南流江流域土地利用與生態(tài)脆弱性評價

李 彪　盧 遠(yuǎn)　許貴林

(1.廣西師范學(xué)院 地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院， 南寧　530001;2.北部灣環(huán)境演變與資源利用教育部重點實驗室， 南寧　530001；3.廣西壯族自治區(qū)海洋研究院， 南寧　530001)

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南流江流域土地利用與生態(tài)脆弱性評價

李 彪1,2盧 遠(yuǎn)1,2許貴林3

(1.廣西師范學(xué)院 地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院， 南寧530001;2.北部灣環(huán)境演變與資源利用教育部重點實驗室， 南寧530001；3.廣西壯族自治區(qū)海洋研究院， 南寧530001)

摘要：利用GIS和RS技術(shù)，基于“壓力—狀態(tài)—響應(yīng)”模型，選取15個指標(biāo)，對所有指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，并應(yīng)用主成分分析法進(jìn)行指標(biāo)的選取，對南流江流域2006-2013年的生態(tài)脆弱性進(jìn)行定量的評價，根據(jù)計算得到的生態(tài)脆弱性指數(shù)，將生態(tài)脆弱性劃分為微度脆弱、輕度脆弱、中度脆弱、強(qiáng)度脆弱和極度脆弱5個等級，并根據(jù)生態(tài)脆弱性指數(shù)進(jìn)一步得到生態(tài)脆弱性綜合指數(shù)，對生態(tài)脆弱性的動態(tài)變化以及空間分布特征進(jìn)行分析，并分析了土地利用與生態(tài)脆弱性的關(guān)系。結(jié)果表明：南流江流域生態(tài)脆弱性綜合指數(shù)逐年降低，從2006年的5.11701降低到2013年的4.06904，生態(tài)環(huán)境朝好的方向發(fā)展；旱地多數(shù)處于微度和輕度脆弱狀態(tài)，林地、草地、水域、建筑用地和水田大部分屬于輕度和中度脆弱的等級，未利用地處于輕度脆弱的狀態(tài)；生態(tài)脆弱性綜合指數(shù)EVSI值的大小整體上表現(xiàn)為：建筑用地>草地>水田>旱地>林地>未利用地>水域。生態(tài)脆弱性是人與自然共同作用的結(jié)果，主要的驅(qū)動因子包括植被覆蓋度、生活污水、工業(yè)廢水以及地形坡度等。為保護(hù)南流江流域的生態(tài)脆弱性，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)林地的保護(hù)和耕地的生態(tài)環(huán)境建設(shè)。

關(guān)鍵詞：南流江；生態(tài)脆弱性；主成分分析；土地利用

隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們對自然資源的需求不斷增加，資源利用方式呈現(xiàn)多樣化，導(dǎo)致自然資源及生態(tài)環(huán)境的損壞，生態(tài)脆弱性也受到了很大的影響。土地利用/覆被變化(LUCC)能夠引起生物多樣性、碳循環(huán)等一系列的地表生態(tài)過程變化[1-3]，土地利用變化的研究也成為全球變化研究的核心研究領(lǐng)域之一。生態(tài)環(huán)境脆弱性是生態(tài)系統(tǒng)在特定時空尺度相對于外界干擾所具有的敏感反應(yīng)和自恢復(fù)能力，是自然屬性和人類活動共同作用的結(jié)果[4]。土地利用類型的變化改變了地表覆蓋狀況，改變了水文過程、土壤水分等生態(tài)過程，從而影響生態(tài)環(huán)境的脆弱性。開展生態(tài)環(huán)境脆弱度評價不僅可以了解該地區(qū)的脆弱程度，而且有助于因地制宜地利用土地資源和保護(hù)脆弱生態(tài)環(huán)境[5]。借助相關(guān)資料和數(shù)據(jù)，利用GIS和RS技術(shù)，對廣西南流江流域的生態(tài)脆弱性和土地利用變化進(jìn)行了研究及評價，并分析了二者的關(guān)系，為生態(tài)環(huán)境的建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1　研究區(qū)概況

