青藏高原生態(tài)屏障生態(tài)系統(tǒng)時空演變及驅(qū)動機制

李月皓,王曉峰,2,*,楚冰洋,牛澤鵬,符鑫鑫,延 雨

1 長安大學(xué)土地工程學(xué)院, 西安 710054

2 陜西省土地工程重點實驗室, 西安 710054

3 長安大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院, 西安 710054

青藏高原是中國重要的生態(tài)安全屏障,能夠防御外部環(huán)境惡化威脅、保護內(nèi)部生態(tài)良好健康,也對東亞、全球的自然環(huán)境穩(wěn)定性產(chǎn)生巨大的屏障作用[1]。在全球氣候變化和人類活動的綜合影響下,青藏高原呈現(xiàn)出生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性降低、資源環(huán)境壓力增大等諸多問題,對國家生態(tài)安全產(chǎn)生威脅[2]。因此,國家與有關(guān)部門在青藏高原已部署實施多項和生態(tài)建設(shè)與環(huán)境保護有關(guān)的規(guī)劃或項目,例如2009年2月,國務(wù)院批準(zhǔn)通過了《西藏生態(tài)安全屏障保護與建設(shè)規(guī)劃(2008—2030年)》；2011年5月1日,國務(wù)院頒布了《青藏高原區(qū)域生態(tài)建設(shè)與環(huán)境保護規(guī)劃 (2011—2030年)》。2010年12月,為維護國家生態(tài)安全,改善生態(tài)環(huán)境并使之與經(jīng)濟發(fā)展相適應(yīng)從而達到可持續(xù)發(fā)展[3],國務(wù)院印發(fā)《全國主體功能區(qū)規(guī)劃》,明確了青藏高原生態(tài)屏障的概念,亟待開展相關(guān)的科學(xué)監(jiān)測和評估[4]。生態(tài)系統(tǒng)格局反映了各類生態(tài)系統(tǒng)自身的空間分布規(guī)律和各類生態(tài)系統(tǒng)之間的空間結(jié)構(gòu)關(guān)系[5—6],生態(tài)系統(tǒng)變化不僅與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間聯(lián)系密切,也是全球生態(tài)環(huán)境變化的重要原因和驅(qū)動力[7—8]。明確生態(tài)系統(tǒng)的分布狀況,并通過理解要素相互作用過程的機理,揭示其動態(tài)變化的規(guī)律,是自然地理學(xué)的重點研究內(nèi)容[9],也是制定生態(tài)保護與生態(tài)文明建設(shè)政策與措施的依據(jù)[10]。因此,明確青藏高原生態(tài)屏障生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)狀,分析其生態(tài)系統(tǒng)格局的演變規(guī)律,探究影響生態(tài)系統(tǒng)格局演變的驅(qū)動機制具有重要意義[11]。

近年來,國內(nèi)外諸多學(xué)者針對生態(tài)系統(tǒng)格局演變及其驅(qū)動因素進行了大量有益的探索。在理論層面,傅伯杰[12]、歐陽志云等[13]對生態(tài)系統(tǒng)格局與生態(tài)安全格局、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的相互關(guān)系進行了詳細論述；Shichang Kang[14]、王新華等[15]分析了自然條件和人為干預(yù)共同影響下的生態(tài)系統(tǒng)格局演變以及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化；孫鴻烈等[1]對青藏高原國家生態(tài)安全屏障保護與建設(shè)進行了綜合分析與論述。在實踐方面,牟雪潔等[16]的研究發(fā)現(xiàn)2000—2010年青藏高原生態(tài)屏障濕地面積增加明顯,且氣候變化是引起濕地面積增加的主要自然因素；郭兵等[17]認為青藏高原高寒生態(tài)區(qū)的脆弱生態(tài)系統(tǒng)主要受地形、氣候、和人口密度的影響。但是目前多數(shù)的生態(tài)系統(tǒng)演變驅(qū)動機制研究都僅僅在全局或者平均意義上對參數(shù)進行估計,在反映空間局部變化和空間異質(zhì)性上研究不足；且在對青藏高原生態(tài)屏障保護和建設(shè)開展的綜合評估中,未見全面分析生態(tài)系統(tǒng)格局的時空演變過程的研究,還沒有形成一套系統(tǒng)、全面的驅(qū)動機制的指標(biāo)體系[18]。冗余分析是一種回歸分析結(jié)合主成分分析的排序方法,不僅可以確定各要素的獨立貢獻,也能排序分析各因子之間的相關(guān)關(guān)系[19],方差分析能在冗余分析的基礎(chǔ)上剝離出各因子的貢獻率和交互作用大小[20],而地理加權(quán)回歸可以進一步表達驅(qū)動因子的空間異質(zhì)性[21]。將三種方法充分結(jié)合形成體系,層層遞進、互為補充,可以全面分析生態(tài)系統(tǒng)格局演變的驅(qū)動機制，并為形成科學(xué)完整的指標(biāo)體系打下堅實基礎(chǔ),是探討生態(tài)系統(tǒng)格局演變機制的有力工具。

