2000—2015年間貴州省土地生態環境質量時空演變特征

姜海峰, 安裕倫, 周旭, 許幼霞 余曉芳

1.貴州師范大學地理與環境科學學院, 貴陽 550001 2.貴州省山地資源與環境遙感應用重點實驗室, 貴陽 550001

2000—2015年間貴州省土地生態環境質量時空演變特征

姜海峰1,2, 安裕倫1,2, 周旭1,*, 許幼霞1, 余曉芳1,2

1.貴州師范大學地理與環境科學學院, 貴陽 550001 2.貴州省山地資源與環境遙感應用重點實驗室, 貴陽 550001

土地生態環境質量的時空演變分析旨在檢驗多年生態環境治理成果、優化國土空間結構、揭示喀斯特內部差異性, 并為不同類型區域生態環境治理等提供決策依據, 對生態文明建設具有重要意義。從水熱、地質地貌、土壤、土地利用/土地覆蓋4個方面考慮, 對2000—2015年貴州省土地生態環境質量時空演變特征分析, 結果表明: 1)貴州省土地生態環境質量綜合指數整體平穩轉好, 4期綜合指數分別為51.08(2000)、52.65(2005)、51.93(2010)、53.36(2015)。2)黔南州、遵義市以及銅仁市土地生態環境質量較穩定; 六盤水市、安順市土地生態環境質量改善明顯; 畢節市、黔西南州綜合指數穩定性較差。3)丘陵土地生態環境質量綜合指數增幅較大, 盆地波動較為明顯。4)不同喀斯特類型區綜合指數: 非喀斯特地區＞亞喀斯特地區＞典型喀斯特地區, 喀斯特地區改善幅度高于非喀斯特地區。未來應繼續加強土地相對匱乏、生態環境脆弱的喀斯特地區土地生態環境治理力度; 對于人類活動影響較大的盆地地區應進一步優化開發利用方式, 實現區域生態環境、社會經濟的可持續發展。

土地生態環境; 時空演變; 喀斯特; 貴州

1 前言

土地是人類生存發展的最基本物質基礎, 土地及其生態環境質量深刻影響著人類生活水平、糧食安全和生態安全等。土地生態環境質量評價是以生態環境為視角, 對土地生態環境質量狀況進行評價分析。在社會經濟發展的過程中, 土地生態環境問題日益突顯[2], 隨著當代人對于更高生活質量的需求日益迫切, 生態環境質量評價作為生態建設和環境保護的基礎性工作重要性與日俱增[3]。近年來依托遙感技術及統計數據對土地生態環境敏感性評價研究[4]、安全評價研究[6]、土地利用與生態環境關系研究[8]較多, 但存在研究時間尺度較短、研究區多處于東部地區及城市周邊的特點, 對多時空尺度的西南喀斯特地區研究較少。貴州省作為長江和珠江流域的重要水源地, 因喀斯特巖溶發育強烈、土地生態環境脆弱而備受關注, 針對《全國林業生態建設與治理區劃》、《貴州省林業發展規劃》、《貴州省鞏固退耕還林成果專項規劃》、《貴州省生態文明先行區建設規劃(2013—2020)》等戰略方針, 貴州省先后組織實施了長江、珠江防護林體系建設, 天然林資源保護, 退耕還林和石漠化綜合防治等林業生態建設工程, 亟待對多時空尺度生態治理成效進行檢驗。通過構建喀斯特地區土地生態環境質量評價指標體系, 對貴州省15年間土地生態環境質量時空演變特征分析, 為區域生態環境恢復、生態文明建設以及社會、經濟與環境的可續發展提供理論依據和方法基礎, 對于制定合理的土地利用、環境保護政策以及采取恰當的土地規劃方案具有重要的意義。

