安徽省生態彈性力時空變化及影響因素研究

豆明偉, 唐莉華,*, 徐翔宇, 楊大文

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安徽省生態彈性力時空變化及影響因素研究

豆明偉1, 唐莉華1,*, 徐翔宇2, 楊大文1

1. 清華大學水利水電工程系, 北京 100084 2. 水利部水利規劃設計總院, 北京 100120

社會經濟快速發展帶來的環境問題使人們日益重視生態環境保護與修復。基于生態彈性力的概念, 從生境、水文及氣候等3個方面構建了生態彈性力評價指標體系, 并運用層次分析法(AHP)得到各個指標在生態彈性力評價中的權重。以安徽省為例, 對生態彈性力的時空變化及影響因素進行了分析和評價。結果表明, 在1995—2014年間,安徽省生態彈性力呈現下降趨勢, 主要是受土地利用變化如耕地和林地減少、建設用地增加的影響, 同時地下水資源量的減少對生態彈性力下降有很大作用。從空間分布來看, 安徽省生態彈性力由南向北呈現遞減規律, 空間上的差異主要受水資源量和土地利用類型的影響。該研究結果可為安徽省生態彈性力的治理與保護提供科學參考。

生態彈性力; 層次分析法; 指標體系; 安徽省

1 前言

工業革命以來, 全球生態環境遭到破壞, 20世紀50年代后, 破壞更為嚴重[1]。我國近年來的生產力取得了突飛猛進的發展, 城市化進程不斷推進, 由此引發的資源、生態、環境等一系列問題[2], 從本質上改變了生態系統的功能和過程[3]。生態環境的惡化促使人們對生態環境的關注與研究, 其中, 生態彈性力的研究具有基礎性意義[2]。

生態彈性力是目前生態學研究的熱點之一。霍林[4]最早將“彈性力”一詞引入生態學研究當中, 將生態彈性力定義為生態系統承受外界干擾以保持原狀的能力, 并將其與系統受到破壞恢復到原狀的“穩定性”能力區分開[5]。后來, Westman[6]、高吉喜[7]等學者傾向于認為生態彈性力表示生態系統抵御外界干擾的能力和恢復原狀的能力。目前普遍認為, 生態系統彈性力包括彈性強度和彈性限度兩個方面[8–9]。生態系統的彈性力用彈簧來類比: 彈簧的彈性強度取決于彈簧的材質, 生態系統的彈性強度取決于氣候、水文、植被等因素[10]; 彈簧的彈性限度表示彈簧可伸縮程度的大小, 生態系統的彈性限度表示生態系統的緩沖與調節能力大小[7,11], 后者取決于地物覆蓋類型多樣性以及等級狀況等[10]。對生態彈性力的研究方法多樣, 國外Guillermo等[14]人用水分利用效率來表征生態彈性力, Stephen等[15]用全局靈敏性和不確定性分析來評估生態彈性力, 國內王云霞等[11]運用主成分分析法和指標體系法評價北京地區的生態彈性力, 張星標等[16]運用層析分析法以及模糊數學方法對江西省生態彈性力進行評價。總體來看, 人們多將生態彈性力研究作為生態承載力研究的一部分, 多注重人類活動的影響, 對自然系統的彈性恢復力研究較少。

安徽省是一個自然資源種類豐富的省份, 但近些年也存在水土流失、生態破壞、環境污染、水資源安全等一系列問題[12–13]。在“中部崛起”戰略以及依托“長三角”轉移產業的政策背景下, 安徽省將面臨更多的資源與環境問題[21],生態安全受到嚴峻挑戰。本文通過構建生態彈性力評價指標體系, 對安徽省1995—2014年間的生態彈性力變化以及生態彈性力空間分布規律進行了分析, 為安徽省生態環境保護提供科學參考。

2 研究區域與數據來源

2.1 研究區概況

安徽省位于長江下游和淮河下游中部平原地區, 南部的黃山地區是新安江的發源地, 介于北緯29°41′—34°38′, 東經114°54′—119°37′之間, 東西寬約450 km, 南北長約570 km, 總面積約14萬km2, 平均海拔119.3 m。安徽省地形地貌齊全, 包括平原、臺地、丘陵、山地等, 全省被劃分成淮河平原區、江淮臺地丘陵區、皖西丘陵山地區、沿江平原區、皖南丘陵山地等5個地貌區。安徽省是個農業大省, 耕地面積占總面積的比例超過50%, 林地和草地約占30%, 生態環境總體較好。地/市級行政單元包括合肥、黃山、馬鞍山等共16個(圖1)。

