馬 進
(洛陽市氣象局,河南洛陽 471000)
隨著人類社會的快速發(fā)展,人類活動對氣候、生態(tài)系統(tǒng)的影響在不斷加劇,生態(tài)系統(tǒng)的變化情況與現(xiàn)狀得到人們的廣泛關(guān)注,其脆弱性是在受到外界影響因素擾動下表現(xiàn)出的偏離原狀態(tài)的現(xiàn)象[1],涉及社會系統(tǒng)、自然生態(tài)系統(tǒng)及社會生態(tài)耦合系統(tǒng),是人類活動、自然環(huán)境相互耦合的結(jié)果[2-3].
目前對生態(tài)系統(tǒng)脆弱性評價工作廣泛使用兩類方法:一是基于相應(yīng)過程的關(guān)鍵閾值的生態(tài)系統(tǒng)脆弱性評估[4],如趙東升等以動態(tài)植被模型LPJ 為主要工具,以區(qū)域氣候模式工具PRECIS 產(chǎn)生的情景氣候數(shù)據(jù)為輸入,模擬了未來氣候變化下中國自然生態(tài)系統(tǒng)脆弱性評價模型[5]. 二是基于表征生態(tài)系統(tǒng)狀況的指標體系[4],評判指標主要包括水文、氣候、地形地貌以及植被狀態(tài)等[6-7]. 如基于遙感植被參數(shù)作為指標體系判斷脆弱程度,高江波等[4]以MODIS為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源,評估了西藏高原自然生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性,并揭示其空間異質(zhì)性特征;王鶴松等[8]以植被總初級生產(chǎn)力作為功能性指標,研究天山-塔里木綠洲地區(qū)多類型生態(tài)系統(tǒng)脆弱性;張啟和李明玉[9]基于自然和人為因素作為功能指標采用VSD模型,以自然和人文因素雙重耦合驅(qū)動,研究延邊朝鮮族自治州生態(tài)脆弱性;薛聯(lián)青等[10]采用PSR 評價框架,結(jié)合模糊層次分析法定量評價塔里木河流域2005—2015年生態(tài)脆弱性,分析其時空分布和動態(tài)變化. 以上兩類方法相比較,基于響應(yīng)過程的生態(tài)系統(tǒng)脆弱性評估法量化程度高,但隨之帶來量化的不確定性以及評估方法論的缺陷[4].
河南是人口大省,經(jīng)濟發(fā)展與資源環(huán)境的矛盾日益突出,人均資源少,水資源缺乏且地域分布不均,土地資源承載力較重. 目前,河南省生態(tài)系統(tǒng)脆弱性研究相對較少,本研究使用SRP(敏感-恢復(fù)-壓力)邏輯模型,基于主成分分析獲得SRP模型各指標權(quán)重并計算河南省生態(tài)脆弱性指數(shù),同時對脆弱性等級進行評價;使用地理探測器分析模型各要素之間交互影響q值并進行要素驅(qū)動力分析. 開展河南省生態(tài)系統(tǒng)脆弱性研究,對中原地區(qū)環(huán)境承載能力評估、生態(tài)安全保障具有重要意義,以期為生態(tài)脆弱區(qū)生態(tài)恢復(fù)政策的制定提供科學(xué)理論依據(jù).
河南省地處黃河中下游,呈明顯的大陸性氣候特征,省內(nèi)南北地區(qū)氣候指標分異明顯. 總面積16.7 萬km2,平原盆地、山地丘陵分別占總面積的55.7%、44.3%,耕地總面積1.19億畝(7.93×106hm2)位居全國第4. 河南省位于中國中東部,是全國重要的交通、通訊交互樞紐中心,同時也是中原經(jīng)濟區(qū)核心省份. 全省常住人口共9 936.6萬人,位居全國第三,其中所轄市人口總數(shù)前5的地市分別為:鄭州、南陽、周口、商丘和洛陽. 2020年全省的城鎮(zhèn)化率由2005年的30.65%上升到55.43%. 省內(nèi)河流多發(fā)源于西部、西北部和東南部山區(qū),水資源總量居全國第19位,人均水資源量不足全國平均水平的1/5,屬嚴重缺水省份. 河南省產(chǎn)業(yè)層次較低、結(jié)構(gòu)不合理,工業(yè)污染物排放強度較高,人口數(shù)量大、人均占有資源少,資源支撐能力和環(huán)境承載能力承壓嚴峻.