2 研究區概況

圖1 貴州省區位圖Fig.1 Guizhou provincial bitmap

貴州省(103°36′E—109°35′E、24°37′N—29°13′N)地處云貴高原東部, 是世界三大喀斯特集中分布區東亞片區中心[10], 下轄9個地州市(如圖1), 地貌以高原山地丘陵為主(約占 89%)。貴州省屬亞熱帶濕潤性季風氣候區, 氣候溫暖濕潤, 降水豐沛, 年平均氣溫15 °C左右, 年降水量1100—1400毫米。因巖溶地貌廣泛發育, 喀斯特出露面積占全省面積73%[11], 地形結構復雜, 生態環境穩定性差、敏感性強, 環境人口承載力低, 人地矛盾突出, 是典型的生態環境脆弱區[12]。

3 數據來源與方法

3.1 數據來源

地質巖性數據通過貴州省 1: 20萬巖性分布圖掃描數字化獲得; 地表粗糙度數據、地形濕度指數通過數字高程模型ASTER GDEM數據地形分析獲得; 有效積溫數據由氣象站點觀測數據空間插值獲得; 土壤有機質數據來源于全國第二次土壤普查數據; 土壤碎屑含量根據南京土壤所土壤類型數據通過世界土壤數據庫(HWSD)查找獲取; 土地利用數據來源于《貴州省生態環境十年(2000—2010年)變化遙感調查與評估》及《貴州省2015年生態環境監測》數據。植被蓋度數據通過Landsat遙感影像, 基于NDVI的像元二分模型方法反演得到。遙感影像數據和數字高程模型數據分辨率均為 30m, 分別獲取自我國地理空間數據云平臺(http://www.gscloud.cn/)和美國馬里蘭大學 GLCF平臺(http://www.landcover.org/), 所有數據均按照 Albers Conical Equal Area定義投影。

3.2 研究方法

針對貴州省喀斯特分布范圍廣、生態環境脆弱的特殊生態環境狀況, 選取適宜本研究區范圍的土地生態環境評價指標, 構建相應評價體系, 并采用柵格數據結構, 建立多要素綜合分析模型, 對貴州省的土地生態環境質量變化進行時空分析。

3.2.1 評價指標體系

不同的評價指標體系直接影響綜合評價的結果,在充分考慮科學性、綜合性、針對性、層次性原則后, 構建適宜貴州省的土地生態環境指標體系。從自然和人類活動兩方面考慮, 并充分考慮貴州省喀斯特廣泛分布的特點, 將評價體系分為 4個二級指標以及8個三級指標。

水熱條件提供整個系統中所需的能源以及水分,有效積溫從強度和作用時間兩方面體現適宜溫度對生物有機體生長發育的影響; 濕潤度從生物生長所必須的水分條件體現對生態環境的影響。土壤作為植被生長的基礎條件, 為植被生長提供所必須的養分[13], 有機質含量以及碎屑含量從有利和不利于植被生長兩方面考慮對整個系統的影響。土地覆蓋是從自然環境角度表現地表自然覆蓋狀況; 土地利用則從人類活動角度反映人類有目的地開發利用土地資源對生態環境的影響[14], 兩者體現人類社會與自然環境間的相互作用, 通過改變生態系統結構與功能對生態系統和人類產生相應的影響[15], 是整個系統核心部分。地質地貌提供最基本的下墊面組織結構和表現形態, 為整個生態系統的演化和相互作用提供了空間和骨架[16], 其中地表粗糙度反映了地表起伏變化與侵蝕程度的指標, 從地表形態角度考其對整個系統的影響, 指數值越大越不利于生態環境發展。

土地利用數據取值參考劉紀遠提出的土地利用程度綜合分析方法[17], 根據土地利用的程度從未利用地級, 林、草、水用地級, 農業用地級, 城鎮聚落用地級由低至高分4級(表1), 分級指數越高受人類影響程度越大。地質類型數據由貴州省巖性數據劃分喀斯特分類標準[18], 根據不同喀斯特類型環境狀況差異[19]-[20], 將典型喀斯特區、亞喀斯特區、非喀斯特區由低至高分級賦值。

