土地生态脆弱性的研究是在生态脆弱性研究基础上发展起来的。中国科学院地理科学与资源研究所黄河清较早阐述了土地脆弱性, 在此基础上, 国内很多学者的研究逐步形成了一个较为普遍的认识:土地生态脆弱性是一定时间、空间条件下, 土地生态系统在面临外界压力或干扰下所表现出的可承受能力和可能性反应[l]。而土地生态系统的所表现出的可承受能力与其自身结构和功能密切相关, 一旦外界压力或干扰超过了其所能承受的能力范围, 就会导致脆弱性的恶果。
三江源地区位于我国的西北部, 青海省南部, 平均海拔3500~4800 m, 是青藏高原的腹地, 是长江、黄河和澜沧江的源头汇水区;三江源地区也是我国面积最大的自然保护区和世界高海拔地区生物多样性最集中的自然保护区, 因此不论是对青海省自身, 还是对全国甚至是世界, 三江源地区都具有极重要的生态战略地位[2]。玛多县是三江源海拔最高的地区, 其生态具有典型代表性。本文以该县作为研究对象, 使用“生态敏感性—生态弹性—生态压力度 (SRP) ”概念模型作为基本框架, 通过主成分分析确定权重, 进行评价。
1 研究区概况与研究方法
1.1 研究区概况
玛多县位于北纬33°50′~35°40′, 东经96°50′~99°20′, 青海省果洛藏族自治州西北部, 青海省南部, 平均海拔在4200 m以上, 全县总面积25253 km2。年平均气温-4.1℃, 除5—9月外, 各月平均气温在-3.0℃以下。玛多高原白天日射强, 地面接受热量多, 升温快, 散热量大, 温度急剧下降, 气温日差较大, 年平均达14.0℃。全年无绝对无霜期。全县大风日数多, 从11月至次年4月最为频繁, 占年大风日数的70%~85%。全县年均降水量303.9 mm, 但年际变化大, 最多年份434.8 mm, 最少年份84.0 mm。
1.2 数据来源及处理
本文数字高程模型来自于地理空间数据云, 并在此基础上提取出海拔、坡度数据;土壤数据由土壤类型数据提取;土地数据结合Landsat卫星影像的不同波段合成获取;降水、温度、积温类气象数据通过气象站多年 (2004—2013) 数据求平均, 再利用克里金插值得到栅格数据;植被净初级生产力数据使用MOD17A3产品 (2004—2013年) 获得;土壤侵蚀数据利用RUSLE模型计算得到;人口密度、GDP密度和载畜量密度数据参考青海省统计年鉴, 并进行栅格化。
植被覆盖度通过归一化植被指数 (NDVI) 求平均计算得到, 公式如下:
式中, NDVImin、NDVImax代表NDVI的最小值和最大值。研究过程中所有数据均栅格化为1 km。
1.3 研究方法
1.3.1 指标选择
基于SRP模型, 结合玛多县实际情况选取评价指标。SRP模型是根据生态系统脆弱性的内涵设计建立的, 从三方面表现生态系统脆弱性: (1) 生态敏感性, 揭示受到外界影响时, 生态系统发生生态环境问题的难易程度和可能性大小[3], 包括高程、坡度、地表粗糙度、植被覆盖度、土壤类型、土壤侵蚀强度、年降水量、年均气温; (2) 生态弹性, 与敏感性相对, 它表示当受到外界的干扰并造成破坏后, 生态系统自身能够恢复到原始状态的能力特性, 包括植物净初级生产力 (NPP) 、≥0℃积温; (3) 生态压力度, 表示危及生物个体或种群的生长及生殖、生态系统稳定性的外界干扰及其所产生的生理效应和生态效应, 包括人口密度、GDP密度、单位面积载畜量[4]。
1.3.2 权重确定
本文依据主成分分析法确定各指标权重。首先在GIS平台下采用级差标准化方法对指标进行标准化, 再使用GRID模块的PRINCOMP函数完成主成分分析, 主成分如表1。
前6项主成分累积贡献率达95.73%, 仅有4.27%信息缺失, 能够涵盖全部指标信息。使用各指标相对于主成分的特征向量, 采用数学方法结合各指标的方差贡献率确定权重[5]。
1.3.3 综合计算
将玛多县土地生态系统敏感性、弹性和压力度所涵盖的全部指标综合, 使用加权指数方法计算生态环境脆弱度 (Eco-environment Vulnerability Index) , 公式如下:
式中, EVI为生态脆弱度指数, Pi为第i个指标的标准化值, wi为第i个指标对应的权重。该方法目前应用广泛, 且操作简单, 有较强说服力。EVI大, 表明土地生态脆弱度指数大;EVI小, 表明土地生态脆弱度指数小, 系统稳定。
2 结果与分析
2.1 玛多县土地生态脆弱度结果与分级
对计算结果的输出使用30 m×30 m的GRID格式删格数据[6], 根据脆弱度计算结果和玛多县的自然地理特征, 使用自然间断点方法将玛多县土地生态脆弱性划分为微度脆弱 (0.1622~0.3419) 、轻度脆弱 (0.3 4 1 9~0.3 9 7 5) 、中度脆弱 (0.3975~0.4467) 、高度脆弱 (0.4467~0.5001) 和极度脆弱 (0.5001~0.7076) 5个等级, 并统计面积 (如图1) 。结果显示, 玛多县土地生态脆弱度指数在0.1622~0.7076, 平均值在0.3404~0.4833。
