川西北高原區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性評價

姚 昆, 張存杰, 何 磊, 李玉霞, 李小菊

(1.西昌學(xué)院 資源與環(huán)境學(xué)院, 四川 西昌 615000; 2.國家氣候中心 氣候服務(wù)室,北京 100081; 3.成都信息工程大學(xué) 軟件工程學(xué)院, 成都610103;4.電子科技大學(xué) 自動化工程學(xué)院, 成都 610054; 5.馬來西亞博特拉大學(xué) 工程學(xué)院， 吉隆坡 4340)

生態(tài)環(huán)境脆弱性作為全球地理學(xué)、生態(tài)學(xué)及環(huán)境科學(xué)學(xué)科領(lǐng)域研究的核心熱點之一，是自然與人為因素共同作用的結(jié)果，能客觀地描述區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的優(yōu)劣程度[1]?？茖W(xué)地進行區(qū)域生態(tài)環(huán)境脆弱性評價及動態(tài)監(jiān)測，對地區(qū)生態(tài)環(huán)境的保護與恢復(fù)治理措施的制定與實施具有重要的科學(xué)參考價值[2]。雖然我國學(xué)者們對區(qū)域生態(tài)環(huán)境脆弱性的研究起步相對較晚，但經(jīng)過30多年的努力該學(xué)科領(lǐng)域發(fā)展速度迅猛。楊琴業(yè)[3]于1992年，首次完成了我國生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)等級分布圖的編制，促使人們對區(qū)域生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)的認識進一步加深，研究的腳步也加快。目前，學(xué)者們已經(jīng)在內(nèi)涵定義[4-6]、評估模型[7-9]、監(jiān)測技術(shù)手段[10-12]等方面取得系列重要研究成果。

川西北高原區(qū)地處青藏高原東南緣，其不僅是四川省重要的生態(tài)功能區(qū)也是長江上游重要的水源涵養(yǎng)區(qū)；然而，由于受海拔高、地勢陡峭、溫度寒冷、地質(zhì)條件復(fù)雜等自然條件的限制，其生態(tài)系統(tǒng)先天脆弱；加之，林草地、耕地及水電資源長期不合理的開發(fā)利用，導(dǎo)致其不僅未能發(fā)揮生態(tài)屏障的作用，反而成為四川省生態(tài)環(huán)境問題突出的典型區(qū)域之一[13]。

然而，迄今為止對該地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性進行評估，并對其時空變化規(guī)律和主要驅(qū)動力進行探索分析的研究卻仍出于空缺。為彌補這一不足，及時掌握該區(qū)域生態(tài)環(huán)境脆弱性的真實變化和主要驅(qū)動因素，研究結(jié)合RS和GIS技術(shù)從地形、土地、氣候和社會經(jīng)濟等方面出發(fā)，選取高程、坡度、NDVI等共計9項指標，完成該地區(qū)不同年份的脆弱性現(xiàn)狀評價。此外，研究還引入一元線性回歸和主成分分析模型對其2000—2015年的生態(tài)環(huán)境脆弱性變化規(guī)律與主要驅(qū)動因素進行探索分析，以期為實現(xiàn)地區(qū)生態(tài)環(huán)境的有效保護與恢復(fù)治理提供科學(xué)的理論參考和技術(shù)支持。

1 研究區(qū)概況

川西北高原區(qū)地處青藏高原東南緣(97°24′—107°42′E；31°20′—34°08′N)，幅員面積約8.2萬km2，是長江、黃河重要的水系發(fā)源區(qū)，也是四川省重要的生態(tài)功能區(qū)和典型的生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)。該地區(qū)地跨甘孜和阿壩兩個少數(shù)民族自治州，包括若爾蓋、紅原、阿壩縣等8個縣級行政單元，地勢呈現(xiàn)東低西高的變化形態(tài)，地貌類型主要為丘狀高原，平均海拔約4 098 m，年均溫度為-7.36～9.07℃，降水主要集中于5—10月且年降雨量在447.54～859.93 mm。同時，該區(qū)域土壤類型在空間分布上也呈現(xiàn)出明顯的差異，主要土壤類型為黑氈土、草氈土、灰褐土等。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

