基于多源數據的三江源國家公園土地生態安全綜合評價

張曉瑤,虞 虎,張 瀟,周 侃,*

1 中國科學院地理科學與資源研究所,區域可持續發展分析與模擬重點實驗室, 北京 100101 2 中國科學院大學資源與環境學院, 北京 100049 3 華東師范大學城市與區域科學學院, 上海 200241

土地是人類生存與發展的物質基礎[1—2],土地利用變化是人類活動的直接反映[3]。全球氣候變暖與人類活動日益成為三江源國家公園土地利用變化的關鍵因素[4—5],氣候變暖造成的降水增加一方面使三江源國家公園進入暖濕周期[6],有助于植被生長期的延長、產草量的增加[7],另一方面也會因冰川、凍土融化而加劇水土流失[8]。近幾十年來,城鎮化進程加快、過度放牧等人類活動表現劇烈,國家公園地區建設用地面積的增加對耕地、草地、林地等自然景觀產生較大影響。脆弱的生態環境基底與緊張的人地矛盾,使三江源國家公園生態安全問題日益突出[9],嚴重制約了土地資源的可持續利用[10]。因此,土地生態安全評價對于認識和解構三江源國家公園生態安全狀況及變化趨勢具有重要意義。

國外學者的相關研究多集中在土地評價、生態風險評價、生態系統服務價值評價等方面[11—12],與國內“土地生態安全評價”完全對應的研究較少[13],但國外構建的PSR、DPSR、DPSIR等模型為土地生態安全評價提供了良好的研究路徑[14]。國內對土地生態安全評價研究處于探索階段[15],一些學者對土地生態安全概念開展了積極研究。目前已有的研究多聚焦于土地生態安全評價指標的選取[16]、土地生態安全評價方法的選擇以及土地生態安全閾值的界定[17—18]。其中在構建評價指標體系方面主要借助概念模型(PSR、DPSIR等)或框架模型(EES、NES等)兩類模型[19—20],兩類模型為研究提供了較清晰的邏輯思路,具有較強的科學性和針對性,但由于兩類模型本身并非針對土地生態安全評價而設計[21],其評價體系較側重社會經濟層面,難以完整表征土地生態安全狀況[22]。基于此,本研究參考相關研究[22—23],在土地生態安全綜合評價指標中融入凍土穩定型分布、景觀生態安全指數和生態系統服務價值,在一定程度上規避了傳統評價方法過于依賴社會經濟統計資料而忽視土地利用分布的局限。

本研究以三江源國家公園為案例區,選擇多源數據,綜合研究區自然人文情況,在PSR理論框架中融入凍土穩定型分布、景觀生態安全指數、生態系統服務價值等具有區域獨特性的指標,嘗試構建三江源國家公園土地生態安全綜合評價指標體系,以全面表征三江源國家公園的生態環境現狀及潛力,為三江源國家公園地區土地資源可持續利用和土地生態安全的改善規劃提供參考借鑒。

1 研究區域與數據

1.1 研究區域概況

三江源國家公園位于中國西部、青海省南部,是長江、黃河和瀾滄江的源頭匯水區,地理位置介于東經89°50′57"—99°14′57",北緯32°22′36"—36°47′53"之間。三江源國家公園由長江源、黃河源和瀾滄江源三個園區組成,涉及治多、曲麻萊、瑪多、雜多四縣和可可西里自然保護區管轄區域。三江源國家公園擁有豐富的自然資源和重要的生態功能,是中國江河中下游和東南亞國家環境的生態保障,其地理位置的特殊性、生物資源的多樣性以及生態功能的重要性,使其成為我國重要的生態安全屏障(圖1)。

