11個(gè)變量，由反映和表征區(qū)域生態(tài)環(huán)境脆弱性的地形、氣象水文、土地資源、社會(huì)經(jīng)濟(jì)四個(gè)子系統(tǒng)為主體框架的生態(tài)環(huán)境脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，利用AHP計(jì)算指標(biāo)體系內(nèi)相應(yīng)權(quán)重；運(yùn)用遙感技術(shù)獲得相關(guān)數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理；集成GIS空間分析、統(tǒng)計(jì)分析技術(shù)構(gòu)建生態(tài)環(huán)境脆弱性評(píng)價(jià)模型；針對(duì)指標(biāo)體系中各子系統(tǒng)對(duì)脆弱性的影響模式和程度不同的問題，創(chuàng)新性的利用散點(diǎn)圖對(duì)各子系統(tǒng)與綜合脆弱性進(jìn)行相關(guān)性分析。研究結(jié)果將為雅安市促進(jìn)發(fā)展生態(tài)旅游經(jīng)濟(jì)以及維護(hù)區(qū)域生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展提供借鑒。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

雅安市位于青藏高原東坡向成都平原過渡地帶，地理范圍為28°51′10″N～30°56′40″N， 101°56′26″E～103°23′28″E，全市轄雨城、名山、滎經(jīng)、漢源、石棉、天全、蘆山、寶興2區(qū)6縣，幅員面積約1.53×104km2。海拔在519 m～5 606 m之間，整體地勢(shì)北、西和南部高，東部和中部低；區(qū)域內(nèi)山巒縱橫，地形復(fù)雜，其中山地占全區(qū)面積的94%，丘陵和平壩占全區(qū)總面積的6%，且主要分布在青衣江兩岸[8]。降水是地質(zhì)災(zāi)害最主要的誘發(fā)因素，雅安地區(qū)作為中國內(nèi)陸降雨最充沛的地區(qū)之一，區(qū)域內(nèi)南北降雨差異較大，北部各縣降雨充沛，年總雨量在1 000 mm～1 900 mm；南部石棉和漢源兩縣氣候干濕分明，年總雨量?jī)H有750 m左右[9]。脆弱的地質(zhì)環(huán)境結(jié)合日益加強(qiáng)的人類活動(dòng)，使得雅安地區(qū)生態(tài)環(huán)境問題逐漸成為制約該地區(qū)旅游業(yè)發(fā)展的因素之一。

1.2 生態(tài)環(huán)境脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

生態(tài)環(huán)境脆弱性是由氣象水文，社會(huì)經(jīng)濟(jì)(人類活動(dòng))，土地資源和地形因素共同影響的復(fù)雜過程的結(jié)果，可分為兩類：①內(nèi)部脆弱性；②外部脆弱性。內(nèi)部脆弱性源于生態(tài)環(huán)境本身的結(jié)構(gòu)，受外部脆弱性的影響較??；外部脆弱性受人類活動(dòng)的影響較大。在已有研究成果基礎(chǔ)上，結(jié)合雅安市生態(tài)環(huán)境實(shí)際特點(diǎn)構(gòu)建了以地形、土地資源、氣象水文、社會(huì)經(jīng)濟(jì)四個(gè)子系統(tǒng)為主體框架的概念模型(表1)，并基于此概念模型選擇了11個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。

表1 評(píng)價(jià)指標(biāo)選取及數(shù)據(jù)來源與處理Tab. 1 Evaluation index selection and data source and processing

表2 雅安市生態(tài)環(huán)境脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及權(quán)重(CR<0.1)Tab. 2 The assessment indices and weight of ecosystem vulnerability of Ya'an

