寧夏清水河平原生態脆弱性評價及驅動因子分析

王 婧,康榮華,方 媛,馮 波,高世昌

(1.寧夏回族自治區國土資源調查監測院,寧夏 銀川 752100; 2.寧夏大學 土木與水利工程學院,寧夏 銀川 752100)

0 引 言

隨著社會經濟的快速發展,城市化進程不斷推進,人類活動對生態環境的影響日益突出[1],水體流失、土地荒漠化、生態多樣性銳減、環境污染等生態環境問題不斷涌現,直接影響區域自然地理條件和社會經濟發展,同時也體現出生態環境的脆弱性。如何科學認識生態環境脆弱性并進行有效治理管控,已成為生態環境建設面臨的緊迫問題和艱巨任務[2],生態脆弱性的研究不僅能為區域社會經濟發展和生態文明建設提供決策支持,還能為非脆弱生態區的生態環境保護提供借鑒作用和科學依據[3]。目前,國內外相關領域的專家學者對生態脆弱性的研究方式多樣,手段方法新穎,從單一方法向數據模型分析、3S空間分析等方法轉變,將生態環境脆弱性研究不斷深入。徐慶勇等[4]基于GIS技術。利用空間主成分分析方法對珠江三角洲生態環境脆弱性進行了定量評價。金麗娟等[5]基于SRP(Sensitivity-Resilience-Pressure)模型,采用層次分析法對四川省生態脆弱性進行評價。何亮等[6]利用遙感生態指數(RSEI)模型和主成分分析方法(PCA)對塔里墾區2010,2015,2020年生態環境質量做出評價。Malik等[7]通過對氣候變化引起的生態暴露度、敏感度、適應能力3方面構建加權氣候變化的生態脆弱性指數。Kienberger等[8]提出了生態脆弱性研究的時空尺度和概念框架理論。

中國是世界上脆弱生態類型最多且分布最廣、生態脆弱性表現較為明顯的國家[9],寧夏回族自治區作為西北干旱荒漠區典型的生態脆弱區之一,近年來受水資源開發和人類活動的影響,出現水土流失、水體污染、水質下降、地下水位下降,土壤鹽漬化等生態環境問題,國內目前對寧夏地區生態環境脆弱性開展了一些研究,陳紅翔等[10]通過建立SRP模型,對寧夏南部山區生態環境進行了定量評價。蘇勝亮等[11]通過構建評價指標體系,分析了寧夏海原縣生態脆弱性,并分析了生態脆弱性與經濟貧困的空間耦合關系。黃越等[12]基于遙感數據,運用景觀格局指數法、空間自相關以及地理探測器等模型對鹽池縣生態脆弱時空演變格局進行綜合評價。

國內外針對生態脆弱性的研究尺度多集中在國家、省域、市域等宏觀尺度,對縣、鄉以及小流域等小尺度的研究較少。而清水河平原作為寧夏南部地區重要的水源涵養地和糧食生產基地,生態環境質量直接關系到區域社會經濟可持續發展狀況。本文以寧夏清水河平原為研究范圍,結合遙感影像、地理信息系統和綜合指數概念模型,選取涵蓋氣象、土壤、水體、人類活動等10個評價因子,通過構建生態脆弱性評價指標體系,采用層次分析法、綜合指數法以及主成分分析等手段,分析清水河平原地區2015,2018,2021年的生態脆弱性時空變化趨勢以及驅動因素,為寧南地區生態環境恢復及保護治理提供參考依據。

1 研究區概況

清水河平原位于寧夏回族自治區南部(圖1),是寧南主要人口聚集區,也是該地區少數寶貴的淡水資源賦存區之一,研究區地處清水河平原上游,為一完整的水文地質單元,行政區劃隸屬固原市原州區,中衛市海原縣部分地段,北起海原七營鎮,南至固原三里鋪,地理位置介于北緯35°56′～36°34′和東經106°01′～106°19′,屬中溫帶半干旱氣候區,氣候夏短冬長,四季分明,干旱少雨,降水多集中在6～9月,占全年降水量的60%～70%。

圖1 研究區地理位置

清水河平原作為固原地區重要的糧食生產基地,同時也是中國嚴重缺水地區之一,且資源性缺水和水質性缺水問題并存[3]。20世紀80年代因盲目打井,大量開采地下水,一度造成地下水嚴重超采,地下水水位逐年下降,一些相應的生態環境問題也接踵而來,加之人類活動劇烈,導致清水河平原區水土流失、水體污染、土地退化等,屬于典型的生態環境脆弱區。

