劉樂(lè)怡,楊雙娜,張龍,宋鈺紅,3
(1.西南林業(yè)大學(xué) 園林園藝學(xué)院,云南 昆明 650224;2.西南林業(yè)大學(xué) 地理與生態(tài)旅游學(xué)院,云南 昆明 650224;3.國(guó)家林業(yè)與草原局西南風(fēng)景園林工程技術(shù)研究中心,云南 昆明 650224)
生態(tài)環(huán)境是人類生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。19世紀(jì)以來(lái),城市化進(jìn)程使人類活動(dòng)與生態(tài)環(huán)境之間的矛盾沖突日益加劇,生態(tài)功能衰退、過(guò)度開(kāi)發(fā)等生態(tài)問(wèn)題顯著。在社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí),加強(qiáng)對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境的保護(hù)和修復(fù)已成為各國(guó)專家學(xué)者的共識(shí)。
土地利用/土地覆蓋變化(land-use and land-cover change,LUCC)受自然因素和人文因素的相互影響,是全球變化與可持續(xù)發(fā)展的重要研究?jī)?nèi)容[1],其變化具有復(fù)雜的非線性特征[2]。學(xué)界倡導(dǎo)關(guān)注土地利用變化,從而保護(hù)生物多樣性、生態(tài)環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)[3]。在社會(huì)生產(chǎn)生活發(fā)生改變的大環(huán)境下,土地利用在研究方向、研究?jī)?nèi)容和深度上不斷擴(kuò)展并加深[4]。
生態(tài)環(huán)境敏感性是指生態(tài)系統(tǒng)對(duì)人類活動(dòng)干擾和自然環(huán)境變化的反映程度,能夠說(shuō)明發(fā)生區(qū)域生態(tài)環(huán)境問(wèn)題的難易程度和可能性大小[5],是評(píng)價(jià)區(qū)域生態(tài)環(huán)境的重要途徑。生態(tài)敏感性在不同生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀中體現(xiàn)出較大差異,生態(tài)敏感性越高說(shuō)明生態(tài)環(huán)境越不穩(wěn)定,區(qū)域發(fā)生生態(tài)環(huán)境問(wèn)題的可能性越大;生態(tài)敏感性越低說(shuō)明生態(tài)環(huán)境越穩(wěn)定,區(qū)域發(fā)生生態(tài)環(huán)境問(wèn)題的可能性越小。不同區(qū)域生態(tài)敏感性評(píng)價(jià)需根據(jù)該地實(shí)際的生態(tài)環(huán)境特點(diǎn)、生態(tài)問(wèn)題嚴(yán)重程度,客觀科學(xué)地劃分生態(tài)敏感性區(qū)域。
目前國(guó)內(nèi)學(xué)者在生態(tài)敏感性領(lǐng)域的研究已取得大量研究成果,主要聚焦以下幾方面:(1)在研究發(fā)展層面,早期生態(tài)敏感性研究主要聚焦于單一生態(tài)因子探究,如肖榮波等[6]學(xué)者在識(shí)別石漠化敏感區(qū)域的基礎(chǔ)上進(jìn)行生態(tài)評(píng)價(jià)與空間分析,谷花云[7]采用定量評(píng)價(jià)方法對(duì)貴州省生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行酸沉降相對(duì)敏感性研究;后期生態(tài)敏感性研究逐漸從單一轉(zhuǎn)向多影響因子的綜合研究,如崔寧等[8]學(xué)者對(duì)高原湖泊生態(tài)敏感性和生態(tài)功能重要性進(jìn)行分析并提出保護(hù)對(duì)策。