3.2.2 評價指標權重

因各項指標存在敏感性差異, 在選取評價指標同時, 需確定所構建指標體系權重。確定權重方法包括主觀判斷法、經驗判斷法及數學方法等。其中層次分析法具分層交錯評價特點, 指標間關聯性強、對結果影響清晰明確。選取層次分析法通過層次排序、矩陣判斷及一致性檢驗等步驟, 得到各指標權重如表1所示:

3.2.3 多要素綜合分析模型

為使指標間具可比性, 剔除不同數量級指標間閾值差異, 采取標準化及歸一化處理[21-22]并采用土地生態環境狀況指數(Land Eco-environment Index,LEI)模型進行相關計算:

式中:Wi為標準化后的指標量值,Ci為該量值對應指標的權重,i為子系統的指標數。

表1 土地生態環境狀況評價指標體系及權重Tab.1 Evaluation index system and weight of land ecological environment

該模型充分考慮各指標間關系, 對已標準化的指標變量值在柵格單元基礎上進行疊加計算, 對較大研究區分析計算具有簡單高效特點并具直觀性。最終獲取的研究區土地生態環境質量綜合指數值處于0—100之間, 值越大表明土地生態環境質量狀況越好。

4 結果分析

4.1 全省演變特征

圖2 貴州省土地生態環境質量綜合指數圖Fig.2 Comprehensive index of land eco-environment quality in Guizhou Province

貴州省土地生態環境質量綜合指數分布如圖2所示。4期指數均值分別為 51.08、52.65、51.93、53.36, 2010年一期指數出現下降。15年間貴州省植被蓋度、土地利用指數由2000年60.32、57.72增至2015年 69.13、57.99, 分別增長 13.88%、0.46%。2010年指數下降, 與整體轉好趨勢不符, 分析得到 4期有效積溫指數分別為53.18、46.63、38.80、59.85, 受2008年特大凝凍災害等自然災害影響較大, 2005—2010年間有效積溫指數較往年偏低是其重要原因。貴州省土地生態環境質量整體呈自北向南先減后增趨勢, 貴州省東南部、西南部地區因土地土壤有機質含量較高、水熱條件較好, 生態環境質量綜合指數整體較高。

4.2 不同行政單元演變特征

統計分析不同行政單元的土地生態環境質量如圖3所示。根據各地州市變化異同性, 將不同地州市劃分為增長型、穩定型、波動型三種類型。增長型: 六盤水市、安順市綜合指數呈持續增長態勢,恢復狀況良好。穩定型: 黔南州、遵義市以及銅仁市4期綜合指數波動范圍小于2, 處于平穩狀態。波動型: 黔東南州、畢節市、黔西南州、貴陽市 4期指數波動范圍處于2至5之間, 土地生態環境質量穩定性差。

4.3 不同地貌類型區演變特征

如圖4所示, 2000—2015年間丘陵地貌類型綜合指數由49.93增至53.04, 增長6.23%; 山地地貌類型由51.41增至53.47, 增長4.00%; 臺地地貌類型由51.11增至54.43, 增長6.48%, 最后一期指數增長明顯; 盆地地貌類型由50.55增至52.31增長3.48%, 4期綜合指數先增后減波動明顯。受生態恢復工程影響, 15年間山地及丘陵地貌類型綜合指數波動較小、整體增長趨勢明顯, 而臺地及盆地地貌類型受人類生產活動及開發利用影響大, 波動較為明顯。

從空間分布來看, 丘陵及山地地貌類型演變特征相似, 4期指數較高; 盆地及臺地地貌類型受人類活動影響大且因喀斯特發育分布較為破碎, 4期指數較低。

圖3 貴州省各地州市變化統計Fig.3 Change statistics of prefectures and cities in Guizhou Province