研究獲取的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括空間和屬性兩類。空間數(shù)據(jù)有：(1) 90 m×90 m DEM，源于地理空間數(shù)據(jù)云平臺；(2) 2000—2015年6—8月NDVI數(shù)據(jù)，來源于NASA；(3) 1∶10萬土地利用類型數(shù)據(jù)，源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http:∥www.resdc.cn)；(4) 1∶100萬土壤類型數(shù)據(jù)，來源于中國土壤數(shù)據(jù)庫；(5) 1∶10萬土壤侵蝕數(shù)據(jù)，源于地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺(http:∥www.geodata.cn)。屬性數(shù)據(jù)包括：(1) 2000—2015年氣象站觀測的年均溫度和年降水數(shù)據(jù)，來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)；(2) 2000—2015年高原地區(qū)社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)，來源于《甘孜州統(tǒng)計年鑒》和《阿壩州統(tǒng)計年鑒》(2001年、2006年、2011年、2016年)。

2.2 指標體系構(gòu)建

研究在參考已有成果的基礎(chǔ)上[7,14-16]，遵循指標選取的相關(guān)原則，結(jié)和區(qū)域?qū)嶋H狀況從地形、土地、氣候和社會經(jīng)濟等系統(tǒng)出發(fā)，選取高程、坡度、NDVI、人口等9個評價指標(表1)。

表1 川西北高原區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性評價指標

2.3 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理

(1) 數(shù)據(jù)插值。為實現(xiàn)統(tǒng)計數(shù)據(jù)可視化處理，研究以ArcGIS 10.4軟件為工具，采用反距離權(quán)重模型完成人口和GDP數(shù)據(jù)的空間插值；以ANUSPLIN 4.37為工具完成氣象數(shù)據(jù)的可視化處理，其將DEM作為協(xié)變量參與運算，更好地提高了插值結(jié)果的準確性[17]。

(2) 數(shù)據(jù)分類定級。由于各指標數(shù)據(jù)在表達方式、數(shù)量級及量綱上均存在明顯差異，不存在直接可比性。因此，研究在參考已有成果的基礎(chǔ)上[2,4]將各指標劃分為5個不同等級(圖1)。

一方面，就土地利用和土壤類型兩個數(shù)據(jù)而言，主要通過參考已有成果實現(xiàn)數(shù)據(jù)分級。通過建立土地利用與土壤侵蝕類型/強度的關(guān)系完成[7,16](表2)；土壤的可侵蝕K值是通用水土流失方程(USLE)的一項重要組成部分，將K值與土壤保水性、貧瘠程度相合實現(xiàn)其分等定級[14-16](表3)。

另一方面，針對高程、坡度、NDVI和年均溫度等7個數(shù)據(jù)，則從數(shù)據(jù)聚類原理出發(fā)，采用自然斷點的方式完成，其以數(shù)據(jù)空間聚類原理為依據(jù)，對數(shù)據(jù)實現(xiàn)分類定級，客觀程度上較好地實現(xiàn)了數(shù)據(jù)分類的“物以類聚”[15,18](表4)。

表2 研究區(qū)土地利用分級

表3 研究區(qū)不同土壤類型K值及分級

(3) 坐標系統(tǒng)與格式的統(tǒng)一。為實現(xiàn)9項指標在空間位置上具有較好的重合性，規(guī)定所有指標分辨率均為250 m×250 m，且坐標系統(tǒng)為Albers投影系統(tǒng)。

2.4 評價模型

2.4.1 數(shù)據(jù)標準化 對數(shù)據(jù)進行標準化處理能提高其收斂性[18-20]，進一步提高數(shù)據(jù)處理的準確性，研究采用極差數(shù)學(xué)模型實現(xiàn)各指標的標準化，僅溫度、降水、NDVI為負相關(guān)指標，數(shù)學(xué)模型如下：

