基于SRP模型的潛江市生態脆弱性評價及時空演變

王 鵬, 趙 微, 柯新利

(華中農業大學 公共管理學院, 武漢 430070)

隨著社會經濟的快速發展和人類活動的不斷加劇，水土流失、生物多樣性銳減、全球氣候變暖等一系列生態環境問題大量涌現，使得生態系統遭受巨大威脅，生態脆弱性問題日益凸顯。生態脆弱性是在特定時空背景下，生態系統應對外界因素干擾所表現出的敏感和恢復反映狀態，由自然環境特征和人類經濟活動共同決定[1-2]。目前，生態脆弱性有關研究已成為全球變化與可持續發展研究中的熱點問題[3]，其中有關生態脆弱性評價的實踐研究受到學者們廣泛關注[4-5]。生態脆弱性評價主要是針對特定區域的生態環境狀況，分析生態環境脆弱性的變化規律，識別生態環境脆弱的成因機制，其結果可為生態保護和恢復提供方向[6-7]。

近年來，學者們針對生態脆弱性評價開展了諸多研究，為客觀認識區域生態脆弱狀態提供了經驗和證據。從評價模型和方法上看，形成了包含PSE模型[8]、PSR模型[9]、VSD模型[10]、SRP模型等[5]在內的多種模型及囊括主成分分析法[7]、層次分析法[11]、模糊評價法[12]、景觀評價法等[13]在內的一系列綜合評價方法。從研究尺度上看，宏觀尺度多以鄉鎮[14]、縣域[15]、市域[16]作為基本評價單元，微觀尺度多基于柵格[4,7]、格網[5]進行評價。從研究時段上看，已經從過去單一時點的研究[2]轉變為現在的多時段研究[5-7]，且尤為注重對長時間序列生態脆弱性時空變化的研究。但是當前針對生態脆弱性變化的研究大多采用轉移矩陣[17]、空間差值等[18]方法來分析生態脆弱性的時序和空間格局變化，這些方法在一定程度上反映了生態脆弱性時空變化特征，但其對生態脆弱性變化起落點的空間表達存在明顯不足。而地學信息圖譜方法能夠把空間信息特征和時間起落點合二為一，可以很好地表示生態脆弱性變化的空間格局和時序特征[19-20]。此外，當前的研究區多集中在干旱區[21]、高寒區[11]、山區[22]、水庫區[7]、煤礦區等[23]自然條件較差或人為干擾劇烈的區域，但是對潛江市這類近年來經濟社會快速發展而又地處典型平原農業區的研究鮮見報道。

鑒于此，本文以江漢平原典型城市潛江市為研究區，基于SRP模型構建評價指標體系，采用空間主成分分析法提取生態脆弱性主要驅動因子，從km格網尺度上對2008—2017年潛江市生態脆弱性進行定量評價，并運用地學信息圖譜方法分析生態脆弱性的時空變化規律，以期為市域范圍內的生態保護和修復提供科學依據。

1 研究區概況

潛江市位于湖北省中南部、江漢平原腹地(112°29′39″—113°01′27″E，30°04′53″—30°38′53″N)，為省管縣級市，下轄10個鎮、6個街道、6個管理區和1個經濟開發區，國土面積2 004 km2。該地區屬典型的北亞熱帶季風性濕潤氣候，四季分明，雨熱同期，多年平均降水量1 119.7 mm，年均溫16.1℃；境內地勢平坦，海拔介于0～100 m，耕地眾多，水面廣闊。潛江市是湖北“兩圈兩帶”戰略的重要節點城市，是江漢平原上重要的糧棉油生產基地和唯一的石油資源型城市。自2009年被國務院確定為全國第二批資源枯竭型城市以來，潛江市開始走上轉型發展的道路。近十年來，區內人類開發利用活動逐漸增多，土地利用變化劇烈，伴隨著人口轉移和產業增長的城市快速擴張占據了周邊大量的生態用地，農業墾殖強度的加大直接導致化肥、農藥用量的增加，以漁業養殖為代表的特色農業大規模發展客觀上破壞了許多原生態的湖泊，丹江口水庫蓄水導致漢江中下游水位下降也伴隨著諸多生態問題的顯現；另一方面該地區降水時空分布不均，旱澇災害多發，這對區域生態安全造成了嚴重的威脅。

