楊 磊,單姝瑤,桑 晨,劉 越,徐浩杰
(蘭州大學草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家重點實驗室 / 蘭州大學農(nóng)業(yè)農(nóng)村部草牧業(yè)創(chuàng)新重點實驗室 /蘭州大學草地農(nóng)業(yè)教育部工程研究中心 / 蘭州大學草地農(nóng)業(yè)科技學院, 甘肅 蘭州 730020)
生態(tài)環(huán)境包括自然資源和整個環(huán)境的各種因素,是關(guān)系到社會和經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展的復合生態(tài)系統(tǒng),可分為自然環(huán)境、經(jīng)濟環(huán)境和社會文化環(huán)境[1]。生態(tài)環(huán)境質(zhì)量是指與人類有關(guān)的自然資源及人類賴以生存的環(huán)境的優(yōu)劣程度,反映生態(tài)環(huán)境對人類生存及社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的制約和限制。人口數(shù)量急劇增加和消費水平不斷提升造成人類活動對生態(tài)環(huán)境的影響日益加劇,催生了氣候變暖、水資源短缺、土地荒漠化和生物多樣性銳減等問題。評價生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的時空演變及其驅(qū)動機制,對生態(tài)環(huán)境保護政策的制定及人類與自然耦合系統(tǒng)的協(xié)調(diào)發(fā)展具有重要意義。
目前生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的評價方法主要有層次分析法、模糊評價法、灰色聚類分析法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和指數(shù)構(gòu)建法。層次分析法可確定生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指標的相對重要性,需要專家根據(jù)經(jīng)驗給出因子權(quán)重,定性成分多[2];模糊評價法以模糊數(shù)學理論為基礎(chǔ),將評價對象分解成若干評價因素,再利用模糊變換獲得評價對象的綜合評判值,當指標集個數(shù)較大時,對指標權(quán)重矢量的確定主觀性較強[3];灰色聚類分析法是建立在灰數(shù)的白化函數(shù)生成基礎(chǔ)上的多維灰色評估方法,每個特性指標對每個評判子類均需設(shè)定白化權(quán)函數(shù),實現(xiàn)起來較為困難[4];人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種模仿生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和功能的數(shù)學模型,當樣本量較少或代表性較低時,網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建效果不佳且計算復雜[5]。近幾十年來,指數(shù)構(gòu)建法以其宏觀、快速、實時和綜合的優(yōu)點,在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[6-7]。國外主要有美國國家野生動物聯(lián)盟的環(huán)境質(zhì)量指數(shù)和加拿大環(huán)境部的總環(huán)境質(zhì)量指數(shù),我國生態(tài)環(huán)境部在《生態(tài)環(huán)境狀況評價技術(shù)規(guī)范》中提出生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù),但使用該指數(shù)時存在權(quán)重合理性、歸一化系數(shù)設(shè)定、指標可獲取性和結(jié)果可視化等問題[8]。衛(wèi)星遙感對地觀測技術(shù)的發(fā)展為綜合指數(shù)法和遙感生態(tài)指數(shù)法提供了數(shù)據(jù)保障和技術(shù)支持。例如,有些學者基于生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的理論框架,采用綜合指數(shù)法對洞庭湖區(qū)域各生態(tài)系統(tǒng)類型進行生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量綜合評價和變化分析[9],或基于植被指數(shù)、濕度分量、地表溫度和土壤指數(shù),耦合了一種新型的遙感生態(tài)指數(shù)來監(jiān)測區(qū)域生態(tài)質(zhì)量,并對生態(tài)環(huán)境變化進行時空分析、建模和預測[10]。
