天山北坡經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)脆弱性評價及驅(qū)動力分析

孫桂麗，陸海燕，禹明柱，閆鑫苒，鄭 旭，張元梅

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與風(fēng)景園林學(xué)院，烏魯木齊 830052; 2.干旱區(qū)林業(yè)生態(tài)與產(chǎn)業(yè)技術(shù)重點實驗室，烏魯木齊 830052)

【研究意義】生態(tài)脆弱性評價是評估生態(tài)環(huán)境狀況、識別生態(tài)脆弱因子的重要手段，也是保護(hù)與恢復(fù)生態(tài)環(huán)境的前提和基礎(chǔ)[1]。目前，關(guān)于生態(tài)脆弱性評估的相關(guān)研究引起了諸多學(xué)者的廣泛關(guān)注，是研究全球變化和可持續(xù)發(fā)展的熱點和重點?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】區(qū)域生態(tài)脆弱性評價的關(guān)鍵和核心內(nèi)容是評價指標(biāo)體系的構(gòu)建以及評估方法的選用[2]。目前，大多研究以評價指標(biāo)體系模型為框架，因地制宜篩選評價指標(biāo)，常用的生態(tài)脆弱性指標(biāo)體系模型主要有：基于“危險性—暴露性—脆弱性”的HEV模型、基于“敏感性—恢復(fù)力—壓力度”的SRP模型、基于“暴露度—敏感性—適應(yīng)力”的VSD模型等[3-4]。其中，SRP模型將生態(tài)脆弱性分解為生態(tài)敏感性、生態(tài)恢復(fù)力和生態(tài)壓力度3個維度，用“目標(biāo)層—準(zhǔn)則層—指標(biāo)層”邏輯遞進(jìn)、內(nèi)容細(xì)化的方式組織構(gòu)建評價指標(biāo)體系[5-6]，可以綜合考慮自然與人為因素的雙重影響[6-7]，并且在已有的研究中應(yīng)用較為廣泛，如已在新疆和田、沂蒙山、遼寧朝陽縣和甘肅省白龍江流域等區(qū)域的生態(tài)脆弱性評價指標(biāo)體系構(gòu)建中得到廣泛應(yīng)用。國內(nèi)外大量研究表明，生態(tài)脆弱性評價中常用方法有主觀的也有客觀的評價方法，主要有人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、層次分析、主成分分析、熵權(quán)法、綜合指數(shù)法和變異系數(shù)法等。目前用于生態(tài)脆弱性的評價方法尚未統(tǒng)一，但客觀評價方法已經(jīng)成為生態(tài)脆弱性評價的主流[8]，而其中改進(jìn)的主成分分析方法(空間主成分分析，SPCA)不僅具有降維和減少主觀影響的作用，而且能夠考慮不同因素之間的空間關(guān)系，是目前廣泛應(yīng)用于生態(tài)脆弱性評價的客觀方法[9-10]，故本研究采用此方法進(jìn)行天山北坡經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)脆弱性的評價?！颈狙芯壳腥朦c】天山北坡經(jīng)濟(jì)帶是形成于山麓洪—沖積扇的條帶狀綠洲城鎮(zhèn)帶，是新疆的經(jīng)濟(jì)重心，是以農(nóng)牧業(yè)和石油、煤炭等能源開發(fā)為重點的綜合經(jīng)濟(jì)帶[11]。在國家“一帶一路”的倡議下，天山北坡經(jīng)濟(jì)帶迎來了新的發(fā)展機遇，但是隨著人類活動與自然環(huán)境的相互作用日益頻繁，生態(tài)環(huán)境相對脆弱，天山北坡經(jīng)濟(jì)帶的生態(tài)環(huán)境面臨較大壓力。然而，目前關(guān)于天山北坡經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)脆弱性的研究相對較少。【擬解決的關(guān)鍵問題】本文基于SRP模型結(jié)合天山北坡經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展概況，構(gòu)建評價指標(biāo)體系，利用空間主成分分析法建立生態(tài)脆弱性指數(shù)模型，并計算生態(tài)脆弱性指數(shù)，分析其生態(tài)脆弱性變化趨勢，利用地理探測器模型分析該區(qū)生態(tài)脆弱性的驅(qū)動力因子，為該區(qū)生態(tài)保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

