楊 超, 陳萬旭, 冉 端, 林 玲

(1.中山職業(yè)技術(shù)學(xué)院 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院， 廣東 中山 528403; 2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 公共管理學(xué)院，武漢 430074; 3.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 地理與信息工程學(xué)院, 武漢 430074)

21世紀(jì)以來，快速的城市化進(jìn)程帶來了如城市人口急劇增長、工業(yè)污染迅速蔓延和生態(tài)環(huán)境惡化等一系列的資源環(huán)境問題，對我國生態(tài)環(huán)境保護(hù)造成了前所未有的壓力。黨的十八大、十八屆三中全會和十九大報告均提出推進(jìn)我國生態(tài)文明建設(shè)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)的必要性和迫切性，科學(xué)評估中國生態(tài)系統(tǒng)彈性力對我國社會經(jīng)濟(jì)健康可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。然而當(dāng)前生態(tài)系統(tǒng)彈性力研究缺乏對中國縣域單元生態(tài)系統(tǒng)彈性力時空演化特征的相關(guān)研究。生態(tài)系統(tǒng)彈性力作為生態(tài)系統(tǒng)健康研究和生態(tài)承載力研究的重要組成部分，逐漸引起了學(xué)者和政府部門的高度重視[1]。

生態(tài)系統(tǒng)彈性力概念最早由Holling在1973年提出，生態(tài)生態(tài)系統(tǒng)彈性力定義為：生態(tài)系統(tǒng)受外界擾動且保持其原狀的能力[2]。隨著生態(tài)系統(tǒng)彈性力研究的不斷推進(jìn)，部分學(xué)者將穩(wěn)定性的概念引入到生態(tài)系統(tǒng)彈性力研究中來，并注重生態(tài)系統(tǒng)在受到干擾后的自我恢復(fù)能力[3-4]。生態(tài)系統(tǒng)彈性力的研究不斷豐富，生態(tài)系統(tǒng)具有的自我緩沖和調(diào)節(jié)能力也逐步受到廣大學(xué)者的認(rèn)可[5-6]。目前研究中生態(tài)系統(tǒng)彈性力的定義包含彈性強(qiáng)度和彈性限度雙重內(nèi)涵[7-10]，其中彈性強(qiáng)度是指有自身情況而決定的生態(tài)系統(tǒng)性質(zhì)，如地形、地貌、氣候、土壤、水文以及植被狀況等[10]；彈性限度表示生態(tài)系統(tǒng)自我調(diào)節(jié)的極限能力大小，即在受到最大干擾幅度后能得到自我恢復(fù)的能力大小[11-12]。國內(nèi)外關(guān)于研究生態(tài)系統(tǒng)彈性力的方法也呈現(xiàn)多樣化，如采用陸地凈初級生產(chǎn)力(Net Primary Productivity，NPP)[13]、暴露—敏感—適應(yīng)機(jī)制模型(Vulnerability Scoping Diagram，VSD)[14]、淺水湖泊模型[15]、牧場模型[16]、水利用效率模型[17]以及全局靈敏性和不確定性分析模型等方法對生態(tài)彈性力進(jìn)行定量分析[18]。另外還有部分學(xué)者通過采用綜合評價法、層次分析法和主成分分析法對氣候、水文、植被覆蓋度等進(jìn)行指標(biāo)賦權(quán)來定量對生態(tài)系統(tǒng)彈性力進(jìn)行定量分析[6,11-12]，也有學(xué)者通過土地利用類型反映植被覆蓋情況，建立彈性分值反映生態(tài)系統(tǒng)彈性變化特征[19-21]。通過梳理相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，學(xué)者們多將生態(tài)系統(tǒng)彈性力的研究作為生態(tài)承載力研究的重要一環(huán)，而自然系統(tǒng)的彈性力的研究尚且缺乏。

