海南寧遠河流域生態(tài)脆弱性分析

羅改改，陸 禹，李明月，佘濟云，韋志飛

(1.華南理工大學(xué)，廣東 廣州 510641； 2.中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長沙 410000；3.湖南省國土資源規(guī)劃院，湖南 長沙 410000)

海南寧遠河流域生態(tài)脆弱性分析

羅改改1，陸 禹2，李明月1，佘濟云2，韋志飛3

(1.華南理工大學(xué)，廣東 廣州 510641； 2.中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長沙 410000；3.湖南省國土資源規(guī)劃院，湖南 長沙 410000)

以海南寧遠河流域為研究對象，選取分離度、分維度倒數(shù)、破碎度3個景觀格局指數(shù)和生態(tài)敏感性構(gòu)建生態(tài)脆弱性評價模型，應(yīng)用空間疊加分析和克里金插值法，從景觀格局和生態(tài)敏感性結(jié)合的角度研究流域的生態(tài)脆弱性。結(jié)果表明：①寧遠河流域生態(tài)敏感性由自然和人類活動共同決定，主要驅(qū)動因子為土壤類型和土地覆蓋類型。②景觀類型生態(tài)脆弱性排序為建設(shè)用地>未利用地>牧草地>林地>農(nóng)地>水域，景觀類型生態(tài)脆弱性與分離度呈極度正相關(guān)，與破碎度及生態(tài)敏感性呈顯著正相關(guān)，人為干擾是生態(tài)脆弱性演替的主導(dǎo)因素。③寧遠河流域以中低生態(tài)脆弱性為主，微度脆弱、輕度脆弱、中度脆弱、重度脆弱、極度脆弱區(qū)占比依次為6.53%、42.97%、35.74%、7.43%、7.33%，生態(tài)脆弱性的空間分布規(guī)律為東北低西南高，人為干擾是影響生態(tài)脆弱性分布的主要因素。生態(tài)脆弱性主要的驅(qū)動因子是人為干擾和海洋影響，地形地貌是影響生態(tài)脆弱性布局的根源。

寧遠河流域；景觀格局；生態(tài)敏感性；生態(tài)脆弱性

生態(tài)脆弱性是生態(tài)系統(tǒng)在特定時空尺度上相對于外界干擾所表現(xiàn)出的敏感性和恢復(fù)力[1-2]，影響著生態(tài)過程的進行和生態(tài)環(huán)境演化方向[3]。近年來隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和城市化進程的推進，生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性明顯上升，開展生態(tài)脆弱性研究可為保護和改善生態(tài)環(huán)境提供科學(xué)依據(jù)[4-6]。傳統(tǒng)研究多基于自然條件、資源狀況和環(huán)境現(xiàn)狀的統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析[7-8]，不能較好地反映區(qū)域生態(tài)演化機制。景觀格局是多種生態(tài)過程相互作用的結(jié)果，體現(xiàn)著區(qū)域異質(zhì)性，能反映自然與人文活動的內(nèi)在聯(lián)系[9]，結(jié)合景觀格局與生態(tài)敏感性分析能反映出生態(tài)脆弱性的演化機制，具有較強的現(xiàn)實指導(dǎo)意義。

目前生態(tài)脆弱性的研究多涉及市縣[10]、礦區(qū)[11]、濕地[12]、草地[13]、自然災(zāi)害[14]等方面，以沿海流域為對象探討生態(tài)脆弱性的研究較少[15]。寧遠河流域處于特殊的海濱海島地理位置，島嶼生物種群的抗外界干擾能力和自我恢復(fù)能力低，易受自然災(zāi)害影響，加之旅游開發(fā)不斷深化，已出現(xiàn)開發(fā)模式錯位、景觀破碎化、環(huán)境污染等諸多問題，環(huán)境保護迫在眉睫。本研究以寧遠河流域為對象，從景觀格局和生態(tài)敏感性相結(jié)合的角度探討寧遠河流域的生態(tài)脆弱性，以期為該流域生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

