吉林省西部地區(qū)生態(tài)脆弱性的動態(tài)評價

田 超, 楊夏捷, 鞠園華, 郭福濤

(1.福建農(nóng)林大學(xué) 林學(xué)院, 福州 350002; 2.海峽兩岸紅壤區(qū)水土保持協(xié)同創(chuàng)新中心, 福州 350002)

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展和人類活動的不斷加劇，對生態(tài)環(huán)境的干擾日益頻繁，導(dǎo)致生態(tài)脆弱性問題尤為突出。目前，有關(guān)生態(tài)環(huán)境脆弱性的研究已引起了諸多學(xué)者的廣泛關(guān)注，并成為探討全球變化和生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的重要切入點[1-3]。目前國內(nèi)外學(xué)者已開展了有關(guān)生態(tài)脆弱性的實踐性研究[4-6]、生態(tài)脆弱性的動態(tài)評價和預(yù)測預(yù)報[7-9]等，這些研究有助于全面了解區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況，并為生態(tài)環(huán)境恢復(fù)和重建工作提供科學(xué)依據(jù)[10-11]。

吉林省西部地區(qū)是我國典型的生態(tài)脆弱區(qū)。區(qū)內(nèi)土地資源的開發(fā)歷史雖不長，但由于長期的過度放牧、墾殖，不合理的土地利用，加之惡劣的自然條件的影響，生態(tài)脆弱性十分明顯。2000年以來吉林省政府生態(tài)環(huán)境保護政策的陸續(xù)出臺，加強了對生態(tài)問題嚴重區(qū)的治理力度，西部地區(qū)的生態(tài)環(huán)境不斷改善[12]。然而，目前還缺少對吉林省西部地區(qū)，尤其是2000年以后的生態(tài)環(huán)境脆弱性長時間尺度動態(tài)變化研究。鑒于此，本研究選取降水、溫度、人口密度和土地利用類型等10個因子，基于ArcGIS 10.2，SPSS 19.0等技術(shù)軟件，利用主成分分析法和綜合指數(shù)法，對吉林省西部地區(qū)2000年、2006年、2012年的生態(tài)脆弱度進行定量評價，明確生態(tài)脆弱性的主導(dǎo)因素，研究結(jié)論為吉林省生態(tài)建設(shè)和生態(tài)恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

吉林省西部地區(qū)位于松嫩平原的西南部，地跨東經(jīng)123°09′—124°22′，北緯44°57′—45°46′，其研究范圍包括白城及松原市所管轄的9個縣市(區(qū))，國土總面積為46 000 km2，約占吉林省總面積的1/4。研究區(qū)內(nèi)地形平緩，海拔為120～180 m。氣候類型屬半干旱半濕潤的大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，雨熱同期。夏季炎熱多雨，冬季寒冷漫長。熱量資源豐富，年平均氣溫5.2℃。平均降水量約為400 mm，年平均蒸發(fā)量1 500～1 900 mm。區(qū)內(nèi)植被類型以針葉混交林、落葉松林為主。土壤類型主要有黑鈣土、草甸土、風(fēng)沙土等。2012年末，吉林省吉林西部各縣(市)人均國內(nèi)生產(chǎn)總值為39.911 億元，年末實有耕地面積為296.157 hm2，人口總數(shù)為624.34萬人[13]。

