2000—2017年龍門山斷裂帶生態脆弱性演變研究

張圓圓 毛爽 張淑偉

摘 ? ?要：龍門山斷裂帶位于青藏高原與四川盆地的過渡區域，地形地貌復雜，對其進行生態脆弱性評價可為該區域生態保護提供依據。從地形、地質、土壤與植被、氣象水文和社會經濟5個方面選取13個指標構建龍門山斷裂帶評價指標體系，并對2000—2017年間5個階段的生態脆弱性空間分布格局進行動態分析。研究表明：龍門山斷裂帶2000—2017年的生態脆弱性指數整體呈波動下降趨勢，生態環境趨于好轉;生態脆弱性指數受地理梯度影響顯著，重度脆弱區主要位于>4 000 m的高海拔山地;中度脆弱區主要分布在重度脆弱區周圍海拔3 400～4 000 m的山地，其他的呈點狀分布在東部平原市區;西南部及西北部山地更易受降水和植被等自然因素影響，東北部丘陵及東部平原受人為因素影響較大。

關鍵詞：生態脆弱性指數;評價指標體系;龍門山斷裂帶

中圖分類號：X826 ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ?DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2020.02.006

Evolution of Ecological Vulnerability in Longmenshan Fault Zone from 2000 to 2017

ZHANG Yuanyuan， MAO Shuang， ZHANG Shuwei

（College of Tourism and Urban-Rural Planning， Chengdu University of Technology， Chengdu， Sichuan 610059， China）

Abstract： The Longmenshan fault zone is located in the transitional zone between the Qinghai-Tibet Plateau and the Sichuan Basin， where the topography and geomorphology are complex， and the ecological vulnerability assessment of the Longmenshan fault zone can provide a basis for ecological protection in the region. 13 indicators including topography， geology， soil and vegetation， meteorological hydrology and social economy were selected to construct the evaluation index system， and the dynamic distribution pattern of ecological vulnerability in five stages from 2000 to 2017 was analyzed. The research showed that the ecological vulnerability indices of the Longmenshan fault zone from 2000 to 2017 were generally fluctuating and decreasing， and the ecological environment tended to improve; the ecological vulnerability indices were significantly affected by geographical gradients， and the severely vulnerable areas were mainly located in high-altitude mountains where the elevation was more than 4 000 m; the moderately vulnerable areas were distributed around the severely vulnerable areas， where the altitude was 3 400～4 000 m， and the others were dotted in the urban area of the eastern plain; the mountains in the southwest and northwest were more susceptible to natural factors such as precipitation and vegetation， but the northeastern hills and eastern plains were greatly affected by human factors.

Key words： ecological vulnerability index; evaluation index system; Longmenshan fault zone

生態脆弱性是指生態系統及其組成要素受到內外擾動時的易受損性[1-3]。20世紀初，生態過渡帶（Ecotone）被引入到生態學領域，由此衍生出生態脆弱性概念[4-5]。20世紀后期以來，生態脆弱性已成為區域環境變化與可持續發展的研究熱點[1]。龍門山斷裂帶處于四川盆地西北部邊緣，地質構造發育、地形地貌復雜，屬生態脆弱區域[6]。其所在的岷江流域是長江上游生態安全的重要屏障，具有重要的生態服務功能，對龍門山地區進行生態脆弱性評價，可為該地區生態修復、保護和生態規劃提供科學參考[7]。前人對龍門山斷裂帶的研究主要集中在地質學方面[8-9]，對該區域生態脆弱性研究較少。部分學者對汶川地震災區和岷江上游的生態脆弱性空間分布特征進行過研究，但缺乏演變分析[10-13]。因此本文通過不同時間節點，對該區域的生態脆弱性進行動態監測和評價。

1 研究區概況和研究方法

1.1 研究區概況

研究區地處四川盆地西北部邊緣，西臨川西高山，東接成都平原（圖1）。區域范圍為東經102°36'～105°38'，北緯30°44'～33°3'，包括都江堰市、汶川縣、北川縣等12個市縣，總面積約3.3×104 km2。區內的龍門山斷裂帶屬青藏高原東緣的逆沖推覆構造帶，是由強烈的地殼運動所形成的陸內造山帶，迄今仍處于活動狀態[14]。研究區地處巴顏喀拉地塊東部邊界，與位于其西南部、相對堅硬的四川盆地相互推擠形成斷層，主要由汶川—茂縣斷裂、平武—青川斷裂、映秀—北川斷裂、灌縣—安縣斷裂構成[6]，該斷裂帶對區內地貌形態控制明顯。研究區屬于亞熱帶濕潤季風氣候，兼有高山垂直氣候差異。受地貌和氣候等地理梯度影響，西部人口稀少，東部產業聚集，人口密集。

1.2 研究方法

1.2.1 指標體系構建 ? ?考慮研究區“自然—社會—經濟”系統的綜合影響，結合前人研究成果[15-19]，兼顧地域生態環境特征，本文從地形、氣象水文、地質、土壤與植被和社會經濟5個方面遴選13個生態指標，采用層次分析法構建龍門山斷裂帶生態脆弱性評價指標體系（圖2）。

