安宏鋒，徐浩，安寧，王之明，左思藝

(1.貴州省環(huán)境監(jiān)測中心站，貴州貴陽　550001； 2.貴州師范大學(xué)山地資源與環(huán)境遙感重點實驗室，貴州貴陽　550001)

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喀斯特山區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性綜合評價
——以貴州省黔中地區(qū)為例

安宏鋒1，徐浩1，安寧2，王之明1，左思藝1

(1.貴州省環(huán)境監(jiān)測中心站，貴州貴陽550001； 2.貴州師范大學(xué)山地資源與環(huán)境遙感重點實驗室，貴州貴陽550001)

摘要：從自然狀態(tài)、人文壓力方面探討建立喀斯特山區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性指標(biāo)評價體系，通過變異系數(shù)法確定了指標(biāo)權(quán)重，收集了2010年貴州省黔中地區(qū)的自然、人文、遙感數(shù)據(jù)，并以此為基礎(chǔ)對該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境脆弱性進(jìn)行了綜合評價。結(jié)果表明：生態(tài)環(huán)境重度及以上脆弱類型主要分布在裸地、耕地，中度及以下脆弱類型主要分布在草地、灌木林地、有林地。黔中地區(qū)生態(tài)極強(qiáng)度脆弱區(qū)主要分布在北部區(qū)域；而中度和強(qiáng)度脆弱區(qū)則沿極強(qiáng)度脆弱區(qū)分布；輕度脆弱區(qū)集中在中部、南部；生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)主要發(fā)生在坡度25°以下的區(qū)域。

關(guān)鍵詞：喀斯特山區(qū)；生態(tài)環(huán)境；脆弱性

自美國學(xué)者Clement提出生態(tài)過渡帶概念以來，生態(tài)脆弱性開始受到廣泛關(guān)注和研究，理論認(rèn)知得到了豐富和發(fā)展。王小丹等[1-2]所總結(jié)的生態(tài)脆弱性的概念在不同學(xué)科領(lǐng)域和地域范圍內(nèi)有不同理解，仍未達(dá)成共識。本文趨向于脆弱性即脆弱程度，作為一種過渡性的表示方法，其運(yùn)用于生態(tài)環(huán)境評價則表示某一地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)或環(huán)境受到干擾時，易從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N狀態(tài)能力的強(qiáng)弱?？λ固刈鳛樯鷳B(tài)脆弱區(qū)的典型性代表，峰叢-洼地、峰林-谷地以及水系二重系統(tǒng)發(fā)育，致使石漠化、水土流失嚴(yán)重且人地關(guān)系矛盾突出[3-5]。本文從自然狀態(tài)、人文壓力兩個主要方面對生態(tài)脆弱進(jìn)行綜合性研究，探討貴州省黔中地區(qū)的生態(tài)脆弱性強(qiáng)度分布情況及其影響要素，并提出對生態(tài)環(huán)境保護(hù)和治理的相關(guān)對策和建議。

1研究區(qū)概況

黔中地區(qū)位于貴州省中部，東經(jīng)105°43′25.641″～108°11′47.184″，北緯25°39′3.534″～27°30′58.187″，包括貴陽市六區(qū)一市三縣、安順市及黔南州部分區(qū)縣，共計20個縣(市、區(qū))、250個鄉(xiāng)鎮(zhèn)。區(qū)域國土面積24 317 km2，約占全省的14%，大部分屬于云貴高原的喀斯特丘陵地貌發(fā)育區(qū)，海拔最低447 m，最高2 177 m，屬亞熱帶季風(fēng)區(qū)。區(qū)域內(nèi)主要水系有烏江水系、北盤江水系和紅水河水系，水資源十分豐富。土地利用類型以林地、耕地、草地為主，林地約占50%，耕地約占30%，草地約占15%。2010年黔中地區(qū)人口共計764.78萬人，約占貴州省總?cè)丝诘?2%。城鎮(zhèn)基本分布在山間平地。特殊的喀斯特地形、地貌發(fā)育使該地區(qū)可利用土地資源較少，人地關(guān)系面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，生態(tài)趨于惡化，生態(tài)環(huán)境脆弱性加劇。隨著經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展，部分地區(qū)人口聚集、城市化加快，治理和改善區(qū)域脆弱的生態(tài)環(huán)境已經(jīng)被提上社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的議事日程。