本文以青藏高原生態(tài)屏障為研究區(qū),分析其2000—2015年生態(tài)系統(tǒng)格局時空動態(tài)演變特征；采用冗余分析、方差分析和地理加權(quán)回歸的方法,探究自然要素中降水(PREC)、氣溫(TEMP)、歸一化植被指數(shù)(NDVI)、凈初級生產(chǎn)力(NPP)、植被葉面積指數(shù)(LAI)、產(chǎn)水(WY)、帕默爾干旱指數(shù)(PDSI)和社會經(jīng)濟要素中人口密度(POP)、區(qū)域國內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)與生態(tài)系統(tǒng)格局演變之間的關(guān)系,并揭示其驅(qū)動機制,以期為青藏高原生態(tài)屏障的生態(tài)建設(shè)、生態(tài)保護和可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)理論基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況

青藏高原是世界上平均海拔最高的高原, 被稱為“世界屋脊”, 享有“江河之源” “中華水塔”等殊榮, 其特殊的地理位置、豐富的自然資源、重要的生態(tài)價值使之成為我國重要的生態(tài)安全屏障。青藏高原生態(tài)屏障的概念和范圍與青藏高原地理區(qū)域有所不同, 它源自《全國主體功能區(qū)規(guī)劃》[4], 并以示意圖的形式呈現(xiàn)。

“全國生態(tài)環(huán)境十年變化(2000—2010年)遙感調(diào)查與評估項目”第9專題“國家生態(tài)屏障區(qū)生態(tài)環(huán)境十年變化調(diào)查與評估”的研究團隊在示意圖的基礎(chǔ)上,綜合考慮地形地貌特征和縣域行政邊界的完整性,最終得到青藏高原生態(tài)屏障邊界范圍[22]，如圖1所示。青藏高原生態(tài)屏障位于中國西南部,包含了青海省、四川省、甘肅省、西藏自治區(qū)的36個縣, 總面積約93萬km2。近10年來屏障區(qū)年平均氣溫為-2.84℃,年平均降水量為451.43 mm, 氣候高寒、干旱,生態(tài)環(huán)境敏感脆弱[16]。

圖1 研究區(qū)概況

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

(1)國家屏障區(qū)2000—2015年土地利用、人口數(shù)量、國內(nèi)生產(chǎn)總值數(shù)據(jù)獲取于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(www.resdc.cn/),每五年一期數(shù)據(jù),分辨率為1 km。參考《第三次全國土地調(diào)查土地分類》,對國家屏障區(qū)土地利用類型進行分析判定,并結(jié)合生態(tài)系統(tǒng)格局的前人研究成果建立了面向生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的生態(tài)系統(tǒng)分類體系[5—6],分類結(jié)果包括六大生態(tài)系統(tǒng)：包含水田、旱地的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)；包含有林地、灌木林、其他林地的森林生態(tài)系統(tǒng)；包含各等級草地、荒漠草原的草原生態(tài)系統(tǒng)；包含河流、湖泊、永久性冰川雪地、水庫坑塘、灘涂的河流生態(tài)系統(tǒng)；包含城鎮(zhèn)用地、農(nóng)村居民區(qū)、其他建筑用地在內(nèi)的城市生態(tài)系統(tǒng),以及包含沙地、荒漠、裸土裸巖在內(nèi)的荒漠生態(tài)系統(tǒng)[23]。

(2)2000—2015年間的降水、氣溫數(shù)據(jù)是來自中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)的中國地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集V3.0,本文采用專業(yè)的氣象插值軟件ANUSPLIN[24]批量插值上述全國氣象要素,分辨率均為1 km/d。

(3)葉面積指數(shù)來自于Gevo2數(shù)據(jù)集(https://land.copernicus.eu/global/products/lai)。

(4)干旱指數(shù)來自于全球干旱數(shù)據(jù)集(http://climexp.knmi.nl/selectfield_obs2.cgi?Id =so meone@som ewhere)。

(5)歸一化植被指數(shù)來源于GIMMS NDVI 3gv1.0數(shù)據(jù)集(https://ecocast.arc.nasa.Gov/data/pub/gimms),經(jīng)過批處理將月數(shù)據(jù)最大值合成年度數(shù)據(jù)集。

