山區(qū)縣土地生態(tài)脆弱性動態(tài)變化分析
——以青龍滿族自治縣為例

魏明歡, 胡波洋, 張貴軍, 張蓬濤

(河北農(nóng)業(yè)大學 國土資源學院, 河北 保定 071001)

生態(tài)環(huán)境是人類生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，但近幾十年來，隨著人口的快速增長以及工農(nóng)業(yè)活動的不斷加劇，生態(tài)環(huán)境受到越來越多的干預和破壞。日趨嚴重的生態(tài)環(huán)境問題使人類的生存和發(fā)展受到威脅，也引起了社會各界的廣泛關(guān)注。2016年《國務(wù)院關(guān)于同意新增部分縣(市、區(qū)、旗)納入國家重點生態(tài)功能區(qū)的批復》(國函[2016]161號)中同意國家發(fā)展改革委提出的在國家重點生態(tài)功能區(qū)范圍的基礎(chǔ)上新增部分縣(市、區(qū)、旗)納入國家重點生態(tài)功能區(qū)，這表明國家對生態(tài)環(huán)境的保護力度進一步加大。

生態(tài)脆弱性研究是全球變化和可持續(xù)發(fā)展研究中的熱點和重點[1]，到目前為止，生態(tài)脆弱性的研究已經(jīng)形成了包括綜合指數(shù)法、主成分分析法、景觀評價法等在內(nèi)的一系列分析方法，同時也形成了包括全國、區(qū)域、省市和流域在內(nèi)的眾多研究尺度[2]。封建民等[3]基于景觀格局指數(shù)，從生態(tài)系統(tǒng)壓力度、敏感度、恢復力3個方面構(gòu)建指標體系，對榆陽區(qū)生態(tài)系統(tǒng)和各行政區(qū)的生態(tài)脆弱性進行分析和評價。廖煒等[4]基于RS和GIS技術(shù)，采用空間主成分分析法評價了丹江口庫區(qū)的生態(tài)環(huán)境脆弱性，并進一步分析了土地利用變化與生態(tài)環(huán)境脆弱性的關(guān)系。張龍等[5]構(gòu)建景觀類型脆弱度指數(shù)計算模型和土地生態(tài)脆弱度指數(shù)計算模型，研究了黑龍江省寧安市1991—2010近20 a土地生態(tài)脆弱性的時空變化。總的來說土地生態(tài)系統(tǒng)脆弱性研究目前尚未形成一個統(tǒng)一的概念體系和分析框架，對山區(qū)縣生態(tài)脆弱性時空分異特征以及演化規(guī)律的研究相對較少。

本研究以青龍滿族自治縣為研究區(qū)域，從自然條件和人為因素兩方面選取7個指標構(gòu)建評價指標體系，在綜合指數(shù)法、變化斜率法等方法以及遙感、地理信息系統(tǒng)等技術(shù)手段的支持下，對青龍滿族自治縣2001年、2007年、2013年的生態(tài)脆弱性進行定量評價，揭示2001—2013年生態(tài)脆弱性的動態(tài)變化，以期為加強該縣生態(tài)恢復及保護，促進資源環(huán)境與社會經(jīng)濟的協(xié)調(diào)發(fā)展提供參考，同時為山區(qū)縣土地生態(tài)系統(tǒng)脆弱性研究提供借鑒。