權(quán)重代表了生態(tài)環(huán)境脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)的重要程度，權(quán)重確立是否合理直接影響著評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性。運(yùn)用AHP建立了多層次、多目標(biāo)的生態(tài)環(huán)境脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(表2)。AHP是20世紀(jì)70年代運(yùn)籌學(xué)家Saatty教授提出的在模糊問題中進(jìn)行相關(guān)合理決策分析的方法。首先根據(jù)專家打分法引用數(shù)字1～9及其倒數(shù)作為標(biāo)度，表示矩陣元素間的相互重要關(guān)系以此構(gòu)建合理的判斷矩陣，在判斷矩陣的一致性檢驗(yàn)中，準(zhǔn)則層和目標(biāo)層的一致性系數(shù)(CR)值均小于0.1。根據(jù)上述判斷矩陣在yaahp中計(jì)算準(zhǔn)則層和目標(biāo)層權(quán)重。

1.3 生態(tài)環(huán)境脆弱性評(píng)價(jià)方法

由于不同指標(biāo)量綱和數(shù)量級(jí)的差異，無法直接對(duì)各指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，因此本文采用極差法對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。對(duì)于與生態(tài)環(huán)境脆弱性呈正相關(guān)的指標(biāo)采用公式(1)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化：

Yi=[Xi-Xi,min]/[Xi,max-Xi,min]

(1)

而與生態(tài)環(huán)境脆弱性呈負(fù)相關(guān)的指標(biāo)則采用公式(2)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化：

Yi=1-[Xi-Xi,min]/[Xi,max-Xi,min]

(2)

式中：Yi為指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化值；Xi為指標(biāo)初始值；(Xi,min)、(Xi,max)分別為該指標(biāo)最小值、最大值。

采用生態(tài)環(huán)境脆弱性指數(shù)EVI13](Ecological Vulnerability Index)來定量評(píng)價(jià)區(qū)域生態(tài)環(huán)境脆弱性狀況。將指標(biāo)層中的11個(gè)指標(biāo)分別乘其子權(quán)重，進(jìn)行累加得到準(zhǔn)則層中各子系統(tǒng)值(公式(3))：

(3)

式中：Ai表示各子系統(tǒng)的脆弱性指數(shù)；Ui表示各指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值；Wi表示個(gè)指標(biāo)的權(quán)重，i=1、2、3…、n。

再將地形、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、氣象水文、土地資源四個(gè)子系統(tǒng)數(shù)值進(jìn)行加權(quán)求和，計(jì)算EVI值(公式(4))，EVI值越大，表明生態(tài)環(huán)境脆弱性程度越高：

EVI=∑[A1Y1+A2Y2+A3Y3+A4Y4]

(4)

式中：EVI為綜合生態(tài)環(huán)境脆弱性指數(shù)，其值范圍為[0，1]；A1、A2、A3、A4分別表示地形、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、氣象水文和土地資源子系統(tǒng)；Y1、Y2、Y3、Y4分別為各子系統(tǒng)對(duì)應(yīng)權(quán)重。

2 結(jié)果與分析

2.1 子系統(tǒng)生態(tài)環(huán)境脆弱性

通過上述方法得到的生態(tài)環(huán)境脆弱性評(píng)價(jià)結(jié)果在空間分布上是較為連續(xù)的，為了在整體上對(duì)研究區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性有一個(gè)正確的認(rèn)識(shí)，將生態(tài)環(huán)境脆弱性結(jié)果進(jìn)行分類以確定不同地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性的級(jí)別。自然斷點(diǎn)分類法是通過查找數(shù)據(jù)值差異相對(duì)較大的相鄰要素對(duì)來使用統(tǒng)計(jì)方法確定分類間隔，該方法可以很好地將類別相近的物體聚集在一起并且增大類別之間的差異，而類內(nèi)部的差異很小，每一類之間都有一個(gè)較為明顯的斷裂之處，是目前較常用的數(shù)據(jù)分類法[11]。因此，根據(jù)上述方法，分別計(jì)算出水文氣象、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、土地資源和地形四個(gè)子系統(tǒng)脆弱性值，利用自然間隔分類法對(duì)脆弱性進(jìn)行分級(jí)，具體劃分為潛在脆弱、微度脆弱、輕度脆弱、中度脆弱和重度脆弱五個(gè)等級(jí)(表3)。