(2)研究對(duì)象層面呈現(xiàn)多元化態(tài)勢(shì),生態(tài)敏感性評(píng)價(jià)及空間分異性研究主要涉及鄉(xiāng)村聚落集群[9-10]、各級(jí)行政區(qū)劃等[11-13]范疇,以及山地、盆地、水系(河流、湖泊等)流域等[14-17]自然地理特征區(qū),多集中于東部沿海地區(qū)和南部低山丘陵地區(qū)。(3)研究途徑上,大尺度自然屬性研究區(qū)域主要涉及土壤侵蝕敏感性、酸雨敏感性[7]、沙漠化敏感性[18]、石漠化敏感性[6]、鹽漬化敏感性等評(píng)價(jià)途徑,小尺度行政單位屬性研究區(qū)域通常選取高程、坡度、坡向、植被類型、環(huán)境質(zhì)量等多因素進(jìn)行生態(tài)敏感性綜合評(píng)價(jià)。(4)研究方法多采用定性與定量相結(jié)合的研究方法,如劉青青等以生態(tài)敏感性功能分區(qū)對(duì)國(guó)家公園功能區(qū)進(jìn)行差異化調(diào)控[19],吳帛陽(yáng)應(yīng)用ArcGIS結(jié)合AHP-熵值法,對(duì)自然保護(hù)區(qū)生態(tài)敏感性進(jìn)行分析并提出生態(tài)保護(hù)對(duì)策等[20]。
近年來(lái),較多學(xué)者基于土地利用方式評(píng)價(jià)區(qū)域生態(tài)敏感性。如林榮清以南水北調(diào)中線為研究區(qū),選取人為和自然因素建立生態(tài)敏感性指標(biāo)體系,通過(guò)單因子和綜合生態(tài)敏感性評(píng)價(jià)研究了南水北調(diào)中線生態(tài)環(huán)境存在的問(wèn)題及原因[21];馬聆蕭等分析了青島西海岸新區(qū)土地利用功能與生態(tài)敏感性的匹配程度[22];景英利用GIS軟件對(duì)蘭州新區(qū)進(jìn)行生態(tài)敏感性分區(qū),結(jié)合土地承載力分析了土地生態(tài)功能分區(qū),根據(jù)蘭州新區(qū)生態(tài)功能區(qū)劃分提出具體的土地利用建議[23];吳愛(ài)林采用統(tǒng)計(jì)資料研究分析了長(zhǎng)江三角洲16地市2000—2014年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的時(shí)空演化規(guī)律以及2015—2020年生態(tài)敏感性時(shí)空演變規(guī)律[24]。
本文以中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院發(fā)布的1985—2020年全球30 m精細(xì)地表覆蓋動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)產(chǎn)品(GLC-FCS30-1985-2020)作為研究數(shù)據(jù)源,通過(guò)數(shù)據(jù)共享服務(wù)系統(tǒng)(https://data.casearth.cn/)獲取。研究區(qū)矢量范圍數(shù)據(jù)采用云南省矢量范圍數(shù)據(jù)(2020年)。使用分辨率為30 m的DEM數(shù)據(jù),來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn)。利用ArcGIS的空間分析功能提取坡向、坡度、高程等基本信息。
1.2.1 土地利用類型分析方法
本研究土地利用分析部分通過(guò)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣、單一土地利用動(dòng)態(tài)度、綜合土地利用動(dòng)態(tài)度來(lái)衡量香格里拉市土地利用變化特征。生態(tài)敏感性評(píng)價(jià)部分,首先分析單因子生態(tài)敏感性,再使用變異系數(shù)法確定單因子權(quán)重,最終通過(guò)加權(quán)疊加分析香格里拉市綜合生態(tài)敏感性。