天山北坡經(jīng)濟(jì)帶位于天山北麓，準(zhǔn)噶爾盆地南緣，是形成于山麓洪—沖積扇的條帶狀綠洲帶。地勢南高北低，自南向北依次為天山山區(qū)—沖積平原—古爾班通古特沙漠，主要由山地、綠洲、荒漠構(gòu)成其生態(tài)系統(tǒng)[12-13]。本文所取的天山北坡經(jīng)濟(jì)帶研究區(qū)以行政區(qū)劃為界，包括烏魯木齊市、克拉瑪依市、石河子市、昌吉市、阜康市、呼圖壁縣、瑪納斯縣、奎屯市、烏蘇市、沙灣縣和五家渠11個縣市[14-15](圖1)。天山北坡經(jīng)濟(jì)帶較高的人口密度、較快的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平以及得天獨厚的區(qū)位優(yōu)勢和能源優(yōu)勢，使得成為輻射帶動全疆社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的核心。但是，受干旱區(qū)氣候條件和頻繁的人類活動綜合影響，天山北坡經(jīng)濟(jì)帶開發(fā)建設(shè)面臨水資源短缺、土地沙化、鹽漬化、資源的過度開發(fā)與不合理利用等生態(tài)方面的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

1.2 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

1.2.1 數(shù)據(jù)來源 本文主要采用了Landsat衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)(DEM)、氣象數(shù)據(jù)、社會經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計數(shù)據(jù)和其他數(shù)據(jù)。衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)和DEM數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云平臺(http://www.gscloud.cn)，包括2005年和2015年的天山北坡各縣市的影像數(shù)據(jù)，影像數(shù)據(jù)條帶號為141～146，成像日期在6—9月且圖像云量均少于5%。氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/)，包括天山北坡各縣市的2005年和2015年的年平均降水量、≥10 ℃積溫柵格數(shù)據(jù)。社會經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計數(shù)據(jù)來源于新疆統(tǒng)計年鑒(2006年、2016年)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，包括人口密度、人均GDP、人均耕地面積、第二產(chǎn)業(yè)比重。其他數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn)，包括天山北坡各縣市2005年和2015年的歸一化植被指數(shù)(NDVI)、干燥度和土壤侵蝕分布圖。

1.2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理 在數(shù)據(jù)處理過程中，將所有不同分辨率的空間數(shù)據(jù)統(tǒng)一重采樣為1 km×1 km，為保證采用的指標(biāo)具有良好的空間重合性，統(tǒng)一投影到CGCS_2000坐標(biāo)系上。利用ENVI軟件Landsat衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)進(jìn)行波段選取、幾何校正、圖像增強、影像鑲嵌裁剪及解譯等處理，采用CART決策樹方法進(jìn)行影像分類，參考國家土地利用現(xiàn)狀分類標(biāo)準(zhǔn)[16]，采用一級分類提取天山北坡經(jīng)濟(jì)帶土地覆蓋分布類型圖，經(jīng)過精度驗證，總精度達(dá)到90.8%?；谔幚淼玫降奶焐奖逼陆?jīng)濟(jì)帶各縣市土地覆蓋分類數(shù)據(jù)，參考環(huán)境保護(hù)部發(fā)布的生態(tài)環(huán)境狀況評價技術(shù)規(guī)范[17]計算生境質(zhì)量指數(shù)用以反映天山北坡經(jīng)濟(jì)帶各縣市生態(tài)環(huán)境發(fā)展?fàn)顩r。在ArcGIS 10.2軟件中利用NDVI數(shù)據(jù)通過像元二分模型和柵格計算器計算天山北坡經(jīng)濟(jì)帶植被覆蓋度。利用ArcGIS 10.2在Spatial Analyst 模塊中的Slope和Surface Analysis工具用天山北坡經(jīng)濟(jì)帶的DEM影像計算坡度和地形起伏度。利用景觀格局分析軟件Fragstats 4.2來提取天山北坡經(jīng)濟(jì)帶2005年和2015年的景觀格局指數(shù)，提取斑塊數(shù)量(Number of patch, NP)、平均斑塊面積(Mean patch size, MPS)構(gòu)建景觀破碎度指數(shù)，提取斑塊密度(Patch denisty, PD)、香農(nóng)多樣性(Shannon’s diversity index, SDI)和香農(nóng)均勻度(Shannon’s evenness index，SEI)三者的乘積構(gòu)建景觀恢復(fù)性指數(shù)。