(6)凈初級生產(chǎn)力和產(chǎn)水分別采用CASA模型和InVEST模塊模擬得到,已被用于分析國家屏障區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同[25]。

各驅(qū)動因子的分辨率經(jīng)過重采樣之后統(tǒng)一為8 km。

2.2 研究方法

2.2.1 驅(qū)動因子選取

本文主要以研究區(qū)域特征為基礎(chǔ),結(jié)合專家意見和前人研究成果進行驅(qū)動因子的選取。

生態(tài)系統(tǒng)變化中復(fù)雜驅(qū)動機制由自然、社會經(jīng)濟多種因素共同組成。其中氣候、水資源等自然條件是生態(tài)系統(tǒng)變化的約束和條件,人類活動是影響生態(tài)系統(tǒng)變化的主要原因[26]。本文選取自然要素中具有代表性的氣溫和降水因子,進一步以通過氣溫和降水結(jié)合模型計算出來的干旱指數(shù)和產(chǎn)水量作為補充,選取植被覆蓋度、植被凈初級生產(chǎn)力以及葉面積指數(shù)因子來直觀的分析森林、草地、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的變化過程,并基于以上七個指標(biāo)來定量分析自然因素對國家屏障區(qū)生態(tài)系統(tǒng)格局演變的影響。影響生態(tài)系統(tǒng)變化的社會經(jīng)濟因素可分為直接因素和間接因素兩類,前者包括人口變化、技術(shù)發(fā)展、經(jīng)濟增長、政經(jīng)政策等；后者包括城市化程度、土地利用集約化程度、土地權(quán)屬、土地投入等[27]。由于國家屏障區(qū)地理位置特殊,數(shù)據(jù)難以獲取,且政經(jīng)政策、土地權(quán)屬等指標(biāo)難以量化,本文最終選取人口數(shù)量和國內(nèi)生產(chǎn)總值來定量研究社會經(jīng)濟因素對生態(tài)系統(tǒng)格局演變的影響。

2.2.2 轉(zhuǎn)移矩陣

轉(zhuǎn)移矩陣方法來源于系統(tǒng)分析中對系統(tǒng)狀態(tài)與狀態(tài)轉(zhuǎn)移的定量描述,可以全面而又具體的刻畫區(qū)域土地利用變化的結(jié)構(gòu)特征與各用地類型的變化方向[28]。具體計算方法如下[29]:

(1)

2.2.3 冗余分析

冗余分析(RDA)是一種直接梯度分析方法,是多元線性回歸的擴展,主要以統(tǒng)計學(xué)的角度來探究單變量或多變量與多變量之間的關(guān)系[19],能夠獨立的保持每個變量的貢獻率[30—31]。RDA是將樣點投射到兩條排序軸構(gòu)成的二維平面上形成排序圖,通過樣點的散集形態(tài)、在象限的分布來反映變量的特點[32]。本文在Canoco4.5軟件環(huán)境下進行冗余分析[33],計算并利用排序圖探析生態(tài)系統(tǒng)與驅(qū)動因子之間的相關(guān)關(guān)系[34]。

2.2.4 方差分析

復(fù)雜系統(tǒng)中各種因變量和自變量相互聯(lián)系、相互制約。方差分析是在復(fù)雜條件下經(jīng)過數(shù)據(jù)分析判斷因素間的相互影響、是否顯著及最佳值等,將總的方差分解為各個成分的方差[35—36]。方差分析是生態(tài)學(xué)中分析多種環(huán)境條件和響應(yīng)變量之間關(guān)系的有效方法[20]。本研究使用RStudio中的Vegan包進行方差分析[37],從而實現(xiàn)將冗余分析的貢獻率分解為因子的獨立貢獻率與因子之間的交互作用的目的,進一步定量分析驅(qū)動因子對生態(tài)系統(tǒng)格局演變的影響。

2.2.5 地理加權(quán)回歸

地理加權(quán)回歸(GWR)在傳統(tǒng)回歸分析的基礎(chǔ)上引入了空間自相關(guān),在探討影響區(qū)域發(fā)展的驅(qū)動因素上能夠很好的反映變量間的空間位置關(guān)系,同時地理加權(quán)回歸則能夠捕捉空間數(shù)據(jù)的非平穩(wěn)性,分析結(jié)果能全面反映空間數(shù)據(jù)的真實特征,以便更好地揭示潛在的驅(qū)動因素[38]。傳統(tǒng)的線性回歸模型只是對參數(shù)進行“平均”或“全局”估計,忽視了空間數(shù)據(jù)之間的相互依賴性,未考慮到空間數(shù)據(jù)中所包含的空間位置信息,從而掩蓋了變量間關(guān)系的局部特性,其結(jié)果就是研究區(qū)內(nèi)的某種“平均”,說服力不足。GWR模型是在傳統(tǒng)線性回歸的基礎(chǔ)上進行擴展的,將數(shù)據(jù)的地理位置嵌入到回歸參數(shù)之中,能夠較好的反映區(qū)域的異質(zhì)性[21]。模型結(jié)構(gòu)如下[39]:

yi=β0(ui,vi)+∑βk(ui,vi)xik+ε1

(2)

