發(fā)布時間：2020-09-08所屬分類：管理論文瀏覽：1次
摘 要： 摘 要:為及時掌握川西北高原區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性狀況,以 RS和 GIS為技術(shù)手段,選擇高程、坡度、土地利用類型等9 項指標,完成了該地區(qū)20002015年生態(tài)環(huán)境脆弱性評價分析。結(jié)果表明:(1)整個高原區(qū)生態(tài)環(huán)境的脆弱性呈現(xiàn)自西向東逐漸降低的變化趨勢。(2)微度和重度柵
摘 要:為及時掌握川西北高原區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性狀況,以 RS和 GIS為技術(shù)手段,選擇高程、坡度、土地利用類型等9 項指標,完成了該地區(qū)2000—2015年生態(tài)環(huán)境脆弱性評價分析。結(jié)果表明:(1)整個高原區(qū)生態(tài)環(huán)境的脆弱性呈現(xiàn)自西向東逐漸降低的變化趨勢。(2)微度和重度柵格比例分居最大和最小,潛在、輕度和中度比例依次遞減,且輕度及以下柵格比例達到75%以上,該地區(qū)整體處于中等脆弱水平。(3)整體趨勢變化分析表明,15年內(nèi)該地區(qū)脆弱程度明顯加重的區(qū)域僅有6.92%,而明顯好轉(zhuǎn)和未發(fā)生明顯變化的區(qū)域占據(jù)93.08%,區(qū)域生態(tài)環(huán)境整體處于明顯好轉(zhuǎn)的變化狀態(tài)。(4)驅(qū)動力分析表明,系列生態(tài)環(huán)境保護措施的實施是主要驅(qū)使地區(qū)生態(tài)環(huán)境好轉(zhuǎn)的因素,而大量水電基地的建設(shè)也對較小部分地區(qū)的脆弱程度產(chǎn)生一定威脅。
關(guān)鍵詞:生態(tài)環(huán)境脆弱性;RS;GIS;川西北高原區(qū)
生態(tài)環(huán)境脆弱性作為全球地理學、生態(tài)學及環(huán)境科學學科領(lǐng)域研究的核心熱點之一,是自然與人為因素共同作用的結(jié)果,能客觀地描述區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的優(yōu)劣程度[1]�？茖W地進行區(qū)域生態(tài)環(huán)境脆弱性評價及動態(tài)監(jiān)測,對地區(qū)生態(tài)環(huán)境的保護與恢復(fù)治理措施的制定與實施具有重要的科學參考價值[2]。雖然我國學者們對區(qū)域生態(tài)環(huán)境脆弱性的研究起步相對較晚,但經(jīng)過30多年的努力該學科領(lǐng)域發(fā)展速度迅猛。楊琴業(yè)[3]于1992年,首次完成了我國生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)等級分布圖的編制,促使人們對區(qū)域生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)的認識進一步加深,研究的腳步也加快。目前,學者們已經(jīng)在內(nèi)涵定義[4-6]、評估模型[7-9]、監(jiān)測技術(shù)手段[10-12]等方面取得系列重要研究成果。
相關(guān)期刊推薦：《水土保持研究》(雙月刊)創(chuàng)刊于1985年，是由中國科學院、中國科學院水利部水土保持研究所主辦的地球科學類期刊。及時報道本學科前沿領(lǐng)域科學理論、技術(shù)創(chuàng)新及其實踐應(yīng)用研究最新成果，積極引導(dǎo)和推動水土保持學科和水土保持實踐的發(fā)展與繁榮。從事水�？萍佳芯俊⒔虒W與推廣的科教工作者及有關(guān)行政管理人員;國內(nèi)外環(huán)境科學、地學、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、水利等相關(guān)學科科教人員及大專院校師生。
