生态环境脆弱性评价

应用生态学报摇2011年8月摇第22卷摇第8期摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇JournalofAppliedEcology,Aug.2011,22(8):2084-2090

基于SRP概念模型的沂蒙山区生态环境脆弱性评价*

刘正佳

1,2,4

(1临沂大学化学与资源环境学院山东省水土保持与环境保育重点实验室,山东临沂276005;2山东师范大学人口资源与环境学院,济南250014;3北京林业大学林学院,北京100083;4中国科学院地理科学与资源研究所,北京100101)

摇于兴修

1**

摇李摇蕾摇黄摇玫

3,4

摘摇要摇基于生态敏感性鄄生态恢复力鄄生态压力度(SRP)概念模型,选取景观多样性指数、土壤侵蚀、高程等13个评价指标,在GIS环境下,结合空间主成分分析法和层次分析法,对沂蒙山区生态环境脆弱性进行评价,并根据生态环境脆弱性指数(EVI)值,将研究区生态环境脆弱度分为5级:微度脆弱(4郾0).结果表明:沂蒙山区生态环境脆弱性以中度脆弱性为主,其中,微度、轻度、中度、重度和极度脆弱区面积分别占研究区总面积的6郾1%、33郾8%、43郾3%、15郾9%和0郾9%,重度和极度脆弱区主要集中在地形较复杂的山地丘陵区或人类活动强度较大的丘陵和平原过渡交错带.

关键词摇生态环境摇脆弱性摇地理信息系统摇生态敏感性鄄生态恢复力鄄生态压力度(SRP)概念模型摇沂蒙山区

文章编号摇1001-9332(2011)08-2084-07摇中图分类号摇X171.1摇文献标识码摇A

Vulnerabilityassessmentofeco鄄environmentinYimengmountainousareaofShandongProv鄄incebasedonSRPconceptualmodel.LIUZheng鄄jia1,2,4,YUXing鄄xiu1,LILei3,4,HUANGMei4(1ShandongProvinceKeyLaboratoryofSoil&WaterConservationandEnvironmentProtec鄄tion,CollegeofChemistry&ResourcesEnvironment,LinyiUniversity,Linyi276005,Shandong,China;2CollegeofPopulation,ResourceandEnvironment,ShandongNormalUniversity,Ji爷nan250014,China;3CollegeofForestryScience,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China;4

InstituteofGeographicSciencesandNaturalResourcesResearch,ChineseAcademyofSciences,Bei鄄jing100101,China).鄄Chin.J.Appl.Ecol.,2011,22(8):2084-2090.

Abstract:Basedontheecologicalsensitivity鄄resilience鄄pressure(SRP)conceptualmodel,andse鄄lecting13indicesincludinglandscapediversityindex,soilerosion,andelevation,etc.,thevulner鄄abilityoftheeco鄄environmentinYimengmountainousareaofShandongProvincewasassessedun鄄derthesupportofGISandbyusingprincipalcomponentanalysisandhierarchyanalyticalmethod.Accordingtotheeco鄄environmentalvulnerabilityindex(EVI)values,theeco鄄environmentvulnera鄄bilityofstudyareawasclassifiedinto5levels,i.e.,slight(4郾0).Inthestudyarea,moderatelyvulnerableareaoccupied43.3%ofthetotal,whiletheslightly,lightly,heavily,andextremelyvulnerableareasoccupied6郾1%,33郾8%,15.9%,and0郾9%,respectively.Theheavilyandex鄄tremelyvulnerableareasmainlylocatedinthetopographicallycomplicatedhillyareaorthehill鄄plainecotonewithfrequenthumanactivities.

Keywords:eco鄄environment;vulnerability;GIS;ecologicalsensitivity鄄resilience鄄pressure(SRP)conceptualmodel;Yimengmountainousarea.