圖4 貴州省不同地貌類型區變化統計Fig.4 Change statistics of different geomorphic types in Guizhou Province

4.4 不同喀斯特類型區演變特征

如圖5所示, 4期綜合指數均表現為: 非喀斯特地區＞亞喀斯特地區＞典型喀斯特地區。非喀斯特地區綜合指數處三者中最高, 喀斯特地區因巖溶發育, 生態環境脆弱, 綜合指數值低, 與前人研究結果一致[19], 不同喀斯特類型區綜合指數值差異明顯,特征顯著。從時間尺度分析, 非喀斯特地區 4期指數由53.51增至55.00, 提升2.78%; 亞喀斯特地區由51.26增至 54.18, 提升 5.70%; 典型喀斯特地區由48.75增至51.50, 提升5.63%, 喀斯特地區指數增長趨勢擬合程度高, 增長趨勢明顯。從各指標變化來看, 非喀斯特地區、亞喀斯特地區、典型喀斯特地區 4期植被蓋度指數分別增長 8.81%、19.30%、16.79%; 4期土地利用指數分別增長1.60%、0.27%、-0.43%。究其原因, 退耕還林及石漠化治理使生態環境得到恢復[24]喀斯特地區植被改善增幅遠高于非喀斯特地區, 土地利用趨于合理化, 指數呈負增長。從不同喀斯特分區對比分析來看, 喀斯特地區環境改善, 綜合指數增幅高于非喀斯特地區。

圖5 貴州省不同喀斯特分區變化統計Fig.5 Change statistics of different karst districts in Guizhou Province

4.5 典型喀斯特治理區演變特征

為檢驗生態保護、退耕還林、石漠化治理成果,分別選取烏江流域生態保護上中下游典型小流域區及花江石漠化綜合治理示范區進行典型性分析。花江綜合治理示范區石漠化問題十分具有典型性, 近年來采取多種措施進行探究實驗, 尋求治理方案[27]。

如圖6所示, 花江綜合治理示范區4期土地生態環境綜合指數分別為46.26、47.95、52.49、51.50,15年間增長11.34%, 增幅高于全省典型喀斯特地區平均 5.63%。15年間植被蓋度指數由 37.31增至57.28, 增長53.55%, 植被蓋度指數增幅遠高于全省平均水平13.88%; 土地利用指數由59.51降至59.01,下降 0.84%, 土地利用指數因退耕還林等措施呈現負增長。因地處喀斯特干熱河谷加之常年重點治理,受2008年特大凝凍災害等自然災害影響較小, 第3期指數仍呈現增長, 第 4期指數因治理重點向生態效益、民生產業等多元化持續發展方式傾斜、土地利用指數呈負增長而略微下降。烏江流域典型小流域區中撒拉溪小流域區4期綜合指數分別為48.55、52.75、49.69、54.15, 15年間增長11.53%; 龍壩小流域區4期綜合指數分別51.26、54.43、52.6、55.72, 15年間增長 8.71%; 梨子水小流域區 4期綜合指數分別 52.12、54.30、54.19、55.45, 15 年間增長 6.39%, 第3期指數與全省整體因自然災害影響呈下降趨勢相同, 均出現下降。上中下小流域區喀斯特程度依次遞減, 生態環境脆弱性降低, 因而表現為指數波動程度依次遞減。通過分析表明, 烏江流域及花江綜合治理示范區治理之初存在不合理土地利用及石漠化等生態問題, 生態環境本底脆弱, 隨著多年重點治理保護, 綜合指數增幅均高于全省平均水平4.45%, 生態環境治理成效顯著。

圖6 典型生態綜合治理示范區統計Fig.6 Statistics of typical ecological comprehensive treatment demonstration area

5 結論

從水熱、地質地貌、土壤、土地利用/土地覆蓋4個方面選取8個指標, 構建貴州省土地生態環境質量綜合評價指標體系, 得到貴州省土地生態環境質量綜合指數圖, 并對貴州省土地生態環境質量時空演變特征進行分析。結果表明:

(1)15年間貴州省土地生態環境質量處于動態變化、整體轉好態勢。六盤水市、安順市呈現持續增長, 畢節市、黔西南州、貴陽市各期指數波動明顯。

(2)不同地貌類型指數特征差異明顯, 未來對指數波動較大盆地及臺地類型區應提高重視程度并加強管控力度, 實現區域生態環境、社會經濟的可持續發展。

(3)喀斯特地區生態環境較非喀斯特地區脆弱, 敏感性強; 不同喀斯特類型區指數差異明顯, 特征顯著。近年來通過多項生態治理工程, 典型生態治理區改善增幅高于同類其他地區, 治理成效顯著。未來應穩固治理成果、推廣治理經驗, 實現省域范圍整體提升。

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spatial-temporal evolution characteristics of land ecological environment quality in Guizhou Province during 2000-2015

JIANG Haifeng1,2, AN Yulun1,2, ZHOU Xu1,*, XU Youxia1, YU Xiaofang1
1.School of Geographic and Environmental Science,Guizhou Normal University,Guiyang550001,China2.Guizhou Mountain Resources and Environmental Remote Sensing Application Laboratory,Guiyang550001,China

Temporal and spatial evolution analysis of land ecological environment quality aims to test the achievements of ecological environment control for many years, to optimize land space structure, to reveal the internal differences in Karst, and to provide decision-making basis for different types of regional ecological environment governance, hence it is of great significance to the construction of ecological civilization.Considering the 4 aspects from the hydrothermal condition, geology and physiognomy, soil, land use/land cover,analysis of temporal and spatial evolution characteristics of land ecological environment quality in Guizhou Province in 2000-2015 was done.The results show are as follows.1) The comprehensive index of land eco-environment quality in Guizhou province was stable as a whole and was better.Four period of index was 51.08(2000)、52.65(2005)、51.93(2010)、53.36(2015).2) The quality of land ecological environment was relatively stable in Qiannan state, Zunyi city and Tongren city.The quality of land ecological environment was improved obviously in Liupanshui city, Anshun city.The composite index had poor stability in Bijie city and Qianxinan state.3)The comprehensive index of hilly land ecological environment quality increased greatly, and basin fluctuation was obvious.4)Composite index of different types of karst was in the order of non-karst region＞semi-karst region＞typical karst region; the improvement rate of karst region was higher than that of non-karst region.In the future, efforts should be made to strengthen the management of land ecological environment in areas with relatively scarce land and fragile ecological environment in karst.For the basins affected by human activities, we should further optimize the development and utilization methods, to realize the sustainable development of regional ecological environment and social economy.

land ecological environment; temporal and spatial evolution; karst; Guizhou

10.14108/j.cnki.1008-8873.2017.05.022

X822

A

1008-8873(2017)05-170-07

姜海峰, 安裕倫, 周旭, 等.2000—2015年間貴州省土地生態環境質量時空演變特征[J].生態科學, 2017, 36(5): 170-176.

JIANG Haifeng, AN Yulun, ZHOU Xu, et al.Spatial-temporal evolution characteristics of land ecological environment quality in Guizhou Province during 2000-2015[J].Ecological Science, 2017, 36(5): 170-176.

2016-12-26;

2017-03-13

國家自然科學基金項目(41161002); 貴州省科技支撐項目(黔科合支撐[2017]2855); 貴州省基礎研究項目(黔科合基[2017]1195); 貴州省教育廳項目(2015JG07)

姜海峰(1992—), 男, 山東東營人, 碩士研究生, 主要從事地理信息系統與環境遙感研究, E-mail:jhf1210@163.com

*通信作者:周旭(1981—), 男, 副教授, 碩士生導師, 主要從事遙感水文與GIS應用研究, E-mail:zxzy8178@163.com