寧遠河發(fā)源于海南省保亭黎族苗族自治縣毛感鄉(xiāng)，109°5′46″—109°33′20″ E、18°19′30″—18°39′30″ N(圖1)，于三亞市崖城鎮(zhèn)注入南海，干流全長83.5 km，年均徑流量6.49億m3，流域面積1020 km2，被譽為三亞“母親河”。流域地勢東北高西南低，屬熱帶海洋性季風(fēng)氣候，年均降水量1462 mm，土壤類型包括山地黃壤、山地赤紅壤、磚紅壤、沙土等。因受地形地勢影響，植被垂直分布明顯，主要類型有熱帶雨林次生喬木林、灌木林、草地、人工林等。流域涉及保亭黎族苗族自治縣的毛感鄉(xiāng)及新政鎮(zhèn)，三亞市的鳳凰鎮(zhèn)、天涯鎮(zhèn)及崖城鎮(zhèn)，土地利用類型以林地、耕地為主，分別占流域總面積的85.48%、8.73%，森林覆蓋率達85.05%，隨著人為干擾程度的加劇，寧遠河流域景觀破碎化程度增大，生態(tài)系統(tǒng)出現(xiàn)脆弱化發(fā)展趨勢。

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

以2010年海南省二類調(diào)查數(shù)據(jù)、海南省行政邊界圖、海南省DEM數(shù)字高程模型(分辨率20 m×20 m)、土壤類型分布圖、1∶10000地形圖及Goolge Earth遙感影像數(shù)據(jù)為研究基礎(chǔ)，二類調(diào)查數(shù)據(jù)的影像信息源為2008年QuickBird遙感影像數(shù)據(jù)(分辨率3 m×3 m)。利用谷歌地圖下載器下載研究區(qū)16級遙感影像圖(比例尺1∶12000，分辨率4 m×4 m)，遙感影像數(shù)據(jù)西南部拍攝日期為2014年7月3日，東北部為2013年10月7日，正好與流域西南部發(fā)展迅速，東北部發(fā)展相對緩慢的特點一致，數(shù)據(jù)精確度較高。采用北京54坐標(biāo)系配準數(shù)據(jù)，根據(jù)解譯標(biāo)志對二類調(diào)查數(shù)據(jù)進行校對調(diào)整和地類合并，得林地、耕地、牧草地、水域、未利用地和建設(shè)用地6種土地利用類型[16]。

1.3 研究方法

1.3.1 評價指標(biāo)體系 選取對生態(tài)環(huán)境影響較大的坡度、地形起伏度、土壤類型、土地覆蓋類型4個因子作為生態(tài)敏感性測定指標(biāo)，與生態(tài)脆弱性相關(guān)性較強的分離度(FI)、分維度倒數(shù)(FD)、破碎度(FN)作為景觀格局測定指標(biāo)[16]，建立寧遠河流域生態(tài)脆弱性評價指標(biāo)體系(圖2)。

1.3.2 生態(tài)敏感性的計算 將流域生態(tài)敏感性分為不敏感、輕度敏感、中度敏感、高度敏感、極度敏感5個級別，利用層次分析法分別以1、3、5、7、9確定權(quán)重，運用幾何平均數(shù)法計算生態(tài)敏感性[16]：

(1)

式中：Si為i類景觀的敏感性指數(shù)；i為景觀類型；j為敏感級；Aij為i類景觀分布在j敏感級上的面積；Ai為i類景觀總面積；Wij為i類景觀相對于j敏感級的權(quán)重。

1.3.3 生態(tài)脆弱性計算 不同景觀類型的組成元素和所處環(huán)境不同，表現(xiàn)出不同的生態(tài)脆弱性。景觀類型共同組成了區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)，因此景觀類型的生態(tài)脆弱性是區(qū)域生態(tài)脆弱性的基礎(chǔ)。根據(jù)景觀類型的分離度、分維度倒數(shù)、破碎度和敏感性，利用主成分分析法確定各指標(biāo)權(quán)重，構(gòu)建景觀類型脆弱性評價模型：

VIi=aFIi+bFDi+cFNi+dSi

(2)

