雅安市生態環境脆弱性及其影響因素相關性分析

郭夢迪， 韓繼沖， 冉浩楠， 楊 鑫

(成都理工大學 國土資源部地學空間信息技術重點實驗室，成都 610059)

0 引言

隨著全球環境變化影響研究的加強，特別是對人地關系研究的深入，有關生態脆弱帶、生態脆弱性及其脆弱性評估等研究逐漸成為全球性研究熱點[1]，多項國際科學計劃將生態環境脆弱性研究提上日程[2-3]。生態環境脆弱性是氣候變化的潛在影響和適應性能力的函數[4]，目前國內、外已有許多學者開展生態環境脆弱性評價方面的研究。吳紹洪等[5]應用大氣-植被相互作用模型(AVIM2)，對21世紀中國生態系統的狀況進行模擬，并對自然生態系統在氣候變化背景下的脆弱性進行了評價；陳佳等[6]將VSD(Vulnerability scoping diagram)框架和 SERV(Spatially Explicit Resilience-Vulnerability)模型進行整合，應用SERV模型篩選脆弱性指標，定量測度了黃土高原半干旱地區榆林市2000年-2011年社會—生態系統脆弱性空間分異特征及演化趨勢；溫曉金等[7]基于山地城市主體功能區劃方案設置不同適應目標，構建了山地城市社會—生態系統脆弱性評價體系，分析秦嶺山地商洛市縣域長時序的脆弱性時空演變規律。

筆者以雅安市為研究區，綜合考慮影響生態環境脆弱性的復雜過程，定義了一個包含11個變量，由反映和表征區域生態環境脆弱性的地形、氣象水文、土地資源、社會經濟四個子系統為主體框架的生態環境脆弱性評價指標體系，利用AHP計算指標體系內相應權重；運用遙感技術獲得相關數據并進行數據預處理；集成GIS空間分析、統計分析技術構建生態環境脆弱性評價模型；針對指標體系中各子系統對脆弱性的影響模式和程度不同的問題，創新性的利用散點圖對各子系統與綜合脆弱性進行相關性分析。研究結果將為雅安市促進發展生態旅游經濟以及維護區域生態環境的可持續發展提供借鑒。

1 數據與方法

1.1 研究區概況

雅安市位于青藏高原東坡向成都平原過渡地帶，地理范圍為28°51′10″N～30°56′40″N， 101°56′26″E～103°23′28″E，全市轄雨城、名山、滎經、漢源、石棉、天全、蘆山、寶興2區6縣，幅員面積約1.53×104km2。海拔在519 m～5 606 m之間，整體地勢北、西和南部高，東部和中部低；區域內山巒縱橫，地形復雜，其中山地占全區面積的94%，丘陵和平壩占全區總面積的6%，且主要分布在青衣江兩岸[8]。降水是地質災害最主要的誘發因素，雅安地區作為中國內陸降雨最充沛的地區之一，區域內南北降雨差異較大，北部各縣降雨充沛，年總雨量在1 000 mm～1 900 mm；南部石棉和漢源兩縣氣候干濕分明，年總雨量僅有750 m左右[9]。脆弱的地質環境結合日益加強的人類活動，使得雅安地區生態環境問題逐漸成為制約該地區旅游業發展的因素之一。

1.2 生態環境脆弱性評價指標體系

生態環境脆弱性是由氣象水文，社會經濟(人類活動)，土地資源和地形因素共同影響的復雜過程的結果，可分為兩類：①內部脆弱性；②外部脆弱性。內部脆弱性源于生態環境本身的結構，受外部脆弱性的影響較??；外部脆弱性受人類活動的影響較大。在已有研究成果基礎上，結合雅安市生態環境實際特點構建了以地形、土地資源、氣象水文、社會經濟四個子系統為主體框架的概念模型(表1)，并基于此概念模型選擇了11個評價指標。

表1 評價指標選取及數據來源與處理Tab. 1 Evaluation index selection and data source and processing

