基于GIS的北京市生態(tài)脆弱性評價(jià)

付 剛,白加德,齊 月,閆 冰,賀 婧,肖能文,李俊生①

(1.北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院/ 城市水循環(huán)與海綿城市技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100875;2.中國環(huán)境科學(xué)研究院/ 國家環(huán)境保護(hù)區(qū)域生態(tài)過程與功能評估重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100012;3.北京麋鹿生態(tài)實(shí)驗(yàn)中心,北京 100076;4.中國人民大學(xué)環(huán)境學(xué)院,北京 100872)

生態(tài)脆弱性研究是全球環(huán)境變化領(lǐng)域的核心問題之一,也是評價(jià)生態(tài)問題和開展生態(tài)恢復(fù)的重要分析工具[1]?！按嗳跣浴币辉~最早應(yīng)用于社會(huì)科學(xué)領(lǐng)域,后被生態(tài)學(xué)領(lǐng)域廣泛使用[2]。WILLIAMS等[3]認(rèn)為生態(tài)脆弱性反映的是生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)對干擾的潛力和耐受力,生態(tài)脆弱性會(huì)受到系統(tǒng)的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)、外部自然條件以及人為因素的影響,即由系統(tǒng)的維持能力、抵抗能力和外在的干擾強(qiáng)度所決定[4]。

目前我國生態(tài)脆弱性研究已經(jīng)從早期的生態(tài)脆弱區(qū)的識(shí)別[5],擴(kuò)展到社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和自然生態(tài)系統(tǒng)等多個(gè)領(lǐng)域[6]。常用的脆弱性評估模型有:地點(diǎn)危險(xiǎn)模型、危險(xiǎn)-暴露-響應(yīng)模型、壓力-狀態(tài)-響應(yīng)模型[7]、敏感-暴露-適應(yīng)模型[8]、物種敏感性分布模型和“敏感、彈性和壓力”評估框架模型[9]等。隨著全球氣候變化以及土地利用和覆蓋變化研究的深入,生態(tài)脆弱性及其評估、脆弱生態(tài)環(huán)境可持續(xù)性管理的應(yīng)用領(lǐng)域日趨廣泛,并成為全球可持續(xù)發(fā)展研究的熱點(diǎn)問題[10]。而地理信息系統(tǒng)(GIS)的發(fā)展,為研究生態(tài)脆弱性提供了新的時(shí)空研究角度,使其呈現(xiàn)綜合化發(fā)展和空間定量化分析的趨勢[11]。

“敏感、彈性和壓力”評估框架模型更適于評價(jià)“社會(huì)-自然”耦合系統(tǒng)[12],框架包含生態(tài)敏感性評價(jià)、生態(tài)彈性評價(jià)和生態(tài)壓力評價(jià)3個(gè)部分,生態(tài)敏感性指系統(tǒng)對環(huán)境和人為干擾的敏感程度[13],一般而言生態(tài)敏感性越高,生態(tài)系統(tǒng)脆弱性就越大;生態(tài)彈性指系統(tǒng)在內(nèi)外壓力不超過其閾值時(shí)能夠進(jìn)行自我調(diào)節(jié)和恢復(fù)的能力[5,14],當(dāng)外界壓力超過系統(tǒng)承受能力和恢復(fù)能力時(shí),生態(tài)環(huán)境就會(huì)遭到破壞;生態(tài)壓力指系統(tǒng)面臨的外界干擾的程度,反映系統(tǒng)受到脅迫的程度。北京市是我國最大的城市之一,在快速城市化背景下,土地覆蓋劇烈變化等一系列問題致使區(qū)域生態(tài)壓力過大[15],產(chǎn)生生態(tài)環(huán)境問題。采用“敏感、彈性和壓力”評估框架模型,根據(jù)北京市生態(tài)環(huán)境特點(diǎn),選取自然、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)等多源空間分布數(shù)據(jù),利用空間主成分分析法,以30 m×30 m柵格為評價(jià)單元,定量評價(jià)北京市生態(tài)脆弱性,這有助于了解北京市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況,判別敏感暴露源,為生態(tài)環(huán)境管理提供決策依據(jù),對北京市生態(tài)環(huán)境保護(hù)和資源合理利用有較高現(xiàn)實(shí)意義。