安徽省常年水資源量716億m3, 多年平均降雨量1173 mm, 屬于亞熱帶與暖溫帶過渡區, 具有明顯的過渡性氣候特征, 全省降雨等值線見圖2。受季風氣候影響, 天氣多變, 降雨年際變化大。全省四季分明, 年平均氣溫在14 ℃到17 ℃之間。

2.2 數據來源

本研究所用到的數據包括1995年、2000年、2005年及2010年共4期的土地利用數據, 分辨率為1 km×1 km, 數據來自地理國情監測云平臺; 水文數據來自《中國水資源公報》和《安徽省水資源公報》; 氣象數據來自《中國地面氣候資料日值數據集(V3.0)》, 該數據集代碼是SURF_CLI_CHN_ MUL_DAY, 包含了中國824個基準、基本氣象站1951年1月以來本站氣壓、氣溫、降水量、蒸發量、相對濕度、風向風速、日照時數和0 cm地溫要素的日值數據。

圖1 安徽省水系及行政分區圖

圖2 安徽省多年平均降雨量分布

3 研究方法

本文選用指標體系法和層次分析法進行生態彈性力的評價研究。指標體系法是一種通過建立一系列指標, 并對其進行評價以描述系統狀態的方法。指標的構建需要考慮系統性、代表性、區域差異性、可獲取性、實用性、動態性、可比性等。

在前人研究成果的基礎上[2,7,17], 考慮到前述指標選取的原則, 本文從生境、水文、氣候三個方面選取指標來對生態彈性力進行評價, 這三類要素是生態彈性力的決定性因素[2,10]。

生境要素: 生境要素用來評價一個地區的棲息地質量的適宜性, 對生物的生存具有重要意義, 主要用土地利用類型來表示。根據環境保護部發布的《生態環境狀況評價技術規范(HJ192—2015)》, 生境質量指數可以采用以下公式評價:

=A×(0.35×1+0.21×2+0.28×3+0.11×4+0.04×5+0.01×6) (1)

式中:生境質量指數;A生物豐度指數的歸一化系數, 參考值為5.1126;A林地面積比例;A草地面積比例;A水域濕地面積比例;A耕地面積比例;A建設用地面積比例(建設用地包括城鄉、工礦、居民用地);A未利用地面積比例。

水文要素: 水文條件是一個地區動植物生存、社會發展運行的關鍵要素。水文條件越好, 越有利于生物的生長生存, 生態系統就越穩定。選取地表水資源模數和地下水資源模數兩個指標來反映水文要素。地表水資源模數和地下水資源模數的評分參照全國各個省份地表水資源模數和地下水資源模數的大小計算。在實際操作中, 統計全國各個省份2004—2014年十年間的地表水資源模數平均值和地下水資源模數平均值, 去除極端異常值, 選取最大值倒數作為歸一化系數。得到地表水資源模數的歸一化系數為1/1079.74, 地下水資源模數的歸一化系數為1/256.55。

氣候要素: 氣候條件是動植物生存的重要因素之一, 是人類社會生產生活的重要資源。這里選取≥10℃積溫、降雨量、日照時長三個指標對氣候要素進行評價。氣候條件越適宜, 生態彈性力越大。類似于水文要素中各個指標的評分, 通過統計全國各個省份2004—2014年十年間的降雨量平均值, 得到降雨量的歸一化系數為1/1952.85, 通過查閱文獻[22–23], 得到≥10℃積溫、日照時長的歸一化系數分別為1/9000、1/3400.

綜上, 本文構建的生態彈性力評價指標體系如表1。

表1 生態彈性力指標體系

指標體系構建完成后, 對各個因素的重要性進行比較, 并應用層次分析法進行指標權重計算。水文對于一個地區生態彈性力評價具有基礎性意義, 其相對于氣候處于略重要與同等重要之間, 在比較矩陣中取值為2, 生境與水文具有同等重要性, 在比較矩陣中的取值為1。在水文方面, 地表水和地下水同等重要; 在氣候方面, 降雨相比于積溫和日照時長略重要。最終得到各個指標層及準則層在整個評價體系中的權重見表2。

在本研究中, 將六個指標的量乘以上文提到的歸一化系數, 得到各個指標的評分。在各行政區之間的分析比較時, 取安徽省整體作為標準, 將全省的整體水平調整為1, 各個區域按比例調整。