2.2 玛多县土地生态脆弱度分析
2.2.1 脆弱度空间分布特征
玛多县中度脆弱级别以上的区域达到61.07%, 表明整个区域脆弱度偏高;全县生态脆弱度自西北至东南呈现出带状的分布;西北区域普遍脆弱度较高, 东北少部分区域和东南部分地区脆弱度较低。
从局部看, 通常海拔高度高、坡度较大、地表粗糙的地区, 脆弱度级别较高;植被覆盖度较高的区域, 通常植被净初级生产力也较高, 而植被净初级生产力正是地区生态系统中其他生物成员生存和繁衍的物质基础, 故脆弱度级别较低;河流、湖泊周围地势起伏, 坡度变化大, 侵蚀能力较强, 脆弱性表现明显。
2.2.2 成因分析
玛多县为高寒高海拔地区, 自然条件恶劣。海拔高度是基础条件, 进而导致温度、积温低, 降水少, 而坡度和粗糙度等容易造成脆弱性的指标偏高, 且全县土壤冻融侵蚀范围较广, 使得很多植被无法生存, 土地覆被类型以草地为主, 生态系统结构简单, 敏感性强而弹性弱, 即玛多县土地自身的生态环境脆弱性较高。
由于自然条件限制, 传统以耕作为主的生产方式并不适用, 因此畜牧业是玛多县的主要产业。畜牧业的基础是草场, 玛多县的土地又以草场为主, 因此牛羊等草食性家畜对生态的影响要超过人的影响。所以载畜量的合理与否对当地草地生态系统脆弱度具有十分重要的影响。由于玛多县本身环境脆弱, 相较于其他地区, 同样程度的人类活动对土地生态造成的影响效果更明显, 因此人口密度高的区域脆弱度级别高。
2.2.3 玛多县地区特点
全县EVI计算结果均大于0.16, 与类似方法计算的不同地区EVI水平相当。但就具体指标实际水平比较, 玛多县各项指标、特别是生态压力度指标水平明显低于其他地区, 甚至差距百倍以上。这说明在玛多县, 土地生态的脆弱性是绝对的, 而微度脆弱只是相对的。这根源于玛多县所处的自然地理环境, 玛多县是青海省海拔最高县, 全县平均海拔4500 m以上, 高海拔导致高寒缺氧, 自然条件十分恶劣, 是国内人类生存环境最恶劣的地区之一, 即使对植被而言, 生长也较困难, 因此即使没有人类活动干扰, 该区域的土地生态脆弱性表现也极其明显。
3 结论
本文选取具有典型代表性的玛多县为对象, 通过SRP模型选择评价指标, 利用“3S”技术和主成分分析法计算结果、划分等级, 并输出结果。
全县EVI达到中度级别以上的区域达61.07%, 且E V I最大值0.7 0 7 6, 最小值0.1 6 2 2, 平均值0.3404~0.4833, 全县土地生态脆弱性水平较高。
在县域内人为因素对土地生态脆弱性有显著影响。畜牧业是玛多县支柱产业, 也是对草地生态系统影响范围最广的生产方式, 所以, 合理控制载畜量对当地土地生态具有重要意义。
土地生态脆弱性是一个相对的概念, 这一结论来自于与其他采用相同方法研究不同区域脆弱性的研究成果相比较, 即极度脆弱或微度脆弱都是针对具体的研究区域而言的, 同一地点在研究范围不同时, 其脆弱性有可能改变。如玛多县人口密度小于1, 这与东部地区差距在百倍甚至千倍以上, 生态压力度指标绝对数值的偏低说明玛多县土地承载有限, 从侧面证明了其土地生态的脆弱性。
摘要：在分析青南地区典型县城玛多县生态系统的基础上, 利用“3S”技术获取数据, 结合SRP模型, 构建生态脆弱性评价指标体系, 结合主成分分析法, 确定权重, 进行定量评价, 并将计算结果划分为微度脆弱、轻度脆弱、中度脆弱、高度脆弱和极度脆弱5个等级。结果表明:玛多县土地生态脆弱度以中度脆弱为主, 中度以上面积比例达61.07%。
关键词：生态脆弱性,GIS,SRP模型,主成分分析法,青海省玛多县
参考文献
[l]张虹波, 刘黎明.土地资源生态安全研究进展与展望[J].地理科学进展, 2006 (5) :77-85.
[2] 张东杰, 都耀庭.青海省玉树县草地生态环境现状及采取的保护措施[J].草原与饲料, 2006 (5) :25-26.
[3] 钟晓娟, 孙保平, 赵岩, 等.基于主成分分析的云南省生态脆弱性评价[J].生态环境学报, 2011, 20 (1) :109-113.
[4] 陈百明, 张凤荣.中国土地可持续利用指标体系的理论与方法[J].自然资源学报, 2001, 16 (3) :197-203.
[5] 张德君, 高航, 杨俊, 等.基于GIS的南四湖湿地生态脆弱性评价[J].资源科学, 2014, 36 (4) :874-882.
[6] 郭宾, 周忠发, 苏维词, 等.基于格网GIS的喀斯特山区草地生态脆弱性评价[J].水土保持通报, 2014, 34 (2) :204-207.