基于柵格尺度的喀斯特槽谷區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性時空分異研究

，

(貴州師范大學(xué) a.地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院；b.貴州省山地資源與環(huán)境遙感應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 貴陽　550025)

1　研究背景

脆弱性是一個廣泛應(yīng)用于各個學(xué)科領(lǐng)域的概念,最早由法國學(xué)者Albinet和Margat第一次將其作為科學(xué)術(shù)語提出。我國于 1984 年頒布了《自然保護(hù)大綱》，首次提出生態(tài)脆弱區(qū)的概念。最初脆弱性指傷害的容量，即系統(tǒng)由于對災(zāi)害暴露產(chǎn)生傷害的程度。在眾多的脆弱性研究中，生態(tài)環(huán)境脆弱性研究一直是研究的重點(diǎn)。美國學(xué)者Daniel[1]從沙漠生態(tài)環(huán)境的水特征、物質(zhì)循環(huán)和能量流動等特征出發(fā)，研究了荒漠生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性。俄羅斯學(xué)者Kovshar[2]研究了干旱環(huán)境下生態(tài)脆弱性的問題。1989年，牛文元[3]運(yùn)用生態(tài)數(shù)學(xué)語言，總結(jié)了脆弱帶的寬度、重疊和脆弱性，并將生態(tài)脆弱帶劃分成7種類型。1992年，楊勤業(yè)[4]編制了1∶1 000萬中國脆弱的生態(tài)環(huán)境形勢和關(guān)鍵區(qū)域圖，指出中國目前存在約90個生態(tài)環(huán)境輕度脆弱區(qū)，210個生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)和100個生態(tài)環(huán)境嚴(yán)重脆弱區(qū)。2003 年蔡海生等[5]在“脆弱生態(tài)環(huán)境脆弱度評價研究進(jìn)展”中論述了生態(tài)環(huán)境脆弱性評價指標(biāo)的選取及脆弱性評價方法。2011年劉正佳等[6]運(yùn)用SRP(Sensitivity Resilience Pressure,簡稱SRP)模型對沂蒙山區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性進(jìn)行了評價。至今，形成了綜合指數(shù)法、景觀格局法、主成分分析法、層次分析法等生態(tài)環(huán)境脆弱性評價方法[7-9]，研究區(qū)域也從喀斯特地區(qū)和高原地區(qū)擴(kuò)展到平原城市[10]。然而，就目前來看，針對典型的喀斯特槽谷區(qū)的研究寥寥無幾，而且多與東部、中部地區(qū)采用的指標(biāo)體系相似。本文利用項(xiàng)目組已有的成果，通過加入評價喀斯特地區(qū)生態(tài)環(huán)境的重要指標(biāo)(石漠化程度)對典型喀斯特槽谷區(qū)的生態(tài)環(huán)境進(jìn)行評價，以期為喀斯特地區(qū)的生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供理論依據(jù)。

對縣域的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評價研究，可以了解地區(qū)生態(tài)環(huán)境的脆弱性、促進(jìn)縣域生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，為改善和恢復(fù)地區(qū)生態(tài)環(huán)境提供有利條件[11-12]。槽形喀斯特谷簡稱槽谷，發(fā)育在背斜上,是以縱向水運(yùn)動為主的地段，斷面呈U形，縱向延伸呈槽狀，故常稱“喀斯特槽谷”?？λ固夭酃葏^(qū)的生態(tài)環(huán)境具有地表地下雙層空間結(jié)構(gòu)，水源易漏失、深埋，其可溶巖造壤能力低，土層淺薄且不連續(xù)且植被覆蓋單一，生態(tài)系統(tǒng)脆弱。印江縣位于貴州省東北部、銅仁市西部，地處典型的喀斯特槽谷區(qū)，區(qū)內(nèi)地勢起伏較大，地表破碎；自然和社會經(jīng)濟(jì)條件獨(dú)特，生態(tài)環(huán)境脆弱[13]。同時存在過度開發(fā)、亂砍濫伐等不合理的人類活動，區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量不容樂觀[14]。本文采用GIS以及RS技術(shù)，以柵格為評價單元建立評價模型，對研究區(qū)的生態(tài)環(huán)境脆弱性進(jìn)行定量評價，為其生態(tài)保護(hù)以及生態(tài)恢復(fù)提供理論和技術(shù)支持。