南流江流域位于21°34′～22°52′N、108°51′～110°22′E，發(fā)源于北流縣大容山南側(cè)，全長287km，流域總面積為9 462 km2，多年年平均流量為166 m3/s，是廣西南部獨自流入大海諸河中流程最長、流域面積最廣、水量最豐富的河流[6]。南流江向南沿途流經(jīng)玉州和福綿區(qū)，中游流經(jīng)博白縣，下游流經(jīng)合浦縣。流域全境位于北回歸線以南，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，擁有良好的生態(tài)環(huán)境基礎(chǔ)[7]。南流江流域地勢平坦、土地肥沃、森林覆蓋率高、水系發(fā)達(dá)。

2　研究方法

2.1構(gòu)建評價指標(biāo)體系

20世紀(jì)80年代末，經(jīng)濟(jì)合作和開發(fā)組織(OECD)與聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署(UNEP)共同提出了環(huán)境指標(biāo)的P-S-R概念模型，即壓力(pressure)-狀態(tài)(state)-響應(yīng)(response)模型[8]。在P-S-R框架內(nèi)，環(huán)境問題可以表述為3個不同但又相互聯(lián)系的指標(biāo)類型：壓力指標(biāo)反映人類活動給環(huán)境造成的負(fù)荷；狀態(tài)指標(biāo)表征環(huán)境質(zhì)量、自然資源與生態(tài)系統(tǒng)的狀況;響應(yīng)指標(biāo)表征人類面臨環(huán)境問題所采取的對策與措施。P-S-R概念模型從人類與環(huán)境系統(tǒng)的相互作用與影響出發(fā)，對環(huán)境指標(biāo)進(jìn)行組織分類，具有較強(qiáng)的系統(tǒng)性[8]。

借助相關(guān)研究成果，結(jié)合南流江流域的生態(tài)環(huán)境實際，以“壓力-狀態(tài)-響應(yīng)”模型為基礎(chǔ)，選取了15個指標(biāo)體系構(gòu)建了南流江流域的生態(tài)脆弱性評價指標(biāo)體系(圖1)。

圖1　南流江流域生態(tài)脆弱性評價指標(biāo)體系

2.2數(shù)據(jù)來源及處理

人口密度、生活污水排放量、化肥施用強(qiáng)度、農(nóng)藥施用強(qiáng)度、工業(yè)廢水排放量、人均水資源量、年均降水量、年平均氣溫、人均GDP、土地墾殖率這幾類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)均來自廣西統(tǒng)計年鑒并經(jīng)過相應(yīng)的計算得到；由ASTER生成的90m分辨率的廣西DEM數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)；南流江流域的矢量范圍文件；土地覆蓋類型數(shù)據(jù)來源于美國太空總署(NASA)的500m的MCD12Q1數(shù)據(jù)并采用美國馬里蘭大學(xué)植被分類方案(UMD)重分類為水體、林地、草地、耕地、建設(shè)用地和裸地6個類型，并根據(jù)所獲得的統(tǒng)計資料、地形圖及各種專題圖件，結(jié)合野外調(diào)查資料，建立該區(qū)域解譯標(biāo)志；應(yīng)用圖像處理軟件，采用人機(jī)交互的監(jiān)督分類方法進(jìn)行解譯，并通過野外驗證對其精度進(jìn)行評價，得到各土地利用類型的矢量圖；植被覆蓋度利用250m的MOD13Q1數(shù)據(jù)的NDVI基于像元二分模型計算得到；將土地覆蓋類型數(shù)據(jù)和植被覆蓋度數(shù)據(jù)重采樣成空間分辨率為90m的柵格；將點源數(shù)據(jù)均利用克里金插值(Kriging)進(jìn)行空間化處理，并將柵格大小統(tǒng)一定義為90m*90m以便研究，研究以柵格作為基本評價單元，最終得到的數(shù)據(jù)空間分辨率統(tǒng)一定義為90m，并采用統(tǒng)一的橢球體坐標(biāo)和Albers投影。

2.3指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化處理

由于研究所涉及到的各個指標(biāo)的量綱、所代表的意義、類型均不一致，因此無法對其進(jìn)行直接的運算，為保證指標(biāo)的一致性，對各項指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化處理，使所有指標(biāo)的值均在0～10之間。指標(biāo)值與脆弱性成正比則視其為正向指標(biāo)，指標(biāo)值與脆弱性成反比則視其為負(fù)向指標(biāo)，分別用公式(1)、(2)計算[9-10]。