將各個指標的評分加權平均, 得到生態彈性力, 評價公式如下:

式中,為生態彈性力的綜合評價,W為第個指標的權重,為指標數量,F為第個指標的評分值。

3 結果與分析

3.1 生態彈性力的變化規律

考慮到土地利用數據每五年一期, 將1995年到2014年劃分為四個時期, 分別為1995—1999年, 2000—2004年, 2005—2009年, 2010—2014年。由評價結果可以看出, 安徽省生態彈性力總體較高, 但在近20年間評分依次為0.8205、0.8010、0.7968、0.7926, 呈現持續下降趨勢(圖3)。生態彈性力對應的指標比如土地利用等, 隨時間變化非常緩慢, 這也使得生態彈性力變化緩慢。這里出現持續性的下降, 幅度對于生態彈性力而言較為顯著。

表2 層次總排序結果

圖3 1995—2014年各個時期安徽省生態彈性力變化

圖3中, 生境要素、水文要素、氣候要素的所對應的值均為其評分乘以其在生態彈性力評價中所占的權重。這里乘以權重的做法使得各個要素隨時間變化的絕對量減小, 但仍可以看出: 1995—2014年, 生境要素以及水文要素評分呈現持續下降趨勢,氣候要素評分先下降后上升。由表2可知, 生境要素、水文要素、氣候要素在生態彈性力評價中的權重分別是0.4、0.4、0.2, 可知生境要素、水文要素是影響生態彈性力的主要因素。考慮到這兩個主要因素的持續下降, 下面進一步分析生境要素和水文要素的變化。

3.1.1 生境要素的變化

生境要素的下降, 主要受土地利用變化的影響。由圖4可以看出, 全省的耕地和林地呈現減少趨勢, 平均每5年的減少速率分別為448.1 km2、56.5 km2, 而建設用地、水域濕地、草地及未利用地呈現增加趨勢, 根據趨勢線, 平均每5年分別增加465.2 km2、26.9 km2、6.3 km2、0.9 km2。結合生境質量計算時賦予不同土地利用類型的權重可知, 耕地和林地的減少以及建設用地的增加是生境要素評價降低的主要原因。這反映了人類經濟社會活動對生態環境的不利影響。

3.1.2 水文要素的變化

水文要素的評價包括地表水資源模數和地下水資源模數兩個指標。由圖5可以看出, 地表水資源模數先下降后逐漸上升, 地下水資源模數先上升后逐漸下降, 水資源總量模數(地表水資源模數+地下水資源模數)在前3個時期逐漸下降, 最后一個時期上升。水資源總量模數變化與降雨量的變化趨勢基本一致, 這與“降雨是地區水資源的主要來源”相符合[18]。地表水資源模數在第一個時期到第二個時期下降, 之后逐漸上升, 地下水資源模數在第一個時期到第二個時期上升, 之后逐漸下降。水文要素的評價(圖3)在四個時期都是下降的, 這是因為水文要素的評價中, 地表水資源模數與地下水資源模數權重相同, 第一個時期到第二個時期, 地表水資源模數的減小比例大于地下水資源模數的增加比例, 地表水資源模數的減少占主導趨勢; 第二個時期到第四個時期, 地表水資源模數的增加幅度小于地下水資源模數的減少幅度, 地下水資源模數的減少占主導趨勢。

注: a 耕地; b 林地; c 建設用地; d 水域濕地; e 草地; f 未利用地。

由圖5還可以發現, 在第二個時期到第四個時期(2000—2014年), 降雨量與地表水資源模數是增加的, 地下水資源模數卻呈現減少趨勢。這是因為地下水資源除受到降雨量影響外, 還受到包氣帶厚度、持水條件等多種因素的影響。可以推測安徽省地下水資源模數的下降與兩個方面因素有關, 一是地下水埋深的加深增大了包氣帶厚度, 二是土地利用方式的變化。根據胡巍巍等(2009)的研究, 人類對地下水開采的增加使得安徽淮北平原地區1990到2006年地下水的埋深有明顯加深趨勢[20], 另外, 根據《安徽省水資源公報》提供數據, 2006—2013年, 安徽省地下水供水量持續增加, 淮北地區地下水位累計下降1.37 m。可見, 安徽省地下水位埋深呈現增大趨勢, 從而使得降雨對地下水的補給減小。同時, 建設用地的增加, 林地、耕地的減少, 增大了不透水地面面積, 也影響了降雨對地下水的補給。