1 研究區(qū)概況

北京市位于華北平原北部,地跨39°28′～41°05′ N,115°25′～117°30′ E,總面積16 410.54 km2,平均海拔43.5 m,其中最高海拔達(dá)2 303 m,最低海拔僅10 m,地勢呈西北高,東南低;屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候區(qū),典型植被類型為暖溫帶落葉闊葉林。研究區(qū)年平均氣溫12.3 ℃,年平均降水400～600 mm。北京為華北地區(qū)降水量最多的區(qū)域之一,但降水量季節(jié)分配不均,夏季降水量大,常有暴雨發(fā)生,局部區(qū)域出現(xiàn)短時(shí)洪澇災(zāi)害;冬季降水量較少,容易產(chǎn)生風(fēng)沙及重污染天氣。

“十二五”以來,研究區(qū)生態(tài)環(huán)境得到一定改善,但仍然面臨大氣污染、水資源稀缺、人口壓力過大等問題。近幾年的《北京市環(huán)境質(zhì)量公報(bào)》顯示,北部山區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量最好,中心城鎮(zhèn)區(qū)域和西南部生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)較低,主要面臨濕地退化、生態(tài)恢復(fù)能力差和環(huán)境容量不足等風(fēng)險(xiǎn)[16]。

2 研究數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

數(shù)據(jù)來源見表1。

表1數(shù)據(jù)來源與說明

Table1Datesourcesanddescription

數(shù)據(jù)類別數(shù)據(jù)來源采集時(shí)間數(shù)據(jù)分辨率 土地覆蓋SPOT52013年7—9月2.5 m 植被覆蓋指數(shù)(NDVI)Landsat8 OLI2013和2014年7—9月30 m 人口數(shù)據(jù)《北京市統(tǒng)計(jì)年鑒》,中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心中國公里網(wǎng)格人口分布數(shù)據(jù)集2010和2013年1 km 經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)《北京市統(tǒng)計(jì)年鑒》,中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心中國公里網(wǎng)格經(jīng)濟(jì)分布數(shù)據(jù)集2010和2013年1 km 土壤數(shù)據(jù)基于世界土壤數(shù)據(jù)庫(HWSD)的中國土壤數(shù)據(jù)集(V1.1)1 km 環(huán)境質(zhì)量數(shù)據(jù)《北京市環(huán)境質(zhì)量公報(bào)》2013年30 m 地形和坡度數(shù)據(jù)地理數(shù)據(jù)空間數(shù)據(jù)云GDEMV2 30 m數(shù)字高程數(shù)據(jù)2009年30 m

遙感影像數(shù)據(jù)采用ENVI 5.0和ArcGIS 10.2軟件進(jìn)行預(yù)處理,主要包括:配準(zhǔn)、大氣校正、波段融合、幾何校正和裁剪等。遙感解譯采用面向?qū)ο蟮姆诸惙椒?基于4層尺度的分割算法,根據(jù)分類對象和地物特征的差異,采用eCognition 8.7軟件中模糊分類方法和最鄰近分類方法提取土地覆蓋二級(jí)分類對象,并按GB/T 21010—2007《土地利用現(xiàn)狀分類》進(jìn)行分類,得到空間分辨率為2.5 m的土地覆蓋數(shù)據(jù)(圖1)。抽取150個(gè)檢驗(yàn)點(diǎn)對分類結(jié)果進(jìn)行精度檢驗(yàn),Kappa系數(shù)為0.81,檢驗(yàn)精度為83.5%,符合研究需求。

圖1 北京市土地覆蓋數(shù)據(jù)Fig.1 The land use cover of Beijing city

2.2 生態(tài)脆弱性評估框架構(gòu)建

生態(tài)脆弱性指標(biāo)選擇需綜合考慮區(qū)域的復(fù)雜性、尺度和過程[2],基于北京市生態(tài)環(huán)境特征,參照已有自然生態(tài)系統(tǒng)和城市系統(tǒng)相關(guān)脆弱性研究結(jié)果[17],建立指標(biāo)體系[18-23](表2)。