1　研究區(qū)概況

青龍滿族自治縣地處河北省東北部邊緣，地理位置為118.56°—119.64°E，40.08°—40.61°N。青龍滿族自治縣因其境內(nèi)最大河流青龍河而得名，下轄25個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，396個行政村，4個居民委員會，另有一個省級經(jīng)濟開發(fā)區(qū)；地形走勢呈現(xiàn)東部、南部較低，西部、北部偏高，縣境相對高度差1 766.3 m；氣候?qū)儆诖箨懶约撅L氣候，降水充沛；土壤類型以褐土、棕壤為主，兩者約占總面積的97%；該縣林果資源量多質(zhì)優(yōu)，全縣林地面積4 920萬hm2，森林覆蓋率60%；受地貌特征影響，該縣土地利用類型主要是以農(nóng)業(yè)、林業(yè)、畜牧業(yè)和礦業(yè)用地為主。青龍滿族自治縣是地表水源涵養(yǎng)區(qū)，同時也是京津、冀東地區(qū)的生態(tài)屏障，因此該縣生態(tài)與社會經(jīng)濟的協(xié)調(diào)關(guān)系著京津冀地區(qū)水資源、生態(tài)安全狀況。但同時該縣為山區(qū)縣，晝夜溫差大，降水多，土地凍融交替現(xiàn)象顯著，水土流失、風蝕、水蝕現(xiàn)象普遍，生態(tài)環(huán)境極為脆弱，土地利用受到嚴重威脅。由于該縣生態(tài)功能地位重要但土地生態(tài)系統(tǒng)極為脆弱，2016年，被國務(wù)院納入國家重點生態(tài)功能區(qū)。

2　研究方法

2.1　評價指標體系的建立

參考已有研究成果[6-8]，結(jié)合青龍滿族自治縣實際，本研究從自然條件和人為因素兩方面選取指標構(gòu)建評價指標體系。

青龍滿族自治縣是典型的山區(qū)縣，其生態(tài)環(huán)境脆弱性首先受到自然環(huán)境的影響。本研究從地形、土壤、氣候、植被等方面選取指標表征自然環(huán)境對該縣生態(tài)脆弱性的影響。坡度是水土流失、土壤侵蝕現(xiàn)象的重要影響因素，地形起伏度是表征地表單元地勢起伏復雜程度的指標，兩者都是地形因素的重要組成部分，因此本研究選取坡度和地形起伏度來表征地形對生態(tài)脆弱性的影響；植被是檢驗生態(tài)脆弱性的重要因素，NDVI因具有植被空間覆蓋范圍廣、植物檢測靈敏度高等眾多優(yōu)勢條件，導致其在多種植被指數(shù)中應(yīng)用最多也最廣泛[9]，因此本研究選擇NDVI表征植被對生態(tài)脆弱性的影響；土壤可蝕性可以定量地反映土壤對侵蝕作用的敏感性程度[10]，因此本研究選取土壤可蝕度表征土壤對生態(tài)脆弱性的影響；氣候是生態(tài)環(huán)境形成和演化的重要動力，氣候條件影響著生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定性程度[11]，而降雨量的不均衡會產(chǎn)生引發(fā)水土流失的降雨侵蝕力，因此本研究選取年均降雨量表征氣候?qū)ι鷳B(tài)脆弱性的影響。人為因素對生態(tài)環(huán)境的影響是通過人類一系列的活動促進或減緩生態(tài)脆弱性的進程[12]。人口密度越大，說明人類活動越活躍，對自然環(huán)境的影響越強，因此人口密度是影響生態(tài)環(huán)境脆弱性的威脅因子；土地利用是人類活動作用于生態(tài)環(huán)境的直觀表現(xiàn)[12]，不同的土地利用類型具有不同的生態(tài)功能，因此本研究選取土地利用類型表征土地利用狀況對生態(tài)脆弱性影響。

2.2　數(shù)據(jù)來源與處理

2.2.1數(shù)據(jù)來源研究所需原始數(shù)據(jù)包括：(1) 遙感數(shù)據(jù)。本研究所需Landsat遙感影像數(shù)據(jù)來源于中國科學院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心的地理空間數(shù)據(jù)云平臺2001年、2007年的TM數(shù)據(jù)，2013年的OLI數(shù)據(jù)，成像時間為8月、9月份，分辨率均為30 m。(2) 數(shù)字高程(DEM)。來源于地理空間數(shù)據(jù)云平臺分辨率為30 m的GDEM數(shù)據(jù)。(3) 土壤數(shù)據(jù)。來源于1∶30萬青龍滿族自治縣土壤類型圖以及《河北省土種志》。(4) 氣象數(shù)據(jù)。來源于青龍滿族自治縣周邊13個氣象站點的實測數(shù)據(jù)。(5) 其他數(shù)據(jù)。包括2001年、2007年、2013年的青龍滿族自治縣國民經(jīng)濟統(tǒng)計數(shù)據(jù)以及青龍滿族自治縣行政區(qū)劃矢量圖。

