基于SRP模型的四川省生態(tài)環(huán)境脆弱性評價

姚 昆， 余 琳， 劉光輝， 劉漢湖

(成都理工大學(xué) 國土資源部地學(xué)空間信息技術(shù)重點實驗室, 成都 610059)

基于SRP模型的四川省生態(tài)環(huán)境脆弱性評價

姚 昆， 余 琳， 劉光輝， 劉漢湖

(成都理工大學(xué) 國土資源部地學(xué)空間信息技術(shù)重點實驗室, 成都 610059)

四川省地處長江上游，對其進行生態(tài)環(huán)境脆弱性評價與分析，有利于全省及下游地區(qū)社會經(jīng)濟發(fā)展及生態(tài)環(huán)境保護與建設(shè)。研究以生態(tài)敏感性-生態(tài)恢復(fù)力-生態(tài)壓力度(SRP)模型為框架，從氣象、地形、生態(tài)景觀等方面選取14個評價指標(biāo)，利用空間主成分分析綜合評價對四川省生態(tài)環(huán)境脆弱性進行綜合分析。結(jié)果表明：全省生態(tài)環(huán)境狀況總體良好，大部分地區(qū)處于中度脆弱以下水平；生態(tài)脆弱度呈現(xiàn)由南向北逐漸增強的變化趨勢。

生態(tài)脆弱性； 四川省； 生態(tài)敏感性-生態(tài)恢復(fù)力-生態(tài)壓力度； 空間主成分分析

0 引言

生態(tài)環(huán)境脆弱性指生態(tài)系統(tǒng)在特定區(qū)域環(huán)境下受外界影響所表現(xiàn)出的敏感性與自我修復(fù)能力，是生態(tài)多因素共同作用的結(jié)果，是反映區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的客觀指標(biāo)[1-3]。近年來，隨著我國經(jīng)濟迅猛發(fā)展、工業(yè)化水平日益提高、人們環(huán)保意識增強，生態(tài)環(huán)境安全已成為社會關(guān)注的熱點。對區(qū)域?qū)嵤┯行У纳鷳B(tài)環(huán)境脆弱性監(jiān)測及評價，有利于人們對生態(tài)環(huán)境實現(xiàn)科學(xué)治理。

自20世紀(jì)80年代初期，國內(nèi)學(xué)者便對區(qū)域生態(tài)環(huán)境脆弱性作了大量研究，特別是在指標(biāo)體系構(gòu)建、評價方法探索、成因分析及綜合治理等方面取得諸多成果。學(xué)者們提出了生態(tài)敏感性-生態(tài)恢復(fù)力-生態(tài)壓力度(SRP)模型、自然成因-結(jié)果表現(xiàn)模型、壓力-狀態(tài)-響應(yīng)(PSR)模型等指標(biāo)體系構(gòu)建模型，綜合指數(shù)法、景觀格局法、主成分分析法、層次分析法等生態(tài)脆弱性評價分析方法[1-7]。但是，生態(tài)環(huán)境脆弱性是多因素共同作用的結(jié)果，區(qū)域不同其評價結(jié)果亦不同。

四川省位于長江上游，其生態(tài)環(huán)境質(zhì)量不僅關(guān)系到全省經(jīng)濟發(fā)展，區(qū)域資源合理規(guī)劃利用，同時也會對長江下游地區(qū)產(chǎn)生巨大影響。2008年5月12日四川發(fā)生汶川特大地震，全省及附近部分地區(qū)受到災(zāi)害嚴(yán)重破壞，區(qū)域生態(tài)環(huán)境發(fā)生巨大改變，然而對四川進行生態(tài)評價的研究相對較少。鑒于此，筆者在參考大量文獻(xiàn)[3-8]的基礎(chǔ)上結(jié)合四川省實際同時兼顧評價指標(biāo)可獲得性、可操作性與全面性的選取原則，以SRP模型為框架構(gòu)建評價指標(biāo)體系，運用空間主成分綜合評價,完成四川省生態(tài)脆弱性評價與分析。