2 研究方法

2.1 評價指標的選擇

指標是進行生態(tài)環(huán)境評價的基本尺度和衡量標準[14]。引發(fā)區(qū)域生態(tài)環(huán)境脆弱性的原因主要包括自然因素和人為因素兩個方面。在遵循科學(xué)性、全面性及數(shù)據(jù)可獲取性等原則的基礎(chǔ)上，結(jié)合前人研究成果，共選取了10個指標(表1)。具體指標選取原則如下：自然因素是生態(tài)系統(tǒng)各種因素長期作用的結(jié)果，也是生態(tài)環(huán)境構(gòu)成的基礎(chǔ)[15]?；谇叭搜芯浚疚倪x取了“年平均降水量”、“年平均相對濕度”、“年平均溫度”反映氣候特征變化[16]，選取“坡度”、“高程”因子反映地形地貌表征[17]，選取“植被覆蓋度”反映植被的生長狀況[18]。人類活動因子的選取對生態(tài)環(huán)境脆弱度有重要影響。前人研究表明，“土地利用類型”直接影響人類的生存環(huán)境，每種土地利用類型在一定程度上承載不同的生態(tài)利用價值，是決定生態(tài)脆弱程度的關(guān)鍵因素[19]。姚昆等[20]研究表明，“人均GDP”、“人口密度”、“耕地面積”是生態(tài)脆弱性的潛在因子，可對生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成破壞[21,14]。因此，本研究選取以上10個指標對吉林省西部2000年、2006年、2012年的生態(tài)脆弱性進行評價。

本研究以柵格為基本評價單元，所有數(shù)據(jù)均采用Albers投影，空間數(shù)據(jù)柵格大小為100 m×100 m。研究中高程、坡度數(shù)據(jù)由DEM提取，氣象數(shù)據(jù)包括“年平均降水”、“年平均溫度”和“年平均濕度”，取吉林省西部9個市縣及周邊地區(qū)氣象站點數(shù)據(jù)?！叭丝诿芏取?、“人均GDP”、“年末實有耕地面積”來源于吉林省2000年、2006年、2012年統(tǒng)計年鑒，根據(jù)吉林省西部地區(qū)各市縣的社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)，基于ArcGIS 10.2地統(tǒng)計分析中的克里金插值法進行空間確定性插值，實現(xiàn)其空間化。

表1 生態(tài)脆弱性評價指標描述及來源

2.2 有效性檢驗

有效性檢驗是所選取的指標是否適用于該方法進行檢驗。因此，在評價前，需要驗證相關(guān)矩陣中各變量的相關(guān)性，即各個變量間是否相互獨立。借助SPSS 19.0的因子分析(Bartlett′s球形檢驗)對各指標進行檢驗，若KMO統(tǒng)計量在0.5以上，說明適合應(yīng)用因子分析法。若Bartlett′s球形檢驗結(jié)果變量拒絕原假設(shè)，說明生態(tài)環(huán)境指標間存在一定的相關(guān)性，因子分析有效[22]。由于指標的生成和提取需要從研究區(qū)內(nèi)選取一定數(shù)量的隨機點作為樣點進行研究，在參考其他文獻的基礎(chǔ)上[19]，基于ArcGIS 10.2隨機生成研究區(qū)900個點，根據(jù)這些點提取各指標所需數(shù)據(jù)。

根據(jù)檢驗結(jié)果顯示，2000年、2006年、2012年Bartlett′s的卡方值為分別為5 742.838，42 313.103，6 494.726，且顯著性均Sig.<0.05(即p值<0.05)，故應(yīng)拒絕原假設(shè)，認為相關(guān)系數(shù)矩陣與單位陣有顯著差異。KMO>0.5，根據(jù)Kaiser給出的KMO度量標準可知原有變量適合進行因子分析。由此可見，所選取的生態(tài)環(huán)境指標適宜作因子分析。

2.3 數(shù)據(jù)處理

2.3.1 評價指標標準化 生態(tài)評價指標具有不同的含義，因為在數(shù)量級和量綱上都不同[23]，為保證數(shù)據(jù)的客觀性和科學(xué)性，需要按照一定的標準對參評因子進行標準化處理。由于評價指標與生態(tài)環(huán)境脆弱性關(guān)系有正逆兩種，其算法也不同。標準化采用以下兩種公式：

(1)

(2)