2 材料與方法

2.1 數據來源與處理

本次研究所用的數據主要包括遙感數據、氣象水文數據、地下水水位埋深及水質化驗數據,社會經濟統計數據等,具體數據來源與處理如表1所示。

表1 數據來源及處理

2.2 指標選取及評價體系構建

影響生態環境效應的因素很多,主導因素對生態環境質量變化起關鍵性和控制性作用,構建生態環境脆弱性評價指標體系應遵循相關性、層次性和綜合性原則,同時所選取的指標應易于獲取和測量[13]。蔡海生等[14]對各評價模型指標體系構建情況進行了具體的歸納,主要劃分為目標層、準則層、指標層3個基本結構,對于區域生態脆弱性評價有著重要的指導意義。

結合西北地區生態環境脆弱性特征研究[15],以自然環境因素為主,綜合考慮人為作用因素,兼顧指標的科學性、可操作性原則,根據研究區實際情況及生態脆弱性特征,基于層次分析法選取氣象因素、水體因素、植被要素、地理要素等自然因素和景觀破碎度、人口密度等人為因素,構建一個初步的生態環境脆弱性評價指標體系,其中,景觀破碎度指標是利用土地利用類型柵格數據計算得到。體系包括1個目標層,5個準則層,10個指標層,如圖2所示。

圖2 生態環境評價指標體系

2.3 評價方法

生態環境脆弱性評價方法主要包括層次分析法、模糊評價法[16]、主成分法[17]、綜合評價法[18]等12種,其中,層次分析法適用于某一區域內的生態環境脆弱性比較分析,計算過程簡單,可根據脆弱生態區域的特點選擇不同環境影響因子、權重及評分等級,同時評價結果較為全面,具有綜合性和系統性特征[1]。

針對清水河平原研究區生態環境脆弱性評價,本文選用層次分析法建立生態環境脆弱性評價指標體系。考慮到主觀賦權法對最終的脆弱性評價結果影響較大,并且賦權的主觀性很強,故本文采取分級賦權重的方法,即一級指標分級賦權重,二級指標歸一化賦權重,然后加權求和進行綜合研究,其計算公式為

(1)

式中:Eevi為生態環境脆弱性綜合指數,取值范圍為(0,1);Fi為第i個指標指數,Wi為第i個指標對應的權重。

歸一化計算公式如下:

(2)

(3)

式中:X′i為第i個評價指標的標準化值;Xi為第i個評價指標原始數值;Xmax為第i個評價指標最大值;Xmin為第i個評價指標最小值。

3 結果與分析

3.1 綜合判斷標準及結果

根據寧南地區生態環境特點,結合清水河平原3個時期的基礎數據選取10個指標并賦予相應的權重(表2),將2015,2018,2021年的評價結果通過Arcgis的自然間斷法進行生態脆弱性程度等級劃分[19],分為輕度脆弱性、低度脆弱性、中度脆弱性、較高脆弱性和高度脆弱性5個不同等級,具體的脆弱性程度劃分如表3所示。

表2 生態環境脆弱性評價指標權重

表3 生態脆弱性分級

3.2 生態脆弱性變化特征

通過GIS克里金空間插值得到研究區不同時期生態脆弱性空間分布圖(圖3),為表征生態脆弱性時空變化特征,本研究采用自然間斷法將其劃分為輕度脆弱區、低度脆弱區、中度脆弱區、較高脆弱區和高度脆弱區5個等級。

圖3 清水河平原生態脆弱性變化分布

3.2.1 生態脆弱性時空變化特征

從研究區2015,2018,2021年3期生態環境脆弱性變化強度來看,生態環境總體呈現不斷改善的趨勢,尤其低度脆弱區域面積增加的最為明顯,由2015年108.74 km2增加到121.86 km2,2021年上升至177.50 km2,輕度脆弱區面積由132.22 km2減少到119.39 km2,2021年增加到124.10 km2,中度脆弱區面積呈現出先增大后減小的變化趨勢。較高脆弱區面積則呈現降低的變化趨勢,由2015年的263.21 km2降至192.80 km2,高度脆弱區面積呈微弱增加的趨勢,增加比率為9.89%。總體看,2015～2021清水河平原研究區生態環境脆弱等級呈中等偏上的變化趨勢,低度脆弱區面積有所增加,增加比率為63.23%,輕度、中度脆弱區面積變化較為平穩,變化比率分別為6.14%和2.15%,較高脆弱區面積減少明顯,降低比率為26.75%,從5種脆弱性等級面積百分比分布來看(圖4),輕度脆弱性面積占比最少,為14.65%;低度脆弱性面積占比為17.08%;高度脆弱性面積占比為17.20%;中度脆弱性面積占比為24.80%;較高脆弱性面積占比最多,為26.27%。

