基于格網(wǎng)GIS的喀斯特山區(qū)草地生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)

郭 賓，周忠發(fā)，蘇維詞，陳 全，魏小島

（1.貴州師范大學(xué) 中國南方喀斯特研究院，貴州 貴陽550001；2.貴州省喀斯特山地生態(tài)環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，貴州 貴陽550001；3.貴州科學(xué)院 山地資源研究所，貴州 貴陽550001）

隨著人地關(guān)系的不斷深化，生態(tài)脆弱性的研究受到越來越多研究者的重視，主要集中在評(píng)價(jià)方法、模型和應(yīng)用性等方面，并進(jìn)行了定性和定量的研究。由于各自研究背景的差異，對(duì)脆弱性的理解也不盡相同。一般認(rèn)為，生態(tài)脆弱性指在自然或人為作用下，生態(tài)系統(tǒng)的正常結(jié)構(gòu)被擾動(dòng)并超過自調(diào)節(jié)的“閾值”，由此導(dǎo)致生態(tài)功能大幅降低，生態(tài)恢復(fù)能力減弱甚至完全失去恢復(fù)能力的現(xiàn)象［1］。由于喀斯特地區(qū)特殊的地質(zhì)、水文背景，使得喀斯特環(huán)境具有地表切割強(qiáng)烈，地物分布復(fù)雜，生態(tài)系統(tǒng)脆弱，環(huán)境變化敏感，空間異質(zhì)性強(qiáng)［2］。加上人口的增長和簡單粗放的生活方式不能滿足人們的需求，所以隨之而來的牲畜數(shù)量增加，人類的各種活動(dòng)，都導(dǎo)致草地資源遭到嚴(yán)重破壞［3］。目前對(duì)喀斯特山區(qū)草地生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)的研究很少，一般將草地生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)融入到整個(gè)系統(tǒng)中進(jìn)行，范圍較大，不同的生態(tài)系統(tǒng)可能存在本質(zhì)上的差異，評(píng)價(jià)指標(biāo)和評(píng)價(jià)方法也不盡相同。本文結(jié)合GIS技術(shù)將各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)矢量化，從定量的方面對(duì)喀斯特山區(qū)草地生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)進(jìn)行研究［4］，以期為喀斯特山區(qū)草地的合理利用和保護(hù)提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

1.1 研究區(qū)概況

長順縣位于貴州省中南部，黔南布依族苗族自治州西部，東經(jīng)106°11′—106°39′，北緯25°38′—26°18′之間，面積1 554.6km2。地處黔中山原南部邊坡，地勢總體北高南低，呈三級(jí)梯地，平均海拔1 244m；由于河流切割，造成地勢中部較高，東西兩側(cè)較低。長順縣年平均氣溫15.1℃，年均降水量1 396.7mm，加之地表水和地下水的強(qiáng)烈侵蝕溶蝕，喀斯特地貌特別發(fā)育，生態(tài)環(huán)境較脆弱，喀斯特面積為1 484.6 km2，占該縣面積的95.5%，同時(shí)作為石漠化治理的重點(diǎn)縣，具有典型的代表性。該區(qū)年日照時(shí)數(shù)1 202.1h，年無霜期275d，地帶性土壤多屬中亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候發(fā)育下的黃壤，質(zhì)地有沙、壤、黏之別，并有黑色石灰土、黃色石灰土、大眼泥、潮泥、紫色土等［5］。

通過實(shí)地調(diào)研研究區(qū)內(nèi)的天然草地主要是白茅（Imperata cylindrica）、白健稈（Eulalia pallens）、金 茅 （Eulalia speciosa）、細(xì) 柄 草 （Capillipedium parviflorum）、藎草（Arthraxon hispidus）、野古草（Arundinella hirta）、鴨茅（Dactylis glomerata）等，也有部分的人工草地，如鋪地蝙蝠草（Christia obcordata）、白車軸草（Trrifolium repens L.）、黑麥草（Lolium perenne Linn.）等。由于人為的破壞和不合理的放牧，加劇了草地的退化，同時(shí)也加劇了石漠化和水土流失。通過遙感影像解譯，長順縣草地面積為114.54km2，占該縣面積的7.37%，比重雖然不高，但草地在防止水土流失和石漠化治理方面起到很重要的作用。