“敏感、彈性和壓力”評估框架模型是一個(gè)適宜于耦合系統(tǒng)的綜合性評價(jià)模型,可以強(qiáng)調(diào)“社會(huì)-自然”耦合系統(tǒng)的敏感性、彈性和壓力間的折衷關(guān)系[24],計(jì)算公式為

(1)

式(1)中,IEV為生態(tài)脆弱度(ecological vulnerability index,EVI);IES為生態(tài)敏感度(ecological sensitivity index,ESI);IEE為生態(tài)彈性度(ecological elasticity index,EEI);IEP為生態(tài)壓力度(ecological pressure index,EPI);Su、Eu和Pu分別為柵格數(shù)據(jù)中各柵格ESI、EEI和EPI值;WS、WE和WP分別為ESI、EEI和EPI權(quán)重。

主成分分析法(PCA)是多元統(tǒng)計(jì)分析中用數(shù)據(jù)降維方式獲得指標(biāo)權(quán)重的常用方法?？臻g主成分方法(SPCA)則是基于GIS的PCA方法。各指標(biāo)均為空間柵格矩陣數(shù)據(jù),使用ArcGIS 10.2軟件空間分析模塊中SPCA功能,將各空間變量進(jìn)行SPCA分析,得到新空間主成分及其貢獻(xiàn)率、特征向量和載荷系數(shù)[25]，計(jì)算公式為

(2)

(3)

式(1)中各指標(biāo)及其權(quán)重由式(2)～(3)計(jì)算得到,按ESI、EEI、EPI和EVI 4個(gè)綜合指標(biāo)數(shù)值大小劃分為5個(gè)等級(jí):一般(0～<0.2)、低度(0.2～<0.4)、中度(0.4～<0.6)、高度(0.6～<0.8)和極高(0.8～1.0)。

若指標(biāo)數(shù)值與生態(tài)脆弱程度呈正相關(guān),為正向型指標(biāo);反之則為逆向型指標(biāo)。計(jì)算前先采用極差法進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理,計(jì)算公式為

正向型指標(biāo):Pf=(P-Pmin)/(Pmax-Pmin),

(4)

逆向型指標(biāo):Pf=(Pmax-P)/(Pmax-Pmin)。

(5)

式(4)～(5)中,Pf為指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化值;Pmax為指標(biāo)最大值;Pmin為指標(biāo)最小值;P為原值。

表2北京市生態(tài)脆弱性評價(jià)指標(biāo)體系

Table2IndexsystemassessmentofecologicalvulnerabilityinBeijingCity

目標(biāo)層 準(zhǔn)則層指標(biāo)層代碼指標(biāo)說明和計(jì)算方法 生態(tài)脆弱度(EVI)生態(tài)敏感度(ESI)水土流失敏感度SE正向型指標(biāo)。由地形坡度、景觀類型、土壤類型和降雨量等數(shù)據(jù)以通用水土流失方程為基礎(chǔ),參照文獻(xiàn)[18-19]計(jì)算得到 地形因子 TF 正向型指標(biāo)。由地理高程模型(DEM)計(jì)算得到景觀敏感度LS正向型指標(biāo)。使用土地利用分類數(shù)據(jù),采用fragstats 3.4軟件計(jì)算景觀聚合度、分離度、斑塊類型豐富度和斑塊密度4個(gè)景觀指數(shù)得到[20] 空氣環(huán)境質(zhì)量 AEQ 正向型指標(biāo)。由標(biāo)準(zhǔn)化后SO2、NO2、PM10和PM2.5等空氣環(huán)境質(zhì)量狀況利用空間主成分分析法計(jì)算得到水域環(huán)境質(zhì)量 WEQ 正向型指標(biāo)。由水環(huán)境質(zhì)量狀況根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量評價(jià)辦法(試行)》(環(huán)辦[2011]22號(hào))計(jì)算得到生態(tài)彈性度 植被生產(chǎn)力 NDVI 逆向型指標(biāo)。將植被覆蓋指數(shù)作為植被生產(chǎn)力指標(biāo)(EEI)自然保護(hù)區(qū)因子 RF 逆向型指標(biāo)。由北京市自然保護(hù)區(qū)的建立年限、級(jí)別和重要性計(jì)算得到[21]區(qū)域環(huán)境適宜度EQ逆向型指標(biāo)。由年均降水量、年均溫、土壤有機(jī)質(zhì)含量和地表水環(huán)境等數(shù)據(jù)采用多準(zhǔn)則綜合評價(jià)模型[22]計(jì)算得到生態(tài)壓力度(EPI) 建設(shè)壓力 UND 正向型指標(biāo)。將標(biāo)準(zhǔn)化后的每km2建設(shè)用地占比柵格數(shù)據(jù)作為社會(huì)生態(tài)壓力指標(biāo)[23] 人口壓力 PPD 正向型指標(biāo)。將標(biāo)準(zhǔn)化后的人口密度柵格數(shù)據(jù)作為社會(huì)生態(tài)壓力指標(biāo) 經(jīng)濟(jì)壓力 GDP 正向型指標(biāo)。將標(biāo)準(zhǔn)化后的國內(nèi)生產(chǎn)總值柵格數(shù)據(jù)作為社會(huì)生態(tài)壓力指標(biāo)

