基于SRP模型的區(qū)域生態(tài)脆弱性時(shí)空演化特征及評(píng)價(jià)
——以四川茂縣為例

馮喜楊,王 哲,張振龍,田 端,李 超,夏 清,江 莉,王 勇,袁 波,張 艷,朱健美

(1.西南科技大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院,四川 綿陽 621010;2.四川省阿壩生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心站,四川 馬爾康 624000)

0 引言

干旱河谷是我國非常典型且特殊的生態(tài)環(huán)境脆弱性區(qū)域,主要是印度洋干熱氣流沿南北向河谷入侵所致。岷江上游干旱河谷區(qū)作為川西干旱河谷主要分布區(qū)域之一[1],位于四川盆地與青藏高原過渡區(qū)域、龍門山系與邛崍山之間。在 “5·12”汶川8.0級(jí)特大地震后,該區(qū)域地質(zhì)環(huán)境變差,巖土體破碎,地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā),干旱河谷的范圍不斷擴(kuò)展,程度不斷加深。

阿壩藏族羌族自治州(簡稱“阿壩州”)地處“世界第三極”青藏高原東南緣,是長江、黃河重要的水源發(fā)源地、水源涵養(yǎng)區(qū)和集水區(qū),是國家重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)和長江黃河上游重要生態(tài)屏障,阿壩州茂縣是中國西部第一個(gè)生態(tài)建設(shè)科技支撐項(xiàng)目的兩個(gè)示范點(diǎn)之一[2],其地處岷江干旱河谷腹心地帶,屬典型的干旱河谷區(qū),境內(nèi)干旱河谷分布最廣,面積達(dá)294.83 km2,占岷江上游干旱河谷總面積的41.78%,其生態(tài)脆弱性時(shí)空演化特征及發(fā)展趨勢對(duì)岷江上游干旱河谷區(qū)生態(tài)脆弱性分區(qū)及生態(tài)恢復(fù)與重建具有重要影響。

目前,國內(nèi)外學(xué)者對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境脆弱性的研究尺度大都以省域、流域大面積范圍為背景,對(duì)縣域小面積的生態(tài)脆弱性研究相對(duì)較少,而僅有少數(shù)學(xué)者研究了岷江上游山區(qū)的生態(tài)脆弱性,且脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)較為單一。生態(tài)脆弱性評(píng)估模型主要有“壓力-狀態(tài)-響應(yīng)”(PSR)模型[3-5]、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、“暴露性-敏感性-適應(yīng)能力”(VSD)模型[6-8]、“敏感度-恢復(fù)力-壓力度”(SRP)模型[9-11]等,其中SRP模型是一種具有較強(qiáng)因果關(guān)系、以生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定為前提、能全面分析生態(tài)脆弱性的綜合性評(píng)價(jià)模型[12-13]。

2019年4月,習(xí)近平總書記在考察重慶時(shí)強(qiáng)調(diào),要深入抓好生態(tài)文明建設(shè),堅(jiān)持上中下游協(xié)同,自覺強(qiáng)化“上游意識(shí)”,擔(dān)起“上游責(zé)任”,加強(qiáng)生態(tài)保護(hù)與修復(fù),筑牢長江黃河上游重要生態(tài)屏障。因此,為深入貫徹落實(shí)習(xí)近平總書記新發(fā)展理念,立足主體功能區(qū)定位,強(qiáng)化上游意識(shí),從筑牢長江黃河上游生態(tài)屏障的生態(tài)文明建設(shè)的國家戰(zhàn)略出發(fā),探討區(qū)域地質(zhì)環(huán)境條件與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展等內(nèi)外影響因素對(duì)典型生態(tài)屏障區(qū)的生態(tài)脆弱性影響與時(shí)空演化特征。本文基于SRP模型建立岷江上游茂縣段生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,對(duì)不同時(shí)相的茂縣生態(tài)脆弱性時(shí)空演化特征與脆弱性等級(jí)進(jìn)行分析評(píng)價(jià),為后續(xù)開展研究區(qū)及岷江上游其他流域生態(tài)屏障區(qū)建設(shè)及促進(jìn)“資源-環(huán)境-社會(huì)-經(jīng)濟(jì)"的可持續(xù)發(fā)展提供參考。

1 研究背景和方法

1.1 研究區(qū)概況

茂縣位于阿壩州東南部、岷江干旱河谷的腹心地帶(見圖1),面積約3 903.28 km2。該地氣候?qū)儆诟咴撅L(fēng)氣候,地形起伏大,具有垂直氣候特征;研究區(qū)內(nèi)降雨分布差異大且干濕季節(jié)分明,晝夜溫差大,年均氣溫低,區(qū)域內(nèi)蒸發(fā)量遠(yuǎn)大于降雨量,是我國典型的干旱河谷區(qū)。