高程DEM 數(shù)據(jù)來源于美國奮進號航天飛機的雷達地形測繪SRTM(Shuttle Radar Topography Mission,SRTM)數(shù)據(jù),坡向、坡度、起伏度數(shù)據(jù)利用ArcGIS對DEM數(shù)據(jù)處理后得到. 地貌類型、土壤侵蝕度、土地覆蓋類型、生物多樣性、GDP、人口密度、土壤類型數(shù)據(jù)來源國家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享平臺(www.geodata.cn). 年均氣溫、年降水數(shù)據(jù)來源與中國氣象氣象局“天擎”平臺. 夜間燈光等數(shù)據(jù)來源于DMSP/OLS、VIIRS 夜間燈光數(shù)據(jù),植被凈初生產(chǎn)力來源于Landsat系列多光譜遙感 衛(wèi) 星 數(shù) 據(jù)(https://earthexplorer.usgs.gov)MYD17A3HGF(6.1版)年度凈初級生產(chǎn)(NPP)產(chǎn)品,植被覆蓋度由Landsat 多光譜遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)MOD13A3(NDVI)數(shù)據(jù)計算而來.
基于SRP 模型概念研究[11-14],結(jié)合河南省人口眾多、人均資源少、水資源較為匱乏、城鎮(zhèn)化發(fā)展與環(huán)境承載矛盾突出等特點,同時考慮受地形、地貌、氣候等因素對生態(tài)環(huán)境的影響,選取了18 個要素作為評價指標,構(gòu)建河南省生態(tài)脆弱性評價指標體系,如表1所示.
表1 河南省生態(tài)脆弱性評價指標體系Tab.1 Evaluation index system of ecological vulnerability in Henan Province
使用ArcGIS 的Extract Multi Values To Points 工具,將柵格數(shù)據(jù)值提取至點,形成歸一化數(shù)矩陣. 將2010、2015、2020 年三期的指標要素數(shù)據(jù)導(dǎo)入SPSS 進行主成分分析,三期數(shù)據(jù)KMO 取樣適切性分別為0.881、0.941、0.892,均大于0.8,Bartlett球型檢驗顯著性均為0.000<0.05,選取累計方差貢獻率≥80%的前6個主成分進行分析,如表2所示.
表2 各主成分的特征值、貢獻率及累計貢獻率Tab.2 Eigenvalue,contribution rate and cumulative contribution rate of each principal component
綜合的成分模型系數(shù)vi[15]:
式中:biy為成分矩陣中指標要素i在成分y中的值;ay為特征值;py為方差貢獻率.
權(quán)重計算:
脆弱性評價指數(shù)Z計算:
式中:Z為脆弱性指數(shù)值;Si為指標要素賦值;ωi為指標要素權(quán)重.
評價指標為柵格指標數(shù)據(jù),主要分為數(shù)值型和屬性分類型. 對于數(shù)值類型柵格利用ArcGIS 重分類工具,用自然斷點法根據(jù)要素對脆弱性影響,正向要素由大到小按照5、4、3、2、1進行重分類賦值. 對于屬性分類柵格指標數(shù)據(jù),根據(jù)柵格代表的屬性類型,按照對脆弱性干擾或抗干擾的影響力進行分類并賦值,如表3所示.
表3 生態(tài)脆弱性評價指標分級標準Tab.3 Classification standard of ecological vulnerability evaluation index
為分析比較生態(tài)脆弱性,2010、2015、2020 年三期結(jié)果需具有可比度量,對生態(tài)脆弱性指數(shù)進行標準化處理.