式中：VIi為i類景觀的脆弱性；a，b，c，d為各評價指標(biāo)權(quán)重，a+b+c+d=1。

利用Arcgis漁網(wǎng)工具將研究區(qū)劃分為58個5 km×5 km的格網(wǎng)進行采樣，運用加權(quán)求和法根據(jù)景觀類型面積比計算格網(wǎng)質(zhì)心的生態(tài)脆弱性[16]：

(3)

式中：EVIi為生態(tài)脆弱性；Ai為i類景觀的面積；TA為研究區(qū)總面積。

在格網(wǎng)生態(tài)脆弱性的基礎(chǔ)上，利用克里格插值法預(yù)測模擬寧遠河流域的生態(tài)脆弱性。

2 結(jié)果與分析

2.1 生態(tài)敏感性分析

利用層次分析法計算坡度、地形起伏度、土壤類型及土地覆蓋類型的權(quán)重值依次為0.4115、0.0672、0.1504、0.3709，一致性檢驗為CI=0.0077<0.1，分析結(jié)果合理。利用Arcgis的柵格計算工具，根據(jù)公式(1)將4個敏感性測定指標(biāo)進行加權(quán)疊加(圖3)。

寧遠河流域生態(tài)敏感性分布存在明顯的空間分異：Ⅰ級敏感區(qū)占總面積的23.97%，主要分布在流域中游，以林地為主，有少量耕地和建設(shè)用地；Ⅱ級、Ⅲ級敏感區(qū)分別占總面積的32.41%、28.10%，主要分布在流域上游，以林地為主，地形起伏度較大；Ⅳ級、Ⅴ級敏感區(qū)分別占總面積的11.76%、3.76%，主要分布在流域下游入海口，多為耕地和建設(shè)用地。

2.2 生態(tài)脆弱性分析

對寧遠河流域的景觀類型進行柵格化處理，像元大小為10 m×10 m，利用Fragstats 3.0計算各景觀類型的分離度(FI)、分維度倒數(shù)(FD)、破碎度(FN)，并進行景觀類型的生態(tài)脆弱性計算。采用主成分分析法計算各測定指標(biāo)的權(quán)重，分離度、分維度倒數(shù)、破碎度及生態(tài)敏感性指標(biāo)的權(quán)重分別為0.2808、0.2014、0.2474、0.2704。根據(jù)公式(2)計算各景觀類型脆弱性(表1)。

建設(shè)用地、未利用地的分離度較大，表明其在地域上分散程度高，生態(tài)系統(tǒng)聚合度和穩(wěn)定性較差，易受外界干擾的影響。分維度倒數(shù)最大的是建設(shè)用地，其次是牧草地，說明建設(shè)用地和牧草地通過人為規(guī)劃，形狀呈現(xiàn)規(guī)則化，受人為影響較大。未利用地的破碎度最大，建設(shè)用地次之，說明未利用地及建設(shè)用地受人類的干擾強烈，景觀較破碎分散。各景觀類型脆弱性的順序為：建設(shè)用地>未利用地>牧草地>林地>耕地>水域，建設(shè)用地和未利用地生態(tài)脆弱性最高，主要是受人為干擾較大，景觀呈現(xiàn)高度破碎化；水域生態(tài)脆弱性最低，主要是水域分布較為集中，受人為干擾較少，生態(tài)系統(tǒng)相對穩(wěn)定。

表1 景觀類型脆弱性指數(shù)

在SPSS 17.0中對景觀類型的生態(tài)脆弱性進行Pearson相關(guān)性分析，以探討景觀類型生態(tài)脆弱性與測定指標(biāo)之間的相互關(guān)系(表2)。景觀類型生態(tài)脆弱性與分離度之間存在極度相關(guān)，與破碎度和生態(tài)敏感性之間存在顯著正相關(guān)關(guān)系，說明寧遠河流域生態(tài)脆弱性主要是受分離度、破碎度和生態(tài)敏感性的影響，其中分離度對生態(tài)脆弱性的作用最為明顯。分離度和破碎度存在顯著正相關(guān)，這與二者的性質(zhì)是相符的，都反映出人類對景觀類型的干擾程度。生態(tài)敏感性與分離度、破碎度之間存在顯著正相關(guān)，說明生態(tài)敏感性與人類干擾之間存在相互作用，人類干擾對生態(tài)敏感性產(chǎn)生較大影響。分維度倒數(shù)與其他生態(tài)脆弱性指數(shù)之間的相關(guān)性較弱，說明分維度倒數(shù)對區(qū)域生態(tài)脆弱性的影響程度較低。

