京津冀地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康評估及時空變化

寧立新, 梁曉瑤, 程昌秀,5,*

京津冀地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康評估及時空變化

寧立新1,2,3,4, 梁曉瑤1,2,3,4, 程昌秀1,2,3,4,5,*

1. 環(huán)境遙感與數(shù)字城市北京市重點實驗室, 北京 100875 2. 北京師范大學(xué)地表過程與資源生態(tài)國家重點實驗室, 北京 100875 3. 北京師范大學(xué)環(huán)境演變與自然災(zāi)害教育部重點實驗室, 北京 100875 4. 北京師范大學(xué)地理數(shù)據(jù)與應(yīng)用分析中心, 北京 100875 5. 國家青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心, 北京 100101

結(jié)合生態(tài)系統(tǒng)健康和景觀生態(tài)學(xué)理論, 基于“壓力—狀態(tài)—響應(yīng)(PSR)”模型構(gòu)建了京津冀地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)體系, 綜合層次分析法和熵權(quán)法得到指標(biāo)權(quán)重值。首先模擬了京津冀地區(qū)2000年和2015年的生境質(zhì)量、固碳、水質(zhì)凈化、產(chǎn)水量、土壤保持等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能, 進(jìn)而評價了京津冀地區(qū)2000年和2015年柵格尺度的生態(tài)系統(tǒng)健康空間分布和時空變化。研究結(jié)果顯示: 1)生境質(zhì)量、固碳功能和水土保持功能的高值主要分布在該區(qū)域北部和西部的山地區(qū)域, 而低值則主要分布在中部和東南部區(qū)域。水質(zhì)凈化功能主要分布在南部, 而產(chǎn)水量功能主要分布在沿海地區(qū)。2)京津冀地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)壓力主要分布在北京、天津的市區(qū)等地。時間上北部壓力變化最小, 中部的北京、天津等地增加最大, 西部地區(qū)增加較小。3)狀態(tài)最差的區(qū)域是各個地市的城區(qū)以及沿海地區(qū), 而最好的地區(qū)分布在北部和西部等地的山區(qū)。時間上北部地區(qū)增加明顯, 而南部有明顯的降低趨勢, 表現(xiàn)出從北向南變差的趨勢。4)京津冀地區(qū)響應(yīng)最好的是西部和北部的山地和天津、北京等地, 說明人類社會對于生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)的意識較好。時間上, 南部和北部地區(qū)響應(yīng)增加明顯, 而中部的北京、天津等地增加較小。5)生態(tài)系統(tǒng)一般健康的區(qū)域占絕大多數(shù), 主要分布在京津冀的中部、南部和西北部。良好地區(qū)主要分布在該區(qū)域的北部和西部的林地區(qū)域。時間上, 健康程度變化最大的在該區(qū)域的南部和北部, 而增加較小的地區(qū)分布在北京、天津周邊。

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能; 生態(tài)系統(tǒng)健康; 時空變化; PSR模型; 京津冀

0 前言

京津冀地區(qū)是我國北方最大的經(jīng)濟(jì)區(qū), 擁有華北最大規(guī)模的城市群, 經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速, 人口大量集中, 各方面發(fā)展勢頭迅猛。作為中國經(jīng)濟(jì)核心區(qū)域, 京津冀地區(qū)的協(xié)同發(fā)展已上升為國家戰(zhàn)略, 被認(rèn)為是體現(xiàn)國家競爭力的核心區(qū)域[1]。京津冀地區(qū)經(jīng)濟(jì)地位顯著, 其土地面積僅占全國的2.3%, 但常住人口占全國的8.14%, GDP總量占全國的10.24%(2015年)[2]。同時也是文化、技術(shù)、國際交流等快速發(fā)展的地區(qū)。隨著工業(yè)化發(fā)展、城市群擴(kuò)張, 人類對該地區(qū)的開發(fā)利用強(qiáng)度不斷加重, 給該地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)帶來了越來越大的壓力和脅迫, 生態(tài)系統(tǒng)健康受到嚴(yán)重的威脅, 并出現(xiàn)了一系列生態(tài)環(huán)境問題, 如大氣污染、水土流失、城市熱島、景觀結(jié)構(gòu)遭到破壞、生境質(zhì)量受到威脅等[3–6], 該地區(qū)的可持續(xù)性發(fā)展受到嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

目前已經(jīng)出現(xiàn)了一系列針對京津冀地區(qū)的生態(tài)問題、可持續(xù)發(fā)展等相關(guān)的研究, 且取得了重要的結(jié)果。但是仍有一些問題沒有得到很好的解答。例如, 在經(jīng)濟(jì)和人口快速發(fā)展的背景下, 京津冀地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康程度的空間格局是怎樣的？在近20年來, 發(fā)生了怎樣的變化？這些問題的解答可以為我們認(rèn)識京津冀地區(qū)的生態(tài)特點、制定生態(tài)保護(hù)措施提供參考和指導(dǎo)。