鑒于此，本文在以往學(xué)者研究的基礎(chǔ)上，本研究基于2000—2015年中國土地利用遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)、植被覆蓋度數(shù)據(jù)以及氣候數(shù)據(jù)，結(jié)合生態(tài)系統(tǒng)彈性力的內(nèi)涵，即彈性強(qiáng)度系數(shù)和彈性限度，通過建立生態(tài)彈性力評估框架。測度并且分析2000—2015年中國生態(tài)系統(tǒng)彈性力時空演變特征，以期為我國生態(tài)環(huán)境保護(hù)和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)參考。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文采用的2000年、2005年、2010年、2015年土地利用/覆被變化數(shù)據(jù)(Land use/land cover change，LUCC)數(shù)據(jù)、歸一化植被指數(shù)年度植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index，NDVI)空間分布數(shù)據(jù)集和1980年以來中國逐年年平均氣溫、年降水量均來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http:∥www.resdc.cn)。其中2000年、2005年、2010年3期LUCC數(shù)據(jù)生產(chǎn)制作是以各期Landsat TM/ETM遙感影像為主要數(shù)據(jù)源，通過人工目視解譯生成，2015年LUCC數(shù)據(jù)更新是在2010年數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，基于Landsat 8 遙感影像，通過人工目視解譯生成，分辨率為1 km。中國土地利用現(xiàn)狀遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)庫是目前我國精度最高的土地利用遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)產(chǎn)品，總體精度高于90%，已經(jīng)在國家土地資源調(diào)查、水文、生態(tài)研究中發(fā)揮著重要作用[22]。土地利用類型包括耕地、林地、草地、水域、居民地和未利用土地6個一級類型以及25個二級類型。中國年度植被指數(shù)空間分布數(shù)據(jù)集是基于連續(xù)時間序列的SPOT/VEGETATION NDVI衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，采用最大值合成法生成的1998年以來的年度植被指數(shù)數(shù)據(jù)集；中國1980年以來逐年年平均氣溫、年降水量空間插值數(shù)據(jù)集是基于全國2 400多個氣象站點(diǎn)日觀測數(shù)據(jù)，通過整理、計算和空間插值處理生成。

1.2 研究方法

1.2.1 生態(tài)系統(tǒng)彈性力指數(shù)測算 參考以往研究，根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)彈性強(qiáng)度系數(shù)與彈性限度因素，建立生態(tài)系統(tǒng)彈性力評估框架[23]。計算公式如下：

E=μ·ECOres

(1)

式中：E為生態(tài)系統(tǒng)彈性力；μ為生態(tài)系統(tǒng)彈性強(qiáng)度系數(shù)；ECOres生態(tài)系統(tǒng)彈性限度。

根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)彈性強(qiáng)度系數(shù)與彈性限度的自身內(nèi)涵和性質(zhì)，式中各土地利用類型彈性分值參考有關(guān)學(xué)者的研究進(jìn)行賦值[24]，生態(tài)系統(tǒng)彈性強(qiáng)度系數(shù)與彈性限度計算公式如下[3,12]：

(2)

(3)

式中：μ為生態(tài)系統(tǒng)彈性強(qiáng)度系數(shù)；H為景觀多樣性指數(shù)；V為植被覆蓋指數(shù)；C1為年氣溫變率；C2為降水變率；ECOres為生態(tài)系統(tǒng)彈性限度；Pi為第i種土地利用類型面積的比重；Si為第i種土地利用類型的彈性分值，參考劉曉平等[9]。

1.2.2 景觀多樣性指數(shù)計算 景觀多樣性指數(shù)反映區(qū)域景觀類型的多樣性及其景觀結(jié)構(gòu)變化[25-26]。指數(shù)越高，景觀類型越豐富，生態(tài)系統(tǒng)彈性力也就越大[27]，計算公式如下[28]：

(4)

式中：H為景觀多樣性指數(shù)；Pi為i類土地利用類型所占比重；n為研究區(qū)土地利用類型數(shù)量。

1.2.3 植被覆蓋指數(shù)計算 本文采用國內(nèi)外廣泛運(yùn)用的歸一化植被指數(shù)來反映地表植被覆蓋程度[29]，計算公式為：

(5)