表3 各子系統(tǒng)脆弱性等級(jí)面積百分比/%Tab. 3 Percentage of subsystems vulnerability level

圖1 四個(gè)子系統(tǒng)脆弱性及綜合生態(tài)環(huán)境脆弱性分級(jí)圖Fig.1 The vulnerability grading map of terrain subsystem, land resourcessubsystem and regional ecological environment

1)地形子系統(tǒng)脆弱性空間分布及分析。地形子系統(tǒng)脆弱性分級(jí)如圖1(a)，中-重度脆弱區(qū)面積占比約63.6%，主要分布在研究區(qū)西北部和南部，該地區(qū)多為地形復(fù)雜、山脈縱橫、地勢(shì)起伏度和坡度大，經(jīng)常發(fā)生山體滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，故生態(tài)環(huán)境脆弱性先天脆弱；而潛在-輕度脆弱區(qū)則分布在研究區(qū)東部平原地區(qū)，環(huán)境脆弱性指數(shù)低。

2)土地資源子系統(tǒng)脆弱性空間分布及分析。土地資源子系統(tǒng)脆弱性分級(jí)如圖1(b)，中-重度脆弱區(qū)大致散落分布，而東部平原地區(qū)則呈現(xiàn)出小片聚合狀態(tài)，其面積占比約31%；該子系統(tǒng)脆弱性空間分布格局大致與地形子系統(tǒng)呈相反狀態(tài)。造成此分布的主要原因?yàn)樵诖嗳跣愿叩臇|部平原地區(qū)人為干擾強(qiáng)烈，致使土地利用類型豐富且多為耕地和草地，土壤可蝕性較高。海拔極高的少部分邊界地區(qū)環(huán)境脆弱性程度較高其主要原因是這些區(qū)域植被覆蓋度較低。

3)氣象水文子系統(tǒng)脆弱性空間分布及分析。氣象水文子系統(tǒng)脆弱性分級(jí)如圖1(d)，氣象水文子系統(tǒng)中降水和氣溫?cái)?shù)據(jù)均由研究區(qū)及其周圍9個(gè)標(biāo)準(zhǔn)氣象站點(diǎn)進(jìn)行克里金插值模擬所得。脆弱性程度嚴(yán)重的區(qū)域?qū)?yīng)研究區(qū)西北部、南部；反之，脆弱性程度較低的區(qū)域?qū)?yīng)于研究區(qū)東部地形平坦降雨和溫度充足的地區(qū)，該地區(qū)氣候濕潤(rùn)，植物群落結(jié)構(gòu)復(fù)雜，生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定，抵御外來干擾能力強(qiáng)，因此脆弱性程度較低。

4)社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)脆弱性空間分布及分析。社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)脆弱性分級(jí)如圖1(e)，社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)脆弱性反映了人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)對(duì)生態(tài)環(huán)境退化的響應(yīng)，山區(qū)與平原地區(qū)人類活動(dòng)活躍度有著明顯的差異，就研究區(qū)而言，人類干擾主要集中在中西部的雨城區(qū)，南部的石棉縣等工業(yè)、農(nóng)業(yè)、旅游業(yè)等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的地區(qū)，頻繁的人類活動(dòng)給這些區(qū)域生態(tài)環(huán)境帶來巨大的退化壓力。

2.2 綜合脆弱性空間分布及分析

采用綜合評(píng)價(jià)法對(duì)研究區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性進(jìn)行評(píng)價(jià)，即將各子系統(tǒng)脆弱性值進(jìn)行加權(quán)求和得到綜合生態(tài)環(huán)境脆弱性指數(shù)EVI，并遵循自然斷點(diǎn)法，將綜合生態(tài)環(huán)境脆弱性分為5級(jí)(表4)。

研究區(qū)綜合生態(tài)環(huán)境脆弱性空間分布如圖1(c)所示，總體看來，區(qū)域綜合脆弱性整體上呈現(xiàn)出自西向東逐步減弱的趨勢(shì)，綜合環(huán)境脆弱性指數(shù)最高為0.67，主要出現(xiàn)在研究區(qū)南部石棉縣，主要由于該地區(qū)海拔高且工業(yè)等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)；最低值為0.17，主要出現(xiàn)在研究區(qū)東部名山縣。根據(jù)GIS空間統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，2014年研究區(qū)境內(nèi)輕度脆弱區(qū)所占比例最大，為32.12%；微度脆弱和中度脆弱次之，分別為26.68%、 20.33%；潛在脆弱和重度脆弱占比較小，分別為14.92%、5.96%。