生態(tài)系統(tǒng)健康的相關(guān)研究興起于20世紀(jì)90年代[7–8], 生態(tài)系統(tǒng)的健康體現(xiàn)在其活躍性、穩(wěn)定性、可恢復(fù)性和持續(xù)性[9–10]。一個常用的方法是指示物種法, 例如用螞蟻群落作為森林生態(tài)系統(tǒng)健康的快速評價物種[11], 用魚類作為評價河口生態(tài)系統(tǒng)健康的快速評價指標(biāo)[12], 用羊草群落和大針茅作為草原生態(tài)系統(tǒng)健康的指示物種[13], 基于浮游細(xì)菌的生物完整性作為河流生態(tài)系統(tǒng)的指示物種[14]。另一方面, 指標(biāo)體系法也是用于生態(tài)系統(tǒng)健康評價的常用方法[10]。隨著知識進(jìn)步, 許多新技術(shù)和方法應(yīng)用到實際研究中, 如3S技術(shù)、空間分析技術(shù)、景觀格局分析技術(shù)等。同時, 也提出了一系列生態(tài)系統(tǒng)健康評價模型并得到了廣泛的應(yīng)用, 如“壓力—狀態(tài)—響應(yīng)”(PSR)模型[15]、“驅(qū)動力—狀態(tài)—響應(yīng)”(DSR)模型[16]、“驅(qū)動力—壓力—狀態(tài)—暴露—影響—響應(yīng)”(DPSEEA)模型[17]等。其中PSR模型由聯(lián)合國經(jīng)濟(jì)合作開發(fā)署(OECD)構(gòu)建, 由于其具有清晰的因果關(guān)系, 在各類生態(tài)系統(tǒng)健康研究中得到了較為廣泛的應(yīng)用[18]。

本文選擇京津冀地區(qū)作為研究對象, 以生態(tài)系統(tǒng)健康、景觀生態(tài)學(xué)等理論為基礎(chǔ), 借助環(huán)境遙感、地理信息系統(tǒng)等技術(shù), 針對京津冀地區(qū)特點, 依據(jù)PSR模型構(gòu)建京津冀地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)體系, 從柵格尺度分析京津冀地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康空間分異及其動態(tài)變化, 以期為合理開發(fā)利用當(dāng)?shù)刭Y源、恢復(fù)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康提供理論指導(dǎo)和科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

京津冀地區(qū)位于中國華北、東北以及華東的接合地帶, 作為重要樞紐將三者鏈接起來, 也是中國環(huán)渤海地區(qū)的核心。地域上主要包括北京市、天津市和河北省11個地級市。地理位置位于36°01′ N—42°37′ N, 113°04′ E—119°53′ E范圍內(nèi), 總面積約21.8萬平方公里(圖1)。區(qū)域內(nèi)地貌類型多樣, 西部多山地(壩上高原、燕山、太行山), 中部多平原(山前平原, 低平原), 東南部為沿海平原[19]。

京津冀地區(qū)是我國的政治和文化中心, 同時在經(jīng)濟(jì)上也發(fā)展迅速, 處于中國領(lǐng)先地位, 與長三角、珠三角并成為中國經(jīng)濟(jì)增長的三大區(qū)域。2015年, 京津冀地區(qū)的國內(nèi)生產(chǎn)總值已達(dá)7萬億元, 約占全國總產(chǎn)值的10.2%。但是隨著人口集中, 經(jīng)濟(jì)增長, 帶來了環(huán)境污染、生態(tài)環(huán)境破壞等一系列的生態(tài)環(huán)境問題[4–5]。同時京津冀地區(qū)水資源短缺, 約70%的河流在全年內(nèi)出現(xiàn)斷流現(xiàn)象[20]。另外, 京津冀地區(qū)也是我國大氣污染最嚴(yán)重、最集中的地區(qū)[2]。

2 研究方法

2.1 評價指標(biāo)體系構(gòu)建

評價指標(biāo)體系構(gòu)建是區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康評價的關(guān)鍵, 其科學(xué)合理性直接影響到評價結(jié)果的準(zhǔn)確和合理性, 進(jìn)而影響到科學(xué)決策。其指標(biāo)選取應(yīng)遵循以下原則: 盡量采用RS、GIS實時動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù), 盡可能反映生態(tài)系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)和人類作用, 具有系統(tǒng)性和完備性[21]。

圖1 研究區(qū)位置

Figure 1 Location of the study area

聯(lián)合國經(jīng)濟(jì)開發(fā)署建立的“壓力—狀態(tài)—響應(yīng)”(PSR)模型因其具有清晰的因果關(guān)系, 是用來進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)健康評估的一個常用的模型[22], 本研究基于此模型對京津冀地區(qū)進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)健康評估。依據(jù)此模型可認(rèn)為京津冀地區(qū)的人口聚集、工業(yè)擴(kuò)張會對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生干擾和脅迫(壓力); 引起生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生一定的改變, 健康狀態(tài)隨之變化; 人類社會通過政策和措施制定來對生態(tài)系統(tǒng)變化做出響應(yīng), 來保障其健康發(fā)展。基于此, 綜合考慮京津冀地區(qū)的人口經(jīng)濟(jì)、環(huán)境破壞和保護(hù)情況, 參考相關(guān)研究成果, 最終確定了京津冀地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)體系(表1), 該體系包含目標(biāo)層、項目層、因素層、指標(biāo)層4個層次, 共20各個指標(biāo)。