2研究方法

2.1評價指標(biāo)因子選擇

生態(tài)脆弱性是自然環(huán)境與人類活動共同作用的產(chǎn)物。自然要素分為地形、氣候、水文、土壤和植被；人類活動主要體現(xiàn)為次生環(huán)境效應(yīng)。為擺脫以往以大區(qū)域為評價單元的概述性分析方法，實現(xiàn)以像元為單元對生態(tài)環(huán)境脆弱程度的更精確評價，依據(jù)周永娟[6]等的理念，從自然狀態(tài)和人文壓力兩個方面構(gòu)建綜合的評價指標(biāo)體系，最終以遙感圖像像元為基本評價單元對黔中地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性進(jìn)行評價，因此本文選取自然狀態(tài)因子和人文壓力與生態(tài)環(huán)境脆弱性緊密聯(lián)系的9個因子作為評價指標(biāo)，如表1所示。

表1　生態(tài)脆弱評價體系Table 1　The evaluation system of ecological vulnerability

2.2數(shù)據(jù)來源及處理

2.2.1數(shù)據(jù)來源

以黔中地區(qū)2010年30 m分辨率的TM遙感影像數(shù)據(jù)和DEM數(shù)據(jù)、2010年第六次人口普查數(shù)據(jù)、2010年中國區(qū)域經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計年鑒、《貴州土種志》和貴州省土壤圖、地貌圖和水文地質(zhì)圖以及2010年土地利用數(shù)據(jù)等為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源。

2.2.2數(shù)據(jù)處理

(1)植被覆蓋度指數(shù)

歸一化植被指數(shù)和植被覆蓋度指數(shù)是反映綠色植被覆蓋情況、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，由于計算簡單、操作方便，在各種環(huán)境監(jiān)測項目中被廣泛運(yùn)用于反映自然生態(tài)環(huán)境的好壞。歸一化植被指數(shù)的計算公式如下：

NDVI=(NIR-R)/(NIR+R)

(1)

式中，NIR為影像的近紅外波段；R為影像的紅光波段；NDVI為歸一化植被指數(shù)，其取值范圍為-1～1。根據(jù)歸一化植被指數(shù)計算方法，通過進(jìn)一步計算可得植被覆蓋度指數(shù)，其公式如下：

Fv=(NDVI-NDVImin)/(NDVImax-NDVImin)

(2)

式中，F(xiàn)v為植被覆蓋度指數(shù)，其值域范圍為0～1；NDVI為式(1)所得；NDVImax和NDVImin分別為歸一化植被指數(shù)的最大值和最小值。

(2)基巖裸露率

石漠化是巖溶地區(qū)土地退化的極端形式。作為表征石漠化強(qiáng)度的主要因子，基巖裸露率因子采用Huang[7]等模仿歸一化植被指數(shù)提出的歸一化巖石指數(shù)和張曉倫[8]等基于NDRI像元二分模型提取基巖裸露率的TM波段運(yùn)算方法，自動提取基巖裸露信息，其計算公式為：

NDRI=(SWIR-R)/(SWIR+R)

(3)

Fr=(NDRI-NDRImin)/(NDRImax-NDRImin)

(4)

式中，SWIR表示短波紅外波段(TM影像第五波段)；R是影像的紅光波段；NDRI為歸一化巖石指數(shù)；Fr為基巖裸露率；NDRImax是歸一化巖石指數(shù)的最大值；NDRImin為歸一化巖石指數(shù)最小值。

(3)土壤侵蝕

采用通用土壤流失方程對黔中地區(qū)的土壤侵蝕量進(jìn)行評價，其公式為：

USLE=R·K·LS·C·P

(5)

