植被覆蓋度對生態(tài)脆弱性動態(tài)演變的影響
——以河北省張家口為例

武帥,田冰,顧世杰,楊洛祺,胡引翠

(1.河北師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,石家莊 050024;2.河北省環(huán)境變化遙感識別技術(shù)創(chuàng)新中心,石家莊 050024;3.河北省環(huán)境演變與生態(tài)建設(shè)實驗室,石家莊 050024)

生態(tài)系統(tǒng)不僅是人類的生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ),也是經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的基石[1]。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展,人類活動對生態(tài)系統(tǒng)和氣候變化影響的深度和廣度不斷擴大[2],同時人口的快速擴張和資源的不合理開發(fā)與利用,導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)和自凈能力持續(xù)下降,致使部分地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)呈現(xiàn)日趨脆弱的態(tài)勢[3]。生態(tài)脆弱性是指在特定時空尺度下生態(tài)系統(tǒng)受到外部干擾而具有的敏感反應(yīng)和恢復(fù)能力,是自然因素和人類活動共同影響的結(jié)果[4-5]。生態(tài)脆弱性評價能夠客觀地分析生態(tài)系統(tǒng)狀況并解釋脆弱性的成因機理與變化規(guī)律[6]。因此,對生態(tài)脆弱性進行科學(xué)評估是減緩生態(tài)退化,穩(wěn)定生態(tài)系統(tǒng)和實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵方法,同時對區(qū)域?qū)崿F(xiàn)經(jīng)濟—生態(tài)—社會綜合發(fā)展具有重要意義[7]。

隨著生態(tài)系統(tǒng)的變化和發(fā)展,生態(tài)脆弱性評估逐漸成為全球變化和可持續(xù)發(fā)展研究的重點[8]。在研究區(qū)域上,多涉及生態(tài)脆弱區(qū)內(nèi)的丘陵[9]、河流[10]、森林[11]、農(nóng)牧交錯帶[12]、高寒區(qū)[13]、干旱區(qū)[14]和喀斯特等[15]地區(qū)。研究方法主要采用層次分析法[16]、熵權(quán)法[17]、組合賦權(quán)法等[18]方法對生態(tài)脆弱性進行評價,但這些方法均存在一定的局限性,如層次分析法過于依賴專家的經(jīng)驗,缺少對指標本身蘊含信息的分析[19]。熵權(quán)法缺少對各指標橫向的比較,忽略指標本身的重要程度。組合賦權(quán)法能夠?qū)崿F(xiàn)主觀和客觀的統(tǒng)一,有效綜合二者優(yōu)點。合理的組合方法是決定評價結(jié)果科學(xué)性的關(guān)鍵,目前主要組合方法有加法合成法[20]和乘法合成法[21],但其組合過程僅由主客觀權(quán)重相加或相乘計算得到,合理性較弱。博弈論的基本思想是研究兩個及兩個以上因素在對抗局勢中尋找一致或妥協(xié),從而達到二者之間的均衡。該模型既考慮了決策者的意愿偏好又兼顧了客觀數(shù)據(jù)對決策的貢獻度,同時也為生態(tài)脆弱性評價中主客觀組合賦權(quán)提供新思路[22]。

