快速城鎮化進程中湘江流域生態脆弱性格局及驅動機理

向云波， 彭秀芬， 謝炳庚， 楊 沙

(1.湖南科技大學 地理空間信息技術國家地方聯合工程實驗室， 湖南 湘潭 411201；2.湖南師范大學 地理學博士后流動站； 3.湖南師范大學 資源與環境科學學院， 湖南 長沙 410081)

快速城鎮化進程中湘江流域生態脆弱性格局及驅動機理

向云波1,2， 彭秀芬1， 謝炳庚3， 楊 沙1

(1.湖南科技大學 地理空間信息技術國家地方聯合工程實驗室， 湖南 湘潭 411201；2.湖南師范大學 地理學博士后流動站； 3.湖南師范大學 資源與環境科學學院， 湖南 長沙 410081)

從自然成因與結果表現兩方面，選取8個單項指標，構建湘江流域生態脆弱性評價指標體系。采用遙感和社會經濟統計數據，運用主成分分析法，結合GIS技術，研究2000～2010年湘江流域生態脆弱性時空特征，并對其生態脆弱性進行空間自相關分析。研究結果表明：(1)2000～2010年湘江流域生態脆弱性程度有小幅下降，流域生態脆弱性均值由0.4468下降至0.4181。(2)將流域生態脆弱性劃分為5個基本類型，2000～2010年間湘江流域極強脆弱、強度脆弱類型區柵格數量比重分別下降了2.04%和13.47%，中度脆弱、輕度脆弱和微度脆弱類型區柵格數量分別增加了1.13%、3.01%和4.45%。(3)湘江流域生態脆弱性空間差異顯著，具有集簇分布的特征。生態脆弱區的空間聚集程度呈現出較高的正相關，空間格局伴有破碎化的發展趨勢。生態脆弱性顯著性相關區域主要分布在長株潭、婁底、永州市轄區；低相關區域主要分布在羅霄山、南嶺地區。

生態； 脆弱性； GIS技術； 湘江流域

脆弱性是系統面對各類災害和脅迫表現出來的易損性質，表現為系統向不利于自身穩定和人類利益的方向發展[1]13-26，其顯著的特征是狀態的不穩定以及對外界干擾的敏感性，同時這種性質會隨系統的暴露程度及適應能力的變化而變化[2，3]。流域是重要的生態系統。在全球環境變化與人類活動加劇的背景下，研究流域生態脆弱性，對流域資源開發與管理、環境保護及可持續發展具有重要意義。國內外研究主要集中在脆弱性概念與內涵、評價體系構建及時空格局[1-9]等方面。在流域生態脆弱性研究方面，姚建等[10]、王麗婧等[11]、王讓會等[12]、潘竟虎等[13]、韋莉[14]運用暴露程度-敏感性-適應潛力方法、影響因子-表現因子-脅迫因子方法，自然成因指標-結果表現指標的方法，構建了流域生態脆弱性評價指標體系，分別對岷江上游、邛海流域、塔里木河流域、黑河中游，以及石羊河流域生態脆弱性進行探討。

湘江是湖南省乃至我國南方重要的生態、經濟走廊。在當前全球環境變化和湖南省城市化、工業化進程加速的情況下，湘江流域的生態可持續發展面臨嚴峻挑戰，特別是重金屬污染、自然災害等問題，已經引起國家及地方各級政府的高度重視。為此，本文在分析湘江流域生態脆弱性成因的基礎上，嘗試從自然成因-結果表現兩個方面，選取8個單項指標，構建湘江流域生態脆弱性評價指標體系。采用2000年、2010年湘江流域遙感和社會經濟統計數據，運用主成分分析方法，結合RS和GIS技術，研究2000～2010年湘江流域生態脆弱時空動態特征，研究成果對湘江流域資源開發、生態保護具有重要意義。

