基于格網(wǎng)的南昌市生態(tài)環(huán)境脆弱性評(píng)價(jià)

王貝貝,丁明軍,2,*,管琪卉,艾嘉會(huì)

1 江西師范大學(xué)地理與環(huán)境學(xué)院,南昌 330022 2 江西師范大學(xué)鄱陽湖濕地與流域教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南昌 330022

生態(tài)環(huán)境脆弱性是指在特定時(shí)空尺度下,生態(tài)系統(tǒng)對(duì)于外界干擾所表現(xiàn)出的敏感反應(yīng)和自我恢復(fù)能力,是自然屬性和人類經(jīng)濟(jì)行為共同作用的結(jié)果[1]。科學(xué)認(rèn)知、評(píng)價(jià)以及合理調(diào)控生態(tài)環(huán)境,是資源環(huán)境領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問題,也是生態(tài)文明建設(shè)的迫切要求[2- 3]。全球變化和人類活動(dòng)強(qiáng)度的加劇,對(duì)人類賴以生存和發(fā)展的生態(tài)系統(tǒng)造成巨大影響,使得生態(tài)環(huán)境脆弱性問題凸顯[4]。

當(dāng)前學(xué)者已從多個(gè)角度對(duì)生態(tài)環(huán)境的脆弱性展開研究。從研究尺度來看,宏觀尺度主要以縣域[5]、市域[6- 7]、省域[8- 9]及城市群[10]等為評(píng)價(jià)單元,微觀尺度多以柵格[11]為評(píng)價(jià)單元,基于格網(wǎng)尺度的研究較少。從研究?jī)?nèi)容來看,主要是從特征、類型、形成機(jī)理、評(píng)價(jià)方法、評(píng)價(jià)指標(biāo)體系、空間分布格局等方面[12- 14]來研究特定區(qū)域單一年份的生態(tài)環(huán)境脆弱性變化,但對(duì)不同年份的生態(tài)環(huán)境脆弱性變化、空間集聚特征探究的案例較少[10]。從實(shí)證研究采用的方法上看,層次分析法[15- 16]、熵值法[17]、主成分分析法[4,18- 19]、模糊評(píng)價(jià)法[20]等單一方法和模糊層次分析法[21- 23]、主成分-聚類分析法[24]等耦合模型得到了廣泛應(yīng)用。從研究區(qū)域上看,主要集中于兩類地區(qū),第一類地區(qū)為自然條件較差的地區(qū),包括極端災(zāi)害易發(fā)地區(qū)(如地震[25- 26]、海嘯[27]、火災(zāi)[28])、氣候不適宜區(qū)(如干旱和半干旱區(qū)[29- 30])、高原[31- 33]及山區(qū)[34];第二類地區(qū)為人為干擾嚴(yán)重的地區(qū),如三峽庫區(qū)[4]、煤炭礦區(qū)[35- 37]、農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)[38]、城鄉(xiāng)交錯(cuò)結(jié)合帶[39]、水陸交界區(qū)[40- 43]、農(nóng)業(yè)區(qū)[44];但對(duì)南昌市這類處于快速城市化進(jìn)程且位于南方紅壤水土流失區(qū)的研究鮮少。

針對(duì)當(dāng)前研究中評(píng)價(jià)單元粒度較粗糙、研究時(shí)段跨度較小、典型案例區(qū)涵蓋不全面、評(píng)價(jià)指標(biāo)相對(duì)單一的現(xiàn)狀[45],本文以公里格網(wǎng)為評(píng)價(jià)單元,將南方紅壤水土流失區(qū)快速城市化典型代表南昌市作為研究區(qū),以SRP概念模型為評(píng)價(jià)體系,采用空間主成分分析法,并結(jié)合全局Moran′s I指數(shù)和LISA聚類圖,對(duì)南昌市2000—2015年生態(tài)環(huán)境脆弱性進(jìn)行動(dòng)態(tài)定量評(píng)價(jià),進(jìn)而揭示南昌市生態(tài)環(huán)境脆弱性的時(shí)空分布特征及其驅(qū)動(dòng)力,力圖為市域范圍內(nèi)的生態(tài)建設(shè)和恢復(fù)提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

