基于熵權(quán)法的昌江縣生態(tài)脆弱性研究

彭 璽，曾明宇，覃思敏，張亞威

(國家林業(yè)和草原局中南調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院，長沙 410014)

隨著人類活動(dòng)對(duì)自然環(huán)境的影響不斷加劇，生態(tài)環(huán)境問題大量涌現(xiàn)，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，生態(tài)脆弱性問題尤為突出[1-2]。生態(tài)脆弱性是指生態(tài)系統(tǒng)及其組成要素面對(duì)內(nèi)外擾動(dòng)時(shí)易受損的性質(zhì)，有關(guān)生態(tài)脆弱性的研究是全球變化和可持續(xù)發(fā)展研究中的熱點(diǎn)和重點(diǎn)[3-5]。國內(nèi)對(duì)于生態(tài)脆弱性的研究開始于1988年第七屆環(huán)境科學(xué)大會(huì)。在“生態(tài)脆弱帶”概念被提出后，開始對(duì)生態(tài)脆弱性進(jìn)行了深入研究[6]。國內(nèi)科研工作者在總結(jié)和吸收國外先進(jìn)科研成果的基礎(chǔ)上，利用“3S”技術(shù)、數(shù)學(xué)模型、程序設(shè)計(jì)等手段，對(duì)我國生態(tài)環(huán)境脆弱性進(jìn)行了大規(guī)模的研究，研究領(lǐng)域主要集中于濕地、喀斯特地區(qū)、沿海地帶等敏感區(qū)域，并取得了豐碩的研究成果[7-9]。

隨著生態(tài)環(huán)境問題研究的不斷發(fā)展，國內(nèi)學(xué)者對(duì)生態(tài)脆弱性進(jìn)行了深入探究。2016年，羅改改[10]以海南寧遠(yuǎn)河流域?yàn)檠芯繉?duì)象，從景觀格局和生態(tài)敏感性相結(jié)合的角度分析研究了寧遠(yuǎn)河流域的生態(tài)脆弱性；2017年，莫定源[11]基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型的方法構(gòu)建了包含 8 個(gè)因子的準(zhǔn)則層、11 個(gè)因子的指標(biāo)層的脆弱性評(píng)估體系和黃河三角洲生態(tài)環(huán)境脆弱性預(yù)測(cè)模型，為黃河三角洲資源開發(fā)利用與生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供了一定的科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

昌江黎族自治縣是海南省直轄自治縣地處海南島西部，總面積1 569 km2，下轄7鎮(zhèn)1鄉(xiāng)。在環(huán)北部灣城市群內(nèi)，東北距省會(huì)?？谑?80 km，東南距三亞市190 km。昌江黎族自治縣平均海拔高度400～1 000 m，屬熱帶季風(fēng)海洋性氣候，其特點(diǎn)是具有明顯的大陸性島嶼氣候，陽光充足，熱量豐富，境內(nèi)河道屬昌化江、珠碧江兩大流域。

2 材料與方法

以西安80為坐標(biāo)系，在ArcGIS 10.2軟件中對(duì)昌江縣森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)、昌江縣1∶10000地形圖、昌江縣TM遙感影像數(shù)據(jù)、昌江縣DEM數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系進(jìn)行預(yù)處理和配準(zhǔn)，將覆被類型調(diào)整合并為農(nóng)地、林地、水域、建設(shè)用地和宜林地等5種。

生態(tài)脆弱性是與生態(tài)系統(tǒng)壓力度、生態(tài)景觀整體性和生態(tài)景觀連通性相關(guān)的函數(shù)，隨生態(tài)系統(tǒng)壓力度的增大而增大，隨生態(tài)景觀整體性和生態(tài)景觀連通性增大而減小，其評(píng)價(jià)模型為：

生態(tài)脆弱性(CVI)=

(1)

2.1 生態(tài)壓力度評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取與計(jì)算

1) 生態(tài)敏感性。地形地貌是影響生態(tài)系統(tǒng)敏感性的主要因子，而海拔、坡度、坡向是構(gòu)成地形地貌的主要組成部分。

根據(jù)海拔指數(shù)(height index，HI)、坡度指數(shù)(solpe index，SI)和坡向指數(shù)(aspect index，AI)量化后不同等級(jí)的所占總面積的比例，可以得出昌江縣海拔指數(shù)、坡度指數(shù)和坡向指數(shù)；分別賦予0.3，0.4和0.3的權(quán)重，得出昌江縣的生態(tài)敏感性值。參照《生態(tài)功能區(qū)劃暫行規(guī)程》及前人研究成果對(duì)各因子的敏感性進(jìn)行分級(jí)，將昌江縣林地的生態(tài)敏感性綜合劃分為不敏感區(qū)、輕度敏感區(qū)、中度敏感區(qū)、高度敏感區(qū)、極度敏感區(qū)5個(gè)級(jí)別；分別賦值為1，3，5，7和9。詳見表1。

