中國縣域生態系統彈性力時空演變特征分析

楊 超, 陳萬旭, 冉 端, 林 玲

(1.中山職業技術學院 經濟管理學院， 廣東 中山 528403; 2.中國地質大學(武漢) 公共管理學院，武漢 430074; 3.中國地質大學(武漢) 地理與信息工程學院, 武漢 430074)

21世紀以來，快速的城市化進程帶來了如城市人口急劇增長、工業污染迅速蔓延和生態環境惡化等一系列的資源環境問題，對我國生態環境保護造成了前所未有的壓力。黨的十八大、十八屆三中全會和十九大報告均提出推進我國生態文明建設和生態環境保護的必要性和迫切性，科學評估中國生態系統彈性力對我國社會經濟健康可持續發展具有重要意義。然而當前生態系統彈性力研究缺乏對中國縣域單元生態系統彈性力時空演化特征的相關研究。生態系統彈性力作為生態系統健康研究和生態承載力研究的重要組成部分，逐漸引起了學者和政府部門的高度重視[1]。

生態系統彈性力概念最早由Holling在1973年提出，生態生態系統彈性力定義為：生態系統受外界擾動且保持其原狀的能力[2]。隨著生態系統彈性力研究的不斷推進，部分學者將穩定性的概念引入到生態系統彈性力研究中來，并注重生態系統在受到干擾后的自我恢復能力[3-4]。生態系統彈性力的研究不斷豐富，生態系統具有的自我緩沖和調節能力也逐步受到廣大學者的認可[5-6]。目前研究中生態系統彈性力的定義包含彈性強度和彈性限度雙重內涵[7-10]，其中彈性強度是指有自身情況而決定的生態系統性質，如地形、地貌、氣候、土壤、水文以及植被狀況等[10]；彈性限度表示生態系統自我調節的極限能力大小，即在受到最大干擾幅度后能得到自我恢復的能力大小[11-12]。國內外關于研究生態系統彈性力的方法也呈現多樣化，如采用陸地凈初級生產力(Net Primary Productivity，NPP)[13]、暴露—敏感—適應機制模型(Vulnerability Scoping Diagram，VSD)[14]、淺水湖泊模型[15]、牧場模型[16]、水利用效率模型[17]以及全局靈敏性和不確定性分析模型等方法對生態彈性力進行定量分析[18]。另外還有部分學者通過采用綜合評價法、層次分析法和主成分分析法對氣候、水文、植被覆蓋度等進行指標賦權來定量對生態系統彈性力進行定量分析[6,11-12]，也有學者通過土地利用類型反映植被覆蓋情況，建立彈性分值反映生態系統彈性變化特征[19-21]。通過梳理相關文獻發現，學者們多將生態系統彈性力的研究作為生態承載力研究的重要一環，而自然系統的彈性力的研究尚且缺乏。

鑒于此，本文在以往學者研究的基礎上，本研究基于2000—2015年中國土地利用遙感監測數據、植被覆蓋度數據以及氣候數據，結合生態系統彈性力的內涵，即彈性強度系數和彈性限度，通過建立生態彈性力評估框架。測度并且分析2000—2015年中國生態系統彈性力時空演變特征，以期為我國生態環境保護和區域可持續發展提供科學參考。

1 數據來源與研究方法

1.1 數據來源

本文采用的2000年、2005年、2010年、2015年土地利用/覆被變化數據(Land use/land cover change，LUCC)數據、歸一化植被指數年度植被指數(Normalized Difference Vegetation Index，NDVI)空間分布數據集和1980年以來中國逐年年平均氣溫、年降水量均來源于中國科學院資源環境科學數據中心(http:∥www.resdc.cn)。其中2000年、2005年、2010年3期LUCC數據生產制作是以各期Landsat TM/ETM遙感影像為主要數據源，通過人工目視解譯生成，2015年LUCC數據更新是在2010年數據基礎上，基于Landsat 8 遙感影像，通過人工目視解譯生成，分辨率為1 km。中國土地利用現狀遙感監測數據庫是目前我國精度最高的土地利用遙感監測數據產品，總體精度高于90%，已經在國家土地資源調查、水文、生態研究中發揮著重要作用[22]。土地利用類型包括耕地、林地、草地、水域、居民地和未利用土地6個一級類型以及25個二級類型。中國年度植被指數空間分布數據集是基于連續時間序列的SPOT/VEGETATION NDVI衛星遙感數據，采用最大值合成法生成的1998年以來的年度植被指數數據集；中國1980年以來逐年年平均氣溫、年降水量空間插值數據集是基于全國2 400多個氣象站點日觀測數據，通過整理、計算和空間插值處理生成。