川西北高原區(qū)地處青藏高原東南緣,其不僅是四川省重要的生態(tài)功能區(qū)也是長江上游重要的水源涵養(yǎng)區(qū);然而,由于受海拔高、地勢陡峭、溫度寒冷、地質(zhì)條件復(fù)雜等自然條件的限制,其生態(tài)系統(tǒng)先天脆弱; 加之,林草地、耕地及水電資源長期不合理的開發(fā)利用,導(dǎo)致其不僅未能發(fā)揮生態(tài)屏障的作用,反而成為四川省生態(tài)環(huán)境問題突出的典型區(qū)域之一[13]。
然而,迄今為止對該地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性進行評估,并對其時空變化規(guī)律和主要驅(qū)動力進行探索分析的研究卻仍出于空缺。為彌補這一不足,及時掌握該區(qū)域生態(tài)環(huán)境脆弱性的真實變化和主要驅(qū)動因素,研究結(jié)合 RS和 GIS技術(shù)從地形、土地、氣候和社會經(jīng)濟等方面出發(fā),選取高程、坡度、NDVI等共計9項指標,完成該地區(qū)不同年份的脆弱性現(xiàn)狀評價。此外, 研究還引 入 一 元 線 性 回 歸 和 主 成 分 分 析 模 型 對 其 2000—2015年的生態(tài)環(huán)境脆弱性變化規(guī)律與主要驅(qū)動因素進行探索分析,以期為實現(xiàn)地區(qū)生態(tài)環(huán)境的有效保護與恢復(fù)治理提供科學的理論參考和技術(shù)支持。
1 研究區(qū)概況
川西北 高 原 區(qū) 地 處 青 藏 高 原 東 南 緣 (97°24'— 107°42'E;31°20'—34°08'N),幅 員 面 積 約 8.2 萬 km2,是長江、黃河重要的水系發(fā)源區(qū),也是四川省重要的生態(tài)功能區(qū)和典型的生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)。該地區(qū)地跨甘孜和阿壩兩個少數(shù)民族自治州,包括若爾蓋、紅原、阿壩縣等8個縣級行政單元,地勢呈現(xiàn)東低西高的變化形態(tài),地貌類型主要為丘狀高原,平均海拔約4098m,年均溫度為-7.36~9.07℃,降水主要集中于5—10 月且年降雨量在 447.54~859.93 mm。同時,該區(qū)域土壤類型在空間分布上也呈現(xiàn)出明顯的差異,主要土壤類型為黑氈土、草氈土、灰褐土等。
2 研究方法
2.1 數(shù)據(jù)來源
研究獲取的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括空間和屬性兩類�？臻g數(shù)據(jù)有:(1)90m×90m DEM,源于地理空間數(shù)據(jù)云平臺;(2)2000—2015年6—8月 NDVI數(shù)據(jù),來源于 NASA;(3)1∶10萬土地利用類型數(shù)據(jù),源于中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心(http:∥www.resdc.cn); (4)1∶100萬土壤類型數(shù)據(jù),來源于中國土壤數(shù)據(jù)庫; (5)1∶10萬土壤侵蝕數(shù)據(jù),源于地球系統(tǒng)科學數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺(http:∥www.geodata.cn)。屬性數(shù)據(jù)包括:(1)2000—2015年氣象站觀測的年均溫度和年降水數(shù)據(jù),來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng);(2)2000—2015年高原地區(qū)社會經(jīng)濟數(shù)據(jù),來源于《甘孜州統(tǒng)計年鑒》和《阿壩州統(tǒng)計年鑒》(2001年、2006年、2011年、2016年)。
2.2 指標體系構(gòu)建
