榆林地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)彈性力評價(jià)分析

劉曉平,李 鵬，*,任宗萍,苗滋耀,張 軍,劉曉君,李占斌,,王 添

1 西安理工大學(xué), 西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地,西安 710048 2 榆林高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)園區(qū)管理委員會(huì)環(huán)境保護(hù)局,榆林 719000 3 中國科學(xué)院水利部,水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,楊凌 712200

榆林地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)彈性力評價(jià)分析

劉曉平1,李 鵬1，*,任宗萍1,苗滋耀2,張 軍1,劉曉君3,李占斌1,3,王 添1

1 西安理工大學(xué), 西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地,西安 710048 2 榆林高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)園區(qū)管理委員會(huì)環(huán)境保護(hù)局,榆林 719000 3 中國科學(xué)院水利部,水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,楊凌 712200

區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的彈性力研究是目前生態(tài)環(huán)境健康評價(jià)的重要指標(biāo),它反映了生態(tài)系統(tǒng)在偏離平衡狀態(tài)后恢復(fù)到初始狀態(tài)的自我調(diào)節(jié)和自我恢復(fù)的能力。以陜西省榆林市1區(qū)11縣的生態(tài)系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)現(xiàn)狀為研究依據(jù),綜合運(yùn)用了Fragstats和ArcGIS軟件對榆林地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)彈性力的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算,評價(jià)和分析了12個(gè)縣(區(qū))生態(tài)系統(tǒng)彈性力的時(shí)空演變與分布特征。結(jié)果表明：1995—2010年榆林地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)彈性力呈平穩(wěn)上升趨勢,生態(tài)系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)能力和抗干擾能力不斷增強(qiáng)。1995年榆林地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)彈性力值低于0.4的地域面積所占比例為100%,截至2010年該數(shù)值降至41.45%,且主要集中在北部風(fēng)沙草灘區(qū)。整體而言,榆林地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)彈性力呈現(xiàn)南高北低的格局,大于0.6的區(qū)域主要集中在清澗、吳堡、綏德和米脂四縣。研究揭示了榆林地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)彈性力的發(fā)展變化趨勢,以期為研究區(qū)的生態(tài)健康診斷與可持續(xù)發(fā)展決策提供參考。

榆林地區(qū)；生態(tài)系統(tǒng)；彈性力；彈性強(qiáng)度系數(shù)；彈性限度

“彈性力”一詞最早由Holling[1]引入到生態(tài)學(xué)的研究當(dāng)中,被定義為生態(tài)系統(tǒng)承受外界干擾并保持靜止?fàn)顟B(tài)的能力[2]。而后,部分學(xué)者[3- 4]對于彈性力的定義更傾向于穩(wěn)定性的概念,即系統(tǒng)經(jīng)外界干擾后在一定時(shí)間內(nèi)恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)的能力。隨著區(qū)域可持續(xù)發(fā)展研究的不斷深入,生態(tài)系統(tǒng)彈性力的定義也得到豐富和發(fā)展,生態(tài)系統(tǒng)具有自我調(diào)節(jié)和自我恢復(fù)能力的觀點(diǎn)也逐步得到廣大學(xué)者的認(rèn)同[5- 6]。其中,Walker[7]和Takehiro[8]等人認(rèn)為生態(tài)系統(tǒng)在一定時(shí)間內(nèi)保持原有結(jié)構(gòu)、特性不變的抗干擾能力就是生態(tài)系統(tǒng)彈性力。而高吉喜[9]、王文婕[10]等人認(rèn)為生態(tài)系統(tǒng)在偏離平衡狀態(tài)以后恢復(fù)到初始狀態(tài)的自我調(diào)節(jié)能力就是彈性力?？梢哉f,生態(tài)系統(tǒng)彈性力包含了彈性強(qiáng)度系數(shù)和彈性限度兩個(gè)方面,即生態(tài)系統(tǒng)彈性力的高低與彈性范圍[11- 12]。

國內(nèi)外關(guān)于生態(tài)系統(tǒng)彈性力的研究方法較多[13- 14],如淺水湖泊模型[15]和牧場模型[16]。2011年, López[17]等人提出功能與狀態(tài)的轉(zhuǎn)換模型(SFSTM),定義了生態(tài)系統(tǒng)彈性限度與彈性力間的相關(guān)關(guān)系；2013年,Guillermo[18]等人以生態(tài)系統(tǒng)的水分利用效率來表征其彈性強(qiáng)度；Stephen[19]等人則依據(jù)物種性狀特征構(gòu)造了“響應(yīng)—效果”框架模型來評價(jià)其彈性力。在國內(nèi),高吉喜[1]、張寶秀[11]等人以特定區(qū)域與時(shí)段內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)彈性強(qiáng)度系數(shù)不變?yōu)榍疤?通過彈性限度反映研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)彈性力的大?。欢踉葡糩20]等人則以主成分分析法來確定指標(biāo)權(quán)重,采用目標(biāo)分層法構(gòu)建了生態(tài)系統(tǒng)彈性力指標(biāo)體系。

可見,生態(tài)系統(tǒng)彈性力在特定區(qū)域內(nèi)的研究成效顯著。為解決現(xiàn)階段彈性力研究中存在的地域局限性和主成分分析等方法的模糊性,本文基于生態(tài)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性[17],以彈性強(qiáng)度系數(shù)與彈性限度為基礎(chǔ),引入調(diào)節(jié)系數(shù)[21]建立生態(tài)系統(tǒng)彈性力模型。研究以1995—2010年榆林1區(qū)11縣的生態(tài)環(huán)境變化為依據(jù),綜合分析生態(tài)系統(tǒng)彈性力在不同空間尺度上的動(dòng)態(tài)演變特征,在考慮不同縣(區(qū))間環(huán)境變量和物種豐富度的復(fù)雜性與不確定性的基礎(chǔ)上[22],評價(jià)和預(yù)測榆林地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展方向,從而為區(qū)域生態(tài)建設(shè)與保護(hù)提供科學(xué)依據(jù),以期實(shí)現(xiàn)生態(tài)、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的協(xié)調(diào)發(fā)展目標(biāo)。