2.2 數(shù)據(jù)收集及預(yù)處理

本研究使用的指標(biāo)體系共有20個, 數(shù)據(jù)的分辨率、下載地址和時間如表2所示。

其中城市(鎮(zhèn))化率、人口密度、GDP密度、人均廢氣排放量、植被指數(shù)、光合有效輻射、植被凈初級生產(chǎn)力的數(shù)據(jù)均包括2000年和2015年。土壤侵蝕強(qiáng)度、地形起伏度、土壤pH和土壤有機(jī)質(zhì)含量指標(biāo)由于數(shù)據(jù)的特殊性, 很難獲得兩個年份的數(shù)據(jù), 因此認(rèn)為這四個指標(biāo)在研究期間不發(fā)生變化, 在2000年和2015年均使用相同的數(shù)據(jù)。生境質(zhì)量功能、固碳功能、水質(zhì)凈化、水源涵養(yǎng)功能、水土保持功能等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能均通過InVEST模型進(jìn)行模擬, 得到2000年2015年兩個時期的空間數(shù)據(jù)(見2.3部分)。教育支出占比、單位面積二氧化硫排放量、工業(yè)廢水排放達(dá)標(biāo)率、綠地面積占比等指標(biāo)通過查閱和統(tǒng)計2001年和2016年的《中國城市統(tǒng)計年鑒》獲得。

獲得的數(shù)據(jù)的分辨率和投影系統(tǒng)之間是不同的, 難以直接用于后續(xù)計算。因此將數(shù)據(jù)統(tǒng)一重采樣到1 km的空間分辨率和相同的投影坐標(biāo)系下。

2.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能計算

生境質(zhì)量功能、固碳功能、水質(zhì)凈化、水源涵養(yǎng)功能、水土保持功能等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能通過InVEST模型3.6版本中的生境質(zhì)量模塊(habitat quality), 固碳模塊(carbon storage and sequestration), 水質(zhì)凈化模塊(nutrient delivery ratio), 產(chǎn)水量模塊(annual water yield), 土壤保持模塊(sediment delivery ratio)來進(jìn)行模擬。相關(guān)計算方法請參見[23–26],其中土壤有效含水量PAWC利用土壤密度、粘土含量、含沙量、淤泥含量通過SPAW公式進(jìn)行計算。主要的數(shù)據(jù)來源見表3。

表1 京津冀地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)體系

注: 土壤PH指的是土壤PH值減去7的絕對值。

表2 指標(biāo)數(shù)據(jù)來源及說明

注: “—”表示該數(shù)據(jù)無時間區(qū)別。

2.4 指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化處理

這20個指標(biāo)具有不同的量綱, 這是由于不同指標(biāo)的數(shù)據(jù)來源、計算方法等往往不同, 很難將這部分?jǐn)?shù)據(jù)直接用于健康評價。因此, 使用極差法將這20個指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理, 處理成0—1之間的無量綱數(shù)據(jù)。首先根據(jù)不同指標(biāo)對于區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康的趨向特點分為正向指標(biāo)和負(fù)向指標(biāo)(表1), 正向指標(biāo)與生態(tài)健康之間是正向關(guān)系, 按公式(1)計算; 負(fù)向指標(biāo)與生態(tài)健康之間是負(fù)向關(guān)系, 按公式(2)計算。

y=(x–minx)/(maxx–minx) (1)

y=(maxx–x)/(maxx–minx) (2)

式中:y和x為第年第個指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值和實際值, maxx和minx為第個指標(biāo)實際值的最大值和最小值。

2.5 指標(biāo)權(quán)重確定

權(quán)重是衡量一個指標(biāo)在評價體系中的重要程度, 是一個相對的概念。權(quán)重分配的合理與否會影響到評價結(jié)果的合理性。目前常用的權(quán)重確定方法有主成分分析法、層次分析法、熵權(quán)法等, 不同的方法具有不同的特點。層次分析法通過專家打分的方式進(jìn)行, 主觀因素占決定性作用, 而熵權(quán)法和主成分分析法從數(shù)據(jù)出發(fā), 是純客觀的賦權(quán)方法。本研究中選擇層次分析法[27]和熵權(quán)法[28]來計算各個指標(biāo)的權(quán)重, 再通過計算其平均值得到各個指標(biāo)的最終權(quán)重。該方法將層次分析法和熵權(quán)法結(jié)合起來, 力求客觀和主觀的統(tǒng)一。經(jīng)計算分析, 得到的指標(biāo)權(quán)重見表1。

2.6 綜合評價模型

基于數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化和權(quán)重確定結(jié)果, 通過計算生態(tài)系統(tǒng)健康綜合指數(shù)來反映生態(tài)系統(tǒng)的綜合健康狀況。該指數(shù)越大, 表明生態(tài)系統(tǒng)越健康。評價模型為:

式中: EHI是第個柵格區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù),y是第個柵格的第個指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值,w是第個指標(biāo)的權(quán)重,是評價指標(biāo)個數(shù)。