2　研究區(qū)概況

貴州省印江縣(108°17′52″E —108°48′18″E，27°35′19″N —28°20′32″N)東西最大距離62.5 km，南北最大距離75.8 km，總面積1 969 km2，轄17個鄉(xiāng)鎮(zhèn)及街道辦事處，總?cè)丝?3.76萬。位于云貴高原向湘西丘陵和四川盆地過渡的斜坡地帶的黔東低山丘陵區(qū)和黔東北中山峽谷之間，武陵山脈主峰梵凈山位于其東部，形成東高西低、東南向北西傾斜地形地貌。屬亞熱帶溫暖濕潤季風(fēng)氣候，年均氣溫16.8 ℃，年降雨量1 100 mm左右。

3　數(shù)據(jù)與方法

3.1　數(shù)據(jù)來源與處理

(1)社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)。主要包括研究區(qū)的人口數(shù)量、人均GDP、人均耕地面積等數(shù)據(jù)。社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來源于相關(guān)統(tǒng)計(jì)年鑒和統(tǒng)計(jì)資料。

(2)自然環(huán)境數(shù)據(jù)。主要包括年均降水量、年均氣溫、DEM數(shù)據(jù)、植被覆蓋度、土壤類型、土地利用類型等。氣象數(shù)據(jù)來源于印江縣氣象局;DEM數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心的地理空間數(shù)據(jù)云平臺上獲取的GDEMDEM 30 m分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù)，土地利用類型是分別基于空間分辨率為30 m的2010年和2015年TM影像數(shù)據(jù)解譯而來，土壤數(shù)據(jù)來源于全國第二次土壤普查匯總成果所形成的土壤資源數(shù)據(jù)庫，所有數(shù)據(jù)均通過GIS軟件進(jìn)行空間分辨率轉(zhuǎn)換，得到空間分辨為30 m×30 m的柵格數(shù)據(jù)。

對評價指標(biāo)中的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)通過ArcGIS10.2軟件進(jìn)行IDW(反距離權(quán)重法)插值處理，形成柵格大小為30 m×30 m指標(biāo)體系數(shù)據(jù)。而后通過ArcGIS 10.2軟件的重分類功能進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理，建立評價指標(biāo)體系數(shù)據(jù)庫。

3.2　研究方法

3.2.1評價模型構(gòu)建

生態(tài)脆弱性即易受外界干擾，具有不穩(wěn)定性，這種易變性和不穩(wěn)定用生態(tài)敏感性來描述；同時生態(tài)環(huán)境在被干擾后自我修復(fù)能力的強(qiáng)或者弱可以用生態(tài)彈性來表達(dá)；另外生態(tài)環(huán)境脆弱性的高低還與其所處環(huán)境相關(guān)，因而用壓力狀況來表示。以IPCC的脆弱性概念為基礎(chǔ)，結(jié)合研究區(qū)特點(diǎn)，參考前人研究成果[15-19]，選擇影響環(huán)境生態(tài)脆弱性的變量建立評價模型，基于“敏感度-彈性度-壓力度”模式來確定評價因子。評價模型及公式為

式中:EEVI指生態(tài)環(huán)境脆弱度指數(shù)；n為評價指標(biāo)的個數(shù)；Wi為第i個評價指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)；Xi為第i個評價指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)值。一般地，EEVI的數(shù)值越大，生態(tài)脆弱程度越高;反之，則說明生態(tài)脆弱程度越低。

3.2.2評價指標(biāo)權(quán)重確定

指標(biāo)權(quán)重反映了其對生態(tài)脆弱性的貢獻(xiàn)度，采用層次分析法確定各指標(biāo)權(quán)重。主要在YAAHP 10.5軟件進(jìn)行，步驟如下：①通過1-9標(biāo)度法對各指標(biāo)進(jìn)行比較，構(gòu)建指標(biāo)層判斷矩陣、確定各指標(biāo)的相對權(quán)重；②將判斷矩陣結(jié)果進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，經(jīng)YAAHP 10.5檢驗(yàn)，判斷矩陣一致性為0.017 6<0.10，則判斷矩陣具有滿意的一致性，模型指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算合理；③根據(jù)計(jì)算結(jié)果得到各單項(xiàng)指標(biāo)的最終權(quán)重(表1)。

表1　生態(tài)環(huán)境脆弱度評價指標(biāo)體系Table 1　Indicators system for assessing the vulnerabilityof eco-environment