圖1 研究區(qū)地理位置圖

1.2 研究數(shù)據(jù)來源

本研究的數(shù)據(jù)來源見表1。

1.3 研究方法

1.3.1 基于SRP模型的生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系建立

在茂縣區(qū)域和特定時(shí)段內(nèi),研究區(qū)內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)具有不穩(wěn)定性,其敏感度會(huì)因外界干擾而顯現(xiàn)[14-15]。生態(tài)脆弱性是自然和人類相互作用的結(jié)果[16]。SRP模型將對(duì)地質(zhì)環(huán)境、氣候環(huán)境的敏感性,受外界干擾后恢復(fù)到近原狀態(tài)的恢復(fù)能力,以及生態(tài)系統(tǒng)受到社會(huì)因素干擾的壓力[17]分別對(duì)應(yīng)其準(zhǔn)則層中的生態(tài)敏感性、生態(tài)恢復(fù)力以及生態(tài)壓力度。

本文參考類似研究的選擇標(biāo)準(zhǔn)[18]以及茂縣實(shí)際情況,選取了具有代表性且符合研究區(qū)特性的14個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo),并根據(jù)每種指標(biāo)對(duì)生態(tài)脆弱性指數(shù)的影響情況,分為正向指標(biāo)、負(fù)向指標(biāo)和定性指標(biāo)。

茂縣生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)體系及各指標(biāo)與脆弱性的關(guān)系見圖2。

圖2 茂縣生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)體系及各指標(biāo)與脆弱性的關(guān)系

1.3.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)化

本研究指標(biāo)層的數(shù)據(jù)包括定量和定性數(shù)據(jù)。對(duì)于定量指標(biāo),正向指標(biāo)值越大,表示生態(tài)脆弱性越大;負(fù)向指標(biāo)值越小,表示生態(tài)脆弱性越小。各因子正向和負(fù)向判斷原則見圖2。其中,土壤類型、土地利用類型和巖性組類別為定性指標(biāo),根據(jù)其對(duì)生態(tài)脆弱性的影響[19-21]分別進(jìn)行賦值預(yù)處理。為確保研究區(qū)生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)結(jié)果的客觀性與合理性,并使不同量綱的評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)具有可比性,采用極差標(biāo)準(zhǔn)化法對(duì)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。

正向指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算式為

(1)

負(fù)向指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算式為

(2)

1.3.3 生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)模型構(gòu)建

將專家打分法與層次分析法[22]相結(jié)合,既考慮了各指標(biāo)對(duì)研究區(qū)生態(tài)脆弱性實(shí)際影響的整體性與層次性,又有效避免了人為因素的干擾。同時(shí),生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)具有綜合性和層次性等特點(diǎn),所以本研究選擇綜合指數(shù)法對(duì)研究區(qū)的生態(tài)脆弱性進(jìn)行評(píng)價(jià)與分析。

1.3.4 基于專家打分-層次分析法的指標(biāo)權(quán)重確定

采用數(shù)值1-9及其倒數(shù)的標(biāo)度方法,構(gòu)造適合茂縣生態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)的判斷矩陣,對(duì)各指標(biāo)的相對(duì)重要性進(jìn)行量化,再運(yùn)用Matlab軟件計(jì)算一致性指標(biāo)CI和一致性比率CR,得到CI=4.022 1×10-11、CR=2.537 9×10-11。CR<0.1,故滿足一致性檢驗(yàn)要求。最終得到研究區(qū)各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重(見表2)。

表2 各指標(biāo)權(quán)重

1.3.5 基于綜合指數(shù)法的生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)

采用綜合指數(shù)法將各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重與指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化值進(jìn)行加權(quán)求和,并進(jìn)行歸一化處理后即可得到研究區(qū)的生態(tài)脆弱性指數(shù),其計(jì)算公式為

(3)

式中:IEV為生態(tài)脆弱性指數(shù),取值范圍為0～1,IEV越小,表示生態(tài)脆弱性越低,反之亦然;fi為第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)化后的值;wi為第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。

參考國內(nèi)外生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)和脆弱性分級(jí)方法[23]及HJ 192-2015《生態(tài)環(huán)境狀況評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》相關(guān)要求,將茂縣生態(tài)脆弱性指數(shù)劃分為5個(gè)強(qiáng)度等級(jí)(見表3)。