整個研究區(qū)的評價指標(biāo)模型為

式中, EHI是該區(qū)域綜合的健康指數(shù), EHI是第個柵格區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù),為區(qū)域內(nèi)柵格的個數(shù)。

2.7 生態(tài)系統(tǒng)健康等級劃分

基于前面計算的生態(tài)系統(tǒng)健康等級指數(shù), 根據(jù)前人研究中劃分生態(tài)系統(tǒng)健康等級標(biāo)準(zhǔn)[18,29–30], 將京津冀地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康劃分為五個級別, 如表4所示。

表3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能模擬的數(shù)據(jù)來源

注: “—”表示該數(shù)據(jù)無時間區(qū)別。

表4 京津冀地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康等級劃分

3 結(jié)果與分析

3.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評估

3.1.1 生境質(zhì)量

基于京津冀地區(qū)2000年和2015年的土地利用數(shù)據(jù), 利用InVEST模型模擬區(qū)域的生境質(zhì)量指數(shù), 以此來表示區(qū)域的生境質(zhì)量狀況, 值越大表示生境質(zhì)量越好。結(jié)果如圖2(a)、(b)所示。可以發(fā)現(xiàn)該區(qū)域生境質(zhì)量功能的高值主要分布在北部和西部的山地區(qū)域, 如承德市、北京市西北部、保定市西部、石家莊西部等, 而低值則主要分布在中部和東南部區(qū)域, 如廊坊市、滄州市、衡水市、邢臺市等, 具有明顯的西北向東南降低的趨勢。統(tǒng)計結(jié)果顯示, 2000年京津冀地區(qū)生境質(zhì)量平均值為0.5576, 2015年京津冀地區(qū)生境質(zhì)量平均值為0.5504, 有降低的趨勢。生境質(zhì)量最高的土地利用類型有森林、草地、水體等, 2000年京津冀地區(qū)森林面積為44773 km2, 草地面積35835 km2, 水域面積6360 km2, 2015年京津冀地區(qū)森林面積為44734 km2, 草地面積35218 km2, 水域面積6029 km2。這三類土地利用類型均有不同程度的減少。而建設(shè)用地地類有較大程度的增加, 2000年建設(shè)用地面積17648 km2, 2015年建設(shè)用地面積20506 km2, 增加了16.2%。

3.1.2 固碳功能

基于土地利用數(shù)據(jù), 利用InVEST模型模擬了京津冀地區(qū)2000年和2015年的固碳功能指數(shù), 結(jié)果如圖2(c)、(d)所示。可以發(fā)現(xiàn)該區(qū)域固碳功能的空間格局與生境質(zhì)量的空間格局類似, 其高值分布在西部和北部的山地區(qū)域, 如承德市、北京市西北部、保定市西部、石家莊西部等, 低值則主要分布在中部和東南部區(qū)域, 如廊坊市、滄州市、衡水市、邢臺市等, 具有明顯的西北向東南降低的趨勢。經(jīng)過統(tǒng)計發(fā)現(xiàn), 2000年該區(qū)域內(nèi)固碳功能平均值為11353.6 mg·km-2, 而2015年該區(qū)域內(nèi)固碳功能平均值為11336.9 mg·km-2, 表現(xiàn)出一定的下降趨勢。這與京津冀地區(qū)的土地利用變化密切相關(guān)。固碳功能最強(qiáng)的土地利用類型是森林和草地, 這兩者在2015的面積均小于2000年。而建設(shè)用地面積增加迅速。這共同減低了該區(qū)域的固碳功能。

3.1.3 土壤保持功能

基于土地利用數(shù)據(jù), 利用InVEST模型模擬了京津冀地區(qū)2000年和2015年的土壤保持功能指數(shù), 結(jié)果如圖2(e)、(f)所示?？梢园l(fā)現(xiàn)該區(qū)域土壤保持功能的空間格局與前兩者的空間格局類似, 其高值分布在西部和北部的山地區(qū)域, 如承德市、北京市西北部、保定市西部、石家莊西部等, 低值則主要分布在中部和東南部區(qū)域, 如廊坊市、滄州市、衡水市、邢臺市等, 具有明顯的西北向東南降低的趨勢。經(jīng)過統(tǒng)計發(fā)現(xiàn), 2015年該區(qū)域內(nèi)土壤保持功能平均值為284.71 t·km-2, 這與2000的土壤保持功能(288.62 t·km-2)相比, 表現(xiàn)出一定的下降趨勢。這與京津冀地區(qū)的土地利用變化密切相關(guān)。僅15年來, 該區(qū)域的森林、草地、水體面積均有不同程度的減少趨勢, 而建設(shè)用地面積增加迅速。這共同減低了該區(qū)域的土壤保持功能。

