基于格网的南昌市生态环境脆弱性评价

王贝贝,丁明军,2,*,管琪卉,艾嘉会

1 江西师范大学地理与环境学院,南昌 330022 2 江西师范大学鄱阳湖湿地与流域教育部重点实验室,南昌 330022

生态环境脆弱性是指在特定时空尺度下,生态系统对于外界干扰所表现出的敏感反应和自我恢复能力,是自然属性和人类经济行为共同作用的结果[1]。科学认知、评价以及合理调控生态环境,是资源环境领域研究的热点问题,也是生态文明建设的迫切要求[2- 3]。全球变化和人类活动强度的加剧,对人类赖以生存和发展的生态系统造成巨大影响,使得生态环境脆弱性问题凸显[4]。

当前学者已从多个角度对生态环境的脆弱性展开研究。从研究尺度来看,宏观尺度主要以县域[5]、市域[6- 7]、省域[8- 9]及城市群[10]等为评价单元,微观尺度多以栅格[11]为评价单元,基于格网尺度的研究较少。从研究内容来看,主要是从特征、类型、形成机理、评价方法、评价指标体系、空间分布格局等方面[12- 14]来研究特定区域单一年份的生态环境脆弱性变化,但对不同年份的生态环境脆弱性变化、空间集聚特征探究的案例较少[10]。从实证研究采用的方法上看,层次分析法[15- 16]、熵值法[17]、主成分分析法[4,18- 19]、模糊评价法[20]等单一方法和模糊层次分析法[21- 23]、主成分-聚类分析法[24]等耦合模型得到了广泛应用。从研究区域上看,主要集中于两类地区,第一类地区为自然条件较差的地区,包括极端灾害易发地区(如地震[25- 26]、海啸[27]、火灾[28])、气候不适宜区(如干旱和半干旱区[29- 30])、高原[31- 33]及山区[34];第二类地区为人为干扰严重的地区,如三峡库区[4]、煤炭矿区[35- 37]、农牧交错区[38]、城乡交错结合带[39]、水陆交界区[40- 43]、农业区[44];但对南昌市这类处于快速城市化进程且位于南方红壤水土流失区的研究鲜少。

针对当前研究中评价单元粒度较粗糙、研究时段跨度较小、典型案例区涵盖不全面、评价指标相对单一的现状[45],本文以公里格网为评价单元,将南方红壤水土流失区快速城市化典型代表南昌市作为研究区,以SRP概念模型为评价体系,采用空间主成分分析法,并结合全局Moran′s I指数和LISA聚类图,对南昌市2000—2015年生态环境脆弱性进行动态定量评价,进而揭示南昌市生态环境脆弱性的时空分布特征及其驱动力,力图为市域范围内的生态建设和恢复提供理论依据。

1 研究区概况

南昌市(115°27′—116°35′E、28°10′—29°11′N)位于江西省中北部,辖东湖、西湖、青云谱、青山湖、湾里、新建6区和南昌、进贤、安义3县。该区属亚热带湿润季风气候,是典型的“夏炎冬寒”型城市,年降水量1600—1700 mm,年平均气温17.0—17.7℃。境内以地丘、岗地和平原为主,东南较为平坦,西北丘陵起伏,区内水网密布,湖泊众多。南昌市是中国唯一一个毗邻闽南金三角、珠江三角洲和长江三角洲的省会城市,是鄱阳湖生态经济区核心城市,是生态文明先行示范区,是国家级新区赣江新区中心城市,是全国首批低碳试点城市,也是中国重要的综合交通枢纽和现代制造业基地[46- 47]。近几十年来,随着人类活动强度的加大,区域内土地利用变化剧烈,出现了诸多生态问题;另一方面该地区西郊隐伏断裂发育,夏季多短时强降雨,容易引发泥石流、崩塌、滑坡等地质灾害,这对该地区生态安全造成了严重的威胁[48]。