表1 生態(tài)敏感性等級(jí)劃分生態(tài)敏感性等級(jí)評(píng)價(jià)因子海拔/m坡度/ (°)坡向不敏感區(qū) 0～<300 0～<2 南、無坡度輕度敏感區(qū)300～<600 2～<5 東南、西南中度敏感區(qū)600～<900 5～<10東、西高度敏感區(qū)900～<1 20010～<20東北、西北極度敏感區(qū)≥1 200≥20北

2)人為擾動(dòng)指數(shù)。擾動(dòng)指數(shù)用來衡量人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響。研究表明，人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響程度與距離存在遞減關(guān)系。以提取出的建設(shè)用地為基礎(chǔ)，設(shè)300，600 m和1 000 m三個(gè)緩沖區(qū)；分別賦值0.85，0.35和0.15。計(jì)算公式如下：

(2)

式中：Aij為景觀i在第j個(gè)緩沖區(qū)的面積；Wj為第j個(gè)緩沖區(qū)的權(quán)重；Ai為景觀i的總面積。

2.2 生態(tài)景觀整體性和連通性評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取與計(jì)算

生態(tài)景觀整體性指標(biāo)選擇斑塊密度指數(shù)(PD)、最大斑塊所占景觀面積的比例(LPI)，生態(tài)景觀連通性評(píng)價(jià)指標(biāo)選擇連接度指數(shù)(CONNECT)、斑塊內(nèi)聚力指數(shù)(COHESION)和聚合度指數(shù)(AI)；生態(tài)壓力度景觀指數(shù)選擇分離度(DIVISION)，采用Fragstats4.2和ArcGIS 10.2軟件計(jì)算出林地景觀與水域景觀的景觀指數(shù)。

2.3 生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)模型權(quán)重確定

通過熵權(quán)法確定昌江縣生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)模型中各參評(píng)指標(biāo)的權(quán)重。具體步驟如下：根據(jù)昌江縣2000年生態(tài)脆弱性參評(píng)指數(shù)構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)矩陣R=(rij)n×m，按照公式計(jì)算第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)下第j個(gè)監(jiān)測(cè)樣點(diǎn)的指標(biāo)值的比重Pij，構(gòu)建歸一化矩陣P=(pij)n×m。再計(jì)算第i個(gè)指標(biāo)的熵值ei，計(jì)算公式如下所示：

(3)

其中常數(shù)k=1/ ln(m)，最后按照公式計(jì)算第i個(gè)指標(biāo)的熵權(quán)ui，計(jì)算公式如下所示：

(4)

3 結(jié)果與分析

3.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算

參照已有的研究成果，從生態(tài)系統(tǒng)壓力度、生態(tài)景觀整體性和生態(tài)景觀連通性三個(gè)方面構(gòu)建昌江縣脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。生態(tài)系統(tǒng)壓力度、生態(tài)景觀整體性和生態(tài)景觀連通性的評(píng)價(jià)采用綜合評(píng)價(jià)法，即將各自對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行加權(quán)求和，計(jì)算其值的大小。

1) 生態(tài)敏感性指數(shù)

昌江縣海拔、坡度和坡位的情況如圖1所示。

圖1 昌江縣海拔、坡度和坡位圖

經(jīng)計(jì)算得出昌江縣9個(gè)行政區(qū)的生態(tài)敏感性值。詳見表2。

表2 昌江縣生態(tài)敏感度行政區(qū)HISIAI生態(tài)敏感度霸王嶺 2.166 02.424 01.416 06.006 0叉河鎮(zhèn) 0.654 01.584 01.374 03.612 0昌化鎮(zhèn) 0.720 01.296 00.930 02.946 0海尾鎮(zhèn) 0.690 01.104 01.260 03.054 0七叉鎮(zhèn) 1.032 01.624 01.218 03.874 0十月田鎮(zhèn)0.612 01.408 01.080 03.100 0石碌鎮(zhèn) 1.254 01.896 01.230 04.380 0王下鄉(xiāng) 1.638 02.168 01.362 05.168 0烏烈鎮(zhèn) 0.660 01.136 01.128 02.924 0

2) 人為擾動(dòng)指數(shù)