底圖采用自然資源部標(biāo)準(zhǔn)地圖制作，審圖號：GS(2019)3333號，對底圖無修改，下同The base map is made with the standard map of the Ministry of Natural Resources, the approval number: GS (2019) 3333, no modification to the base map, the same as below圖1 天山北坡經(jīng)濟(jì)帶各縣市區(qū)位Fig.1 The map of economic belt on the northern slope of Tianshan Mountains

1.3 研究方法

1.3.1 生境質(zhì)量指數(shù) 生境質(zhì)量指數(shù)計算公式[17]如下。

生境質(zhì)量指數(shù)=Abio(0.35x林地+0.21x草地+0.28x水域濕地+0.11x耕地+0.04x建設(shè)用地+0.01x未利用地)/區(qū)域面積

(1)

式中, Abio為生境質(zhì)量歸一化系數(shù)，參考值為511.2642131067。

1.3.2 評價指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化 本研究所用的不同指標(biāo)的量級不同，所以在評價前，采用極差法[17-18]對數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，將指標(biāo)值映射到[0,1]。對土壤侵蝕強度采用分等級賦值處理，根據(jù)馬駿等[18]研究，按對脆弱性的影響排序，依次為微度侵蝕、輕度侵蝕、中度侵蝕、強度侵蝕、極強度侵蝕，分別賦值0.2、0.4、0.6、0.8、1.0。將標(biāo)準(zhǔn)化后的屬性數(shù)據(jù)在ArcGIS中利用普通克里金插值法轉(zhuǎn)換為空間柵格數(shù)據(jù)，得到指標(biāo)的空間化數(shù)據(jù)[19]。

1.3.3 生態(tài)脆弱性分級與生態(tài)脆弱性綜合指數(shù) 為了使EVI的度量和比較更方便，故對其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理[20-22]。在EVI標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)上，參照國內(nèi)外已有的生態(tài)脆弱性評價標(biāo)準(zhǔn)[22]，并根據(jù)研究區(qū)的具體特征，將天山北坡經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)脆弱性劃分為5個等級：微度脆弱(EVI≤0.2)、輕度脆弱(0.20.8)。

使用定量的綜合性指數(shù)能夠更加直觀的表示生態(tài)脆弱性狀態(tài)。采用乘算模型計算生態(tài)脆弱性綜合指數(shù)(EVSI)[23]。

(2)

式中，EVSI為生態(tài)脆弱性綜合指數(shù)；Pi為第i類脆弱性等級值，微度脆弱、輕度脆弱、中度脆弱、強度脆弱和重度脆弱的P值分別為1、2、3、4、5；Ai為第i類脆弱性面積;s為區(qū)域總面積。

1.3.4 生態(tài)脆弱性變化趨勢分析 在ArcGIS 10.2軟件中利用柵格計算器工具將2005年和2015年2期生態(tài)脆弱性結(jié)果進(jìn)行差值處理，分析天山北坡經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)脆弱性指數(shù)變化情況，脆弱性指數(shù)為負(fù)的區(qū)域表示生態(tài)狀況有所改善，數(shù)值為正的區(qū)域表示生態(tài)環(huán)境狀況有惡化的趨勢。

1.3.5 地理探測器模型 本研究利用王勁峰等[24-25]地理探測器模型的因子探測和交互探測識別天山北坡經(jīng)濟(jì)帶不同縣市生態(tài)脆弱性的驅(qū)動因素及其交互作用，分別以2005年和2015年天山北坡經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)脆弱性指數(shù)作為因變量，以對應(yīng)的兩個時期的原始指標(biāo)體系作為自變量來進(jìn)行因子分析，以兩期生態(tài)脆弱性指數(shù)的平均值作為因變量、原始指標(biāo)平均值作為自變量來進(jìn)行交互探測分析。