3.1.4 水質(zhì)凈化功能

在對該區(qū)域進(jìn)行水質(zhì)凈化功能的空間模擬時, 考慮了N和P兩種營養(yǎng)鹽的保持量, 模擬結(jié)果如圖2(g)、(h)所示。可以發(fā)現(xiàn), 該區(qū)域水質(zhì)凈化功能的高值分布在中部和東南部區(qū)域, 如廊坊市、滄州市、衡水市、邢臺市等, 而低值在西部和北部的山地區(qū)域, 如承德市、北京市西北部、保定市西部、石家莊西部等。該區(qū)域水質(zhì)凈化功能的空間分布格局與前兩個生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的空間格局不同, 具有明顯的東南向西北降低的趨勢。2000年該區(qū)域水質(zhì)凈化功能的平均值為203.47 kg·km-2, 而2015年該區(qū)域水質(zhì)凈化功能的平均值204.05 kg·km-2, 整體變化不大。

3.1.5 產(chǎn)水量功能

基于土地利用數(shù)據(jù), 利用InVEST模型模擬了京津冀地區(qū)2000年和2015年的產(chǎn)水量功能指數(shù), 結(jié)果如圖2(i)、(j)所示?？梢园l(fā)現(xiàn), 該區(qū)域產(chǎn)水量功能的高值分布在中部和東部沿海區(qū)域, 如唐山市、秦皇島市、天津市和滄州市沿海區(qū)域, 而低值分布在西部區(qū)域, 如張家口市、保定市、石家莊市等地。該區(qū)域水質(zhì)凈化功能的空間分布格局具有明顯的東向西降低的趨勢。在2000年和2015年相似, 整體變化不大。

圖2 2000年和2015年京津冀地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能空間分布

Figure 2 Spatial distribution of ecosystem services in Jing-Jin-Ji region in 2000, 2015

3.2 生態(tài)系統(tǒng)健康評估

根據(jù)已建立的京津冀地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)體系和評價模型, 模擬和統(tǒng)計了京津冀地區(qū)2000年和2015年1 km柵格尺度的生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)和各層次的生態(tài)因子值, 結(jié)果見圖3—圖6, 以及統(tǒng)計結(jié)果見表5。

3.2.1 壓力分析

生態(tài)系統(tǒng)健康評價中的壓力指標(biāo)用來表征由于地區(qū)的人口聚集、工業(yè)擴(kuò)張對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生干擾和脅迫, 通過計算壓力指數(shù)來表征京津冀地區(qū)所受的壓力和脅迫的程度大小。壓力值越大, 表示地區(qū)的受到的壓力小, 生態(tài)系統(tǒng)越健康。計算結(jié)果如圖3所示, 并按照表2的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分級。

從空間格局來看, 2000年和2015年京津冀地區(qū)壓力因子值分布相似, 1級地區(qū)占絕大多數(shù), 表明絕大多數(shù)地區(qū)所受壓力較少, 差異不明顯。2級地區(qū)分布瑣碎, 主要分布在北京、天津、石家莊的市區(qū)等地以及張家口市。說明這些地區(qū)所受壓力較大, 北京、天津、石家莊的市區(qū)人口數(shù)量多, 經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速, 生活生產(chǎn)活動不可避免對區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生較大的壓力。而張家口市部分地區(qū)所受壓力較大, 主要是因為京津冀地區(qū)主要是山區(qū), 地形起伏較大, 土壤侵蝕嚴(yán)重?？梢园l(fā)現(xiàn), 2000年京津冀地區(qū)僅有1級和2級, 2級分布面積較小, 而2015年2級分布面積明顯增多, 同時出現(xiàn)了3級地區(qū), 這說明了京津冀地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)在這15年受到了越來越大的壓力。從表3來看, 京津冀地區(qū)所受壓力最大的地區(qū)是北京、承德和張家口市, 所受壓力最小的地區(qū)是滄州、衡水、廊坊等地。人類活動增加迅速是其變化的主要原因。

圖3 京津冀地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)壓力因子空間格局及時間變化

Figure 3 Spatial and temporal variation of pressure factor in Jing-Jin-Ji region

圖4 京津冀地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)因子空間格局及時間變化

Figure 4 Spatial and temporal variation of state factor in Jing-Jin-Ji region

圖5 京津冀地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)因子空間格局及時間變化

Figure 5 Spatial and temporal variation of response factor in Jing-Jin-Ji region

圖6 京津冀地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康空間格局及時間變化

Figure 6 Spatial and temporal variation of ecosystem health in Jing-Jin-Ji region

表5 京津冀地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康及因子統(tǒng)計表

從時間變化來看, 研究區(qū)13個地市的生態(tài)系統(tǒng)均發(fā)生了不同程度的變化。總的來說, 這13個地市所受的壓力在這15年間均有增大的態(tài)勢。其中承德、張家口、滄州等地壓力值增加最小, 而北京、唐山、天津是增加最迅速的三個地方。其中, 北京市的壓力因子值從0.928變?yōu)?.922, 唐山市的壓力因子值從0.963變?yōu)?.955, 天津市的壓力因子值從0.977變?yōu)?.967。在這15年間, 人口數(shù)量急增, 人類為了滿足自身發(fā)展需求, 不斷加大對自然資源的開發(fā)和利用, 城鎮(zhèn)化率不斷上升。從變化的空間分布來看, 京津冀地區(qū)北部壓力變化最小, 中部的北京、天津等地增加最大, 西部地區(qū)增加較小。