式中，R表示降雨侵蝕力因子，采用地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)數(shù)據(jù)；C為植被覆蓋與管理因子，其值利用蔡崇發(fā)[9]等建立的C值與植被覆蓋度指數(shù)的回歸方程并結(jié)合實際情況進(jìn)行判斷，如水體與建設(shè)用地以及水田沒有土壤侵蝕，則C值為0，裸地的土壤侵蝕最強(qiáng)C值為1，其他土地類型的C值為方程算出的平均值代替；P因子、K因子參考楊廣斌[10-11]結(jié)合貴州實際情況對水土保持措施因子P、土壤可蝕性因子K的賦值，其對應(yīng)的類型取值情況如表2、表3所示。

表2　黔中地區(qū)各地類P、C取值Table 2　The P and C value table of land types in central region of Guizhou province

表3　黔中地區(qū)各土壤類型K取值Table 3　The K value table of soil types in central region of Guizhou province

對于LS坡長-坡度因子，可由30 m空間分辨率的DEM數(shù)據(jù)提取坡度數(shù)據(jù)，然后根據(jù)公式求得。坡度因子計算公式為：

(6)

坡長因子則引用Wischmeier和Smith提出的坡長因子計算方法，其公式為：

L=(λ/22.13)m

(7)

(8)

(9)

式中，θ為坡度，°；λ為坡長，m。

將上述各因子數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為30 m×30 m的柵格數(shù)據(jù)，代入公式(5)計算得出黔中地區(qū)的土壤侵蝕圖，經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化處理后如圖1所示。

圖1　黔中地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)化土壤侵蝕圖Fig.1　The map of standardized soil erosion in central region of Guizhou province

2.2.3變異系數(shù)法權(quán)重確定

數(shù)學(xué)分析方法和權(quán)重分析方法在地理分析中得

到了廣泛的應(yīng)用研究。本文采用變異系數(shù)法來客觀確定各評價因子指標(biāo)的權(quán)重值。變異系數(shù)法是直接利用各項指標(biāo)所包含的信息，通過計算得到指標(biāo)的權(quán)重，是一種客觀賦權(quán)的方法。

為了更好地實現(xiàn)生態(tài)脆弱性的評價，將各項評價指標(biāo)進(jìn)行離差標(biāo)準(zhǔn)化處理，然后將處理后的數(shù)據(jù)運(yùn)用變異系數(shù)法公式求取各指標(biāo)權(quán)重值。其標(biāo)準(zhǔn)化處理公式為：

(10)

根據(jù)各指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化處理后的柵格數(shù)據(jù)統(tǒng)計其均值和標(biāo)準(zhǔn)差，并通過變異系數(shù)法公式算各指標(biāo)的變異系數(shù)和權(quán)重值，其公式如下：

(11)

(12)

將表4所得到的各指標(biāo)的權(quán)重值代入公式(13)得到黔中地區(qū)生態(tài)脆弱性情況，并在地理信息系統(tǒng)軟件中用自然段點法把數(shù)據(jù)分為輕度脆弱、中度脆弱、強(qiáng)度脆弱和極強(qiáng)度脆弱區(qū)，如圖2所示。其中，水域和水田兩種土地利用類型作為掩膜區(qū)，默認(rèn)為非生態(tài)脆弱。各脆弱性強(qiáng)度類型面積如表5所示。

(13)

式中，Wi為i項指標(biāo)的權(quán)重值；Xi為i項指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值。

表4　黔中地區(qū)變異系數(shù)方法求取權(quán)重系數(shù)表Table 4　The index weight was determined by the coefficient of variation method in central region of Guizhou province

圖2　黔中地區(qū)生態(tài)脆弱強(qiáng)度Fig.2　The ecological vulnerability intensity in central region of Guizhou province表5　黔中地區(qū)脆弱性強(qiáng)度類型面積統(tǒng)計Table 5　The area of vulnerability intensity in central region of Guizhou province