一、研究區域概況與界定

湘江發源于廣西海洋河，是長江七大支流之一。湘江在湖南境內干流全長670 km，擁有大小支流1 300多條，年平均徑流量722億m3，整個流域屬于太平洋季風濕潤氣候，地貌以山地、丘陵為主，資源稟賦優良，礦產豐富，植被豐茂，森林覆蓋率達54.4%；湘江流域是湖南省新型工業化、新型城鎮化、農業現代化的集中區和引領區，聚集了全省70%以上的大中型企業，2010年流域地區生產總值12 205億元，規模工業增加值4 842億元，人口總量3 774萬人，分別占全省的76.7%、82.2%和57.3%，城鎮化率47.2%①。受流域自身自然要素結構以及人類社會經濟活動的影響，近些年流域資源與生態環境問題日益凸顯，亟需加強對流域的資源、生態問題研究。湘江流域是一個自然地理概念，為了便于研究展開，將湘江流域研究范圍界定步驟安排如下：(1)文中的湘江流域僅指湖南省境內湘江流域部分，不包括廣西和江西部分；(2)在ArcGIS9.3中，依據集水區和DEM數據，劃定湘江流域自然界線，并與2010年湖南省縣級行政界線相疊加；(3)確定縣域行政區劃入湘江流域的原則：第一，湘江流域內面積占縣域土地總面積比重大于60%；第二，面積比重小于60%，但縣城位于湘江流域內。(4)將市轄區合并為一個單元。最后，界定湘江流域研究范圍為歸并為45個空間研究單元(圖1)。

圖1 湘江流域研究范圍界定

二、研究方法與指標體系

1.構建評價指標體系

湘江流域生態脆弱性形成是流域自然因子和社會經濟因子共同作用結果。其中，自然因子包括地貌、地質、氣候、水文、植被等，使湘江流域生態系統結構具有一定的脆弱性；社會經濟活動因子包括工業活動、農業生產活動、城市建設等，不合理的社會經濟活動會對流域生態系統產生強烈擾動，加劇了流域生態脆弱性，反之亦反。參考國內外已有的研究成果[2-16]，從自然成因-人為結果表現兩方面，選取關鍵影響因子建立流域生態脆弱性評價模型(表1)。自然成因選取了地形因子以及氣象因子，其中地形因子包括高程(x1)和坡度(x2)，氣象因子包括年降水量(x3)與干燥度(x4)，用以代表自然環境因子對湘江流域生態脆弱性的影響。結果表現因子從人口、社會經濟、工業和農業活動方面，選取了植被覆蓋指數(x5)、人口密度(x6)、人均GDP(x7)以及土地利用程度(x8)4個因子，用以反映人類社會經濟活動對湘江流域生態系統地擾動情況。

表1 生態脆弱性評價指標體系

注：干燥度計算公式：k=0.16×(全年≥10℃的積溫/全年≥10℃期間的降水)；植被覆蓋率=[(林地+草地面積)/行政區面積]×100；土地利用程度的單因子脆弱度參照黃方[13]等的無量綱標準，即水域為0，有林地、耕地、園地、人工用地為2，有林、高覆蓋草地為4，疏林地、灌木林中覆蓋草地為6，無林旱地、低覆蓋度、草地、旱地為8，鹽堿地、工礦及未利用地為10。

2.數據來源及處理

(1)數據來源。高程和坡度數據均通過國際科學數據服務平臺(http：//datamirror.csdb.cn/)30m分辨率DEM數據提取；氣象數據資料來源于湖南省氣象局2000年和2010年湘江流域37個氣象站點數據計算而來；人口密度和人均GDP數據通過2001年和2011年《湖南省統計年鑒》數據計算得來；植被覆蓋率和土地利用程度數據依據2000年和2010年湖南省土地面積變更調查數據計算。

(2)數據預處理。DEM數據運用ERDAS9.2、ArcGIS9.3軟件做校正、拼接、裁剪等圖像預處理；年降水量、干燥度、植被覆蓋率、人口密度、人均GDP和土地利用程度均先將數據導入矢量文件之后，使用ArcGIS9.3中IDW反距離權重法生成相對應的柵格文件，設定柵格大小為1 km×1 km。