圖5 水資源量與降雨量的變化

3.2 生態彈性力的空間分布

為了分析全省生態彈性力的空間分布規律, 以2014年的數據為基礎, 采用前文相同的方法對11個行政分區的生態彈性力進行了計算, 結果如圖6所示。可以看出, 安徽省生態彈性力由南到北呈現逐漸降低趨勢。就各準則層而言, 生境要素、水文要素均由南向北均呈現下降趨勢, 氣候要素由南向北有一定程度下降, 但下降不明顯。進一步分析可以看出, 從南到北的變化規律與降雨的自然分布以及土地利用方式有一定關系。南部黃山市有中國著名的黃山風景區, 降雨豐沛(多年平均降雨量1827.59 mm), 植被豐富(林地占比85%), 其生態彈性力居全省首位。實際上, 安徽省的旅游景區主要集中在黃山、安慶、六安等地[19–20]。良好的生態系統使得這些地區的旅游資源豐富, 而重視旅游產業的發展也使得人類活動對生態的破壞較小。良好的生態與良好的保護相互促進, 保障了這些地區的高生態彈性力。與之相對的是位于北部的宿州、淮北等地, 這些地區降水較少, 土地利用多為耕地和建設用地。

圖6 2014年各個地區評價

4 結論

本文對安徽省1995—2014年的生態彈性力進行了評價和分析, 同時分析了全省各地市2014年的生態彈性力水平。結果表明, 1995—2014年安徽省生態彈性力在波動中呈現下降趨勢, 生態彈性力指數由1995—1999年的0.8205下降到2010—2014年的0.7926。土地利用是影響生態彈性力的主要因素, 而水資源量的減少是引起安徽省生態彈性力下降的主要原因; 在空間上, 安徽省從南到北生態彈性力逐漸降低, 主要受土地利用方式和水資源條件的影響。

基于生態彈性力評價結果的分析, 為改善安徽省生態彈性力下降趨勢, 保護全省良好的生態環境, 對今后的經濟社會發展規劃提出如下建議:

(1) 合理規劃土地開發, 因地制宜發展, 構建生態文明。在現代化建設過程中, 注意制定自然生態空間用途管理辦法, 禁止對土地用途的任意改變, 守護生態紅線。同時, 要加強開展土地資源的監測, 動態掌握土地資源的變化情況。如對于黃山等風景區, 積極創建國家級風景區, 保護珍稀動植物資源。

(2) 控制對地下水資源的開采。地下水資源的大量開采將造成地下水水位的下降, 進而影響降雨對地下水資源的補充。為避免地下水資源的減少, 對地下水的開采要適度, 逐步封閉未經批準的開采井, 并且對于超采區要進行恢復性治理。

(3) 不同地區因地制宜, 保護和提高生態彈性力。安徽省不同地區自然條件和開發程度不同, 其生態彈性力也不同。需要根據各個地區不同的情況進行生態彈性力的保護和恢復。

[1] 董武娟, 吳仁海. 全球生態環境問題及保護對策[J]. 云南地理環境研究, 2004, 16(2): 74–78.

[2] 趙強, 李秀梅, 謝嘉欣. 濟南市生態彈性力評價研究[J]. 生態科學, 2015, 34(2): 156–160.

[3] 廖柳文, 秦建新, 劉永強,等. 基于土地利用轉型的湖南省生態彈性研究[J]. 經濟地理, 2015, 35(9): 16–23.

[4] HOLLING C S. Resilience and stability of ecological systems[J]. Annual Review of Ecology & Systematics, 1973, 4(4): 1–23.

[5] ZHU J, RUTH M. Exploring the resilience of industrial ecosystems.[J]. Journal of Environmental Management, 2013, 122(10): 65–75.

[6] WESTMAN W E. Measuring the inertia and resilience of ecosystems[J]. Bioscience, 1978, 28(11): 705–710.

[7] 高吉喜. 可持續發展理論探索: 生態承載力理論、方法與應用[M]. 中國環境科學出版社, 2001.

[8] STERK M, GORT G, KLIMKOWSKA A, et al. Assess ecosystem resilience: Linking response and effect traits to environmental variability[J]. Ecological Indicators, 2013, 30(5): 21–27.

[9] 劉曉平, 李鵬, 任宗萍,等. 榆林地區生態系統彈性力評價分析[J]. 生態學報, 2016, 36(22): 7479–7491.

[10] 張寶秀, 熊黑鋼, 徐長春. 新疆于田綠洲生態彈性度與景觀環境分析[J]. 水土保持研究, 2008, 15(6): 112–114.