南昌市(115°27′—116°35′E、28°10′—29°11′N)位于江西省中北部,轄東湖、西湖、青云譜、青山湖、灣里、新建6區(qū)和南昌、進(jìn)賢、安義3縣。該區(qū)屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候,是典型的“夏炎冬寒”型城市,年降水量1600—1700 mm,年平均氣溫17.0—17.7℃。境內(nèi)以地丘、崗地和平原為主,東南較為平坦,西北丘陵起伏,區(qū)內(nèi)水網(wǎng)密布,湖泊眾多。南昌市是中國(guó)唯一一個(gè)毗鄰閩南金三角、珠江三角洲和長(zhǎng)江三角洲的省會(huì)城市,是鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)核心城市,是生態(tài)文明先行示范區(qū),是國(guó)家級(jí)新區(qū)贛江新區(qū)中心城市,是全國(guó)首批低碳試點(diǎn)城市,也是中國(guó)重要的綜合交通樞紐和現(xiàn)代制造業(yè)基地[46- 47]。近幾十年來,隨著人類活動(dòng)強(qiáng)度的加大,區(qū)域內(nèi)土地利用變化劇烈,出現(xiàn)了諸多生態(tài)問題;另一方面該地區(qū)西郊隱伏斷裂發(fā)育,夏季多短時(shí)強(qiáng)降雨,容易引發(fā)泥石流、崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害,這對(duì)該地區(qū)生態(tài)安全造成了嚴(yán)重的威脅[48]。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

2.1.1數(shù)據(jù)來源

本文所采用的數(shù)據(jù)主要包括遙感數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)。土地利用/覆被數(shù)據(jù)選用基于2000和2015年2期分辨率為30 m的Landsat遙感影像數(shù)據(jù),采用目視解譯構(gòu)建的南昌市土地利用數(shù)據(jù)集中的兩期數(shù)據(jù)[46,49];2000和2015年歸一化植被指數(shù)(NDVI)是基于美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局(https://glovis.usgs.gov)下載的Landsat-NDVI時(shí)序數(shù)據(jù)采用最大值合成而得,分辨率為30 m;氣象數(shù)據(jù)(月均溫、月降水)來源于國(guó)家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺(tái)(http://data.cma.cn/),數(shù)據(jù)年份為2000和2015年;DEM數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/),分辨率為30 m;社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來源于2000和2015年《江西省統(tǒng)計(jì)年鑒》、《南昌市統(tǒng)計(jì)年鑒》以及南昌市各縣區(qū)統(tǒng)計(jì)公報(bào)。

圖1 研究區(qū)位置示意圖Fig.1 Location of study area

2.1.2數(shù)據(jù)預(yù)處理

(1)DEM數(shù)據(jù)：通過在ArcGIS 10.3軟件平臺(tái)的Surface和Neighborhood工具獲取坡度和地形起伏度數(shù)據(jù)。

(2)景觀多樣性和景觀破碎度數(shù)據(jù)：以柵格化后的兩期土地利用/覆被數(shù)據(jù)為對(duì)象,基于Fragstas 3.3軟件處理所得,計(jì)算方法見式(1)和式(2)：

香農(nóng)多樣性指數(shù)：

(1)

式中,m為景觀類型數(shù)目,Pi為景觀斑塊類型i所占的比率。

斑塊密度：

(2)

式中,Ni為景觀類型i的斑塊數(shù)量,A為研究區(qū)總面積。

(3)土地利用程度綜合指數(shù)數(shù)據(jù)：土地利用程度綜合指數(shù)綜合反映了某一地區(qū)土地利用程度[50],計(jì)算公式見式(3)：

(3)

式中,La為土地利用程度綜合指數(shù);Ai為第i級(jí)的土地利用程度分級(jí)指數(shù);Ci為第i級(jí)土地利用程度分級(jí)面積比。

(4)氣象數(shù)據(jù)：年均氣溫、年均降水量、極端最高溫、極端最低溫和極端暴雨日數(shù)基于南昌市及周邊地區(qū)15個(gè)氣象站點(diǎn)資料進(jìn)行空間插值得到。