圖1 研究區概況

1.2 數據來源

本研究涉及的社會經濟數據主要來源于《2016年青海省統計年鑒》、《2016年青海省國民經濟和社會發展統計公報》、青海省所轄縣地方志以及2016年政府網站公布的經濟、社會發展統計公報。遙感影像數據中土地利用數據和NDVI數據主要獲取自國家青藏高原數據中心(http://data.tpdc.ac.cn/zh-hans/),DEM數據主要來源于地理空間數據云(http://www.gscloud.cn/)。環境數據主要包括氣象數據和土壤數據,獲取來源為中國科學院資源環境科學數據中心(https://www.resdc.cn/)。

2 研究方法

2.1 單元格網劃分

單元格網是進行區域土地生態安全評價的最小單元。本研究在借鑒相關研究的基礎上,綜合考慮研究區實際范圍的前提下,以研究區景區斑塊平均面積的2—5倍為劃分原則[24],采用格網技術將研究區劃分為1431個10km×10km的獨立評價單元。

2.2 景觀生態脆弱性

景觀結構賦予景觀以功能屬性,景觀功能的差異化也是結構差異的重要體現[25],景觀結構和功能對景觀生態安全的影響程度同等重要[5]。本研究綜合景觀格局脆弱性指數和景觀功能脆弱性指數,將兩者的幾何平均值作為景觀生態脆弱性值。

(1)景觀格局脆弱性(LSV)：一般通過景觀敏感度指數(LSI)和景觀適應度指數(LAI)構建而成,其中景觀敏感度指數由景觀干擾度指數(Ui)和景觀易損度指數(Vi)構成[26]；景觀適應度指數主要由斑塊豐富密度指數(PRD)、香農多樣性指數(SHDI)和香農均勻度指數(SHEI)構成[27]。計算公式如下：

(1)

LAI=PRD×SHDI×SHEI

(2)

LSV=LSI×(1-LAI)

(3)

式中,n為景觀類型數量；i為某一景觀類型；Aki表示第k個小區域內第i類景觀類型在網格內所占面積；Ak為第k個小區域的面積。

(2)景觀功能脆弱性(LFV)：利用生態系統服務價值當量因子算法對景觀功能脆弱性進行量化,參照生態系統服務價值當量表示景觀類型的功能差異性[26]。計算公式如下：

(4)

式中,Ai表示第i類景觀類型在網格內所占面積；m表示景觀類型數量；A表示網格面積；ESVi表示第i類景觀類型生態系統服務；LFV表示景觀功能脆弱性。

(3)景觀生態脆弱性[28],計算公式如下：

(5)

式中,LEV表示區域景觀生態脆弱性；LSV表示景觀格局脆弱性;LFV表示景觀功能脆弱性。

2.3 構建評價指標體系

2.3.1指標選取

本研究引入PSR(Pressure-State-Response)作為評估三江源國家公園景觀生態脆弱性的概念模型,該模型由壓力(P)、狀態(S)和響應(R)三個子系統構成,其中壓力表征外界擾動對研究區生態環境安全產生的壓力作用,狀態是研究區生態環境應對壓力系統的能力,而響應則是研究區生態環境管理部門在面對壓力與狀態時采取的相應緩解措施[29]。PSR模型是解釋人類活動與生態環境變化間因果關系的有效途徑[30],展現了多重因素對研究區生態環境的破壞、反饋與保護的全過程。

在PSR模型框架下,借鑒已有研究成果,基于數據可獲性、全面性和動態性等原則,充分考慮三江源國家公園內的自然生態環境與社會經濟發展情況,選取各項指標。為彌補PSR模型在土地生態安全方面反映的不足,本研究在選取指標時強調所選指標與土地生態安全的相關性[31],選取了農作物播種面積、化肥施用強度、凍土穩定型分布、土壤侵蝕、生態系統服務價值和景觀生態安全指數等指標,共計26項。為確保選擇指標的合理性,本研究采用相關性分析,篩選標準為相關性高于0.60,最終篩選出相應的21項指標,構建了三江源國家公園土地生態安全綜合評價指標體系(表1)。