3.2.2 狀態(tài)分析

生態(tài)系統(tǒng)健康評價中的狀態(tài)指標(biāo)是表征地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)本身結(jié)構(gòu)和功能的度量, 指標(biāo)越大, 表示京津冀地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)越好, 是評價生態(tài)系統(tǒng)健康的重要指標(biāo)。計算結(jié)果如圖4所示。

從空間格局來看, 2000年和2015年京津冀地區(qū)狀態(tài)因子值分布相似, 4級地區(qū)占大多數(shù), 主要分布在京津冀地區(qū)的中部和南部以及西北小部分地區(qū), 5級地區(qū)主要分布在各個地市的城區(qū)(如北京等)以及沿海地區(qū), 說明這些地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)較差, 這由于該地人類活動集中、對生態(tài)系統(tǒng)干擾強(qiáng)烈。而1級、2級、3級地區(qū)則主要分布在該區(qū)域的北部和西部等地, 京津冀地區(qū)主要為山區(qū), 如壩上高原、燕山、太行山等地, 這些區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)狀況較好。這些地區(qū)山地較多, 森林面積廣布, 人類活動相對較少, 景觀多樣性較為豐富, 結(jié)構(gòu)相對完整, 功能相對較好。同時可以發(fā)現(xiàn), 相對于2000年, 2015年5級地區(qū)面積明顯增多, 出現(xiàn)擴(kuò)張趨勢, 如北京城區(qū)、廊坊城區(qū)和石家莊城區(qū)等。這說明了京津冀地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)在這15年內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)狀況有下降明顯, 很多地方處于極差水平。從表3來看, 京津冀地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)最好的是承德, 而最差的是廊坊、滄州等地。

從時間變化來看, 研究區(qū)這13個地市的生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)均發(fā)生了不同程度的變化?？偟膩碚f, 這13個地市中, 承德、張家口、秦皇島、唐山、天津、北京等地有一定的增加, 其中, 承德的生態(tài)系統(tǒng)狀況變優(yōu)最為明顯, 從0.470增加到0.504, 而廊坊、保定、滄州、石家莊、衡水、形態(tài)、邯鄲等地的狀況有一定的降低, 其中邯鄲地區(qū)變化最為明顯, 從0.336降低為0.319。從變化的空間分布來看, 京津冀地區(qū)北部的生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)增加明顯, 而南部有明顯的降低趨勢, 表現(xiàn)出從北向南變差的趨勢。

3.2.3 響應(yīng)分析

生態(tài)系統(tǒng)的響應(yīng)指標(biāo)用來反映人類為了應(yīng)對生態(tài)系統(tǒng)惡化、維持可持續(xù)發(fā)展而采取的一系列措施, 對生態(tài)系統(tǒng)健康有積極推動作用, 用響應(yīng)因子指數(shù)來度量這種推動的大小。計算結(jié)果如圖5所示。

從空間分布來看, 2000年和2015年京津冀地區(qū)響應(yīng)因子值分布有一定的差異。3級地區(qū)占大多數(shù), 主要分布在該區(qū)域的中部、南部和西北部等地, 表明這些地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)較弱, 人類針對生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)的措施較少。1級和2級地區(qū)主要分布在該區(qū)域的西部和北部的山地和天津、北京等地, 說明人類社會對于生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)的意識較好。隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展, 北京、天津等地快速發(fā)展, 教育水平明顯提高, 科學(xué)技術(shù)進(jìn)步迅速, 因此對于環(huán)保、教育的投入力度有明顯增加, 人們的意識也有明顯提高?？梢园l(fā)現(xiàn), 4級地區(qū)在2000年有較為廣泛的分布, 而2015年則沒有該級別的地區(qū)分布。同時2級區(qū)域面積有明顯增加。這說明人類對于生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)的意識在這15年內(nèi)有很大的進(jìn)步。從表3來看, 京津冀地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)較好的地區(qū)是北京、承德等地, 而響應(yīng)較差的地區(qū)是衡水、廊坊等地。

從時間變化來看, 研究區(qū)這13個地市的生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)因子均發(fā)生了不同程度的變化?？偟膩碚f, 這13個地市對生態(tài)系統(tǒng)的響應(yīng)在這15年間均有變好的態(tài)勢。其中, 邢臺、石家莊、張家口等地的響應(yīng)因子值增加最大, 而北京、天津等地的響應(yīng)變化較小。其中, 邢臺的響應(yīng)因子值從0.322增加到0.593, 石家莊的響應(yīng)因子值從0.451增加到0.602, 北京市的響應(yīng)從0.648增加到0.707, 天津市從0.571增加到0.615。從變化的空間分布來看, 京津冀地區(qū)南部和北部地區(qū)響應(yīng)增加明顯, 而中部的北京、天津等地增加較小。

3.2.4 生態(tài)系統(tǒng)健康評估

綜合生態(tài)系統(tǒng)評價中的壓力、狀態(tài)、響應(yīng)三個方面, 基于層次分析法和熵權(quán)法確定的權(quán)重, 計算得到京津冀地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康綜合指數(shù)的時空分布圖, 計算結(jié)果如圖6所示, 并按照表3的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分級。