(1)單因子驅(qū)動分析。單因子探測模塊通過比較因變量在自變量各類別中的方差與總體方差的關(guān)系來計算因子解釋力，借助因子解釋力來判斷自變量因子對因變量變化的貢獻(xiàn)大小,從而檢驗?zāi)车乩硪蛩厥欠駷樾纬傻乩憩F(xiàn)象空間分異的原因[26]。

(3)

(2)因子交互驅(qū)動分析。交互探測模塊通過比較兩個影響因子的單因子解釋力之和及其交互作用的解釋力,以判別交互后對地理現(xiàn)象的影響程度。按照解釋力q值的大小可以分為非線性減弱、單因子非線性減弱、雙因子增強、獨立和非線性增強5種情況，非線性增強類型對生態(tài)脆弱性的變化具有最強的影響作用。

2 結(jié)果與分析

2.1 評價指標(biāo)體系及模型建立

在綜合分析研究區(qū)的實際情況及已有的區(qū)域生態(tài)脆弱性評價指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上，綜合人為因素和自然因素，遵循科學(xué)性、可獲取性和應(yīng)用性等原則，從生態(tài)敏感性、生態(tài)恢復(fù)力和生態(tài)壓力度3個維度選取15個指標(biāo)構(gòu)建天山北坡經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)脆弱性評價指標(biāo)體系(表1)，選用高程、坡度、地形起伏度來反映天山北坡經(jīng)濟(jì)帶的地形地貌狀況；選用干燥度、年均降水量、 ≥10 ℃積溫反映區(qū)域氣候敏感性；生境質(zhì)量指數(shù)、景觀破碎度、土壤侵蝕程度作為地表因子；植被覆蓋度、景觀恢復(fù)力指數(shù)為植被因子；人口密度、人均GDP、人均耕地和第二產(chǎn)業(yè)比重反映天山地區(qū)人為活動的影響。根據(jù)指標(biāo)對生態(tài)環(huán)境脆弱性的影響，將指標(biāo)屬性分為正向指標(biāo)和負(fù)向指標(biāo)。

表1 天山北坡經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)脆弱性評價指標(biāo)體系

為消除指標(biāo)信息中的重疊和共線性，對標(biāo)準(zhǔn)化后的空間柵格數(shù)據(jù)采用空間主成分分析方法[18-20]，得到天山北坡經(jīng)濟(jì)帶2005年和2015年的主成分分析結(jié)果(表2)，為盡量多地提取相關(guān)信息，本文選取2005年和2015年兩個時期累積貢獻(xiàn)率均大于90%的前6個主成分用于天山北坡經(jīng)濟(jì)帶的生態(tài)脆弱性評價。在ArcGIS 10.2中利用柵格計算器分別計算各主成分的得分，構(gòu)建天山北坡經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)脆弱性指數(shù)(EVI)評價模型。

EVI2005=0.4022PC12005+0.2474PC22005+0.1208PC32005+0.1068PC42005+0.0321PC52005+0.0298PC62005

EVI2015=0.3615PC12015+0.2322PC22015+0.1384PC32015+0.0930PC42015+0.0609PC52015+0.0393PC62015

表2 天山北坡經(jīng)濟(jì)帶2005年和2015年生態(tài)脆弱性指標(biāo)主成分分析

2.2 天山北坡經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)脆弱性整體特征

由圖2可知，總體空間分布態(tài)勢為中部沖積平原地區(qū)高于南部山區(qū)和北部沙漠地區(qū)，由城市人口聚居區(qū)由中部往兩側(cè)逐步減少，這一現(xiàn)象和天山北坡經(jīng)濟(jì)帶經(jīng)濟(jì)格局相一致。

圖2 天山北坡經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)脆弱性空間分布Fig.2 Spatial distribution of ecological vulnerability in the economic belt on the northern slope of Tianshan Mountains