祁連山國家公園(以下簡稱“國家公園”)地處青藏高原、蒙新高原和黃土高原的交匯地帶,發(fā)揮水源涵養(yǎng)、生物多樣性保護和徑流維持等諸多功能,是中國西部重要的生態(tài)安全屏障。長期以來,國家公園受礦產(chǎn)資源開發(fā)、水利工程建設(shè)、過度放牧和旅游業(yè)發(fā)展等人類活動的干擾,區(qū)域內(nèi)森林病害嚴重,草地退化,水土流失加劇,生態(tài)環(huán)境亟待加強保護與治理[11-12]。當前,國家公園生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價的研究十分欠缺,尚未建立適宜的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價指標體系,對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的時空變化規(guī)律尚不明確。有研究提出選取自然、社會、環(huán)境污染狀況、環(huán)境治理狀況和生態(tài)效益等多方面指標,采用模糊綜合評價法對祁連山生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進行評價,但資料收集困難,未給出評價結(jié)果[13];也有學者利用遙感生態(tài)指數(shù)評價國家公園生態(tài)環(huán)境質(zhì)量,以綠度、濕度、干度和熱度為指標,該方法僅使用遙感數(shù)據(jù),忽略了人口和經(jīng)濟社會等方面的影響,評價不全面[14]。因此,本研究基于國家公園的生態(tài)環(huán)境特征,從自然、經(jīng)濟和社會等方面選取表征生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的關(guān)鍵指標,建立生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價指標體系,構(gòu)建生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù),量化生態(tài)環(huán)境質(zhì)量,并探究其時空演變規(guī)律,揭示影響生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化的主要因素。
祁連山國家公園地處甘肅和青海兩省的交界處(94°49′18″~102°59′08″ E,36°46′45″~39°47′05″ N),是我國首批設(shè)立的10 個國家公園體制試點之一,總面積約為5.02 萬km2(圖1)。甘肅片區(qū)占總面積的68.5%,包括阿克塞哈薩克族自治縣、肅北蒙古族自治縣、肅南裕固族自治縣、民樂縣、甘州區(qū)、山丹縣、永昌縣、涼州區(qū)、古浪縣和天祝藏族自治縣;青海片區(qū)占總面積的31.5%,涉及門源回族自治縣、祁連縣、天峻縣和德令哈市。國家公園自西北向東南由諸多的溝谷、高山和山間盆地組成,海拔1 722~5 791 m,屬大陸性高寒半濕潤山地氣候,太陽輻射強,年均溫在4 ℃左右,晝夜溫差較大,氣溫與降水垂直分布明顯,年平均降水約400 mm,干濕分明,雨熱同期。區(qū)域內(nèi)的森林資源、水資源、礦產(chǎn)資源和動植物資源豐富,是我國重要的生態(tài)功能保護區(qū)。
圖1 祁連山國家公園行政區(qū)劃圖Figure 1 Administrative division map of Qilian Mountain National Park
2000-2018 年的自然數(shù)據(jù)來源于遙感監(jiān)測和氣象觀測。遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)由美國土地進程分布式活動檔案中心提供(http://lpdaac.usgs.gov/)。月尺度的增強型植被指數(shù)(enhanced vegetation Index, EVI)和歸一化差值植被指數(shù)(normalized difference vegetation index, NDVI)數(shù)據(jù)來自MODIS MOD13A3 產(chǎn)品,空間分辨率為1 km。