2.3.2評價指標標準化與權重確定

熵權法作為一種客觀賦權方法,在求解權重過程中能有效避免人為主觀因素對其的干擾[11]。本研究采用熵權法對各項指標進行權重求解(表1)。具體流程如下：

表1 三江源國家公園土地生態安全評價指標體系及其權重

(1)指標標準化處理：

(6)

(7)

式中,Yij為標準化后的值；Xij為第i年第j項指標原始值；Xmaxj和Xminj分別是對應指標的最大值和最小值,為避免0值,參考前人研究[23]設置修正值a,a取值為0.9。

(2)計算指標信息熵(Ej)：

(8)

(3)權重計算：

(9)

2.4 土地生態安全綜合評價

2.4.1土地生態安全指數

土地生態安全指數是區域土地生態安全程度的重要表征[32],其計算主要采用綜合評價模型,值域范圍為[0,1]。計算公式如下：

(10)

式中,ESI為第i個區縣的土地安全指數；Pj為第j個指標標準化后的值；Wj為第j個指標的權重。

2.4.2土地生態安全等級劃分

在已有研究基礎上[33],充分考慮三江源國家公園景觀生態脆弱性和生態環境的特殊性,對土地生態安全指數進行修正劃定。將土地生態安全等級劃分為Ⅰ不安全、Ⅱ較不安全、Ⅲ臨界安全、Ⅳ較安全和Ⅴ安全5個等級(表2)。

表2 三江源國家公園土地生態安全綜合評價指數等級劃分

2.5 地理探測器模型

地理探測器是一種可以揭示主導因子的統計學新方法[34],它也是基于空間疊加技術和集合論而提出的一種分析方法[35]。由于三江源國家公園土地生態安全指數在空間分布上存在顯著的異質性與分層性,且影響因子較多。因此,本研究借助地理探測器識別主導影響因子,并探討不同園區影響因子的差異性。具體公式如下：

(11)

式中,D為影響因子；H為面積指標；PD,H為D對H的解釋力；n和σ2分別為三江源國家公園土地生態安全指數的整體樣本個數和方差；m為某種因子的分類個數；nDi為指標D在i類上樣本的個數。PD,H取值范圍為[0,1],數值越大則表明該因子對三江源國家公園土地生態安全的影響越大。

3 結果與分析

3.1 景觀生態脆弱性分析

依據三江源國家公園景觀生態脆弱性基本情況,借助自然間斷點分級法將研究區內的景觀生態脆弱性指數劃分為五個脆弱等級,分別是低脆弱區(≤0.30)、較低脆弱區(0.30—0.37)、中等脆弱區(0.37—0.49)、較高脆弱區(0.49—0.64)、高脆弱區(≥0.64),等級越高說明景觀生態系統的植被覆蓋度越低,應對外界擾動能力越弱,景觀生態脆弱性越大。三江源國家公園景觀生態脆弱性指數總體為0.34,脆弱性等級屬于較低脆弱區,說明三江源國家公園景觀生態環境較優良,生態脆弱性普遍較低(表3)。

表3 三江源國家公園景觀生態脆弱性指數及等級情況

不同園區景觀生態脆弱性存在較顯著差異,其中長江源園區景觀生態脆弱性等級最高,為中等脆弱區,景觀生態脆弱性指數為0.38；黃河源園區脆弱性僅次于長江源園區,其脆弱性等級與三江源國家公園整體脆弱情況較為一致,為較低脆弱區,景觀生態脆弱性指數為0.32；相較于其他兩個園區,瀾滄江源園區景觀生態環境較優良,景觀生態脆弱性指數為0.27,脆弱性等級為低脆弱區。

三江源國家公園景觀生態脆弱性等級分布表現出空間集聚態勢,且各等級脆弱區相互嵌套(圖2)。高脆弱區與較高脆弱區交錯分布于長江源園區北部、西北部,以及黃河源園區北部,其中長江源園區分布規模相對較大,分布位置多集中于園區北部、西部及西南部邊界地帶。中等與較低脆弱區分布相對較為零散,多以高脆弱區與較高脆弱區為核心環繞分布。