2 研究方法

2.1 評價指標選取

系統合理選取指標體系是科學評價生態脆弱性的關鍵。SRP(Ecological Sensitivity-Ecological Recovery-Ecological Pressure Model)模型是一項專門用于評價特定區域生態脆弱狀態的綜合性評價模型[24]。針對特定時段下的某個特定區域，生態系統由于內部結構的不穩定，對于外界干擾會表現出敏感性，同時會因應對外界壓力而不斷調整自身以適應環境，從而呈現出恢復力[18,24]。SRP模型重點關注自然系統與社會經濟系統的相互作用和影響，其三維結構界定可幫助研究者全面選取生態脆弱性的評價指標。在參考相關研究成果的基礎上[5,24]，結合研究區生態環境實際情況，本著可操作性、科學性、系統性及數據可得性等原則，從生態敏感性、生態恢復力和生態壓力度等3個層面選取了14個指標構建潛江市生態脆弱性評價指標體系(表1)。

表1 潛江市生態脆弱性評價指標體系

生態敏感性是生態系統在外界影響下生態功能下降的可能性[25]。遵循評價指標應反映區域最主要生態問題的基本原則，從地形、氣象、地表等3個方面選擇評價因子。地形因子選取坡度和地形起伏度指示區域的地形特征，坡度和地形起伏度越大，坡體越不穩定，受降雨侵蝕風險越大；氣象因子選取年均溫和年均降雨量，氣溫顯示區域的熱力分布情況，其通過積溫形式影響植被的生長，降雨是造成生態脆弱性的重要原因，直接影響著區域的降水侵蝕能力；地表因子主要以地表覆被和景觀斑塊的空間分布與組合來表征，土地利用類型體現了人類對自然的利用強度，景觀破碎度體現人類活動所造成的景觀斑塊的完整度，景觀多樣性指數反映景觀組團的復雜程度，景觀多樣化程度越低，生態系統穩定性則越差。

生態恢復力是生態系統受到干擾后適應環境和自我恢復的能力[25]。生態恢復力用歸一化植被指數(NDVI)來表示，NDVI值越大，表示植被生長越旺盛，生態系統抗干擾和自我調節能力越強。

生態壓力度是指生態系統所承受來自外界擾動的壓力[25]。人類活動是壓力產生的重要原因，選取人口密度、人均GDP、人均耕地面積、第二產業比重、化肥施用強度、農藥施用強度來表征社會經濟發展對生態環境的脅迫作用。

2.2 數據來源及處理

本文所采用的數據主要包括社會經濟數據和土地利用數據、DEM數據、氣象數據等自然地理數據。2008年和2017年的土地利用數據來源于30 m分辨率Landsat遙感影像進行目視解譯，解譯精度在90%以上，將其分為耕地、林地、水域、建設用地和未利用地等5種類型(草地實際面積小于0.1%)；DEM數據來源于地理空間數據云，分辨率為30 m，利用ArcGIS 10.2軟件提取出坡度和地形起伏度；2008年和2017年的NDVI數據來源于地理空間數據云MOD13Q1產品經歸一化處理得到，分辨率為250 m；2008年和2017年的氣象數據(年均溫、年均降水量)來源于國家氣象科學數據共享服務平臺，基于各氣象站點進行空間插值；景觀多樣性和景觀破碎度是基于土地利用數據利用Fragstas 4.2軟件提取；人口密度、人均GDP、人均耕地面積、第二產業比重、化肥施用強度、農藥施用強度等社會經濟數據來源于2008年和2017年《潛江市統計年鑒》，基于各鄉(鎮)范圍進行空間插值得到，其中人口密度為各鄉(鎮)的總人口/總面積，人均GDP、人均耕地分別為各鄉(鎮)的生產總值和耕地總面積/總人口，第二產業比重為各鄉(鎮)的第二產業總產值/總產值，化肥、農藥施用強度分別為各鄉(鎮)的化肥和農藥施用總量/耕地總面積。