8 d 間隔和500 m 空間分辨率的葉面積指數(shù)(leaf area index, LAI)數(shù)據(jù)來自MODIS MOD15A2H 產(chǎn)品。年植被凈初級生產(chǎn)力(net primary productivity, NPP)數(shù)據(jù)來自MODIS MOD17A3HGF 產(chǎn)品。采用ArcGIS 10.0 軟件中集成的雙線性內(nèi)插法將LAI 和NPP 空間重采樣為1 km?;贜DVI 數(shù)據(jù),采用混合像元分解模型計算植被覆蓋度(vegetation coverage, VC)。氣象臺站觀測數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn)??紤]到研究區(qū)氣象站點分布稀少,本研究采用2000-2018 年中國842 個基本氣象觀測站所監(jiān)測的年均溫、年降水和年太陽輻射數(shù)據(jù),利用ANUSPLIN version 4.4 軟件(Australia Nation University)的薄盤樣條法進行空間插值,生成1 km 空間分辨率的氣象數(shù)據(jù)集,并通過矢量數(shù)據(jù)裁剪獲得研究區(qū)的氣象數(shù)據(jù)。2000-2018 年國家公園境內(nèi)14 個縣(區(qū))的社會經(jīng)濟統(tǒng)計數(shù)據(jù)來源于EPS 數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(https://www.epsnet.com.cn/)提供的《甘肅省統(tǒng)計年鑒》和《青海省統(tǒng)計年鑒》。
2.2.1 建立生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價指標體系
生態(tài)環(huán)境受到自然因素和人為因素的雙重影響,自然因素是生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化的客觀條件與宏觀背景;人為因素,如當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展、人口增長和社會穩(wěn)定、政策驅(qū)動與資源利用等對生態(tài)環(huán)境的保護顯然不應(yīng)忽視[15]。因此,本研究同時考慮了山地自然環(huán)境背景及其下游綠洲的經(jīng)濟社會活動對山區(qū)生態(tài)環(huán)境的潛在影響。在參照已有生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價指標體系的基礎(chǔ)上[13-17],以整體性、層次性和可操作性為原則,從自然、經(jīng)濟和社會三方面篩選出20 個生態(tài)環(huán)境質(zhì)量表征指標(圖2)。年均溫、年降水和年輻射代表水、熱、光狀況,VC 和EVI 反映植被生長狀況,LAI 和NPP 分別指示生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力。糧食種植面積、林業(yè)總產(chǎn)值和牲畜飼養(yǎng)量指示農(nóng)林牧生產(chǎn)情況,三大產(chǎn)業(yè)增加值指數(shù)反映發(fā)展趨勢,人均總產(chǎn)值增加值指數(shù)表征發(fā)展程度。農(nóng)業(yè)人口、非農(nóng)業(yè)人口、人口自然增長率和受教育人口分別反映人口數(shù)量、組成、變化和受教育程度。城鄉(xiāng)居民儲蓄和農(nóng)村居民純收入反映居民消費及生活水平。
圖2 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價指標體系Figure 2 Assessment indicator system for eco-environmental quality
2.2.2 指標數(shù)據(jù)標準化
統(tǒng)計國家公園界線范圍內(nèi)各縣(區(qū))逐年的自然、經(jīng)濟和社會數(shù)據(jù),計算單位面積平均值。
2.2.3 確定指標貢獻度
運用SPSS 26.0 軟件(IBM)對每個縣(區(qū))20 項指標的標準化結(jié)果進行主成分分析,以統(tǒng)計量(KMO)取值大于0.7,特征根大于1,方差貢獻率大于85%為標準,每個縣(區(qū))共提取4 個主成分。將指標在各主成分線性組合中的系數(shù)除以對應(yīng)各主成分方差百分比的平方根[14]。