2.3 生態(tài)脆弱性空間自相關(guān)分析

地理空間格局往往具有某種趨勢或梯度,即生態(tài)脆弱性指標(biāo)在空間格局上的變化可能依賴一個(gè)或多個(gè)空間結(jié)構(gòu)的自變量,且在空間格局上具有尺度效應(yīng),可以采用生態(tài)脆弱性指標(biāo)空間格局的Moran′sI指數(shù)反映其地理空間依賴性[26]。Moran′sI指數(shù)可反映空間上鄰接或鄰近區(qū)域單元屬性值的相似程度。北京市生態(tài)脆弱性指標(biāo)的全局Moran′sI指數(shù)的I值[27]和Z檢驗(yàn)的Z值采用GeoDa 1.6和ArcGis 10.2軟件計(jì)算得到。

I值為-1～1,I值小于0則某一格局尺度下數(shù)據(jù)間的地理空間相關(guān)性為負(fù)相關(guān),等于0則為不相關(guān),大于0則為正相關(guān)。

(6)

3 結(jié)果與分析

3.1 生態(tài)敏感度、彈性度和壓力度評價(jià)結(jié)果分析

EVI的11個(gè)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)及權(quán)重見圖2。指標(biāo)中植被生產(chǎn)力(NDVI)和建設(shè)壓力(UND)權(quán)重最大,分別為0.424和0.210,是北京市生態(tài)脆弱性的主要影響因子。各指標(biāo)空間分布具有顯著地理格局特征,呈“西北—東南”方向性漸進(jìn)變化趨勢。

根據(jù)評價(jià)指標(biāo)計(jì)算方法,采用ArcGIS 10.2軟件計(jì)算得到ESI、EEI和EPI的評價(jià)結(jié)果(圖3),并根據(jù)等級(jí)劃分統(tǒng)計(jì)各等級(jí)面積占比(表3)。研究區(qū)ESI、EEI和EPI的空間異質(zhì)性較大,各區(qū)域面臨的生態(tài)壓力、彈性和敏感狀況都不同,研究區(qū)ESI為低度敏感性的區(qū)域面積最大,占研究區(qū)面積的35.5%,主要分布于東、南平原地區(qū);EEI主要為中、高度,其面積之和占研究區(qū)面積的52.6%,主要土地利用類型為農(nóng)田和草地;EPI則主要與人類活動(dòng)有關(guān),表現(xiàn)出中心城區(qū)聚集分布的特征。研究區(qū)在地理空間分布上可分為山區(qū)和平原地區(qū)2大區(qū)域,山區(qū)特點(diǎn)為高ESI、高EEI和低EPI,陡坡山區(qū)的生態(tài)敏感性最高,極高敏感區(qū)面積占研究區(qū)面積的5.4%,主要生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)為水土流失;平原地區(qū)特點(diǎn)為高EPI、中EEI和低ESI,其中,東北部平原地區(qū)的生態(tài)適宜度較高,具有較高生態(tài)彈性,而城鎮(zhèn)區(qū)域生態(tài)彈性較低;北京市生態(tài)壓力從中心城區(qū)到郊區(qū)呈現(xiàn)遞減趨勢,北京市資源、人口和經(jīng)濟(jì)在空間上呈中心大城區(qū)高周邊低的“層圈式”分布特點(diǎn)。