(3)數據標準化。為消除原始數據量綱差異，運用極差法對原始數據進行標準化處理。其計算公式為：

3.生態脆弱性指數

運用Arc GIS9.3中主成分分析工具，在SpatialAnalystTools模塊支持下，利用PrincipalComponent函數，計算特征根、貢獻率和累積貢獻率，提取主成分，最后計算湘江流域每個評價單元生態脆弱性指數。具體計算公式如下：

式中，EVIi為i評價單元生態脆弱性指數，xij為i個評價單元主成分j的值，wj為主成分j的權重系數。

4.空間自相關分析

為了研究生態脆弱性由于空間相關性引起的空間差異，運用Geoda1.4.6軟件，引入統計學中的空間自相關方法，通過計算全局Moran’s I和局部Moran’s I值，分析湘江流域生態脆弱性的空間集聚特征，其計算公式如下：

(1)全局Moran’s I統計量公式：

式中：E(I)為期望值，E(I)=-1/(n-1)，VAR(I)為變異數。當全局Moran’s I的值大于0時，為正相關，即表明生態脆弱性高或者低的地區在空間上顯著集聚；值小于0時，為負相關，即表明生態脆弱性高或者低的地區具有顯著的空間差異；值等于0時，為不相關[18]。

(2)局部Moran’s I統計量計算公式為：

當檢驗達到顯著水平，且具有正向區域空間自相關，則表明研究地區與鄰區的觀察值都很高(高于均值)，屬于高值空間集聚，可表示為High-High(HH)；反之，當檢驗達到顯著水平，且具有負向區域空間自相關，則表明研究地區與鄰區的觀察值都很低(低于均值)，屬于低值空間，可表示為Low-Low(LL)[19]。

三、結果與分析

1.湘江流域生態脆弱性時空特征分析

運用Arc GIS9.3的自然斷裂點法(jenks)，依據2000年和2010年湘江流域生態脆弱性指數的大小閾值，將流域生態脆弱性程度劃分為五級，即微度脆弱、輕度脆弱、中度脆弱、強度脆弱和極強度脆弱。

從圖2可知，2000年和2010年湘江流域生態脆弱性具有明顯的空間分異特征，呈現出西北高，東北-東南-西南低的“半環狀”空間格局。湘陰、長沙市轄區、湘潭市轄區、漣源、雙峰、祁東、永州市轄區等生態脆弱性程度高，多為極強度脆弱類型。湘陰位于湘江、洞庭湖銜接地帶，易發生自然災害是導致其生態脆弱程度較高的主要因素；長株潭、婁底及永州市轄區等地區生態脆弱程度高，主要是由于工業、采礦等社會經濟活動強度高，對生態環境系統負面擾動性較強所致。瀏陽、炎陵、桂東、資興、桂陽、江華等地區生態脆弱程度較低，這些地區集中分布于湘江干流東南部、南部的羅霄山和南嶺地區，多為微度脆弱類型。這些地區生態環境好，植被覆蓋率高，社會經濟活動對生態環境負面擾動強度低，因而生態脆弱性程度低。

從空間格局動態變化看，2000～2010年湘江流域中下游長株潭和婁底地區生態脆弱性程度有所下降，上游永州地區生態脆弱性程度有所加大，且生態脆弱性高值區的空間集聚程度下降，斑塊破碎化趨勢加劇。表2顯示，2000～2010年間湘江流域生態脆弱程度有所下降。流域生態脆弱性均值由2000年0.4468，下降至2010年0.4181，下降了0.0287。就各生態脆弱性類型區的數量變化而言，2000～2010年間湘江流域極強脆弱、強度脆弱類型柵格數量比重下降，中度脆弱、輕度脆弱和微度脆弱類型柵格數量比重增加。極強脆弱類型柵格數量比重由2000年11.99%，下降至2010年9.95%，下降了2.04個百分點；強度脆弱類型柵格數量比重由2000年26.53%，下降至2010年19.97%，下降了6.65個百分點；中度脆弱類型柵格數量比重由2000年28.72%，上升至2010年29.85%，上升了1.13個百分點；輕度脆弱類型柵格數量比重由25.30%，上升至28.31%，上升3.01個百分點；微度脆弱類型柵格數量比重由7.47%上升至11.92%，上升4.45個百分點。可見，湘江流域極強脆弱和強度脆弱類型數量所占面積比重下降，而中度脆弱、輕度脆弱和微度脆弱類型數量所占面積比重增加。這也表明近年來湘江流域生態環境治理取得一定成效，流域生態環境有所改善。