方差百分比表示各主成分方差貢獻率,方差貢獻率越大則該主成分的重要性越強。指標貢獻度等于以主成分的方差貢獻率為權(quán)重,對該指標在各主成分線性組合中系數(shù)的絕對值進行加權(quán)平均,并進行總和標準化,最終得到各縣(區(qū))所有指標的貢獻度Wij(表1)。
表1 指標貢獻度Table 1 Contribution of the indicator%
式中:i表示縣(區(qū)),j表示指標,k表示主成分。
2.2.4 構(gòu)建生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)
生態(tài)環(huán)境質(zhì)量取決于各指標的背景值與貢獻度。將2000-2018 年極差標準化后的自然、經(jīng)濟和社會統(tǒng)計數(shù)據(jù)乘以指標貢獻度,并進行加和,逐年計算各縣(區(qū))生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)(eco-environmental quality index, EQI)。
國家公園(特指國家公園所有縣域)多年平均EQI 大體呈現(xiàn)“東高西低”的空間分布,自東南至西北,EQI 逐漸降低,其中EQI 最高值和最低值分別出現(xiàn)在民樂和肅北,分別為0.427 和0.031。EQI 高于國家公園平均水平的縣(區(qū))占比為64.3%,低于平均水平的縣(區(qū))占比為35.7% (圖3)。
圖3 不同縣(區(qū))多年平均EQI 的空間分布Figure 3 Spatial distribution of the mean annual EQI in different counties
對研究時段內(nèi)各縣(區(qū)) EQI 進行單因素方差分析(圖4)。結(jié)果表明,國家公園東部的永昌、涼州、古浪、天祝、甘州、民樂、山丹和門源的EQI 顯著高于國家公園平均水平(P< 0.05),國家公園中部祁連的EQI 與國家公園的整體水平相當,國家公園西部的肅南、阿克塞、肅北、德令哈和天峻的EQI 顯著低于國家公園平均水平(P< 0.05)。
圖4 各縣(區(qū)) EQI 的比較Figure 4 Comparison of the EQI for each county
2000-2018 年國家公園EQI 呈顯著上升趨勢(P<0.05),EQI 最低值出現(xiàn)在2001 年,為0.075,最高值出現(xiàn)在2018 年,為0.128 (圖5)。2000-2004 年和2007-2011 年EQI 波動較大,2004-2007 年和2011-2018年EQI 波動較小。相較于2000-2009 年,2009-2018年EQI 的增長速率提高3.2 倍。研究時段內(nèi)各縣(區(qū))EQI 的年際變化與國家公園基本相同,均呈顯著上升趨勢,但與其他縣(區(qū))相比,涼州、民樂、山丹、古浪和德令哈在2000-2009 年間EQI 變化較小(圖6)。
圖5 不同時段國家公園EQI 的年際變化趨勢Figure 5 Inter-annual trends in the EQI for the National Park during different periods
圖6 各縣(區(qū)) EQI 的年際變化Figure 6 Inter-annual variations of the EQI for each county
盡管國家公園EQI 整體呈增加趨勢,但受不同地域自然和經(jīng)濟社會發(fā)展狀況的影響,各縣(區(qū))增長速率不同(圖7)。結(jié)果表明,甘州、涼州、古浪、門源、永昌、山丹、民樂、天祝、祁連和德令哈的EQI 增長速率較快,高于整個國家公園平均水平。天峻、肅南、阿克塞和肅北的EQI 增長速率較慢,低于整個國家公園平均水平。
圖7 各縣(區(qū)) EQI 的年增長率Figure 7 Annual growth rates of the EQI for each county
基于國家公園生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價指標體系,分析各縣(區(qū))的二級指標權(quán)重。結(jié)果表明,影響國家公園生態(tài)環(huán)境質(zhì)量時空變化的因子重要性排序為自然因素 > 經(jīng)濟因素 > 社會因素,三者的貢獻度分別為52%、28%和20% (圖8)。自然指標正向作用于生態(tài)環(huán)境質(zhì)量,重要性排序從高到低依次是NPP、LAI、VC、EVI、年輻射、年降水和年均溫,貢獻度分別為7.3%、6.8%、6.5%、5.9%、5.9%、3.9%和3.4% (表1)。2000-2018年國家公園年降水量呈顯著增加趨勢(P< 0.05),2000 年為265.9 mm,2018 年為449.3 mm,平均每年增加5.1 mm (圖9)。降水增加有利于植被生長,植被蓋度和生物量增加明顯改善生態(tài)環(huán)境。2000-2018 年國家公園的年均溫亦呈顯著增加趨勢(P< 0.05),2000 年為-5.9 ℃,2018 年為-5.0 ℃,年均增加0.03℃。2000-2018 年國家公園年輻射量顯著增加(P< 0.05),年增長率為9.8 MJ·m-2,輻射量增加促進植被光合作用。