表2 雅安市生態環境脆弱性評價指標體系及權重(CR<0.1)Tab. 2 The assessment indices and weight of ecosystem vulnerability of Ya'an

權重代表了生態環境脆弱性評價指標的重要程度，權重確立是否合理直接影響著評價結果的準確性。運用AHP建立了多層次、多目標的生態環境脆弱性評價指標體系(表2)。AHP是20世紀70年代運籌學家Saatty教授提出的在模糊問題中進行相關合理決策分析的方法。首先根據專家打分法引用數字1～9及其倒數作為標度，表示矩陣元素間的相互重要關系以此構建合理的判斷矩陣，在判斷矩陣的一致性檢驗中，準則層和目標層的一致性系數(CR)值均小于0.1。根據上述判斷矩陣在yaahp中計算準則層和目標層權重。

1.3 生態環境脆弱性評價方法

由于不同指標量綱和數量級的差異，無法直接對各指標數據進行計算，因此本文采用極差法對評價指標進行標準化處理。對于與生態環境脆弱性呈正相關的指標采用公式(1)進行標準化：

Yi=[Xi-Xi,min]/[Xi,max-Xi,min]

(1)

而與生態環境脆弱性呈負相關的指標則采用公式(2)進行標準化：

Yi=1-[Xi-Xi,min]/[Xi,max-Xi,min]

(2)

式中：Yi為指標標準化值；Xi為指標初始值；(Xi,min)、(Xi,max)分別為該指標最小值、最大值。

采用生態環境脆弱性指數EVI13](Ecological Vulnerability Index)來定量評價區域生態環境脆弱性狀況。將指標層中的11個指標分別乘其子權重，進行累加得到準則層中各子系統值(公式(3))：

(3)

式中：Ai表示各子系統的脆弱性指數；Ui表示各指標的標準化值；Wi表示個指標的權重，i=1、2、3…、n。

再將地形、社會經濟、氣象水文、土地資源四個子系統數值進行加權求和，計算EVI值(公式(4))，EVI值越大，表明生態環境脆弱性程度越高：

EVI=∑[A1Y1+A2Y2+A3Y3+A4Y4]

(4)

式中：EVI為綜合生態環境脆弱性指數，其值范圍為[0，1]；A1、A2、A3、A4分別表示地形、社會經濟、氣象水文和土地資源子系統；Y1、Y2、Y3、Y4分別為各子系統對應權重。

2 結果與分析

2.1 子系統生態環境脆弱性

通過上述方法得到的生態環境脆弱性評價結果在空間分布上是較為連續的，為了在整體上對研究區生態環境脆弱性有一個正確的認識，將生態環境脆弱性結果進行分類以確定不同地區生態環境脆弱性的級別。自然斷點分類法是通過查找數據值差異相對較大的相鄰要素對來使用統計方法確定分類間隔，該方法可以很好地將類別相近的物體聚集在一起并且增大類別之間的差異，而類內部的差異很小，每一類之間都有一個較為明顯的斷裂之處，是目前較常用的數據分類法[11]。因此，根據上述方法，分別計算出水文氣象、社會經濟、土地資源和地形四個子系統脆弱性值，利用自然間隔分類法對脆弱性進行分級，具體劃分為潛在脆弱、微度脆弱、輕度脆弱、中度脆弱和重度脆弱五個等級(表3)。

表3 各子系統脆弱性等級面積百分比/%Tab. 3 Percentage of subsystems vulnerability level

圖1 四個子系統脆弱性及綜合生態環境脆弱性分級圖Fig.1 The vulnerability grading map of terrain subsystem, land resourcessubsystem and regional ecological environment

1)地形子系統脆弱性空間分布及分析。地形子系統脆弱性分級如圖1(a)，中-重度脆弱區面積占比約63.6%，主要分布在研究區西北部和南部，該地區多為地形復雜、山脈縱橫、地勢起伏度和坡度大，經常發生山體滑坡等地質災害，故生態環境脆弱性先天脆弱；而潛在-輕度脆弱區則分布在研究區東部平原地區，環境脆弱性指數低。