正相關(guān)指標：Vij=(aij-ai,min)/(ai,max-ai,min)

(1)

負相關(guān)指標：Vij=1-(aij-ai,min)/(ai,max-ai,min)

(2)

式中：Vij為標準化結(jié)果；aij為原始數(shù)據(jù)，其他數(shù)據(jù)以此類推。

表4 2000-2015年研究區(qū)人口、GDP、溫度和降水分類定級

圖1 川西北高原區(qū)部分指標分級

2.4.2 指標權(quán)重 由于各指標在信息上存在關(guān)聯(lián)性，信息的重疊會對評價結(jié)果的準確性造成一定干擾?？臻g主成分能實現(xiàn)各指標信息的降維重組，將多個指標轉(zhuǎn)換為關(guān)聯(lián)性極低的幾個少數(shù)綜合指標[21-24]。研究對9個指標進行主成分分析，最終選取累計因子貢獻率達到85%以上的前5個變量為主成分因子(表5)。

表5 各主成分因子相關(guān)系數(shù)

2.4.3 脆弱性指數(shù) 生態(tài)環(huán)境脆弱性是人為與自然環(huán)境的共同影響的結(jié)果，將各指標因子進行加權(quán)疊加才能客觀全面地對其真實狀況進行表征[4,18,21]。研究采用因子加權(quán)計算模型完成其指數(shù)EVI的計算，對其進行定量描述。

數(shù)學(xué)模型如下：

(3)

式中：EVI為脆弱性指數(shù)；βi為指標i的因子貢獻率；Yi為指標i的標準化結(jié)果。

2.4.4 脆弱性分等定級 對研究區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性進行分類定級，有助于更全面掌握其空間分布特征和結(jié)構(gòu)差異，研究采用自然斷點的方式完成其分級(表6)。

2.4.5 斜率變化 研究在進行區(qū)域生態(tài)環(huán)境脆弱性斜率變化時，采用最小二乘法完成，其能實現(xiàn)生態(tài)環(huán)境脆弱性與時間的回歸擬合，表征出不同時期生態(tài)環(huán)境脆性的年際變化，并對其變化趨勢進行科學(xué)的預(yù)測[25-26]。數(shù)學(xué)模型如下：

(4)

式中：X為斜率；EVIi為第i年的脆弱性指數(shù)；n為時間。若X>0則表示在整個研究期內(nèi)，EVI為增加的變化狀態(tài)，生態(tài)環(huán)境的脆弱性有嚴重的變化趨勢；相反，其含義則反之。

表6 生態(tài)環(huán)境脆弱性指數(shù)分級標準

同時，研究采用F檢驗完成其顯著性檢驗，數(shù)學(xué)模型如下：

(5)

3 結(jié)果與分析

3.1 空間分布特征

由圖2可知,整個研究區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性呈現(xiàn)出自西向東逐漸降低的梯度變化，西部相比東部地區(qū)生態(tài)環(huán)境的脆弱程度更加嚴重，生態(tài)環(huán)境整體質(zhì)量和生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、自我恢復(fù)能力也相對更差。同時，各等級脆弱區(qū)在空間分布上也呈現(xiàn)出明顯的地域差異性；潛在和微度脆弱區(qū)約占整個地區(qū)的60%，在整個地區(qū)的比例最大且分布范圍也最廣，生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對完成，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力相對較強，生態(tài)景觀主要是以有林地、灌木林和高覆蓋草地等，區(qū)內(nèi)有眾多徑流量大的江河水系流過，建設(shè)有較多的水電基地；輕度脆弱區(qū)約占據(jù)整個地區(qū)的20%左右，主要分布于研究區(qū)中西部，是人類活動和社會經(jīng)濟發(fā)展的核心地帶，耕地和城鎮(zhèn)建設(shè)用地均主要集中于該區(qū)域范圍內(nèi)，此外還有低覆蓋草地、其他林地和疏林地等生態(tài)景觀；中度和重度脆弱區(qū)約占整個地區(qū)的18%，主要分布于石渠縣大部分、甘孜和德格縣南部的小部分區(qū)域，這些地區(qū)海拔高，溫度寒冷，幾乎沒有人類活動和植被覆蓋度極低，地貌類型主要為高山和極高山，生態(tài)景觀以裸土地和冰川雪被為主，生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)嚴重缺損，系統(tǒng)極不穩(wěn)定且抗干擾能力也基本沒有。