式中：(ui,vi) 是第i個樣本空間單元的地理中心坐標(biāo)；βk(ui,vi)是連續(xù)函數(shù)βk(ui,vi)在i樣本空間單元的值,是關(guān)于地理位置的函數(shù)。

GWR模型的參數(shù)設(shè)置關(guān)系著整個模型構(gòu)建的優(yōu)劣程度,模型參數(shù)包括權(quán)函數(shù)的選擇,有Gauss函數(shù)和Bi-square函數(shù),還有核帶寬的設(shè)置。本文總結(jié)前人優(yōu)秀的研究經(jīng)驗,選擇高斯函數(shù)作為地理加權(quán)回歸模型核函數(shù)；核類型選擇了固定距離法[40],通過模型計算得到青藏高原生態(tài)屏障驅(qū)動因子貢獻率的空間表達。

3 結(jié)果與分析

3.1 青藏高原生態(tài)屏障生態(tài)系統(tǒng)格局演變狀況

青藏高原生態(tài)屏障內(nèi)凍土廣布且植被覆蓋多為天然草原,因此區(qū)域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)面積占比最大的是草地生態(tài)系統(tǒng)和荒漠生態(tài)系統(tǒng),分別占70%和21%左右。其次是森林生態(tài)系統(tǒng)和河流生態(tài)系統(tǒng),面積占比分別為4.4%和3.9%。城市生態(tài)系統(tǒng)和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的面積占比較小,分別為0.48%和0.35%。

2000—2015年青藏高原生態(tài)屏障生態(tài)系統(tǒng)空間分布圖如圖2所示,2015年的青藏高原生態(tài)屏障各縣域生態(tài)系統(tǒng)格局構(gòu)成如表1所示。結(jié)合來看,草地生態(tài)系統(tǒng)覆蓋全域,分布十分廣闊,主要分布在尼瑪縣(157440 km2)、格爾木市(50304 km2)、班戈縣(89024 km2)和治多縣(44352 km2)?；哪鷳B(tài)系統(tǒng)主要分布青藏高原生態(tài)屏障北部,集中在在格爾木市(47360 km2)、都蘭縣(31232 km2)、治多縣(30592 km2)和曲麻萊縣(17536 km2)等縣。森林生態(tài)系統(tǒng)的分布受到氣候等自然條件的限制,主要分布在青藏高原生態(tài)屏障東南部,集中于德格縣(4736 km2)、石渠縣(3520 km2)、白玉縣(2304 km2)和囊謙縣(2368 km2)等縣。河流生態(tài)系統(tǒng)主要分布在中部和西部,其中格爾木市(9216 km2)、班戈縣(7424 km2)、治多縣(4928 km2)和安多縣(2176 km2)的河流生態(tài)系統(tǒng)面積最大。城市生態(tài)系統(tǒng)主要分布在青藏高原生態(tài)屏障北部的格爾木市(256 km2)、都蘭縣(128 km2)和興?？h(64 km2),由于研究區(qū)內(nèi)城鎮(zhèn)化程度較低,并考慮數(shù)據(jù)的分辨率問題,在本次統(tǒng)計分析中對面積不足64 km2的城市生態(tài)系統(tǒng)不予考慮。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)主要分布在北部的貴南縣(640 km2)、都蘭縣(448 km2)和同德縣(320 km2),南部的丁青縣也有少量分布 (320 km2),這主要是由青藏高原生態(tài)屏障內(nèi)主要以畜牧業(yè)為主,農(nóng)業(yè)極不發(fā)達造成的。