土地利用轉(zhuǎn)移矩陣是分析土地利用類型中不同地類之間轉(zhuǎn)換情況的方法。一般情況下,矩陣的列表示初始年份的土地利用類型,行表示結(jié)束年份的土地利用類型,中間數(shù)值表示土地利用類型中的相互轉(zhuǎn)換面積大小[25-28]。計(jì)算公式如下。
NC(n,i)=NC(n)×10+NC(i)
式中:NC(n,i)表示第n年,第i年的土地利用變化狀況;NC(n)表示第n年的土地利用現(xiàn)狀;NC(i)表示第i年的土地利用現(xiàn)狀[29]。轉(zhuǎn)移矩陣形式如下。
式中:Sij表示第i種地類轉(zhuǎn)變?yōu)榈趈種地類的面積;n代表土地利用類型數(shù)目[30]。
土地利用動(dòng)態(tài)度是衡量土地利用動(dòng)態(tài)變化速度的重要指標(biāo),單一土地利用動(dòng)態(tài)度計(jì)算公式如下。
式中,Kj為初年到末年某地類的動(dòng)態(tài)度;LUit0為初始年某地類的面積;LUit1為結(jié)束年某地類的面積;T為累計(jì)研究時(shí)長(zhǎng)。
綜合土地利用動(dòng)態(tài)度反映了研究區(qū)在一定時(shí)間范圍內(nèi)土地利用數(shù)量的總體變化情況,計(jì)算公式如下。
式中:LC為綜合土地利用動(dòng)態(tài)度,LUi為研究初期第i類土地的面積,△LUi-j為某一時(shí)間段第i類土地轉(zhuǎn)化為j類土地的面積絕對(duì)值,T為累計(jì)研究時(shí)長(zhǎng)[31]。
1.2.2 生態(tài)敏感性分析方法
研究針對(duì)香格里拉市地理環(huán)境特征,進(jìn)行篩選樣本地生態(tài)敏感性影響因子并建立指標(biāo)體系。首先,在實(shí)地調(diào)研所收集資料的基礎(chǔ)上,結(jié)合前人相關(guān)研究案例,將香格里拉市生態(tài)敏感性劃分為5級(jí),分別為1、3、5、7、9,其中“1”為一般敏感、“3”為輕度敏感、“5”為中度敏感、“7”為高度敏感、“9”為極度敏感。最終篩選出6個(gè)最為重要的香格里拉市生態(tài)敏感性影響因子,分別為土地利用類型、坡度、坡向、高程、水域緩沖區(qū)、植被覆蓋度。等級(jí)指標(biāo)體系見(jiàn)表1。
表1 香格里拉生態(tài)敏感性評(píng)價(jià)因子指標(biāo)體系
香格里拉市生態(tài)敏感性評(píng)價(jià)因子指標(biāo)體系中,根據(jù)土地利用對(duì)生態(tài)敏感性的影響程度,將建設(shè)用地賦值為1,劃為一般敏感區(qū)域。林地極易受到人類生產(chǎn)生活的影響,穩(wěn)定性最差,因此將林地劃分為極度敏感。
植被覆蓋度通過(guò)遙感影像解譯計(jì)算植被歸一化指數(shù)獲得。植被覆蓋度與植被面積、植被茂盛程度呈正相關(guān)。水域、冰川雪地生態(tài)敏感性極易受到人類生產(chǎn)生活影響,遂將其劃為極度敏感區(qū)域。
坡度是指坡面垂直高度與水平方向距離之間的比值,能夠反映地表在該點(diǎn)的陡緩程度[32]。坡度較大的坡面地勢(shì)陡峭植被生長(zhǎng)稀疏,坡度較小的坡面,地勢(shì)平坦,植被生長(zhǎng)茂盛。本文使用ArcGis提取研究區(qū)DEM數(shù)據(jù)中的坡度信息[33]。
坡向是指地表面上某一點(diǎn)的切平面的法線,對(duì)于研究區(qū)山地生態(tài)環(huán)境有著較大的作用[34]。香格里拉市山地特征明顯,因此選擇坡向作為香格里拉生態(tài)敏感性評(píng)價(jià)指標(biāo)因子之一。本次研究中坡向因子參照8坡向分類方法,將8坡向、平地根據(jù)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度劃分為5個(gè)敏感等級(jí)。
本文根據(jù)樣本量豐富完善并具有普遍性的特點(diǎn),選擇使用變異系數(shù)法求取生態(tài)敏感性各指標(biāo)因子權(quán)重值(表2),計(jì)算公式如下。