考慮到自然地理數據和社會經濟數據的屬性和精度存在差異，采用小尺度的評價單元無法較好地反映生態環境的實際空間格局特征，本文參考王貝貝等[5]、郭椿陽等[26]的研究，借助ArcGIS 10.2軟件將研究區劃分為1 km×1 km的格網作為基本評價單元，基于格網尺度計算每個單元中各項指標的數值。同時，將所有數據統一為WGS 1 984坐標系、Albers投影。

2.3 評價指標標準化及評價模型構建

2.3.1 指標標準化 分別采用極差法、分級賦值法對定量和定性指標進行標準化處理。

(1) 極差標準化：正向、負向指標采用不同的標準化公式。

(1)

(2)

式中:Zij為指標i的標準化值,變化范圍為0～10；Xij為指標i在第j個格網的值；Ximax,Ximin分別為指標i的最大值和最小值。

(2) 分級賦值標準化：對于定性指標，具體為土地利用類型，根據相關研究成果[7,27]，按照專家知識及土地利用實際特征，采用分級賦值法對林地、水域、耕地、建設用地、未利用地依次賦值為2，4，6，8，10。

2.3.2 模型構建 采用空間主成分分析方法(Spatial Principal Components Analysis，SPCA)對14個指標進行主成分提取，根據主成分特征值大于1的規則確定2008年和2017年的5個主成分(表2)。然后將提取的主成分與其對應解釋變量貢獻率的加權和定義為生態脆弱性指數(Ecological Vulnerability Index，EVI)，計算公式如下：

表2 各主成分的特征值、貢獻率及累計貢獻率

EVI=r1PC1+r2PC2+r3PC3+，…，+rnPCn

(3)

式中:EVI為生態脆弱性指數;PCi,ri分別為第i個主成分及其對應的貢獻率。

2.4 生態脆弱性分級及綜合指數

參照國內外生態脆弱性評級劃分標準，并結合潛江市生態環境的實際特征，基于自然斷點法對2008年和2017年的生態脆弱性指數(EVI)進行分級。為了確保評價結果的可對比性，求取2008年和2017年等級標準值的平均值作為分級依據，并將生態環境脆弱性劃分為微度脆弱、輕度脆弱、中度脆弱、重度脆弱和極度脆弱5個等級，詳見表3。

表3 生態脆弱性分級標準

為更加直觀分析研究區生態脆弱性狀態，基于生態脆弱性評價結果進一步構建生態脆弱性綜合指數(EVSI)，計算公式如下：

(4)

式中:EVSI為生態脆弱性綜合指數；Pi,Ai分別為第i類脆弱性的等級值和面積；S為區域總面積。

2.5 生態脆弱性圖譜構建

2.5.1 生態脆弱性變化圖譜 將生態環境微度、輕度、中度、重度和極度脆弱的代碼值依次設置為1，2，3，4，5。基于ArcGIS 10.2軟件對兩期生態脆弱性評價結果做疊加處理，將前后兩期生態脆弱性等級代碼值分別作為十位數和個位數進行代數運算，具體計算公式如下：

Z=10X+Y

(5)

式中:Z為生態脆弱性變化的圖譜代碼值,表示生態脆弱性起點和落點等級代碼值的組合,如代碼13,表示生態脆弱性由微度脆弱轉變為中度脆弱;X,Y分別為前后兩期生態脆弱性等級代碼值。

2.5.2 生態脆弱性漲勢、落勢圖譜 生態脆弱性變化可分為從低脆弱等級向高脆弱等級轉變和從高脆弱等級向低脆弱等級轉變兩條路徑，反映到各個脆弱性等級上則表現為由該等級轉變為其他等級和其他等級轉變為該等級的轉出和轉入兩個方向。轉入和轉出分別意味著某脆弱性等級面積的增加(漲勢)和減少(落勢)，本文進一步利用變化圖譜中的信息構造生態脆弱性漲勢和落勢圖譜，用于對各生態脆弱性等級轉入和轉出空間信息的可視化表達。