從空間分布來看, 2000年和2015年京津冀地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康分布相似。生態(tài)系統(tǒng)一般健康(3級)的地區(qū)占絕大多數(shù), 主要分布在京津冀的中部、南部和西北部, 表明這些地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)處于一般的狀態(tài)。良好的地區(qū)(2級)主要分布在該區(qū)域的北部和西部, 這些地區(qū)森林面積廣布, 人類活動干擾較少, 景觀多樣性較為豐富, 結(jié)構(gòu)相對完整, 生態(tài)系統(tǒng)良好。同時正是由于這些地區(qū)的生態(tài)重要性, 人們對于京津冀地區(qū)也有較好的環(huán)保意識, 生態(tài)保護(hù)投入力度大。同時可以發(fā)現(xiàn), 相比較于2000年, 2015年生態(tài)系統(tǒng)良好的區(qū)域面積有明顯的增加, 擴(kuò)張明顯。這說明了京津冀地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)在這15年間變得越來越健康, 可持續(xù)性提高。從表3來看, 京津冀地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康程度最好的是承德和秦皇島市, 而最差的是邢臺。

從時間變化來看, 研究區(qū)這13個地市的生態(tài)系統(tǒng)健康程度均發(fā)生了不同程度的變化。總的來說, 這13個地市的生態(tài)系統(tǒng)均表現(xiàn)出越來越健康的趨勢。其中, 邢臺、承德等地的綜合生態(tài)系統(tǒng)健康因子值增加最大, 而北京、天津等地的健康因子值增加最小。其中, 邢臺市的綜合健康因子值從0.518增加到0.577, 承德市的健康因子從0.635增加到0.677, 而北京市從0.635增加到0.648, 天津市從0.576增加到0.585。從變化空間分布來看, 生態(tài)系統(tǒng)健康程度變化最大的在該區(qū)域的南部和北部, 而增加較小的地區(qū)分布在北京、天津周邊。這說明了北京天津等地的環(huán)保意識和投入水平雖然有明顯增加, 但并不足以平衡人口增加帶來的環(huán)境破壞。

4 討論

本研究在分析前人工作的基礎(chǔ)上, 結(jié)合生態(tài)系統(tǒng)健康和景觀生態(tài)學(xué)理論, 基于“壓力—狀態(tài)—響應(yīng)(PSR)”模型構(gòu)建了京津冀地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)體系, 并綜合層次分析法和熵權(quán)法得到了指標(biāo)權(quán)重, 以實現(xiàn)對京津冀地區(qū)科學(xué)和合理的生態(tài)系統(tǒng)健康評價。但由于生態(tài)系統(tǒng)健康研究尚處于發(fā)展階段, 目前形成一套成熟、統(tǒng)一的評價指標(biāo)體系和方法。相關(guān)指標(biāo)體系和方法往往根據(jù)研究區(qū)域不同而不同, 目前學(xué)者以利用PSR模型針對流域生態(tài)系統(tǒng)[15,31]、海岸帶生態(tài)系統(tǒng)[18,22]、濕地生態(tài)系統(tǒng)[21]等進(jìn)行了生態(tài)系統(tǒng)健康的評價。但是目前針對城市群生態(tài)系統(tǒng)健康評價的研究相對較少[32,33], 相關(guān)研究仍有待進(jìn)一步加深。本人雖然針對京津冀地區(qū)實際情況, 選擇了城鎮(zhèn)化率、人口密度、GDP密度、人均廢氣排放量、教育支出占比、工業(yè)廢水排放達(dá)標(biāo)率、綠地面積占比等20個指標(biāo)構(gòu)建了該地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)體系, 評價了生態(tài)系統(tǒng)健康的時空特點, 取得了一定的進(jìn)展, 但是也存在一些不足和待完善之處, 有待進(jìn)一步深入研究。1)人類活動要素的數(shù)據(jù)很多情況下只能從統(tǒng)計年鑒中獲得, 但是統(tǒng)計年鑒的數(shù)據(jù)往往是以地市或者縣市級別統(tǒng)計的。這部分?jǐn)?shù)據(jù)較為粗糙, 一定程度上影響了準(zhǔn)確和精細(xì)的研究結(jié)果。2)城市生態(tài)系統(tǒng)健康評價的研究相對較少, 成熟和完善的評價體系和方法仍有待進(jìn)一步探索。

5 結(jié)論

本研究通過整理多源數(shù)據(jù), 首先模擬了京津冀地區(qū)2000年和2015年的生境質(zhì)量、固碳功能、水質(zhì)凈化功能、產(chǎn)水量功能、土壤保持功能等5個生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的空間格局, 進(jìn)而評價了京津冀地區(qū)2000年和2015年柵格尺度的生態(tài)系統(tǒng)健康空間分布和時空變化。