2)土地資源子系統脆弱性空間分布及分析。土地資源子系統脆弱性分級如圖1(b)，中-重度脆弱區大致散落分布，而東部平原地區則呈現出小片聚合狀態，其面積占比約31%；該子系統脆弱性空間分布格局大致與地形子系統呈相反狀態。造成此分布的主要原因為在脆弱性高的東部平原地區人為干擾強烈，致使土地利用類型豐富且多為耕地和草地，土壤可蝕性較高。海拔極高的少部分邊界地區環境脆弱性程度較高其主要原因是這些區域植被覆蓋度較低。

3)氣象水文子系統脆弱性空間分布及分析。氣象水文子系統脆弱性分級如圖1(d)，氣象水文子系統中降水和氣溫數據均由研究區及其周圍9個標準氣象站點進行克里金插值模擬所得。脆弱性程度嚴重的區域對應研究區西北部、南部；反之，脆弱性程度較低的區域對應于研究區東部地形平坦降雨和溫度充足的地區，該地區氣候濕潤，植物群落結構復雜，生態系統穩定，抵御外來干擾能力強，因此脆弱性程度較低。

4)社會經濟子系統脆弱性空間分布及分析。社會經濟子系統脆弱性分級如圖1(e)，社會經濟子系統脆弱性反映了人類社會經濟活動對生態環境退化的響應，山區與平原地區人類活動活躍度有著明顯的差異，就研究區而言，人類干擾主要集中在中西部的雨城區，南部的石棉縣等工業、農業、旅游業等經濟發達的地區，頻繁的人類活動給這些區域生態環境帶來巨大的退化壓力。

2.2 綜合脆弱性空間分布及分析

采用綜合評價法對研究區生態環境脆弱性進行評價，即將各子系統脆弱性值進行加權求和得到綜合生態環境脆弱性指數EVI，并遵循自然斷點法，將綜合生態環境脆弱性分為5級(表4)。

研究區綜合生態環境脆弱性空間分布如圖1(c)所示，總體看來，區域綜合脆弱性整體上呈現出自西向東逐步減弱的趨勢，綜合環境脆弱性指數最高為0.67，主要出現在研究區南部石棉縣，主要由于該地區海拔高且工業等經濟發達；最低值為0.17，主要出現在研究區東部名山縣。根據GIS空間統計分析結果，2014年研究區境內輕度脆弱區所占比例最大，為32.12%；微度脆弱和中度脆弱次之，分別為26.68%、 20.33%；潛在脆弱和重度脆弱占比較小，分別為14.92%、5.96%。

表4 雅安市生態環境脆弱性指數分級Tab.4 Classification of ecological environment vulnerability index in Ya'an

比較圖1中各小圖發現，區域綜合脆弱性格局與地形、氣象水文、社會經濟子系統脆弱性空間分布趨勢大體相同，但與土地資源子系統呈相反分布，主要由于東部地勢平坦，土地利用率大且土壤可蝕性大。這表明研究區生態環境脆弱性的宏觀分布特征主要受到地形、氣象水文、社會經濟子系統的控制作用，而土地資源子系統僅在局部地區有所影響。

2.3 子系統脆弱性與綜合脆弱性相關性分析

通過散點圖進行因素之間的相關性分析的方法已經被運用到物理學、生物學、經濟學、生態學等各個領域[14-15]。本研究結合研究區的實際情況，通過在研究區范圍內構建近似于正方形的評價單元，將研究區切分成299個相等的單位地塊進行統計分析，能夠有效地避免通過以柵格作為評價單元進行統計分析的方法因數據量過大造成分析結果不準確問題。其中單位地塊面積約51.3 km2，邊界的部分所占面積超過單元地塊面積的二分之一即算做一個分析單元，未超過二分之一則不納入統計。在此基礎上，通過區域統計方法計算每個地塊內的脆弱性值及各評價指標的平均值。再將空間數據轉化為統計數據，以子系統脆弱性指數作為橫坐標，以綜合環境脆弱性指數作為縱坐標，繪制出子系統脆弱性與綜合脆弱性之間線性關系的散點圖并觀察圖中數據分布規律，找出二者之間的相關性，并進行分析、討論(圖2)。