Wj為指標(biāo)權(quán)重,+為正向指標(biāo),-為負(fù)向指標(biāo)。

ESI為生態(tài)敏感度,EEI為生態(tài)彈性度,EPI為生態(tài)壓力度。

表3北京市生態(tài)敏感度、生態(tài)彈性度、生態(tài)壓力度和生態(tài)脆弱度各等級(jí)面積占比統(tǒng)計(jì)

Table3TheecologicalvulnerabilityindexandgradestatisticsofthedistrictsinBeijingCity

評價(jià)等級(jí)面積占比/%生態(tài)敏感度(ESI)生態(tài)彈性度(EEI)生態(tài)壓力度(EPI)生態(tài)脆弱度(EVI) 一般7.121.375.010.6 低度35.516.312.428.9 中度26.826.36.827.0 高度25.226.34.024.6 極高5.49.81.88.9

3.2 生態(tài)脆弱性綜合評價(jià)結(jié)果分析

由表3可知,研究區(qū)生態(tài)脆弱性一般區(qū)域面積占研究區(qū)面積的10.6%,極高脆弱區(qū)面積占8.9%,低度、中度和高度脆弱區(qū)面積分別占研究區(qū)面積的28.9%、27.0%和24.6%。研究區(qū)生態(tài)脆弱性指標(biāo)和等級(jí)空間分布見圖4,其中,EEI權(quán)重最大,為0.526,EPI和ESI權(quán)重分別為0.278和0.196。平原地區(qū)人為開發(fā)強(qiáng)度大,植被減少,建設(shè)用地增加,以中心城區(qū)和周圍城鎮(zhèn)區(qū)域?yàn)榇淼某擎?zhèn)化區(qū)域生態(tài)脆弱性最高;北部和西部山地林區(qū)自然植被覆蓋較高,生態(tài)脆弱性較低。由圖4可知,脆弱性一般區(qū)域生態(tài)環(huán)境良好,EPI較小,EEI較高,具有較強(qiáng)的抗干擾能力和恢復(fù)能力;低度脆弱區(qū)生態(tài)彈性和生態(tài)承載力較高,但面臨一定的水土流失風(fēng)險(xiǎn);中度脆弱區(qū)EEI較低，EPI中等,但區(qū)域環(huán)境適宜度(EQ)較高,生態(tài)恢復(fù)潛力較大;高度脆弱區(qū)多位于城郊交錯(cuò)區(qū),EEI很低,人口壓力較大,生態(tài)恢復(fù)成本較高;極高脆弱區(qū)主要位于中心城區(qū)及新城區(qū),是城市化最顯著的區(qū)域,區(qū)域內(nèi)植被較少,不透水地面占比高,生態(tài)壓力大。

圖4 北京市生態(tài)脆弱性指標(biāo)和等級(jí)空間分布

從北京市行政區(qū)尺度進(jìn)行衡量,得到全市及16個(gè)行政區(qū)域(東城區(qū)和西城區(qū)作為1個(gè)區(qū)域進(jìn)行評價(jià))ESI、EEI、EPI和EVI的特征狀況。由圖5～6可知,研究區(qū)各區(qū)域脆弱度等級(jí)分布較均衡,整體呈中度脆弱性,但各行政區(qū)域的生態(tài)脆弱性狀況差異較大,中心城區(qū)生態(tài)壓力高,是極高脆弱區(qū)的主要分布區(qū)域,其中，東、西城區(qū)土地利用類型主要為建設(shè)用地,生態(tài)脆弱度最高,屬于極高脆弱區(qū)。而延慶、密云、懷柔和門頭溝4區(qū)森林覆蓋較高,生態(tài)脆弱性最低,主要為低度脆弱區(qū)和一般區(qū)域。