張家口地區(qū)作為京津冀“四區(qū)”中重要的生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)及主要節(jié)點城市之一,其生態(tài)狀況與首都圈的聯(lián)系極為密切,直接影響著首都圈生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定程度。特別是隨著《京津冀協(xié)同發(fā)展生態(tài)環(huán)境保護規(guī)劃》等政策的發(fā)布以及成為冬奧會舉辦地之一,對張家口地區(qū)的生態(tài)保護和建設(shè)提出了更大的挑戰(zhàn)。近年來,以張家口地區(qū)為研究區(qū)進行生態(tài)系統(tǒng)研究逐漸成為重點和熱點。如劉雅愛等[23]基于PSR 模型對張家口地區(qū)進行生態(tài)安全綜合評價,結(jié)果表明隨著時間推移張家口各縣區(qū)生態(tài)安全指數(shù)呈增長趨勢,壩上高原區(qū)平均生態(tài)安全指數(shù)高于冀西北地區(qū)。卓昭君等[24]采用當量因子法估算張家口地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值,并探討植被覆蓋度變化對研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的影響,結(jié)果表明2000—2020年研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值隨著植被覆蓋度的增加而呈增大趨勢。徐超璇等[25]運用主成分分析法對張家口地區(qū)生態(tài)脆弱性時空變化與驅(qū)動因素進行分析,結(jié)果表明2008—2016年張家口地區(qū)生態(tài)脆弱性逐漸下降,植被覆蓋度是張家口市生態(tài)脆弱性關(guān)鍵驅(qū)動因子之一?？傮w來看,雖然目前有關(guān)于生態(tài)脆弱性和植被覆蓋度的相關(guān)研究,但缺少對于二者相互關(guān)系以及植被覆蓋度如何影響張家口地區(qū)生態(tài)脆弱性時空演變的分析。植被覆蓋度是指植被(包括葉、莖、枝)在地面垂直投影面積占統(tǒng)計區(qū)總面積的百分比,是衡量地表植被生長情況的重要指標和基礎(chǔ)數(shù)據(jù),也是區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)變化的重要指示,能夠衡量生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的整體狀況[26]。由于張家口地屬半干旱地區(qū),植被覆蓋程度空間差異較大,且長期遭受風蝕和干旱等災(zāi)害的影響,而植被覆蓋度的高低正是影響災(zāi)害產(chǎn)生的關(guān)鍵因素,本文認為需在開展生態(tài)脆弱性評價的基礎(chǔ)上探討植被覆蓋度與生態(tài)脆弱性變化之間的關(guān)系。因此,分析張家口地區(qū)植被覆蓋度的時空變化趨勢并探求其與生態(tài)脆弱性的動態(tài)影響具有重要的現(xiàn)實意義。

本文以張家口地區(qū)作為研究區(qū),運用序關(guān)系法、CRITIC法結(jié)合博弈論組合賦權(quán)法對張家口地區(qū)2010—2019年進行生態(tài)脆弱性評價,分析其生態(tài)脆弱性時空演變特征,并在此基礎(chǔ)上探求植被覆蓋度變化對生態(tài)脆弱性的動態(tài)影響,以期對張家口地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)保護和資源合理開發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù),并為當?shù)赝恋乩媒Y(jié)構(gòu)和生態(tài)空間格局優(yōu)化提供參考。

1 研究區(qū)、數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

張家口地區(qū)位于河北省西北部,地處東經(jīng)113°50′—116°30′,北緯39°30′—42°10′,北臨內(nèi)蒙古,西臨山西,南毗北京,是連接京津、溝通晉蒙的交通樞紐。全市下轄6區(qū)10縣,截至2022年,人口為407.46萬人,地區(qū)生產(chǎn)總值為1 775.2億元,產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)以第三產(chǎn)業(yè)為主,其中,第三產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值為991.04億元,約占地區(qū)生產(chǎn)總值的55.8%。該地區(qū)地勢西北高、東南低,主要由壩上高原區(qū)壩下低中山盆地兩大地貌類型構(gòu)成。壩上高原地區(qū)屬內(nèi)蒙古高原南緣一部分,海拔在1 400 m 左右,包括張北、沽源、康保和尚義4縣。壩下地區(qū)地勢西北高、東南低,海拔500～1 000 m,包括蔚縣、陽原縣、懷來縣、懷安縣、涿鹿縣和赤城縣。張家口地區(qū)屬溫帶大陸性季風氣候,四季分明,雨熱同期。植被地域性差異顯著,壩上地區(qū)晝夜溫差大,除部分地區(qū)分布少量森林外,其余大部分區(qū)域為耕地;壩下丘陵盆地地區(qū)多被開辟為耕地,自然植被較少,植被類型以灌木和草地為主[25]。張家口地區(qū)高程與土地利用概況如圖1所示。

圖1 張家口地區(qū)高程與土地利用概況Fig.1 Elevation and land use in Zhangjiakou region

1.2 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

本研究數(shù)據(jù)主要包括2010年、2015年、2019年張家口地區(qū)地形數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、遙感數(shù)據(jù)、社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)以及其他數(shù)據(jù)。地形數(shù)據(jù)包括坡度和高程,由地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站(http:∥www.gscloud.cn/)提供,坡度數(shù)據(jù)根據(jù)數(shù)據(jù)高程模型(DEM)計算得到。