為進(jìn)一步定量分析天山北坡經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)脆弱性變化特征，對天山北坡經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)脆弱性分級結(jié)果進(jìn)行面積統(tǒng)計。由表3可知，2005年中度脆弱面積占比最高，占總面積的36.95%；其次為輕度脆弱，面積占比為34.35%；強度脆弱區(qū)面積占比20.88%；微度脆弱和重度脆弱面積占比較小分別為7.05%、0.77%。2005年以后，天山北坡經(jīng)濟(jì)帶城市化水平在不斷提高，人類活動對生態(tài)環(huán)境干擾加重，到2015年，強度脆弱區(qū)從2005年的20.88%提升到29.85%，呈片狀分布在天山北坡經(jīng)濟(jì)帶的中部人口聚集的綠洲區(qū)域。中度脆弱區(qū)占比略有減少，但依舊最大，為36.48%，西南部山區(qū)部分地區(qū)由微度脆弱和輕度脆弱轉(zhuǎn)向中度脆弱轉(zhuǎn)變。重度脆弱區(qū)面積略有增加，微度脆弱和輕度脆弱區(qū)面積減少，天山北坡經(jīng)濟(jì)帶中部區(qū)域生態(tài)脆弱狀況有加重趨勢。

表3 天山北坡經(jīng)濟(jì)帶2005年和2015年生態(tài)脆弱性不同等級面積占比

總體而言，2005—2015年間新疆北坡經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)脆弱性主要表現(xiàn)以中度脆弱和強度脆弱為主，中度脆弱區(qū)面積占比最大，強度脆弱區(qū)面積占比提升幅度最大，有輕度脆弱和中度脆弱向中度脆弱和強度脆弱轉(zhuǎn)變的趨勢。

2.3 天山北坡經(jīng)濟(jì)帶各縣市生態(tài)脆弱性變化特征

由表4和圖2可知：2005—2015年烏魯木齊的輕度脆弱和中度脆弱區(qū)主要分布在北部沙漠和南部山區(qū)，強度脆弱區(qū)面積占比由13.80%提升到15.01%，主要集中在沙依巴克區(qū)、水磨溝區(qū)、新市區(qū)這些人口密度大、經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的區(qū)域?？死斠朗惺堑湫偷墓I(yè)化城市、國家重要的石油石化基地，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，中度脆弱和強度脆弱面積占比一度高達(dá)86.84%～89.4%，近年來隨著該市建設(shè)“數(shù)字油田”、引入經(jīng)過生活污水處理廠處理的再生水“蓄水植綠”、綠化面積9867 hm2、種植樹木4800萬株等環(huán)保舉措的實施，有效遏制了該市土地沙化的勢頭，重度脆弱區(qū)的面積小幅下降。

表4 2005—2015年各縣市生態(tài)脆弱性變化

昌吉市2005—2015年，強度脆弱區(qū)明顯增加，比2005年的占比增加了79%。阜康以輕度脆弱和強度脆弱為主，輕度脆弱區(qū)主要分布在北部沙漠區(qū)和南部山區(qū)，強度脆弱區(qū)主要分布在中部山前沖積平原和綠洲—荒漠過渡帶，除輕度脆弱區(qū)各脆弱區(qū)有小幅增加。2005—2015年，呼圖壁和瑪納斯皆以輕度脆弱、中度脆弱和強度脆弱為主，面積占比達(dá)90%以上，兩縣中南部綠洲—荒漠過渡帶的生態(tài)脆弱性隨著第二產(chǎn)業(yè)的發(fā)展日益惡化。五家渠2005—2015年重度脆弱區(qū)有所減少，仍以強度脆弱區(qū)為主，這與其作為烏魯木齊的衛(wèi)星城市，以第二產(chǎn)業(yè)、金屬加工、煤電煤化工、農(nóng)副產(chǎn)品加工等為主導(dǎo)的現(xiàn)狀關(guān)聯(lián)緊密。石河子是以工業(yè)為主導(dǎo)、城鄉(xiāng)結(jié)合的軍墾新城，2005—2015年石河子以中度脆弱和中度脆弱為主并且有向重度脆弱轉(zhuǎn)移的趨勢，這與其穩(wěn)居天山北坡經(jīng)濟(jì)帶11個縣市人口密度首位密切相關(guān)?？褪切陆饕r(nóng)牧區(qū)和糧油棉基地，經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時人為擾動日益加劇，使其生態(tài)環(huán)境整體上由2005年輕度脆弱轉(zhuǎn)變強度脆弱。沙灣和烏蘇2005年均以輕度脆弱和中度脆弱為主，而2015年轉(zhuǎn)變?yōu)橹卸群蛷姸却嗳鯙橹?，可見生態(tài)環(huán)境脆弱程度逐漸加深。近年來，烏蘇的城市建設(shè)進(jìn)程加快，人類的生產(chǎn)、生活強度超過了生態(tài)系統(tǒng)的承載能力，生態(tài)環(huán)境受人類活動干擾劇烈。