研究結(jié)果顯示: 1)生境質(zhì)量、固碳功能和水土保持功能的高值主要分布在該區(qū)域北部和西部的山地區(qū)域, 如承德市、北京市西北部、保定市西部、石家莊西部等, 而低值則主要分布在中部和東南部區(qū)域, 如廊坊市、滄州市、衡水市、邢臺市等。水質(zhì)凈化功能主要分布在南部, 而產(chǎn)水量功能主要分布在沿海地區(qū)。2)京津冀地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的壓力主要分布在北京、天津的市區(qū)等地。同時在這15年間, 京津冀地區(qū)北部壓力變化最小, 中部的北京、天津等地增加最大, 西部地區(qū)增加較小。3)京津冀地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)最差的是各個地市的城區(qū)(如北京等)以及沿海地區(qū), 而最好的區(qū)域分布在北部和西部等地的山區(qū)。同時, 在這15年間京津冀地區(qū)北部的生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)增加明顯, 而南部有明顯的降低趨勢, 表現(xiàn)出從北向南變壞的趨勢。4)京津冀地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)最好的區(qū)域是西部和北部的山地和天津、北京等地, 說明這些地區(qū)人類社會對于生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)的意識較好。在這15年間, 京津冀地區(qū)南部和北部響應(yīng)增加明顯, 而中部的北京、天津等地增加較小。5)生態(tài)系統(tǒng)一般健康的區(qū)域占京津冀地區(qū)絕大多數(shù), 主要分布在京津冀的中部、南部和西北部。良好地區(qū)主要分布在該區(qū)域的北部和西部的林地區(qū)域。同時, 在這15年間, 生態(tài)系統(tǒng)健康程度變化最大的在該區(qū)域的南部和北部, 而增加較小的地區(qū)分布在北京、天津周邊。

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Spatiotemporal variations of ecosystem health of Jing-Jin-Ji region based on the PSR model.

NING Lixin1,2,3,4, LIANG Xiaoyao1,2,3,4, CHENG Changxiu1,2,3,4,5,*

1. Beijing Key Laboratory of Environmental Remote Sensing and Digital City, Beijing 100875, China 2. State Key Laboratory of Earth Surface Processes and Resource Ecology, Beijing Normal University, Beijing 100875, China 3. Key Laboratory of Environmental Change and Natural Disaster, Beijing Normal University, Beijing 100875, China 4. Center for Geodata and Analysis, Faculty of Geographical Science, Beijing Normal University, Beijing 100875, China 5. National Tibetan Plateau Data Center, Beijing 100101, China

Combining ecosystem health and landscape ecology theory, an index system for ecosystem health evaluation in the Jing-Jin-Ji region was constructed based on the "stress-state-response (PSR)" model, and the index weight values ??were obtained by the comprehensive analytic hierarchy process and the entropy weight method. First, the ecosystem service functions such as habitat quality, carbon sequestration, water purification, water production, and soil conservation in Jing-Jin-Ji region were simulated in 2000 and 2015, and then the grid-scale ecology in Jing-Jin-Ji region was evaluated in 2000 and 2015. The results show that: 1) The high values ??of habitat quality, carbon sequestration and soil and water conservation functions are mainly distributed in the mountainous areas in the north and west of the region, while the low values ??are mainly distributed in the central and southeastern regions. The water purification function is mainly distributed in the south, while the water production function is mainly distributed in the coastal areas. 2) The pressure of the ecosystem in this area is mainly distributed in the urban areas of Beijing and Tianjin. The pressure in the north has the smallest change in time, the central regions such as Beijing and Tianjin have the largest increase, and the western region has a smaller increase. 3) The worst areas are the urban areas and coastal areas of various cities, and the best areas are distributed in the mountainous areas in the north and west. In time, the northern region increased significantly, while the southern region showed a clear downward trend, showing a tendency to deteriorate from north to south. 4) The best response in this area is the mountains in the west and north and Tianjin, Beijing and other places, indicating that human society has a better awareness of ecosystem protection. In terms of time, the response in the southern and northern regions has increased significantly, while the central regions such as Beijing and Tianjin have seen smaller increases. 5) The areas with generally healthy ecosystems account for the vast majority, mainly distributed in the central, southern and northwestern parts of Beijing, Tianjin and Hebei. Good areas are mainly distributed in the woodland areas in the north and west of the area. In terms of time, the changes in health are greatest in the south and north of the region, while the regions with smaller increases are distributed around Beijing and Tianjin.

ecosystem service; ecosystem health; spatiotemporal variation; PSR model; Jing-Jin-Ji region

10.14108/j.cnki.1008-8873.2021.06.001

X826

A

1008-8873(2021)06-001-12

寧立新, 梁曉瑤, 程昌秀. 京津冀地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康評估及時空變化[J]. 生態(tài)科學(xué), 2021, 40(6): 1–12.

NING Lixin, LIANG Xiaoyao, CHENG Changxiu. Spatiotemporal variations of ecosystem health of Jing-Jin-Ji region based on the PSR model[J]. Ecological Science, 2021, 40(6): 1–12.

2020-05-28;

2020-07-05

國家自然科學(xué)基金面上項目(41771537); 國家重點研發(fā)計劃重點專項(2017YFB0504102)

寧立新(1991—), 男, 山東濟(jì)南人, 博士生, 主要從事生態(tài)評估工作, E-mail: ninglixin123@163.com

通信作者:程昌秀, 女, 教授, E-mail: chengcx@bnuedu.cn