1 研究區(qū)概況

榆林市地處陜西省最北部,毛烏素沙漠南緣,東經(jīng)107°28—111°15,北緯36°57—39°34,與甘寧蒙晉4省接壤。榆林市下轄榆陽區(qū)與神木、府谷、定邊、靖邊、橫山、佳縣、米脂、吳堡、綏德、清澗、子洲1區(qū)11縣(圖1),東西長385km,南北寬263km,總土地面積43578 km2。榆林北部為風(fēng)沙草灘區(qū),南部為黃土丘陵溝壑區(qū),分別占總土地面積的42%和58%。該地區(qū)晝夜溫差大,最高溫度38.9℃,最低溫度-24℃,多年平均降雨量435.4mm,屬典型的中溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候。全市水資源總量32.29億m3,人均占有量僅為979m3[23],屬水資源貧乏地區(qū)之一。

圖1 榆林市行政區(qū)劃圖Fig.1 Administrative map of Yulin city

2 研究方法

2.1 分析方法

2.1.1 生態(tài)系統(tǒng)彈性力計(jì)算

綜合生態(tài)系統(tǒng)彈性強(qiáng)度系數(shù)與彈性限度因素,建立生態(tài)系統(tǒng)彈性力模型[21]：

E=λ·μ·ECOres

(1)

式中,E為生態(tài)系統(tǒng)彈性力；λ為調(diào)節(jié)系數(shù)[16](一般取0.01)；μ為生態(tài)系統(tǒng)彈性強(qiáng)度系數(shù)；ECOres為生態(tài)系統(tǒng)彈性限度。

根據(jù)彈性強(qiáng)度系數(shù)和彈性限度的決定因素與自身性質(zhì)確定計(jì)算公式[9,11-21]：

(2)

(3)

式中,μ為生態(tài)系統(tǒng)彈性強(qiáng)度系數(shù)；H為景觀多樣性指數(shù)；V為植被指數(shù)；c1為年氣溫變率；c2為年降水變率；ECOres為生態(tài)系統(tǒng)彈性限度；Pi為土地類型i的面積覆蓋百分比；Si為土地類型i的彈性分值。

2.1.2 景觀多樣性指數(shù)計(jì)算

景觀多樣性指數(shù)反映了研究區(qū)內(nèi)景觀類型的多樣化程度及其比例變化[24- 25]。指數(shù)越高,景觀類型的多樣性越大,生態(tài)系統(tǒng)彈性力也就越大[26]。

該指數(shù)主要依賴于像元大小、地貌尺度和土地利用分類。運(yùn)用ArcGIS軟件將土地利用圖柵格化,再經(jīng)景觀指數(shù)計(jì)算軟件Fragstats3.3[27]計(jì)算可得,公式為[26,28-29]：

(4)

式中,H為景觀多樣性指數(shù)(Shannon)；Pi為景觀類型i所占比例；n為研究區(qū)內(nèi)景觀類型數(shù)目。

2.1.3 植被指數(shù)計(jì)算

植被指數(shù)可通過定量監(jiān)測來反映地表植被覆蓋程度與生長活力,目前國內(nèi)外應(yīng)用最廣的是歸一化植被指數(shù)(NDVI),計(jì)算公式為[30]：

(5)

式中,NIR為近紅外波段(0.841—0.876μm)；Red為可見光的紅光波段(0.62—0.67μm)；NDVI值介于-1—1間,0以下表示非植被覆蓋區(qū)。

NDVI數(shù)據(jù)采用最大值合成(MVC)方法進(jìn)行預(yù)處理,實(shí)現(xiàn)對氣溶膠和太陽高度角等影響因素的大氣校正、輻射校正以及幾何校正[31- 32],表達(dá)式如下[30]：

(6)

式中,NDVI為歸一化植被指數(shù)；NDVIj為一定時(shí)段內(nèi)的所有植被指數(shù)。

2.1.4 年降水變率C1和年氣溫變率C2計(jì)算

年降水變率指降水量的年際變化,分為降水絕對變率和降水相對變率。通常來說,降水變率代指降水相對變率,即降水絕對變率與多年平均降水量的百分比,公式為[33]：

(7)

式中,C1為研究區(qū)多年平均降水相對變率；Ri為第i年某時(shí)段內(nèi)實(shí)際降水量；R為同時(shí)段內(nèi)歷年平均降水量。

年氣溫變率是指氣溫的年際變化,以年際氣溫的相對變率來表示,公式為：

(8)

式中,C2為研究區(qū)多年平均氣溫相對變率；Ti為第i年某時(shí)段內(nèi)溫度；T為同時(shí)段內(nèi)歷年平均氣溫。

2.2 數(shù)據(jù)來源與處理

榆林市土地利用圖來源于中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所的1∶10萬土地利用數(shù)據(jù)(1995年、2000年、2005年和2010年共4期),用于計(jì)算景觀多樣性指數(shù)。