表4 雅安市生態(tài)環(huán)境脆弱性指數(shù)分級(jí)Tab.4 Classification of ecological environment vulnerability index in Ya'an

比較圖1中各小圖發(fā)現(xiàn)，區(qū)域綜合脆弱性格局與地形、氣象水文、社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)脆弱性空間分布趨勢(shì)大體相同，但與土地資源子系統(tǒng)呈相反分布，主要由于東部地勢(shì)平坦，土地利用率大且土壤可蝕性大。這表明研究區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性的宏觀分布特征主要受到地形、氣象水文、社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)的控制作用，而土地資源子系統(tǒng)僅在局部地區(qū)有所影響。

2.3 子系統(tǒng)脆弱性與綜合脆弱性相關(guān)性分析

通過散點(diǎn)圖進(jìn)行因素之間的相關(guān)性分析的方法已經(jīng)被運(yùn)用到物理學(xué)、生物學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、生態(tài)學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域[14-15]。本研究結(jié)合研究區(qū)的實(shí)際情況，通過在研究區(qū)范圍內(nèi)構(gòu)建近似于正方形的評(píng)價(jià)單元，將研究區(qū)切分成299個(gè)相等的單位地塊進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，能夠有效地避免通過以柵格作為評(píng)價(jià)單元進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的方法因數(shù)據(jù)量過大造成分析結(jié)果不準(zhǔn)確問題。其中單位地塊面積約51.3 km2，邊界的部分所占面積超過單元地塊面積的二分之一即算做一個(gè)分析單元，未超過二分之一則不納入統(tǒng)計(jì)。在此基礎(chǔ)上，通過區(qū)域統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算每個(gè)地塊內(nèi)的脆弱性值及各評(píng)價(jià)指標(biāo)的平均值。再將空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，以子系統(tǒng)脆弱性指數(shù)作為橫坐標(biāo)，以綜合環(huán)境脆弱性指數(shù)作為縱坐標(biāo)，繪制出子系統(tǒng)脆弱性與綜合脆弱性之間線性關(guān)系的散點(diǎn)圖并觀察圖中數(shù)據(jù)分布規(guī)律，找出二者之間的相關(guān)性，并進(jìn)行分析、討論(圖2)。

1)通過對(duì)圖2(a)的分析可以發(fā)現(xiàn)，點(diǎn)的分布大致呈現(xiàn)出類似線性函數(shù)的情況，擬合趨勢(shì)線斜率為+0.37，表明隨著氣象水文子系統(tǒng)脆弱性指數(shù)值的增大，綜合脆弱性指數(shù)值增大，但綜合環(huán)境脆弱性指數(shù)的增長(zhǎng)幅度小于氣象水文子系統(tǒng)的環(huán)境脆弱性指數(shù)的增長(zhǎng)幅度。且當(dāng)子系統(tǒng)脆弱性指數(shù)增大到0.8時(shí)，將不再對(duì)綜合脆弱性產(chǎn)生影響。

圖2 子系統(tǒng)脆弱性與綜合脆弱性散點(diǎn)圖Fig.2 Scatter plot of subsystem vulnerability and regional comprehensive vulnerability(a)氣象水文子系統(tǒng)EVI指數(shù);(b)土地資源子系統(tǒng)EVI指數(shù);(c)地形子系統(tǒng)EVI指數(shù);(d)社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)子系統(tǒng)EVI指數(shù)

2)通過對(duì)圖2(b)的分析，擬合趨勢(shì)線斜率為-0.62，表明隨著土地資源脆弱性的增加，綜合脆弱性減小，但該趨勢(shì)線散點(diǎn)擬合程度較低，表明土地資源子系統(tǒng)脆弱性整體上對(duì)綜合脆弱性影響相對(duì)微弱。