(1)

(2)

式中：Ri為第i個指標(biāo)經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化處理后的值，Xi為第i個指標(biāo)的值，Xmax為第i個指標(biāo)的最大值，Xmin為第i個指標(biāo)的最小值。

2.4主成分分析

主成分分析(PCA)基于統(tǒng)計學(xué)分析的原理，由于研究涉及的變量較多，增加了研究的復(fù)雜性，考慮指標(biāo)之間的相互關(guān)系，將多個指標(biāo)轉(zhuǎn)換為少數(shù)幾個不相關(guān)的指標(biāo)，同時也保留了原指標(biāo)的大量信息。對所有的評價指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，根據(jù)因子累積貢獻(xiàn)率達(dá)85%以上，確定了4個主因子(表1)。

由主成分分析結(jié)果可看出，2006年第一主成分PC1的貢獻(xiàn)率為45.6189%，且信息量較大，和其他三個主成分相比，它的解釋能力最強(qiáng)，所占的比例接近了1/2，植被覆蓋度、坡度、土地墾殖率的貢獻(xiàn)率較大；2006年第二主成分PC2的貢獻(xiàn)率為21.4214%，土地覆蓋類型、年均降水量、土壤有機(jī)碳含量對該地區(qū)生態(tài)脆弱性影響較大，第一主成分和第二主成分總和為67.0403%，所占比例超過了2/3；2013年第二主成分PC2的貢獻(xiàn)率為27.9996%，人口密度、人均GDP以及生活污水排放量對生態(tài)脆弱性影響較大，第一主成分和第二主成分總和為73.3065%，4個年份的第一和第二主成分均超過了67%，所占比例超過了2/3。4個年份的前4個主成分均超過了89%，解釋原變異的信息量超過85%，因此可以用前4個主成分來研究土地利用的生態(tài)脆弱性，并且以第一和第二主成分為主。人為因素和自然因素共同主導(dǎo)著生態(tài)脆弱性，人為因素對生態(tài)脆弱性的影響逐步增強(qiáng)。

表1　主成分分析因子結(jié)果

2.5脆弱性指數(shù)的計算

脆弱性指數(shù)可由提取出的幾個主成分的加權(quán)和來表示，如公式(3)所示：

EVI=α1Y1+α2Y2+α3Y3+···αnYn

(3)

式中：α1表示第i個主成分相應(yīng)的貢獻(xiàn)率(第i個主成分的特征值和所有主成分特征值綜合的比值)，Yn表示第n個主成分。

2.6生態(tài)脆弱性綜合指數(shù)

根據(jù)脆弱性分級標(biāo)準(zhǔn)以及相關(guān)的研究[11-13]，將生態(tài)脆弱性等級分為5個標(biāo)準(zhǔn)，如表2所示，計算公式如公式(4)所示：

(4)

式中：EVSI為生態(tài)脆弱性綜合指數(shù)，Pi為第i類脆弱性等級的值即各個程度脆弱性的EVI值，Ai為第i類脆弱性等級的面積，通過對脆弱性等級柵格分布數(shù)據(jù)進(jìn)行面積統(tǒng)計得到，S為所有脆弱性等級的總面積。通過EVI計算得到的生態(tài)脆弱性綜合指數(shù)EVSI能夠更加直觀的表示生態(tài)脆弱性狀態(tài)。

表2　生態(tài)脆弱性等級分級標(biāo)準(zhǔn)

3　結(jié)果與分析

3.1生態(tài)脆弱性空間分布特征

利用主成分分析法計算得到的生態(tài)脆弱性指數(shù)EVI值的空間分布，并按照表2對其進(jìn)行了脆弱性等級的劃分，結(jié)果見圖2及表3。

由圖2可以看出，南流江流域的生態(tài)脆弱性空間分布特征較明顯，主要表現(xiàn)為西南部脆弱性低、東北部脆弱性高的格局。可以明顯看出2013年生態(tài)脆弱性強(qiáng)度降低，主要表現(xiàn)為中度脆弱性向輕度脆弱性程度的轉(zhuǎn)變。