為客觀反映景觀多樣性指數(shù)的可操作性,建立以一級土地利用類型分類為標(biāo)準(zhǔn)的GIS數(shù)據(jù)庫,包括耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用土地六類。以ArcGIS系統(tǒng)中Spatial Analyst分析模塊為支撐,進(jìn)行土地利用類型矢量數(shù)據(jù)的柵格轉(zhuǎn)換。

NDVI數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心國際科學(xué)數(shù)據(jù)鏡像網(wǎng)站(http://www.gscloud.cn),MODIS[34]中國區(qū)域NDVI植被指數(shù)產(chǎn)品是由MOD(MYD)09GA經(jīng)過反演、拼接、切割、投影轉(zhuǎn)換、單位換算等過程加工而成。坐標(biāo)系為EPSG4326(WGS84),空間分辨率為1km,用于計(jì)算榆林地區(qū)植被指數(shù)。所選數(shù)據(jù)資料時(shí)段為1995年、2000年、2005年和2010年。

降雨量和氣溫變化數(shù)據(jù)來源于榆林市氣象局,選取1972—2001年連續(xù)30a的數(shù)據(jù)序列,用于計(jì)算榆林市年降水變率和年氣溫變率。

3 結(jié)果與分析

3.1 生態(tài)系統(tǒng)彈性強(qiáng)度系數(shù)分析

3.1.1 土地利用及景觀多樣性指數(shù)分析

以1995年、2000年、2005年和2010年榆林地區(qū)30×30m的柵格土地利用圖作為景觀類型分布計(jì)算的數(shù)據(jù)源(圖2)。

圖2 1995、2000、2005和2010年榆林地區(qū)土地利用圖Fig.2 The map of land use of Yulin City in 1995,2000,2005 and 2010

由圖2可知1995—2010年榆林各縣(區(qū))土地利用情況。

總體來看,榆林地區(qū)草地所占比例最大,其次為耕地。其中耕地與水域面積多年來呈下降趨勢,而林地與建設(shè)用地隨著年際變化不斷增長,草地面積變化幅度較小而保持穩(wěn)定,未利用土地自2000年后呈下降趨勢,未利用土地主要轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地與林地,退耕還林政策的實(shí)施和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展是2000年以來不同土地景觀面積轉(zhuǎn)化的較大原因[35]。

榆林地區(qū)南6縣與北部6縣相比,南6縣耕地面積所占比例最大,其次為草地,其中耕地面積比例的歷年均值為53.12%、51.82%、49.97%和46.62%,而北部6縣耕地面積比例為37.02%、36.62%、34.84%和34.55%?？梢?15年間南北兩區(qū)耕地面積均呈下降趨勢,南6縣耕地面積比例下降6.5%,較北6縣(3.74%)降幅大。

以土地利用分類為基礎(chǔ),分別計(jì)算榆林市各縣(區(qū))景觀多樣性指數(shù),如表1所示。

由表1可知,1995—2010年榆林地區(qū)景觀多樣性指數(shù)總體呈上升趨勢,生態(tài)系統(tǒng)彈性力不斷增強(qiáng)。其中1995—2000年間增幅最大,這可能得益于20世紀(jì)90年代年西北地區(qū)三北防護(hù)林第一階段工程建設(shè)[36]。

從各縣(區(qū))情況來看,15年間景觀多樣性指數(shù)均值最高的是靖邊縣(1.25),最低為米脂縣(0.77)。從增長幅度來看,府谷縣增幅最大(17.7%),米脂縣次之(13.4%),增幅最小為靖邊縣(4.0%)。可見,府谷、米脂兩縣景觀多樣性指數(shù)盡管均值較低,但增幅空間較大,生態(tài)系統(tǒng)彈性力不斷增強(qiáng)；而靖邊縣指數(shù)均值雖高,但由于近年來天然氣等資源的不斷開采利用,生態(tài)環(huán)境退化[37],景觀多樣性指數(shù)增幅最低。

表1 榆林地區(qū)歷年景觀多樣性指數(shù)計(jì)算結(jié)果

從南北兩區(qū)歷年景觀多樣性指數(shù)均值的對比情況可知,北6縣的指數(shù)均值整體大于南6縣,即僅從景觀多樣性角度來看,北部6縣較南6縣的生態(tài)系統(tǒng)彈性力強(qiáng)。

3.1.2 植被指數(shù)分析

經(jīng)整理計(jì)算,可得榆林市1995 —2010年NDVI值的計(jì)算結(jié)果(圖3)。

1995—2010年來榆林地區(qū)植被指數(shù)整體呈起伏上升態(tài)勢,年際變化顯著。

從各縣(區(qū))情況來看,1995—2000年部分地域的植被指數(shù)呈下降趨勢,其中年均值降幅最大的為吳堡縣(0.16),最小為榆陽區(qū)(0.02)；2000—2010年植被指數(shù)整體回升,但后5a增幅明顯變小,這與陳賽賽、孫艷玲等人[38]基于2000、2005、2010年和2013年四期NDVI數(shù)據(jù)的三北防護(hù)林工程區(qū)植被景觀格局變化研究相一致。從15年來植被指數(shù)的整體變化來看,年均值增幅最大的為橫山縣(0.53),其次為府谷縣(0.38),增幅最小的為定邊縣(0.29)。

從南北兩區(qū)的對比情況來看,南6縣歷年植被指數(shù)均值大于北部6縣,且東部植被優(yōu)于西部,但其植被增幅較之略小。

3.1.3 年降水變率C1和年氣溫變率C2分析

本文以榆林地區(qū)近30年的降水與氣溫變化數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),通過多年平均相對變率公式進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果如表2所示。