氣象數(shù)據(jù)包括年平均降水、年平均氣溫和潛在蒸散量。年平均降水和年平均氣溫數(shù)據(jù)由張家口地區(qū)及周邊氣象站點利用克里金插值計算獲得。潛在蒸散數(shù)據(jù)由國家青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http:∥data.tpdc.ac.cn)的彭守璋[27]團隊提供的《中國1 km 逐月潛在蒸散發(fā)數(shù)據(jù)集(1990—2021)》,利用ArcGIS 10.8將NETCDF 文件處理為柵格數(shù)據(jù),并計算干旱指數(shù)。

遙感數(shù)據(jù)包括歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index,NDVI)和植被凈初級生產(chǎn)力(net primary productivity,NPP)。NDVI和NPP數(shù)據(jù)均來源于美國地質(zhì)調(diào)查局(http:∥glovis.usgs.gov/),NDVI數(shù)據(jù)基于MOD13Q1數(shù)據(jù)集,利用ArcGIS 10.8采用最大值合成法計算獲得,分辨率為250 m。NPP數(shù)據(jù)基于MOD17A3 HGF數(shù)據(jù)集,利用ArcGIS去除無效值,并調(diào)整比例因子后計算獲得,分辨率為500 m。

社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)由人口密度、人均GDP、第二產(chǎn)業(yè)比重組成。人口密度數(shù)據(jù)來源于世界人口官網(wǎng)(www.worldpop.org/);人均GDP 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);第二產(chǎn)業(yè)比重數(shù)據(jù)根據(jù)2010—2020年河北省統(tǒng)計年鑒計算獲得。

其他數(shù)據(jù)分別由道路密度、水網(wǎng)密度、土地利用、生境質(zhì)量指數(shù)和土壤侵蝕強度組成。道路和水網(wǎng)數(shù)據(jù)由(https:∥www.openstreetmap.org/t)獲取。土地利用數(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)。土地利用程度和生物豐度數(shù)據(jù)基于土地利用數(shù)據(jù)利用ArcGIS 10.8計算得到[28]。生境質(zhì)量指數(shù)數(shù)據(jù)由Zenodo官網(wǎng)(https:∥zenodo.org)提供[29]。土壤侵蝕強度數(shù)據(jù)根據(jù)通用水土流失方程(RUSLE)計算得到[30]。

為同時兼顧研究結(jié)果的準確性與直觀性以及方便計算,統(tǒng)一將柵格數(shù)據(jù)分辨率轉(zhuǎn)換為300 m×300 m,并將投影轉(zhuǎn)換為Asia North Albers Equal Area Conic,中央經(jīng)線更改為116.3°,雙標準緯線更改為37.3°和41.0°。

1.3 研究方法

1.3.1 指標體系 張家口地區(qū)生態(tài)脆弱性包括自然影響脆弱性和人為影響脆弱性。自然影響脆弱性反映張家口地區(qū)的自然環(huán)境特征,包括水體、氣象、地形、植被和土壤因子。其中水體因子為水網(wǎng)密度,張家口地區(qū)風沙侵蝕和水土流失現(xiàn)象嚴重,并且由于城鎮(zhèn)化的發(fā)展,使得河道斷流以及濕地生態(tài)系統(tǒng)退化,導(dǎo)致該地區(qū)水資源短缺;氣象因子包括年平均降水、年平均氣溫和干旱指數(shù),降水和氣溫是植被生長的決定性因素,水熱條件越好,植被生長狀況越好。因張家口地區(qū)壩上壩下海拔差異較大使得不同地區(qū)干旱狀況空間異質(zhì)性較強;地形因子包括坡度和高程。陰山山脈橫貫張家口中部地區(qū),地勢起伏程度較大,導(dǎo)致該地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā);植被因子包括NPP、生境質(zhì)量指數(shù)和生物豐度。NPP作為理想的生態(tài)指標能夠反映研究區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量,生境質(zhì)量是生態(tài)系統(tǒng)正常運作的基礎(chǔ),生物豐度能夠反映該地區(qū)的物種多樣性狀況[15,31];土壤因子包括土壤侵蝕強度。張家口地區(qū)水土流失、土地沙化災(zāi)害多發(fā),且地勢起伏大,使得該地區(qū)土壤侵蝕狀況較為嚴重。