1 研究方法

1.1 評價指標(biāo)體系構(gòu)建

SRP模型是集自然、人文及生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部變化因素為一體的生態(tài)評價指標(biāo)體系構(gòu)建模型，由生態(tài)敏感性-生態(tài)恢復(fù)力-生態(tài)壓力度3部分構(gòu)成。生態(tài)敏感性表征生態(tài)系統(tǒng)受外界影響時引發(fā)生態(tài)環(huán)境問題的可能性，包括氣象因子、地形因子、地表因子，其中氣象因子有降水量、溫度、相對濕度、風(fēng)速；地形因子有坡度、高程；地表有降雨侵蝕力、多樣性指數(shù)、破碎化指數(shù)。生態(tài)恢復(fù)力是生態(tài)系統(tǒng)受到破壞時所表現(xiàn)的自我調(diào)節(jié)修復(fù)的能力，研究中用土壤有機碳含量、土壤有機氮含量與植被覆蓋度表示。生態(tài)壓力度指對生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性造成干擾的因素，通過人口密度與人均GDP表征。

1.2 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

景觀破碎度表征了區(qū)域生態(tài)景觀被分割的破碎程度，較客觀地反映出人類活動對生態(tài)景觀結(jié)構(gòu)地影響[9],研究利用土地利用類型數(shù)據(jù)計算得到。

FN=MPS(Nf-1)/Nc

(1)

式中：FN為單一景觀類型破碎化指數(shù)；MPS為各類型景觀斑塊平均面積；Nf為某類型景觀斑塊數(shù)量；Nc為區(qū)域景觀斑塊總數(shù)。

植被覆蓋度由MODIS-NDVI月合成產(chǎn)品計算，取2010年6月-8月植被覆蓋度的平均值。

(2)

式中:f為平均植被覆蓋度；NDVImax與NDVImin分別取當(dāng)月NDVI像元灰度分布置信度的5%確定上下限[10]。

降雨侵蝕力主要反映降水對土壤的搬運與剝離強度，是衡量水土流失狀況的重要指標(biāo)，采用Wischmeier[11]提出的年平均降雨侵蝕力模型計算。

(3)

式中：R為降雨侵蝕力；pi為月均降水量；p為年均降水量；其中pi與p的單位均為mm。

為消除各指標(biāo)量綱的影響提高研究的準(zhǔn)確性，研究采用極差法對各指標(biāo)進行標(biāo)準(zhǔn)化處理。極差方法需考慮各指標(biāo)的屬性，指標(biāo)與生態(tài)環(huán)境脆弱性呈正相關(guān)，則指標(biāo)值越大生態(tài)系統(tǒng)脆弱度越高，呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)則相反。正相關(guān)指標(biāo)包括：溫度、風(fēng)速、坡度、高程、降雨侵蝕力、多樣性指數(shù)、破碎化指數(shù)、人口；負(fù)相關(guān)指標(biāo)包括:降雨量、相對濕度、土壤有機氮含量、土壤有機碳含量、植被覆蓋率、人均GDP。

正相關(guān)指標(biāo)：

Li=(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(4)

負(fù)相關(guān)指標(biāo)：

Li=(Xmax-Xi)/(Xmax-Xmin)

(5)

式中：Li為第i個指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化值；Xi、Xmax、Xmin分別為第i個指標(biāo)真實值、最大值、最小值。

表1 數(shù)據(jù)來源

1.3 評價方法

鑒于指標(biāo)間存在關(guān)聯(lián)性，指標(biāo)重復(fù)將對評價結(jié)果造成干擾，因此研究利用ArcGIS-10.0軟件對指標(biāo)體系進行空間主成分分析(SPCA)。空間主成分分析是基于數(shù)理統(tǒng)計原理，在信息量損失極少的前提下，將多個指標(biāo)轉(zhuǎn)換為幾個關(guān)聯(lián)性極低的指標(biāo)的數(shù)據(jù)處理方法。在研究中，選取累計因子貢獻(xiàn)率達(dá)到85%以上的前5個指標(biāo)作為主成分指標(biāo)，它們已包含原有14個指標(biāo)的大部分信息(表2)。

主成分綜合評價數(shù)學(xué)表達(dá)式為式(6)。

EVI=β1Y1+β2Y2+β3Y3+…+βnYn

(6)