1)通過對圖2(a)的分析可以發現，點的分布大致呈現出類似線性函數的情況，擬合趨勢線斜率為+0.37，表明隨著氣象水文子系統脆弱性指數值的增大，綜合脆弱性指數值增大，但綜合環境脆弱性指數的增長幅度小于氣象水文子系統的環境脆弱性指數的增長幅度。且當子系統脆弱性指數增大到0.8時，將不再對綜合脆弱性產生影響。

圖2 子系統脆弱性與綜合脆弱性散點圖Fig.2 Scatter plot of subsystem vulnerability and regional comprehensive vulnerability(a)氣象水文子系統EVI指數;(b)土地資源子系統EVI指數;(c)地形子系統EVI指數;(d)社會經濟子系統子系統EVI指數

2)通過對圖2(b)的分析，擬合趨勢線斜率為-0.62，表明隨著土地資源脆弱性的增加，綜合脆弱性減小，但該趨勢線散點擬合程度較低，表明土地資源子系統脆弱性整體上對綜合脆弱性影響相對微弱。

3)通過對圖2(c)的分析發現，地形子系統脆弱性與綜合脆弱性呈高度正相關，趨勢線斜率為+0.6，綜合環境脆弱性指數的增長幅度略大于地形子系統的環境脆弱性指數的增長幅度。研究區位于青藏高原向成都平原的過渡地帶，西部多高山，東部多丘陵，地形差異明顯，因而地形子系統對綜合脆弱性貢獻率較大。

4)通過對圖2(d)的分析，散點分布無明顯線性規律。散點可以細分為I、II二個聚集區，當社會經濟子系統脆弱性指數小于0.4時(聚集區I)，隨著社會經濟子系統脆弱性指數的增加，綜合生態環境指數增長速率較大；當社會經濟子系統脆弱性指數大于0.4時(聚集區II)，增速緩慢。

3 結論

雅安生態環境脆弱性是以區域內地質條件復雜、降水極為豐富等因素為基底的原生脆弱，加上區域內旅游業發達、人口密集等人為活動引起的次生脆弱相互交織作用的結果。我們綜合研究區生態環境實際情況，構建以地形、氣象水文、土地資源、社會經濟子系統為主體框架的評價指標體系，運用AHP建立評價模型對研究區生態環境脆弱性進行評價，最后利用散點圖分析各子系統脆弱性與綜合脆弱性之間的相關性。

1)研究區在地形、氣象水文、土地資源、社會經濟子系統環境脆弱性上具有明顯空間分布差異，四者綜合可反映出研究區綜合生態環境脆弱性特點：研究區約26.29%的區域已達到中-重度脆弱，41.6%區域為潛在-微度脆弱，空間分布上大致呈自西向東逐漸減小的趨勢，其中南部石棉縣脆弱性程度總體較高。

2)研究區綜合環境脆弱性是由地形、氣象水文、土地資源、社會經濟四個子系統共同決定的，當某一區域地貌類型單一，地勢起伏度小時，地形子系統脆弱性表現為潛在或微度脆弱；當某一區域人口密度較大，景觀多樣性豐富且植被覆蓋度較低時，社會經濟和土地資源子系統脆弱性值較高，即不同區域由于外部和內部的差異，使得不同指標對該區域生態環境脆弱性的影響模式和程度不同。

3)在對研究區生態環境脆弱性進行評價的基礎上，根據散點圖分析找出影響雅安生態環境脆弱性的主要因素，提出針對不同脆弱地區改善當地生態環境狀況的建議。影響脆弱性的主要因素為地形因子，而氣象水文因子、社會經濟因子和土地資源因子均表現出不同程度的相關性，在研究區中東部可通過改善土地利用效率，合理利用資源改善提高生態環境穩定性；研究區南部以石棉縣為主，可采取加強工業污染治理，合理開發礦藏等措施降低對環境造成的壓力。