人為影響脆弱性是從社會經(jīng)濟與土地角度反映生態(tài)脆弱性,體現(xiàn)張家口地區(qū)人類活動和社會經(jīng)濟發(fā)展對當?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾,包括社會經(jīng)濟和土地因子。社會經(jīng)濟因子包括人口密度、人均GDP、道路密度和第二產(chǎn)業(yè)比重,其中,人均GDP是衡量地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展狀況的宏觀經(jīng)濟指標,區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展水平越高,能夠?qū)ι鷳B(tài)保護投入的資金越多,有利于促進當?shù)厣鷳B(tài)保護與建設(shè),其余各因子均從社會經(jīng)濟發(fā)展、人類生產(chǎn)生活和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整等多方面影響生態(tài)脆弱性。土地因子包括土地利用程度,其能夠反映人類開發(fā)與利用土地的程度以及人類活動對土地利用和生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生的壓力[32]。評價指標如表1所示。

表1 指標體系Table 1 Index system

由于不同數(shù)據(jù)量綱不同,本文采用極差變化法對指標進行標準化處理,公式如下:

正向指標:

負向指標:

式中:Ri為指標標準化后的數(shù)值;xi為指標原始數(shù)據(jù);xmax為指標最大值;xmin為指標最小值。

1.3.2 序關(guān)系法 序關(guān)系法作為一種主觀賦權(quán)法,能夠?qū)哟畏治龇ㄖ械娜秉c進行改進,過程簡潔清晰且無需一致性檢驗,計算過程如下:

(1)確定指標序關(guān)系,確定指標相對于評價準則的重要程度為x1＞x2＞…＞xm。

(2)根據(jù)專家經(jīng)驗確定相鄰指標Yk-1與Yk之間的相對重要性程度之比rk的理性判斷。

(3)計算權(quán)重系數(shù)wk。

1.3.3 CRITIC 法 CRITIC 法作為一種客觀賦權(quán)法,不僅考慮指標本身信息量的大小,還充分體現(xiàn)不同方案間的沖突性和差異性,使計算結(jié)果更科學(xué)客觀[33],公式如下:

(1)數(shù)據(jù)標準化處理,見式(1)和式(2)。

(2)標準矩陣X的各指標標準差和指標間相關(guān)系數(shù)分別為:

式中:ωi為第i個指標的標準差;ρij為第i個和第j個指標的相關(guān)系數(shù);Xi和Xj分別為矩陣X的第i列和第j列。

(3)計算指標信息量Wj。

(4)計算指標客觀權(quán)重Ej。

1.3.4 博弈論組合賦權(quán) 為保證指標賦權(quán)的科學(xué)性和合理性,本研究在序關(guān)系法與CRITIC 法的基礎(chǔ)上,采用博弈集結(jié)模型確定指標權(quán)重。該方法通過極小化可能的權(quán)重與各個基本權(quán)重之間的各自偏差,在不同方法之間尋求平衡,從而使不同指標賦權(quán)法優(yōu)勢互補,提高綜合評價的科學(xué)性和可靠性[34-35]。

使用M種方法分別得到M個生態(tài)脆弱性評價指標權(quán)重向量,構(gòu)成權(quán)重向量集合,式中:αk為線性組合系數(shù);w表示可能的權(quán)重向量集。根據(jù)博弈集合模型的思想,為尋找最優(yōu)的權(quán)重向量,對上述L個線性組合系數(shù)αk進行優(yōu)化,從而使w和wk的離差最小化,由此確定目標函數(shù):

根據(jù)矩陣的微分性質(zhì)將式(10)轉(zhuǎn)變?yōu)樽顑?yōu)化一階導(dǎo)數(shù)條件的線性方程組為:

由上式求得優(yōu)化組合系數(shù)(α1,α2,…,αM)并對其進行歸一化處理,即,最終得到組合權(quán)重W為:

本研究基于序關(guān)系法和CRITIC 法2個線性組合系數(shù)進行優(yōu)化,權(quán)重計算結(jié)果見表2。

表2 指標權(quán)重Table 2 Index weights

1.3.5 生態(tài)脆弱性評價模型 利用綜合指數(shù)法計算張家口地區(qū)生態(tài)脆弱性指數(shù)(ecological vulnerability index,EVI),計算公式如下:

式中:wj為指標權(quán)重;xij為標準化后數(shù)值;n為指標個數(shù)。根據(jù)現(xiàn)有的生態(tài)脆弱性評價的等級劃分標準和張家口地區(qū)生態(tài)脆弱性現(xiàn)狀[25,36],將EVI劃分為5種等級,分別為微度脆弱(0～0.2)、輕度脆弱(0.2～0.4)、中度脆弱(0.4～0.6)、重度脆弱(0.6～0.8)和極度脆弱(0.8～1)。

1.3.6 局部空間自相關(guān) 局部空間自相關(guān)能夠表征一個區(qū)域與鄰近區(qū)域?qū)傩灾档南嚓P(guān)程度[37],計算公式如下:

式中:xi和xj為第i個和第j個格網(wǎng)脆弱值;為所有格網(wǎng)的脆弱性平均值;wij為空間權(quán)重矩陣;s為矩陣各元素之和;n為格網(wǎng)數(shù)量。通過將局部莫蘭指數(shù)空間聚類可得到空間關(guān)聯(lián)局部指標聚類圖(LISA),包括高—高聚集區(qū)、低—低聚集區(qū)、高—低聚集區(qū)、低—高聚集區(qū)和不顯著5種聚集模式。

1.3.7 像元二分法 植被覆蓋度和NDVI之間存在極顯著的線性相關(guān)關(guān)系,假設(shè)每個像元的NDVI值由植被和土壤兩部分組成,則其公式如下:

式中:Fvc為植被覆蓋度;NDVIveg為植被覆蓋部分的NDVI值;NDVIsoil為土壤部分(非植被覆蓋部分)的NDVI值。本研究基于像元二分法計算結(jié)果將植被覆蓋度劃分為5種等級,分別為低覆蓋度(0～0.2)、較低覆蓋度(0.2～0.4)、中覆蓋度(0.4～0.6)、較高覆蓋度(0.6～0.8)和高覆蓋度(0.8～1)。

2 結(jié)果與分析

2.1 生態(tài)脆弱性時間演變特征

利用上述生態(tài)脆弱性評價模型,對2010—2019年張家口地區(qū)生態(tài)脆弱性進行計算,結(jié)果見表3,可看出該地區(qū)生態(tài)脆弱性呈先升后降的趨勢,整體上以輕度、中度和重度脆弱區(qū)為主,其三者總和占比分別為91.49%,90.5%和92.58%。從時間變化來看,2010—2015年,張家口地區(qū)輕度、中度和極度脆弱區(qū)面積分別增加了34.12 km2,697.32 km2和897.57 km2,占比分別提高了0.08%,1.88%和2.46%;微度和重度脆弱區(qū)面積分別減少了533.88 km2和1 052.46 km2,占比分別下降了1.47%和2.95%;其中,中度和極度脆弱區(qū)面積增長較大,脆弱性有所增加。2015—2019年,張家口地區(qū)微度、輕度和中度脆弱區(qū)面積分別增加了593.1 km2和1 026.9 km2,496.62 km2,占比分別提高了1.64%,2.86%和1.44%;重度和極度脆弱區(qū)面積分別減少了837.9 km2和1 356.39 km2,占比分別下降了2.22%和3.72%;其中,微度和輕度脆弱區(qū)面積增加,重度和極度脆弱區(qū)面積大幅減少,脆弱性降低。

表3 2010-2019年張家口地區(qū)生態(tài)脆弱性面積變化Table 3 Changes of ecological vulnerable area in Zhangjiakou region from 2010 to 2019

2.2 生態(tài)脆弱性空間變化規(guī)律

2.2.1 生態(tài)脆弱性空間分布規(guī)律 2010 年、2015年、2019年張家口地區(qū)生態(tài)脆弱性空間分布如圖2所示,重度和極度脆弱區(qū)主要分布在張家口北部和中西部地區(qū),主要由于北部地區(qū)位于壩上地區(qū),海拔較高,氣候干旱,生物種類和植被群落單一,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動較為頻繁,且土層較薄,易發(fā)生土壤風蝕和水土流失;中西部地區(qū)位于中心城區(qū)附近,人口密度大,人類活動對當?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)的干擾較大,因此,該地區(qū)生態(tài)脆弱性較高。微度和輕度脆弱區(qū)主要分布在中東部和南部地區(qū),由于該地區(qū)多以林地、草地為主,植被覆蓋度高,且人口稀少,人類活動對生態(tài)系統(tǒng)干擾較弱,因此,該地區(qū)生態(tài)脆弱性較低。