研究在參考已有成果的基礎(chǔ)上[7,14-16],遵循指標選取的相關(guān)原則,結(jié)和區(qū)域?qū)嶋H狀況從地形、土地、氣候和社會經(jīng)濟等系統(tǒng)出發(fā),選取高程、坡度、NDVI、人口等9個評價指標(表1)。
2.3 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理
(1)數(shù)據(jù)插值。為實現(xiàn)統(tǒng)計數(shù)據(jù)可視化處理,研究以 ArcGIS10.4軟件為工具,采用反距離權(quán)重模型完成人口和 GDP 數(shù)據(jù)的空間插值;以 ANUSPLIN 4.37為工具完成氣象數(shù)據(jù)的可視化處理,其將 DEM 作為協(xié)變量參與運算,更好地提高了插值結(jié)果的準確性[17]。
(2)數(shù)據(jù)分類定級。由于各指標數(shù)據(jù)在表達方式、數(shù)量級及量綱上均存在明顯差異,不存在直接可比性。因此,研究在參考已有成果的基礎(chǔ)上[2,4]將各指標劃分為5個不同等級(圖1)。
一方面,就土地利用和土壤類型兩個數(shù)據(jù)而言, 主要通過參考已有成果實現(xiàn)數(shù)據(jù)分級。通過建立土地利用 與 土 壤 侵 蝕 類 型/強 度 的 關(guān) 系 完 成[7,16](表 2);土 壤 的 可 侵 蝕 K 值 是 通 用 水 土 流 失 方 程 (USLE)的一項重要組成部分,將 K 值與土壤保水性、貧瘠程度相合實現(xiàn)其分等定級[14-16](表3)。
另一方面,針對高程、坡度、NDVI和年均溫度等 7個數(shù)據(jù),則從數(shù)據(jù)聚類原理出發(fā),采用自然斷點的方式完成,其以數(shù)據(jù)空間聚類原理為依據(jù),對數(shù)據(jù)實現(xiàn)分類定級,客觀程度上較好地實現(xiàn)了數(shù)據(jù)分類的 “物以類聚”[15,18](表4)。
(3)坐標系統(tǒng)與格式的統(tǒng)一。為實現(xiàn)9項指標在空間位置上具有較好的重合性,規(guī)定所有指標分辨率均為250m×250m,且坐標系統(tǒng)為 Albers投影系統(tǒng)。
2.4 評價模型
2.4.1 數(shù)據(jù)標準化 對數(shù)據(jù)進行標準化處理能提高其收斂性[18-20],進一步提高數(shù)據(jù)處理的準確性,研究采用極差數(shù)學模型實現(xiàn)各指標的標準化,僅溫度、降水、NDVI為負相關(guān)指標,
2.4.2 指標權(quán)重 由于各指標在信息上存在關(guān)聯(lián)性, 信息的重疊會對評價結(jié)果的準確性造成一定干擾�？臻g主成分能實現(xiàn)各指標信息的降維重組,將多個指標轉(zhuǎn)換為關(guān)聯(lián)性極低的幾個少數(shù)綜合指標[21-24]。研究對9 個指標進行主成分分析,最終選取累計因子貢獻率達到 85%以上的前5個變量為主成分因子(表5)。
2.4.3 脆弱性指數(shù) 生態(tài)環(huán)境脆弱性是人為與自然環(huán)境的共同影響的結(jié)果,將各指標因子進行加權(quán)疊加才能客觀全面地對其真實狀況進行表征[4,18,21]。研究采用因子加權(quán)計算模型完成其指數(shù) EVI的計算, 對其進行定量描述。
3 結(jié)果與分析
3.1 空間分布特征
由圖2可知,整個研究區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性呈現(xiàn)出自西向東逐漸降低的梯度變化,西部相比東部地區(qū)生態(tài)環(huán)境的脆弱程度更加嚴重,生態(tài)環(huán)境整體質(zhì)量和生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、自我恢復(fù)能力也相對更差。