式中:wi為指標(biāo)因子權(quán)重;v為變異系數(shù);s為指標(biāo)因子標(biāo)準(zhǔn)差;x為指標(biāo)因子均值;i為指標(biāo)因子的序號(hào)數(shù),i=1,2,…,i[35]。
表2 香格里拉各評(píng)價(jià)指標(biāo)因子權(quán)重
根據(jù)《土地利用現(xiàn)狀分類》(GB/T21010-2017)結(jié)合香格里拉市地形特點(diǎn),將香格里拉市土地利用類型劃分為林地、草地、耕地、冰川雪地、建設(shè)用地、其他用地、水域7種土地類型。根據(jù)土地利用類型統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析可知,在 7種土地利用類型中林地在4個(gè)研究時(shí)間段內(nèi)都占據(jù)明顯面積優(yōu)勢(shì),1990—2020年林地面積分別是:8 350.93 hm2、8 297.40 hm2、8 218.00 hm2、8 133.16 hm2,這與香格里拉市山地分布廣泛、森林覆蓋度高的實(shí)際情況相符。香格里拉市第二優(yōu)勢(shì)土地利用類型為草地,其余用地類型占比相近且較小。詳細(xì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。
表3 1990—2020年香格里拉土地利用類型面積及比例
2.1.1 土地利用轉(zhuǎn)移特征分析
由表4可知,1990—2000年間草地向耕地的轉(zhuǎn)移最為明顯,少部分草地、耕地、林地轉(zhuǎn)移為建設(shè)用地,但建設(shè)用地未向其他用地轉(zhuǎn)出。這與1990—2000年間香格里拉市城市建設(shè)進(jìn)程加快的實(shí)際情況相符。冰川雪地與其他類型都有轉(zhuǎn)化,說(shuō)明因?yàn)闅夂蛟虮?duì)其他地類有所遮蓋。
表4 香格里拉1990—2000年土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣
由表5可知, 2000—2010年時(shí)期內(nèi)草地、林地的總體轉(zhuǎn)入量較高。冰川雪地主要表現(xiàn)為向草地、林地方向轉(zhuǎn)化。其他用地向各類土地利用類型轉(zhuǎn)化量都較少。林地在這一階段主要轉(zhuǎn)化為草地、其次為耕地,較少部分轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地和其他用地。說(shuō)明在這一時(shí)期地方對(duì)土地開(kāi)發(fā)程度加大。水域在這一階段主要轉(zhuǎn)化為其他用地和草地,有少量轉(zhuǎn)化為冰川雪地,這一變化與數(shù)據(jù)采集季節(jié)有關(guān),但也體現(xiàn)了冰川雪地土地利用類型不穩(wěn)定。
表5 香格里拉2000—2010年土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣
由表6可知,2010—2020年間草地、林地的轉(zhuǎn)移流最為明顯,其次是建設(shè)用地、耕地,水域、其他用地轉(zhuǎn)移流最不顯著。其中冰川雪地主要由草地轉(zhuǎn)換得到,草地主要由林地轉(zhuǎn)換得到。
表6 香格里拉2010—2020年土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣
土地利用轉(zhuǎn)移?;鶊D對(duì)香格里拉市1990—2020年的土地利用轉(zhuǎn)移進(jìn)行可視化呈現(xiàn)。林地在3個(gè)階段的變化中始終是香格里拉市覆蓋最廣的土地利用類型,且30年間各土地利用類型之間的土地轉(zhuǎn)移持續(xù)增加(圖1)。
圖1 香格里拉市土地利用的轉(zhuǎn)移?;?/p>
2.1.2 香格里拉單一土地利用動(dòng)態(tài)度