2.2.2數(shù)據(jù)處理

(1) 土地利用類型數(shù)據(jù)獲取。根據(jù)全國土地利用現(xiàn)狀分類，并結(jié)合研究區(qū)實際情況，將青龍滿族自治縣土地利用方式劃分為耕地、園地、林地、建設(shè)用地、水域、未利用地6類。利用ENVI 4.7軟件對3期遙感影像進行預處理，然后采用監(jiān)督分類和目視解譯相結(jié)合的方法對遙感影像進行分類處理，并結(jié)合土地利用現(xiàn)狀圖，利用ENVI混淆矩陣工具進行精度檢驗，其中Kappa系數(shù)超過80%，解譯精度達到研究要求[13]。

(2) NDVI數(shù)據(jù)獲取。NDVI可以檢測植被生長狀況，計算公式如下：

(1)

式中：ρn為近紅外波段的反射率；ρr為紅外波段的反射率。

本研究利用ENVI 4.7軟件的Transform-NDVI功能與ArcGIS掩膜提取工具，對遙感影像進行處理得到研究區(qū)3期NDVI數(shù)據(jù)。

(3) 坡度和地形起伏度獲取。本研究基于青龍滿族自治縣DEM數(shù)據(jù)，利用GIS技術(shù)的Spatial Analyst Tools-Slope功能，獲取青龍滿族自治縣坡度圖，并利用移動窗口法獲取其地形起伏度圖。

(4) 氣象數(shù)據(jù)的獲取。利用研究區(qū)及其周圍13個氣象站點的實測數(shù)據(jù)，采用ArcGIS軟件地統(tǒng)計分析中的反距離加權(quán)插值法進行插值得到研究區(qū)降雨數(shù)據(jù)。

(5) 土壤可蝕度數(shù)據(jù)獲取。土壤可蝕度是評價土壤狀況對土壤侵蝕中剝蝕、搬運等外應(yīng)力敏感程度的指標，本研究根據(jù)青龍滿族自治縣土壤類型數(shù)據(jù)，并結(jié)合門明新等[10]采用EPIC模型對河北省部分土壤可蝕性的研究成果得到研究區(qū)土壤可蝕度分布圖。

(6) 人口密度獲取。根據(jù)青龍滿族自治縣2001年、2007年、2013年的國民經(jīng)濟統(tǒng)計資料獲得研究區(qū)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)三期人口數(shù)據(jù)，并利用ArcGIS軟件賦值到青龍滿族自治縣行政區(qū)劃圖中，根據(jù)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)面積計算得到人口密度，最后對行政區(qū)劃圖進行柵格化，分辨率為30 m，即可獲得研究區(qū)三期人口密度柵格數(shù)據(jù)。

所有數(shù)據(jù)處理完畢后均為30 m×30 m的柵格數(shù)據(jù)。本研究以柵格為評價單元對青龍滿族自治縣三期生態(tài)脆弱性進行評價，并對其13 a間時空分異特征和演化趨勢進行分析。

2.3　多重共線性檢驗

初選指標可能在一定程度上存在共線性問題，易造成評價結(jié)果的失真，因此在評價前應(yīng)對評價指標進行共線性檢驗。本研究選取方差膨脹因子(VIF)作為共線性檢驗指標，VIF值越大，說明該變量與其他變量的相關(guān)性越大，通常選用VIF值等于5作為判斷閾值[14]，當VIF值大于5時，說明所選指標的多元共線性較嚴重。

本文借助ArcGIS軟件將青龍滿族自治縣劃分為1 km×1 km的網(wǎng)格，并取網(wǎng)格中心點(3 706個)作為值提取點讀取柵格數(shù)據(jù)，利用SPSS軟件計算每個指標三期的VIF值(表1)，根據(jù)共線性檢驗結(jié)果可以看出，指標之間的VIF值均小于5，說明它們之間沒有明顯相關(guān)性。