圖2 2000—2015年青藏高原生態(tài)屏障生態(tài)系統(tǒng)空間分布圖

表1 2015年青藏高原生態(tài)屏障縣域生態(tài)系統(tǒng)面積統(tǒng)計表/km2

青藏高原生態(tài)系統(tǒng)變化統(tǒng)計圖如圖3所示,生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)移空間分布圖如圖4所示。由圖可知：2000—2015年間,草地生態(tài)系統(tǒng)變化最為明顯,呈明顯下降趨勢,16年間共減少1792 km2,2010—2015年間減少最為明顯,減少了896 km2,主要分布在青藏高原生態(tài)屏障西北地區(qū)的班戈縣和尼瑪縣；草地生態(tài)系統(tǒng)主要轉(zhuǎn)化為荒漠生態(tài)系統(tǒng)和河流生態(tài)系統(tǒng),轉(zhuǎn)換面積分別為1088 km2和832 km2。森林生態(tài)系統(tǒng)呈現(xiàn)輕微增加趨勢,16年間共增加128 km2,發(fā)生在青藏高原生態(tài)屏障的東南部區(qū)域,以白玉縣為主,主要由草地生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換而來。河流生態(tài)系統(tǒng)呈現(xiàn)明顯的增加趨勢,16年間共增加1600 km2,2010—2015年間增加最為明顯,增加了960 km2,主要分布在青藏高原生態(tài)屏障的西北地區(qū)的班戈縣和尼瑪縣,主要由荒漠生態(tài)系統(tǒng)和草地生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換而來,分別轉(zhuǎn)換了1152 km2和832 km2。城市生態(tài)系統(tǒng)呈現(xiàn)增加趨勢,16年間共增加256 km2,主要表現(xiàn)為格爾木市的城市范圍的擴張?；哪鷳B(tài)系統(tǒng)在2000—2010年間增加趨勢明顯,10年間共增加764 km2,主要分布在青藏高原生態(tài)屏障的北部,以曲麻萊縣為主；但2010年以后,由于環(huán)境保護政策的實施,荒漠生態(tài)系統(tǒng)的面積在2015年時已減少至與2000年相同,生態(tài)環(huán)境有所改善。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)基本沒有變化,這主要由青藏高原生態(tài)屏障內(nèi)部農(nóng)業(yè)極不發(fā)達,農(nóng)田面積較小導(dǎo)致的。

圖3 2000—2015年青藏高原生態(tài)屏障生態(tài)系統(tǒng)變化統(tǒng)計圖

圖4 2000—2015年青藏高原生態(tài)屏障生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)移空間分布圖

3.2 青藏高原生態(tài)屏障生態(tài)系統(tǒng)演變驅(qū)動機制

3.2.1 青藏高原生態(tài)屏障生態(tài)系統(tǒng)演變驅(qū)動因素分析

(1)自然因素分析

青藏高原生態(tài)屏障氣候寒冷,年均溫在零度以下,2000—2015年間,最低年均溫為2000年的-3.89℃,最高年均溫為2006年的-2.2℃,總體呈現(xiàn)輕微增長趨勢。青藏高原生態(tài)屏障降水豐富但年際差異較大,2006年年平均降水最低,為377.06 mm,2005年年平均降水最高為513.79 mm,16年的年平均降水均值為451.43 mm。NPP、NDVI和LAI的物理意義相關(guān)但并不相同,因此其變化趨勢既具有一定的關(guān)聯(lián)性又有一定的差異性：2000—2008年間,三指標(biāo)都呈現(xiàn)下降趨勢,2008年達到了最低值,分別為158.37 gC?m-2?a-1、0.197、0.484；2008—2010年間,三指標(biāo)都有明顯的增長,且最高值皆出現(xiàn)在2010年,分別為194.12gC m-2a-1、0.218和0.491；2010—2015年間NPP有增長趨勢,NDVI和LAI則呈現(xiàn)下降趨勢；總體來說,NPP呈現(xiàn)增加趨勢,而NDVI和LAI則呈現(xiàn)減少趨勢。WY的變化趨勢和降水具有一定的關(guān)聯(lián)性,2000—2015年間青藏高原生態(tài)屏障的WY總體呈現(xiàn)增加趨勢,2005年達到最高值,為221.56 mm,2006年為最低值,僅有83.82 mm。PDSI的變化趨勢與溫度、降水等多種因素相關(guān),2000—2015年間青藏高原生態(tài)屏障的PDSI總體呈現(xiàn)下降趨勢,干旱發(fā)生率降低,2006年達到最低值,為-0.17,2008年達到最高值,為1.71，自然因素變化統(tǒng)計圖見圖5。

圖5 2000—2015年驅(qū)動因子變化折線圖

(2)社會經(jīng)濟因素分析

青藏高原生態(tài)屏障社會經(jīng)濟發(fā)展迅速。2000—2015年間GDP增長趨勢十分明顯,從2000年的4568.38萬元/km2增長至2015年的58993.46萬元/km2,增長速率為74.4%/a。POP的增加趨勢也十分明顯,從2000年的17354.7萬人/km2增長至2015年的24761.72萬人/km2,共增長7407.021萬人/km2,增長速率為8.8%/a，社會經(jīng)濟因素變化統(tǒng)計圖見圖5。