*教育部新世纪优秀人才支持计划项目(NCET鄄08鄄0877)、山东省科技攻关项目(2009GG10006015)、水利部淮委科技项目(SBJ2010003)和临沂市重大科技创新项目(201011019)资助.**通讯作者.E鄄mail:[email protected]鄄01鄄04收稿,2011鄄05鄄23接受.

期摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇刘正佳等:基于SRP概念模型的沂蒙山区生态环境脆弱性评价摇摇摇摇摇摇2085

摇摇生态环境脆弱性是生态系统在特定时空尺度下

对于外界干扰所具有的敏感反应和自恢复能力,是自然属性和人类经济行为共同作用的结果[1-2].对区域生态环境脆弱性进行评价,不仅对保护区域生态环境具有重要意义,而且对区域资源合理利用及区域可持续发展等也有重要的理论和现实意义[3].我国在脆弱生态环境研究方面的起步较晚,始于20世纪80年代,但发展较快.1996年提出的“可持续发展纲要冶、2000年提出的“西部大开发战略冶、2006年国家“十一五冶规划纲要中提出的“国土主体功能区划冶等都对脆弱生态环境的研究工作起到了很大的推动作用.经过近30年的努力,国内学者在脆弱性评价方面逐步形成了以模糊判定分析方法

[4]

观生态学方法[5-6]、景

法[8]、综合评价法[9]、人工神经网络法[7]和层次分析法[10-11]、主成分分析等为核心知识的一系列评价方法,并取得了诸多重要的研究成果.由于研究区以及反映脆弱性角度的差异,使脆弱性评价方法以及指标体系构建尚无统一范式,因此,在脆弱性定量评价模型及参数筛选方法方面还需进一步研究.

生态敏感性鄄生态恢复力鄄生态压力度(SRP)概

念模型是基于生态系统稳定性的内涵而构建[12]模型结构较全面地体现了生态脆弱性的综合方面.其

川西滇北农林牧交错带,已在环渤海地区[13]、[14]等地区的脆弱性评价研究中有所应用.然而,在以往的研究中,存在因子筛选方法单一、权重确定方法的主观性等问题,在一定程度上限制了该模型的应用发展.

沂蒙山区是北方土石山区的典型代表,具有土壤表层疏松、夹杂石砾、土层浅薄、土壤涵蓄水能力低、人口密度大的特点.生态退化成为制约该地区可持续发展的重要因素[15]域生态环境脆弱性研究有所涉及.虽然有学者[16-17]对该区,但所采用的分析指标局限于反映土壤侵蚀作用下的生态质量退化,在描述复杂的生态环境脆弱特征方面不够深刻.因此,本研究以SRP概念模型为依据筛选评价指标,通过空间主成分分析法和层次分析方法确定各参评因子权重,评价了沂蒙山区的生态环境脆弱性,并揭示其空间格局特征,以期为沂蒙山区生态环境研究与保护提供科学依据.1摇研究地区与研究方法1郾1摇研究区概况

119毅11忆36义沂蒙山区E)(34毅23忆14义—36毅18忆38义位于山东省中南部(图N,116毅40忆41义—

1).

研究区面

图Fig.1摇1摇研究区位置示意图

Sketchmapoflocationofthestudyarea.

70%积28804郾5km2,海拔20~1156m,丘陵山地面积占

陆性气候左右,土壤以棕壤和褐土为主.该区属暖温带大1郾2摇数据来源及预处理,四季分明,气候温暖.

elevation分辨率为90m的2007年数字高程模型(digital

平台提供的model,DEM)SRTM数据产品数据来自国际科学数据服务,分辨率为1km的2000年植被分类数据和2009年土壤类型数据来自于中

国科学院地理科学与资源研究所数据中心.景观多样性指数通过植被分类数据得到[18-19]计算公式如下:

H=-为多样性指数移m

i=1

PilnPi(1)

式中:H;Pi为景观类型i的面积百分比;m为景观类型的数目.