圖2 2000-2015年川西北高原區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性評價結(jié)果

3.2 結(jié)構(gòu)特征

根據(jù)川西北高原區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性分級標準，對該地區(qū)不同年份的評價結(jié)果進行等級劃定，并對其結(jié)構(gòu)特征進行分析(表7)。

表7 2000-2015年川西北高原區(qū)各等級柵格分布狀況

通過對15 a內(nèi)各脆弱區(qū)的柵格比例分析可知，各脆弱區(qū)的比例關(guān)系為微度>潛在>輕度>中度>重度，微度和重度脆弱區(qū)分列該地區(qū)的首尾兩端；以2015年為例，微度和重度的柵格比例分別為38.24%，7.24%，位居首尾；其次，潛在、輕度和中度的比例分別為25.24%，20.23%，9.06%，位居中間，且呈現(xiàn)逐漸遞減的變化狀態(tài)；此外，2000年、2005年、2010年、2015年輕度及以下脆弱區(qū)的柵格比例分別為77.87%，81.69%，82.63%，83.7%，占據(jù)整個區(qū)域的絕大部分，這客觀程度上可以反映出該地區(qū)生態(tài)環(huán)境整體一直處于輕等脆弱水平。

3.3 整體趨勢變化

通過比較15 a內(nèi)各脆弱區(qū)柵格比例變化狀況(圖3)可知：潛在、微度和輕度這3類脆弱區(qū)的柵格比例均呈現(xiàn)增加的變化狀態(tài)，分別增加了1.85%，2.02%，1.97%；微度脆弱區(qū)的增加幅度最明顯，而潛在脆弱增加的比例最小，輕度脆弱居中；相反，中度和重度的柵格比例在整個時期內(nèi)柵格比例均一直呈現(xiàn)減少的變化狀態(tài)，15 a內(nèi)它們分別減少了3.63%，2.2%；且相比重度中度脆弱柵格整體減少的幅度更明顯。

通過分析川西北高原區(qū)2000—2015年生態(tài)環(huán)境脆弱性指數(shù)斜率變化(圖4)可知：整個研究區(qū)有61.95%的柵格像元為負值，即其脆弱性指數(shù)呈現(xiàn)減小的變化狀態(tài)，僅有38.05%的柵格像元為正值，數(shù)值為增加的變化狀態(tài)。F檢驗結(jié)果顯示：15 a內(nèi)，生態(tài)環(huán)境脆弱性顯著降低(X<0，p≤0.05)環(huán)境質(zhì)量整體明顯好轉(zhuǎn)的區(qū)域比例達到54.43%，在整個研究區(qū)內(nèi)均有分布且大多主

要集中于若爾蓋、紅原和阿壩縣；而無顯著降低(X<0，p>0.5)和增加(X>0，p>0.05)的柵格比例為38.65%，大部分主要集中分布于研究區(qū)的中西部區(qū)域，其生態(tài)環(huán)境的脆弱程度和質(zhì)量均無明顯的變化；而脆弱性顯著增加的比例僅有6.92%，且大部分主要分布于甘孜、石渠和色達3個縣中部區(qū)域。

圖3 2000-2015年各等級脆弱區(qū)柵格比例

綜上所述，結(jié)合15 a內(nèi)各等級脆弱區(qū)柵格比例和斜率變化狀況可知，該地區(qū)整體的生態(tài)環(huán)境脆弱性呈現(xiàn)明顯降低的變化狀態(tài)，生態(tài)環(huán)境整體的質(zhì)量有好轉(zhuǎn)的變化趨勢。