3.2.2 驅(qū)動因子貢獻率及相關(guān)關(guān)系分析

基于冗余分析方法得到的驅(qū)動因子貢獻率結(jié)果如表2所示,結(jié)合冗余分析排序圖(圖6)分析可得：人類活動對青藏高原生態(tài)屏障生態(tài)系統(tǒng)格局演變的影響十分巨大,GDP和POP的貢獻率最高,分別為83.2%和72.3%；且社會經(jīng)濟因子對森林生態(tài)系統(tǒng)和河流生態(tài)系統(tǒng)變化的影響最為強烈,這與近些年來青藏高原生態(tài)屏障所實施的國家公園、濕地保護政策息息相關(guān)。PREC、NPP等指標(biāo)在該研究區(qū)域內(nèi)對驅(qū)動機制的貢獻率小于5%,社會經(jīng)濟因子對森林生態(tài)系統(tǒng)和河流生態(tài)系統(tǒng)的影響尤其大,對草地生態(tài)系統(tǒng)卻基本沒有影響；該研究區(qū)域除了GDP、POP、TEMP之外的其他因子的數(shù)據(jù)變化比較劇烈,所得到的線性回歸數(shù)據(jù)具有的代表性較小。氣溫的貢獻率達到了6.8%,且與荒漠生態(tài)系統(tǒng)相關(guān)性較高,說明荒漠生態(tài)系統(tǒng)的變化受氣溫影響較大。青藏高原生態(tài)屏障中,植被變化后表現(xiàn)最為直觀的驅(qū)動因子是NDVI,其貢獻率為5.2%,與農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)和草地生態(tài)系統(tǒng)相關(guān)性較高。NPP的貢獻率為2.9%,與河流生態(tài)系統(tǒng)和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)相關(guān)性較高。LAI的貢獻率較低,為1.9%,且與各生態(tài)系統(tǒng)類型之間的關(guān)系并不密切。PDSI的貢獻率為8.7%,且與荒漠生態(tài)系統(tǒng)相關(guān)度較高,說明荒漠生態(tài)系統(tǒng)的變化受干旱發(fā)生的影響較大。產(chǎn)水的貢獻率僅為0.1%,但其與城市生態(tài)系統(tǒng)和荒漠生態(tài)系統(tǒng)關(guān)系密切,說明其他生態(tài)系統(tǒng)類型產(chǎn)水穩(wěn)定,只有城市和荒漠生態(tài)系統(tǒng)的產(chǎn)水發(fā)生較大變化。

圖6 冗余分析排序圖

3.2.3 驅(qū)動因子貢獻率分解分析

通過分析表1可以看出,冗余分析結(jié)果中各個驅(qū)動因子貢獻率之和遠超過100%,達到了183%。究其原因是因為冗余分析的因子貢獻率結(jié)果并不獨立,由因子獨立貢獻率和該因子與其他因子的交互作用兩部分組成。因此需要進一步利用方差分析分解冗余分析結(jié)果中的驅(qū)動因子貢獻率,剝離出最突出因子使其貢獻率獨立,進一步定量分析青藏高原生態(tài)屏障生態(tài)系統(tǒng)格局演變的驅(qū)動機制。通過RStudio中Vegan包計算各個驅(qū)動因子與生態(tài)系統(tǒng)分布之間的相關(guān)關(guān)系的顯著性,結(jié)果如表2所示,本文選取GDP、POP、TEMP和PDSI四項顯著性最高的驅(qū)動因子為典型因子以用于方差分析。

表2 驅(qū)動因子貢獻率及顯著性表

方差分析結(jié)果如圖7所示，結(jié)果表明：驅(qū)動因子的獨立貢獻率較低,但驅(qū)動因子之間交互作用的效應(yīng)明顯。GDP、POP、TEMP和PDSI的獨立貢獻率較低,分別為13%、8%、5%和1%；青藏高原生態(tài)屏障GDP的獨立貢獻率為13%,但與其他因子之間的共同作用率達到了91%,尤其是和POP的共同貢獻率達到了77%,社會經(jīng)濟因子的影響十分明顯；POP的獨立貢獻率為8%,與其他因子之間的共同作用率達到了85%。PDSI的獨立貢獻率僅為1%,但與其他因子的共同貢獻率達到了20%,其中與GDP的共同貢獻率最高,為11%。TEMP的獨立貢獻率為5%,與其他因子之間的共同貢獻率也較低,共有4%。