表2 生態(tài)脆弱性指數(shù)相關(guān)性分析

*：*為顯著相關(guān)；**為極度相關(guān)。

依據(jù)公式(3)計算各格網(wǎng)的生態(tài)脆弱性，并預(yù)測生成寧遠河流域生態(tài)脆弱性分布圖，采用自然斷裂法(Natural Breaks)將流域生態(tài)脆弱性劃分為5個等級(圖4)：Ⅰ級，微度脆弱區(qū)(EVI值為0.2313～0.2366)，占總面積的6.53%；Ⅱ級，輕度脆弱區(qū)(0.2366～0.2385)，占總面積的42.97%；Ⅲ級，中度脆弱區(qū)(0.2385～0.2438)，占總面積的35.74%；Ⅳ級，重度脆弱區(qū)(0.2438～0.2579)，占總面積的7.43%；Ⅴ級，極度脆弱區(qū)(0.2579～0.2959)，占總面積的7.33%。

Ⅰ、Ⅱ級區(qū)集中分布在流域的中上游及西北方，該區(qū)地形起伏度較大，以山地丘陵為主，高程多在300 m以上，土壤主要是山地黃壤、赤紅壤及砂頁巖磚紅壤，植被多為原始次生林，生態(tài)脆弱性最低。Ⅲ級區(qū)主要分布在中游，地形起伏度小，高程100～300 m，林地占區(qū)域大部分面積，少量耕地和建設(shè)用地散布其間，生態(tài)脆弱性較低。Ⅳ、Ⅴ級區(qū)集中分布在流域下游的入?？趨^(qū)域，該區(qū)地勢平坦，海拔較低，土壤主要為濱海沙土和水稻土，土壤侵蝕和鹽堿化現(xiàn)象嚴重，土地利用類型多為耕地、建設(shè)用地和未利用地，景觀呈現(xiàn)高度破碎化，生態(tài)脆弱性最高。

3 討論

流域面積廣闊，且地形地貌呈現(xiàn)規(guī)律變化，因此流域的生態(tài)敏感性空間分布特征明顯。寧遠河流域生態(tài)敏感性的空間分布規(guī)律為：中游生態(tài)敏感性較低，上游生態(tài)敏感性中等，下游入?？诘纳鷳B(tài)敏感性最高。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級敏感區(qū)與Ⅳ、Ⅴ級敏感區(qū)相比，土地覆蓋類型、土壤類型存在明顯差異，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級區(qū)域土地覆蓋類型以林地和水域為主，林地和水域生態(tài)結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，與外界環(huán)境隔離性較強，且2類景觀主要分布在丘陵和山地，受人為干擾程度低，生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性較好；土壤類型為山地黃壤、赤紅壤和砂頁巖磚紅壤，土壤侵蝕程度相對較低，土體結(jié)構(gòu)完整，抗干擾能力較強。Ⅳ、Ⅴ級敏感區(qū)土地覆蓋類型以生態(tài)結(jié)構(gòu)單一的耕地和建設(shè)用地為主，土壤類型為易受外界侵蝕的濱海沙土和水稻土，該區(qū)人類活動頻繁，生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性差。Ⅰ級敏感區(qū)與Ⅱ級、Ⅲ級敏感區(qū)相比，土地覆蓋類型和土壤類型相差不大，但坡度較緩，地形起伏度較小。該流域處于臺風(fēng)災(zāi)害多發(fā)地帶，年降雨量大，較緩的坡度和較小的起伏度有利于抵抗自然災(zāi)害，生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性較好。從形成特點看，土壤類型受自然和人文共同影響，地形地貌主要受自然條件控制，土地覆蓋類型與人為干擾相關(guān)性較強，因此寧遠河流域生態(tài)敏感性由自然和人文共同決定。