圖2 昌江縣2017年建設(shè)用地緩沖區(qū)

昌江縣2017年建設(shè)用地緩沖區(qū)如圖2所示。 經(jīng)統(tǒng)計(jì)，2017年昌江縣的建設(shè)用地面積為8 229.55 hm2，同年昌江縣建設(shè)用地各階段緩沖區(qū)的面積分別為：300 m緩沖階段面積為39 474.58 hm2，600 m緩沖階段面積為34 351.44 hm2，1 000 m緩沖階段面積為32 116.58 hm2。根據(jù)擾動(dòng)指數(shù)的計(jì)算公式可以算出，昌江縣各行政區(qū)2017年的擾動(dòng)指數(shù)(表3)。

表3 昌江縣各行政區(qū)擾動(dòng)指數(shù)統(tǒng)計(jì)表行政區(qū)擾動(dòng)指數(shù)行政區(qū)擾動(dòng)指數(shù)霸王嶺0.009 1十月田鎮(zhèn)0.481 5叉河鎮(zhèn)0.542 2石碌鎮(zhèn) 0.027 7昌化鎮(zhèn)0.314 2王下鄉(xiāng) 0.242 7海尾鎮(zhèn)0.684 1烏烈鎮(zhèn) 0.312 8七叉鎮(zhèn)0.456 0

3.2 昌江縣生態(tài)脆弱性的權(quán)重確定

為了消除量綱的影響，取昌江縣與各行政區(qū)該類指標(biāo)的值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。其中，林地景觀和水域景觀的斑塊密度指數(shù)、最大斑塊所占景觀面積的比例、連接度指數(shù)、斑塊內(nèi)聚力指數(shù)和聚合度指數(shù)以面積比例為權(quán)重進(jìn)行加權(quán)求和，以確定昌江縣生態(tài)景觀整體性和連通性所對(duì)應(yīng)的6個(gè)景觀指數(shù)。昌江縣的生態(tài)脆弱性參評(píng)數(shù)據(jù)如表4。

表4 昌江縣2017年生態(tài)脆弱性參評(píng)指數(shù)行政區(qū)分離度PDLPICONNECTCOHESIONAI霸王嶺 0.15860.006089.15690.189998.293595.0980叉河鎮(zhèn) 0.99181.28397.43770.559587.062853.8832昌化鎮(zhèn) 0.84910.519737.826997.502081.8481海尾鎮(zhèn) 0.94340.616322.61750.781795.568068.4561七叉鎮(zhèn) 0.97051.052111.48560.898791.489165.5949十月田鎮(zhèn)0.99200.84834.89670.219689.923370.0526石碌鎮(zhèn) 0.86070.428035.18980.509697.825779.5309王下鄉(xiāng) 0.14370.029090.05100.030296.661789.9968烏烈鎮(zhèn) 0.97930.667011.48210.872990.164973.6896

依據(jù)熵權(quán)法所得出的昌江縣生態(tài)脆弱性指標(biāo)權(quán)重如表5。

表5 昌江縣生態(tài)脆弱性指標(biāo)權(quán)重目標(biāo)層準(zhǔn)則層指標(biāo)層權(quán)重生態(tài)敏感度0.095 9生態(tài)系統(tǒng)壓力度擾動(dòng)指數(shù)0.113 0DIVISION0.175 0生態(tài)脆弱性生態(tài)景觀整體性PD0.123 7LPI0.149 7CONNECT0.126 7生態(tài)景觀連通性COHESION0.105 0AI0.111 1

3.3 昌江縣生態(tài)脆弱性結(jié)果與空間分布

根據(jù)評(píng)價(jià)模型和各指標(biāo)權(quán)重可以算出昌江縣及各行政區(qū)的生態(tài)脆弱性值，計(jì)算結(jié)果詳見表6。

表6 昌江縣生態(tài)脆弱性值行政區(qū)生態(tài)脆弱性值行政區(qū)生態(tài)脆弱性值霸王嶺0.467 2十月田鎮(zhèn)0.210 7叉河鎮(zhèn)0.060 5石碌鎮(zhèn)0.286 5昌化鎮(zhèn)0.300 0王下鄉(xiāng)0.391 7海尾鎮(zhèn)0.258 6烏烈鎮(zhèn)0.468 7七叉鎮(zhèn)0.192 8