圖7 典型因子方差分析圖

3.2.4 驅(qū)動因子貢獻率空間分布分析

本研究所設(shè)置的GWR模型中,代表森林、草地、河流生態(tài)系統(tǒng)的數(shù)值分別為1、2、3,代表城市、荒漠、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的數(shù)值為4、5、6。GWR模型生成的GDP、POP、TEMP、PDSI四個驅(qū)動因子轉(zhuǎn)換作用的空間分布如圖8所示,數(shù)值越高,表示人類活動加強、荒漠化程度增加,驅(qū)動因子對生態(tài)系統(tǒng)由森林、草地、河流生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)為城市、荒漠、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的促進作用越高,稱為逆向轉(zhuǎn)換；數(shù)值越低,表示人類活動減弱、荒漠化程度降低,驅(qū)動因子對生態(tài)系統(tǒng)由城市、荒漠、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)為森林、草地、河流生態(tài)系統(tǒng)的促進作用越高,稱為正向轉(zhuǎn)換。

圖8 驅(qū)動因子貢獻率空間分布圖

青藏高原生態(tài)屏障中,GDP呈正向轉(zhuǎn)換的面積占比為49.43%,主要分布在研究區(qū)東部；GDP呈逆向轉(zhuǎn)換的面積占比為50.57%,分布比較零散,極值出現(xiàn)在西南角。POP呈正向轉(zhuǎn)換的面積占比為86.24%,主要分布在東北部地區(qū)；POP呈逆向轉(zhuǎn)換的面積占比為13.76%,主要分布在西南部地區(qū)。TEMP呈正向轉(zhuǎn)換的面積占比為48.23%,主要分布在中部和南部地區(qū)；呈逆向轉(zhuǎn)換的面積占比為51.77%,主要分布在北部和西部地區(qū)。PDSI呈正向轉(zhuǎn)換的面積占比為66.67%,分布比較零散,極值出現(xiàn)在東部地區(qū)；呈逆向轉(zhuǎn)換的面積占比為33.33%,主要分布在北部和東部地區(qū)。

對驅(qū)動因子的貢獻率空間分布圖進行疊置分析,得到青藏高原生態(tài)屏障主導(dǎo)驅(qū)動因子的空間分布圖(圖9),結(jié)果表明：生態(tài)系統(tǒng)演變受GDP主導(dǎo)的區(qū)域面積比例為51.36%,分布面積較廣,34個縣受GDP影響,稱多縣、玉樹縣和類烏齊縣完全由GDP主導(dǎo)；受POP主導(dǎo)的區(qū)域面積比例為9.05%,主要分布在青藏高原生態(tài)屏障東南部和南部地區(qū),白玉縣完全由POP主導(dǎo)；受TEMP主導(dǎo)的區(qū)域面積比例為19.57%,主要分布在青藏高原生態(tài)屏障西部地區(qū)和東部地區(qū),以尼瑪縣、都蘭縣為主；受PDSI主導(dǎo)的區(qū)域面積比例為20.02%,主要分布在青藏高原生態(tài)屏障中部和東部地區(qū),瑪沁縣和河南蒙古族自治縣完全由PDSI主導(dǎo)。地理加權(quán)回歸模型的結(jié)果充分體現(xiàn)了各驅(qū)動力的空間分布差異,也發(fā)揮出了地理加權(quán)回歸模型能充分考慮變量間關(guān)系的空間異質(zhì)性的優(yōu)勢。

圖9 主導(dǎo)驅(qū)動因素空間分布圖

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

牟雪潔等對青藏高原生態(tài)屏障2000—2010的生態(tài)系統(tǒng)變化進行了分析,結(jié)果表明草地面積明顯減少,濕地與城鎮(zhèn)面積增加[16]。本文結(jié)果表明青藏高原生態(tài)環(huán)境正在向好發(fā)展,部分荒漠、草地生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為森林、河流生態(tài)系統(tǒng),尤其是河流生態(tài)系統(tǒng)面積增加十分明顯,生態(tài)系統(tǒng)正向演替的趨勢變強；城市生態(tài)系統(tǒng)的面積占比較小,但2000—2015年間呈倍數(shù)增加,城市擴張、城鎮(zhèn)化程度明顯提高,本文成果與前人研究結(jié)果具有相對一致性,并進一步對生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換過程進行了分析。

分析青藏高原生態(tài)屏障河流生態(tài)系統(tǒng)增加的原因,可歸結(jié)為兩部分,一是各水系、湖泊水量明顯上漲,二是濕地面積明顯增加,在三江源國家公園等重點保護地區(qū)十分顯著。目前青藏高原生態(tài)屏障內(nèi)生態(tài)環(huán)境保護政策正在大力推進,人類活動強度以城市為中心逐漸增強,未來城市生態(tài)系統(tǒng)、草地和河流生態(tài)系統(tǒng)必將發(fā)生激烈的相互作用,對生態(tài)環(huán)境造成影響。因此,必須將預(yù)估生態(tài)環(huán)境未來發(fā)展的趨勢作為下一步工作的重點,這樣才能更好進行提前的正向引導(dǎo)[9]。