式中：Xi′為第i個指標的標準化值；Xi表示第i個指標的初始值；Xmax，Xmin分別表示第i個指標的最大值和最小值。Xi′越大，表明生態(tài)環(huán)境越脆弱，越容易受到外界干擾而破壞。其中，定量正向指標包括：“人口密度”、“高程”、“坡度”、“年均溫度”、“年末實有耕地面積”。定量負向指標包括：“人均GDP”、“年均降水”、“年均濕度”、“土壤類型”、“植被覆蓋度”。當(dāng)指標因子值與生態(tài)環(huán)境呈正相關(guān)時使用公式(1)；當(dāng)指標因子值與生態(tài)環(huán)境呈負相關(guān)時使用公式(2)。

定性指標中的土地利用類型通過分等級賦值法實現(xiàn)指標的定量處理，最后進行極差標準化計算(表2)[4]。

表2 定性指標賦值標準

2.3.2 貢獻率及累計貢獻率 第h個主成分累計貢獻率達到70%～90%時[24]，取前q個主成分(表3)。貢獻率公式為：

(3)

2.3.3 特征值和特征向量 主成分因子負荷是主成分因子與原始變量因子間的相關(guān)系數(shù)。主成分的特征向量，又稱系數(shù)向量，等于對應(yīng)的載荷系數(shù)除以特征值的平方根[14]。

2.3.4 綜合得分模型 各主成分的系數(shù)分別乘上所對應(yīng)的貢獻率再除以4個主成分貢獻率之和，最后所有主成分每個系數(shù)前的值相加，即可得到綜合得分模型：

Fi=β1X1+β2X2+…+βmXm

(4)

綜合得分模型中的各指標前的系數(shù)(β1—βm)即為各指標因子得分值。

表3 各成分的特征值、貢獻率和累計貢獻率

2.3.5 確定權(quán)重 各指標的權(quán)重等于公式(4)中每個指標的得分值除以指標的總得分。

2.3.6 生態(tài)環(huán)境脆弱度 生態(tài)環(huán)境脆弱度是用于研究研究區(qū)內(nèi)生態(tài)環(huán)境狀況和表征生態(tài)環(huán)境脆弱度一個重要標準[11]。通過多因子綜合分析，結(jié)合研究區(qū)內(nèi)自然因素、社會經(jīng)濟因子等方面構(gòu)建生態(tài)脆弱綜合指數(shù)(Ecological Vulnerable Degree)。用公式(5)表達吉林省西部地區(qū)生態(tài)脆弱度：

(5)

式中：EVDi為第i個評價區(qū)域生態(tài)脆弱度，其值為(0，1)；Pij為第i個區(qū)域j個指標；wj為各指標權(quán)重值。EVDi值越高，脆弱程度越嚴重。

研究區(qū)生態(tài)脆弱等級的劃分，對全面認識區(qū)內(nèi)生態(tài)環(huán)境狀況具有重要意義[25]。結(jié)合國內(nèi)外研究現(xiàn)狀[7,14]，并綜合吉林省西部地區(qū)自然環(huán)境和生態(tài)脆弱度的表現(xiàn)特征，按照生態(tài)脆弱度的大小將研究區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱度劃分為5個等級(表4)。

2.3.7 生態(tài)脆弱度變化趨勢 使用定量的生態(tài)環(huán)境脆弱性綜合性指數(shù)(EVSI)能夠更加直觀全面地反映研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，而對研究區(qū)生態(tài)脆弱度變化趨勢可根據(jù)變化率進行描述[18]，計算公式如下：

(6)

(7)

式中：EVSI為生態(tài)脆弱綜合指數(shù)；Pi為第i類脆弱性等級值；Ai為第i類脆弱性面積；S為研究區(qū)總面積(km2)；R為綜合指數(shù)變化率；Aim和Ain分別為m，n時間，第i類脆弱性面積。若R<0，則生態(tài)環(huán)境呈恢復(fù)趨勢，若R>0，則生態(tài)環(huán)境呈惡化趨勢，不容樂觀。