圖8 各縣(區(qū))二級指標貢獻度Figure 8 Contributions of the secondary indicators for each county
圖9 年均溫、年降水和年太陽輻射的年際變化Figure 9 Inter-annual variations of the annual mean temperature, precipitation, and solar radiation
經(jīng)濟指標中,牲畜飼養(yǎng)量、第一產(chǎn)業(yè)增加值指數(shù)和林業(yè)總產(chǎn)值的貢獻度較高且為正向貢獻,貢獻度分別為6.8%、6.6%和5.4% (表1),表明林牧業(yè)發(fā)展改善生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。第二、三產(chǎn)業(yè)增加值指數(shù)負向作用于生態(tài)環(huán)境質(zhì)量,貢獻度分別為2.6%和1.8%,并主要發(fā)生在國家公園甘肅片區(qū)(圖10)。社會指標中,因子重要性排序由高到低依次為城鄉(xiāng)居民儲蓄、農(nóng)村居民純收入、受教育人口、非農(nóng)業(yè)人口、自然增長率和農(nóng)業(yè)人口(圖11),貢獻度分別為6.2%、6.1%、4.6%、4.6%、1.1%和7.1%。社會統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明,諸多縣(區(qū))自然增長率和農(nóng)業(yè)人口呈下降趨勢,城鄉(xiāng)居民儲蓄、農(nóng)村居民純收入、受教育人口和非農(nóng)業(yè)人口呈增加趨勢。
圖10 各縣(區(qū))糧食種植面積及第二、三產(chǎn)業(yè)增加值指數(shù)和人均總產(chǎn)值增加值指數(shù)的貢獻度Figure 10 Contributions of the grain planting area, added value index of secondary and tertiary industries, and per capita GDP added value index for each county
圖11 各縣(區(qū))社會指標貢獻度Figure 11 Contributions of each social factor for different cosunties
2000-2018 年國家公園EQI 呈顯著上升趨勢(P<0.05),相 較 于2000-2009 年,2009-2018 年EQI 的增長速率增加了3.2 倍,這與張華等[14]的研究結(jié)果一致。2008 年國家生態(tài)環(huán)境部印發(fā)《全國生態(tài)功能區(qū)劃》,明確了祁連山作為水源涵養(yǎng)地的重要地位,推動了國家公園生態(tài)保護的進程。氣候指標和植被生長狀況指標正向作用于生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。已有研究結(jié)果表明,國家公園植被的LAI、NPP、VC 和EVI 均與年降水顯著正相關(guān)[19-23]。國家公園位于內(nèi)陸干旱半干旱區(qū),氣候干旱,水分是限制植被生長的關(guān)鍵生態(tài)因子。然而,氣溫升高亦加速冰川消融,導致河流上游冰雪儲量減少,冰川融水對河流的補給能力降低,影響地表徑流量和中下游植被生長[24]。短期來看,氣溫升高對國家公園生態(tài)環(huán)境質(zhì)量有促進作用,但氣溫的長期影響仍有待考究,原因是氣溫升高可能降低土壤含水量,抑制植被生長[25]。輻射量增加促進植被光合作用,但導致蒸散量增加,降低土壤水分有效性[26]。因此,氣候暖濕化提升植被生態(tài)質(zhì)量,進而改善生態(tài)環(huán)境。