表3 茂縣生態(tài)脆弱性程度等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

2 結(jié)果與分析

本研究選取汶川“5·12”特大地震前后的2007年和2009年,以及研究區(qū)內(nèi)特大自然災(zāi)害頻發(fā)的2014年,再利用ArcGIS的加權(quán)總和對(duì)研究區(qū)5個(gè)時(shí)期的14個(gè)指標(biāo)因子進(jìn)行疊加,并將5個(gè)不同時(shí)期的生態(tài)脆弱性結(jié)果進(jìn)行歸一化處理,分別得到茂縣2000年、2007年、2009年、2014年和2018年共5期生態(tài)脆弱性空間分布圖(見圖3)以及各生態(tài)脆弱性等級(jí)所占面積(見表4)。

圖3 茂縣5期生態(tài)脆弱性等級(jí)空間分布圖

表4 茂縣5期生態(tài)脆弱性等級(jí)面積及其占比

由表4可知:①從整體脆弱性程度來看,茂縣的輕度脆弱區(qū)與中度脆弱區(qū)面積總和占研究區(qū)總面積的78%以上,潛在脆弱區(qū)和重度脆弱區(qū)面積占比次之,而極度脆弱區(qū)面積占比最小,不足1%,說明茂縣的生態(tài)脆弱性以輕度-中度脆弱為主;②從脆弱性的時(shí)間變化情況來看,2000—2014年茂縣的生態(tài)脆弱性逐期變差,其IEV平均值分別為0.35、0.36、0.36和0.38,潛在脆弱區(qū)和輕度脆弱區(qū)面積占比由72.78%降至61.89%,而中度-極度脆弱區(qū)面積占比由27.22%升至38.11%;2014-2018年茂縣的生態(tài)脆弱性逐期變好,潛在脆弱區(qū)和輕度脆弱區(qū)面積占比從61.89%升至71.08%,而中度-極度脆弱區(qū)面積占比由38.11%降至28.92%。由此可見,2018年茂縣生態(tài)環(huán)境脆弱性得到了明顯改善,其IEV平均值恢復(fù)到了0.35,研究區(qū)內(nèi)生態(tài)脆弱性以輕度為主。

利用ArcGIS柵格計(jì)算器對(duì)相鄰兩期生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行差值計(jì)算,參照HJ 192-2015中的變化度將差值(Δ)進(jìn)行分級(jí):①無明顯變化,|Δ|≤0.02;②略微變化,0.02<|Δ|≤0.05;③明顯變化,0.05<|Δ|≤0.1;④顯著變化,|Δ|>0.1。按照分級(jí)得到各期生態(tài)脆弱性變化趨勢(見圖4),再經(jīng)過屬性表統(tǒng)計(jì)得到各種變化趨勢的面積及其占比(見表5)。

圖4 生態(tài)脆弱性變化趨勢圖

表5 茂縣不同時(shí)間段生態(tài)脆弱性變化面積及其占比

3 討論

從生態(tài)脆弱性的時(shí)空分布特征來看,2000—2014年茂縣的生態(tài)脆弱性逐期變差,而2014-2018年生態(tài)脆弱性逐期變好,這與研究區(qū)受2008年“5·12”汶川大地震、2013年“4·20”蘆山強(qiáng)震及2014年四川特大暴雨等重大自然災(zāi)害事件密切相關(guān)。由生態(tài)脆弱性變化趨勢可知,2007-2009年生態(tài)脆弱性略微變差-顯著變差區(qū)域主要集中在研究區(qū)中下部的岷江干流中低山區(qū)和土門河流域,該區(qū)河流切割作用明顯,出露巖性主要為千枚巖,地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育且復(fù)雜,受兩次大地震和特大暴雨等自然災(zāi)害的共同作用影響,2009-2014年的生態(tài)脆弱性略微變差-顯著變差區(qū)域向研究區(qū)北部和西北部高山區(qū)-極高山區(qū)及龍門山山前區(qū)移動(dòng),這說明研究區(qū)生態(tài)脆弱性變化趨勢與重大自然災(zāi)害的發(fā)生具有空間上的一致性和時(shí)間上的滯后性,并且在脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性指標(biāo)的權(quán)重最大,表明茂縣的生態(tài)脆弱性與地質(zhì)災(zāi)害具有較強(qiáng)的相關(guān)性。