生態(tài)脆弱性標準化處理:
式中:SIi為第i年生態(tài)脆弱性指數(shù)標準化值;Zi、Zmin和Zmax分別為第i年生態(tài)脆弱性指數(shù)實際值、生態(tài)脆弱性指數(shù)最小值和最大值. 為便于對生態(tài)脆弱性特征進行評價和分析,參考國內(nèi)外對生態(tài)脆弱性評價研究的標準[16-18],按照潛在脆弱(0~0.2)、微度脆弱(0.2~0.4)、輕度脆弱(0.4~0.6)、中度脆弱(0.6~0.8)、重度脆弱(0.8~1.0)五個等級進行分類.
使用乘算模型對生態(tài)脆弱性指數(shù)進行綜合直觀的評價[19]:式中:EVSI 為生態(tài)脆弱性綜合指數(shù);Pi為第i類脆弱性等級值;Ai為第i類脆弱性面積;S為研究區(qū)域總面積.
使用ArcGIS的柵格計算器,按照2015—2020年、2015—2019年分別對生態(tài)脆弱性等級進行疊加運算:
式中:Code2010to2015、Code2015to2020分別為2010—2015 年、2015—2020 年生態(tài)脆弱性分級變化代碼;Code2010、Code2015、Code2020分別為2010年、2015年、2020年生態(tài)脆弱性等級賦值,其中潛在脆弱(1)、微度脆弱(2)、輕度脆弱(3)、中度脆弱(4)、重度脆弱(5).
為分析指標要素對生態(tài)脆弱性變化影響和指標要素之間對生態(tài)脆弱性變化交互作用影響,使用地理探測器模型(http://geodetector.cn/)能夠分析時空演變格局及驅(qū)動機制[20-21]. 在地理探測器分析輸出的因子檢測器中,q值表示指標要素的影響力,值越大影響力越大;p值表示指標要素的解釋力,值越小解釋力越強.地理探測器分析輸出的交互檢測器表示兩個指標要素的交互關(guān)系,交互影響力由大到小分別為非線性減弱、單因子非線性、雙因子增強、獨立和非線性增強.
使用ArcGIS柵格計算器對2010年、2020年生態(tài)脆弱性指數(shù)進行差運算,并將生態(tài)脆弱性差值作為因變量,以不同年份的18個指標作為自變量. 將因變量、自變量加載到地理探測器進行分析處理.
從整體脆弱性指標權(quán)重分析,如表1 所示,影響生態(tài)脆弱性最大影響因子為人類活動因子. 分別以準則層對所在層面各要素權(quán)重進行分析,敏感性準則對生態(tài)脆弱性分布影響最大指標為土壤覆蓋類型,其次為土壤類型、土壤侵蝕度;以恢復(fù)力準則對生態(tài)脆弱影響最大指標為凈初生產(chǎn)力和植被類型;以壓力度準則影響最大指標為夜間燈光.
通過對2010、2015、2020年三期各要素權(quán)重變化情況分析,如圖1 所示,年降水、年均氣溫、土壤覆蓋類型、土壤侵蝕度、植被類型、水網(wǎng)密度等指標呈正向變化趨勢,而在壓力度準則下的各指標均呈負向變化趨勢. 表明2010—2020 年間,氣象因子、地表因子對生態(tài)脆弱性影響有加強趨勢,雖然人類活動和社會經(jīng)濟因子對生態(tài)脆弱性影響權(quán)重很高,但其對生態(tài)脆弱性的影響開始呈現(xiàn)出減弱趨勢.
圖1 生態(tài)脆弱性評價指標權(quán)重變化率Fig.1 Weight change rate of ecological vulnerability assessment index
2010—2020 年研究區(qū)域內(nèi)生態(tài)脆弱性指數(shù)在0.21~2.19,多年平均值為1.02,整體呈現(xiàn)以輕度脆弱性為主. 如圖2、3所示,研究區(qū)域的西部、北部海拔高,丘陵地表覆蓋差,降水、氣溫較東南部偏少、偏低,導(dǎo)致整體生態(tài)脆弱性呈現(xiàn)西部、北部高,東部、南部低的分布特征;中部地區(qū)以鄭州為中心輻射的區(qū)域,人口密度高、經(jīng)濟和人類活動影響較大,整體脆弱性等級明顯高于其他區(qū)域.