1.2 數(shù)據(jù)來源

遙感影像數(shù)據(jù)源為攝于2010年10月4日、空間分辨率為10m的Alos影像，并運(yùn)用ENVI和Arc－GIS生成石漠化、水土流失、草地覆被等衍生數(shù)據(jù)，其中參考了國家、行業(yè)和地方標(biāo)準(zhǔn)，如水土保持監(jiān)測技術(shù)規(guī)程（SL277—2002）、巖溶地區(qū)水土流失綜合治理技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（SL461—2009）、喀斯特石漠化等級(jí)劃分等［6］；1︰20萬土壤類型分布圖；1∶10萬等高線生成坡度圖；其它部分監(jiān)測數(shù)據(jù)來源于長順縣氣象局。

2 研究方法

2.1 喀斯特山區(qū)草地生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)因子的確定

生態(tài)環(huán)境具有穩(wěn)定性和變化性，穩(wěn)定性指其對(duì)外來干擾的抵抗能力，變化性則隨著干擾的介入及其本身的發(fā)育，在時(shí)空尺度上發(fā)生有規(guī)律的變化或者突變［7］。影響喀斯特山區(qū)草地生態(tài)脆弱性的因子是多方面的，考慮到生態(tài)系統(tǒng)的多元性和復(fù)雜性的特點(diǎn)，依據(jù)科學(xué)性、綜合性、可表征性及可度量性等指標(biāo)體系的確立原則，根據(jù)貴州的實(shí)際情況，共選取年均降雨量、高程、坡度、≥10℃積溫、土壤類型、石漠化等級(jí)、水土流失等級(jí)等因子作為長順縣草地生態(tài)脆弱性的評(píng)價(jià)指標(biāo)（表1）。根據(jù)對(duì)生態(tài)環(huán)境影響程度的不同，對(duì)各因子進(jìn)行分級(jí)量化，并賦予一定等級(jí)指數(shù)（X）。但由于一些評(píng)價(jià)指標(biāo)的量化值在某一數(shù)軸范圍內(nèi)是近似于連續(xù)的數(shù)值系列，如果過早地將其定值量化分級(jí)，計(jì)算出的評(píng)價(jià)結(jié)果將有更大的誤差。因此，為了保留這種差異性的存在來獲得更為精確的結(jié)果，并使整個(gè)指標(biāo)體系的量化值無量綱化，則將這一數(shù)軸范圍內(nèi)的數(shù)值通過某一數(shù)學(xué)方法轉(zhuǎn)換到與上述指標(biāo)分級(jí)對(duì)應(yīng)數(shù)域內(nèi)，即，Ⅰ≤X≤Ⅴ［8］。

表1 喀斯特山區(qū)草地生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)分類

2.2 喀斯特山區(qū)草地生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)單元的確定

根據(jù)喀斯特地區(qū)草地生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)的需要，采用柵格單元和行政單元相結(jié)合的辦法，使指標(biāo)因子數(shù)據(jù)載體與分析評(píng)價(jià)單元分開，即采用柵格點(diǎn)狀單元（10m×10m）作為指標(biāo)因子的數(shù)據(jù)載體和單因子的基本評(píng)價(jià)分析單元，采用矢量面狀單元（縣級(jí)行政單元）作為綜合評(píng)價(jià)分析單元，二者之間采用模型予以關(guān)聯(lián)［9］。