同時,各等級脆弱區(qū)在空間分布上也呈現(xiàn)出明顯的地域差異性;潛在和微度脆弱區(qū)約占整個地區(qū)的60%,在整個地區(qū)的比例最大且分布范圍也最廣,生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對完成,系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力相對較強, 生態(tài)景觀主要是以有林地、灌木林和高覆蓋草地等, 區(qū)內(nèi)有眾多徑流量大的江河水系流過,建設(shè)有較多的水電基地;輕度脆弱區(qū)約占據(jù)整個地區(qū)的20%左右, 主要分布于研究區(qū)中西部,是人類活動和社會經(jīng)濟發(fā)展的核心地帶,耕地和城鎮(zhèn)建設(shè)用地均主要集中于該區(qū)域范 圍 內(nèi),此 外 還 有 低 覆 蓋 草 地、其 他 林 地和疏林地等生態(tài)景觀;中度和重度脆弱區(qū)約占整個地區(qū)的18%,主要分布于石渠縣大部分、甘孜和德格縣南部的小部分區(qū)域,這些地區(qū)海拔高,溫度寒冷,幾乎沒有人類活動和植被覆蓋度極低,地貌類型主要為高山和極高山,生態(tài)景觀以裸土地和冰川雪被為主,生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)嚴重缺損,系統(tǒng)極不穩(wěn)定且抗干擾能力也基本沒有。
3.2 結(jié)構(gòu)特征
根據(jù)川西北高原區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性分級標準,對該地區(qū)不同年份的評價結(jié)果進行等級劃定,并對其結(jié)構(gòu)特征進行分析(表7)。
通過對15a內(nèi)各脆弱區(qū)的柵格比例分析可知,各脆弱區(qū)的比例關(guān)系為微度>潛在>輕度>中度>重度,微度和重度脆弱區(qū)分列該地區(qū)的首尾兩端;以2015年為例,微度和重度的柵格比例分別為38.24%,7.24%,位居首尾;其次,潛在、輕度和中度的比例分別為25.24%, 20.23%,9.06%,位居中間,且呈現(xiàn)逐漸遞減的變化狀態(tài); 此外,2000年、2005年、2010年、2015年輕度及以下脆弱區(qū)的柵格比例分別為77.87%,81.69%,82.63%,83.7%, 占據(jù)整個區(qū)域的絕大部分,這客觀程度上可以反映出該地區(qū)生態(tài)環(huán)境整體一直處于輕等脆弱水平。
3.3 整體趨勢變化
通過比較 15a內(nèi)各脆弱區(qū)柵格比例變化狀況 (圖3)可知:潛在、微度和輕度這3類脆弱區(qū)的柵格比例均呈 現(xiàn) 增 加 的 變 化 狀 態(tài),分 別 增 加 了 1.85%, 2.02%,1.97%;微度脆弱區(qū)的增加幅度最明顯,而潛在脆弱增加的比例最小,輕度脆弱居中;相反,中度和重度的柵格比例在整個時期內(nèi)柵格比例均一直呈現(xiàn)減少的變化狀態(tài),15a內(nèi)它們分別減少了3.63%, 2.2%;且 相 比 重 度 中 度 脆 弱 柵 格 整 體 減 少 的 幅 度更明顯。
通過分析川西北高原區(qū)2000—2015年生態(tài)環(huán)境脆弱性指數(shù)斜率變化(圖4)可知:整個研究區(qū)有61.95%的柵格像元為負值,即其脆弱性指數(shù)呈現(xiàn)減小的變化狀態(tài),僅有38.05%的柵格像元為正值,數(shù)值為增加的變化狀態(tài)。F檢驗結(jié)果顯示:15a內(nèi),生態(tài)環(huán)境脆弱性顯著降低(X<0,p≤0.05)環(huán)境質(zhì)量整體明顯好轉(zhuǎn)的區(qū)域比例達到54.43%,在整個研究區(qū)內(nèi)均有分布且大多主要集中于若爾蓋、紅原和阿壩縣;而無顯著降低(X<0, p>0.5)和 增 加 (X >0,p >0.05)的 柵 格 比 例 為 38.65%,大部分主要集中分布于研究區(qū)的中西部區(qū)域,其生態(tài)環(huán)境的脆弱程度和質(zhì)量均無明顯的變化; 而脆弱性顯著增加的比例僅有6.92%,且大部分主要分布于甘孜、石渠和色達3個縣中部區(qū)域。