圖2 2010—2019年河南省生態(tài)脆弱性等級空間分布Fig.2 Spatial distribution of ecological vulnerability level in Henan Province from 2010 to 2019
圖3 2010—2019年河南省生態(tài)脆弱性指數(shù)空間分布Fig.3 Spatial distribution of ecological vulnerability index in Henan Province from 2010 to 2019
通過對研究區(qū)域2010—2020 年三期生態(tài)脆弱性等級面積分布統(tǒng)計,整體面積比例主要集中于微度脆弱—輕度脆弱等級范圍. 2010—2020 年潛在脆弱等級和微度脆弱等級面積呈增加趨勢,尤其在2015—2020年輕度脆弱性等級面積比例顯著減少,微度脆弱等級面積比例增加明顯,如表4 所示.2010—2020 年三期生態(tài)脆弱性綜合指數(shù)EVSI 分別為2.47、2.56、2.36,說明研究區(qū)域整體生態(tài)環(huán)境呈總體逐漸轉(zhuǎn)好趨勢.
表4 2010—2020年生態(tài)脆弱性等級面積及面積比例Tab.4 Area and area proportion of ecological vulnerability grade from 2010 to 2020
從研究區(qū)域生態(tài)脆弱性變化趨勢分析,如圖4所示. 2010—2020 年10 年來脆弱性指數(shù)變化區(qū)間在>-0.85~0.84. 總體來看,2010—2020 年間生態(tài)脆弱性指數(shù)差均值(0.02)無明顯變化,脆弱性指數(shù)減少的面積比例占總面積的69.26%,整體生態(tài)環(huán)境有改善.
圖4 2010—2020年生態(tài)脆弱性指數(shù)變化分布圖Fig.4 Change distribution of ecological vulnerability index from 2010 to 2020
根據(jù)式(6)、(7)分別計算2010—2015 年、2015—2020 年5年間生態(tài)脆弱性等級時空演變分布特征,通過計算統(tǒng)計得出2010—2015年、2015—2020年間生態(tài)脆弱等級間的面積轉(zhuǎn)移矩陣. 從表5、6中可知2010—2015年、2015—2020年間生態(tài)脆弱等級間的面積轉(zhuǎn)移量分別為:35 358.44 km2、54 057.24 km2. 其中,2010—2015 年、2015—2020 年的向好生態(tài)等級轉(zhuǎn)移量分別為:10 799.16 km2和42 985.72 km2,占轉(zhuǎn)移總面積的30.5%和79.5%. 通過圖5所示,進一步分析生態(tài)脆弱性等級在10年間演變空間變化情況,2010—2015年生態(tài)脆弱性等級向好轉(zhuǎn)變區(qū)域主要分布于東南部地區(qū),中部、西部和北部區(qū)域生態(tài)承壓較大. 2015—2020年間較2010—2015年間生態(tài)環(huán)境得到明顯改善,生態(tài)脆弱性等級向好轉(zhuǎn)變面積大幅增加,主要分布于豫西地區(qū)、豫北地區(qū)、伏牛山區(qū)、桐柏山區(qū). 生態(tài)脆弱等級負向轉(zhuǎn)變主要分布于河南中部的鄭州-洛陽-焦作城市群,豫東的周口和許昌,豫北的濮陽. 表明隨著國家退耕還林還草等多項生態(tài)保護政策出臺,河南省在生態(tài)脆弱性等級較高的豫西、豫北地區(qū),生態(tài)保護政策實施措施有效,生態(tài)環(huán)境得到十分明顯改善. 中部城市群城鎮(zhèn)化發(fā)展迅速,造成建筑用地大幅增加,東部、南陽盆地人口基數(shù)大且人口集中,人類生活對環(huán)境生態(tài)承壓較大,黃淮平原耕地的面積大,生態(tài)系統(tǒng)干擾程度增大.