3 結(jié)果與分析

3.1 研究區(qū)生態(tài)脆弱性評價

表5顯示，2000年各指標權(quán)重排序為：年平均氣溫>年平均降水>年平均濕度>人口密度>年末實有耕地面積>植被覆蓋度>坡度>土地利用類型>人均GDP>高程，2006年指標權(quán)重排序：年平均降水>土地利用類型>年平均濕度>人均GDP>年末實有耕地面積>年平均氣溫>植被覆蓋度>坡度>人口密度>高程，2012年各指標權(quán)重排序為：土地利用類型>年平均降水>年平均濕度>年平均氣溫>人口密度>年末實有耕地面積>植被覆蓋度>人均GDP>坡度>高程。

此外，根據(jù)表5可知，2000年氣象因子所占比重較大，說明2000年吉林省西部地區(qū)的生態(tài)脆弱度主要受氣象因素的影響。2006年和2012年，年平均降水和土地利用類型在2個年份中權(quán)重最大，分別為0.216，0.204。說明2006—2012年吉林省西部生態(tài)環(huán)境脆弱度主要受氣象因素和人為活動共同影響。

表5 評價指標權(quán)重

3.2 生態(tài)脆弱性空間分析

根據(jù)生態(tài)脆弱度分類標準，基于ArcGIS 10.2軟件中的重分類函數(shù)對生態(tài)脆弱圖進行分類，從而得到吉林省西部地區(qū)生態(tài)脆弱性分級表(表6)。并根據(jù)2000年、2006年、2012年吉林省西部地區(qū)生態(tài)脆弱度可對其進行半方差函數(shù)結(jié)構(gòu)和克里格差值，基于ArcGIS 10.2區(qū)域分析中的分區(qū)統(tǒng)計功能可得到不同地區(qū)生態(tài)脆弱度的空間平均分布(圖1)。

表6 吉林省西部生態(tài)脆弱性分級

根據(jù)表6可知，2000年、2006年、2012年生態(tài)脆弱性指數(shù)平均值分別為：0.600±0.129，0.531 9±0.111，0.506±0.118，整體處于中度脆弱水平。2006年與2000年相比，吉林省西部地區(qū)輕度脆弱的土地面積增長較快，增加了15.362%，中度脆弱的面積增長不是很大，增加了0.621%，而“微度脆弱”、“強度脆弱”和“極強度脆弱”都有所減少，分別降低了4.764%，0.142%，11.075%。2012年較2006年相比，吉林省西部地區(qū)“輕度脆弱”土地面積增長最快，增長了18.281%，“強度脆弱”面積有較小幅度的增加，增長了0.508%，而“輕度脆弱”、“中度脆弱”、“極強度脆弱”都有不同程度的減少，分別降低了10.892%，2.52%，5.376%。吉林省西部地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱度由2000年以“輕度脆弱”和“極強度脆弱”為主變?yōu)?006年以“輕度脆弱”為主，再變?yōu)?012年以“微度脆弱”和“輕度脆弱”為主的趨勢。由圖1可知，2000—2012年研究區(qū)生態(tài)脆弱性空間分布特征明顯，呈現(xiàn)自西向東降低的變化特征。整個時間段里，“強度脆弱”和“極強度脆弱”主要分布在研究區(qū)西部包括洮南市、白城市和通榆縣等。該地區(qū)為與研究區(qū)西部，人口密度大、氣候干燥、鹽堿化較為嚴重，自然環(huán)境較為惡劣。這些自然條件和人為因素特征導(dǎo)致該地區(qū)的生態(tài)自我修復(fù)能力較差，生態(tài)問題顯著。“中度脆弱”和“輕度脆弱”主要分布在研究區(qū)中部，隨著年份的增長逐漸向西部擴展。“微度脆弱”主要分布在研究區(qū)東部包括前郭縣、長嶺縣等地區(qū)。該區(qū)域降水量相對較多，植被覆蓋度較高，土地鹽堿化程度較輕，經(jīng)濟水平較高，加之近些年來的生態(tài)環(huán)境保護措施的實施和治理力度的加大，對生態(tài)環(huán)境起到了良好的作用，沙漠化得到基本控制。這些地區(qū)抗干擾和生態(tài)恢復(fù)能力較強，生態(tài)環(huán)境狀況比較樂觀。