由圖3可知，天山北坡經(jīng)濟(jì)帶整體的生態(tài)脆弱性綜合指數(shù)2005年為2.74，2015年為2.93，升高6.8%，說明天山北坡經(jīng)濟(jì)帶的生態(tài)脆弱性整體上是呈小幅上漲趨勢。研究時段內(nèi)除阜康市、五家渠和克拉瑪依外，其他8個縣市2015年的生態(tài)脆弱性綜合指數(shù)均比2005年高，說明2015年大部分縣市整體生態(tài)脆弱性有增強趨勢。研究時段內(nèi)天山北坡經(jīng)濟(jì)帶各縣市生態(tài)脆弱性綜合指數(shù)多年平均值最小的為烏魯木齊，最大的為五家渠。生態(tài)脆弱性綜合指數(shù)的大小與不同脆弱區(qū)等級的占比有密切聯(lián)系，烏魯木齊中度脆弱為主，其面積占比雖大，但比重系數(shù)較小，所以生態(tài)脆弱性綜合指數(shù)較小。而五家渠以強度脆弱為主，面積占比高達(dá)70%，所以生態(tài)脆弱性綜合指數(shù)較大。

圖3 天山北坡經(jīng)濟(jì)帶各縣市生態(tài)脆弱性綜合指數(shù)Fig.3 Comprehensive index of ecological vulnerability in the economic belt on the northern slope of Tianshan Mountains

2.4 天山北坡經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)脆弱性時間演變格局

從圖4來看，生態(tài)脆弱性有所恢復(fù)的區(qū)域主要零星分布在克拉瑪依、瑪納斯中南部、五家渠北部、烏魯木齊和阜康南部等地。結(jié)合景觀恢復(fù)力指數(shù)和植被覆蓋度變化數(shù)據(jù)來看，天山北坡經(jīng)濟(jì)帶內(nèi)生態(tài)恢復(fù)區(qū)與植被生長狀況密切相關(guān)，生態(tài)恢復(fù)區(qū)的分布與各縣市植被覆蓋度增加的范圍總體上保持一>致。烏蘇、奎屯、沙灣南部、石河子南部、瑪納斯南部、呼圖壁中部、昌吉中部和烏魯木齊中部等生態(tài)脆弱性呈現(xiàn)增強趨勢，2005—2015年建設(shè)用地的擴張、不合理的開發(fā)利用資源等各種人為干擾活動是天山北坡生態(tài)脆弱性增強的主因。

圖4 2005—2015年天山北坡經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)脆弱性變化Fig.4 Trend change of ecological vulnerability in the economic belt on the northern slope of Tianshan Mountains

2.5 天山北坡經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)脆弱性影響因素分析

生態(tài)脆弱性的驅(qū)動力單因子探測結(jié)果如表5所示，2005—2015年，除人均GDP和土壤侵蝕程度兩個因子外，其他因子的q值均呈現(xiàn)不同程度的增長，說明這些因子對生態(tài)脆弱性的影響增大；2005年對EVI 影響較大的因子(q值≥0.3且P=0)排序依次為：高程>人口密度>人均GDP>生境質(zhì)量指數(shù)>坡度；而2015年對EVI影響較大的因子依次為：人口密度>第二產(chǎn)業(yè)比重>景觀破碎度>人均GDP>生境質(zhì)量指數(shù)?？傮w來看，2005年和2015年人口密度、人均GDP和生境質(zhì)量指數(shù)等因素對天山北坡經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)脆弱性的影響占據(jù)主導(dǎo)地位，而土壤侵蝕程度、干燥度、≥10 ℃積溫等因素對生態(tài)脆弱性的影響較弱。2005—2015年，人口密度和第二產(chǎn)業(yè)比重的影響作用逐漸增大，人口密度的提升會對生態(tài)環(huán)境的干擾程度加大，特別是在綠洲—荒漠過渡帶，人類活動的不良影響極易造成固定、半固定沙地轉(zhuǎn)化成流動沙地，第二產(chǎn)業(yè)比重的提升也會增加生態(tài)環(huán)境的壓力。