圖2 三江源國家公園景觀生態脆弱性空間分布情況

3.2 土地生態安全綜合評價結果分析

三江源國家公園土地生態安全綜合評價指數為0.3738,依據土地生態安全分級標準(表2),其土地生態安全等級屬于較不安全,說明三江源國家公園受外界開發破壞影響,土地生態系統問題較多,自我恢復能力較差,需借助外力才能恢復。比較三園區土地生態安全情況發現(圖3),長江源園區與瀾滄江源園區的土地生態安全指數相對較低,分別為0.3481和0.3371,其值處于0.38—0.49間,土地生態安全等級為較不安全。而黃河源園區的土地生態安全指數最高為0.4863,等級屬于臨界安全,由此說明黃河源園區的土地生態系統雖然受到外界的干擾破壞,但其結構與功能基本保持完善,存在一定的自我恢復能力。

圖3 三江源國家公園各土地生態安全等級面積占比

3.2.1土地生態安全面積組成結構分析

三江源國家公園內,較不安全等級區覆蓋面積最大,為67997.5km2,占區域總面積的55.31%,其次為臨界安全區,面積占比為23.21%,面積占比最小的等級區為不安全區,其覆蓋面積為4924.23km2,僅占總面積的4.01%。三江源國家公園土地生態安全等級總體偏低,如何優化生態環境,完善生態保護網絡建設成為該區域亟待解決的關鍵問題。

由于三江源國家公園各園區的生態本底條件與受外界干擾程度不同,使得各園區在土地生態安全面積組成結構上表現出顯著的異質性。長江源園區與瀾滄江源園區土地生態安全等級的面積組成結構較為一致,均表現為較不安全區等級為主,臨界安全等級次之,其余土地生態安全等級少量分布。但在瀾滄江源園區土地生態安全等級面積組成結構中缺少安全等級的分布,較不安全區面積占比也相對較高,為75.38%,臨界安全與較安全等級的面積則相對較低,為19.70%和1.37%。由此說明,雖然長江源園區與瀾滄江源園區的土地生態安全等級的面積組成結構較為一致,但與長江源園區相比,瀾滄江源園區的土地生態安全狀況較為惡劣。黃河源園區的土地生態安全狀況較好,臨界安全及其以上等級面積占總面積的93.94%,其中較安全等級的面積占據主導,為56.93%,臨界安全面積次之,為32.36%。黃河源園區的安全等級面積分布情況在三個園區中也是最為良好,面積占比為4.65%。

3.2.2土地生態安全空間分布分析

三江源國家公園土地生態安全的Moran′sI指數為0.8047,通過了α=0.01的顯著性檢驗,說明研究區土地生態安全呈顯著空間集聚態勢。HH集聚區與LL集聚區分布相對割裂,HH集聚區主要分布在長江源園區南部、西南部和黃河源園區北端、東南端,其中長江源園區南部的HH集聚呈連片分布態勢,其余區域的HH集聚區分布較為零散。LL集聚區整體呈軸帶狀分布在長江源園區北部邊界地帶和黃河源園區中部偏北地區。LH集聚區與HL集聚區表現出顯著的環繞特征,LH集聚區主要以HH集聚區為中心散落環繞分布,而HL集聚區則多以LL集聚區環繞布局(圖4)。