綜上所述,結(jié)合15a內(nèi)各等級脆弱區(qū)柵格比例和斜率變化狀況可知,該地區(qū)整體的生態(tài)環(huán)境脆弱性呈現(xiàn)明顯降低的變化狀態(tài),生態(tài)環(huán)境整體的質(zhì)量有好轉(zhuǎn)的變化趨勢。
4 討 論
4.1 主要驅(qū)動力因素
為了解影響該地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性變化的主要驅(qū)動因素,研究采用主成分分析對各因子進行分析 (圖5)。 由圖5可知,從 NDVI到土壤類型各指標對生態(tài)環(huán)境脆弱性形成的影響作用呈現(xiàn)逐漸降低的變化形態(tài),當?shù)竭_第5個指標時累計因子貢獻率已經(jīng)達到 85%以上,由此可以判定前5項指標與脆弱性的形成關(guān)系最為密切。同時,對這5項指標進行深入分析可知,高程相對穩(wěn)定對脆弱性的改變驅(qū)動作用不明顯, 而氣候因子的影響作用也相對有限。此外,研究發(fā)現(xiàn) EVI空間分布特征與 NDVI和土地分級結(jié)果變化基本一致,特別是與土地變化的相似度最高。由此可以判定,影響該地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性改變的主要驅(qū)動因素為土地利用類型。
15a內(nèi),整個區(qū)域絕大部分地區(qū)生態(tài)環(huán)境呈現(xiàn)明顯好轉(zhuǎn)的變化狀態(tài),可能是如下的原因驅(qū)動的:(1)該地區(qū)在2000年左右分別實施了“天然林保護”、“退耕(牧)還林(草)”、“防沙治沙”等系列生態(tài)環(huán)境保護措施。根據(jù)各時期土地利用遙感解譯成果可知,15a內(nèi)草地的面積基本維持不變;而林地的比例則增加約5.56%。林草地面積則增加,較大程度上提高了區(qū)域植被的覆蓋面積和覆蓋度,有效抑制了區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害的頻發(fā)、緩解了人地矛盾、減緩了生態(tài)環(huán)境惡化的腳步且促進了區(qū)域整體環(huán)境質(zhì)量的好轉(zhuǎn)。(2)近年來,全球氣候變暖部分高海拔地區(qū)冰川雪被開始融化為這些地區(qū)植被的生長提供比較充足的水源,一定程度上又促進了這些地區(qū)植被的生長。
同時,15a內(nèi)整個地區(qū)仍然有部分區(qū)域生態(tài)環(huán)境整體發(fā)展的狀態(tài)并不理想,可能是如下原因造成的: 顯著性檢驗發(fā)現(xiàn)明顯惡化的地區(qū)主要集中于雅礱江、達曲河、大渡河等徑流量較大的江河水系兩側(cè),這些地區(qū)水資源充沛大量水電基地被建設(shè),水電基地的建設(shè)不僅會淹沒大面積的林草地和耕地資源,也會加速區(qū)域土地資源侵蝕的面積與強度,同時更會對地區(qū)氣候變化產(chǎn)生干擾。
4.2 生態(tài)環(huán)境恢復(fù)與重建
為實現(xiàn)區(qū)域生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)重建,研究在參考已有成果的基礎(chǔ)上[14-16,22],結(jié)合地區(qū)實際狀況將其分為 3個不同的區(qū)域,并對其恢復(fù)重建提出參考建議。
分區(qū)一:由潛在和微度脆弱兩個區(qū)域構(gòu)成。其主要位于整個高原區(qū)的高植被覆蓋地區(qū),近年來隨著系列環(huán)保措施的有效實施,其比例呈現(xiàn)相對穩(wěn)定的上升狀態(tài),研究推測隨著時間的推移,其比例仍將繼續(xù)增加。同時,區(qū)內(nèi)有雅礱江、定曲、大渡河等徑流量大的江河,大量水電基地被建設(shè)在江河兩側(cè)對其生態(tài)環(huán)境造成一定的威脅。因此,為有效實現(xiàn)生態(tài)環(huán)境的保護,應(yīng)當建立更加嚴格的生態(tài)紅線保護機制加強對環(huán)境狀況的監(jiān)控與保護,政府和水電公司在進行區(qū)域水電開發(fā)時應(yīng)當更加注重生態(tài)環(huán)境的保護。