分析1990—2020年香格里拉市單一土地利用動(dòng)態(tài)度,結(jié)果表明香格里拉土地利用僅2000—2010年水域動(dòng)態(tài)度大于1%,說(shuō)明這一階段水域面積變化較大,與其他階段相比較呈現(xiàn)大幅度增長(zhǎng)趨勢(shì)。1990—2000年、2010—2020年草地動(dòng)態(tài)度最小,說(shuō)明這2個(gè)階段草地總體面積變化較小。3個(gè)時(shí)期林地動(dòng)態(tài)度體現(xiàn)了林地的總體面積變化小,但持續(xù)穩(wěn)步增加的發(fā)展趨勢(shì),結(jié)合2010—2020年耕地負(fù)向動(dòng)態(tài)度變化加大,判斷主要由于云南省將80%退耕還林還草任務(wù)傾斜給貧困區(qū)縣有關(guān),香格里拉市屬于項(xiàng)目中“三區(qū)三州”重點(diǎn)區(qū)域(表7)。
表7 香格里拉1990—2020年單一土地利用動(dòng)態(tài)度
2.1.3 香格里拉綜合土地利用動(dòng)態(tài)度
根據(jù)綜合土地利用動(dòng)態(tài)度模型計(jì)算得出香格里拉各階段綜合土地利用動(dòng)態(tài)度。1990—2000年、2000—2010年、2010—2020年香格里拉市綜合土地利用動(dòng)態(tài)度分別為0.04%、0.07%、0.08%,呈上升趨勢(shì)。1990—2020年越往后期土地利用變化強(qiáng)度越劇烈,主要受人口增加、經(jīng)濟(jì)發(fā)展的影響。
由香格里拉市2020年高程各敏感區(qū)占比情況(圖2a)可知:受高程影響,極度敏感區(qū)分布集中,且主要分布于香格里拉北部及個(gè)別南部高海拔雪山;高度敏感區(qū)面積最大;中度敏感區(qū)廣泛分布在香格里拉中部地區(qū);一般敏感區(qū)分布少、占比最小,僅為8.09%。結(jié)果體現(xiàn)了香格里拉市高海拔的特征。
圖2 香格里拉市2020年單因子生態(tài)敏感性分布
2020年香格里拉市坡度因子影響下的生態(tài)敏感性評(píng)價(jià)中,高度敏感區(qū)面積最大,其次是中度敏感區(qū)和極度敏感區(qū),一般敏感區(qū)域面積最小且集中于研究區(qū)中部(圖2b)。說(shuō)明香格里拉中部坡度較低,四周地形坡度普遍高于中部。以坡向?yàn)橐蜃舆M(jìn)行生態(tài)敏感性評(píng)價(jià)時(shí),各敏感度級(jí)別所占比例數(shù)據(jù)差距較大(圖2c)。體現(xiàn)了坡向變化對(duì)高原山地生態(tài)敏感性有顯著影響。
香格里拉市水域單因子生態(tài)敏感性評(píng)價(jià)中,一般敏感區(qū)域面積占比較大,其它敏感等級(jí)區(qū)域面積所占比重較小且數(shù)值接近(圖2d)。植被覆蓋度單因子生態(tài)敏感性分析結(jié)果中,極度敏感區(qū)域面積最大,其他敏感區(qū)大多均勻分布于研究區(qū),輕度敏感區(qū)相對(duì)集中分布于研究區(qū)北部,一般敏感地區(qū)分布分散(圖2e)。
研究區(qū)林地面積較大,林地屬于極度敏感地區(qū)。研究區(qū)極度敏感區(qū)是一般敏感與輕度敏感區(qū)面積之和的7倍(圖2f)。說(shuō)明香格里拉市土地利用類型單因子生態(tài)敏感性高。
通過(guò)變異系數(shù)法求得單因子權(quán)重值,使用ArcGis疊加分析功能,得到香格里拉市生態(tài)敏感性綜合評(píng)價(jià)結(jié)果(圖3)。在6個(gè)生態(tài)敏感性單因子的綜合影響下,香格里拉市中部地區(qū)整體生態(tài)敏感性較低,中部向外圍擴(kuò)散為中度敏感。以香格里拉市主城區(qū)為中心以圈層形式向周圍擴(kuò)散,生態(tài)敏感性逐漸增高。
圖3 香格里拉市2020年綜合生態(tài)敏感性分布
從綜合生態(tài)敏感性分析結(jié)果來(lái)看,香格里拉市高度敏感以上區(qū)域占研究區(qū)面積51.87%以上,輕度生態(tài)敏感性以上區(qū)域占研究區(qū)面積91.38%以上,說(shuō)明香格里拉市綜合生態(tài)敏感性高,生態(tài)環(huán)境受外界干擾反映強(qiáng)烈,生態(tài)環(huán)境自我恢復(fù)能力弱(表8)。