[11] 王云霞, 陸兆華. 北京市生態彈性力的評價[J]. 東北林業大學學報, 2011, 39(2): 97–100.

[12] 張鑫, 周濤發, 陳富榮,等. 安徽省可持續發展過程中資源與環境問題研究[J]. 合肥工業大學學報(社會科學版), 2004, 18(3): 109–115.

[13] 陳雪, 熊鴻斌. 安徽省生態環境安全問題及應對措施[C]// 中國環境科學學會2009年學術年會論文集(第三卷), 2009.

[14] PONCECAMPOS G E, MORAN M S, HUETE A, et al. Ecosystem resilience despite large-scale altered hydroclimatic conditions[J]. Nature, 2013, 494(7437): 349–352.

[15] PERZ S G, MU?OZ-CARPENA R, KIKER G, et al. Evaluating ecological resilience with global sensitivity and uncertainty analysis[J]. Ecological Modelling, 2013, 263(1765): 174–186.

[16] 張星標, 鄧群釗. 江西省水生態承載力分析[J]. 南昌大學學報(理科版), 2011, 35(6): 607–612.

[17] 王西琴, 劉子剛. 太湖流域水生態承載力研究[M]. 中國環境科學出版社, 2013.

[18] 莫淑紅, 呂繼強, 沈冰,等. 基于去趨勢波動分析的降雨演變特性研究[J]. 西安理工大學學報, 2010, 26(2): 148–151.

[19] 胡文海, 孫建平, 余菲菲. 安徽省區域旅游經濟發展的時空格局演變[J]. 地理研究, 2015, 34(9): 1795–1806.

[20] 胡巍巍, 王式成, 王根緒,等. 安徽淮北平原地下水動態變化研究[J]. 自然資源學報, 2009, 24(11): 1893–1901.

[21] 李燕, 周亮廣. 基于LUCC的安徽省生態系統價值時空變化分析[J]. 人民長江, 2016, 47(17): 19–24.

[22] 柏秦鳳, 霍治國, 李世奎,等. 1978年前、后中國≥10℃年積溫對比[J]. 應用生態學報, 2008, 19(8): 1810–1816.

[23] 趙東, 羅勇, 高歌,等. 1961年至2007年中國日照的演變及其關鍵氣候特征[J]. 資源科學, 2010, 32(4): 701–711.

The spatial-temporal variations and influence factors of Ecological Resilience in Anhui Province

Dou Mingwei1, TANG Lihua1,*, XU Xiangyu2, YANG Dawen1

1. Department of Hydraulic Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China 2.Water Resources and Hydropower Planning and Design General Institute, Ministryof Water Resources, Beijing 100120, China

Ecological environment protection and restoration have attracted more and more attentions because of the severe environmental problems caused by fast social and economic developments. Based on the concept of ecological resilience, this paper constructed an index system of ecological resilience in terms of climate, hydrology and habitat, and the analytic hierarchy process (AHP) method was used to obtain the weights of these indices in the system. Taking Anhui Province as an example, this paper calculated the ecological resilience and analyzed its spatial and temporal variations. The results showed that the ecological resilience presented a downward trend during the period from 1995 to 2014, which was mainly affected by the decrease of farmland, forest, and groundwater resources and the increase of construction land. For the spatial distribution, the ecological resilience showed a decreasing trend from south to north, which was caused by the differences of water resources and land uses.This research can provide a scientific reference for the protection of ecological elasticity in Anhui Province.

ecological resilience; analytic hierarchy process; index system; Anhui Province

10.14108/j.cnki.1008-8873.2018.06.024

F205, Q146

A

1008-8873(2018)06-184-07

2018-05-22;

2018-10-17

國家重點研發計劃(No.2016YFC0401303)

豆明偉(1992—), 男, 河南省駐馬店人, 碩士, 主要從事生態水文學研究, E-mail: 1670011700@qq.com

唐莉華,女, 副教授, 主要從事生態環境保護研究, E-mail: tanglh@tsinghua.edu.cn

豆明偉, 唐莉華, 徐翔宇, 等. 安徽省生態彈性力時空變化及影響因素研究[J]. 生態科學, 2018, 37(6): 184-190.

DOU Mingwei, TANG Lihua, XU Xiangyu, et al. The spatial-temporal variations and influence factors of Ecological Resilience in Anhui Province[J]. Ecological Science, 2018, 37(6): 184-190.