表5 天山北坡經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)脆弱性變化驅(qū)動力單因子分析

采用地理探測器中的交互探測模塊對15個影響因子進(jìn)行交互探測后得出105個因子對，因子對均為雙因子增強或非線性增強的增強關(guān)系，無獨立及減弱的關(guān)系，結(jié)果(表6)顯示各因子具有交互協(xié)同作用。非線性增強因子對具有較強協(xié)同作用，共有26個。其中，第二產(chǎn)業(yè)比重和生境質(zhì)量指數(shù)是最強的非線性增強因子對，同時坡度和生境質(zhì)量指數(shù)、高程、人口密度；人均GDP與年均降水量、植被覆蓋度；第二產(chǎn)業(yè)比重與高程相互協(xié)同作用下也表現(xiàn)出較強的影響力。綜合來看，在因子對的交互作用中，人類社會經(jīng)濟(jì)活動因子第二產(chǎn)業(yè)比重和人均GDP、自然環(huán)境因子年降水量、生境質(zhì)量指數(shù)和植被覆蓋度等的指標(biāo)變化與自然環(huán)境本底條件高程、坡度的協(xié)同作用下加重了天山北坡經(jīng)濟(jì)帶的生態(tài)脆弱性。

表6 天山北坡經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)脆弱性變化驅(qū)動因子交互分析

綜合因子探測和交互作用探測分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，坡度、人口密度、人均GDP、第二產(chǎn)業(yè)比重等因素造成天山北坡經(jīng)濟(jì)帶中部、南部、北部的生態(tài)脆弱性空間分異，天山北坡經(jīng)濟(jì)帶中部位于坡度較小的沖積平原，屬于高密度人口聚居區(qū)，人均GDP多、第二產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá)等高強度的人為干擾，造成植被覆蓋減少、景觀破碎度變大，擴大了中部區(qū)域生態(tài)環(huán)境脆弱性，導(dǎo)致天山北坡經(jīng)濟(jì)帶總體脆弱性由中部向南北部擴大的趨勢。天山北坡經(jīng)濟(jì)帶南部山區(qū)屬于高海拔地帶且坡度陡、作物生長所需的有效積溫較少，北部沙漠區(qū)植物覆蓋度低、年降水量少，這些自然環(huán)境因素都決定了天山北坡經(jīng)濟(jì)帶南部和北部的人為活動較少、人為干擾程度低，所以其生態(tài)脆弱性低于中部。因此，天山北坡經(jīng)濟(jì)帶內(nèi)脆弱性較高的區(qū)域，在經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時要合理利用土地資源和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型，樹立可持續(xù)發(fā)展理念。