2 研究方法

2.1 数据来源及预处理

2.1.1数据来源

本文所采用的数据主要包括遥感数据、气象数据、DEM数据和社会经济数据。土地利用/覆被数据选用基于2000和2015年2期分辨率为30 m的Landsat遥感影像数据,采用目视解译构建的南昌市土地利用数据集中的两期数据[46,49];2000和2015年归一化植被指数(NDVI)是基于美国地质调查局(https://glovis.usgs.gov)下载的Landsat-NDVI时序数据采用最大值合成而得,分辨率为30 m;气象数据(月均温、月降水)来源于国家气象科学数据共享服务平台(http://data.cma.cn/),数据年份为2000和2015年;DEM数据来源于地理空间数据云(http://www.gscloud.cn/),分辨率为30 m;社会经济统计数据来源于2000和2015年《江西省统计年鉴》、《南昌市统计年鉴》以及南昌市各县区统计公报。

图1 研究区位置示意图Fig.1 Location of study area

2.1.2数据预处理

(1)DEM数据：通过在ArcGIS 10.3软件平台的Surface和Neighborhood工具获取坡度和地形起伏度数据。

(2)景观多样性和景观破碎度数据：以栅格化后的两期土地利用/覆被数据为对象,基于Fragstas 3.3软件处理所得,计算方法见式(1)和式(2)：

香农多样性指数：

(1)

式中,m为景观类型数目,Pi为景观斑块类型i所占的比率。

斑块密度：

(2)

式中,Ni为景观类型i的斑块数量,A为研究区总面积。

(3)土地利用程度综合指数数据：土地利用程度综合指数综合反映了某一地区土地利用程度[50],计算公式见式(3)：

(3)

式中,La为土地利用程度综合指数;Ai为第i级的土地利用程度分级指数;Ci为第i级土地利用程度分级面积比。

(4)气象数据：年均气温、年均降水量、极端最高温、极端最低温和极端暴雨日数基于南昌市及周边地区15个气象站点资料进行空间插值得到。

(5)社会经济数据：人口密度为各县(区)的总人口/总面积;人均GDP为各县(区)的地区生产总值/总人口;人均耕地为各县(区)的耕地总面积/总人口;第二产业比重为各县(区)的第二产业总产值/全市第二产业总产值。

经过反复测试验证,本研究选择1.5 km×1.5 km的格网作为基本评价单元。为了确保数据准确性,在评价分析之前须对所有数据进行几何配准和重采样,并将选用的所有数据转化为分辨率为30 m的栅格影像。为了将17个评价指标尽可能细化到格网单元,针对数据处理中出现部分空间属性缺失的数据,在参考已有研究成果的基础上,基于数据采集技术间接获取[45]。

2.2 研究方法

2.2.1评价指标体系

了解影响脆弱性的因素是生态环境脆弱性评估的前提条件。总的来说,生态环境脆弱性由内部脆弱性和外部脆弱性共同决定,内部脆弱性源于生态环境本身结构,通常受到地形、地貌、气候等本底条件的影响,外部脆弱性通常受到人类活动因素的影响。因此,科学合理的指标体系是生态环境脆弱性评价的关键。生态敏感性-生态恢复力-生态压力度(Ecological Sensitivity-Ecological Recovery-Ecological Pressure Model——SRP)概念模型是以生态系统稳定为前提而构建的,具有清晰的因果关系,被广泛应用于生态评价。在参考相关研究成果的基础上[51- 52],结合南昌市生态环境脆弱性的表现和主要成因,遵循稳定性、主导性、科学性、可行性、独立性和适应性的原则,从生态敏感性、生态恢复力和生态压力度3个层面选取了17个指标构建南昌市生态环境脆弱性评价指标体系,并根据对生态环境脆弱性的影响,将所选用指标分为正向指标、负向指标和定性指标[10,19],详见表1。