參照ArcGIS中的Natural Breaks法將昌江縣各行政區(qū)生態(tài)脆弱性分為5個(gè)等級(jí)。其中：0.045 4～<0.063 3為一級(jí)脆弱區(qū)，0.063 3～<0.210 7為二級(jí)脆弱區(qū)，0.210 7～<0.300 0為三級(jí)脆弱區(qū)，0.300 0～<0.413 4為四級(jí)脆弱區(qū)，0.413 4～<0.497 3為五級(jí)脆弱區(qū)。詳見圖3。

圖3 昌江縣生態(tài)脆弱性空間分布

從昌江縣生態(tài)脆弱性空間分布可知，叉河鎮(zhèn)的生態(tài)脆弱性屬于一級(jí)脆弱區(qū)，十月田鎮(zhèn)和七叉鎮(zhèn)的生態(tài)脆弱性為二級(jí)脆弱區(qū)，石碌鎮(zhèn)、海尾鎮(zhèn)和昌化鎮(zhèn)的生態(tài)脆弱性屬于三級(jí)脆弱區(qū)，王下鄉(xiāng)的生態(tài)脆弱性處于四級(jí)脆弱區(qū)，烏烈鎮(zhèn)和霸王嶺林場(chǎng)的生態(tài)脆弱性屬于五級(jí)脆弱區(qū)。叉河鎮(zhèn)的地形地貌較為平坦，海拔相對(duì)較低，其生態(tài)敏感性也相應(yīng)偏低，而其林地景觀和水域景觀的聚合度也相對(duì)較小，分離度較大，這也就說明人類活動(dòng)造成的生態(tài)環(huán)境破壞對(duì)叉河鎮(zhèn)現(xiàn)有的生態(tài)環(huán)境影響不大；十月田鎮(zhèn)和七叉鎮(zhèn)主要景觀類型以農(nóng)地為主，生態(tài)敏感度和其他景觀格局指數(shù)與叉河鎮(zhèn)均有一定的相似性，故這二者屬于二級(jí)脆弱區(qū)；石碌鎮(zhèn)、海尾鎮(zhèn)和昌化鎮(zhèn)這3個(gè)行政區(qū)的地形地貌與十月田鎮(zhèn)基本相似，但水域景觀面積和林地景觀相對(duì)較多，生態(tài)環(huán)境遭受破壞后恢復(fù)難度會(huì)增大；王下鄉(xiāng)的建設(shè)用地景觀面積在眾行政區(qū)中排名倒數(shù)第二，且林地景觀面積所占在五大景觀類型中較高，林地景觀面積占了所有景觀類型中的95.13%，屬于四級(jí)脆弱區(qū)；烏烈鎮(zhèn)和霸王嶺林場(chǎng)的生態(tài)脆弱性屬于五級(jí)脆弱區(qū)，其中，霸王嶺林場(chǎng)的林地景觀面積在所有景觀類型占的比例在眾行政區(qū)中最大，為98.86%，且地勢(shì)起伏大，生態(tài)環(huán)境破損后極易造成水土流失，生態(tài)環(huán)境脆弱。

4 結(jié)論與討論

本研究基于熵權(quán)法構(gòu)建了昌江縣生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)體系，評(píng)估其生態(tài)脆弱性，研究結(jié)果表明：昌江縣的地形分布存在明顯的南北差異，北部地形普遍較為平坦，海拔較低，基本屬于平原—丘陵地區(qū)，農(nóng)地和建設(shè)用地所占比重較大，林地景觀和水域景觀破碎度大，二者作為生態(tài)源地所發(fā)揮的生態(tài)系統(tǒng)整體性和連通性也相應(yīng)較差；南部則反之，以山地為主，地形復(fù)雜，林地是主要景觀類型，生態(tài)系統(tǒng)的整體連通性較好。此外，叉河鎮(zhèn)、海尾鎮(zhèn)等北部行政區(qū)因景觀類型的差異而使得其人為擾動(dòng)指數(shù)大于王下鄉(xiāng)、霸王嶺林場(chǎng)等以林地景觀為主的南部行政區(qū)。

昌江縣大部分行政區(qū)在三級(jí)脆弱區(qū)到五級(jí)脆弱區(qū)之間，從空間分布差異也以看出，像霸王嶺林場(chǎng)、昌化鎮(zhèn)和王下鄉(xiāng)等林地景觀和水域景觀占比較大的行政區(qū)的生態(tài)脆弱性反倒是最高，這是因?yàn)榱值鼐坝^和水域景觀容易受到人為因素的影響而受到不同程度的破壞，且一旦遭受破壞極難恢復(fù)到原來的生境，故而林地景觀和水域景觀比重較大的區(qū)域生態(tài)脆弱性反而更高，這些區(qū)域更需要加強(qiáng)保護(hù)力度。