植被覆盖度以1998—2004年各旬归一化植被

指数(NDVI)求平均计算得到[20],公式如下:

NDVI--NDVINDVImin

式中:f为多年旬平均植被覆盖度maxmin

(2)

;NDVI为多年旬平均归一化植被指数;NDVImax、NDVImin分别为多年旬平均NDVI的最大值和最小值.

高程、坡度、坡向基于DEM数据提取;土壤数据由土壤类型数据提取;气象数据(包括年均降水量、年均(1981—2006气温和年均相对湿度)通过气象站值得出;1981—2006年)数据求平均年植被净初级生产力,再利用Kriging多年(NPP)法插通过生态过程机理模型(CEVSA模型)[21-22]计算得到;研究区2000年土壤侵蚀数据利用RUSLE模型[23]计算得到;人口密度和GDP密度数据源于

2086摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇应摇用摇生摇态摇学摇报摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇22卷

2000年全国1km栅格的人口密度和GDP密度数1郾3摇研究方法

据.所有数据均栅格化为1km.

1郾3郾1评价指标的选择摇SRP模型是基于生态环境脆弱性定义的模型,该模型包括3个因子:生态敏感性、生态恢复力和生态压力度.生态敏感性因子包含地形因子、地表因子、气象因子和土壤侵蚀强度,其中,地形因子又包含高程、坡度和坡向;地表因子包括景观多样性指数、植被覆盖度、土壤类型;气象因式中:Fi为第i主成分;琢1i,…,琢13i分别为第i主成分各因子对应的特征向量(表2);X1为年均温度;X2为土壤类型;X3为坡度;X4为年均降水量;X5为人口密度;X6为NPP;X7为景观多样性指数;X8为年均相对湿度;X9为GDP密度;X10为土壤侵蚀强度;X11为高程;X12为坡向;X13为植被覆盖度.

摇摇由表2可以看出,第1主成分中,景观多样性指数、年均温度的贡献较大,可以看作景观多样性指子包括年均降水量、年均气温、年均相对湿度;土壤侵蚀强度由土壤侵蚀各因子经RUSLE模型计算后转化而来.生态恢复力指生态系统受到扰动时的自身恢复能力NPP其产生的生理效应表征.生态压力度指生态系统受到外界干扰及,与其内部结构的稳定性有关,研究中用,一般为人口活动压力和经济活动压力,分别用人口密度和GDP密度表示[13]为减少评价指标之间的相关性,避免指标重复

而影响评价的精确性,本研究使用主成分分析法对初选的评价指标进行筛选.首先用ArcGIS栅格计算器对初选指标进行标准化处理,再使用GRID模块下的Makestack命令和Princomp函数完成空间主成分分析(表1).在主成分分析法中,一般选取累积贡献率大于85%的几个主成分作为计算指标.本研究选取前5个主成分作为指标对研究区生态脆弱性进行分析.

主成分的计算公式如下:

Fi=琢1iX1+琢2iX2+…+琢13iX13

(3)

表Table1摇各主成分的特征值、contribution1摇Eigenvaluesratesofprincipal,contribution贡献率和累积贡献率

components

ratesandaccumulated主成分Principal累积贡献率componentEigenvalue特征值(伊10-2)Contribution

贡献率contributionAccumulated(%rate(%rate

28郾31郾)19郾631郾)

35郾2743郾0614郾350郾653郾8213郾665郾961郾576郾679郾571郾693郾585郾280郾023郾989郾690郾782郾092郾5100郾682郾695郾5110郾551郾197郾1120郾450郾798郾20郾160郾0706

0郾699郾950郾32

100摇99郾8

摇数、年均温度共同反映生态环境脆弱性的综合指标;第2主成分中,土壤类型的贡献较大,远超过了其他指标,可以单独看成是土壤因素的影响;第3主成分中,土壤侵蚀强度的贡献较大,其次是坡向,可将其看成是反映土壤侵蚀强度和坡向的综合指标;第4主成分中,高程贡献较大,将高程作为该主成分的评价指标;第5主成分中,植被覆盖和GDP密度的贡献远超过其他指标GDP的综合指标.