表8 香格里拉市2020年單因子及綜合生態(tài)敏感性評(píng)價(jià)結(jié)果
本研究對(duì)香格里拉市土地利用類型變化和生態(tài)敏感性進(jìn)行分析評(píng)價(jià),研究結(jié)果主要為保護(hù)生態(tài)環(huán)境修復(fù)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。香格里拉市整體土地利用動(dòng)態(tài)度持續(xù)提高,在各個(gè)研究階段林地都在數(shù)量上占據(jù)明顯優(yōu)勢(shì)地位。研究區(qū)整體生態(tài)敏感性較高,以輕度敏感以上區(qū)域?yàn)橹鳌O愀窭锢械纳鷳B(tài)敏感性分布受高程、坡度、植被覆蓋度等自然因素影響大,高度生態(tài)敏感以上區(qū)域大多分布在自然資源豐富、植被覆蓋率高、坡度大且生態(tài)環(huán)境受到破壞后難以短時(shí)間恢復(fù)的高山地帶,主要集中在香格里拉市東北部三江并流國(guó)家自然保護(hù)區(qū)的高海拔山地區(qū)域。一般敏感區(qū)分布在城市建成區(qū)并以此為中心向四周輕度敏感區(qū)擴(kuò)散。
作為對(duì)地方部署的重要銜接,云南省“十四·五”規(guī)劃中強(qiáng)調(diào)“三屏兩帶”為重點(diǎn)的生態(tài)保護(hù)紅線。說(shuō)明在中觀層級(jí)的生態(tài)戰(zhàn)略中,嚴(yán)守滇西北高山峽谷生態(tài)屏障,是云南省推進(jìn)重要生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)和修復(fù)、提升生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量和穩(wěn)定性的重要保障。
作為全球34個(gè)生物多樣性熱點(diǎn)地區(qū)之一,香格里拉市在“十三·五”期間生態(tài)環(huán)境保護(hù)成效顯著。根據(jù)本研究結(jié)果,應(yīng)繼續(xù)不斷加大生物多樣性保護(hù)、生態(tài)保護(hù)和修復(fù)力度,結(jié)合香格里拉市土地利用演變和生態(tài)敏感性評(píng)價(jià)結(jié)果研判生態(tài)環(huán)境保護(hù)形勢(shì),明確規(guī)劃目標(biāo),構(gòu)建指標(biāo)體系,對(duì)地方生態(tài)可持續(xù)發(fā)展提供精準(zhǔn)目標(biāo)和科學(xué)思路。
落實(shí)到香格里拉市地方實(shí)踐中,林地、冰川雪地、水域等高敏感性土地利用類型分布區(qū)應(yīng)以生態(tài)保護(hù)和修復(fù)為主,著重保護(hù)山林整體和金沙江沿線生態(tài)脆弱區(qū),嚴(yán)格限制高敏感區(qū)內(nèi)人為活動(dòng)干擾,從動(dòng)植物、景觀、水源多維度進(jìn)行有效保護(hù);中度生態(tài)敏感區(qū)域以加強(qiáng)生態(tài)保育為主,在保證生態(tài)穩(wěn)定的前提下,提高生物多樣性,減少人為活動(dòng)干擾;城市建成區(qū)及其周邊應(yīng)以人地和諧為主。城鄉(xiāng)建設(shè)應(yīng)基于城市容量研究,嚴(yán)格執(zhí)行土地分類,控制過(guò)度開(kāi)發(fā),進(jìn)行政策性管控的同時(shí),強(qiáng)調(diào)生態(tài)環(huán)境補(bǔ)償。增強(qiáng)公眾參與和自然保護(hù)意識(shí)。積極發(fā)展高原特色產(chǎn)業(yè),科學(xué)選取藏區(qū)旅游線路,在實(shí)現(xiàn)生態(tài)可持續(xù)的前提下,探索高原山地生態(tài)敏感地區(qū)的高質(zhì)量發(fā)展之路。