圖2 湘江流域生態脆弱性分級評價

表2 湘江流域生態脆弱性分級統計

圖3 Moran’s I散點圖(2000、2010年)

圖4 脆弱性相關性分布(2000、2010年)

2.湘江流域生態脆弱性空間自相關分析

通過Geoda 1.4.6軟件，計算2000年和2010年湘江流域生態脆弱性Moran’sI值，分別為0.9251和0.8635，這說明湘江流域脆弱性具有較高的正相關性，生態脆弱性空間集聚態勢顯著。從散點圖3看，湘江流域絕大部分地區分值點都落在第一象限(H-H)和第三象限(L-L)，即表明湘江流域生態脆弱性高值區域被相鄰生態脆弱性高值區域包圍或生態脆弱性低值區域被相鄰生態脆弱性低值區域包圍。這說明湘江流域生態脆弱性呈現出明顯的空間分異結構特征，并伴隨有高值簇和低值簇集聚的現象。2000～2010年期間湘江流域生態脆弱性Moran’sI指數下降，這表明湘江流域生態脆弱性的空間相關性有所減弱。

由圖4可知，湘江流域生態脆弱性空間相關性高的地區主要分布在長株潭地區、婁底地區以及永州市轄區。這些地區社會經濟活動對生態環境的擾動劇烈，生態脆弱性程度較高，而且區域生態脆弱性之間存在某些相關性，與周圍地區生態系統相互作用、相互影響。從其發展趨勢看，2000～2010年生態脆弱性相關性高的區域空間格局也發生了顯著的變化，集聚程度降低，破碎程度增加。湘江流域生態脆弱性空間相關性低的區域主要分布在羅霄山、南嶺地區，人類活動擾動程度較低，生態脆弱性相關性較低，其生態脆弱性主要是由于生態系統自身內部作用的結果，與周圍生態系統對其影響關系不大。

四、結論與討論

1.結論

研究湘江流域生態脆弱性時空動態特征，對流域資源開發與生態環境保護建設具有重要意義。文章從自然成因-結果表現兩方面，選取8個單項指標，建立湘江流域脆弱性評價指標體系。采用2000年和2010年湘江流域遙感、氣象及社會經濟統計數據，運用主成分分析方法，借助于GIS技術，最小評價單元為1 km×1 km，研究2000～2010年湘江流域生態脆弱性時空動態特征及其空間相關性，主要研究結論如下：

(1)2000～2010年湘江流域生態脆弱性程度有小幅下降，均值由0.4468下降至0.4181，下降了0.0287。生態脆弱性強度高的地區主要分布在長株潭、永州市轄區和婁底雙峰、漣源等，社會經濟活動負面擾動強烈的地區；生態脆弱性強度低的地區主要位于湘江流域東南部和南部羅霄山、南嶺等生態環境好，植被覆蓋率高，社會經濟活動負面擾動小的地區。

(2)2000～2010年期間，湘江流域極強脆弱和強度脆弱區柵格數量下降，而中度脆弱、輕度脆弱和微度脆弱區柵格數量有所增加。其中極強脆弱區、強度脆弱區柵格數量比重分別下降2.04%、6.65%；中度脆弱區、輕度脆弱區和微度脆弱區柵格數量比重分別上升1.13%、3.01%和4.45%。