式中：NDVI 為歸一化植被指數(shù)，取值范圍為[-1，1]，0以下表示非植被覆蓋區(qū)；NIR為近紅外波段(0.841～0.876 μm)；Red為可見光的紅光波段(0.62～0.67 μm)。

1.2.4 年降水變率C1和年氣溫變率C2計算 本研究采用年降水相對變率，即降水絕對變率與某一時段內(nèi)平均降水量的百分比，計算公式為：

(6)

式中：C1為研究區(qū)多年平均降水相對變率；Ri為第i年某時段內(nèi)實際降水量；R為同時段內(nèi)歷年平均降水量。

年氣溫變率指的是氣溫的年度變化，用年度的相對變化比率來表征，計算公式為：

(7)

式中：C2為研究區(qū)多年平均氣溫相對變率；Ti為第i年某時段內(nèi)溫度；T為同時段內(nèi)歷年平均氣溫。

2 結(jié)果與分析

2.1 景觀多樣性指數(shù)分析

2000年、2005年、2010年、2015年全國縣級單元的景觀多樣性指數(shù)分別為1.555，1.559，1.562，1.568，表現(xiàn)出持續(xù)增加的趨勢。說明中國土地利用結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，復(fù)雜水平逐漸提高，中國土地利用正處于轉(zhuǎn)型階段。從空間分布來看，2000—2015年間全國縣域景觀多樣性指數(shù)，低值區(qū)主要集中在新疆東南縣區(qū)、西藏的西北縣區(qū)、甘肅西北縣區(qū)以及內(nèi)蒙古的部分縣區(qū)，這些地區(qū)主要以未利用地為主要的景觀類型，導(dǎo)致景觀多樣性指數(shù)較低。另外景觀多樣性指數(shù)在華北平原以及四川盆地等部分縣區(qū)仍然可以發(fā)現(xiàn)景觀多樣性指數(shù)低值區(qū)。景觀多樣性指數(shù)高值區(qū)主要分布在松嫩平原、太行山沿線地區(qū)、黃土高原地區(qū)、云貴高原和新疆的西北縣區(qū)及主要的城市群地區(qū)(長江中游城市群、長三角地區(qū)和珠三角城市群)以及大城市周邊縣區(qū)(圖1)。

注：此圖根據(jù)國家測繪地理信息局標(biāo)準(zhǔn)底圖(審圖號：GS(2016)1569號)繪制，底圖無修改。下同。

圖1 2000年、2015年中國景觀多樣性指數(shù)分布

2.2 植被指數(shù)分析

2000年、2005年、2010年、2015年全國縣級單元年度植被指數(shù)平均值分別為0.622，0.674，0.694，0.674，2000—2010年3個時期的中國年度植被指數(shù)持續(xù)增加，2015年略有降低，降低至2005年水平?？臻g分布上可以發(fā)現(xiàn)顯著的空間異質(zhì)性特征，中國植被覆蓋度指數(shù)的低值區(qū)主要分布在中國西北地區(qū)(主要包括新疆、西藏、青海、甘肅、內(nèi)蒙古和寧夏)以及東部的城市群和大城市周邊地區(qū)?？梢园l(fā)現(xiàn)東部地區(qū)的山區(qū)植被覆蓋度尤其高，而在東部地區(qū)的平原地區(qū)相對較低(圖2)。中國西北地區(qū)由于氣候條件的限制，未利用地廣泛分布，導(dǎo)致植被覆蓋度較低，而東部地區(qū)的平原地區(qū)是人口和經(jīng)濟(jì)集聚區(qū)，頻繁的人類活動是這些地區(qū)植被覆蓋度較低的原因。另外中國一系列林業(yè)工程項目的實施，如退耕還林以及天然林保護(hù)工程等項目的實施，在一定程度上改善了中國植被覆蓋度。