1～16分別為北京市全市、東西城區(qū)、朝陽、豐臺(tái)、海淀、大興、通州、石景山、順義、平谷、昌平、房山、延慶、密云、懷柔和門頭溝區(qū)。

1～16分別為北京市全市、東西城區(qū)、朝陽、豐臺(tái)、海淀、大興、通州、石景山、順義、平谷、昌平、房山、延慶、密云、懷柔和門頭溝區(qū)。

3.3 北京市生態(tài)脆弱性的空間格局分析

整體上,研究區(qū)EVI空間格局呈從西北到東南方向的山區(qū)低、城鎮(zhèn)高的分布特征。在行政區(qū)域尺度上,各區(qū)EVI指標(biāo)與到中心城區(qū)的距離呈反比,說明研究區(qū)生態(tài)脆弱性指標(biāo)的空間分布特征具有地理格局依賴性。進(jìn)一步分析不同尺度下I值和Z值發(fā)現(xiàn),北京市EVI、ESI、EEI和EPI的空間自相關(guān)性均具有顯著空間正相關(guān)的聚集關(guān)系(圖7,α=0.05,Z>1.96,P<0.05),且隨尺度增加空間分布的相關(guān)性逐漸降低。尺度為40～50 km時(shí)，Z值最大,表明該尺度下研究區(qū)生態(tài)脆弱性格局的空間自相關(guān)性最顯著,這與北京市中心城區(qū)“層圈式”結(jié)構(gòu)的直徑較一致,充分說明格局尺度依賴性較大。尺度相同時(shí),I值和Z值由大到小依次均為ESI、EPI和EEI,說明生態(tài)敏感性指標(biāo)在研究區(qū)的空間依賴性最高,其地理格局的趨勢性變化最顯著。Moran′sI指數(shù)還反映出局部空間在景觀層次上同質(zhì)化現(xiàn)象,這在一定程度上表明研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)和景觀多樣性降低。因此,建議在生態(tài)壓力較大區(qū)域?qū)嵤┥鷳B(tài)恢復(fù),增加綠地景觀豐富度,提高研究區(qū)生物多樣性,為研究區(qū)健康發(fā)展提供充裕生態(tài)保障。

圖7 北京市生態(tài)脆弱性的空間自相關(guān)性評價(jià)

3.4 生態(tài)脆弱性與土地利用類型的關(guān)系分析

北京市5種主要土地利用類型為耕地、林地、草地、濕地和建設(shè)用地,研究區(qū)快速城市化過程中建設(shè)用地不斷擴(kuò)張,濕地退化、耕地減少問題突出,而土地利用類型的轉(zhuǎn)移也會(huì)反映在生態(tài)脆弱性問題上。筆者發(fā)現(xiàn)土地利用方式與生態(tài)脆弱性之間關(guān)系密切,對研究區(qū)EVI、ESI、EEI和EPI與土地利用類型的柵格數(shù)據(jù)提取的間距1 km的網(wǎng)點(diǎn)矩陣數(shù)據(jù)進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn),Pearson相關(guān)性均為顯著相關(guān)(P<0.01),EVI、ESI、EEI和EPI相關(guān)系數(shù)分別為0.571、0.359、0.472和0.672。

分析不同土地利用類型組間差異可進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)土地利用方式對生態(tài)脆弱性的影響?；诙嘀乇容^分析法的EVI、EEI、EPI和ESI的不同土地利用類型間差異情況見圖8。不同土地利用類型間生態(tài)脆弱性指標(biāo)存在顯著差異,且同一土地利用類型不同生態(tài)脆弱性指標(biāo)也有差異。建設(shè)用地EVI最高,林地EVI最低,草地、濕地和耕地EVI之間差異不顯著(P>0.05),林地和建設(shè)用地與其他土地利用類型間EVI有顯著差異(P<0.05)。建設(shè)用地與EVI間相關(guān)性最大(Pearson相關(guān)系數(shù)為0.80,P<0.01)。林地與其他土地利用類型間均存在極顯著差異(P<0.01),說明森林生態(tài)系統(tǒng)在研究區(qū)具有獨(dú)特地位和價(jià)值,林地生態(tài)壓力較小,生態(tài)敏感性和生態(tài)彈性較高,雖然北京市生態(tài)林保護(hù)已經(jīng)取得一定成績,但仍有必要繼續(xù)加強(qiáng)。