由表3看出，從2006年到2013年，南流江流域生態(tài)脆弱性處于微度脆弱的面積從139.2876 km2增加到了1 415.038km2，共增加了1 275.7504km2，年均增加182.25km2；輕度脆弱的面積從2006到2008年減少了127.121km2，2008到2013年從4 865.443km2增加到6 559.153km2，共增加了1 693.71km2，年均增加338.742km2；處于中度脆弱程度的面積從2006年的3 387.088km2增加到了2011年的3 804.845km2，而2011到2013年快速減少到了1 119.112km2，共減少了2 685.733km2，年均減少1 342.8665km2；重度脆弱和極度脆弱程度均大體上表現(xiàn)為逐年減少的趨勢，重度脆弱的面積從2006年的695.725km2減少到了2013年的296.9541km2，共減少了398.771km2，年均減少56.967km2；極度脆弱程度從2006年的207.741km2減少到了2013年的8.829km2，南流江流域的生態(tài)脆弱性整體上表現(xiàn)為脆弱性變小的趨勢。

圖2　2006-2013年南流江流域生態(tài)脆弱性空間分布圖

表3　南流江流域各年生態(tài)脆弱性程度面積　km2

各年份生態(tài)脆弱性程度面積分布見圖3。

圖3　南流江流域各年生態(tài)脆弱性程度面積折線圖

由圖3可以得出，2013年相對于之前的年份，微度和輕度脆弱的面積有明顯的增加，中度脆弱的面積急劇降低，重度脆弱和極度脆弱的面積基本上變化不大。

3.2土地利用變化與生態(tài)脆弱性

各土地利用類型生態(tài)脆弱性面積及EVSI值見表4、5。

由表4可以看出，旱地多數(shù)處于微度和輕度狀態(tài)；林地、草地、水域、建筑用地和水田大部分屬于輕度和中度脆弱的等級；未利用地處于輕度脆弱的狀態(tài)。2006年和2013年林地處于輕度和中度脆弱性程度的面積分別占林地總面積的90.79%和85.38%，2013年相對于2006年下降了5.41%，大部分轉(zhuǎn)向了微度脆弱的程度；草地處于輕度和中度脆弱性程度的面積分別占草地總面積的85.87%和83.54%，2013年相對于2006年下降了2.33%，大部分轉(zhuǎn)向了微度脆弱的程度；建筑用地處于輕度和中度脆弱性程度的面積分別占建筑用地總面積的90.05%和88.60%，2013年相對于2006年下降了1.45%。處于微度脆弱程度的土地利用類型中旱地、草地和林地的面積顯著增加，分別增加了95.76%、94.79%、94.57%，林地處于微度脆弱程度的面積增加最多，為600.1 km2，旱地面積增加了217.2km2；處于微度脆弱程度的土地利用類型中未利用地和草地的面積顯著增加，分別增加了55.46%、40.0%。

表4　各土地利用類型生態(tài)脆弱性程度面積　km2

由表5可以得出，從2006年到2013年，南流江流域的生態(tài)脆弱性指數(shù)呈持續(xù)下滑的趨勢，從5.11701減小到了4.06904。4年的EVSI值均處在4～6之間，因此總體上南流江流域的生態(tài)脆弱性處于中度脆弱的程度。生態(tài)脆弱性綜合指數(shù)EVSI值的大小整體上表現(xiàn)為建筑用地>草地>水田>旱地>林地>未利用地>水域。2006年到2013年間，整體上7類土地利用類型的生態(tài)脆弱性綜合指數(shù)EVSI值均有不同程度的減小，2013年相對于2006年減少最多的依次為水域、旱地、林地、水田和未利用地，分別為1.47、1.24、1.07、0.81、0.36，表明采取的生態(tài)措施取得了一定的效果，草地和建設(shè)用地呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢，表明在今后要增強(qiáng)對城鎮(zhèn)、農(nóng)村居民地的生態(tài)保護(hù)以及對草地的恢復(fù)建設(shè)工作。