3 討 論

2005—2015年，天山北坡經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)脆弱性總體空間分布態(tài)勢為中部沖積平原地區(qū)高于南部山區(qū)和北部沙漠地區(qū)，由城市人口聚居由中部平原向兩側(cè)荒漠和山區(qū)往外逐步減弱，對生態(tài)環(huán)境的影響逐漸減弱，故生態(tài)脆弱性降低，這一研究成果與天山北坡經(jīng)濟(jì)帶經(jīng)濟(jì)發(fā)展分布情況一致[11,15]。2005—2015年天山北坡經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)脆弱性有由輕、中度脆弱(面積占比71.30%)向中、強度脆弱(面積占比66.33%)轉(zhuǎn)變的趨勢。趙萬羽等[27]認(rèn)為天山北坡區(qū)域生態(tài)消費足跡逐年顯著增加，與我國市場經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型過程密切關(guān)聯(lián)。在城市化進(jìn)程中，人為擾動的不斷增強使得生態(tài)由贏余轉(zhuǎn)為赤字并呈快速增加的趨勢，人為對生態(tài)環(huán)境的干擾增加，使得生態(tài)壓力增大，生態(tài)脆弱性有所增加，這與本研究中天山北坡經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)脆弱性呈增強趨勢結(jié)果一致，但隨著國家生態(tài)文明建設(shè)的逐步實施，相關(guān)生態(tài)保護(hù)政策的出臺和落地，生態(tài)環(huán)境建設(shè)投入的逐步加大，人們環(huán)保意識的提升，生態(tài)環(huán)境將趨于良性可持續(xù)發(fā)展。研究期間天山北坡經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)脆弱性恢復(fù)區(qū)分布在克拉瑪依、瑪納斯和阜康等地，而變差的區(qū)域主要分布在烏蘇、奎屯、沙灣和昌吉等地，與方創(chuàng)琳等[28]對天山北坡城市群用地轉(zhuǎn)換的生態(tài)價值變動有一定的一致性，生態(tài)改善區(qū)與生態(tài)價值正值區(qū)、生態(tài)變差區(qū)與生態(tài)價值負(fù)值區(qū)具有較好的重合度，但由于研究時間段、采用的評價指標(biāo)和研究方法不甚一致，結(jié)果也有一定差別。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，天山北坡經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)脆弱性驅(qū)動力主要為第二產(chǎn)業(yè)比重、人口密度、人均GDP、生境質(zhì)量指數(shù)、景觀破碎度，由此可以看出人類活動干擾對天山北坡經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)脆弱性影響較大，在城鎮(zhèn)化進(jìn)程和經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中，合理規(guī)劃利用土地資源、水資源，增加植被覆蓋度，實現(xiàn)其可持續(xù)發(fā)展。

本研究分析了天山北坡經(jīng)濟(jì)帶2005年和2015兩個時期的生態(tài)脆弱性時空分布特征，但有關(guān)更長時間序列的生態(tài)脆弱性的評價還不夠，同時研究深度也需要進(jìn)一步延伸。因此，在今后的研究中，將延長時間序列，深刻探究生態(tài)脆弱性與驅(qū)動因子之間的耦合關(guān)系，詳細(xì)闡明各縣市生態(tài)脆弱性的時空分布及演變趨勢，對研究區(qū)生態(tài)脆弱性與生態(tài)文明建設(shè)、區(qū)域規(guī)劃、可持續(xù)發(fā)展之間的關(guān)系進(jìn)一步明確，以期為天山北坡經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)環(huán)境的改善和生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展提供更有效的理論依據(jù)。

4 結(jié) 論

結(jié)合天山北坡經(jīng)濟(jì)帶實際，以SRP評價模型為框架分3個層次選取15個評價指標(biāo)，對天山北坡經(jīng)濟(jì)帶的生態(tài)脆弱性時空分異特征及其驅(qū)動力因子進(jìn)行了評價。

(1)空間上，天山北坡經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)脆弱性總體分布為中部沖積平原區(qū)高于南部山區(qū)和北部沙漠，主要從城市中心區(qū)、人口聚居區(qū)往外逐步減弱。時間上，2005—2015年天山北坡經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)脆弱性呈增強趨勢。

(2)天山北坡經(jīng)濟(jì)帶有19.91%的區(qū)域生態(tài)脆弱性增加，2.07%的區(qū)域生態(tài)脆弱性降低，研究時段內(nèi)生態(tài)脆弱性綜合指數(shù)除阜康市、五家渠市和克拉瑪依外，其他8個縣市的綜合生態(tài)脆弱性狀況有增加趨勢。

(3)通過地理探測器模型進(jìn)行生態(tài)脆弱性驅(qū)動力因子進(jìn)行分析，人均GDP對生態(tài)脆弱性結(jié)果解釋力最強，≥10 ℃積溫因子解釋力最弱，說明人類活動干擾對天山北坡經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)脆弱性變化影響最大；任意因子對交互作用后對生態(tài)脆弱性的驅(qū)動力均大于單一因子驅(qū)動力，說明多因素協(xié)同作用影響天山北坡經(jīng)濟(jì)帶的生態(tài)脆弱性。