圖4 2000-2015年EVI斜率變化及檢驗結(jié)果

4 討 論

4.1 主要驅(qū)動力因素

為了解影響該地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性變化的主要驅(qū)動因素，研究采用主成分分析對各因子進行分析(圖5)。

圖5 指標因子貢獻率變化

由圖5可知，從NDVI到土壤類型各指標對生態(tài)環(huán)境脆弱性形成的影響作用呈現(xiàn)逐漸降低的變化形態(tài)，當?shù)竭_第5個指標時累計因子貢獻率已經(jīng)達到85%以上，由此可以判定前5項指標與脆弱性的形成關(guān)系最為密切。同時，對這5項指標進行深入分析可知，高程相對穩(wěn)定對脆弱性的改變驅(qū)動作用不明顯，而氣候因子的影響作用也相對有限。此外，研究發(fā)現(xiàn)EVI空間分布特征與NDVI和土地分級結(jié)果變化基本一致，特別是與土地變化的相似度最高。由此可以判定，影響該地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性改變的主要驅(qū)動因素為土地利用類型。

15 a內(nèi)，整個區(qū)域絕大部分地區(qū)生態(tài)環(huán)境呈現(xiàn)明顯好轉(zhuǎn)的變化狀態(tài)，可能是如下的原因驅(qū)動的：(1) 該地區(qū)在2000年左右分別實施了“天然林保護”、“退耕(牧)還林(草)”、“防沙治沙”等系列生態(tài)環(huán)境保護措施。根據(jù)各時期土地利用遙感解譯成果可知，15 a內(nèi)草地的面積基本維持不變；而林地的比例則增加約5.56%。林草地面積則增加，較大程度上提高了區(qū)域植被的覆蓋面積和覆蓋度，有效抑制了區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害的頻發(fā)、緩解了人地矛盾、減緩了生態(tài)環(huán)境惡化的腳步且促進了區(qū)域整體環(huán)境質(zhì)量的好轉(zhuǎn)。(2) 近年來，全球氣候變暖部分高海拔地區(qū)冰川雪被開始融化為這些地區(qū)植被的生長提供比較充足的水源，一定程度上又促進了這些地區(qū)植被的生長。

同時，15 a內(nèi)整個地區(qū)仍然有部分區(qū)域生態(tài)環(huán)境整體發(fā)展的狀態(tài)并不理想，可能是如下原因造成的：顯著性檢驗發(fā)現(xiàn)明顯惡化的地區(qū)主要集中于雅礱江、達曲河、大渡河等徑流量較大的江河水系兩側(cè)，這些地區(qū)水資源充沛大量水電基地被建設(shè)，水電基地的建設(shè)不僅會淹沒大面積的林草地和耕地資源，也會加速區(qū)域土地資源侵蝕的面積與強度，同時更會對地區(qū)氣候變化產(chǎn)生干擾。

4.2 生態(tài)環(huán)境恢復(fù)與重建

為實現(xiàn)區(qū)域生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)重建，研究在參考已有成果的基礎(chǔ)上[14-16,22]，結(jié)合地區(qū)實際狀況將其分為3個不同的區(qū)域，并對其恢復(fù)重建提出參考建議。

分區(qū)一：由潛在和微度脆弱兩個區(qū)域構(gòu)成。其主要位于整個高原區(qū)的高植被覆蓋地區(qū)，近年來隨著系列環(huán)保措施的有效實施，其比例呈現(xiàn)相對穩(wěn)定的上升狀態(tài)，研究推測隨著時間的推移，其比例仍將繼續(xù)增加。同時，區(qū)內(nèi)有雅礱江、定曲、大渡河等徑流量大的江河，大量水電基地被建設(shè)在江河兩側(cè)對其生態(tài)環(huán)境造成一定的威脅。因此，為有效實現(xiàn)生態(tài)環(huán)境的保護，應(yīng)當建立更加嚴格的生態(tài)紅線保護機制加強對環(huán)境狀況的監(jiān)控與保護，政府和水電公司在進行區(qū)域水電開發(fā)時應(yīng)當更加注重生態(tài)環(huán)境的保護。