圖4 三江源國家公園土地生態安全綜合指數的局部自相關特征

土地生態安全區分布在長江源區內的治多縣與曲麻萊縣交界處,以及黃河源園區南北兩側邊緣區,較安全等級區與安全等級區嵌套分布,并在長江源園區南部與唐古拉山鎮交界地區,以及黃河源園區北端、東南端形成高值集聚,不安全等級則主要集聚在長江源園區西北端,僅有少量散落在黃河源園區(圖5)。這與上述土地生態安全的HH集聚區和LL集聚區分布情況較為一致,一定程度上對其結果進行了驗證。較不安全等級區占據三江源國家公園大部分面積,且與臨界安全區在三個園區內大規模交錯分布。與長江源園區和黃河源園區復雜的土地生態安全等級分布格局相比,瀾滄江源園區的土地生態安全等級結構相對簡單,僅有少量不安全等級分布在南部,臨界安全與較不安全等級區成為瀾滄江源園區的主體。

圖5 三江源國家公園土地生態安全綜合指數空間分布

3.3 主導因素識別

土地生態安全狀況是多種因素綜合作用的結果,識別其主導因素對于三江源國家公園土地生態保護政策的制定具有重要意義36]。本研究主要采用地理探測器,從社會、經濟、生態等方面選取了21項指標,對影響三江源國家公園及各園區土地生態安全狀況的主導因素進行識別。在使用地理探測器之前,需要對輸入數據進行分類化處理,本研究主要采用自然間斷點分級法將指標劃分為5個層級,以實現連續變量轉化為類別變量[37]。識別結果顯示,居民點密度、水網密度和景觀生態脆弱性的q值最大,分別為0.2464、0.3592和0.2466,這三個因素是三江源國家公園土地生態安全指數的主要影響因素；而坡度、草地退化指數和旅游產業收入的q值分別為0.0036、0.0126和0.0212,說明這三個因素對三江源國家公園土地生態安全指數的影響相對較小(圖6)。

圖6 三江源國家公園土地生態安全狀況主導因素識別

其中,水網密度對三江源國家公園土地生態安全指數的解釋力最大。周天元等指出水網密度與濕地生態系統的穩定性和維持功能具有較為密切的聯系[38]。通常地,以藍水資源存在的河流網絡對地表植被較缺少的三江源國家公園土地生態系統的生產、服務功能維護具有重要意義,水網密度越高越有利于維持區域內的濕地生態系統穩定性和健康狀態。但由于三江源國家公園地區的國民經濟主要以畜牧業為主,畜牧業對于水資源的依賴性使得該區域的居民更傾向在河流附近生活,人口在河流兩岸集聚,造成河流兩岸居民點密度增加[39]。隨著人口聚集規模擴大,對地表水資源需求量也在不斷增加,水庫、池塘等水利工程的建設導致人類干擾強度加劇。景觀生態脆弱性對土地生態安全狀況具有較強的負向驅動作用,由于景觀生態脆弱性是人類活動對景觀生態系統的影響以及系統自身所具備的應對能力的反映[40],其值越高說明該區域的景觀生態系統對來自人類活動或自然環境變換擾動的應對能力就越弱,進而影響土地生態系統的自我恢復能力,不利于土地生態系統安全狀況的維持。因此,三江源國家公園的土地生態安全狀況受人類活動擾動程度與生態系統脆弱性的綜合作用。

4 討論與結論

4.1 討論

土地生態安全狀況分析顯示,三江源國家公園土地生態安全指數為0.3738,屬于較不安全等級,土地生態安全狀況較差,該研究結果與前人的相關研究評價基本一致[40]。三江源國家公園地處青藏高原腹地,以山原和高山峽谷地貌為主,凍融侵蝕作用強烈,擁有獨特的高寒植被生態系統。本研究立足于三江源國家公園土地生態系統的本質屬性和核心特征,在構建指標體系中選取了能夠反映三江源國家公園土地生態安全狀況和區域特征的關鍵指標,如土壤侵蝕度指數、草地退化指數、土壤濕潤度指數、凍土穩定型分布、景觀生態脆弱性和生態系統服務價值等,以凸顯本研究所構建的土地生態安全評價體系的獨特性和針對性,提高評價的準確性、科學性,對于指導區域未來土地生態治理建設規劃具有重要意義。