脆弱性強(qiáng)度類型面積/km2面積百分比/%非生態(tài)脆弱2244.289.23輕度脆弱5392.5322.18中度脆弱7738.2531.82強(qiáng)度脆弱6234.7925.64極強(qiáng)度脆弱2707.1611.13總計24317100

3結(jié)果分析

3.1黔中地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性現(xiàn)狀

黔中地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性按分布面積從大到小依次是中度脆弱、強(qiáng)度脆弱、輕度脆弱、極強(qiáng)度脆弱、非生態(tài)脆弱類型，以輕度脆弱、中度脆弱、強(qiáng)度脆弱為主，三者之和所占比例達(dá)到80%左右，中度和強(qiáng)度脆弱面積占57%左右。結(jié)果顯示，黔中地區(qū)生態(tài)脆弱性現(xiàn)狀不容樂觀。

3.2黔中地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)空間分布

從圖2來看，生態(tài)極強(qiáng)度脆弱區(qū)主要分布在黔中北部開陽縣、息烽縣大部以及平壩縣靠花溪區(qū)部分、清鎮(zhèn)市以西、修文縣北部和福泉市、白云區(qū)的小部分區(qū)域；而中度和強(qiáng)度脆弱區(qū)域則沿極強(qiáng)度脆弱區(qū)域分布，中度脆弱區(qū)域所占面積比例較??；輕度脆弱區(qū)集中分布在同屬于“花生殼”狀的喀斯特地貌黔中地區(qū)中部、南部，這些區(qū)域開墾率低，對自然狀態(tài)造成的人為擾動較小，脆弱性相對較輕。

通過疊加地貌數(shù)據(jù)，統(tǒng)計分析得出黔中地區(qū)脆弱性等級地貌類型面積比例，如表6所示。在山地、丘陵地貌區(qū)則相對較多，而在臺地和盆地地區(qū)，生態(tài)脆弱區(qū)的種類分布相對很少；輕度和中度脆弱在山地上分布較多，而強(qiáng)度和極強(qiáng)度脆弱則在丘陵和山地上發(fā)育相對較多，是因為在純度較低的可溶性碳酸鹽巖上發(fā)育的山地、丘陵相對高度較小，坡度不是很大的區(qū)域有農(nóng)耕基礎(chǔ)，人為活動較多(坡耕地、建筑等)，使得強(qiáng)度及以上脆弱區(qū)域面積比例較大。

表6　黔中地區(qū)脆弱性等級地貌類型面積比例Table 6　The area ratio of land form types by the vulnerability level in central region of Guizhou province

3.3黔中地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性的主導(dǎo)因素

由表1和表4所示黔中地區(qū)生態(tài)脆弱性各評價指標(biāo)的權(quán)重值可知，影響生態(tài)脆弱性的因子主要為土壤侵蝕因子、單位糧食產(chǎn)量和人均耕地面積，三者權(quán)重貢獻(xiàn)率為0.56；其次是降水、土層厚度以及開墾率，權(quán)重貢獻(xiàn)率為0.27。自然環(huán)境狀態(tài)因子占據(jù)了0.63的貢獻(xiàn)率，人文壓力因子則占據(jù)了0.37。自然狀態(tài)因子是生態(tài)脆弱的基礎(chǔ)，而不合理的人類活動則會加劇生態(tài)脆弱的過程，因而生態(tài)脆弱是人與自然環(huán)境共同作用的結(jié)果。

3.4生態(tài)脆弱性與土地利用類型的關(guān)系

統(tǒng)計不同土地利用類型的生態(tài)脆弱性數(shù)據(jù)，如表7所示，為黔中地區(qū)各土地利用類型中的脆弱性面積比例。由于本文不探討水體生態(tài)脆弱性，而水田長期存在人為管理和耕作，不存在生態(tài)脆弱，因而對于水域和水田兩種類型不加以統(tǒng)計。

表7　黔中地區(qū)各土地利用類型中的脆弱性面積比例Table 7　The vulnerability area ratio of land types in central region of Guizhou province