(5)社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)：人口密度為各縣(區(qū))的總?cè)丝?總面積;人均GDP為各縣(區(qū))的地區(qū)生產(chǎn)總值/總?cè)丝?人均耕地為各縣(區(qū))的耕地總面積/總?cè)丝?第二產(chǎn)業(yè)比重為各縣(區(qū))的第二產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值/全市第二產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值。

經(jīng)過反復(fù)測(cè)試驗(yàn)證,本研究選擇1.5 km×1.5 km的格網(wǎng)作為基本評(píng)價(jià)單元。為了確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性,在評(píng)價(jià)分析之前須對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何配準(zhǔn)和重采樣,并將選用的所有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為分辨率為30 m的柵格影像。為了將17個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)盡可能細(xì)化到格網(wǎng)單元,針對(duì)數(shù)據(jù)處理中出現(xiàn)部分空間屬性缺失的數(shù)據(jù),在參考已有研究成果的基礎(chǔ)上,基于數(shù)據(jù)采集技術(shù)間接獲取[45]。

2.2 研究方法

2.2.1評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

了解影響脆弱性的因素是生態(tài)環(huán)境脆弱性評(píng)估的前提條件?？偟膩碚f,生態(tài)環(huán)境脆弱性由內(nèi)部脆弱性和外部脆弱性共同決定,內(nèi)部脆弱性源于生態(tài)環(huán)境本身結(jié)構(gòu),通常受到地形、地貌、氣候等本底條件的影響,外部脆弱性通常受到人類活動(dòng)因素的影響。因此,科學(xué)合理的指標(biāo)體系是生態(tài)環(huán)境脆弱性評(píng)價(jià)的關(guān)鍵。生態(tài)敏感性-生態(tài)恢復(fù)力-生態(tài)壓力度(Ecological Sensitivity-Ecological Recovery-Ecological Pressure Model——SRP)概念模型是以生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定為前提而構(gòu)建的,具有清晰的因果關(guān)系,被廣泛應(yīng)用于生態(tài)評(píng)價(jià)。在參考相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上[51- 52],結(jié)合南昌市生態(tài)環(huán)境脆弱性的表現(xiàn)和主要成因,遵循穩(wěn)定性、主導(dǎo)性、科學(xué)性、可行性、獨(dú)立性和適應(yīng)性的原則,從生態(tài)敏感性、生態(tài)恢復(fù)力和生態(tài)壓力度3個(gè)層面選取了17個(gè)指標(biāo)構(gòu)建南昌市生態(tài)環(huán)境脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,并根據(jù)對(duì)生態(tài)環(huán)境脆弱性的影響,將所選用指標(biāo)分為正向指標(biāo)、負(fù)向指標(biāo)和定性指標(biāo)[10,19],詳見表1。

表1 南昌市生態(tài)環(huán)境脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2.2.2評(píng)價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化

由于各評(píng)價(jià)指標(biāo)性質(zhì)不同、量綱各異,因此需對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。

(1)極差標(biāo)準(zhǔn)化：正向指標(biāo)和負(fù)向指標(biāo)采用不同的標(biāo)準(zhǔn)化公式[4,19]：

正向指標(biāo)：

(4)

負(fù)向指標(biāo)：

(5)

式中,Zij為每年數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后的指標(biāo)數(shù)值,變化范圍為0—10,Xij為第i個(gè)指標(biāo)的第j個(gè)格網(wǎng)指標(biāo)值,Xjmax為所有格網(wǎng)中的最大值,Xjmin為所有格網(wǎng)中的最小值。

(2)分級(jí)賦值法標(biāo)準(zhǔn)化

對(duì)于定性指標(biāo),依據(jù)研究區(qū)的土地利用實(shí)際特征,結(jié)合相關(guān)研究成果[4],按照分級(jí)賦值法進(jìn)行量化賦值(表2)。

表2 分等級(jí)賦值標(biāo)準(zhǔn)