圖5 2010—2015年、2015—2020年生態(tài)脆弱等級區(qū)面積相互轉(zhuǎn)換分布圖Fig.5 Distribution map of mutual conversion of ecological vulnerability grade areas in 2010—2015 and 2015—2020
對研究區(qū)域2010—2020 年生態(tài)脆弱性變化時空演變驅(qū)動力分析,利用地理探測器進行指標要素對生態(tài)脆弱性變化的影響力分析,如表7 所示,2010—2020 年間恢復(fù)力因子對生態(tài)脆弱性變化影響較大的指標為植被覆蓋度和植被凈初生產(chǎn)力,表明生態(tài)植被密度及植被生態(tài)質(zhì)量對生態(tài)脆弱性的適應(yīng)恢復(fù)能力有較大影響;壓力因子對生態(tài)脆弱性變化影響較大的指標為夜間燈光,表明生態(tài)壓力主要受人類生產(chǎn)生活的活動程度、活動區(qū)域及城市發(fā)展水平影響;敏感性因子對生態(tài)脆弱性變化影響較大的指標為土壤類型、降水量、水網(wǎng)密度等要素,表明河南省內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)敏感性受環(huán)境水分條件和地表土壤等因素影響較大. 從各指標影響力q值分析可知,q值前5項由大到小以此為:夜間燈光>GDP>植被覆蓋度>植被凈初生產(chǎn)力>人口密度.
表7 2010年、2015年、2020年生態(tài)脆弱性指標影響力Tab.7 Impact of ecological vulnerability indicators in 2010,2015 and 2020
研究各因子之間交互作用對生態(tài)脆弱性變化的影響,可以通過地理探測器的交互檢測表結(jié)果分析,發(fā)現(xiàn)探測交互因子主要為雙因子增強性型和非線性增強型,說明交互因子加速了影響生態(tài)脆弱性變化,其中非線性增強類型對生態(tài)脆弱性的變化具有最強的影響作用. 將70對非線性增強交互因子篩選出,如表8所示. 植被凈初生產(chǎn)力與夜間燈光兩指標交互對生態(tài)脆弱性變化增強影響最大. 夜間燈光、起伏度、坡向、坡度、人口密度、高程、地貌類型、GDP、植被類型等指標與植被凈初生產(chǎn)力指標交互下對生態(tài)脆弱性變化均有較強的影響力. 從表中整體看,植被凈初生產(chǎn)力、土壤類型、水網(wǎng)密度、土壤侵蝕度等指標參與交互非線性增強組數(shù)明顯高于其他指標.
表8 2010—2020年生態(tài)脆弱性指標交互作用Tab.8 Interaction of ecological vulnerability indicators from 2010 to 2020
從各指標對生態(tài)脆弱性變化影響分析和指標交互作用結(jié)果分析可以發(fā)現(xiàn),代表環(huán)境壓力的夜間燈光、GDP、人口密度指標,代表環(huán)境恢復(fù)能力的植被覆蓋度、植被凈初生產(chǎn)力指標以及代表生態(tài)環(huán)境發(fā)生變化的誘因敏感性的土壤類型、水網(wǎng)密度、年降水指標是造成河南省生態(tài)脆弱性變化空間分異的主要因素. 河南省近年來隨著生活質(zhì)量和工業(yè)化水平提高,城鎮(zhèn)化發(fā)展迅速,人類活動對生態(tài)環(huán)境擾動影響增加,同時受氣候變化影響水資源總量減少[22-26],耕種和灌溉面積增加造成水資源更加緊張. 黃淮海平原、南陽盆地是傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū),氣候適宜,人口密度大,環(huán)境納污容量小,水體污染嚴重,在黃淮海平原北部水資源較為短缺,農(nóng)業(yè)面源污染較重. 太行山區(qū)以山地為主,溝壑縱橫,土層淺薄. 伏牛山區(qū)、桐柏大別山區(qū)為山地森林生態(tài)系統(tǒng),植被覆蓋率高,動植物種類繁多. 伏牛山區(qū)、桐柏大別山區(qū)、太行山區(qū)隨著國家退耕還林、水資源涵養(yǎng)水土保持等政策實施,植被生態(tài)環(huán)境得到改善. 但屬山地森林生態(tài)系統(tǒng)的伏牛山區(qū)、桐柏大別山區(qū)生態(tài)改善效果較以山地為主的太行山區(qū)明顯.