圖2 2000年、2015年中國植被指數(shù)空間分布

2.3 年降水變率C1和年氣溫變率C2分析

本文以自1980—2015年的降水和氣溫變化數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，通過公式(6)和(7)進(jìn)行降水和氣溫相對變率計算，1980—2000年、1980—2005年、1980—2010年和1980—2015年間降水的相對變率分別為13.213%，13.636%，13.552%和13.213%，而氣溫的相對變率分別為0.151%，0.161%，0.177%和0.182%。可以發(fā)現(xiàn)不同時間階段降水變化率顯著高于氣溫變化率，降水相對變率呈現(xiàn)出先急劇上升后緩慢下降的過程，氣溫相對變率呈現(xiàn)的變化特點(diǎn)是逐期上升的變化趨勢。從各個時期降水相對變率的空間分布圖來看(圖3)，總體的空間格局保持穩(wěn)中，但是穩(wěn)中又有波動。具體地，變化較小的低值區(qū)和較低值區(qū)主要集中在中國的山區(qū)(大興安嶺、小興安嶺、太行山和橫斷山脈等)，而在新疆的東南地區(qū)、西藏的南部以及華北平原的部分縣區(qū)和內(nèi)蒙古地區(qū)的部分地區(qū)波動較為顯著。氣溫變化率的空間分布同樣表現(xiàn)出東南地區(qū)變化波動小于西北地區(qū)的總體特征(圖4)。具體地，在中國的新疆、西藏、青海、內(nèi)蒙古地區(qū)以及東北地區(qū)氣溫波動較為顯著，而相對而言秦嶺淮河以南地區(qū)氣溫波動較小，相對較為穩(wěn)定。

圖3 2000年、2015年中國降水相對變率分布

2.4 生態(tài)彈性力強(qiáng)度系數(shù)結(jié)果與分析

利用公式(2)可以計算出生態(tài)彈性力強(qiáng)度系數(shù)，2000年、2005年、2010年、2015年全國縣級單元生態(tài)彈性力強(qiáng)度系數(shù)均值分別為0.354，0.338，0.312，0.313，2000—2010年間中國生態(tài)彈性力強(qiáng)度系數(shù)呈現(xiàn)出逐期下降的態(tài)勢，2015年較2010年有小幅增加，但均小于2000年、2005年的生態(tài)彈性力強(qiáng)度系數(shù)算術(shù)平均值，2000—2015年間我國生態(tài)彈性力強(qiáng)度系數(shù)整體是在不斷降低，說明我國的生態(tài)系統(tǒng)自我調(diào)節(jié)和抗干擾能力減弱，系統(tǒng)穩(wěn)定度降低。研究期間中國生態(tài)彈性力強(qiáng)度系數(shù)空間分布格局變化不大(圖5)，具體來說生態(tài)彈性力強(qiáng)度系數(shù)高值區(qū)主要分布在秦嶺淮河以南的地區(qū)，在西南地區(qū)(四川、云南、廣西和重慶)最為顯著。秦嶺淮河以北地區(qū)生態(tài)彈性力強(qiáng)度系數(shù)總體較低，在西藏、新疆、青海、寧夏、甘肅和內(nèi)蒙古地區(qū)尤其較低。