通過地理探測器的主導因素識別發現,居民點密度、水網密度和景觀生態脆弱性是三江源國家公園土地生態安全的主要影響因素。有研究表明，自然條件惡劣、草地退化、水土流失和生物多樣性萎縮是造成三江源地區生態環境大規模脆弱的主要原因，人類與經濟活動是對區域產生明顯影響的人文因素[41]。本研究識別出的主導因素與前人研究指出的三江源國家公園面臨的主要問題較為一致。由此建議,三江源國家公園應不斷深化國家公園體制試點工作,實施退牧還草、退耕還林,以優化生態系統結構[42],通過增強植被生態系統及其功能整合性,改善區域河流供水能力。同時,應在最大程度上減少人類活動,引導生活在三江源國家公園核心區、緩沖區的居民逐步、有序轉移,以減少其對生態環境的壓力,通過農耕生態治理、自然修復等方式重新合理規劃已遷出居民點,以達到生態恢復的目標[43]。

土地生態安全評價是一項復雜系統功能,其研究涉及的數據呈現多源性、本土性、多層次性的特征。本研究構建的三江源國家公園土地生態安全評估框架,借鑒前人已有成果[37],因地制宜考慮了研究區的自然人文情況,并通引入生態系統服務價值與景觀生態脆弱性指數優化土地生態安全評價的合理性。由于數據獲取的局限性,本研究僅對三江源國家公園土地生態安全格局進行橫向對比,未能對其時序變化進行較細致分析,未來研究中將加強橫向、縱向的多源數據收集,深化對三江源國家公園土地生態安全的探索。土地生態安全評價是土地生態安全研究的起點并非終點,將評價、檢測、調控、管護一體化應用于土地生態安全研究,才能實現土地生態安全研究的合力[13]。因此,未來應突破就評價而評價的思維局限,系統構建集“監測-評價-預警-調控”于一體的土地生態安全研究框架體系。

4.2 結論

本研究以三江源國家公園為研究區,基于PSR模型構建三江源國家公園土地生態安全評價指標體系,并通過GIS空間分析方法,分析三江源國家公園土地生態安全空間格局,同時借助地理探測器軟件識別其主導因素。主要結論如下：

(1)三江源國家公園景觀生態脆弱性等級屬于較低脆弱區,研究區整體生態脆弱性較低。其中長江源園區景觀生態脆弱性等級較高,為中等脆弱區,黃河源園區脆弱性次之。相較于其他兩個園區,瀾滄江源園區景觀生態環境狀態較優,為低脆弱區。高脆弱區與較高脆弱區交錯分布于長江源園區北部、西北部,以及黃河源園區北部,中等脆弱區與較低脆弱區多以高脆弱區與較高脆弱區為核心呈零散分布。

(2)三江源國家公園土地生態安全等級的面積組成結構存在區域差異。三江源國家公園整體土地生態安全狀況為較不安全等級,其面積占總面積的55.31%,其次為臨界安全區,面積占比為23.21%。長江源園區與瀾滄江源園區土地生態安全等級的面積組成結構較一致,均表現為較不安全區等級為主,臨界安全等級次之,其余土地生態安全等級少量分布。黃河源園區的土地生態安全狀況較好,臨界安全及其以上等級的面積占總面積的93.94%,其中以較安全等級為主,臨界安全面積次之。

(3)三江源國家公園土地生態安全狀態分布具有空間集聚性。土地生態較安全區和安全區分布于長江源園區中南部,以及黃河源園區南北兩側邊緣區,較不安全區和臨界安全區在長江源園區、瀾滄江源園區以及黃河源園區交錯且連片分布。

(4)基于地理探測器模型的自然生態和社會經濟影響因素識別結果顯示,居民點密度、水網密度和景觀生態脆弱性是影響三江源國家公園土地生態安全的主導因素,揭示了人類活動擾動程度與生態系統脆弱性對國家公園土地生態安全狀況的綜合作用。