表1 南昌市生态环境脆弱性评价指标体系

2.2.2评价指标标准化

由于各评价指标性质不同、量纲各异,因此需对原始数据进行标准化处理。

(1)极差标准化：正向指标和负向指标采用不同的标准化公式[4,19]：

正向指标：

(4)

负向指标：

(5)

式中,Zij为每年数据标准化后的指标数值,变化范围为0—10,Xij为第i个指标的第j个格网指标值,Xjmax为所有格网中的最大值,Xjmin为所有格网中的最小值。

(2)分级赋值法标准化

对于定性指标,依据研究区的土地利用实际特征,结合相关研究成果[4],按照分级赋值法进行量化赋值(表2)。

表2 分等级赋值标准

2.2.3生态脆弱性评价方法

本研究通过构建生态脆弱性指数模型来量化生态环境脆弱性状况。为了消除指标信息中的重叠性和相关性,本文基于SPSS 19.0软件平台,选用基于数理统计原理的空间主成分分析法(SPCA)对17个评价指标进行分析,根据主成分特征值大于1确定了2000年和2015年的6个主成分(表3)。

基于SPCA的基础上,进一步计算生态环境脆弱性指数(EVI)公式如下[4,10]：

EVI=r1Y1+r2Y2+r3Y3+…+rnYn

(6)

式中,EVI为格网单元的生态脆弱性指数;ri为第i个主成分,Yi为第i个主成分对应的贡献率。

表3 各主成分的特征值、贡献率和累计贡献率

基于SPCA的基本原理,由式(6)和表3得到生态环境脆弱性指数的计算公式：

EVI2000=0.2437×Y1+0.23188×Y2+0.14879×Y3+0.08507×Y4+0.06448×Y5+0.0592×Y6

2.2.4生态环境脆弱性分级与生态脆弱性综合指数

为了便于生态脆弱性指数(EVI)的度量和比较,需对其进行标准化处理。公式如下[4]：

(7)

式中,SEVI为格网单元的生态脆弱性指数标准化值,变化范围为0—10;EVI为格网单元的生态脆弱性指数实际值;EVImax为所有格网单元生态脆弱性指数的最大值;EVImin为所有格网单元生态脆弱性指数的最小值。

在生态环境脆弱性指数(EVI)标准化的基础上,参照国内外同类研究的相关评价标准[4,19],并结合南昌市生态环境的实际特征,基于自然断点法对2000年和2015年的生态环境脆弱性指数进行分级。为了确保评价结果的可比性,本文以2000和2015年等级标准的平均值作为最终的分级标准[8](表4)。

2.2.5空间自相关分析

本文选用全局Moran′s I和局部Moran′s I指数两个指标,在GeoDa软件平台的支持下,基于格网尺度,分别对2000和2015年的生态环境脆弱性综合指数的空间差异及集聚特征进行分析,公式见式(8)和式(9)：

全局Moran′s I指数：

(8)

局部Moran′s I指数：

(9)

表4 生态环境脆弱性分级标准及其生态特征

在计算局部Moran′s I指数的基础上进行空间聚类得到空间LISA聚类图,在95%的置信区间内,将生态环境脆弱性进一步划分为5种不同的类型,即高高聚集区(H-H)、高低聚集区(H-L)、低高聚集区(L-H)、低低聚集区(L-L)和不显著(No significant)。具体含义[8,10]见表5：

表5 不同的LISA聚集模式的内涵

3 结果分析

3.1 市域范围内生态环境脆弱性整体特征

结合2000—2015年南昌市生态环境脆弱性评价结果(表6)和空间分布图(图2),2000年微度脆弱面积占比最高,占据全市总面积的51.27%,主要集中在新建区中部及南部地区、南昌县北部及中部地区、安义县东部地区;其次为轻度脆弱,面积占比为32.15%,主要分布于安义县西部、进贤县东部地区;中度和极度脆弱面积占比近似,分别为7.82%、7.76%,中度脆弱区集中于新建区东北部、安义县西北角及进贤县东北角,极度脆弱区在南昌市建成区集中分布;重度脆弱区面积占比最小,仅占研究区面积的1%。