,可将其作为反映植被覆盖和1郾3郾2指标量化分级摇在ArcGIS中,利用Reclassify函数,采用NaturalBreaks(Jenks)法把主成分分析后的综合指标再各分为5级.第1主成分中,景观多样性指数和年均温度是主要因素,所以按数值由大到小分为1~5级;第2主成分中,根据土壤可蚀性大0郾小顺序(华北地区典型土壤类型K值[24]:石质土为

为23、0郾34),沙土为土壤类型数值由大到小分为0郾29、棕壤为0郾31、褐土为1~0郾532、级;潮土第3

表Table2摇各主成分对应的特征向量

2摇Eigenvectorsoftheprincipalcomponents

特征向量0郾1

主成分46

Principal3

component琢1-0郾0郾4

0郾5

琢2-0郾0郾0303

琢30郾05-0郾98-0郾-0郾100郾030郾47-0郾0郾01琢40郾04-0郾1300

琢50郾0814

0郾06-0郾000郾02-0郾0310-0郾0郾01琢6-0郾11琢7-0郾36-0郾0郾02010郾25-0郾0郾000郾46-0郾琢80郾59-0郾10-0郾0郾0704-0郾2231-0郾08琢90郾140郾01-0郾13琢100郾380郾4431-0郾0郾0515-0郾02琢11-0郾09-0郾0郾03020郾501213

0郾27160郾0002-0郾0郾64-0郾1146-0郾0郾0郾0505610郾080郾00-0郾-0郾0郾380510观多样性指数1~a13:年均温度、年均相对湿度、土壤类型、、GDP坡度、年均降水量04密度、土壤侵蚀强度、-0郾人口密度07、、NPP、0郾75

高程、景坡向soil、植被覆盖度的特征向量landscapetype,slope,annualEigenvectorofannualaveragetemperature,ty,soilerosiondiversityintensity,index,averageelevation,annualprecipitation,averagesloperelativepopulationdensity,NPP,aspect,humidity;vegetationGDPcoverage郾

densi鄄

期摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇刘正佳等:基于SRP概念模型的沂蒙山区生态环境脆弱性评价摇摇摇摇摇摇表3摇综合指标等级

Table3摇Levelofaggregativeindicator

等级Level

主成分Principalcomponent

-0郾60~-0郾28-0郾28~-0郾15-0郾15~-0郾01-0郾01~0郾130郾13~0郾84

2087

12345

0郾24~0郾69-0郾14~0郾000郾00~0郾24-0郾31~-0郾14-0郾66~-0郾31

0郾62~0郾950郾42~0郾620郾31~0郾42-0郾17~0郾060郾06~0郾31

-0郾20~0郾120郾12~0郾220郾22~0郾320郾32~0郾460郾46~0郾84

0郾37~0郾740郾25~0郾370郾14~0郾25-0郾52~0郾010郾01~0郾14

主成分中,以土壤侵蚀为主,其数值由大到小分为脆弱:主要分布在山区或人口密度较大的平原地区、5小分为~1级;5第~14级主成分中;第5主成分中,以高程为主,以GDP,其数值由大到和植被覆盖为主1郾,其数值由大到小分为1~5级(表(AHP)3郾3指标权重的确定摇本研究采用层次分析法3).5个主成分的贡献率确定综合评价指标的权重[25],确定各主成分之间的重要性.首先,根据前依据层次分析法的重要性标度方法及表1中的累积.贡献率,对各主成分的评比给出数量标度,并得到5个主成分的两两对应关系.然后,在Excel软件中通0郾过AHP计算出主成分1~5的权重分别为0郾48、

结果为随机一致性比率21、0郾12、0郾12、0郾07.最后进行一致性检验(CR)=0郾01

EVI=

移n

i=1

wifi(4)