圖1 吉林省西部地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性評價

3.3 生態(tài)脆弱度變化趨勢分析

根據(jù)公式(6)—(7)，可得到及吉林省西部地區(qū)的生態(tài)環(huán)境脆弱性綜合指數(shù)和變化率(表7)。由表7可知，吉林省2000年、2006年、2012年生態(tài)環(huán)境脆弱指數(shù)分別為2.891，2.610，2.251。在由此可見，吉林省西部地區(qū)生態(tài)脆弱指數(shù)在整個時段內(nèi)呈下降趨勢，可能由于“強度脆弱”和“極強度脆弱”的綜合指數(shù)均呈不斷下降趨勢，在一定程度上影響了吉林省西部地區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況的變化。

表7 吉林省西部生態(tài)環(huán)境脆弱性綜合指數(shù)變化

由吉林省西部生態(tài)脆弱度的變化率可知，2000—2006年、2006—2012年、2000—2012年的R值均小于0，說明生態(tài)環(huán)境呈不斷改善趨勢。在一定程度上，自然條件的改善和人為活動的限制對研究區(qū)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了良好影響，加之2000年開始吉林省政府加大對西部地區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)和保護，在對江河洪水調(diào)蓄區(qū)、防風(fēng)固沙區(qū)、水土流失保護區(qū)等實施了生態(tài)治理和保護項目[12]，退耕還林、還草等措施已初見成效。在一定程度上減少了生態(tài)環(huán)境壓力緩解了生態(tài)環(huán)境的脆弱程度。綜上所述，吉林省西部十多年來生態(tài)環(huán)境狀態(tài)發(fā)展較好，但生態(tài)環(huán)境保護措施和力度仍需提高和加強。

4 討論與結(jié)論

(1) 吉林省西部地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性的空間分布差異明顯，自西向東逐漸降低。整體上，研究區(qū)的東部和中部地區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較好，生態(tài)環(huán)境脆弱性較輕。而西部地區(qū)由于人類干擾頻繁導(dǎo)致生態(tài)脆弱性較高。生態(tài)脆弱性綜合指數(shù)(EVSI)表明，2000—2012年吉林省西部地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性不斷減弱，生態(tài)環(huán)境呈不斷改善趨勢。這與麻素挺等[26]研究相一致。

(2) 生態(tài)指標的權(quán)重排名表明，2000—2012年吉林省西部地區(qū)生態(tài)脆弱變化的影響因子由以氣象因素為主變?yōu)橐酝恋乩脿顩r為主。近10 a間，由于吉林省西部地區(qū)的耕地面積大幅度增加，草地面積大幅度減少，人工建設(shè)用地規(guī)模不斷增長，加劇了土地利用變化[27]。

本研究主要基于主成分分析方法進行對生態(tài)脆弱性進行評價?；谥鞒煞址治龇椒軌?qū)崿F(xiàn)對原始數(shù)據(jù)的降維，并考慮了時間序列的變化[28]，從而實現(xiàn)了生態(tài)脆弱度動態(tài)評價，保證了數(shù)據(jù)的統(tǒng)一性和可比性，從而為區(qū)域生態(tài)環(huán)境評價提供了科學(xué)依據(jù)。但在構(gòu)建指標體系時，較多考慮數(shù)據(jù)資料的可獲得性，對其他影響生態(tài)環(huán)境的重要因子如土壤農(nóng)藥用量、水資源開發(fā)度等較難獲取的指標并未納入生態(tài)環(huán)境評價體系中，評價指標如人類社會經(jīng)濟活動的量化比較困難，有一定的局限性，無疑會對評價結(jié)果造成一定的影響，對今后的評價指標的選擇和等級的劃分具有一定的主觀性。因此，對于指標的合理選取和評價體系的制定，需后續(xù)研究進一步完善。

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