3 喀斯特山區(qū)草地生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)模型的建立

3.1 喀斯特山區(qū)草地生態(tài)脆弱性因子權(quán)重的確定

運(yùn)用ArcGIS中的identity命令，將各個(gè)要素的柵格圖層疊加，并賦予7種要素的屬性值。為減少評(píng)價(jià)指標(biāo)之間的相關(guān)性，避免指標(biāo)重復(fù)而影響評(píng)價(jià)的精確性，在研究區(qū)內(nèi)選取100個(gè)樣點(diǎn)，運(yùn)用SPSS 19.0軟件中的主成分分析法來確定各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重。主成分分析法是一種通過降維使數(shù)據(jù)簡化的應(yīng)用數(shù)學(xué)方法，即當(dāng)累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到100%時(shí)，反映了全部的原始數(shù)據(jù)信息，極大提高了計(jì)算精度（表2）。

權(quán)重反映各參評(píng)因子對(duì)草地生態(tài)脆弱性作用的大小，較客觀地體現(xiàn)各因子的主次關(guān)系，經(jīng)計(jì)算得出各因子的權(quán)重結(jié)果詳見表3。影響因子的權(quán)重計(jì)算公式為：

式 中：Wi——權(quán) 重；Ci——i 因 子 的 標(biāo) 準(zhǔn) 化 值；Ui——i因子的貢獻(xiàn)率。

表2 主成分矩陣及累計(jì)貢獻(xiàn)率統(tǒng)計(jì)

表3 生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)因子的權(quán)重值

根據(jù)Wi的得分從大到小的排列順序，即所選取的7種喀斯特山區(qū)草地生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)因子的權(quán)重，因子排序?yàn)椋焊叱蹋尽?0℃積溫＞石漠化等級(jí)＞水土流失等級(jí)＞坡度＞土壤類型＞降雨量。

從各項(xiàng)因子的權(quán)重來看，喀斯特山區(qū)的草地不受降水因素的限制，因?yàn)榭λ固厣絽^(qū)降水豐富，但是海拔和積溫尤其重要，因?yàn)榭λ固厣絽^(qū)多陰雨天氣，光照少，光合作用弱，限制了喀斯特山區(qū)草地的生長；其次是石漠化等級(jí)、水土流失等級(jí)和坡度成為主要影響因子，石漠化等級(jí)和水土流失等級(jí)越高，生態(tài)環(huán)境就越脆弱，越需要加強(qiáng)保護(hù)；土壤類型因子影響的比重比較小。

3.2 喀斯特山區(qū)草地生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)模型

根據(jù)各評(píng)價(jià)指標(biāo)及其權(quán)重，參照 Wang等［10］提出的脆弱生態(tài)環(huán)境定量評(píng)價(jià)方法，建立喀斯特山區(qū)草地生態(tài)環(huán)境脆弱性評(píng)價(jià)的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算研究區(qū)每個(gè)像元的草地的生態(tài)脆弱性指數(shù)（EVI），計(jì)算公式為：

式中：Pi——各評(píng)價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化得分；Wi——評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重；n——指標(biāo)總個(gè)數(shù)。

評(píng)價(jià)結(jié)果主要反映生態(tài)脆弱程度，分值越高，生態(tài)脆弱性就越高，為了更直觀地表達(dá)喀斯特山區(qū)資源的生態(tài)脆弱性，將其結(jié)果劃分為5個(gè)等級(jí)（表4）。再根據(jù)喀斯特地區(qū)草地生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)模型計(jì)算公式，使用柵格計(jì)算器進(jìn)行疊加分析和空間計(jì)算，得到喀斯特山區(qū)草地生態(tài)脆弱性空間格局。

表4 研究區(qū)草地生態(tài)脆弱性分類屬性

4 結(jié)果與分析

4.1 喀斯特山區(qū)草地生態(tài)脆弱性的空間格局

根據(jù)評(píng)價(jià)分析和生態(tài)環(huán)境脆弱性指數(shù)分級(jí)，統(tǒng)計(jì)出各等級(jí)對(duì)應(yīng)的面積，得出長順縣草地生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)結(jié)果為：嚴(yán)重脆弱所占比重最大，面積為36.32 km2，均勻分布在各個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)；極端脆弱的比重也比較大，面積為24.99km2，主要分布在北部的馬路鄉(xiāng)、凱佐鄉(xiāng)、廣順鎮(zhèn)、改堯鎮(zhèn)，其它鄉(xiāng)鎮(zhèn)零星分布；中度脆弱面積為28.09km2，分布比較分散與嚴(yán)重脆弱鑲嵌在一起；輕度脆弱和潛在脆弱面積為25.14km2，主要分布在東部的威遠(yuǎn)鎮(zhèn)和南部鼓揚(yáng)鎮(zhèn)、睦化鄉(xiāng)，其它鄉(xiāng)鎮(zhèn)零星分布。從總體上來看，長順縣草地資源生態(tài)脆弱性等級(jí)較高。