分區(qū)二：該地區(qū)僅由輕度脆弱區(qū)構(gòu)成。該地區(qū)生態(tài)環(huán)境的保護應(yīng)當加強，其生態(tài)環(huán)境整體處于中等脆弱水平、系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力也相對較弱，是區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護的重要緩沖區(qū)，應(yīng)當防止其脆弱程度向中度和重度轉(zhuǎn)變。應(yīng)當加強對牧場、耕地和林地的規(guī)范化管理嚴禁過度放牧和非法開荒，減小草地、林地和耕地資源承受的壓力，同時應(yīng)當對已受損區(qū)域進行大面積植樹造林與草地修復(fù)。

分區(qū)三：包括中度和重度脆弱區(qū)兩個部分，該區(qū)域主要分布于極高山地區(qū)，由于海拔高、氣溫寒冷、以裸巖石質(zhì)地景觀為主，小部分為永久性冰川雪被，因此該地區(qū)植被覆蓋度極低，生態(tài)系統(tǒng)一旦被破壞恢復(fù)重建的難度極大。因此，對該地區(qū)更加嚴格的保護，防止其脆弱程度加深和范圍擴大是最有效的保護方式。同時，選擇合適的地區(qū)和植被進行植樹造林與草地恢復(fù)可能會起到一定的輔助作用。

5 結(jié) 論

(1) 從空間角度分析。該地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性整體呈現(xiàn)出西高東低的空間梯度變化；各等級脆弱區(qū)在結(jié)構(gòu)和地區(qū)分布上也呈現(xiàn)出明顯比例差異；微度和重度的比例分局首尾兩端，其次潛在、輕度和中度呈現(xiàn)依次遞減的變化狀態(tài)；且潛在和微度主要集中于中東部地區(qū)，而其他3類則主要分布于研究區(qū)西北部地區(qū)。

(2) 從時間角度分析。15年內(nèi)，該地區(qū)各等級脆弱區(qū)的柵格比例發(fā)生了明顯的結(jié)構(gòu)變化，主要變現(xiàn)為潛在、微度和輕度的柵格比例均呈現(xiàn)增加的變化趨勢，而中度和重度則呈現(xiàn)減少的變化狀態(tài)；整體趨勢變化分析顯示整個研究時期內(nèi)，該地區(qū)生態(tài)環(huán)境呈現(xiàn)明顯好轉(zhuǎn)的趨勢變化；驅(qū)動力則表征出系列生態(tài)環(huán)境保護措施的實施是促使該地區(qū)生態(tài)環(huán)境好轉(zhuǎn)的主要驅(qū)動因素，而大量水電基地的修建也對小部分地區(qū)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生一定的影響；針對不同地區(qū)生態(tài)環(huán)境的保護與恢復(fù)重建應(yīng)當采取不同的措施。

(3) 研究將GIS和RS技術(shù)與空間主成分模型相結(jié)合實現(xiàn)該地區(qū)不同時期生態(tài)環(huán)境脆弱性的現(xiàn)狀評價，并引入一元線性回歸從時空變化的狀況對其整體趨勢變化進行分析。相比以往研究，空間主成分較大限度地減少了指標間的關(guān)聯(lián)性提高權(quán)重計算的精度，趨勢變化從時空相結(jié)合的角度分析，更具直觀性與科學(xué)性。同時，生態(tài)環(huán)境脆弱性是多系統(tǒng)作用的結(jié)果，受數(shù)據(jù)獲取的限制研究在紙條體系的構(gòu)建和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的分類定級上仍存在一定不足，需要在今后的研究中進一步完善。