圖4 研究區不同等級生態脆弱性面積對比

空間分布來看,以2021年為例,輕度和低度脆弱區主要集中在清水河平原南部固原市原州區清河鎮、中河鄉一帶,分別占研究區面積的15.47%,24.3%,考慮到南部降水豐富,森林覆蓋度面積大,地下水礦化度較低<1 000 mg/L,地下水埋深超過50 m,人類活動相對較少,人口密度低,景觀破碎度低,故對生態環境的破壞較輕。研究區脆弱性主要以中度脆弱性和較高脆弱性為主,分別占全區總面積的24.8%和26.3%,其中,較高脆弱地區主要分布在固原市頭營鎮以北,三營鎮以及中衛市海原縣三河鎮附近,主要原因在于降水減少,地下水礦化度增加到3 000 mg/L,加之處于清水河東岸徑流排泄區,區域水環境總體較差,人類活動頻繁,景觀破碎度較大,因此生態脆弱程度較高,生態環境有待改善。高度脆弱區主要分布在研究區北部,集中在中衛市海原縣七營鎮附近,考慮到海原縣南部位于黃土丘陵溝壑區,坡度大、海拔高、地表植被覆蓋較為稀疏、覆蓋率較低,自然生態本底較差[10],加之人類活動干擾,從而加劇了該區域生態環境的脆弱程度。

3.2.2 生態脆弱性的空間自相關分析

空間自相關分析是用來度量某一變量在空間的分布特征及其影響程度。空間自相關分析在地理統計學中應用廣泛,現已有多種指數可以使用,但最主要的兩種指數即Moran的I系數和Geary的c系數[20]。本文借助Geoda軟件,利用Moran′sI系數,對研究區生態環境脆弱性指數進行空間自相關分析,以z得分和p值進行檢驗,當z值為正且顯著時,表現為正相關,也就說明相似的觀測值(高值或低值)趨于空間集聚;當z值為負且顯著時,表現為負相關,也就是相似觀測值趨于分散狀態;當z值為0,則觀測值呈獨立隨機分布狀態。通常用局部自相關指標LISA來揭示空間自相關的空間異質性[21]。

以2021年的分析結果為例說明研究區空間異質性特征。從空間分布集聚性變化格局來看(圖5(a)),高值與高值的集聚主要分布在研究區以北大部分,該區域植被覆蓋稀疏,地下水礦化度大于3 g/L,生態環境處于高度脆弱等級,低值與低值集聚主要分布在研究區西南部,固原市原州區清河鎮和中河鄉一帶,該區域地下水埋深10～20 m,水體礦化度小于1 g/L,植被覆蓋度高,生態環境處于輕度脆弱等級,而低值與高值的集聚主要分布于研究區中部,頭營鎮以北,三營鎮以南的大部分區域,生態環境為中度脆弱。基于Geoda軟件得到Moran指數I為0.696,在p=0.05的水平上顯著(圖5(b)),說明研究區生態脆弱性分布存在一定的正相關且具有較強的集聚性,存在空間異質性分布特征。總體看,絕大部分生態環境脆弱性評價等級在空間分布上都表現出了較強的空間關聯性,且空間自相關方式主要以高值與高值集聚,低值與低值集聚體現,而高值與低值區域則在研究區零散分布。從顯著性水平分布圖(圖5(b))可以看出,區域大部分都達到了5%的顯著性水平,小部分處于1%顯著性水平。

圖5 清水河平原2021年生態脆弱性

3.3 生態脆弱性變化驅動因子分析

生態環境脆弱性表現形式多種多樣,在不同時空區域,生態環境脆弱性主導驅動因素與其表現形式存在很大的差異[22]。徐慶勇等[4]認為影響珠江三角洲地區生態環境脆弱性主導因素是海拔、土壤、土地利用變化3大要素,韋晶等認為導致三江源地區生態環境脆弱性的原因主要是人為活動劇烈[23]。為進一步分析驅動因子對研究區生態脆弱性空間異質性分布的影響,利用SPSS 26.0對評價指標進行主成分分析,選取累積貢獻率排名前5的評價指標,采用地理探測器模型[24-25],對各指標影響研究區生態脆弱性決定力q值進行探測分析。

3.3.1 單因子探測分析

以指標因子為自變量,生態環境脆弱性評價為因變量,q值用來度量每一個自變量對因變量的空間分異程度,最小為0,最大為1,q值越大,表明該自變量對因變量的空間分異解釋程度越大[26]。探測結果顯示(表4),2015年、2018年、2021年研究區生態脆弱性決定力q值變化趨勢基本平穩,從貢獻量來看,降雨>TDS>蒸發>地下水埋深>植被覆蓋度,說明降雨、TDS和蒸發是控制研究區生態環境脆弱性空間分異的主要驅動因素。