由上表可知,榆林地區(qū)降雨波動(dòng)較為集中,且隨著地域緯度降低,各縣(區(qū))降雨量自北向南逐步增大。同時(shí),結(jié)合近30年的氣溫變化情況來看,各縣(區(qū))年平均氣溫顯著上升,且南6縣氣溫均值高于北部6縣,這與陳隆勛[39]等人對中國氣溫與降水變化的研究結(jié)果相一致。

榆林各縣(區(qū))年降水變率最大的為吳堡縣(0.14),最小為佳縣(0.048)；年氣溫相對變率最大的為定邊縣(0.201),最小為綏德縣(0.149),這與李琰[40]等人關(guān)于榆林市1980—2006年的氣溫變化趨勢分析相一致。

再從南北兩區(qū)情況看,北部6縣的年降水變率和年氣溫變率普遍較南6縣大,這主要與南北兩區(qū)的地理特征有關(guān)。

3.1.4 生態(tài)系統(tǒng)彈性強(qiáng)度系數(shù)結(jié)果分析

由公式2可得榆林地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)彈性強(qiáng)度系數(shù)分布圖,如圖4所示。

表2 榆林地區(qū)降水和氣溫變化率

縣(區(qū))Counties(district)降水C1precipitation/mm氣溫Temperature/C2最大值Maximum/mm最小值Minimum/mm均值Means/mm年變率RateChanges/%最大值Maximum/℃最小值Minimum/℃均值Means/℃年變率Ratechanges/%北6縣府谷縣678.4227.7407.95.610.88.39.318.7神木縣646.5233.1404.07.210.67.38.719.4榆陽區(qū)568.7254.8372.87.610.07.28.417.8橫山縣516.9211.4353.75.610.47.88.918.1靖邊縣569.8210.2384.17.19.97.18.319.7定邊縣520.9179.9307.26.910.07.08.320.1南6縣佳縣576.3235.7390.14.811.79.210.216.0米脂縣692.6268.3422.46.010.58.19.116.3子洲縣655.0248.7435.64.910.78.29.419.0綏德縣628.0277.6431.95.211.38.89.914.9吳堡縣658.3277.1441.014.012.97.010.618.1清澗縣702.9247.3489.94.911.08.79.816.5榆林地區(qū)Yulinprefecture6.617.9

從各縣(區(qū))來看,彈性強(qiáng)度系數(shù)年均值增幅最大的為綏德縣(39.36—105.18),其次為清澗縣(33.83—96.95),增幅最小的為米脂縣(37.10—60.74),其中吳堡縣的生態(tài)系統(tǒng)彈性強(qiáng)度系數(shù)值呈現(xiàn)負(fù)增長(34.53—30.55)。南北兩區(qū)相比,南6縣歷年彈性強(qiáng)度系數(shù)較北部6縣大,且增幅也顯著大于北部6縣。

圖4 榆林地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)彈性強(qiáng)度系數(shù)分布圖Fig.4 The map of intensity coefficient of ecosystem resilience of Yulin Prefecture

圖4中將生態(tài)系統(tǒng)彈性強(qiáng)度系數(shù)按照數(shù)值范圍進(jìn)行5級劃分,即1級范圍0—20,2級20—40,3級40—60,4級60—80,5級為80以上。表3為榆林地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)彈性強(qiáng)度系數(shù)的等級劃分與面域比。

表3 榆林地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)彈性強(qiáng)度系數(shù)的等級劃分與面域比

從歷年生態(tài)系統(tǒng)彈性強(qiáng)度系數(shù)各等級面域比的變化趨勢來看,2000年榆林地區(qū)2級面域較1995年增加10.69個(gè)百分點(diǎn),而3級面域下降0.11個(gè)百分點(diǎn)；2005年2級和3級面域較2000年分別增加11.78和61.98個(gè)百分點(diǎn),4級與5級面域首次出現(xiàn)；2010年4級和5級面域較2005年分別增加31.91和11.3個(gè)百分點(diǎn),增速放緩。

由圖可知,榆林地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)彈性強(qiáng)度系數(shù)隨年際變化不斷增強(qiáng),其中,2000—2005年間彈性強(qiáng)度系數(shù)增長最快,2005—2010年增長幅度變緩,表明榆林地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)自我調(diào)節(jié)和抗干擾能力增強(qiáng),系統(tǒng)穩(wěn)定度增大。

整體來看,榆林地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)彈性強(qiáng)度系數(shù)逐年平穩(wěn)上升,表明榆林地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)自我調(diào)節(jié)和抗干擾能力增強(qiáng),系統(tǒng)穩(wěn)定度增大。其中,增長速度最快的區(qū)間為2000—2005年,但自2005年后,增幅逐漸變緩,這可能與后續(xù)年間榆林地區(qū)資源濫采、生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展受到制約有關(guān)[41]。

3.2 生態(tài)系統(tǒng)彈性限度分析

在表征研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)彈性限度時(shí),可根據(jù)該地區(qū)不同土地利用類型的恢復(fù)能力大小建立指數(shù)模型(公式3)進(jìn)行計(jì)算,即對各土地利用類型賦以不同的彈性分值,然后加權(quán)求和得其生態(tài)系統(tǒng)彈性限度值。

3.2.1 彈性分值分析

根據(jù)不同土地類型對生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)程度不同,對六大地類賦以不同的彈性分值,彈性分值的確定參考了有關(guān)學(xué)者和專家的研究[42],并結(jié)合研究區(qū)生態(tài)環(huán)境的基本特征,得如下結(jié)果,如表4所示。