2.2.3生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)方法

本研究通過構(gòu)建生態(tài)脆弱性指數(shù)模型來量化生態(tài)環(huán)境脆弱性狀況。為了消除指標(biāo)信息中的重疊性和相關(guān)性,本文基于SPSS 19.0軟件平臺(tái),選用基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)原理的空間主成分分析法(SPCA)對(duì)17個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行分析,根據(jù)主成分特征值大于1確定了2000年和2015年的6個(gè)主成分(表3)。

基于SPCA的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步計(jì)算生態(tài)環(huán)境脆弱性指數(shù)(EVI)公式如下[4,10]：

EVI=r1Y1+r2Y2+r3Y3+…+rnYn

(6)

式中,EVI為格網(wǎng)單元的生態(tài)脆弱性指數(shù);ri為第i個(gè)主成分,Yi為第i個(gè)主成分對(duì)應(yīng)的貢獻(xiàn)率。

表3 各主成分的特征值、貢獻(xiàn)率和累計(jì)貢獻(xiàn)率

基于SPCA的基本原理,由式(6)和表3得到生態(tài)環(huán)境脆弱性指數(shù)的計(jì)算公式：

EVI2000=0.2437×Y1+0.23188×Y2+0.14879×Y3+0.08507×Y4+0.06448×Y5+0.0592×Y6

2.2.4生態(tài)環(huán)境脆弱性分級(jí)與生態(tài)脆弱性綜合指數(shù)

為了便于生態(tài)脆弱性指數(shù)(EVI)的度量和比較,需對(duì)其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。公式如下[4]：

(7)

式中,SEVI為格網(wǎng)單元的生態(tài)脆弱性指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化值,變化范圍為0—10;EVI為格網(wǎng)單元的生態(tài)脆弱性指數(shù)實(shí)際值;EVImax為所有格網(wǎng)單元生態(tài)脆弱性指數(shù)的最大值;EVImin為所有格網(wǎng)單元生態(tài)脆弱性指數(shù)的最小值。

在生態(tài)環(huán)境脆弱性指數(shù)(EVI)標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)上,參照國(guó)內(nèi)外同類研究的相關(guān)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[4,19],并結(jié)合南昌市生態(tài)環(huán)境的實(shí)際特征,基于自然斷點(diǎn)法對(duì)2000年和2015年的生態(tài)環(huán)境脆弱性指數(shù)進(jìn)行分級(jí)。為了確保評(píng)價(jià)結(jié)果的可比性,本文以2000和2015年等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的平均值作為最終的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[8](表4)。

2.2.5空間自相關(guān)分析

本文選用全局Moran′s I和局部Moran′s I指數(shù)兩個(gè)指標(biāo),在GeoDa軟件平臺(tái)的支持下,基于格網(wǎng)尺度,分別對(duì)2000和2015年的生態(tài)環(huán)境脆弱性綜合指數(shù)的空間差異及集聚特征進(jìn)行分析,公式見式(8)和式(9)：

全局Moran′s I指數(shù)：

(8)

局部Moran′s I指數(shù)：

(9)

表4 生態(tài)環(huán)境脆弱性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及其生態(tài)特征

在計(jì)算局部Moran′s I指數(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行空間聚類得到空間LISA聚類圖,在95%的置信區(qū)間內(nèi),將生態(tài)環(huán)境脆弱性進(jìn)一步劃分為5種不同的類型,即高高聚集區(qū)(H-H)、高低聚集區(qū)(H-L)、低高聚集區(qū)(L-H)、低低聚集區(qū)(L-L)和不顯著(No significant)。具體含義[8,10]見表5：

表5 不同的LISA聚集模式的內(nèi)涵

3 結(jié)果分析

3.1 市域范圍內(nèi)生態(tài)環(huán)境脆弱性整體特征

結(jié)合2000—2015年南昌市生態(tài)環(huán)境脆弱性評(píng)價(jià)結(jié)果(表6)和空間分布圖(圖2),2000年微度脆弱面積占比最高,占據(jù)全市總面積的51.27%,主要集中在新建區(qū)中部及南部地區(qū)、南昌縣北部及中部地區(qū)、安義縣東部地區(qū);其次為輕度脆弱,面積占比為32.15%,主要分布于安義縣西部、進(jìn)賢縣東部地區(qū);中度和極度脆弱面積占比近似,分別為7.82%、7.76%,中度脆弱區(qū)集中于新建區(qū)東北部、安義縣西北角及進(jìn)賢縣東北角,極度脆弱區(qū)在南昌市建成區(qū)集中分布;重度脆弱區(qū)面積占比最小,僅占研究區(qū)面積的1%。