式中:EVI为生态环境脆弱性指数;wi为评价指标的权重;fi为评价指标的等级.2摇结果与分析

2郾1摇沂蒙山区生态环境脆弱性分级

1郾沂蒙山区生态环境脆弱性指数(EVI)值在

1郾0值8、2郾~4郾[26],依据这8、3郾6,平5均和值4个4郾为0(EVI是2郾值将研究区生态脆弱性分为

频97率依分0郾布65较)(多图的2).4个其EVI中,5脆弱级:微度脆弱(4郾(2郾、0).8多以平原为主各分级具有以下特征~3郾5)、重度脆弱(3郾、植被状况较好,5微度脆弱~4郾0)和极度脆弱;轻度脆弱:生态系统:生态系统相对稳定、低矮丘陵面积较大、植被状况较好;中度脆弱:多为丘陵平原或山地丘陵交错带、人口密度较大、生态系统相对不稳定且抗干扰性较差;重度生态系统不稳定、抗干扰性差、土壤侵蚀较严重;极度脆弱:生态系统不稳定、抗干扰性差、土壤侵蚀严2郾重2摇、工业污染影响严重沂蒙山区生态环境脆弱性的空间分布

沂蒙山区生态环境脆弱性以中度脆弱为主,总体的脆弱性较高(表4).该区93郾9%的地区具有不同程度的脆弱性,中度和中度以上脆弱区的面积比例为60郾1%,轻度、中度和重度脆弱区面积比例较大,分别为33郾8%、43郾3%和15郾9%.

生态环境微度、轻度脆弱区主要分布在沂蒙山区西部;中东部地区以中度脆弱性为主,重度和极度脆弱区主要分布在研究区北部、中部和东南部;在蒙阴县南部、费县南部和莒南县南部等区域,生态环境极度脆弱区面积较大(图

3).图Fig.2摇2摇沂蒙山区生态环境脆弱性指数DistributionofEVIvaluesinYimeng(EVI)值的分布

MountainsArea郾表Table4摇沂蒙山区各生态环境脆弱等级的面积及比例

vulnerability4摇ArealevelandinproportionYimengMountainsofeachArea

eco鄄environmental脆弱性等级Evaluation面积占总面积比例EVIEVIvalue值微度Slight

6郾area

1轻度Light1郾8~2郾89郾7333郾8中度Moderate2郾8~3郾512郾4743郾3重度Heavy3郾5~4郾04郾5915郾9极度Extreme

>4郾0

0郾25

0郾9

2088摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇应摇用摇生摇态摇学摇报摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇22卷

摇摇平原地区的生态环境脆弱性以轻度和中度为轻度和重度脆弱性次之;在山地地区,重度脆弱性区域占山区总面积的比例较大,其次为中度和轻度脆弱性区域(图4).极度脆弱性地区主要集中在丘陵与山地或平原与丘陵过渡带,原因可能在于此地带内人口密度较高,人类活动强度相对剧烈,导致了生态系统的退化.

2郾3摇沂蒙山区生态环境脆弱性成因分析

北部、莒南县南部、临沭县中东部、郯城县中东部等地是研究区生态环境极度脆弱的区域(图3).蒙阴县南部、费县南部、枣庄市东北部、苍山县北部和莒南县南部位于沂蒙山区中北部,该地区地形复杂、土层贫瘠、植被覆盖度低、经济水平落后、石漠化严重、土壤侵蚀严重,是导致该地区生态环境极度脆弱的主要原因.

沂蒙山区南部虽然地形平坦,但人类活动强度较大,人口增长迅速.临沭、郯城两地的人口分别由

主,微度和重度次之;丘陵地区以中度脆弱性为主,

沂蒙山区西部、沂南县东北部和莒县西部等地

的生态环境脆弱性以微度和轻度脆弱为主(图3),是研究区生态环境较好的地区,这些地区地势相对平坦,平均海拔在100m以下,植被状况较好,生态系统稳定.这些地区生态环境较好,其原因可能与多年来实施的水土保持工程、生态修复项目和河道治理工程等措施有密切关系.