表5　各土地利用類型的生態(tài)脆弱性綜合指數(shù)EVSI值

4　結(jié)果與討論

南流江流域的生態(tài)脆弱性空間分布特征較明顯，主要表現(xiàn)為西南部脆弱性低、東北部脆弱性高的格局。從2006年到2013年生態(tài)脆弱性強(qiáng)度降低，主要表現(xiàn)為中度脆弱性向輕度脆弱性程度的轉(zhuǎn)變。生態(tài)脆弱性綜合指數(shù)從2006年的5.11701降低到2013年的4.06159，旱地多數(shù)處于微度和輕度狀態(tài)；林地、草地、水域、建筑用地和水田大部分屬于輕度和中度脆弱的等級；未利用地處于輕度脆弱的狀態(tài)。生態(tài)脆弱性綜合指數(shù)EVSI值的大小整體上表現(xiàn)為建筑用地>草地>水田>旱地>林地>未利用地>水域。影響生態(tài)脆弱性的因素主要表現(xiàn)為生活污水排放量、植被覆蓋度、坡度等。該地區(qū)的生態(tài)措施建設(shè)取得了一定的效果，草地和建設(shè)用地的EVSI值呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢，表明在今后要增強(qiáng)對城鎮(zhèn)、農(nóng)村居民地的生態(tài)保護(hù)以及對草地的恢復(fù)建設(shè)工作，其次對于未利用地，應(yīng)該對其進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)，如進(jìn)行相應(yīng)的植被恢復(fù)等措施以減少水土流失，對于農(nóng)田，可進(jìn)行農(nóng)業(yè)方式的轉(zhuǎn)變，建設(shè)生態(tài)農(nóng)業(yè)，對于生態(tài)環(huán)境脆弱性好的地區(qū)，以保護(hù)為主。

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基金項目：廣西自然科學(xué)基金資助項目(2015GXNSFAA139234)，廣西自然科學(xué)基金資助項目 (2014GXNSFAA118293)

收稿日期：2016-03-01；2016-05-23修回

作者簡介：李彪，男，1992年生，碩士研究生，研究方向：GIS與RS。E-mail：1206762500@qq.com 通訊作者：盧遠(yuǎn)，男，1971年生，博士，教授，研究方向：生態(tài)遙感與土壤侵蝕研究。E-mail：51150403@qq.com.

中圖分類號：X171.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Nanliujiang River Watershed land use and ecological vulnerability assessment

Li Biao1,2，Lu Yuan1,2，Xu Guilin3

(1.College of Geography and Planning of Guangxi Normal University, Nanning 530001;2.Key Laboratory of Beibu Gulf Environment Change and Resources Use, Ministry of Education, Nanning 530001;3.Guangxi Zhuang Autonomous Region, Marine Research Institute，Nanning 530001,China)

Abstract:Using GIS and RS technology and based on the "pressure-state-response" and applying GIS and RS technologies, a quantitative assessment on ecological vulnerability of Nanliujiang River Basin from the year 2006 to the year 2013 was at first carried out through normalization of 15 originally selected indicators and dimension reduction treatment of normalized indicators with PCA method. According to ecological vulnerability indexes obtained from ecological vulnerability assessment, ecological vulnerability in Nanliujiang River Basin can be divided into 5 levels, namely, minimum, slight, medium, intensified, and extremely intensified levels. A comprehensive ecological venerability index was further calculated based on ecological vulnerability levels and ecological vulnerability indexes. Finally, dynamic change of ecological vulnerability and spatial distribution features were analyzed based on comprehensive ecological venerability index obtained together with the relationship between land use and ecological vulnerability. The results show that comprehensive ecological vulnerability index of Nanliujiang River Basin has been decreasing steadily on yearly basis from 5.11701 in 2006 to 4.06904 in 2013. The ecological quality gets better. The majority of dry land is at minimum and slight vulnerability levels, while the majority of forestland, grassland, water area, construction land, paddy field and unused land belong to the slight and/or medium vulnerability levels. The order of values for comprehensive ecological vulnerability index generally shows the following features: construction land > grassland > paddy field > dry land > forest land > unused land > water area. Ecological vulnerability is as the result of the combination of anthropogenic and natural processes. The main driving factors include vegetation coverage, sewage, industrial wastewater, and the terrain slope etc.In order to further protect eco-system of Nanliujiang River Basin, ecological construction of forest land and cultivated land should be strengthened.

Keywords:Nanliujiang River; ecological vulnerability; principal component analysis; land use