為進(jìn)一步探究茂縣生態(tài)脆弱性影響因素,運(yùn)用地理探測器對(duì)5期生態(tài)脆弱性結(jié)果進(jìn)行驅(qū)動(dòng)力分析,得到單因子驅(qū)動(dòng)力居前三位的評(píng)價(jià)因子分別是人口密度、高程和坡度,其解釋力平均值分別為0.989 504、0.780 027、0.746 069。單因子探測只能分析單個(gè)驅(qū)動(dòng)力因素對(duì)生態(tài)脆弱性的影響程度,但在演變中,是多種因子的共同交互作用決定了生態(tài)脆弱性的空間分布格局,所以將這3個(gè)評(píng)價(jià)因子與其他因子結(jié)合進(jìn)行雙因子驅(qū)動(dòng)分析,其結(jié)果解釋力均保持在0.820 75以上,充分說明了人口密度、高程、坡度對(duì)生態(tài)脆弱性的影響顯著。

近年來,隨著城市化進(jìn)程的加快,人類的生產(chǎn)、生活強(qiáng)度超過了生態(tài)系統(tǒng)的承載能力,生態(tài)環(huán)境受到人類活動(dòng)的嚴(yán)重干擾。由于研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害治理工程項(xiàng)目的實(shí)施,以及四川省人民政府、四川省生態(tài)環(huán)境廳及有關(guān)部門頒布了一系列生態(tài)修復(fù)與環(huán)境治理等法律法規(guī),2014年以后茂縣的生態(tài)脆弱性惡化趨勢得到了有效緩解,呈現(xiàn)出向好的發(fā)展趨勢,并且其生態(tài)脆弱性主要集中在研究區(qū)中下部的土門河流域和岷江干流中低山區(qū)。

本文對(duì)茂縣生態(tài)脆弱性的時(shí)空變化趨勢與空間分布格局的研究結(jié)果與金麗娟等[24]對(duì)四川尺度以及陳金月等[25]對(duì)岷江上游尺度的生態(tài)脆弱性變化趨勢及分布的研究結(jié)果一致,證明了本研究結(jié)果的科學(xué)性,可用于識(shí)別茂縣生態(tài)脆弱性敏感區(qū)域,為生態(tài)治理提供科學(xué)依據(jù)。

由于生態(tài)環(huán)境各要素之間的關(guān)聯(lián)性、復(fù)雜性,涉及的評(píng)價(jià)因子類型多樣,部分因子間存在或多或少的包含性和重復(fù)性,易對(duì)生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)造成一定影響;在后期研究中,將對(duì)生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)作進(jìn)一步篩選,不斷優(yōu)化生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)模型。

4 結(jié)論

a.基于SRP模型建立了以高程、坡度、起伏度、土壤類型、土地利用類型、巖性組類型、距河流距離、地災(zāi)易發(fā)性以及年平均降雨量、年平均氣溫作為“敏感度”因子,以植被覆蓋度和生物豐度為“恢復(fù)力”因子,以人均GDP和人口密度為“壓力度”因子的岷江上游茂縣段生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,在各個(gè)因子的權(quán)重計(jì)算中地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性的權(quán)重最大,是影響生態(tài)脆弱性的主要因子。

b.利用綜合指數(shù)法對(duì)各指標(biāo)因子進(jìn)行空間疊加分析,結(jié)果表明:茂縣的生態(tài)脆弱性是以輕度和中度脆弱為主;2000-2014年茂縣的生態(tài)脆弱性逐期變差,而2014—2018年茂縣的生態(tài)脆弱性逐期變好,并以輕度脆弱為主;生態(tài)脆弱性略微變差-顯著變差區(qū)域主要集中在研究區(qū)中下部的岷江干流中低山區(qū)和土門河流域,并向研究區(qū)北部和西北部高山區(qū)-極高山區(qū)及龍門山山前區(qū)移動(dòng)。

c.利用ArcGIS柵格計(jì)算器對(duì)相鄰年份及首尾年份的生態(tài)脆弱性指數(shù)進(jìn)行差值計(jì)算,結(jié)果表明:岷江上游茂縣段生態(tài)脆弱性變化較大的時(shí)間節(jié)點(diǎn)為2007年、2009年和2014年后,前兩者是因?yàn)榈刭|(zhì)災(zāi)害等重大自然災(zāi)害頻發(fā)及其破壞的滯后性導(dǎo)致脆弱性指數(shù)升高,后者是由于大力開展生態(tài)綜合治理而使脆弱性指數(shù)降低。

d.利用地理探測器對(duì)5期茂縣生態(tài)脆弱性結(jié)果進(jìn)行了驅(qū)動(dòng)力分析,單因子驅(qū)動(dòng)力居前三位的因子為人口密度、高程、坡度,3種因子對(duì)應(yīng)的雙因子驅(qū)動(dòng)力均在0.820 75以上。