2000年以后,伴随着国内城市化步伐逐渐加快,城镇化水平不断地提高,南昌市人地矛盾日益激化。在人类活动对城市生态环境的严重干扰下,使得全市生态环境进一步恶化。到2015年,重度脆弱面积占比占据全市首位,由2000年的1%增至35.72%,呈片状分布在南昌市西北部及南部地区;中度脆弱次之,面积占比由2000年的7.82%增至26.19%,主要集中在南昌市西南部及东部地区;极度脆弱面积占比由2000年的7.76%增至15.64%,呈片状集中分布于南昌市建成区、西南部及北部地区;轻度脆弱面积占比由原先的32.15%缩减至15.33%;而微度脆弱面积从2000年的51.27%萎缩至7.12%, 在新建区中部及进贤县分布。

总体而言,2000—2015年间南昌市生态环境脆弱性主要表现为由微度和轻度脆弱向中度和重度脆弱快速转变的趋势,且微度和轻度脆弱面积不断缩减、重度和极度脆弱不断扩张。

表6 南昌市2000—2015年生态环境脆弱性评价结果

图2 2000—2015年生态环境脆弱性空间分布图Fig.2 Spatial distribution of eco-environmental vulnerability from 2000 to 2015

3.2 县(区)域范围内生态环境脆弱性变化特征

2000—2015年间,东湖区和西湖区生态环境脆弱性皆以极度和重度脆弱为主,东湖区和西湖区是历史悠久的老城区,也是经济快速发展区域,旧城面积大,人口密度大,生态持续恶化。青山湖区是典型的老工业城区,区内“三湖三河”交错环绕,但随着工业化进程的迅速推进,区内生态环境破坏严重,尤其是玉带河流经区域。因此,青山湖区一直处于极度脆弱水平。青云谱区2000年以极度脆弱为主,而2015年转变为极度和重度脆弱为主。湾里区由2000年的以极度和轻度脆弱为主转变为极度和重度脆弱为主。湾里区作为南昌市和鄱阳湖生态经济区的后花园,森林覆盖率达到73.15%,区内旅游业发达。加之夏季多短时大范围集中降水,容易引发小规模滑坡及水土流失等。新建区2000年以微度和轻度脆弱为主,2015年变为重度和中度脆弱为主。由于新建区为南昌建成区西进的主要拓展区域,与红谷滩新区毗邻,正处于经济快速发展时期,生态环境受人类活动干扰剧烈。2000年安义县以轻度和微度脆弱为主,2015年转变为重度和中度脆弱为主,可见该县生态环境脆弱程度逐渐加深。作为长珠闽三个经济三角洲共同腹地的进贤县,2000年以微度和轻度脆弱为主,2015年转变为中度和轻度脆弱为主,这与其优越地区位密切相关。南昌县,素有江西“首府首县”之称,与南昌主城区无缝衔接的区位优势,使其经济发展得到带动,人为扰动日益加剧,使生态环境由微度和轻度脆弱为主转为重度和中度脆弱为主。

表7 2000—2015年不同县区生态环境脆弱性评价结果/%

3.3 不同土地利用类型的生态环境脆弱性特征

从不同土地利用类型生态环境脆弱性综合指数来看(表8),2000—2015年间南昌市生态环境脆弱性呈现由轻度脆弱向中度脆弱转变的趋势,表明区内生态环境不断恶化。不同土地利用类型生态环境脆弱性综合指数由大到小为：2000年,建设用地>草地>耕地>林地>未利用地>水域;2015年,建设用地>耕地>水域>林地>草地>未利用地。其中,建设用地生态环境脆弱性综合指数始终最大;耕地和建设用地由轻度脆弱转变为重度脆弱;林地、草地、水域和未利用地由轻度脆弱变为中度脆弱。综上可见,研究区内各土地利用类型的生态环境脆弱性皆呈增强趋势,表明其生态环境恶化加剧。