3 結果與分析

3.1 生態脆弱性驅動因子

根據主成分分析的原理，評價指標的載荷系數越大則該指標對生態脆弱性的貢獻越大。通過分析2008年和2017年潛江市生態脆弱性的載荷矩陣可以發現：各評價指標對潛江市生態脆弱性的影響程度在兩個年份間具有一定的差異，但在核心驅動因子上又表現出一致性。具體地，2008年，第1主成分與年均降水量、第二產業比重、歸一化植被指數、化肥施用強度有較大的相關；第2，3主成分中，土地利用類型、景觀破碎度、人均GDP、人均耕地的貢獻較大。2017年，第1主成分中人口密度、土地利用類型、人均GDP、人均耕地的貢獻率較高，第2，3主成分中，景觀破碎度、第二產業比重、化肥施用強度、歸一化植被指數的貢獻高于其他指標。由于前3個主成分的累計貢獻率均達到70%以上，所以可以認為土地利用類型、人均GDP、人均耕地、第二產業比重、化肥施用強度、歸一化植被指數、景觀破碎度等共同構成了潛江市生態脆弱性的主要驅動因子。綜合來看，潛江市生態脆弱性是人類活動和自然條件共同作用的結果，且隨著時間的推移，人類活動對生態環境造成的影響在逐漸加強。

3.2 生態脆弱性分布特征

3.2.1 生態脆弱性時空分布特征 基于SPCA計算結果，借助ArcGIS 10.2軟件得到潛江市2008—2017年空間分布圖(圖1)及生態脆弱性評價結果(表4)。可以發現，2008—2017年潛江市生態脆弱性主要分布在微度脆弱、輕度脆弱和中度脆弱3個等級。其中，微度與輕度脆弱面積總占比均在70%左右，說明潛江市的生態脆弱性整體處于良好水平，且潛江市生態脆弱性主要表現為微度和輕度脆弱面積減少、中度和重度脆弱面積增加的趨勢；此外，潛江市生態脆弱性在空間分布上表現出一定的規律性，即由建成區向外，極度、重度、中度、輕度和微度脆弱依次呈圈層結構發散分布。

表4 2008-2017年生態脆弱性評價結果

圖1 2008-2017年生態脆弱性空間分布

2008年，輕度脆弱面積占比居首位，所占比例達51.65%，主要集中分布在城市建成區以南的熊口鎮、龍灣鎮、張金鎮等農業生產區；其次為微度脆弱，面積占比為26.81%，主要分布在高石碑鎮、漁洋鎮、白鷺湖管理區；中度脆弱面積占比15.02%，集中分布于周磯管理區、周磯街道、高場街道；重度和極度脆弱面積占比較小，分別為4.47%，2.05%，重度脆弱主要分布在廣華街道和潛江經開區，而極度脆弱集中于園林街道這一城市核心區。

2009年潛江市被確定為資源枯竭型城市以后，與石油相關的產業持續萎縮，潛江市走上轉型發展道路，不斷布局新產業、新業態，城鎮化水平在近十年間不斷提高，經濟增長與環境保護的矛盾日益突出。2017年，中度、重度和極度脆弱面積均有所增加，其中，中度脆弱面積增幅最大，新增比例為10.83%，重度和極度脆弱面積分別增加為6.98%，1.68%，極度脆弱主要分布在園林街道和潛江經開區，重度脆弱主要分布在極度脆弱區周邊的廣華街道、高場街道和周磯街道，而中度脆弱主要集中在熊口管理區及重度脆弱區周圍的楊市街道、泰豐街道和后湖管理區；輕度和微度脆弱面積分別下降8.37%，11.19%，二者交替分布在建成區以南的白鷺湖管理區、浩口鎮、龍灣鎮、漁洋鎮等區域。