同一組直方柱上方英文小寫字母不同表示不同土地利用類型間某指標(biāo)差異顯著(P<0.05)

4 討論

針對北京市“社會(huì)-自然”耦合生態(tài)系統(tǒng)特征,從土壤流失、景觀格局、氣候、植被、自然保護(hù)和城鎮(zhèn)化等方面進(jìn)行分析,以“敏感、彈性和壓力”生態(tài)脆弱性評估框架模型為基礎(chǔ),依托地理信息平臺(tái)構(gòu)建生態(tài)脆弱性評價(jià)方法,并從生態(tài)敏感性、生態(tài)彈性和生態(tài)壓力3個(gè)子系統(tǒng)角度進(jìn)行研究,揭示了研究區(qū)生態(tài)脆弱性的空間特征及其與土地利用類型的關(guān)系。其中,生態(tài)敏感性評價(jià)結(jié)果與顏磊等[28]研究結(jié)果較一致,其中對水土流失敏感度的評價(jià)一致性最高,山區(qū)陡坡區(qū)域及東北部丘陵地區(qū)水土流失風(fēng)險(xiǎn)最高,這也與北京市水土流失生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)結(jié)果[29]較一致。景觀指標(biāo)能夠反映生態(tài)脆弱性的空間格局狀況[30],一般地，景觀指標(biāo)破碎化程度越高,生態(tài)系統(tǒng)受外部影響越大,生態(tài)敏感性也越高[31]。生態(tài)壓力度主要反映人類社會(huì)活動(dòng)對區(qū)域的壓力狀況,建設(shè)壓力指標(biāo)是主要影響因子,北京市生態(tài)壓力度大小與建設(shè)用地密切相關(guān),城鎮(zhèn)和城郊交錯(cuò)區(qū)生態(tài)脆弱度最高。土地利用類型改變,尤其是農(nóng)業(yè)用地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地,濕地轉(zhuǎn)為農(nóng)業(yè)用地,會(huì)使生態(tài)系統(tǒng)承受更大壓力,導(dǎo)致系統(tǒng)生態(tài)承載力降低，脆弱性增加。準(zhǔn)則層中,EEI對EVI的貢獻(xiàn)最多,EEI與植被覆蓋度呈正比,城鎮(zhèn)與城郊區(qū)域主要生態(tài)問題之一就是綠地景觀不足和生物多樣性低,而城市綠地建設(shè)等生態(tài)保護(hù)工程對提高城鎮(zhèn)區(qū)域生態(tài)彈性具有積極作用[32],所以在高度脆弱區(qū)域?qū)嵤┥鷳B(tài)修復(fù)、增加綠地景觀具有較高價(jià)值。

北京市已有生態(tài)工程的實(shí)施對降低生態(tài)脆弱性有明顯效果,研究表明退耕還林面積最大的行政區(qū)生態(tài)脆弱性較低,且生態(tài)工程實(shí)施區(qū)域的生態(tài)脆弱性也低于周邊區(qū)域,如北京百萬畝造林工程、永定河河岸生態(tài)修復(fù)等生態(tài)工程實(shí)施區(qū)域生態(tài)脆弱性較低。建議根據(jù)各區(qū)域生態(tài)脆弱性特點(diǎn),在極高、高度生態(tài)脆弱區(qū)和敏感區(qū)優(yōu)先實(shí)施生態(tài)恢復(fù)工程,可以起到良好效果。局部區(qū)域,如東部和南部EVI呈“箭狀條帶”分布,是北京市發(fā)展中的城市“副中心”和京津、京保“發(fā)展軸”等重點(diǎn)發(fā)展區(qū)域。這些區(qū)域地理位置較好,生態(tài)敏感性較低,作為北京市新經(jīng)濟(jì)帶,面臨的生態(tài)壓力較大,主要生態(tài)問題為地表水水質(zhì)惡化、水資源不足和土地退化。建議加強(qiáng)這些區(qū)域的水資源保護(hù)和治理,加強(qiáng)生態(tài)修復(fù)，增強(qiáng)生態(tài)彈性,為進(jìn)一步發(fā)展做好生態(tài)保障。