3.2.2 生態(tài)系統(tǒng)彈性限度結(jié)果分析

在彈性限度的各項(xiàng)計(jì)算指標(biāo)中,景觀多樣性指數(shù)H見表1,土地利用類型面積百分比Pi及彈性分值Si見圖2和表4。計(jì)算可得研究區(qū)歷年生態(tài)系統(tǒng)彈性限度,如表5所示。

由表5可知,15年間榆林地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)彈性限度穩(wěn)定增長,但自2005年以后增幅放緩。

其中,歷年生態(tài)系統(tǒng)彈性限度增長最大的是吳堡縣(0.099),最小為榆陽區(qū)(0.021)。這主要與草地地類面積的百分比變化有關(guān)(表5),其中吳堡縣草地面積增長率為11.9%,居各地之首,而榆陽區(qū)降幅最大(5.78%),且在1995—2000年和2000—2010年兩個(gè)時(shí)段內(nèi),榆陽區(qū)草地面積變化呈現(xiàn)先增長后下降的趨勢,這與該區(qū)彈性限度的歷年變化相一致,可見草地面積百分比變化對彈性限度的影響較大。

表4 不同土地利用類型的彈性分值

表5 榆林地區(qū)歷年生態(tài)系統(tǒng)彈性限度

將歷年北部6縣與南6縣的生態(tài)系統(tǒng)彈性限度均值相比,北部6縣高于南6縣,這與南北兩區(qū)的景觀多樣性指數(shù)均值變化相一致。此外,就彈性限度增幅來看,南6縣增幅為北6縣的1.82倍,可見南6縣生態(tài)系統(tǒng)的抗干擾能力不斷增強(qiáng)。

3.3 生態(tài)系統(tǒng)彈性力分析

利用ArcGIS中的Raster calculator進(jìn)行計(jì)算,再經(jīng)Reclassify工具重新分類后可得榆林地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)彈性力分布圖(圖5)。

結(jié)合彈性力模型(公式1)的各項(xiàng)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果,可知1995、2000、2005和2010年榆林地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)彈性力范圍,即0.09—0.28、0.01—0.31、0.04—0.67、0.08—0.69?？梢?15年間研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)彈性力總體呈增長趨勢,且后期增速變緩。

從各縣(區(qū))情況來看,清澗縣與綏德縣部分地域生態(tài)系統(tǒng)彈性力較大,最大可達(dá)0.68和0.69,可恢復(fù)性強(qiáng)；而吳堡縣和米脂縣大部,定邊縣和府谷縣的局部地帶生態(tài)系統(tǒng)彈性力小,最小為0.01,生態(tài)系統(tǒng)脆弱,自我調(diào)節(jié)能力和可恢復(fù)性差。

再從南北兩區(qū)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來看,南6縣生態(tài)系統(tǒng)彈性力普遍高于北部6縣,且差距隨年際變化逐漸增大。

圖5 榆林地區(qū)歷年生態(tài)系統(tǒng)彈性力分布圖Fig.5 The map of resilience of ecosystem resilience of Yulin Prefecture

圖5將生態(tài)系統(tǒng)系統(tǒng)彈性力μ按照數(shù)值范圍(0—0.8)進(jìn)行4級劃分,即1級范圍0—0.2,2級0.2—0.4,3級0.4—0.6,4級0.60—0.8。表6為榆林地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)彈性力的等級劃分與面域比。

表6 榆林地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)彈性力的等級劃分與面域比

由圖5和表6可知,1995和2000年榆林地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)彈性力值均低于0.4,等級劃分為1級和2級,2005和2010年分別有86.23%和41.45%的彈性力值低于0.4,2010年榆林地區(qū)3級以上地域面域比首次超過50%,其中4級地域所占比例為3%,可見,研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的抗干擾能力不斷增強(qiáng)。

從歷年生態(tài)系統(tǒng)彈性力各等級面域比的變化趨勢來看,2000年榆林地區(qū)2級面域較1995年下降0.02個(gè)百分點(diǎn),基本持平；2005年2級面域較2000年增加78.04個(gè)百分點(diǎn),3級與4級面域首次出現(xiàn)；2010年3級和4級面域較2005年分別增加42和2.78個(gè)百分點(diǎn),增速放緩。整體來看,榆林地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)彈性力呈逐年平穩(wěn)上升趨勢,其中,增長速度最快的區(qū)間為2000—2005年,但自2005年后,增速逐漸放緩。

從歷年彈性力等級的面域范圍變化來看,3級及以上地域的擴(kuò)展發(fā)生在2000年以后,且主要集中于南6縣。而北部6縣當(dāng)中,從2005年來看僅府谷和神木兩縣的南部、靖邊與定邊兩縣的北部局部地域達(dá)3級標(biāo)準(zhǔn),其中所占比例最大的為府谷縣(30%),其次為靖邊縣(13.5%),比例最小的為橫山縣(6%)。與此相比,南6縣中按3級標(biāo)準(zhǔn)地域所占比例由高到低排列分別為子洲縣(24.6%)、清澗縣(23.4%)、綏德縣(20.4%)、米脂縣(18.1%)、吳堡縣(14%)和佳縣(8.7%),普遍較北6縣大。這一結(jié)果表明,北部6縣整體生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定性差,生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)力較弱,抵御外界干擾的能力低。因此,需進(jìn)一步加強(qiáng)對當(dāng)?shù)仫L(fēng)沙草灘區(qū)的保護(hù)與建設(shè)。