根據(jù)式(6)與表2，得到四川省生態(tài)脆弱性綜合評價數(shù)學(xué)表達(dá)式為式(7)。

EVI= 0.4428×Y1+0.1611×Y2+

0.1171×Y3+0.0795×Y4+

0.0581×Y5

(7)

式中:EVI為生態(tài)脆弱性綜合指數(shù)，其值越大生態(tài)環(huán)境越脆弱，生態(tài)系統(tǒng)受到的破壞程度越明顯；Y1、…、Y5為空間主成分分析提取的累計因子貢獻(xiàn)率達(dá)到85%以上的前5個評價指標(biāo)。

表2 各主成分因子特征值、貢獻(xiàn)率、累積因子貢獻(xiàn)率

表3 四川省生態(tài)環(huán)境脆弱性分級標(biāo)準(zhǔn)

2 結(jié)果分析

2.1 脆弱性分級

對研究結(jié)果進行生態(tài)環(huán)境脆弱性等級劃分，有利于人們因地制宜，科學(xué)治理。目前,國內(nèi)、外專家主要通過經(jīng)驗判定法[12-14]實現(xiàn)區(qū)域生態(tài)脆弱性等級劃分，該方法主要依賴專家經(jīng)驗進行判定，受人為因素影響較明顯。筆者采用自然斷點法[15]實現(xiàn)研究區(qū)生態(tài)脆弱性分級，該方法既能將具有相似像元值的柵格像元進行最恰當(dāng)?shù)姆纸M，又能最大化凸顯各類別間的差異(表3)。

2.2 評價分析

2010年全省生態(tài)環(huán)境脆弱性綜合指數(shù)變動范圍為0.592～2.632，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量整體比較樂觀大部分處于中度脆弱以下，其中南部、西北部地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較好，東部地區(qū)較惡劣。

1)微度、輕度脆弱區(qū)。該類型主要分布于甘孜州西北小部分及南部地區(qū)、涼山州大部分、雅安、眉山、樂山、瀘州、宜賓和成都等的大部分以及四川東北部小部分地區(qū)。其中，涼山、甘孜、雅安及樂山的大部分地區(qū)以山地地形為主，山區(qū)較多，森林與草地面積比重較大，植被類型多樣，海拔高、坡度大、人口密度相對較小、人類活動相對較少，人為因素對生態(tài)環(huán)境影響較輕，地形因子占據(jù)絕對優(yōu)勢對區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量產(chǎn)生較大影響；除這些區(qū)域外的大部分地區(qū)雖受到海拔相對較低，易受人類活動干擾的限制，卻擁有降水充足、相對濕度大、植被類型相對單一卻覆蓋度高、景觀破碎化程度較輕等有利條件，這些優(yōu)勢對維持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定、幫助生態(tài)環(huán)境扭轉(zhuǎn)恢復(fù)起到了重大作用。

2)中度脆弱區(qū)。該類型區(qū)域面積約占研究區(qū)總面積的20%，主要分布于甘孜州西北大部分地區(qū)、攀西小部分、四川東北部達(dá)州、遂寧、南充、巴中等的大部分地區(qū)。甘孜西北大部分地區(qū)雖然也擁有海拔高、坡度大、森林草地面積比重大、植被類型多樣等諸多有利條件，但相比南部地區(qū)，其降水量、相對濕度明顯減少、人類活動、景觀破碎化程度等明顯增大，生態(tài)環(huán)境受破壞的程度加重；除該區(qū)域外的其他地區(qū)雖然人類活動相對明顯、人為因素對生態(tài)環(huán)境影響較大，卻擁有降水、相對充足、地形地貌類型多樣，生態(tài)恢復(fù)與破壞因素對該區(qū)域的影響基本處于相對平衡狀態(tài)。