2.5 生態(tài)系統(tǒng)彈性限度分析

2000—2015年中國生態(tài)系統(tǒng)彈性限度的平均值分別為0.543，0.547，0.548，0.554。研究期間中國生態(tài)系統(tǒng)彈性限度呈現(xiàn)逐漸增長的趨勢，2000—2005年間的生態(tài)系統(tǒng)彈性限度增長幅度最大，2010—2015年間次之，2005—2010年間的增長幅度最小。為了進(jìn)一步分析生態(tài)系統(tǒng)彈性限度時空分布特征，本研究基于自然段點(diǎn)法，展示了中國生態(tài)系統(tǒng)彈性限度的時空分布特征。中國生態(tài)系統(tǒng)彈性限度的空間分布格局和景觀多樣性指數(shù)分布格局相似(圖6)，中國生態(tài)系統(tǒng)彈性限度低值區(qū)主要集中在新疆、西藏、甘肅和內(nèi)蒙古等省份的部分縣區(qū)，另外在華北平原和四川盆地等地方同樣可以發(fā)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)彈性限度低值區(qū)。中國生態(tài)系統(tǒng)彈性限度高值區(qū)主要分布在松嫩平原、太行山沿線地區(qū)、黃土高原地區(qū)、橫斷山脈地區(qū)和云貴高原地區(qū)。另外在新疆的西北部分縣域以及東南沿海地區(qū)的縣區(qū)同樣存在生態(tài)系統(tǒng)彈性限度高值區(qū)。

圖4 2000年、2015年中國氣溫變率分布

圖5 2000年、2015年中國生態(tài)彈性力強(qiáng)度系數(shù)空間分布

2.6 生態(tài)系統(tǒng)彈性力時空演變特征分析

基于生態(tài)系統(tǒng)彈性強(qiáng)度系數(shù)和生態(tài)系統(tǒng)彈性限度計算得出2000—2015年間中國生態(tài)系統(tǒng)彈性力的時空分布特征。2000年、2005年、2010年、2015年4期中國生態(tài)系統(tǒng)彈性力系數(shù)空間分布見圖7。2000—2015年總體來看中國生態(tài)系統(tǒng)彈性力系數(shù)變化處于不斷減小的階段，生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性有較為明顯的下降。2000年、2005年、2010年、2015年中國生態(tài)系統(tǒng)彈性力系數(shù)平均值分別為0.208，0.201，0.185，0.188。說明2000—2010年間中國生態(tài)系統(tǒng)自我調(diào)節(jié)能力和抗干擾能力下降，系統(tǒng)穩(wěn)定性有所降低，而2010—2015年間中國生態(tài)系統(tǒng)彈性力有所改善，但是研究期間整體來看中國生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性總體是出于趨于不斷弱化的狀態(tài)。2000年、2005年、2010年、2015年中國生態(tài)系統(tǒng)彈性力系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差分為別0.163，0.150，0.130，0.137，變異系數(shù)分別為0.784，0.746，0.703，0.730。2000—2015年間中國生態(tài)系統(tǒng)彈性力變異系數(shù)不斷降低，說明中國縣區(qū)生態(tài)系統(tǒng)彈性力區(qū)域差異有所降低，但并不明顯。2010—2015年中國縣區(qū)生態(tài)系統(tǒng)彈性力區(qū)域差異有所擴(kuò)大。但是總體來看生態(tài)系統(tǒng)彈性力穩(wěn)定性區(qū)域不平衡性有所緩解，區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性朝著均衡方向發(fā)展，差異仍然顯著。2000—2005年、2005—2010年、2010—2015年間中國生態(tài)系統(tǒng)彈性力縣區(qū)降低的數(shù)量比重分別為50.570%，62.510%，46.880%，可以看出2000—2005年到2005—2010年間中國生態(tài)系統(tǒng)彈性力惡化的縣域數(shù)量在不斷增加，而在2010—2015年間中國生態(tài)系統(tǒng)彈性力有所降低?；谧匀粩帱c(diǎn)法繪制了研究期間中國縣區(qū)生態(tài)系統(tǒng)彈性力時空分布圖，研究期間中國生態(tài)系統(tǒng)彈性力空間分布總體保持穩(wěn)定，具體而言2000年、2005年、2010年、2015年中國生態(tài)系統(tǒng)彈性力的高值區(qū)分布在長江經(jīng)濟(jì)帶以及以南的地區(qū)，在云南省、四川省以及貴州省的部分地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)彈性力顯著高于其他地區(qū)。另外在主要的河流湖泊沿線地區(qū)(如鄱陽湖平原地區(qū)和洞庭湖平原地區(qū))同樣是生態(tài)系統(tǒng)彈性力高值區(qū)。在橫斷山脈和太行山沿線地區(qū)以及黑龍江的部分縣區(qū)生態(tài)系統(tǒng)彈性力同樣較高，而在中國的西北地區(qū)(新疆、西藏、青海、甘肅省和內(nèi)蒙古地區(qū))生態(tài)系統(tǒng)彈性力指數(shù)低于0.1，其他區(qū)域包括四川盆地和華北平原的部分地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)彈性力指數(shù)同樣較低。從中國生態(tài)系統(tǒng)彈性力變化的時空分布特征來看，2000—2005年、2005—2010年間中國生態(tài)系統(tǒng)彈性力改善的縣域主要分部分秦嶺淮河以北的地區(qū)，而在2010—2015年間中國生態(tài)系統(tǒng)彈性力改善的縣域主要集中在秦嶺淮河以南的縣區(qū)。