1.2 研究方法

1.2.1 生態系統彈性力指數測算 參考以往研究，根據生態系統彈性強度系數與彈性限度因素，建立生態系統彈性力評估框架[23]。計算公式如下：

E=μ·ECOres

(1)

式中：E為生態系統彈性力；μ為生態系統彈性強度系數；ECOres生態系統彈性限度。

根據生態系統彈性強度系數與彈性限度的自身內涵和性質，式中各土地利用類型彈性分值參考有關學者的研究進行賦值[24]，生態系統彈性強度系數與彈性限度計算公式如下[3,12]：

(2)

(3)

式中：μ為生態系統彈性強度系數；H為景觀多樣性指數；V為植被覆蓋指數；C1為年氣溫變率；C2為降水變率；ECOres為生態系統彈性限度；Pi為第i種土地利用類型面積的比重；Si為第i種土地利用類型的彈性分值，參考劉曉平等[9]。

1.2.2 景觀多樣性指數計算 景觀多樣性指數反映區域景觀類型的多樣性及其景觀結構變化[25-26]。指數越高，景觀類型越豐富，生態系統彈性力也就越大[27]，計算公式如下[28]：

(4)

式中：H為景觀多樣性指數；Pi為i類土地利用類型所占比重；n為研究區土地利用類型數量。

1.2.3 植被覆蓋指數計算 本文采用國內外廣泛運用的歸一化植被指數來反映地表植被覆蓋程度[29]，計算公式為：

(5)

式中：NDVI 為歸一化植被指數，取值范圍為[-1，1]，0以下表示非植被覆蓋區；NIR為近紅外波段(0.841～0.876 μm)；Red為可見光的紅光波段(0.62～0.67 μm)。

1.2.4 年降水變率C1和年氣溫變率C2計算 本研究采用年降水相對變率，即降水絕對變率與某一時段內平均降水量的百分比，計算公式為：

(6)

式中：C1為研究區多年平均降水相對變率；Ri為第i年某時段內實際降水量；R為同時段內歷年平均降水量。

年氣溫變率指的是氣溫的年度變化，用年度的相對變化比率來表征，計算公式為：

(7)

式中：C2為研究區多年平均氣溫相對變率；Ti為第i年某時段內溫度；T為同時段內歷年平均氣溫。

2 結果與分析

2.1 景觀多樣性指數分析

2000年、2005年、2010年、2015年全國縣級單元的景觀多樣性指數分別為1.555，1.559，1.562，1.568，表現出持續增加的趨勢。說明中國土地利用結構趨于穩定，復雜水平逐漸提高，中國土地利用正處于轉型階段。從空間分布來看，2000—2015年間全國縣域景觀多樣性指數，低值區主要集中在新疆東南縣區、西藏的西北縣區、甘肅西北縣區以及內蒙古的部分縣區，這些地區主要以未利用地為主要的景觀類型，導致景觀多樣性指數較低。另外景觀多樣性指數在華北平原以及四川盆地等部分縣區仍然可以發現景觀多樣性指數低值區。景觀多樣性指數高值區主要分布在松嫩平原、太行山沿線地區、黃土高原地區、云貴高原和新疆的西北縣區及主要的城市群地區(長江中游城市群、長三角地區和珠三角城市群)以及大城市周邊縣區(圖1)。

注：此圖根據國家測繪地理信息局標準底圖(審圖號：GS(2016)1569號)繪制，底圖無修改。下同。

圖1 2000年、2015年中國景觀多樣性指數分布

2.2 植被指數分析

2000年、2005年、2010年、2015年全國縣級單元年度植被指數平均值分別為0.622，0.674，0.694，0.674，2000—2010年3個時期的中國年度植被指數持續增加，2015年略有降低，降低至2005年水平。空間分布上可以發現顯著的空間異質性特征，中國植被覆蓋度指數的低值區主要分布在中國西北地區(主要包括新疆、西藏、青海、甘肅、內蒙古和寧夏)以及東部的城市群和大城市周邊地區。可以發現東部地區的山區植被覆蓋度尤其高，而在東部地區的平原地區相對較低(圖2)。中國西北地區由于氣候條件的限制，未利用地廣泛分布，導致植被覆蓋度較低，而東部地區的平原地區是人口和經濟集聚區，頻繁的人類活動是這些地區植被覆蓋度較低的原因。另外中國一系列林業工程項目的實施，如退耕還林以及天然林保護工程等項目的實施，在一定程度上改善了中國植被覆蓋度。