4.2 喀斯特山區(qū)草地生態(tài)脆弱性成因

從總體上看，大部分的生態(tài)脆弱性區(qū)域主要分布在北部地區(qū)，該地區(qū)地勢平緩，人地矛盾較為突出，人類活動(dòng)劇烈，這說明草地生態(tài)脆弱性也是人為長期頻繁活動(dòng)干擾的結(jié)果。可見，在喀斯特地區(qū)，巖性對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境具有決定性的作用，然而，人為活動(dòng)也是不可忽略的影響因素。南部地區(qū)由于石漠化綜合治理工程的實(shí)施，生態(tài)環(huán)境得到有效的改善，相比較北部地區(qū)草地的脆弱等級(jí)較低。2010年長順縣草地資源生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)結(jié)果（表4）表明，長順縣草地資源分布比較分散，集中連片較少，主要是受到喀斯特山區(qū)特殊的地理環(huán)境的限制，很難集中分布，草地作為綠色植物的先鋒，在喀斯特地區(qū)，尤其是在石漠化地區(qū)草地資源顯得尤為重要，因?yàn)椴莸卦谕寥辣韺有纬纱罅扛岛偷厣蠚報(bào)w組成的有機(jī)質(zhì)，這些物質(zhì)在土壤微生物的作用下，可以改善土壤的理化性狀，促進(jìn)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成，是土壤及其肥力的主要組成部分，同時(shí)草地在水土保持和涵養(yǎng)水源等方面也很重要［11］。

4.3 喀斯特山區(qū)草地資源的優(yōu)化對(duì)策

針對(duì)長順縣草地極端脆弱和嚴(yán)重脆弱區(qū)域，需要從根本上加以改變，采取人工改良措施進(jìn)行恢復(fù)和重建，人工改良措施主要是從改善土壤的物理性狀和營養(yǎng)狀況以及改善草地的種源條件等方面進(jìn)行，待草地資源改善到一定程度之后，才可以進(jìn)行合理有效地利用，同時(shí)對(duì)這一地區(qū)的石漠化治理和水土流失防治都有很好的作用；輕度脆弱和中度脆弱區(qū)域?qū)Σ莸貏澢鍏^(qū)域以后，進(jìn)行輪牧，通過人為調(diào)控對(duì)草地資源加以保護(hù)；潛在脆弱區(qū)在合理利用的同時(shí)要加強(qiáng)保護(hù)。

5 結(jié)論

（1）構(gòu)建了喀斯特山區(qū)草地生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)模型，并結(jié)合大量野外調(diào)查擬定喀斯特山區(qū)草地生態(tài)脆弱性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，將研究區(qū)域劃分出5個(gè)生態(tài)脆弱性性等級(jí)，即潛在脆弱、輕度脆弱、中度脆弱、嚴(yán)重脆弱和極端脆弱。

（2）研究區(qū)內(nèi)草地的生態(tài)脆弱度整體表現(xiàn)出有南向北增大的趨勢，與碳酸鹽巖在研究區(qū)的分布較為一致，表明喀斯特區(qū)域生態(tài)環(huán)境脆弱性主要受地質(zhì)和地形兩大自然要素的制約，脆弱性的根源在于其特殊的地質(zhì)背景條件，同時(shí)也受到人類活動(dòng)的影響，因?yàn)閹r溶生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)能量轉(zhuǎn)換途徑比較脆弱，對(duì)外來影響適應(yīng)能力弱，對(duì)外界變化的響應(yīng)程度高，敏感性強(qiáng)。

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