表8 2000—2015年不同土地利用类型生态脆弱性综合指数

从不同土地利用类型生态环境脆弱区面积可知(表9),2000年耕地、草地、未利用地以微度和轻度脆弱为主;林地以微度和轻度脆弱为主,极度脆弱次之;水域以微度和轻度脆弱为主,中度脆弱次之;建设用地以微度和极度脆弱为主。到2015年,耕地和林地表现为以重度和中度脆弱为主,极度脆弱次之;草地以微度和轻度脆弱为主;水域以重度和中度脆弱为主,轻度脆弱次之;建设用地以重度和极度脆弱为主,中度脆弱为次;未利用地以中度和重度脆弱为主。

3.4 生态环境脆弱性空间集聚特征

2000年和2015年生态环境脆弱性的全局Moran′s I指数分别为0.8827和0.7686,可见2000年和2015年南昌市生态环境脆弱性具有明显的空间自相关,且为正相关(图3)。从LISA聚类图来看(图4),2000年高高聚集区分布在极度脆弱区,集中于南昌市建成区、南昌县西部地区;低低聚集区分布在微度和轻度脆弱区,集中于新建区南部、中部及东北部地区、进贤县中部地区、安义县南部及东北部地区、南昌县西部地区;到2015年,高高聚集区进一步向周边县区扩展,主要集中在南昌市建成区、新建区北部、安义县西部、南昌县南部及北部地区,这与2000年后南昌市城镇化和工业化迅速发展、建设用地迅速扩张息息相关;低低聚集区呈片状主要分布在新建区南部、中部及东北部地区、进贤县北部、中部及南部地区、南昌县西部地区。可见,2000—2015年南昌市生态环境脆弱性具有显著的聚集性特征,高高聚集区主要分布在极度脆弱区,低低聚集区主要与微度和轻度脆弱区相关。

表9 2000—2015年不同土地利用类型脆弱性评价结果/km2

图3 2000—2015年生态环境脆弱性全局Moran′s I指数Fig.3 Eco-environmental vulnerability global Moran′s I index from 2000 to 2015

图4 2000—2015年生态环境脆弱性LISA聚类图Fig.4 The LISA aggregation of eco-environmental vulnerability from 2000 to 2015

3.5 驱动力因素分析

结合2000和2015年主成分载荷矩阵(表10和表11),载荷系数越大表示该驱动因子对生态环境脆弱性影响越大。2000年,第1主成分与人口密度、人均GDP、人均耕地、第二产业比重有较大的相关,这些因子主要反映人口和社会经济发展状况,可视为人口增长和社会经济发展主成分,贡献率为24.37%;第2、3主成分与坡度、地形起伏度、年均气温、极端最高温、极端最低温、年降水量、极端暴雨日数有较大的相关,分别反映地形和气象状况,可看作自然本底主成分,贡献率分别为23.188%、14.879%;第4、5、6主成分分别与归一化植被指数、景观多样性指数、景观破碎度相关,分别表征自然和社会经济发展状况,贡献率分别为8.507%、6.448%、5.92%。综上可见,2000年南昌市生态环境脆弱性的驱动因子主要为人口密度、人均GDP、人均耕地、第二产业比重、坡度、地形起伏度、年均气温、极端最高温、极端最低温、年均降水量、极端暴雨日数。