3)重度、極重度脆弱區(qū)。該類型主要分布于阿壩州大部分及附近綿陽與廣元的小部分區(qū)域及山脊處。其中，阿壩州及附近綿陽與廣元等地區(qū)，經(jīng)查詢統(tǒng)計年鑒可知，這些區(qū)域在接近研究時段的近幾年內(nèi)，曾受到地震等自然災(zāi)害的嚴(yán)重破壞，區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量發(fā)生巨大改變；山脊處溫度與相對濕度較低、植被覆蓋稀少、景觀破碎化嚴(yán)重、景觀類型相對單一，相比該地區(qū)地形與人為因子的優(yōu)勢作用，氣象因子與地表因子的對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量影響的主導(dǎo)作用更突出。

圖1 四川省生態(tài)脆弱性空間分布圖Fig.1 Spatial distribution of ecological vulnerability in Sichuan province

3 結(jié)論與討論

研究以SRP模型為框架，結(jié)合四川省實際狀況同時兼顧評價指標(biāo)選取原則，從氣象、地形、地表、人文等方面考慮分析，構(gòu)建四川省生態(tài)環(huán)境脆弱性評價指標(biāo)體系，應(yīng)用主成分綜合評價和自然斷點法對全省EVI進行計算與分級，可得到如下結(jié)論：

1)從面積上看，四川省整體上生態(tài)脆弱度較低，中度脆弱以下地區(qū)占全省的大部分；從空間分布分析，全省生態(tài)脆弱性呈現(xiàn)由南向北逐漸增強的發(fā)展趨勢，微度、輕度脆弱主要分布于四川南部地區(qū)，這些地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)較穩(wěn)定，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較好；重度、極重度脆弱主要分布在受災(zāi)害影響嚴(yán)重的阿壩州及附近區(qū)域與山脊處，這些區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性差、抗干擾能力弱、生態(tài)環(huán)境惡劣、生態(tài)扭轉(zhuǎn)難度極大、生態(tài)恢復(fù)與治理應(yīng)高度重視、長期堅持。

2)研究表明，造成全省生態(tài)環(huán)境脆弱性空間分布差異明顯的原因分析可歸納為自然因素與人為因素。其中氣象、地形等自然因素在影響生態(tài)環(huán)境質(zhì)量方面占據(jù)主導(dǎo)作用；但從根本上分析可以發(fā)現(xiàn)，植被覆蓋狀況、土壤肥力、景觀格局、甚至氣象等自然因素都間接或直接受到人類活動的影響，所以人文因素不僅是加速生態(tài)環(huán)境脆弱的催化劑，更是趨使生態(tài)惡化的根本原因。因此，提高人們的環(huán)保意識、加大環(huán)保力度，最大限度扭轉(zhuǎn)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，才有利于人與自然和諧相處，實現(xiàn)社會的可持續(xù)發(fā)展。

3)生態(tài)環(huán)境脆弱性評價分析，受指標(biāo)獲取、方法選擇等多因素的影響，本文尚存在一定不足，在今后的研究中有待完善。

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Evaluation of ecological vulnerability in Sichuan province based on SRP model

YAO Kun， YU Lin， LIU Guanghui， LIU Hanhu

(Ministry of land and Resources Key Laboratory of Geological Spatial Information Technology, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059， China)

The ecological vulnerability assessment and analysis of Sichuan province, located in the upper reaches of the Yangtze river, will be conducive to the development of social economy and ecological environment protection and construction in the whole province and downstream areas. In this study, 14 evaluation indexes are selected from the aspects of meteorology, topography, ecological landscape and so on, based on the ecological sensitivity and ecological resilience (SRP) model as well as comprehensive evaluation of ecological vulnerability in Sichuan province by using spatial principal component analysis. The results showed that: the ecological condition of the whole province was good. Most of the area was in the moderate level of vulnerability, and the ecological vulnerability showed a trend change from south to north more serious.

ecological vulnerability; Sichuan province; ecological sensitivity; ecological restoration; ecological pressure; spatial composition analysis

2016-06-08 改回日期：2016-09-05

國家自然科學(xué)基金(41102225)；四川省科技支撐計劃項目(2014SZ0070)

姚昆(1991-)，男，碩士，主要研究方向為3S技術(shù)與數(shù)字國土，E-mail：jiangshan996@126.com。

1001-1749(2017)02-0291-05

X 826

A

10.3969/j.issn.1001-1749.2017.02.21