由表7可知，裸地?zé)o植被覆蓋，土壤和礫石裸露在外面，水土流失最為嚴(yán)重，因而其發(fā)生中度及以上生態(tài)脆弱性的面積比例最大；旱地作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要場所，由于人們不合理的土地利用方式容易造成水土流失、生態(tài)脆弱加劇；其他林地(包括園地、果林、苗圃等)作為耕地的一種轉(zhuǎn)型利用方式，既實現(xiàn)了對生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，又實現(xiàn)了坡耕地土地利用的轉(zhuǎn)型升級和經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)增值，是坡耕地優(yōu)化利用的一種良好方法，但其生態(tài)結(jié)構(gòu)單一，強(qiáng)度生態(tài)脆弱發(fā)生的可能性也不容忽視，應(yīng)加強(qiáng)防護(hù)和管理；城鄉(xiāng)用地以及工礦、交通用地經(jīng)過很好的工程處理，可改變性很小，因而強(qiáng)度及以上脆弱發(fā)生率相對較?。徊莸?、灌木林地、有林地因人類影響和破壞相對較小，且屬于一種生態(tài)蓄積結(jié)果，如果遭到嚴(yán)重破壞，特別是在喀斯特上發(fā)育的綠色植被受破壞后將很難恢復(fù)，強(qiáng)度生態(tài)脆弱發(fā)生率最高。

3.5生態(tài)脆弱性與坡度的關(guān)系

人類活動致使生態(tài)脆弱最突出的表現(xiàn)就是農(nóng)業(yè)耕種。貴州是一個處于山區(qū)的農(nóng)業(yè)大省，擁有大面積的坡耕地，因而坡度是造成該地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)脆弱的自然相關(guān)因子。采用水土保持中的坡度劃分原則(微坡為<5°，較緩坡為5°～8°，緩坡為8°～15°，較陡坡為15°～25°，陡坡為25°～35°，極陡坡為>35°)劃分坡度，并統(tǒng)計得到生態(tài)脆弱性在坡度類型的面積情況，如表8所示。

由表8可知，生態(tài)脆弱性主要發(fā)生在較陡坡及其以上區(qū)域，即25°以上的區(qū)域，其中以緩坡和較陡坡為主，達(dá)到各脆弱性等級面積的0.55以上，而在15°以下區(qū)域也分布有強(qiáng)度和極強(qiáng)度脆弱性，且面積比達(dá)到的0.33，說明除自然條件外，人類大量不合理的活動(耕作、開采、建筑等)造成了嚴(yán)重的生態(tài)脆弱性，因而應(yīng)強(qiáng)化對人類活動區(qū)域的管理。

表8　黔中地區(qū)各生態(tài)脆弱性中坡度類型面積比例Table 8　The area ratio of slope types by the vulnerability level in central region of Guizhou province

4結(jié)論及建議

(1)黔中地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性以輕度、中度、強(qiáng)度脆弱為主，中度和強(qiáng)度脆弱面積占57%左右，地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，必須對黔中地區(qū)的生態(tài)環(huán)境保護(hù)給予足夠重視。

(2)在土層厚度的數(shù)據(jù)選擇上，本文使用了土壤的平均厚度數(shù)據(jù)，若能收集到更加精確的土層厚度數(shù)據(jù)，評價結(jié)果會更加準(zhǔn)確。由于黔中地區(qū)地形起伏大，采用30 m空間分辨率的DEM數(shù)據(jù)計算坡度和坡長存在較大誤差，利用此值計算的土壤侵蝕的誤差也較大，若能收集到更加精確的DEM數(shù)據(jù)也會使評價結(jié)果更加準(zhǔn)確。缺乏鄉(xiāng)鎮(zhèn)單位糧食產(chǎn)量、人均GDP數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是以縣域為單位進(jìn)行統(tǒng)計，對整個評價結(jié)果的精度會帶來一定誤差。