圖2 2010-2019年張家口地區(qū)生態(tài)脆弱性分布Fig.2 Ecological vulnerability distribution in Zhangjiakou region from 2010 to 2019

2010—2015年張家口地區(qū)整體生態(tài)脆弱性有一定程度的增加,主要表現(xiàn)為北部壩上地區(qū)極度脆弱區(qū)面積擴大,但西南部重度脆弱區(qū)面積略有減小。2015—2019年,北部極度脆弱區(qū)面積大幅度減小,降為重度脆弱區(qū)。中部和西南部地區(qū)重度脆弱面積減小,輕度和中度脆弱區(qū)面積擴大。西部、東部和南部地區(qū)微度和輕度脆弱區(qū)面積增加。隨著2015年《張家口市生態(tài)經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃》等政策的實施以及2016年《“十三五”生態(tài)環(huán)境保護規(guī)劃》的印發(fā),張家口市政府加強了對生態(tài)系統(tǒng)的保護和治理,使得當?shù)厣鷳B(tài)脆弱性逐漸下降?？傮w上,2010—2019 年中部和西南部地區(qū)生態(tài)脆弱性持續(xù)下降;北部地區(qū)生態(tài)脆弱性雖先升后降,但整體呈下降趨勢。

2.2.2 生態(tài)脆弱性空間相關(guān)性 2010—2019年張家口地區(qū)生態(tài)脆弱性空間集聚格局整體變化不大,北部與中西部地區(qū)為高—高聚集區(qū),約占總面積的35.1%,南部與中東部地區(qū)為低—低聚集區(qū),約占總面積的26.3%,如圖3所示。2010—2015年,張家口地區(qū)生態(tài)脆弱性空間集聚程度整體變化不大,主要表現(xiàn)在中部和西南部的高—高集聚區(qū)域逐漸縮小。2015—2019年,高—高集聚區(qū)和低—低集聚區(qū)空間分布范圍擴大,主要表現(xiàn)為北部、中南部和西南部的高—高集聚區(qū)以及西北部、南部和東部的低—低集聚區(qū)面積增加。

圖3 2010-2019年張家口地區(qū)空間集聚圖Fig.3 Spatial agglomeration map of Zhangjiakou region from 2010 to 2019

2.3 植被覆蓋度動態(tài)變化特征

2.3.1 植被覆蓋度時空演變特征 2010—2019年,研究區(qū)植被覆蓋度以較高覆蓋度為主,各年份面積占比分別為46.98%,43.95%和56.65%,見表4。其中,低、較低和中覆蓋度面積占比分別減少了0.14%,2.76%和16.32%,較高和高覆蓋度面積占比增加了9.67%和9.55%。2010—2015年,中、較低和高覆蓋度區(qū)域逐漸擴大,低覆蓋度和較高覆蓋度區(qū)域減少。2015—2019年,較高和高覆蓋度區(qū)域大面積增加,其余各等級面積持續(xù)減少。總體上,張家口地區(qū)植被覆蓋度等級由低向高轉(zhuǎn)變。

表4 2010-2019年張家口地區(qū)植被覆蓋度面積變化Table 4 Changes of vegetation coverage in Zhangjiakou region from 2010 to 2019

空間上,中部和西北部地區(qū)以低、較低和中覆蓋度為主,其余地區(qū)以較高覆蓋度和高覆蓋度為主,如圖4所示。由于中部地區(qū)人口集中,人類干擾強度大,西北部和西南部地區(qū)多發(fā)展農(nóng)牧業(yè),導(dǎo)致該地區(qū)植被覆蓋度較低。其余地區(qū)由于人口稀少,受到人類干擾較弱,土地開發(fā)程度低以及相應(yīng)的植被管理和保護政策,使得植被覆蓋度較高。低覆蓋度區(qū)域多為建設(shè)用地和耕地,高植被覆蓋度區(qū)域多為林地和草地,由此可見,土地利用類型的轉(zhuǎn)變影響著植被覆蓋度的時空變化。