表10 2000年主成分载荷矩阵

*表示各主成分中贡献率较高的影响因子

2015年,第1主成分中坡度、地形起伏度、年均气温、极端最高温、土地利用程度的贡献率较高,与2000年相比,第1主成分由人口增长-经济发展主成分转变为自然本底主成分,这与2015年湾里区山体滑坡、建成区城市内涝、高温热浪密切相关。第1主成分贡献率为23.998%。第2和3主成分与极端最低温、人口密度、人均耕地、人均GDP、年均降水量有较大的相关,主成分贡献率分别为20.82%、16.171%;可见,虽然第1主成分被自然本底主成分取代,但人口-经济发展仍然是影响南昌市生态环境脆弱性的驱动力;第4和5主成分仍分别与归一化植被指数、景观多样性指数相关,贡献率分别为9.956%、6.985%;第6主成分由之前的景观破碎度转变为与第二产业比重相关,贡献率为6.346%。上述可知,2015年南昌市生态环境脆弱性主要驱动因子为坡度、地形起伏度、年均气温、极端最高温、土地利用程度、极端最低温、人口密度、人均耕地、人均GDP、年均降水量。

表11 2015年主成分载荷矩阵

*表示各主成分中贡献率较高的影响因子

4 结论

本文以南昌市为研究区,结合空间主成分分析法、全局Moran′s I指数和LISA聚类图,基于公里格网尺度,对2000—2015年南昌市生态环境脆弱性的现状、特征及驱动力进行评价分析,所得主要结论如下：

(1)2000—2015年间南昌市生态环境脆弱性呈现由轻度脆弱向中度脆弱演变的趋势,且微度和轻度脆弱面积不断缩减、重度和极度脆弱不断扩张。南昌市生态环境脆弱性是由人类活动和自然环境相互作用形成,人口密度、人均GDP、人均耕地、坡度、地形起伏度、年均气温、极端最高温、极端最低温、年均降水量为主要驱动力因子。

(2)2000—2015年南昌市各县区生态环境脆弱性差异明显,其中东湖区、西湖区、青山湖区、青云谱区、湾里区5个区的脆弱性程度最高,始终保持在极度和重度脆弱水平,其他县区脆弱性程度增幅较大。

(3)2000—2015年南昌市耕地和建设用地由轻度脆弱转为重度脆弱,林地、草地、水域和未利用地由轻度脆弱转为中度脆弱,可见研究区内各土地利用类型的生态环境脆弱性皆呈增强趋势,表明其生态环境恶化加剧。

(4)南昌市生态环境脆弱性具有明显的空间自相关性,且为正相关,高高聚集区集中于极度脆弱区,低低聚集区与微度和轻度脆弱区相关。

5 讨论

21世纪以来,南昌市城市化进程明显加快,快速的经济发展使人类活动对生态环境干扰加剧。土地利用作为人类活动的直观反映,直接影响着生态环境脆弱性[8]。

2000—2015年,南昌市生态环境脆弱性逐渐增强,区内生态环境明显恶化,这一研究成果与南昌市实际情况一致。2000—2015年南昌市土地利用变化剧烈,按照各土地利用类型转出面积由大到小为：耕地>水域>林地>建设用地>未利用地>草地。其中,耕地由3995.81 km2缩减至2904.49 km2,耕地减少面积中有56.47%转为建设用地;水域转出面积为470.67 km2,占初期面积的29.69%,有23.02%、17.61%分别转化为耕地和建设用地;林地面积由1152.32 km2缩减为798.5 km2,其中复垦面积占林地减少面积的72.17%。可见,随着城市化进程的加快,南昌市耕地面积锐减,导致人地矛盾进一步激化,区内复垦现象明显,引发了广泛的水文变化、水土流失及生态环境恶化[53]。

本研究与同类研究的区别主要体现在以下3个方面：(1)基于格网微观尺度来研究市域条件下的生态环境脆弱性,不仅体现了评价数据在空间分布上的异质性细节信息,而且有助于分析其空间分布特征和形成机理;(2)从自然本底和人为胁迫两个方面选取17个指标构建生态环境脆弱性评价体系,使该类研究评价指标更为完善;(3)选择南昌市为研究区,不仅弥补了典型案例区涵盖不全面的现状,而且为类似区域的生态建设和恢复提供了理论基础。