3.2.2 生態脆弱性綜合分布特征 根據公式(4)計算得到潛江市2008年和2017年的生態脆弱性綜合指數(EVSI)分別為2.034，2.413，EVSI有所增加，但仍處于相對較低水平，這主要是由于重度脆弱和中度脆弱面積增加、輕度脆弱和微度脆弱面積基數較大導致。進一步計算各鄉鎮(街道、管理區、開發區)的EVSI發現(圖2)，2008年除潛江經開區、園林街道、泰豐街道、廣華街道以外，其余各鄉鎮的EVSI均在3以下；2017年EVSI大于3的新增鄉鎮有楊市街道、周磯街道、高場街道、周磯管理區和王場鎮，其余鄉鎮EVSI變化的幅度大小不一。

圖2 2008-2017年各鄉鎮生態脆弱性綜合指數

具體來看，2008—2017年絕大多數鄉鎮EVSI有所增加，浩口鎮和泰豐街道EVSI分別下降0.32，0.10。研究期內，潛江經開區、園林街道和廣華街道EVSI始終保持在較高水平；此外，潛江經開區、楊市街道、王場鎮、熊口管理區、總口管理區增加幅度最大，周磯管理區、后湖管理區、運糧湖管理區、高場街道、周磯街道、高石碑鎮增幅次之。究其原因，近十年間潛江市政府大力推動產業集中布局，潛江經開區現已成為潛江市產業高度集中區，產業快速發展加速了建設用地的擴張；快速城鎮化使得以園林街道為核心的5個街道近年來吸引了不少周邊鄉鎮的人口，推動了建設用地對生態型用地的大面積占用；周磯管理區、熊口管理區、總口管理區、后湖管理區、運糧湖管理區、王場鎮和高石碑鎮人類活動相對劇烈，高強度農業生產活動、自然水面減少及建設用地無序擴張對生態環境造成了嚴重破壞。此外，泰豐街道通過植樹造林、增加綠化使區域生態環境質量得到有效恢復，浩口鎮有序推動蝦稻共作替代傳統水面漁業，這既保護了湖泊資源，也減少了化肥、農藥的使用，加上較好的自然本底條件，區域生態環境水平不斷提升。

3.3 生態脆弱性圖譜特征分析

3.3.1 生態脆弱性變化圖譜分析 2008—2017年潛江市生態脆弱性變化圖譜共生成21類圖譜單元，其中16類圖譜單元生態脆弱性等級發生變化，變化單元的總面積為1 176.40 km2，占潛江市總面積的58.70%。生態脆弱性等級上升和下降的圖譜單元面積分別為883.09 km2，293.31 km2，分別占變化單元面積的75.07%，24.93%(表5)。

表5 2008-2017年生態脆弱性變化圖譜單元統計

在所有變化圖譜單元中，前4類圖譜單元占變化單元面積的72.87%。其中，“輕度→中度”(代碼23)圖譜類型最為顯著，主要分布在總口管理區和后湖管理區。究其原因，總口管理區和后湖管理區是潛江市最主要的國營農場區，現代農業機械的快速發展促使人們加強了對土地的墾殖力度，直接導致化肥、農藥施用量的大幅上升。其次為“微度→輕度”(代碼12)，主要分布在高石碑鎮和運糧湖管理區。第三是“輕度→微度”(代碼21)，主要集中在浩口鎮。微度和輕度的相互轉換可歸因于農業生產方式的發展變化，高石碑鎮和運糧湖管理區為水源的相對集中區，傳統的水面養殖漁業面積較大，很多坑塘水面在粗放的利用方式下被破壞，養殖用建設用地在這個過程中也有所擴張；相反，浩口鎮的自然水面相對較少，稻蝦、稻魚等一些生態綜合種養農業有效替代了部分傳統水面漁業和耕種農業。“中度→重度”(代碼34)圖譜類型的面積也超過100 km2，主要集中在周磯管理區、周磯街道和廣華街道。這主要是因為周磯街道和廣華街道在近年來吸引了大量周邊鄉鎮的人口并承接了園林街道一些轉移的企業，區內人類經濟活動加劇對自然景觀的完整性造成了破壞，同時使得建設用地面積急劇增加、綠地和濕地面積逐漸萎縮；此外，周磯管理區受周邊街道影響農業生產強度不斷加大，原來的濕地和林地被大面積開墾用來補充耕地。