表1　共線性檢驗結(jié)果

綜上，本研究根據(jù)青龍滿族自治縣實際情況，同時兼顧指標綜合性、獨立性、代表性、可獲取性等原則，從自然條件和人為因素兩方面選取坡度、地形起伏度、土壤可蝕度、NDVI、年均降雨量、土地利用類型、人口密度構(gòu)建生態(tài)脆弱性評價指標體系。

2.4　指標標準化及權(quán)重的確定

2.4.1指標數(shù)據(jù)標準化指標數(shù)據(jù)需要進行標準化處理，以消除變量的量綱。對于定量指標，本文采用極差標準化方法對原始指標數(shù)據(jù)進行標準化，公式為：

(2)

式中：Yij/是指第i個柵格第j個評價指標標準化值；Yij是指第i個柵格第j個評價指標原始值；Yimin是指第i個柵格第j個評價指標的最小值；Yiman是指第i個柵格第j個評價指標的最大值。具有正效應(yīng)的指標包括坡度、地形起伏度、年均降水量、人口密度、土壤可蝕度，其值越大生態(tài)脆弱性越嚴重；具有負效應(yīng)的指標包括NDVI，其值越小生態(tài)脆弱性越嚴重。

定性指標包括土地利用類型，本文參考相關(guān)研究[8,15]，通過賦值法對其進行定量化處理，之后利用極差標準化方法對其進行標準化，具體標準的選取情況見表2。

表2　分級賦值標準

2.4.2指標權(quán)重的確定熵權(quán)法是在綜合考慮各因素信息量的基礎(chǔ)上，根據(jù)各指標信息有序程度確定權(quán)重的一種方法，信息熵越小，指標權(quán)重就越大。作為客觀綜合定權(quán)法，熵權(quán)法能夠消除人為因素的干擾，使評價結(jié)果更加科學合理[16-17]。

2.5　生態(tài)脆弱性評價

本文利用綜合指數(shù)法，借助ArcGIS軟件的Raster Calculator功能，將各指標標準化值與各指標權(quán)重的乘積之和作為生態(tài)脆弱性評價指數(shù)對青龍滿族自治縣生態(tài)脆弱性進行評價，其計算公式如下：

(3)

式中：EVIi表示第i個評價單元的生態(tài)脆弱性評價指數(shù)；Yij/表示第j項指標第i個評價單元的標準化值；ωj表示第j項指標權(quán)重。

在生態(tài)脆弱性評價指數(shù)的基礎(chǔ)上，參考相關(guān)研究的評價標準[9,18]，并結(jié)合研究區(qū)自然地理特征，借助ArcGIS軟件的Reclassify功能將青龍滿族自治縣生態(tài)脆弱性劃分為5個等級，分別為微度脆弱、輕度脆弱、中度脆弱、高度脆弱和重度脆弱，劃分標準見表3。

表3　生態(tài)脆弱性分級標準

2.6　生態(tài)脆弱性演化趨勢分析

變化斜率法是利用最小二乘法對所有像元的變量與時間進行回歸分析，預測其變化趨勢，計算公式如下[19-20]：

(4)

式中：X為變化斜率；n為年數(shù)；EVIi為第i年生態(tài)脆弱性值。變化斜率為正，表明該區(qū)域生態(tài)脆弱性呈增加趨勢，變化斜率為負，表明該區(qū)域生態(tài)脆弱性呈降低趨勢。變化斜率顯著性檢驗采用F檢驗，統(tǒng)計量計算如下：

(5)