圖6 2000年、2015年中國生態(tài)系統(tǒng)彈性限度空間分布

圖7 2000-2015年中國生態(tài)系統(tǒng)彈性力空間分布

3 結(jié)論與討論

(1) 2000—2015年中國生態(tài)系統(tǒng)彈性力指數(shù)總體呈現(xiàn)先增加后降低的態(tài)勢。研究期間中國生態(tài)系統(tǒng)彈性力系數(shù)的高值區(qū)和低值區(qū)分布地區(qū)大致相同，高值區(qū)主要分布在云南、貴州、四川和重慶等地區(qū)，在其他地區(qū)有零星分布；低值區(qū)集中分布在西北地區(qū)的西藏、新疆、青海、內(nèi)蒙古和甘肅等省份內(nèi)。

(2) 2000—2005年和2005—2010年間中國生態(tài)系統(tǒng)彈性力改善區(qū)域主要分布在秦嶺淮河以北地區(qū)，然而，2010—2015年間秦嶺淮河以南地區(qū)是中國生態(tài)系統(tǒng)彈性力改善區(qū)域。中國中國生態(tài)系統(tǒng)彈性力的變化和中國林業(yè)工程項目以及社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展有密切關(guān)系。

本研究對2000—2015年中國縣域生態(tài)系統(tǒng)彈性強(qiáng)度系數(shù)和生態(tài)系統(tǒng)彈性限度計算的基礎(chǔ)上構(gòu)建了中國生態(tài)系統(tǒng)彈性力評價框架，對中國縣域生態(tài)系統(tǒng)彈性力時空分布特征進(jìn)行了深入分析。在一定程度上解釋了中國生態(tài)系統(tǒng)彈性力空間格局形成機(jī)理，可以為國土空間規(guī)劃和生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)政策制定提供科學(xué)的借鑒。但是本研究僅對中國生態(tài)系統(tǒng)彈性力評估過程進(jìn)行了全面的分析，缺乏局部演化特征的詳細(xì)解釋分析，而且具體的影響機(jī)理仍需進(jìn)一步探索和深化。本研究采用的ArcGIS的可視化以及數(shù)據(jù)集成方法在同樣可以運(yùn)用到其他領(lǐng)域，為大尺度的自然地理數(shù)據(jù)獲取方法提供了借鑒。構(gòu)建評估框架模型把土地利用科學(xué)、生態(tài)學(xué)、社會學(xué)和經(jīng)濟(jì)學(xué)有效的聯(lián)系起來，對于解決土地利用問題和生態(tài)環(huán)境問題具有重要的實踐意義。本研究綜合考慮了中國生態(tài)系統(tǒng)彈性力行政過程中的自然要素(植被覆蓋度、土地利用和氣候條件)，但是缺乏對社會經(jīng)濟(jì)因子的考慮，未來的生態(tài)系統(tǒng)彈性力研究中應(yīng)該綜合考慮自然因子和社會經(jīng)濟(jì)因子。