蒙阴县南部、费县南部、枣庄市东北部、

苍山县

图Fig.3摇ty3摇沂蒙山区生态环境脆弱度的空间分布

Spatialdistributionof玉:intheeco鄄environmentalvulnerabili鄄吁:微度Yimeng极度Slight;MountainsArea郾

Extreme.域:下同轻度TheLight;same

芋:below.

中度Moderate;郁:重度Heavy;图Fig.4摇different4摇研究区不同地貌类型的生态环境脆弱性面积分布physiognomyDistributionoftypeseco鄄environmentalofthestudyarea郾

vulnerabilityareain199998郾镇化的进程1年的万,近年来仍保持持续增加的趋势61郾28和96郾45万增加到2005.此外,这些地区自然生态系统类型较单,年的加速了城64和一,多以农田为主,沂河、沭河两岸小型企业的工业废水及生活污水的排放等对生态系统的干扰和破坏10909郾较大.199931伊10年,临沂市年工业废水的排放总量为4本文主成分分析结果表明t,2002年则达到了15223郾37伊104t.GDP等这些与人为活动较密切的指标,土壤侵蚀、植被覆盖和[27]对生态脆弱性格局具有强烈影响.因此,人类活动影响强度的增加、经济的快速发展以及薄弱的生态环境保护意识是造成研究区部分区域生态环境极度脆弱的重要原因之一.

平邑县、费县、蒙阴县、沂南县、沂水县、沂源县等地的地形较复杂,土壤侵蚀严重,加之不合理的土地利用方式,使其生态环境差异显著,故生态环境脆弱性存在明显的空间异质性.3摇结摇摇论

以SRP概念模型为依据,选择指标评价区域生态环境脆弱性,由于较全面地考虑了生态环境脆弱性的内涵,且结合了主成分分析和层次分析两种数学方法的优点,使研究结果更合理.然而,该方法在指标权重的确定方面还存在一些主观因素,今后应进一步改善.

生态退化已成为制约沂蒙山区可持续发展的重

要原因之一[16,27]和保护的最大难题.缺乏持续的支持力度是生态建设,需要加大这方面的投入,还需积极引导农户调整不合理的生产方式.另外,还应加强以下几方面的工作:尽快制定水土流失与环境保育的规划,积极开展小流域综合治理工作,落实生态环境重度和极度脆弱区的退耕还林还草工作;积极调

整产业结构,引进高新技术,大力发展循环经济,依靠科技兴农;积极引进和发展生态恢复技术,加快生态环境恢复的步伐;依靠GIS和RS技术,建立生态

期摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇刘正佳等:基于SRP概念模型的沂蒙山区生态环境脆弱性评价摇摇摇摇摇摇2089

监测和管理系统,及时掌握区域生态环境动态变化特征及未来变化趋势,以便更好地为沂蒙山区生态可持续发展服务.

生态环境脆弱性格局主要受景观多样性指数、温度、土壤类型、土壤侵蚀和高程等因素影响,今后应进一步揭示上述因素对脆弱性空间分布的作用机理.

致谢摇感谢华中农业大学马骞博士对本文提出宝贵意见.[9]摇FanZ鄄W(樊哲文),LiuM鄄S(刘木生),ShenW鄄Q

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ofsoilQ鄄Jerosion

(刘前

distributiontainousAreaandofitsChina.controllingScientiafactorsAgriculturainYimengSinicaMoun鄄国农业科学(中

nese)

),2010,43(22):4652-4662(inChi鄄作者简介摇刘正佳,男,1986年生,硕士研究生.主要从事遥感和126.GIS在生态环境中的应用研究.E鄄mail:lzj7sdjn@责任编辑com

摇杨摇弘

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