圖2 2000年、2015年中國植被指數空間分布

2.3 年降水變率C1和年氣溫變率C2分析

本文以自1980—2015年的降水和氣溫變化數據為基準，通過公式(6)和(7)進行降水和氣溫相對變率計算，1980—2000年、1980—2005年、1980—2010年和1980—2015年間降水的相對變率分別為13.213%，13.636%，13.552%和13.213%，而氣溫的相對變率分別為0.151%，0.161%，0.177%和0.182%。可以發現不同時間階段降水變化率顯著高于氣溫變化率，降水相對變率呈現出先急劇上升后緩慢下降的過程，氣溫相對變率呈現的變化特點是逐期上升的變化趨勢。從各個時期降水相對變率的空間分布圖來看(圖3)，總體的空間格局保持穩中，但是穩中又有波動。具體地，變化較小的低值區和較低值區主要集中在中國的山區(大興安嶺、小興安嶺、太行山和橫斷山脈等)，而在新疆的東南地區、西藏的南部以及華北平原的部分縣區和內蒙古地區的部分地區波動較為顯著。氣溫變化率的空間分布同樣表現出東南地區變化波動小于西北地區的總體特征(圖4)。具體地，在中國的新疆、西藏、青海、內蒙古地區以及東北地區氣溫波動較為顯著，而相對而言秦嶺淮河以南地區氣溫波動較小，相對較為穩定。

圖3 2000年、2015年中國降水相對變率分布

2.4 生態彈性力強度系數結果與分析

利用公式(2)可以計算出生態彈性力強度系數，2000年、2005年、2010年、2015年全國縣級單元生態彈性力強度系數均值分別為0.354，0.338，0.312，0.313，2000—2010年間中國生態彈性力強度系數呈現出逐期下降的態勢，2015年較2010年有小幅增加，但均小于2000年、2005年的生態彈性力強度系數算術平均值，2000—2015年間我國生態彈性力強度系數整體是在不斷降低，說明我國的生態系統自我調節和抗干擾能力減弱，系統穩定度降低。研究期間中國生態彈性力強度系數空間分布格局變化不大(圖5)，具體來說生態彈性力強度系數高值區主要分布在秦嶺淮河以南的地區，在西南地區(四川、云南、廣西和重慶)最為顯著。秦嶺淮河以北地區生態彈性力強度系數總體較低，在西藏、新疆、青海、寧夏、甘肅和內蒙古地區尤其較低。

2.5 生態系統彈性限度分析

2000—2015年中國生態系統彈性限度的平均值分別為0.543，0.547，0.548，0.554。研究期間中國生態系統彈性限度呈現逐漸增長的趨勢，2000—2005年間的生態系統彈性限度增長幅度最大，2010—2015年間次之，2005—2010年間的增長幅度最小。為了進一步分析生態系統彈性限度時空分布特征，本研究基于自然段點法，展示了中國生態系統彈性限度的時空分布特征。中國生態系統彈性限度的空間分布格局和景觀多樣性指數分布格局相似(圖6)，中國生態系統彈性限度低值區主要集中在新疆、西藏、甘肅和內蒙古等省份的部分縣區，另外在華北平原和四川盆地等地方同樣可以發現生態系統彈性限度低值區。中國生態系統彈性限度高值區主要分布在松嫩平原、太行山沿線地區、黃土高原地區、橫斷山脈地區和云貴高原地區。另外在新疆的西北部分縣域以及東南沿海地區的縣區同樣存在生態系統彈性限度高值區。