3　結(jié)果與分析

3.1　研究區(qū)生態(tài)脆弱性評價

青龍滿族自治縣土地生態(tài)系統(tǒng)脆弱性評價指標權(quán)重表見表4，將權(quán)重結(jié)果帶入式(3)中，得到研究區(qū)2001年、2007年、2013年生態(tài)脆弱性指數(shù)，進而得到3期土地生態(tài)脆弱性指數(shù)的空間分布圖(圖1)，根據(jù)等級劃分標準，制作出生態(tài)脆弱性等級空間分布圖(圖2)，并在此基礎(chǔ)上制作生態(tài)脆弱性等級分類表(表5)，以此分析研究區(qū)土地生態(tài)脆弱性時空分布特征。

表4　評價指標權(quán)重

圖1　研究區(qū)生態(tài)脆弱性指數(shù)空間格局

3.2　研究區(qū)生態(tài)脆弱性時空分布特征

時間維度上，由圖2和表5可以看出，2001—2013年微度脆弱區(qū)呈現(xiàn)先上升后下降的波動增加趨勢；輕度脆弱區(qū)在研究期限內(nèi)所占比重最大且呈現(xiàn)逐漸增加趨勢；中度脆弱區(qū)呈現(xiàn)逐漸減少趨勢；高度脆弱區(qū)呈現(xiàn)先下降后上升的波動減少趨勢；重度脆弱區(qū)面積所占比重很小且在研究期限內(nèi)變化不大。2013 年中度以上脆弱區(qū)面積為155 241.77 hm2，占研究區(qū)總面積的44.35%，說明研究區(qū)有將近一半?yún)^(qū)域處于土地生態(tài)脆弱性嚴重區(qū)。但從表5可以看出，2001—2013年青龍滿族自治縣中度以上脆弱性區(qū)所占比例由2001年的48.84%下降到2013年的44.35%，下降了4.49%，說明該縣在13 a間積極進行土地生態(tài)系統(tǒng)的恢復和保護，并取得一定的成效，但由于山區(qū)自然條件的限制以及城鎮(zhèn)化、工業(yè)化的發(fā)展，使得該縣仍有部分地區(qū)生態(tài)條件較為惡劣。2001年、2007年、2013研究區(qū)生態(tài)脆弱性均以輕度脆弱性為主，面積為177 041.36 hm2，183 831.17 hm2，192 494.72 hm2，分別占研究區(qū)面積的50.56%，52.50%，54.97%，區(qū)域面積逐漸增大，中度以上脆弱區(qū)呈現(xiàn)逐漸減少趨勢且大部分向輕度脆弱區(qū)發(fā)展，說明青龍滿族自治縣生態(tài)脆弱性朝著良好態(tài)勢發(fā)展。

圖2　研究區(qū)生態(tài)脆弱性等級空間格局

年份類型微度脆弱輕度脆弱中度脆弱高度脆弱重度脆弱2001年面積/hm22108．98177041．36163541．987442．760．06比重/%0．6050．5646．712．1302007年面積/hm25637．94183831．17155867．014797．711．31比重/%1．6152．5044．511．3802013年面積/hm22398．65192494．72149268．925972．850比重/%0．6854．9742．641．7102001—2007年面積/hm23528．966789．81-7674．97-2645．051．25比重/%1．011．94-2．20-0．7502007—2013年面積/hm2-3239．298663．55-6598．091175．14-1．31比重/%-0．932．47-1．870．3302001—2013年面積/hm2289．6715453．36-14273．06-1469．91-0．06比重/%0．084．41-4．07-0．420

空間維度上，研究區(qū)2001—2013年生態(tài)脆弱性普遍存在西北部高，中部、東部低的態(tài)勢。高度脆弱區(qū)主要分布在西北部的青龍鎮(zhèn)、八道河鎮(zhèn)以及婁杖子鎮(zhèn)，主要是因為該區(qū)域在縣城周邊，人口密度大、人類活動頻繁，導致土地生態(tài)系統(tǒng)受到持續(xù)破壞。輕度脆弱區(qū)主要分布在研究區(qū)西南、中部的大部分區(qū)域，以及東南部的祖山林場，主要是由于該區(qū)域人為干擾程度低，地形較為平緩，同時該區(qū)域有包括桃林口水庫、老嶺自然保護區(qū)在內(nèi)的眾多生態(tài)環(huán)境保護重點區(qū)域，一定程度上減緩了生態(tài)脆弱性。