2000年以后,伴隨著國(guó)內(nèi)城市化步伐逐漸加快,城鎮(zhèn)化水平不斷地提高,南昌市人地矛盾日益激化。在人類活動(dòng)對(duì)城市生態(tài)環(huán)境的嚴(yán)重干擾下,使得全市生態(tài)環(huán)境進(jìn)一步惡化。到2015年,重度脆弱面積占比占據(jù)全市首位,由2000年的1%增至35.72%,呈片狀分布在南昌市西北部及南部地區(qū);中度脆弱次之,面積占比由2000年的7.82%增至26.19%,主要集中在南昌市西南部及東部地區(qū);極度脆弱面積占比由2000年的7.76%增至15.64%,呈片狀集中分布于南昌市建成區(qū)、西南部及北部地區(qū);輕度脆弱面積占比由原先的32.15%縮減至15.33%;而微度脆弱面積從2000年的51.27%萎縮至7.12%, 在新建區(qū)中部及進(jìn)賢縣分布。

總體而言,2000—2015年間南昌市生態(tài)環(huán)境脆弱性主要表現(xiàn)為由微度和輕度脆弱向中度和重度脆弱快速轉(zhuǎn)變的趨勢(shì),且微度和輕度脆弱面積不斷縮減、重度和極度脆弱不斷擴(kuò)張。

表6 南昌市2000—2015年生態(tài)環(huán)境脆弱性評(píng)價(jià)結(jié)果

圖2 2000—2015年生態(tài)環(huán)境脆弱性空間分布圖Fig.2 Spatial distribution of eco-environmental vulnerability from 2000 to 2015

3.2 縣(區(qū))域范圍內(nèi)生態(tài)環(huán)境脆弱性變化特征

2000—2015年間,東湖區(qū)和西湖區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性皆以極度和重度脆弱為主,東湖區(qū)和西湖區(qū)是歷史悠久的老城區(qū),也是經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展區(qū)域,舊城面積大,人口密度大,生態(tài)持續(xù)惡化。青山湖區(qū)是典型的老工業(yè)城區(qū),區(qū)內(nèi)“三湖三河”交錯(cuò)環(huán)繞,但隨著工業(yè)化進(jìn)程的迅速推進(jìn),區(qū)內(nèi)生態(tài)環(huán)境破壞嚴(yán)重,尤其是玉帶河流經(jīng)區(qū)域。因此,青山湖區(qū)一直處于極度脆弱水平。青云譜區(qū)2000年以極度脆弱為主,而2015年轉(zhuǎn)變?yōu)闃O度和重度脆弱為主。灣里區(qū)由2000年的以極度和輕度脆弱為主轉(zhuǎn)變?yōu)闃O度和重度脆弱為主。灣里區(qū)作為南昌市和鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)的后花園,森林覆蓋率達(dá)到73.15%,區(qū)內(nèi)旅游業(yè)發(fā)達(dá)。加之夏季多短時(shí)大范圍集中降水,容易引發(fā)小規(guī)?；录八亮魇У?。新建區(qū)2000年以微度和輕度脆弱為主,2015年變?yōu)橹囟群椭卸却嗳鯙橹?。由于新建區(qū)為南昌建成區(qū)西進(jìn)的主要拓展區(qū)域,與紅谷灘新區(qū)毗鄰,正處于經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展時(shí)期,生態(tài)環(huán)境受人類活動(dòng)干擾劇烈。2000年安義縣以輕度和微度脆弱為主,2015年轉(zhuǎn)變?yōu)橹囟群椭卸却嗳鯙橹?可見該縣生態(tài)環(huán)境脆弱程度逐漸加深。作為長(zhǎng)珠閩三個(gè)經(jīng)濟(jì)三角洲共同腹地的進(jìn)賢縣,2000年以微度和輕度脆弱為主,2015年轉(zhuǎn)變?yōu)橹卸群洼p度脆弱為主,這與其優(yōu)越地區(qū)位密切相關(guān)。南昌縣,素有江西“首府首縣”之稱,與南昌主城區(qū)無縫銜接的區(qū)位優(yōu)勢(shì),使其經(jīng)濟(jì)發(fā)展得到帶動(dòng),人為擾動(dòng)日益加劇,使生態(tài)環(huán)境由微度和輕度脆弱為主轉(zhuǎn)為重度和中度脆弱為主。