2005—2010年的5年間,北部6縣生態(tài)系統(tǒng)彈性力增長緩慢,除府谷縣于2010年有82.8%的地域達(dá)到3級標(biāo)準(zhǔn)外,其余各縣(區(qū))達(dá)到3級標(biāo)準(zhǔn)的面域比均未超過60%,與此相比,南部佳縣、子洲、米脂、綏德、吳堡和清澗6縣大部分地域的生態(tài)系統(tǒng)彈性力等級于2010年基本達(dá)到3級標(biāo)準(zhǔn),分別為92.2%、92.6%、87.1%、84.9%、83.5%和79.7%。而彈性力等級達(dá)到4級的地域主要分布在清澗、吳堡、綏德和米脂四縣,其中面域比最大的為清澗縣,達(dá)19.7%,最小的為佳縣,為3.8%。這一結(jié)果表明,南6縣所處地域的生態(tài)環(huán)境恢復(fù)力強(qiáng),穩(wěn)定性較好,抵御外界干擾的能力強(qiáng)。

就影響生態(tài)系統(tǒng)彈性力動(dòng)態(tài)演變的驅(qū)動(dòng)力因素來看,植被指數(shù)較景觀多樣性指數(shù)的影響作用顯著。盡管榆林地區(qū)北部6縣景觀類型豐富,多樣性指數(shù)高于南6縣,但其植被的生長狀況與主要土地利用類型(如草地)均劣于南6縣,加之南北兩區(qū)的整體地形格局因素的影響,榆林地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)彈性力呈現(xiàn)南高北低的格局。

4 結(jié)論

(1)運(yùn)用Fragstats和ArcGIS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和獲取彈性力各項(xiàng)指標(biāo)值,可以提高榆林地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)彈性力分析評價(jià)的可操作性和實(shí)用性。

(2)榆林地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)彈性力隨年際變化呈增長趨勢,生態(tài)系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)和抗干擾能力逐年增強(qiáng),發(fā)展向好,但其增長趨勢自2005年起逐漸減緩,這主要與研究區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和植被生長變化相關(guān)。2005年以來,榆林作為中國能源重化工基地,資源不斷開采,嚴(yán)重破壞了部分地區(qū)植被生長狀態(tài),從而形成其生態(tài)系統(tǒng)彈性力增長減緩的現(xiàn)狀。

(3)榆林地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)彈性力呈現(xiàn)南高北低的差異變化,總體來講,其差異主要同南北兩區(qū)的地域環(huán)境有關(guān)。北6縣多為風(fēng)沙草灘區(qū),生態(tài)環(huán)境脆弱,生態(tài)系統(tǒng)可恢復(fù)性較弱,而南6縣多為丘陵溝壑區(qū),生態(tài)環(huán)境較好,生態(tài)系統(tǒng)的彈性力較強(qiáng)。

從南北兩區(qū)的動(dòng)態(tài)演變來看,南6縣生態(tài)系統(tǒng)彈性力增幅顯著大于北6縣,這主要同兩地的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平相關(guān)。北6縣較南6縣自然資源豐富,經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá),但其經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的背后卻是以生態(tài)環(huán)境破壞為代價(jià),這亦體現(xiàn)在南北兩區(qū)生態(tài)系統(tǒng)彈性力的變化對比上。

(4)結(jié)合榆林地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)彈性力的地域演變特征及研究區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展特點(diǎn),如何保持該地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的健康可持續(xù)發(fā)展,制定合理的生態(tài)保護(hù)綱要,正確引導(dǎo)其經(jīng)濟(jì)發(fā)展方向就顯得尤為重要。對于經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速的北部地區(qū),應(yīng)在保持經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢的同時(shí)進(jìn)一步帶動(dòng)南部地區(qū)發(fā)展,同時(shí)避免盲目發(fā)展形成環(huán)境的次生破壞,從而建立健康穩(wěn)定的生態(tài)經(jīng)濟(jì)發(fā)展新格局。

[1] Holling C S. Resilience and stability of ecological systems. Annual Review of Ecology and Systematics, 1973, 4(1): 1- 23.

[2] Zhu J M, Ruth M. Exploring the resilience of industrial ecosystems. Journal of Environmental Management, 2013, 122: 65- 75.

[3] Westman W E. Measuring the inertia and resilience of ecosystems. BioScience, 1978, 28(11): 705- 710.

[4] Stringham T K, Kruege W C, Shaver P L. State and transition modeling: an ecological process approach. Journal of Range Management, 2003, 56(2): 106- 113.

[5] 程國棟. 承載力概念的演變及西北水資源承載力的應(yīng)用框架. 冰川凍土, 2002, 24(4): 361- 367.

[6] Derissen S, Quaas M F, Baumg?rtner S. The relationship between resilience and sustainability of ecological-economic systems. Ecological Economics, 2011, 70(6): 1121- 1128.

[7] Walker B, Holling C S, Carpenter S R, Kinzig A. Resilience, adaptability and transformability in social-ecological systems. Ecology and Society, 2004, 9(2): 5- 5.

[8] Sasaki T, Furukawa T, Iwasaki Y, Seto M, Mori A S. Perspectives for ecosystem management based on ecosystem resilience and ecological thresholds against multiple and stochastic disturbances. Ecological Indicators, 2015, 57: 395- 408.

[9] 高吉喜. 可持續(xù)發(fā)展理論探索. 北京: 中國環(huán)境科學(xué)出版社, 2001.

[10] 王文婕, 葛大兵, 周雙, 黃靜虹. 平江縣生態(tài)彈性度定量分析評價(jià)研究. 環(huán)境科學(xué)與管理, 2015, 40(3): 130- 134.

[11] 張寶秀, 熊黑鋼, 徐長春. 新疆于田綠洲生態(tài)彈性度與景觀環(huán)境分析. 水土保持研究, 2008, 15(6): 112- 114.