圖4 2010-2019年張家口地區(qū)植被覆蓋度分布Fig.4 Vegetation coverage distribution in Zhangjiakou region from 2010 to 2019

2.3.2 植被覆蓋度空間動態(tài)演化 通過空間疊加分析將張家口地區(qū)2010—2019年植被覆蓋度的等級變化進行分類,旨在反映張家口地區(qū)植被覆蓋度的演變趨勢,對識別當?shù)厣鷳B(tài)脆弱性變化以及制定相應(yīng)的生態(tài)系統(tǒng)管理和保護政策至關(guān)重要。分類標準分別為覆蓋度等級升高視為植被改善區(qū),覆蓋度等級下降視為植被惡化區(qū),覆蓋度等級不變化視為不變區(qū),如圖5所示。

圖5 2010-2019年張家口地區(qū)植被覆蓋度空間變化Fig.5 Spatial changes of vegetation coverage in Zhangjiakou region from 2010 to 2019

2010—2019年,改善區(qū)、不變區(qū)和惡化區(qū)面積占比分別為34.64%,61.65%和3.71%,改善面積大于惡化面積,約占總面積的1/3,見表5。2010—2019年,植被改善區(qū)面積增加了7 807.77 km2,惡化區(qū)面積減少了3 433.14 km2?？臻g上,惡化區(qū)主要分在張家口中部城區(qū)和東部區(qū)域,其余大部分均為改善區(qū)。2010—2015年,植被惡化地區(qū)主要集中于張家口北部,占總面積的12.7%;改善地區(qū)則在全市分散分布,占總面積的12.94%。2015—2019年,全市大部分地區(qū)植被覆蓋度均逐漸改善,占總面積的34.18%;惡化地區(qū)主要分布在城市及其周圍等人口較密集地區(qū),占總面積的3.36%。由于河北省啟動了“京津風沙源治理工程”,提出了生態(tài)修復(fù)和防風固沙等措施,治理了張家口地區(qū)土地荒漠化等問題,此外,三北防護林體系建設(shè)和退耕還林等工程的實施以及張家口市積極推進“人工林還林、天然林保護、特色林培育”等工程,加強了對生態(tài)系統(tǒng)的保護和管理,從而促進當?shù)刂脖桓采w度增加。

表5 2010-2019年張家口地區(qū)植被覆蓋度動態(tài)變化Table 5 Dynamic changes of vegetation coverage in Zhangjiakou region from 2010 to 2019

2.3.3 植被覆蓋度與土地利用類型的相互關(guān)系 植被覆蓋度的變化和土地利用類型之間存在著密切的相互作用關(guān)系,土地利用類型可以影響植被覆蓋度的空間分布和數(shù)量,土地利用類型的改變可能會破壞植被,例如,大規(guī)模的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)或城市建設(shè)可能導(dǎo)致植被覆蓋度的減少。反之,植被覆蓋度可以影響土地利用類型的穩(wěn)定性和變化趨勢,例如,植被覆蓋度的減少可能導(dǎo)致土地質(zhì)量的下降,甚至土地沙化和水土流失等問題,從而限制了土地的可持續(xù)開發(fā)和利用。如表6所示,在高植被覆蓋度區(qū)域,林地、耕地和草地的面積占比明顯高于建設(shè)用地和未利用地,因此,建設(shè)用地和未利用地的生態(tài)脆弱性指數(shù)高于林地、耕地和草地區(qū)域(表7)。在變化趨勢上,2010—2019年,各類土地利用類型面積占比在高植被覆蓋度區(qū)域均有一定程度的增加,在低植被覆蓋度區(qū)域有不同程度的減少,從而使得其對應(yīng)類型的生態(tài)脆弱性指數(shù)整體下降。

表6 2010-2019年不同植被覆蓋度土地利用類型面積占比變化Table 6 Changes of land use area proportion with different vegetation coverage from 2010 to 2019%

表7 2010-2019年張家口地區(qū)土地利用類型生態(tài)脆弱性指數(shù)Table 7 Ecological vulnerability index of land use types in Zhangjiakou from 2010 to 2019