表7 2000—2015年不同縣區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性評(píng)價(jià)結(jié)果/%

3.3 不同土地利用類型的生態(tài)環(huán)境脆弱性特征

從不同土地利用類型生態(tài)環(huán)境脆弱性綜合指數(shù)來看(表8),2000—2015年間南昌市生態(tài)環(huán)境脆弱性呈現(xiàn)由輕度脆弱向中度脆弱轉(zhuǎn)變的趨勢(shì),表明區(qū)內(nèi)生態(tài)環(huán)境不斷惡化。不同土地利用類型生態(tài)環(huán)境脆弱性綜合指數(shù)由大到小為：2000年,建設(shè)用地>草地>耕地>林地>未利用地>水域;2015年,建設(shè)用地>耕地>水域>林地>草地>未利用地。其中,建設(shè)用地生態(tài)環(huán)境脆弱性綜合指數(shù)始終最大;耕地和建設(shè)用地由輕度脆弱轉(zhuǎn)變?yōu)橹囟却嗳?林地、草地、水域和未利用地由輕度脆弱變?yōu)橹卸却嗳?。綜上可見,研究區(qū)內(nèi)各土地利用類型的生態(tài)環(huán)境脆弱性皆呈增強(qiáng)趨勢(shì),表明其生態(tài)環(huán)境惡化加劇。

表8 2000—2015年不同土地利用類型生態(tài)脆弱性綜合指數(shù)

從不同土地利用類型生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)面積可知(表9),2000年耕地、草地、未利用地以微度和輕度脆弱為主;林地以微度和輕度脆弱為主,極度脆弱次之;水域以微度和輕度脆弱為主,中度脆弱次之;建設(shè)用地以微度和極度脆弱為主。到2015年,耕地和林地表現(xiàn)為以重度和中度脆弱為主,極度脆弱次之;草地以微度和輕度脆弱為主;水域以重度和中度脆弱為主,輕度脆弱次之;建設(shè)用地以重度和極度脆弱為主,中度脆弱為次;未利用地以中度和重度脆弱為主。

3.4 生態(tài)環(huán)境脆弱性空間集聚特征

2000年和2015年生態(tài)環(huán)境脆弱性的全局Moran′s I指數(shù)分別為0.8827和0.7686,可見2000年和2015年南昌市生態(tài)環(huán)境脆弱性具有明顯的空間自相關(guān),且為正相關(guān)(圖3)。從LISA聚類圖來看(圖4),2000年高高聚集區(qū)分布在極度脆弱區(qū),集中于南昌市建成區(qū)、南昌縣西部地區(qū);低低聚集區(qū)分布在微度和輕度脆弱區(qū),集中于新建區(qū)南部、中部及東北部地區(qū)、進(jìn)賢縣中部地區(qū)、安義縣南部及東北部地區(qū)、南昌縣西部地區(qū);到2015年,高高聚集區(qū)進(jìn)一步向周邊縣區(qū)擴(kuò)展,主要集中在南昌市建成區(qū)、新建區(qū)北部、安義縣西部、南昌縣南部及北部地區(qū),這與2000年后南昌市城鎮(zhèn)化和工業(yè)化迅速發(fā)展、建設(shè)用地迅速擴(kuò)張息息相關(guān);低低聚集區(qū)呈片狀主要分布在新建區(qū)南部、中部及東北部地區(qū)、進(jìn)賢縣北部、中部及南部地區(qū)、南昌縣西部地區(qū)?？梢?2000—2015年南昌市生態(tài)環(huán)境脆弱性具有顯著的聚集性特征,高高聚集區(qū)主要分布在極度脆弱區(qū),低低聚集區(qū)主要與微度和輕度脆弱區(qū)相關(guān)。