分區(qū)二:該地區(qū)僅由輕度脆弱區(qū)構(gòu)成。該地區(qū)生態(tài)環(huán)境的保護應(yīng)當加強,其生態(tài)環(huán)境整體處于中等脆弱水平、系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力也相對較弱,是區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護的重要緩沖區(qū),應(yīng)當防止其脆弱程度向中度和重度轉(zhuǎn)變。應(yīng)當加強對牧場、耕地和林地的規(guī)范化管理嚴禁過度放牧和非法開荒,減小草地、林地和耕地資源承受的壓力,同時應(yīng)當對已受損區(qū)域進行大面積植樹造林與草地修復(fù)。
分區(qū)三:包括中度和重度脆弱區(qū)兩個部分,該區(qū)域主要分布于極高山地區(qū),由于海拔高、氣溫寒冷、以裸巖石質(zhì)地景觀為主,小部分為永久性冰川雪被,因此該地區(qū)植被覆蓋度極低,生態(tài)系統(tǒng)一旦被破壞恢復(fù)重建的難度極大。因此,對該地區(qū)更加嚴格的保護, 防止其脆弱程度加深和范圍擴大是最有效的保護方式。同時,選擇合適的地區(qū)和植被進行植樹造林與草地恢復(fù)可能會起到一定的輔助作用。
5 結(jié) 論
(1)從空間角度分析。該地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性整體呈現(xiàn)出西高東低的空間梯度變化;各等級脆弱區(qū)在結(jié)構(gòu)和地區(qū)分布上也呈現(xiàn)出明顯比例差異;微度和重度的比例分局首尾兩端,其次潛在、輕度和中度呈現(xiàn)依次遞減的變化狀態(tài);且潛在和微度主要集中于中東部地區(qū),而其他3類則主要分布于研究區(qū)西北部地區(qū)。
(2)從時間角度分析。15 年內(nèi),該地區(qū)各等級脆弱區(qū)的柵格比例發(fā)生了明顯的結(jié)構(gòu)變化,主要變現(xiàn)為潛在、微度和輕度的柵格比例均呈現(xiàn)增加的變化趨勢,而中度和重度則呈現(xiàn)減少的變化狀態(tài);整體趨勢變化分析顯示整個研究時期內(nèi),該地區(qū)生態(tài)環(huán)境呈現(xiàn)明顯好轉(zhuǎn)的趨勢變化;驅(qū)動力則表征出系列生態(tài)環(huán)境保護措施的實施是促使該地區(qū)生態(tài)環(huán)境好轉(zhuǎn)的主要驅(qū)動因素,而大量水電基地的修建也對小部分地區(qū)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生一定的影響;針對不同地區(qū)生態(tài)環(huán)境的保護與恢復(fù)重建應(yīng)當采取不同的措施。
(3)研究將 GIS和 RS技術(shù)與空間主成分模型相結(jié)合實現(xiàn)該地區(qū)不同時期生態(tài)環(huán)境脆弱性的現(xiàn)狀評價,并引入一元線性回歸從時空變化的狀況對其整體趨勢變化進行分析。相比以往研究,空間主成分較大限度地減少了指標間的關(guān)聯(lián)性提高權(quán)重計算的精度,趨勢變化從時空相結(jié)合的角度分析,更具直觀性與科學性。同時,生態(tài)環(huán)境脆弱性是多系統(tǒng)作用用的結(jié)果,受數(shù)據(jù)獲取的限制研究在紙條體系的構(gòu)建和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的分類定級上仍存在一定不足,需要在今后的研究中進一步完善。——論文作者：姚 昆1,張存杰2,何 磊3,李玉霞4,李小菊5