3.3　印江縣生態(tài)環(huán)境脆弱性評價

通過建立的計(jì)算模型和確定的權(quán)重，計(jì)算生態(tài)環(huán)境脆弱性指數(shù)，評價印江縣生態(tài)環(huán)境脆弱度。在ArcGIS10.2軟件中，以30 m×30 m數(shù)字網(wǎng)格作為基本評價單元，按照生態(tài)脆弱度計(jì)算公式，利用空間分析中的地圖代數(shù)功能對單因子空間柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加，得到每個柵格單元上的生態(tài)脆弱度指數(shù)。

4　結(jié)果與分析

4.1　生態(tài)脆弱性分級

根據(jù)印江縣生態(tài)環(huán)境的特點(diǎn)，通過賦予各基礎(chǔ)數(shù)據(jù)權(quán)重，并結(jié)合印江縣生態(tài)環(huán)境脆弱性評價結(jié)果，參考國土、環(huán)境等部門的綜合評價方法，將研究區(qū)生態(tài)脆弱度分為5級：潛在脆弱(<2.5)，即生態(tài)環(huán)境整體情況較好；輕度脆弱([2.5,3))，即生態(tài)環(huán)境壓力較??；中度脆弱([3,3.5))，即有良好的自我恢復(fù)能力，通過一定的治理措施，生態(tài)環(huán)境會有所改善；重度脆弱([3.5,4))，即生態(tài)承載力較低，具有一定的安全隱患，自我修復(fù)能力較低；極度脆弱([4,5)),即區(qū)域內(nèi)存在嚴(yán)重的生態(tài)安全問題，生態(tài)系統(tǒng)功能有較大的下降，如果治理不當(dāng)，將進(jìn)一步惡化。

4.2　印江縣生態(tài)脆弱性的時間變化

從統(tǒng)計(jì)結(jié)果(表2)可以看出，印江縣潛在脆弱區(qū)的面積由2010年的5.52%下降到了2015年的4.00%。2010年輕度脆弱區(qū)、中度脆弱區(qū)、重度脆弱區(qū)的面積分別占區(qū)域面積的81.08%，11.89%，1.40%，輕度脆弱區(qū)占絕對優(yōu)勢地位，極度脆弱區(qū)面積僅占0.1%。2015年，輕度脆弱區(qū)面積有所增加，為83.60%，中度脆弱區(qū)、重度脆弱區(qū)的面積都有所減少，比率分別為11.58%，1.02%，輕度脆弱面積仍然占據(jù)很大比重。極度脆弱區(qū)的面積下降到了0.03%，只占據(jù)區(qū)域面積的很小一部分。總體而言，極度脆弱區(qū)面積和重度脆弱區(qū)面積都下降了，印江縣2010—2015年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量整體呈好轉(zhuǎn)趨勢。

表2　2010和2015年脆弱區(qū)面積及所占比重Table 2　Vulnerable areas and percentages in2010 and 2015

4.3　印江縣生態(tài)脆弱性的空間分布

從印江縣生態(tài)脆弱性空間分布(圖1)看，印江縣生態(tài)脆弱性較高的地區(qū)主要是中部峽谷地帶以及西北部、北部區(qū)域。這些區(qū)域處于地勢較高、坡度較大、植被覆蓋較低的地區(qū)，同時降水較少，氣溫較高，導(dǎo)致這些地區(qū)生態(tài)環(huán)境較為脆弱；而生態(tài)脆弱性較低的區(qū)域多為地勢較低、地形平坦、植被豐富、人口較少的地區(qū)。值得注意的是，重度脆弱區(qū)和極度脆弱區(qū)大部分分布在槽谷地帶，這些區(qū)域是石漠化程度較高的區(qū)域。因而，在喀斯特地區(qū)，石漠化程度是影響一個區(qū)域生態(tài)環(huán)境的重要影響因素之一。

圖1　印江縣生態(tài)脆弱度空間分布Fig.1　Spatial distribution of ecological vulnerability ofYinjiang County

2010年，研究區(qū)中部、東部、南部區(qū)域多為潛在脆弱和輕度脆弱，其他地區(qū)都伴隨著較大面積的中度脆弱區(qū)，重度和極度脆弱區(qū)域尤其以槽谷地帶的郎溪鎮(zhèn)和北部、西北部地區(qū)為主；這些地區(qū)多是地形起伏巨大、植被覆蓋較差的地區(qū)。2015年，研究區(qū)生態(tài)環(huán)境有所改善，極度和重度脆弱地區(qū)都有所減少，多轉(zhuǎn)為潛在脆弱、輕度脆弱。這些區(qū)域地勢相對平坦，地形起伏較小。隨著各個治理工程的投入使用以及新一輪的石漠化治理，生態(tài)環(huán)境有所改善。