生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性必須依賴于生態(tài)系統(tǒng)信息傳遞，因此景觀破碎化程度大的生態(tài)系統(tǒng)脆弱性較高。相關(guān)性分析表明，寧遠河流域景觀類型生態(tài)脆弱性與景觀破碎化存在極顯著相關(guān)，生態(tài)脆弱性最大的2類景觀為建設(shè)用地和未利用地，建設(shè)用地是人類活動的主要載體，受人為干擾最大，流域建設(shè)用地主要分布在入?？?，由于開發(fā)和規(guī)劃程度不高，建設(shè)用地呈現(xiàn)高度破碎化；未利用地主要分布在海岸線沿岸，海岸線沿岸是重要的旅游資源。近年來三亞旅游業(yè)的迅速發(fā)展，海岸沿線的游客數(shù)量直線上升，過多的人為干擾和強烈的海風(fēng)影響導(dǎo)致沿岸植被退化、土地鹽堿化和沙化，生態(tài)環(huán)境極為脆弱。生態(tài)敏感性對生態(tài)脆弱性影響明顯，但不能對生態(tài)脆弱性起決定性作用：生態(tài)敏感性Ⅱ、Ⅲ級區(qū)生態(tài)脆弱性較低，Ⅰ級區(qū)生態(tài)脆弱性較高，說明生態(tài)脆弱性受更深層次因素的影響。同時，生態(tài)敏感性與生態(tài)脆弱性空間分布的差異，也說明生態(tài)敏感性與景觀格局相結(jié)合能較好地反映生態(tài)脆弱性的實際情況。

寧遠河流域生態(tài)脆弱性空間分布特征為上游較低，中游中等，下游較高，整體呈現(xiàn)東北低西南高的空間趨勢，與流域地形地貌格局相一致，這與盧遠等[9]的研究結(jié)果一致。上游多為生態(tài)環(huán)境良好的原始次生林，地形起伏較大，人類活動頻率低，受人為干擾很少，景觀完整性較好；中游多為林地和水域，只有少量農(nóng)田和建設(shè)用地散布其間，人為干擾程度有所加強，但景觀破碎化程度不高，生態(tài)脆弱性稍有提高；下游主要為城鎮(zhèn)和農(nóng)業(yè)發(fā)展區(qū)，是人類活動的主要區(qū)域，受人類干擾較大，景觀破碎化程度急劇上升，加之建設(shè)用地和未利用地生態(tài)結(jié)構(gòu)單一，對自然災(zāi)害抵抗力極弱，生態(tài)系統(tǒng)極為脆弱。調(diào)查表明，該流域極度脆弱區(qū)的空間分布與工、農(nóng)業(yè)污染源的位置正好吻合，人為干擾和環(huán)境污染是生態(tài)環(huán)境迅速脆弱化的主要原因。寧遠河流域的生態(tài)脆弱性呈帶狀分布，與海岸線呈顯著平行關(guān)系，即越靠近海岸線，生態(tài)環(huán)境的脆弱性越高，說明流域的生態(tài)脆弱性受海洋影響較大，這與邱彭華等[16]的研究結(jié)果一致。寧遠河流域位于海南島西南部沿海，盛行的東南風(fēng)加劇了土地鹽堿化程度和速度，加強了環(huán)境污染對生態(tài)環(huán)境的影響和破壞，加之幾十年來海防林遭人為破壞嚴重，不少地區(qū)出現(xiàn)海防林老化、退化、病蟲害嚴重等現(xiàn)象，這些都加強了海風(fēng)對流域生態(tài)環(huán)境的干擾，加速了生態(tài)系統(tǒng)脆弱化。

4 結(jié)論

1)寧遠河流域生態(tài)敏感性較強的Ⅳ、Ⅴ級區(qū)域主要分布在下游入?？?，占流域總面積的15.52%；Ⅱ、Ⅲ級生態(tài)敏感區(qū)主要分布在地勢較高的上游區(qū)域，占流域總面積的60.51%；Ⅰ級生態(tài)敏感區(qū)主要分布在中游區(qū)域，占流域總面積的23.97%。生態(tài)敏感性由自然和人類活動共同決定，主要驅(qū)動因子為土壤類型和土地覆蓋類型，次要驅(qū)動因子為坡度和地形起伏度。