(3)湘江流域生態脆弱區的空間聚集程度呈現出較高的正相關。2000年和2010年湘江流域生態脆弱性Moran’sI值，分別為0.9251和0.8635。不同地區生態脆弱性高相關區域集中分布在長株潭、婁底、永州市轄區等人類活動擾動激烈、生態脆弱性程度高的地區；不同地區生態脆弱性低相關區域集中分布在羅霄山、南嶺等植被覆蓋好，人類活動擾動少，生態脆弱性程度低地區。

2.討論

湘江流域生態脆弱性的形成既受制于流域自然因素(如季風氣候水熱的不穩定，易發生水旱災害等)，也是人類不合理社會經濟活動擾動的結果(如工業偏重于有色金屬冶煉和重化工業等)，其成因具有多樣性和復雜性。今后還需要從不同的視角，揭示湘江流域生態脆弱性的形成驅動因素，逐步完善的流域脆弱性評價體系，判斷湘江流域生態脆弱性程度及發展態勢，為國家和地方優化湘江流域生態環境提供科學參考。特別是針對湘江流域生態脆弱性具有較高的空間正相關性特點，要從流域生態系統整體出發，加強跨行政區生態協調治理工作，推動流域生態環境可持續發展。

注釋：

①湘江流域科學發展總體規劃，http://www.hnfgw.gov.cn/hgzh/qygh/37668.html，2013-2-21.

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PatternsandDrivingFactorsofEcologicalVulnerabilityoftheXiangjiangRiverBasininRapidUrbanization

XIANG Yun-bo1,2, PENG Xiu-fen1, XIE Bing-geng3, YANG Sha1

(1.National-LocalJointEngineeringLaboratoryofGeo-SpatialInformationTechnology,HunanUniversityofScienceandTechnology,Xiangtan,Hunan411201;2.Post-doctorateStationinGeography; 3.CollegeofResourcesandEnvironmentScience,HunanNormalUniversity,Changsha,Hunan410081)

The author of this article constructs an evaluation indicator system of ecological vulnerability based on the causes and consequences of natural features.This paper studies the evolution patterns and spatial autocorrelation analysis of ecosystem vulnerability in the Xiangjiang Basin using the method of principal component analysis,combined with GIS technology from 2000 to 2010.The results show that:(1)The ecological vulnerability steady declined in Xiangjiang river basin from 2000 to 2010.The mean value of ecological vulnerability declined from 0.4468 to 0.4181.The rate of the extremely strong and strong ecological vulnerability area decreased 2.04% and 13.47%.The rate of moderately vulnerable,weak vulnerable and micro vulnerable types of area increased respectively 1.13%,3.01% and 4.45%.(2)The ecological vulnerability has obvious regional difference and spatial agglomeration characteristics.(3)The ecological vulnerability region spatial aggregation levels showed a high positive correlation,the development trend of space pattern with fragmentation.The regional ecological vulnerability was high relative concentration distribution in Chang-Zhu-Tan,Loudi,Yongzhou.The regional ecological vulnerability was low relative concentration distribution in Luoxiao mountain and Nanling area.

ecology; vulnerability; GIS technology; the Xiangjiang River Basin

2014-07-05

湖南省教育廳重點基金“城市化對湘江流域的脆弱性影響研究”(10A030)；湖南省社科基金“城鎮化過程中洞庭湖流域耕地利用績效研究：空間格局、驅動機制及政策含義”(12YBA136)；湖南省科技廳計劃項目“地區承載力差異對我國產業轉移空間演變的影響研究”(2013RS4053)；地理空間信息技術國家地方聯合工程實驗室開放基金“基于GIS的美麗湘江評估模型研”(2014GISNELJJ005)。

向云波，1978年生，男，土家族，湖南永順人，講師，博士，碩士生導師，研究方向：流域經濟與區域可持續發展。

F124.5；F127

A

1671-9743(2014)09-0042-06