2010—2015年間，從研究區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱度變化特征上來看，極度和重度脆弱區(qū)分布從外圍開始縮減、輕度脆弱多由潛在脆弱區(qū)環(huán)境退化而轉(zhuǎn)化過來、梵凈山地區(qū)即新業(yè)鄉(xiāng)、木黃鎮(zhèn)區(qū)域生態(tài)環(huán)境有所改善。南部地區(qū)生態(tài)環(huán)境則有一定程度的退化，從潛在脆弱區(qū)變成了輕度脆弱區(qū)，需要進(jìn)一步改善。中壩鄉(xiāng)和鵝嶺鎮(zhèn)交界的槽谷地帶生態(tài)環(huán)境有一定程度的改善，極度和中度脆弱面積都有所減少。2個時期的生態(tài)環(huán)境脆弱高的區(qū)域分布具有相似的特性，槽谷地帶的生態(tài)環(huán)境脆弱性普遍偏高，其分布具有破碎化、連貫性的特性，符合喀斯特地區(qū)的地域特點(diǎn)。

把研究區(qū)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)邊界矢量數(shù)據(jù)與2010年、2015年的生態(tài)環(huán)境脆弱度等級分布數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加，進(jìn)行分區(qū)統(tǒng)計(jì)得到生態(tài)脆弱度等級在各個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的分布情況(表3、表4)。

表3　2010年印江縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)生態(tài)脆弱性等級分布Table 3　Distribution of different levels of vulnerability area in villages and towns of Yinjiang County in 2010

表4　2015年印江縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)生態(tài)脆弱性等級分布Table 4　Distribution of different levels of vulnerability area in villages and towns of Yinjiang County in 2015

根據(jù)表3的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2010年潛在脆弱區(qū)主要分布在新業(yè)鄉(xiāng)，占了整個潛在脆弱區(qū)面積的28.32%；中度脆弱區(qū)、重度脆弱區(qū)和極度脆弱區(qū)則都在郎溪鎮(zhèn)，分別占了13.14%，43.27%和83.86?？梢钥闯?010年生態(tài)環(huán)境較好的區(qū)域是洋溪鎮(zhèn)、纏溪鎮(zhèn)、新業(yè)鄉(xiāng)、木黃鎮(zhèn)、新寨鄉(xiāng)；生態(tài)環(huán)境較差的區(qū)域?yàn)榈秹梧l(xiāng)、郎溪鎮(zhèn)，其中尤其是郎溪鎮(zhèn)，整體生態(tài)環(huán)境較差，生態(tài)環(huán)境脆弱度較高。

根據(jù)表4的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來看，2015年潛在脆弱區(qū)有了較大的變化，轉(zhuǎn)移到了木黃鎮(zhèn)、新業(yè)鄉(xiāng)、永義鄉(xiāng)、纏溪鎮(zhèn)，2010年潛在脆弱區(qū)面積最大的新業(yè)鄉(xiāng)則變成了14.84%，急劇下降。輕度脆弱區(qū)變化最大的則是洋溪鎮(zhèn)，其中洋溪鎮(zhèn)多為輕度脆弱區(qū)轉(zhuǎn)變成為潛在脆弱區(qū)，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量有所好轉(zhuǎn)。從2個時期的評價結(jié)果來看，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量最好的區(qū)域都是新業(yè)鄉(xiāng)、纏溪鎮(zhèn)、洋溪鎮(zhèn)，這3個區(qū)域2個時期潛在脆弱區(qū)和輕度脆弱區(qū)的面積都是最多的。而生態(tài)環(huán)境較差的區(qū)域則是郎溪鎮(zhèn)，2個時期重度、極度脆弱區(qū)都占了同一時期重度、極度脆弱區(qū)面積的較大比例。由于處于槽谷地帶，這個區(qū)域的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量堪憂，雖然一直通過各種工程措施在進(jìn)行治理，其狀況仍然值得引起注意。