[12] Sterk M, Gort G, Klimkowska A, van Ruijven J, van Teeffelen A J A, Wamelink G W W. Assess ecosystem resilience: linking response and effect traits to environmental variability. Ecological Indicators, 2013, 30: 21- 27.

[13] Naeem S. Species redundancy and ecosystem reliability. Conservation Biology, 1998, 12(1): 39- 45.

[14] Mitchell R J, Auld M H D, Le Duc M G, Robert M H. Ecosystem stability and resilience: a review of their relevance for the conservation management of lowland heaths. Perspectives in Plant Ecology, Evolution and Systematics, 2000, 3(2): 142- 160.

[15] M?ler K G, Xepapadeas A, de Zeeuw A. The economics of shallow lakes. Environmental and Resource Economics, 2003, 26(4): 603- 624.

[16] Janssen M A, Anderies J M, Walker B H. Robust strategies for managing rangelands with multiple stable attractors. Journal of Environmental Economics and Management, 2004, 47(1): 140- 162.

[17] López D R, Brizuela M A, Willems P, Aguiar M R, Siffredi G, Bran D. Linking ecosystem resistance, resilience, and stability in steppes of North Patagonia. Ecological Indicators, 2013, 24: 1- 11.

[18] Ponce-Campos G E, Moran M S, Huete A, Zhang Y G, Bresloff C, Huxman T E, Eamus D, Bosch D D, Buda A R, Gunter S A, Scalley T H, Kitchen S G, McClaran M P, McNab W H, Montoya D S, Morgan J A, Peters D P C, Sadler E J, Seyfried M S, Starks P J. Ecosystem resilience despite large-scale altered hydroclimatic conditions. Nature, 2013, 494(7437): 349- 352.

[19] Perz S G, Muoz-Carpena R, Kiker G, Holt R D. Evaluating ecological resilience with global sensitivity and uncertainty analysis. Ecological Modelling, 2013, 263: 174- 186.

[20] 王云霞, 陸兆華. 北京市生態(tài)彈性力的評價(jià). 東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2011, 39(2): 97- 100.

[21] 閆旭騫. 礦區(qū)生態(tài)承載力定量評價(jià)方法研究. 礦業(yè)研究與開發(fā), 2006, 26(3): 82- 85.

[22] Tscharntke T, Tylianakis J M, Rand T A, Didham R K, Fahrig L, Batáry P, Bengtsson J, Clough Y, Crist T O, Dormann C F, Ewers R M, Fründ J, Holt R D, Holzschuh A, Klein A M, Kleijn D, Kremen C, Landis D A, Laurance W, Lindenmayer D, Scherber C, Sodhi N, Steffan-Dewenter I, Thies C, van der Putten W H, Westphal C. Landscape moderation of biodiversity patterns and processes-eight hypotheses. Biological Reviews, 2012, 87(3): 661- 685.

[23] 張華. 榆林能源化工基地工業(yè)園區(qū)和重點(diǎn)城鎮(zhèn)水資源配置. 水利與建筑工程學(xué)報(bào), 2013, 11(4): 170- 174.

[24] 布仁倉, 胡遠(yuǎn)滿, 常禹, 李秀珍, 賀紅士. 景觀指數(shù)之間的相關(guān)分析. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2005, 25(10): 2764- 2775.

[25] 李曉文, 胡遠(yuǎn)滿, 肖篤寧. 景觀生態(tài)學(xué)與生物多樣性保護(hù). 生態(tài)學(xué)報(bào), 1999, 19(3): 399- 407.

[26] 宋蘭蘭, 陸桂華, 劉凌, 賀瑞敏. 區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)架——以廣東省生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)為例. 水科學(xué)進(jìn)展, 2006, 17(1): 116- 121.

[27] McGarigal K, Cushman S A, Neel M C, Ene E. FRAGSTATS: spatial pat tern analysis program for categorical maps. Computer software program produced by the authors at the University of Massachusetts. http://www.umass.edu/landeco/research/fragstats.html, 2002.

[28] 劉宇, 呂一河, 傅伯杰. 景觀格局——土壤侵蝕研究中景觀指數(shù)的意義解釋及局限性. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2011, 31(1): 267- 275.

[29] 盧玲, 李新, 程國棟, 肖洪浪. 黑河流域景觀結(jié)構(gòu)分析. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2001, 21(8): 1217- 1224.

[30] 王正興, 劉闖, Huete A. 植被指數(shù)研究進(jìn)展: 從AVHRR-NDVI到MODIS-EVI. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2003, 23(5): 979- 987.

[31] Zhou L M, Tucker C J, Kaufmann R K, Slayback D, Shabanov N V, Myneni R B. Variations in northern vegetation activity inferred from satellite data of vegetation index during 1981 to 1999. Journal of Geophysical Research, 2001, 106(D17): 20069- 20083.

[32] 李輝霞, 劉國華, 傅伯杰. 基于NDVI的三江源地區(qū)植被生長對氣候變化和人類活動(dòng)的響應(yīng)研究. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2011, 31(19): 5495- 5504.

[33] 謝仁波, 舒國勇. 銅仁西部不同時(shí)間尺度溫度降水變率分析. 貴州氣象, 2012, 36(6): 16- 19.

[34] MODIS homepage. http://modis.gsfc.nasa.gov/, 2010.

[35] 賈科利, 常慶瑞, 張俊華. 陜北農(nóng)牧交錯(cuò)帶土地利用變化及驅(qū)動(dòng)機(jī)制分析. 資源科學(xué), 2008, 30(7): 1053- 1060.