復(fù)雜的驅(qū)動機制由多方面多因素等共同組成,驅(qū)動因子的選取需要考慮人類活動和自然環(huán)境的方方面面[41—42],本文驅(qū)動機制的結(jié)果是社會經(jīng)濟因子主導(dǎo)了生態(tài)系統(tǒng)格局演變,但由于青藏高原生態(tài)屏障的特殊性,本文的驅(qū)動因子指標(biāo)體系還需進一步細化。例如,因研究區(qū)內(nèi)工業(yè)不發(fā)達,以放牧業(yè)為主,社會經(jīng)濟驅(qū)動因子中將選擇第一產(chǎn)業(yè)國內(nèi)生產(chǎn)總值；青藏高原生態(tài)屏障內(nèi)地形地貌差異較大,山脈、湖泊、盆地眾多,不同海拔高度生態(tài)系統(tǒng)格局全然不同,DEM和高程也是將要考慮的關(guān)鍵驅(qū)動因子。

青藏高原被譽為“江河之源”、 “亞洲水塔”,地理位置特殊,其生態(tài)環(huán)境不僅對區(qū)域內(nèi)部影響重大,更是我國與東亞氣候系統(tǒng)穩(wěn)定的重要屏障,是亞洲乃至北半球氣候變化的“感應(yīng)器”和“敏感區(qū)”[1]。青藏高原生態(tài)屏障是一個處于過渡地帶的復(fù)合生態(tài)系統(tǒng),不僅對青藏高原內(nèi)部具有保護作用,能夠降低青藏高原的生態(tài)脆弱性,更對外部地區(qū)帶來的荒漠化、草地退化、冰川退化等問題具有防護作用[43]。因此,探究全球氣候變化背景下青藏高原生態(tài)屏障對中國乃至亞洲生態(tài)環(huán)境的影響,是未來十分重要的課題。

4.2 結(jié)論

(1)青藏高原生態(tài)屏障生態(tài)系統(tǒng)面積占比最大的是草地生態(tài)系統(tǒng)和荒漠生態(tài)系統(tǒng),分別占70%和21%左右。2000—2015年間,草地生態(tài)系統(tǒng)共減少1792 km2,其原因一是城鎮(zhèn)擴展侵占草地,二是草地與荒漠、河流生態(tài)系統(tǒng)相接,互相轉(zhuǎn)換形成交錯分布的轉(zhuǎn)態(tài),并非由生態(tài)環(huán)境惡化導(dǎo)致。河流生態(tài)系統(tǒng)共增加1600 km2,主要由荒漠生態(tài)系統(tǒng)和草地生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換而來,分別轉(zhuǎn)換了1152 km2和832 km2。總體來說,青藏高原生態(tài)屏障生態(tài)環(huán)境改善,正在向好發(fā)展。

(2)2000—2015年青藏高原生態(tài)屏障生態(tài)系統(tǒng)格局演變驅(qū)動機制中以社會經(jīng)濟因子為主,冗余分析結(jié)果顯示GDP(83%)和POP(72%)貢獻率最大；方差分析結(jié)果中GDP和POP的共同貢獻率達到了77%；地理加權(quán)回歸結(jié)果顯示生態(tài)系統(tǒng)演變受社會經(jīng)濟因子主導(dǎo)的區(qū)域面積比例為60.41%(GDP 51.36%、POP 9.05%),人類活動相關(guān)驅(qū)動要素的調(diào)控和管理將成為生態(tài)系統(tǒng)保護、恢復(fù)和管理所面臨的關(guān)鍵問題[12]。

(3)生態(tài)保護政策的有效實施是發(fā)揮生態(tài)屏障功能、保護生態(tài)環(huán)境以達到人與自然和諧穩(wěn)定持續(xù)發(fā)展目的的重中之重。青藏高原生態(tài)屏障內(nèi)POP的總貢獻率達到了72%,獨立貢獻率為8%,在POP作用下生態(tài)系統(tǒng)呈正向轉(zhuǎn)換的面積占比達到了86.24%,且POP與河流、森林生態(tài)系統(tǒng)的相關(guān)程度較高,表明人為的生態(tài)環(huán)境保護措施如國家公園建設(shè)、濕地保護、生態(tài)公益林建設(shè)等生態(tài)工程的建設(shè)卓有成效,發(fā)揮了明顯的積極作用。