表4 研究區生態脆弱性影響因素探測q值

3.3.2 多因子交互作用探測

生態脆弱性變化不是由單一因子決定的,而是多種因子多方面作用的共同結果,多因子交互作用探測是用來評估每兩個自變量共同作用時,對因變量解釋能力的增加或減弱,共有5種結果,從弱到強分別是非線性減弱,單因子非線性減弱,雙因子增強,獨立,非線性增強。本次研究通過對5個指標因子交互計算(表5),得出結果是雙因子增強作用,即降雨、TDS、蒸發交互作用對研究區生態脆弱性變化具有最強的解釋作用,同時降雨-蒸發,降雨-TDS交互作用也表現出較強的影響力。單因子探測結果顯示,降雨對生態環境脆弱性變化影響較大,其與TDS相結合時,呈現出更大的影響力。在兩兩交互作用中,降雨、TDS、蒸發相互作用是清水河平原生態脆弱性空間分異變化的主要驅動力。

表5 主要指標因子間交互作用

4 討 論

生態脆弱性是在特定時空尺度上,景觀或生態系統相對于外界環境的干擾而表現出的敏感性和恢復能力,是生態系統自身屬性在外界干擾作用下的反應[11]。本文基于氣象、水體、地理、人類活動5類指標構建生態脆弱性模型,綜合運用GIS格網技術、空間自相關以及地理探測器等方法定量分析了清水河平原生態脆弱性時間、空間演變特征以及空間關聯性規律,并分析了驅動因素。評價指標具有空間差異性和時間動態變化性,不同地區、不同生態系統類型及同一地區社會發展的不同階段,生態環境效應評價的指標體系不盡相同[21]。

寧夏清水河平原作為寧南地區重要的水源涵養地,也是典型的生態脆弱區,目前針對清水河平原生態脆弱性時空分布特征及動態變化的研究較少,本文在前人對寧夏南部地區生態環境現狀研究的基礎上[9],探索建立清水河平原地區生態脆弱性評價指標體系和評價標準,受指標選取、評價方法的影響,評價結果與前人研究成果相比存在差異。從研究區2015,2018,2021年生態環境脆弱性空間分布規律看,中低度脆弱性區域面積增加,高度敏感性區域面積減少,總體看生態環境呈現不斷改善的趨勢,通過引入空間自相關分析對生態環境脆弱性空間分布規律進行相關性檢驗發現,絕大部分生態環境脆弱性評價等級在空間分布上都表現出了較強的空間關聯性,這也說明在該研究區選擇的生態環境脆弱性評價方法具有一定的科學性和適用性。

從研究區生態環境脆弱性指標權重分析結果看,氣象與水體因素是生態環境脆弱性權重占比較大的兩個指標,然后是植被與人為因素。引入地理探測器模型對影響生態環境脆弱性驅動因素貢獻率進行分析。結果表明:降雨、TDS和蒸發是控制研究區生態環境脆弱性空間分異的主要驅動因素,由于研究區處于寧南黃土丘陵半干旱區,蒸發強烈,降雨相對寧夏中北部較為豐沛,也是地下水的重要補給來源,而地下水作為研究區重要的生活和灌溉水源,地下水中的TDS含量對生態環境有著重要的影響,且隨著城鎮等生活空間擴張,礦產資源開發,占用土地等人為因素會增加生態環境的敏感性。

本次研究從清水河平原生態現狀出發,通過科學選取評價指標,構建生態脆弱性評價模型,分析了清水河平原地區生態脆弱性時空演變特征及其空間關聯性和異質性,利用地理探測器手段分析生態環境脆弱影響因素,可為后續綜合研究寧南地區生態脆弱性奠定基礎,其研究結果可為寧南地區生態環境保護和生態可持續發展提供參考依據。

5 結 論

(1) 從2015,2018,2021年3期生態環境脆弱性評價結果來看,清水河平原研究區整體處于中度偏高脆弱性等級,空間上呈現西南低北東高的分布格局。從時間上來看,生態環境質量總體趨于好轉,輕度、低度、中度脆弱性面積比重顯著增加,而較高和高度脆弱性面積比重呈微弱增加趨勢,增加比率不足10%。

(2) 利用主成分分析法,選取累積貢獻率較大的5個主成分因子作為影響研究區生態脆弱性的主要驅動因素。地理探測器模型因子探測結果表明,降雨、TDS、蒸發是對生態脆弱性解釋力最強的單因子,而降雨、TDS、蒸發多因子交互作用成為研究區生態環境脆弱性的主要驅動力。

(3) 空間自相關結果表明:研究區生態脆弱性呈現出顯著正相關,具有較強的集聚性,存在空間異質性特征:高值與高值聚集區域主要分布在清水河平原西南部,固原市原州區一帶,低值與低值聚集區分布在研究區北部,三營鎮以北。研究區生態環境脆弱性評價等級分布格局與空間自相關得到的集聚分布一致,表明空間自相關得到的結果與清水河平原地區生態脆弱性分布現狀基本一致。因此,本次研究的方法能夠真實科學反映研究區生態脆弱性的空間分布,為今后生態環境的研究治理提供依據。