2.4 植被覆蓋度與生態(tài)脆弱性動態(tài)演變關(guān)系

2010—2019年張家口地區(qū)的植被改善區(qū)、不變區(qū)和惡化區(qū)與各脆弱性程度的面積占比變化趨勢基本一致,見表8。2010—2019 年,在植被改善區(qū),微度、輕度和中度脆弱面積占比增加,分別提高0.23%,4.2%和4.64%,重度和極度脆弱面積占比大幅度降低,分別減少6.8%和2.28%。在植被不變區(qū),其變化趨勢與改善區(qū)一致,微度、輕度和中度脆弱面積占比分別提高0.19%,2.45%和2.62%,重度和極度脆弱面積占比分別下降4.53%和0.74%。在植被惡化區(qū),除中度脆弱面積占比上升2.94%外,其余脆弱區(qū)面積占比均下降,微度和輕度脆弱區(qū)面積占比下降趨勢大于重度和極度脆弱區(qū)。如圖2和圖5所示,在植被改善區(qū),重度和極度脆弱區(qū)大多轉(zhuǎn)變?yōu)檩p度和中度脆弱區(qū),而在植被惡化區(qū),中度脆弱區(qū)大多向重度或極度脆弱區(qū)轉(zhuǎn)變。

表8 2010-2019年不同植被變化區(qū)生態(tài)脆弱性面積占比變化Table 8 Changes of ecological vulnerability area in different vegetation change areas from 2010 to 2019%

通過對生態(tài)脆弱性與植被覆蓋度的相關(guān)分析可知,張家口地區(qū)生態(tài)脆弱性與植被覆蓋度之間存在負相關(guān)(圖6),植被覆蓋度的高低對生態(tài)脆弱性變化具有重要作用,植被覆蓋度的減少會導(dǎo)致土地退化、水土流失加劇、土壤質(zhì)量下降和生物多樣性減少等問題,從而降低生態(tài)系統(tǒng)的抵御和修復(fù)能力,提高生態(tài)脆弱性。反之,植被覆蓋度的增加不僅能夠保持水土,防止土壤侵蝕,還可以提高物種多樣性,并且為生態(tài)系統(tǒng)提供氧氣、凈化空氣、調(diào)節(jié)氣候等重要功能,從而提高生態(tài)系統(tǒng)的抗干擾能力,降低生態(tài)脆弱性。綜上所述,植被覆蓋度的變化與當?shù)厣鷳B(tài)脆弱性狀況息息相關(guān)。

圖6 生態(tài)脆弱性指數(shù)和植被覆蓋度相關(guān)性散點圖Fig.6 Scatter plot of correlation between ecological vulnerability index and vegetation coverage

3 結(jié)論

(1)2010—2019年張家口地區(qū)生態(tài)脆弱性先升后降,整體呈下降趨勢。其中,微度、輕度和中度脆弱區(qū)面積逐漸增加,重度和極度脆弱區(qū)面積減少。

(2)脆弱性空間差異較大,中度、重度和極度脆弱區(qū)主要集中于北部壩上和中西部地區(qū),微度和輕度脆弱區(qū)集中于東部和南部地區(qū)。脆弱性空間集聚效應(yīng)強烈,高值和低值聚集區(qū)基本與脆弱性空間分布格局一致。

(3)2010—2019年,張家口地區(qū)植被覆蓋度以較高覆蓋度為主,各年份面積占比分別為46.98%,43.95%和56.65%,植被覆蓋度等級隨時間由低向高轉(zhuǎn)變。

(4)2010—2019年,植被改善區(qū)、不變區(qū)和惡化區(qū)面積占比分別為34.64%,61.65%和3.71%,改善區(qū)面積大于惡化區(qū)面積,約占總面積的1/3。其中,惡化區(qū)主要分布在張家口中部城區(qū)和東部區(qū)域,其余大部分地區(qū)均為改善區(qū)。2010—2019年,植被改善區(qū)面積增加了7 807.77 km2,惡化區(qū)面積減少了3 433.14 km2。

(5)張家口地區(qū)生態(tài)脆弱性與植被覆蓋度之間呈負相關(guān)。植被改善區(qū)、不變區(qū)和惡化區(qū)與各脆弱性等級的面積占比變化趨勢基本一致,且脆弱性提高和降低區(qū)域與改善區(qū)和惡化區(qū)的空間分布格局基本吻合。