表9 2000—2015年不同土地利用類型脆弱性評(píng)價(jià)結(jié)果/km2

圖3 2000—2015年生態(tài)環(huán)境脆弱性全局Moran′s I指數(shù)Fig.3 Eco-environmental vulnerability global Moran′s I index from 2000 to 2015

圖4 2000—2015年生態(tài)環(huán)境脆弱性LISA聚類圖Fig.4 The LISA aggregation of eco-environmental vulnerability from 2000 to 2015

3.5 驅(qū)動(dòng)力因素分析

結(jié)合2000和2015年主成分載荷矩陣(表10和表11),載荷系數(shù)越大表示該驅(qū)動(dòng)因子對(duì)生態(tài)環(huán)境脆弱性影響越大。2000年,第1主成分與人口密度、人均GDP、人均耕地、第二產(chǎn)業(yè)比重有較大的相關(guān),這些因子主要反映人口和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r,可視為人口增長(zhǎng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展主成分,貢獻(xiàn)率為24.37%;第2、3主成分與坡度、地形起伏度、年均氣溫、極端最高溫、極端最低溫、年降水量、極端暴雨日數(shù)有較大的相關(guān),分別反映地形和氣象狀況,可看作自然本底主成分,貢獻(xiàn)率分別為23.188%、14.879%;第4、5、6主成分分別與歸一化植被指數(shù)、景觀多樣性指數(shù)、景觀破碎度相關(guān),分別表征自然和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r,貢獻(xiàn)率分別為8.507%、6.448%、5.92%。綜上可見,2000年南昌市生態(tài)環(huán)境脆弱性的驅(qū)動(dòng)因子主要為人口密度、人均GDP、人均耕地、第二產(chǎn)業(yè)比重、坡度、地形起伏度、年均氣溫、極端最高溫、極端最低溫、年均降水量、極端暴雨日數(shù)。

表10 2000年主成分載荷矩陣

*表示各主成分中貢獻(xiàn)率較高的影響因子

2015年,第1主成分中坡度、地形起伏度、年均氣溫、極端最高溫、土地利用程度的貢獻(xiàn)率較高,與2000年相比,第1主成分由人口增長(zhǎng)-經(jīng)濟(jì)發(fā)展主成分轉(zhuǎn)變?yōu)樽匀槐镜字鞒煞?這與2015年灣里區(qū)山體滑坡、建成區(qū)城市內(nèi)澇、高溫?zé)崂嗣芮邢嚓P(guān)。第1主成分貢獻(xiàn)率為23.998%。第2和3主成分與極端最低溫、人口密度、人均耕地、人均GDP、年均降水量有較大的相關(guān),主成分貢獻(xiàn)率分別為20.82%、16.171%;可見,雖然第1主成分被自然本底主成分取代,但人口-經(jīng)濟(jì)發(fā)展仍然是影響南昌市生態(tài)環(huán)境脆弱性的驅(qū)動(dòng)力;第4和5主成分仍分別與歸一化植被指數(shù)、景觀多樣性指數(shù)相關(guān),貢獻(xiàn)率分別為9.956%、6.985%;第6主成分由之前的景觀破碎度轉(zhuǎn)變?yōu)榕c第二產(chǎn)業(yè)比重相關(guān),貢獻(xiàn)率為6.346%。上述可知,2015年南昌市生態(tài)環(huán)境脆弱性主要驅(qū)動(dòng)因子為坡度、地形起伏度、年均氣溫、極端最高溫、土地利用程度、極端最低溫、人口密度、人均耕地、人均GDP、年均降水量。

表11 2015年主成分載荷矩陣

*表示各主成分中貢獻(xiàn)率較高的影響因子

4 結(jié)論

本文以南昌市為研究區(qū),結(jié)合空間主成分分析法、全局Moran′s I指數(shù)和LISA聚類圖,基于公里格網(wǎng)尺度,對(duì)2000—2015年南昌市生態(tài)環(huán)境脆弱性的現(xiàn)狀、特征及驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行評(píng)價(jià)分析,所得主要結(jié)論如下：