土地利用方式與生態(tài)脆弱度間關(guān)系密切,不同土地利用類型間生態(tài)脆弱性存在差異。生態(tài)脆弱性最高的土地利用類型是建設(shè)用地。城郊區(qū)域主要面臨耕地喪失和景觀破碎化風(fēng)險(xiǎn),也是中、高度脆弱區(qū)的主要分布區(qū)域。山地林區(qū)生態(tài)脆弱性較低,但具有一定的水土流失風(fēng)險(xiǎn)。密云水庫庫區(qū)呈中度生態(tài)脆弱性,主要存在濕地退化和景觀破碎化的風(fēng)險(xiǎn)。而處于快速城市化地區(qū)的東部水域,面臨的生態(tài)壓力較大,河流水質(zhì)有待提高。不同區(qū)域的脆弱性主導(dǎo)因素也不同,城市郊區(qū)生態(tài)脆弱性的主導(dǎo)因素為城市化過程中土地覆蓋變化,即自然植被向耕地或由耕地向建設(shè)用地轉(zhuǎn)變;而山區(qū)的主導(dǎo)因素為植被減少、景觀同質(zhì)化和土壤流失。

筆者研究主要基于靜態(tài)空間分析,沒有進(jìn)行長時(shí)間序列的研究區(qū)生態(tài)脆弱性時(shí)空演變分析。通過情景模擬方式模擬環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展背景下的脆弱性變化,會(huì)是未來研究生態(tài)脆弱性問題關(guān)注的重點(diǎn)[33]。

5 結(jié)論

(1)北京市整體生態(tài)脆弱性程度呈中等水平,但城鎮(zhèn)區(qū)域生態(tài)脆弱性偏高(極高、高度脆弱區(qū)面積占北京市總面積的34%)。在行政區(qū)尺度上,東城、西城、朝陽、豐臺(tái)、海淀和石景山區(qū)等城區(qū)生態(tài)脆弱性最高,而門頭溝、懷柔和密云區(qū)生態(tài)脆弱性最低。

(2)生態(tài)彈性不足是造成平原地區(qū)生態(tài)脆弱性過高的首要原因,尤其是平原地區(qū)植被覆蓋度低和城鎮(zhèn)建設(shè)用地比例過高是北京市生態(tài)脆弱性的主要影響因子,主要表現(xiàn)在快速城市化過程中自然生態(tài)系統(tǒng)退化、建設(shè)用地?zé)o序擴(kuò)張和濕地退化等方面。

(3)EVI、ESI、EEI和EPI與土地利用方式關(guān)系密切,均呈顯著相關(guān)。其中,建設(shè)用地與EVI間相關(guān)性最大,Pearson相關(guān)系數(shù)為0.80。

(4)建議根據(jù)北京市生態(tài)脆弱性評價(jià)結(jié)果,針對不同的脆弱性成因采用不同的保護(hù)策略,對于由生態(tài)敏感性主導(dǎo)的北京市西部和北部山地脆弱區(qū),要采取保護(hù)為主的策略,封山育林，退耕還草,逐步恢復(fù)受損的天然森林和草地生態(tài)系統(tǒng);對于生態(tài)彈性度較低的區(qū)域,要進(jìn)行資源的合理利用,增加人工林面積,避免人類經(jīng)濟(jì)活動(dòng)超出區(qū)域生態(tài)承載力范圍;對于生態(tài)壓力較大的城市核心區(qū)域,需要進(jìn)一步完善生態(tài)廊道,增加城市綠地面積。