3.3　脆弱性演化趨勢分析

依據(jù)變化斜率法以及顯著性檢驗結(jié)果(圖3，表6)，生態(tài)脆弱性顯著提高的區(qū)域占全域面積的4.23%，且主要集中在輕度脆弱區(qū)，分布于茨榆山鄉(xiāng)和大巫嵐鎮(zhèn)?？梢钥闯鲈搮^(qū)域雖然有較低的脆弱性，但由于自然條件惡劣以及人類活動的影響，該區(qū)域土地生態(tài)系統(tǒng)的自我恢復能力逐漸減弱，生態(tài)環(huán)境的破壞程度逐漸加劇，因此應(yīng)注意加強該區(qū)域生態(tài)環(huán)境的保護，防止生態(tài)脆弱性進一步惡化；脆弱性顯著降低的區(qū)域占全域的10.06%，主要分布在八道河鎮(zhèn)、龍王廟鄉(xiāng)、三星口鄉(xiāng)和干溝鄉(xiāng)等，說明上述區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況好轉(zhuǎn)的趨勢較為明顯。由圖3可以看出該區(qū)域多處于中度脆弱區(qū)和高度脆弱區(qū)，主要原因是隨著水土保持、防護林建設(shè)等政策措施的實施，使區(qū)域土地生態(tài)系統(tǒng)逐步得到恢復；全域85.71%的像元不存在明顯變化，且其中絕大部分處于中度脆弱區(qū)和輕度脆弱區(qū)，由此可以看出研究區(qū)大部分區(qū)域的生態(tài)脆弱性正處于中間過渡的重要階段，如果該區(qū)域的生態(tài)環(huán)境保護能夠得到足夠的重視，及時采取修復和保護措施，生態(tài)脆弱性就會趨于減弱，生態(tài)環(huán)境狀況就會好轉(zhuǎn)；反之該區(qū)域的生態(tài)脆弱性會趨于增強，生態(tài)環(huán)境狀況極易惡化。

表6　生態(tài)脆弱性變化趨勢分析結(jié)果

圖3　2001-2013年研究區(qū)生態(tài)脆弱性變化趨勢及F值檢驗

4　討論與結(jié)論

4.1　討 論

(1) 本文所選指標重點突出了自然環(huán)境和人類活動對生態(tài)脆弱性的影響，指標選擇具有普適性，數(shù)據(jù)具有可獲取性。但所選指標能否較好地表征復雜的土地生態(tài)系統(tǒng)有待進一步驗證。

(2) 本文借助遙感、地理信息系統(tǒng)等技術(shù)手段獲取指標數(shù)據(jù)，但受數(shù)據(jù)來源和信息提取等方面的限制，數(shù)據(jù)的精度和質(zhì)量有待進一步提高。

4.2　結(jié) 論

(1) 生態(tài)脆弱性時間維度分析表明研究區(qū)大部分地區(qū)處于生態(tài)脆弱性態(tài)勢，但以輕度脆弱為主，且生態(tài)脆弱性朝著良好態(tài)勢發(fā)展。

(2) 生態(tài)脆弱性空間維度分析表明：在研究期限內(nèi)，研究區(qū)土地生態(tài)系統(tǒng)脆弱性普遍存在西北部高，中東部低的態(tài)勢。高度脆弱區(qū)主要分布在西北部的青龍鎮(zhèn)、八道河鎮(zhèn)以及婁杖子鎮(zhèn)，輕度脆弱區(qū)主要分布在研究區(qū)西南、中部的大部分區(qū)域，以及東南部的祖山林場。

(3) 生態(tài)脆弱性演化趨勢分析結(jié)果表明：生態(tài)脆弱性顯著提高的區(qū)域主要為輕度脆弱區(qū)，顯著降低的區(qū)域主要為中、高度脆弱區(qū)，另全域絕大部分地區(qū)脆弱性變化趨勢并不顯著。

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