(1)2000—2015年間南昌市生態(tài)環(huán)境脆弱性呈現(xiàn)由輕度脆弱向中度脆弱演變的趨勢(shì),且微度和輕度脆弱面積不斷縮減、重度和極度脆弱不斷擴(kuò)張。南昌市生態(tài)環(huán)境脆弱性是由人類活動(dòng)和自然環(huán)境相互作用形成,人口密度、人均GDP、人均耕地、坡度、地形起伏度、年均氣溫、極端最高溫、極端最低溫、年均降水量為主要驅(qū)動(dòng)力因子。

(2)2000—2015年南昌市各縣區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性差異明顯,其中東湖區(qū)、西湖區(qū)、青山湖區(qū)、青云譜區(qū)、灣里區(qū)5個(gè)區(qū)的脆弱性程度最高,始終保持在極度和重度脆弱水平,其他縣區(qū)脆弱性程度增幅較大。

(3)2000—2015年南昌市耕地和建設(shè)用地由輕度脆弱轉(zhuǎn)為重度脆弱,林地、草地、水域和未利用地由輕度脆弱轉(zhuǎn)為中度脆弱,可見研究區(qū)內(nèi)各土地利用類型的生態(tài)環(huán)境脆弱性皆呈增強(qiáng)趨勢(shì),表明其生態(tài)環(huán)境惡化加劇。

(4)南昌市生態(tài)環(huán)境脆弱性具有明顯的空間自相關(guān)性,且為正相關(guān),高高聚集區(qū)集中于極度脆弱區(qū),低低聚集區(qū)與微度和輕度脆弱區(qū)相關(guān)。

5 討論

21世紀(jì)以來,南昌市城市化進(jìn)程明顯加快,快速的經(jīng)濟(jì)發(fā)展使人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)環(huán)境干擾加劇。土地利用作為人類活動(dòng)的直觀反映,直接影響著生態(tài)環(huán)境脆弱性[8]。

2000—2015年,南昌市生態(tài)環(huán)境脆弱性逐漸增強(qiáng),區(qū)內(nèi)生態(tài)環(huán)境明顯惡化,這一研究成果與南昌市實(shí)際情況一致。2000—2015年南昌市土地利用變化劇烈,按照各土地利用類型轉(zhuǎn)出面積由大到小為：耕地>水域>林地>建設(shè)用地>未利用地>草地。其中,耕地由3995.81 km2縮減至2904.49 km2,耕地減少面積中有56.47%轉(zhuǎn)為建設(shè)用地;水域轉(zhuǎn)出面積為470.67 km2,占初期面積的29.69%,有23.02%、17.61%分別轉(zhuǎn)化為耕地和建設(shè)用地;林地面積由1152.32 km2縮減為798.5 km2,其中復(fù)墾面積占林地減少面積的72.17%?？梢?隨著城市化進(jìn)程的加快,南昌市耕地面積銳減,導(dǎo)致人地矛盾進(jìn)一步激化,區(qū)內(nèi)復(fù)墾現(xiàn)象明顯,引發(fā)了廣泛的水文變化、水土流失及生態(tài)環(huán)境惡化[53]。

本研究與同類研究的區(qū)別主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面：(1)基于格網(wǎng)微觀尺度來研究市域條件下的生態(tài)環(huán)境脆弱性,不僅體現(xiàn)了評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)在空間分布上的異質(zhì)性細(xì)節(jié)信息,而且有助于分析其空間分布特征和形成機(jī)理;(2)從自然本底和人為脅迫兩個(gè)方面選取17個(gè)指標(biāo)構(gòu)建生態(tài)環(huán)境脆弱性評(píng)價(jià)體系,使該類研究評(píng)價(jià)指標(biāo)更為完善;(3)選擇南昌市為研究區(qū),不僅彌補(bǔ)了典型案例區(qū)涵蓋不全面的現(xiàn)狀,而且為類似區(qū)域的生態(tài)建設(shè)和恢復(fù)提供了理論基礎(chǔ)。