2)該流域景觀類型生態(tài)脆弱性排列順序為：建設(shè)用地>未利用地>牧草地>林地>耕地>水域，建設(shè)用地和未利用地的生態(tài)脆弱性最高，主要是人為干擾導(dǎo)致。景觀類型生態(tài)脆弱性與分離度呈極度正相關(guān)，與破碎度及生態(tài)敏感性呈顯著正相關(guān)，人為干擾是生態(tài)脆弱性演化機制的主導(dǎo)因素。生態(tài)敏感性與分離度和破碎度呈顯著正相關(guān)，說明生態(tài)敏感性與人為干擾之間存在復(fù)雜的相互關(guān)系。

3)該流域以中低生態(tài)脆弱性為主，微度脆弱、輕度脆弱、中度脆弱、重度脆弱和極度脆弱區(qū)占比依次為6.53%、42.97%、35.74%、7.43%和7.33%，空間分布規(guī)律為東北低西南高，Ⅰ、Ⅱ級生態(tài)脆弱性區(qū)域主要分布在上游，Ⅲ級生態(tài)脆弱性區(qū)域主要分布在中游，Ⅳ、Ⅴ級生態(tài)脆弱性區(qū)域主要分布在下游，人為干擾是影響生態(tài)脆弱性分布的主要因素。景觀格局和生態(tài)敏感性結(jié)合能較好地反映生態(tài)脆弱性實際情況，流域生態(tài)脆弱性的主要驅(qū)動因子是人為干擾和海洋影響，地形地貌是影響生態(tài)脆弱性布局的根源。

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The Ecological Vulnerability of Ningyuan River Basin in Hainan Province

LUO Gai-gai1，LU Yu2，Li Ming-yue1，SHE Ji-yun2，WEI Zhi-fei3

(1.SouthChinaUniversityofTechnology，Guangzhou510641，Guangdong，China；2.CentralSouthUniversityofForestryandTechnology，Changsha410000，Hunan，China；3.LandandResourcesPlanningInstituteofHunanprovince，Changsha410000，Hunan，China)

This paper taking the basin of Ningyuan river as a subject investigated，selecting division index，fractal dimension reciprocal，fragmentation index 3 landscape pattern indexes and ecological sensitivity structured the evaluation model of ecological vulnerability，then used spatial overlay analysis and Kriging carry on the research from the angle of combining the landscape pattern and ecological sensitivity to the ecological vulnerability of river basin.The results showed that：①Nature and human activity determine the ecological sensitivity of the basin of Ningyuan river together，and the main driving forces are soil type and land cover type.②The ecological vulnerability of landscape types is in the following decreasing order：construction land>badlands>grassland>woodland>agricultural land>waters land.There is a extreme correlation between the ecological vulnerability of landscape type and division index，a marked correlation between the ecological vulnerability of landscape type and fragmentation index as well as ecological sensitivity.Human disturbance is the dominant factor to the succession of ecological vulnerability.③A majority of the basin of Ningyuan river is moderate ecological vulnerability and low ecological vulnerability.Slight，light，moderate，heave and extreme vulnerability occupied 6.53%、42.97%、35.74%、7.43% and 7.33%.The spatial distribution pattern of ecological vulnerability is northeast is low and southwest is high，and human disturbance is the main factor of ecological vulnerability distribution.The main driving forces of ecological vulnerability are human disturbance and the influence of ocean，and topography is the source that effects the spatial distribution of the ecological vulnerability.

Ningyuan river；landscape pattern；ecological sensitivity；ecological vulnerability

2015-03-04；

2015-05-11

海南省林業(yè)局重點科研項目(海南省五大河流域植被恢復(fù)與保護規(guī)劃研究，LK20118478)

羅改改(1988—)，女，湖北荊門人，華南理工大學(xué)碩士研究生，從事土地制度與政策和土地生態(tài)脆弱性方面的研究。E-mail：729055262@qq.com。

陸禹，湖南武岡人，中南林業(yè)科技大學(xué)博士研究生。E-mail：lylgg245866@126.com。

10.13428/j.cnki.fjlk.2016.01.022

X171

A

1002-7351(2016)01-0099-06