經(jīng)濟社會指標對國家公園生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的影響僅次于自然指標。農(nóng)業(yè)人口和第二、三產(chǎn)業(yè)增加值指數(shù)負向作用于生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。山區(qū)耕地面積擴張以侵占森林和草地為代價,生境質(zhì)量下降,水源涵養(yǎng)能力減弱,水土流失加劇[27]。礦產(chǎn)開采導致周邊植被破壞加劇,廢水廢料等污染物增多,土地和河流的污染負荷加重,而旅游人數(shù)增多和違規(guī)旅游開發(fā)亦可能不同程度污染大氣、水源和土壤[28]。諸多縣(區(qū))自然增長率和農(nóng)業(yè)人口呈下降趨勢,城鄉(xiāng)居民儲蓄、農(nóng)村居民純收入、受教育人口和非農(nóng)業(yè)人口呈增加趨勢,居民收入提高、受教育水平提升和勞動力轉(zhuǎn)移可能降低人類活動對國家公園的干擾,有利于提升生態(tài)環(huán)境質(zhì)量[29]。通過生態(tài)管護站建設(shè),將農(nóng)牧民就地轉(zhuǎn)化為管護員,在國家公園過渡區(qū)適度發(fā)展旅游業(yè),可增加農(nóng)牧民收入,減少對生態(tài)環(huán)境的破壞。
以上研究結(jié)果表明,未來應(yīng)提高受教育人口數(shù)量,加強天然林保護、退耕還林和退牧還草政策執(zhí)行力度,建立區(qū)域生態(tài)環(huán)境監(jiān)察機制,加大生態(tài)保護宣傳力度,重點關(guān)注肅北、阿克塞、肅南、天峻、德令哈和祁連等生態(tài)環(huán)境質(zhì)量提升較慢的縣(區(qū))。肅北、阿克塞和天峻位于祁連山中西部,降水量少,蒸發(fā)量大,氣候干旱,植被稀少。近幾十年來,人口增加、耕地擴張,林草復墾,二、三產(chǎn)業(yè)持續(xù)增加,生態(tài)環(huán)境與經(jīng)濟發(fā)展的矛盾日益加劇,應(yīng)優(yōu)化水資源配置,使自然與經(jīng)濟協(xié)調(diào)發(fā)展,加快生態(tài)恢復。肅南應(yīng)合理發(fā)展畜牧業(yè),開發(fā)草原生態(tài)旅游資源。德令哈和祁連應(yīng)適度增加人口,提高資源利用效率,通過經(jīng)濟增長增加生態(tài)保護投入。對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較高的縣(區(qū)),應(yīng)著力于生態(tài)環(huán)境的長效保護和修復機制。
本研究在國家公園生態(tài)環(huán)境質(zhì)量影響因素分析方面仍存在一定的不足,例如,環(huán)境污染負荷、土壤生境、牲畜載畜量和生物多樣性等空間信息難以獲取,導致生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價指標體系不夠完善。國家公園生態(tài)承載力的綜合評價和變化分析研究薄弱,未來將從生態(tài)承載力的形成和演變開展研究,為國家公園的建設(shè)和管理提供科學依據(jù)和決策支持。
國家公園多年平均EQI 大體呈現(xiàn)“東高西低”的空間分布,自東南至西北,EQI 逐漸降低。生態(tài)環(huán)境質(zhì)量存在空間異質(zhì)性,2000-2018 年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量顯著改善,本底值影響其增速。自然因素對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的貢獻度最高,經(jīng)濟和社會因素次之。氣候暖濕化、植被恢復、林牧業(yè)發(fā)展、受教育水平提升和居民收入提高正向作用于生態(tài)環(huán)境質(zhì)量,農(nóng)田開墾、礦產(chǎn)開采和旅游業(yè)發(fā)展可能對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量產(chǎn)生負向影響。近幾十年來國家公園水熱狀況顯著改善,生態(tài)管控和恢復措施不斷強化,有效促進了生態(tài)環(huán)境的自我修復。未來應(yīng)持續(xù)加強天然林保護、退耕還林和退牧還草政策的實施,重點關(guān)注肅北、阿克塞、肅南、天峻、德令哈和祁連等生態(tài)環(huán)境質(zhì)量提升較慢的縣(區(qū)),提高受教育人口數(shù)量,建立區(qū)域生態(tài)環(huán)境監(jiān)察機制,加大生態(tài)保護宣傳力度,加快生態(tài)恢復。