3)通過對(duì)圖2(c)的分析發(fā)現(xiàn)，地形子系統(tǒng)脆弱性與綜合脆弱性呈高度正相關(guān)，趨勢(shì)線斜率為+0.6，綜合環(huán)境脆弱性指數(shù)的增長(zhǎng)幅度略大于地形子系統(tǒng)的環(huán)境脆弱性指數(shù)的增長(zhǎng)幅度。研究區(qū)位于青藏高原向成都平原的過渡地帶，西部多高山，東部多丘陵，地形差異明顯，因而地形子系統(tǒng)對(duì)綜合脆弱性貢獻(xiàn)率較大。

4)通過對(duì)圖2(d)的分析，散點(diǎn)分布無明顯線性規(guī)律。散點(diǎn)可以細(xì)分為I、II二個(gè)聚集區(qū)，當(dāng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)脆弱性指數(shù)小于0.4時(shí)(聚集區(qū)I)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)脆弱性指數(shù)的增加，綜合生態(tài)環(huán)境指數(shù)增長(zhǎng)速率較大；當(dāng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)脆弱性指數(shù)大于0.4時(shí)(聚集區(qū)II)，增速緩慢。

3 結(jié)論

雅安生態(tài)環(huán)境脆弱性是以區(qū)域內(nèi)地質(zhì)條件復(fù)雜、降水極為豐富等因素為基底的原生脆弱，加上區(qū)域內(nèi)旅游業(yè)發(fā)達(dá)、人口密集等人為活動(dòng)引起的次生脆弱相互交織作用的結(jié)果。我們綜合研究區(qū)生態(tài)環(huán)境實(shí)際情況，構(gòu)建以地形、氣象水文、土地資源、社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)為主體框架的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，運(yùn)用AHP建立評(píng)價(jià)模型對(duì)研究區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性進(jìn)行評(píng)價(jià)，最后利用散點(diǎn)圖分析各子系統(tǒng)脆弱性與綜合脆弱性之間的相關(guān)性。

1)研究區(qū)在地形、氣象水文、土地資源、社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)環(huán)境脆弱性上具有明顯空間分布差異，四者綜合可反映出研究區(qū)綜合生態(tài)環(huán)境脆弱性特點(diǎn)：研究區(qū)約26.29%的區(qū)域已達(dá)到中-重度脆弱，41.6%區(qū)域?yàn)闈撛?微度脆弱，空間分布上大致呈自西向東逐漸減小的趨勢(shì)，其中南部石棉縣脆弱性程度總體較高。

2)研究區(qū)綜合環(huán)境脆弱性是由地形、氣象水文、土地資源、社會(huì)經(jīng)濟(jì)四個(gè)子系統(tǒng)共同決定的，當(dāng)某一區(qū)域地貌類型單一，地勢(shì)起伏度小時(shí)，地形子系統(tǒng)脆弱性表現(xiàn)為潛在或微度脆弱；當(dāng)某一區(qū)域人口密度較大，景觀多樣性豐富且植被覆蓋度較低時(shí)，社會(huì)經(jīng)濟(jì)和土地資源子系統(tǒng)脆弱性值較高，即不同區(qū)域由于外部和內(nèi)部的差異，使得不同指標(biāo)對(duì)該區(qū)域生態(tài)環(huán)境脆弱性的影響模式和程度不同。

3)在對(duì)研究區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性進(jìn)行評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，根據(jù)散點(diǎn)圖分析找出影響雅安生態(tài)環(huán)境脆弱性的主要因素，提出針對(duì)不同脆弱地區(qū)改善當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境狀況的建議。影響脆弱性的主要因素為地形因子，而氣象水文因子、社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子和土地資源因子均表現(xiàn)出不同程度的相關(guān)性，在研究區(qū)中東部可通過改善土地利用效率，合理利用資源改善提高生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定性；研究區(qū)南部以石棉縣為主，可采取加強(qiáng)工業(yè)污染治理，合理開發(fā)礦藏等措施降低對(duì)環(huán)境造成的壓力。