圖4 2000年、2015年中國氣溫變率分布

圖5 2000年、2015年中國生態彈性力強度系數空間分布

2.6 生態系統彈性力時空演變特征分析

基于生態系統彈性強度系數和生態系統彈性限度計算得出2000—2015年間中國生態系統彈性力的時空分布特征。2000年、2005年、2010年、2015年4期中國生態系統彈性力系數空間分布見圖7。2000—2015年總體來看中國生態系統彈性力系數變化處于不斷減小的階段，生態系統穩定性有較為明顯的下降。2000年、2005年、2010年、2015年中國生態系統彈性力系數平均值分別為0.208，0.201，0.185，0.188。說明2000—2010年間中國生態系統自我調節能力和抗干擾能力下降，系統穩定性有所降低，而2010—2015年間中國生態系統彈性力有所改善，但是研究期間整體來看中國生態系統的穩定性總體是出于趨于不斷弱化的狀態。2000年、2005年、2010年、2015年中國生態系統彈性力系數標準差分為別0.163，0.150，0.130，0.137，變異系數分別為0.784，0.746，0.703，0.730。2000—2015年間中國生態系統彈性力變異系數不斷降低，說明中國縣區生態系統彈性力區域差異有所降低，但并不明顯。2010—2015年中國縣區生態系統彈性力區域差異有所擴大。但是總體來看生態系統彈性力穩定性區域不平衡性有所緩解，區域生態系統穩定性朝著均衡方向發展，差異仍然顯著。2000—2005年、2005—2010年、2010—2015年間中國生態系統彈性力縣區降低的數量比重分別為50.570%，62.510%，46.880%，可以看出2000—2005年到2005—2010年間中國生態系統彈性力惡化的縣域數量在不斷增加，而在2010—2015年間中國生態系統彈性力有所降低。基于自然斷點法繪制了研究期間中國縣區生態系統彈性力時空分布圖，研究期間中國生態系統彈性力空間分布總體保持穩定，具體而言2000年、2005年、2010年、2015年中國生態系統彈性力的高值區分布在長江經濟帶以及以南的地區，在云南省、四川省以及貴州省的部分地區生態系統彈性力顯著高于其他地區。另外在主要的河流湖泊沿線地區(如鄱陽湖平原地區和洞庭湖平原地區)同樣是生態系統彈性力高值區。在橫斷山脈和太行山沿線地區以及黑龍江的部分縣區生態系統彈性力同樣較高，而在中國的西北地區(新疆、西藏、青海、甘肅省和內蒙古地區)生態系統彈性力指數低于0.1，其他區域包括四川盆地和華北平原的部分地區生態系統彈性力指數同樣較低。從中國生態系統彈性力變化的時空分布特征來看，2000—2005年、2005—2010年間中國生態系統彈性力改善的縣域主要分部分秦嶺淮河以北的地區，而在2010—2015年間中國生態系統彈性力改善的縣域主要集中在秦嶺淮河以南的縣區。

圖6 2000年、2015年中國生態系統彈性限度空間分布

圖7 2000-2015年中國生態系統彈性力空間分布

3 結論與討論

(1) 2000—2015年中國生態系統彈性力指數總體呈現先增加后降低的態勢。研究期間中國生態系統彈性力系數的高值區和低值區分布地區大致相同，高值區主要分布在云南、貴州、四川和重慶等地區，在其他地區有零星分布；低值區集中分布在西北地區的西藏、新疆、青海、內蒙古和甘肅等省份內。

(2) 2000—2005年和2005—2010年間中國生態系統彈性力改善區域主要分布在秦嶺淮河以北地區，然而，2010—2015年間秦嶺淮河以南地區是中國生態系統彈性力改善區域。中國中國生態系統彈性力的變化和中國林業工程項目以及社會經濟發展有密切關系。

本研究對2000—2015年中國縣域生態系統彈性強度系數和生態系統彈性限度計算的基礎上構建了中國生態系統彈性力評價框架，對中國縣域生態系統彈性力時空分布特征進行了深入分析。在一定程度上解釋了中國生態系統彈性力空間格局形成機理，可以為國土空間規劃和生態系統保護政策制定提供科學的借鑒。但是本研究僅對中國生態系統彈性力評估過程進行了全面的分析，缺乏局部演化特征的詳細解釋分析，而且具體的影響機理仍需進一步探索和深化。本研究采用的ArcGIS的可視化以及數據集成方法在同樣可以運用到其他領域，為大尺度的自然地理數據獲取方法提供了借鑒。構建評估框架模型把土地利用科學、生態學、社會學和經濟學有效的聯系起來，對于解決土地利用問題和生態環境問題具有重要的實踐意義。本研究綜合考慮了中國生態系統彈性力行政過程中的自然要素(植被覆蓋度、土地利用和氣候條件)，但是缺乏對社會經濟因子的考慮，未來的生態系統彈性力研究中應該綜合考慮自然因子和社會經濟因子。