4.4　生態(tài)環(huán)境脆弱性成因分析

2010年和2015年，2個時期的研究區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)域的空間分布類似。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看，2010年輕度脆弱區(qū)和中度脆弱區(qū)面積占區(qū)域面積的86.60%；2015年輕度、中度脆弱面積占區(qū)域面積的87.37%；2個時期都是以輕度、中度脆弱為主。研究區(qū)的南部、東南部木黃鎮(zhèn)、新業(yè)鄉(xiāng)、永義鄉(xiāng)、纏溪鎮(zhèn)、新寨鄉(xiāng)、楊柳鄉(xiāng)、洋溪鎮(zhèn)等地區(qū)生態(tài)脆弱性以潛在和輕度為主，是整個地區(qū)生態(tài)環(huán)境較好的區(qū)域，這些地區(qū)地勢相對平坦，地形起伏較小，人口密度較低，伴隨著多年的大力度的退耕還林還草工程以及石漠化治理工程，植被覆蓋較好，區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)相對穩(wěn)定。

中部以郎溪鎮(zhèn)為中心，向西北、北部地帶延伸的郎溪鎮(zhèn)、刀壩鄉(xiāng)以及中壩鄉(xiāng)和鵝嶺鎮(zhèn)的交界地區(qū)多為重度脆弱區(qū)以及極度脆弱區(qū)。這些區(qū)域處于地勢高、坡度大、地形起伏較大的峽谷地帶，由于坡度大，又處于槽谷地帶，植被覆蓋較低，容易形成泥石流，成為比較嚴(yán)重的水土流失區(qū)域。近年來隨著政府加大治理力度，建立示范區(qū)，通過石漠化治理工程一定程度改善了區(qū)域的生態(tài)環(huán)境，其重度脆弱、極度脆弱區(qū)面積也有所減少。研究區(qū)的東南角也存在一定面積的中度、重度脆弱區(qū)，這部分地區(qū)主要是地勢高、地形起伏大，植被覆蓋少，同時由于人煙稀少，政府部門雖然有一定投入，但相對不夠重視，治理力度不夠，仍然有一小部分區(qū)域處于中度脆弱地帶。

從結(jié)果來看，生態(tài)環(huán)境的脆弱性與石漠化程度、植被覆蓋、人口密度、地形起伏以及坡度有密切的關(guān)系。人類活動以及生態(tài)環(huán)境保護(hù)意識的缺失是造成部分區(qū)域生態(tài)環(huán)境較為脆弱的主要原因之一。

5　結(jié)論與討論

結(jié)合 RS 和 GIS 技術(shù)，以典型喀斯特槽谷區(qū)印江縣作為研究區(qū)，基于“敏感度-彈性度-壓力度”模型分析了印江縣2010年和2015年生態(tài)脆弱性的時空變化特征，得出結(jié)論如下：

(1)從2個時期各個生態(tài)脆弱性等級的面積變化來看，印江縣2010—2015年的生態(tài)脆弱性整體呈好轉(zhuǎn)趨勢，輕度脆弱面積有所增加，中度脆弱和重度脆弱、極度脆弱面積皆有所下降。從空間上看，2個時期極度脆弱和重度脆弱的區(qū)域主要分布在郎溪鎮(zhèn)。該區(qū)域處于槽谷地帶，坡度以及地形起伏度較大，密集的人口分布和復(fù)雜的生態(tài)環(huán)境，同時不合理的開發(fā)利用更是加快了其生態(tài)環(huán)境的惡化。而印江縣不斷進(jìn)行工程治理，實(shí)行相關(guān)環(huán)境保護(hù)條例，使得生態(tài)環(huán)境的惡化趨勢有了一定程度的緩解，在2015年，生態(tài)環(huán)境有所好轉(zhuǎn)。

(2)本文與以往的研究主要不同在于時空2個尺度：時間尺度上，通過多期柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行生態(tài)環(huán)境定量評價，為長時序生態(tài)環(huán)境評價及預(yù)測提供了一個參考；空間尺度上，通過自然環(huán)境和社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)相結(jié)合，借助技術(shù)手段進(jìn)行尺度的統(tǒng)一，從而實(shí)現(xiàn)30 m×30 m柵格的評價尺度，提供了一種解決不同數(shù)據(jù)融合問題的方式。

生態(tài)環(huán)境的惡化已經(jīng)成為制約山區(qū)發(fā)展的重要因素之一，本文通過建立評價模型，運(yùn)用多個評價指標(biāo)對印江縣生態(tài)環(huán)境進(jìn)行了評價，從時空2個角度分析了印江縣2個時期的生態(tài)環(huán)境脆弱性狀況，以期為印江縣的生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供一定的參考。由于部分資料的精度不足、指標(biāo)權(quán)重的確定存在一定的主觀因素，在今后的研究中應(yīng)加以改善。

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