3.3.2 生態脆弱性漲勢、落勢圖譜分析 根據圖3的結果，2008—2017年潛江市生態脆弱性中度脆弱漲勢最強，轉入面積高達410.52 km2，占變化圖譜單元面積的34.90%，主要分布在總口管理區和后湖管理區。其次為輕度脆弱、微度脆弱、重度脆弱，轉入面積分別為333.20 km2，201.32 km2，192.53 km2，新增輕度脆弱單元主要分布在老新鎮、高石碑鎮和運糧湖管理區，新增微度脆弱單元主要集中在浩口鎮，新增重度脆弱單元主要集中在周磯管理區、周磯街道和王場鎮。極度脆弱轉入面積最小。

圖3 2008-2017年生態脆弱性漲勢、落勢圖譜

2008—2017年潛江市生態脆弱性輕度脆弱落勢最強，轉出面積為556.77 km2，占變化圖譜單元面積的比例高達47.33%，主要集中分布在王場鎮、浩口鎮、總口管理區、后湖管理區和楊市街道。其次為微度脆弱，轉出面積為367.44 km2，主要集中在老新鎮和運糧湖管理區。第三為中度脆弱，轉出面積為194.18 km2，要集中分布在周磯管理區和廣華街道。重度脆弱和極度脆弱轉出面積較小。

對比生態脆弱性變化圖譜和漲落勢圖譜可以發現：2008—2017年潛江市生態脆弱性漲勢圖譜中新增中度脆弱面積410.52 km2，落勢圖譜中輕度脆弱減少面積556.77 km2，同時，生態脆弱性變化圖譜中輕度脆弱轉變為中度脆弱(代碼23)面積為307.11 km2，3個數據間的數量關系說明研究期間新增中度脆弱主要來源于輕度脆弱的減少；此外，三者的空間分布都主要集中在總口管理區和后湖管理區等地，進一步說明高強度的墾殖活動加深了生態脆弱性水平。對輕度和微度脆弱進行分析發現上述規律同樣存在，這說明研究期內潛江市生態脆弱性漲落勢圖譜和生態脆弱性變化優勢圖譜的空間分布基本對應。

4 結 論

(1) 潛江市生態脆弱性是人類活動和自然條件共同作用的結果，人類活動對生態環境的影響隨時間推移逐漸加強。土地利用類型、人均GDP、人均耕地、第二產業比重、化肥施用強度、歸一化植被指數、景觀破碎度等共同構成了潛江市生態脆弱性的主要驅動因子。

(2) 2008—2017年潛江市微度與輕度脆弱面積占比均在70%左右，說明生態脆弱性整體處于良好水平。潛江市生態脆弱性主要表現為微度和輕度脆弱面積減少、中度和重度脆弱面積增加的趨勢，對應變化面積比例分別為19.56%，17.81%；重度和極度脆弱集中分布在城市核心建成區，輕度和微度脆弱主要分布在農業生產區，且由建成區到農業生產區，極度、重度、中度、輕度和微度脆弱依次呈圈層結構發散分布。

(3) 2008—2017年潛江市生態脆弱性程度有所上升，市域生態脆弱性綜合指數(EVSI)增加0.379，絕大多數鄉鎮EVSI有所增加，浩口鎮和泰豐街道EVSI分別下降0.32，0.10。生態脆弱性等級發生變化的圖譜單元面積為1 176.40 km2，其中“輕度→中度”、“微度→輕度”、“輕度→微度”、“中度→重度”圖譜類型最為顯著，對應面積分別占變化單元面積的26.11%，22.38%，15.55%，8.83%；漲勢、落勢圖譜中，中度脆弱轉入面積最大，輕度脆弱轉出面積最大，分別占變化單元面積的34.90%，47.33%；且生態脆弱性漲落勢圖譜和生態脆弱性變化優勢圖譜的空間分布信息基本一致。