(3)自然狀態(tài)因子是生態(tài)脆弱的基礎(chǔ)，而不合理的人類活動則會加劇生態(tài)脆弱的過程，因而生態(tài)脆弱是人與自然環(huán)境共同作用的結(jié)果。人類不合理的開發(fā)利用，如在喀斯特山丘、坡地上不合理開墾耕地，致使喀斯特山區(qū)原本稀薄的土層，或無土壤覆蓋，或巖石裸露，造成生態(tài)更加脆弱。

(4)裸地治理、坡耕地的水土保持生態(tài)建設(shè)和土地利用類型優(yōu)化可以很好地實現(xiàn)生態(tài)脆弱性治理，與經(jīng)濟(jì)發(fā)展相協(xié)調(diào)。山地、丘陵地區(qū)可以在適宜利用的坡耕地上引導(dǎo)種植果林、經(jīng)濟(jì)林等，或加強(qiáng)工程治理，如在坡耕地區(qū)域采取林耕相間的耕作模式，加強(qiáng)對裸地、坡耕地的水土保持生態(tài)建設(shè)和合理利用，保護(hù)土壤，才能實現(xiàn)生態(tài)和生產(chǎn)的良性循環(huán)發(fā)展，改善生態(tài)環(huán)境脆弱性。

(5)生態(tài)脆弱性在區(qū)域空間分布上與坡度、人為活動、可溶性碳酸性鹽巖的分布等有密切聯(lián)系。其中，坡度較小、人類活動較多的山地和丘陵地區(qū)生態(tài)脆弱度較大；而在純碳酸巖鹽的喀斯特地貌上，極強(qiáng)度生態(tài)脆弱發(fā)育較多，中度和強(qiáng)度脆弱則廣泛分布在亞喀斯特地貌上。因此，加強(qiáng)對不同純度碳酸巖鹽發(fā)育的喀斯特地貌環(huán)境的保護(hù)和治理研究，對改善地區(qū)生態(tài)脆弱性有著重要意義。

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收稿日期：2015-07-02

基金項目：2015年貴州省地下水基礎(chǔ)環(huán)境狀況調(diào)查評估(2015A080)

作者簡介：安宏鋒(1982—)，男，河南洛陽人，工程師，碩士，主要從事生態(tài)環(huán)境監(jiān)測，E-mail：hongfeng_1225@163.com 通訊作者：徐浩(1975—)，男，貴州天柱人，高級工程師，本科，研究方向為環(huán)境監(jiān)測與評價，E-mail：1026022117@qq.com

DOI:10.14068/j.ceia.2016.04.014

中圖分類號：X826

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：2095-6444(2016)04-0051-06

Comprehensive Evaluation of Eco-environmental Vulnerability in Karst Mountain Areas—Central Region of Guizhou Province as An Example

AN Hong-feng1, XU Hao1, AN Ning2, WANG Zhi-ming1, ZUO Si-yi1

(1.Guizhou Environmental Monitoring Center Station, Guiyang 550001, China; 2. Key Laboratory of Mountain Resources and Environmental Remote Sensing, Guizhou Normal University, Guiyang 550001, China)

Abstract:From the aspects of natural environment and effect of human activities, the evaluation system of eco-environmental vulnerability index in karst mountain areas was discussed in this paper. The index weight was determined by the coefficient of variation method. Based on the natural environment, humanity and remote sensing (RS) data, the eco-environmental vulnerability in central region of Guizhou Province was evaluated. Results showed that the areas with severe and above eco-environmental vulnerability were mainly distributed in bare land and cropland, while those of moderate and below were distributed in grassland, shrub land and forest. In central region of Guizhou Province, the extremely severe vulnerable area was mainly distributed in the northern region; the moderate and severe vulnerable areas were distributed along the extremely severe vulnerable area; the mildly vulnerable area were distributed in the central and southern regions; the eco-environmental vulnerable areas were mainly distributed in regions with the slope less than 25 degrees.

Key words:karst mountain area; eco-environment; vulnerability