基于SRP“敏感度-恢復(fù)力-壓力度”模型建立生態(tài)脆弱性評價模型,影響生態(tài)脆弱性空間分布的主導(dǎo)指標為敏感性準則層的土壤覆蓋類型、土壤類型和土壤侵蝕度,恢復(fù)性準則的植被凈初生產(chǎn)力和植被類型,壓力準則層下的夜間燈光.
河南省輕度水土流失面積占總面積21%,西部、北部的丘陵、淺山區(qū)水土流失較嚴重,導(dǎo)致整體西部脆弱性高于其他區(qū)域. 黃淮海平原東部、北部人口密度大,河南省中部城市群外擴建設(shè)迅速,加劇對環(huán)境擾動影響,導(dǎo)致該區(qū)域生態(tài)脆弱性較高. 2010—2020年影響生態(tài)脆弱性的氣象因子、地表因子對生態(tài)脆弱性影響有正向加強影響,雖然人類活動因子和社會經(jīng)濟因子對生態(tài)脆弱性的影響權(quán)重仍然很高,但影響開始呈現(xiàn)相對減弱趨勢. 從側(cè)面反映人們開始意識到對生態(tài)環(huán)境的壓力的影響,開展了有效的生態(tài)保護工作并獲得了明顯成效.
通過對2010—2020年生態(tài)脆弱性時空變化分析,豫西丘陵地區(qū)、伏牛山區(qū)、桐柏大別山區(qū)生態(tài)脆弱性有明顯改善,而東部、中部、南陽盆地生態(tài)脆弱性升高. 伏牛山區(qū)、桐柏大別山區(qū)人口密度較低、人為對環(huán)境擾動弱,植被覆蓋率較高,生態(tài)恢復(fù)力較強,隨著國家退耕還林還草等生態(tài)保護措施出臺落實,生態(tài)環(huán)境得到明顯改善. 分析生態(tài)脆弱性等級在10 年間演變空間變化情況,2015—2020 年的向好生態(tài)等級轉(zhuǎn)移量大于2010—2015年,生態(tài)脆弱性等級向好主要分布于豫西、伏牛山區(qū)、桐柏山區(qū);生態(tài)脆弱等級負向轉(zhuǎn)變主要集中分布于鄭州-洛陽-焦作城市群,黃淮海平原東部、北部. 河南省西部、北部地區(qū)受氣候、地形、土壤等原因,生態(tài)環(huán)境較其他地區(qū)不利,但該區(qū)域人類擾動影響較小,隨著人們對生態(tài)環(huán)境的保護,生態(tài)修復(fù)效果較其他生態(tài)壓力較大的地區(qū)十分明顯.
利用地理探測器對研究區(qū)域生態(tài)脆弱性時空演變的要素驅(qū)動力分析,綜合指標影響力由大到小依次為夜間燈光>GDP>植被覆蓋度>植被凈初生產(chǎn)力>人口密度. 分析各指標交互作用,夜間燈光、GDP、人口密度指標、植被覆蓋度、植被凈初生產(chǎn)力、土壤類型、水網(wǎng)密度、年降水指標是造成河南省生態(tài)脆弱性變化空間分異的主要因素.
可以看出,誘發(fā)河南省生態(tài)環(huán)境發(fā)生變化,主要為人類活動擾動、土壤、植被及水資源等因素,所以做好水土保持、森林植被撫育涵養(yǎng)水源、提升水資源保障能力、優(yōu)化城市發(fā)展和布局、建立生態(tài)型城市仍是河南省生態(tài)保護工作持續(xù)努力的方向.
本文選取SPR模型構(gòu)建生態(tài)脆弱性評價模型,從“敏感度-恢復(fù)力-壓力度”三個準則層,按照可獲取、可量化、合理性、科學(xué)性等原則,選取能夠反映三個準則層的指標,并分析了各指標對生態(tài)脆弱性的影響以及各指標對生態(tài)脆弱性變化的驅(qū)動力分析. 影響生態(tài)脆弱性的因素繁多,本文受到資料來源、數(shù)據(jù)精度等原因影響,不能夠全面反映河南省生態(tài)脆弱性內(nèi)涵,在今后研究中應(yīng)進一步完善.