[36] 康華. 陜西省三北防護(hù)林工程建設(shè)成效分析問題與發(fā)展對策研究[D]. 楊凌: 西北農(nóng)林科技大學(xué), 2010.

[37] 王燦. 陜北天然氣能源區(qū)土地利用變化與土地生態(tài)安全評價(jià)[D]. 西安: 陜西師范大學(xué), 2014.

[38] 陳賽賽, 孫艷玲, 楊艷麗, 王中良. 三北防護(hù)林工程區(qū)植被景觀格局變化分析. 干旱區(qū)資源與環(huán)境, 2015, 29(12): 85- 90.

[39] 陳隆勛, 朱文琴, 王文, 周秀驥, 李維亮. 中國近45年來氣候變化的研究. 氣象學(xué)報(bào), 1998, 56(3): 257- 271.

[40] 李琰, 劉曉瓊, 趙昕奕. 陜西省榆林市氣候變化特征分析. 干旱區(qū)資源與環(huán)境, 2011, 25(1): 157- 161.

[41] 劉洪麗, 吳軍年, 徐興東. 基于集對分析的礦區(qū)生態(tài)承載力定量評價(jià). 干旱區(qū)研究, 2008, 25(4): 568- 573.

[42] 徐明德, 李靜, 彭靜, 鈕鍵, 曹露. 基于RS和GIS的生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià). 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 2010, 19(8): 1809- 1814.

Evaluation of ecosystem resilience in Yulin, China

LIU Xiaoping1, LI Peng1,*, REN Zongping1, MIAO Ziyao2, ZHANG Jun1, LIU Xiaojun3, LI Zhanbin1,3, WANG Tian1

1StateKeyLaboratoryBaseofEco-hydraulicEngineeringinAridArea,Xi′anUniversityofTechnology,Xi′an710048,China2EnvironmentalprotectionagencyofmanagementcommitteeofYulinhi-techzone,Yulin719000,China3StateKeyLaboratoryofSoilErosionandDry-landFarmingontheLoessPlateau,InstituteofSoilandWaterConservation,ChineseAcademyofSciencesandMinistryofWaterResources,Yangling712100,China

Ecosystem resilience is one of the hot topics in regional ecosystem health assessments. As an important indicator, it has attracted widespread attention. Ecosystem resilience refers to the self-regulation capacity of an ecosystem to restore itself to its initial state after deviation from the equilibrium state. The elastic strength coefficient and the elastic limit are two main components of ecosystem resilience, representing the level of the elastic force and elastic range, respectively. Based on the ecosystem indicators(such as landscape diversity index, vegetation Index, precipitation variability, temperature variability, flexible scores, the percentage of land use types) of Yulin City (Shanxi Province, China), Fragstats and ArcGIS software were applied to calculate the various parameters of the ecosystem resilience system in Yulin, including evaluating and analyzing the spatial and temporal characteristics of ecosystem resilience in twelve counties (districts) of the Yulin region. The results indicated that from 1995 to 2010, there was a steady upward trend in ecosystem resilience in the Yulin region. The self-regulation and self-healing ability of ecosystems had strengthened over time. From 2000 to 2005, ecosystem resilience increased rapidly, but the growth rate of resilience slowed after 2005. To facilitate the ecosystem resilience variation study, resilience, in accordance with its value range, was divided into four grades: level 1 (range of 0 to 0.2), level 2 (0.2 to 0.4), level 3 (0.4 to 0.6), and level 4 (0.6 to 0.8). In 1995, 100% of the area had ecosystem resilience less than 0.4 (level 2 or lower), but it dropped to 41.45% in 2010 (mainly concentrated in the wind sandy and grass shoal areas of northern Yulin). For the different counties, after 2000, there was an increase in the area with ecosystem resilience levels greater than 0.4 (level 3 and higher). Before 2000, in the Jiaxian, Zizhou, Mizhi, Suide, Wubu, and Qingjian counties in southern Yulin, 92.2%, 92.6%, 87.1%, 84.9%, 83.5%, and 79.7% of the total area had ecosystem resilience values greater than 0.4, respectively. In contrast, none of the remaining counties (except for Fugu County in northern Yulin) exceeded an area of 60% for the same value. In addition, areas with ecosystem resilience levels higher than 0.6 (level 4), were mainly concentrated in the southern region of Yulin (e.g., Qingjian, Wubu, Mizhi, and Suide counties). Therefore, when the value of ecosystem resilience maintained steady growth in the Yulin region, we found that the value was higher in the southern area than in the northern area. Each year, this gap between areas gradually increased. This study on the elastic strength coefficient and the elastic limit revealed the development and changing trends of ecosystem resilience in Yulin City, and provides a reference for the ecosystem health and sustainable development in the study area.

Yulin Prefecture; ecosystem; resilience; elastic strength coefficient; elastic limit

國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目(41330858)；國家自然科學(xué)基金(41471226，51609196)；陜西水利科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(2014slkj- 11,2014slkj- 13)

2016- 01- 12;

2016- 05- 26

10.5846/stxb201601120071

*通訊作者Corresponding author.E-mail: lipeng74@163.com

劉曉平,李鵬,任宗萍,苗滋耀,張軍,劉曉君,李占斌,王添.榆林地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)彈性力評價(jià)分析.生態(tài)學(xué)報(bào),2016,36(22):7479- 7491.

Liu X P, Li P, Ren Z P, Miao Z Y, Zhang J, Liu X J, Li Z B, Wang T.Evaluation of ecosystem resilience in Yulin, China.Acta Ecologica Sinica,2016,36(22):7479- 7491.