1.2.2 數據來源及預處理 高程、坡向和NDVI數據來自中國科學院計算機網絡信息中心地理空間數據云平臺（http：//www.gscloud.cn），坡向由數字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）計算生成，高程和坡向空間分辨率均為90 m，歸一化植被指數（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）數據空間分辨率為500 m。年均溫度、年均降水和土壤侵蝕數據來源于中國科學院資源環境科學數據中心（http：//www.resdc.cn），通過對年平均氣溫、年降水量空間插值數據及土壤侵蝕空間數據裁剪得來，空間分辨率為1 km。河網矢量數據來源于全國地理信息資源目錄服務系統的1∶25萬全國基礎地理數據庫，通過計算河流長度與面積的比值得到路網密度。斷裂、巖性數據來源于四川省1∶50萬地質圖，地質構造指標用斷裂歐氏距離表征，通過ArcGIS空間分析中的歐氏距離計算得到;巖性數據先裁剪，再轉為柵格，最后對巖性重分類。GDP和人口密度數據來源于中國科學院資源環境科學數據中心數據注冊與出版系統（http：//www.resdc.cn），依據2000、2005、2010和2015年數據，通過年均增長率推算其他年份的數據;路網密度的數據來源于四川省統計年鑒，計算各縣市道路長度與面積比值得到路網密度;2000—2015年土地利用類型數據來源于歐空局300 m分辨率的全球土地覆被數據，2017年土地利用數據來源于清華大學全球30 m分辨率的全球土地覆蓋數據集，土地利用類型分為耕地、林地、草地、水域、未利用土地和城鄉、工礦、居民用地5類[20-21]。為便于后續數據計算與分析，將13個評價指標數據統一轉換為WGS_1984_UTM_Zone_48N的1km空間分辨率的柵格數據。

1.2.3 數據標準化 ? ?對數據進行計算之前，需要統一各個評價指標的量綱和單位，即對各指標數據進行標準化處理。本文對定量指標運用極差標準化法，標準化后數據的值在0～10范圍內。運用極差法標準化，是將評價指標與生態脆弱性分為正向和負向兩種關系：正向指標標準化后的值越大，脆弱性越高;負向指標標準化后的值越小，脆弱性越高。正向指標包括高程、坡度、人口密度、GDP密度、年均降水量、路網密度;負向指標包括斷裂歐氏距離、年均溫度、NDVI、河網密度等指標。為便于數據計算，將負向指標正向化，正向指標和負向指標采用不同的標準化算式[2，22]：

正向評價指標Zi=■×10（1）

負向評價指標Zi=■×10（2）

式中，Zi為標準化后某個指標的柵格圖層，標準化值在0～10范圍之間，Xi為某個指標的柵格圖層，Xmax為該柵格圖層中的最大值，Xmin為該柵格圖層中的最小值。地層巖性、土地利用類型和土壤侵蝕度3個指標屬定性指標，為反映研究區的生態環境整體特征與差異，參考前人研究的分級賦值標準[11，23]，將這些指標分為5個等級，根據該指標對生態脆弱性影響力的大小，賦以相應的值（表1），即通過賦值法對這3項指標進行定量化處理。

1.2.4 評價指標權重計算 ? ?層次分析法（Analytic Hierarchy Process）是將定性與定量方法結合，能把多目標、多準則且難以全部量化處理的問題轉化為多層次單目標問題[24]。結合前人研究經驗及研究區特點，根據各個指標對生態脆弱性的貢獻度，運用層次分析法對其賦予相應權重。本文使用Yaahp軟件計算指標權重，Yaahp是層次分析法的輔助軟件，在層次分析法的決策過程中具有模型構造、計算及分析等作用[25]。在Yaahp11.3軟件平臺，分別選擇決策目標、中間層要素和備選方案構建層次模型，再進行層次結構模型正確性檢查;通過1～9標度法將指標進行兩兩比較，構建指標層判斷矩陣;對判斷矩陣進行一致性檢驗，調整判斷矩陣一致性至0.1以下;最終確定各個指標權重（表2）。

1.2.5 生態脆弱性指數計算 在創建指標評價體系和確定指標權重基礎上，構建評價模型能夠實現對各指標因子信息的綜合，以量化的形式反映各個區域的生態環境脆弱性狀況。借鑒前人研究經驗，構建生態脆弱性指數模型（EcologicalVulnerability Index，EVI）[2，23，26-27]，分析生態脆弱性指數分布格局：

EVI=β1 Y1+β2 Y2+…+βnYn（3）

βn代表第n個標準化后的指標圖層，Yn表示第n個指標圖層相對應的權重，EVI為某年n個指標圖層與該圖層對應權重乘積的總和，生成的EVI值越高，生態環境越脆弱。

1.2.6 綜合脆弱性指數計算 ? ?在計算生態脆弱性指數的基礎上，進一步對其進行分級，再計算綜合生態脆弱指數。通過生態脆弱性綜合指數（EVSI）模型[27-28]，計算一個數值表征某年研究區整體的生態脆弱性程度：

EVSIj=■■ *Pi（4）

式中，Pi為生態脆弱性等級，Sj為j圖層總面積，Ai為圖層內脆弱性等級為i的面積，n為脆弱性等級數。計算多個時間節點生態脆弱性綜合指數，可用于刻畫研究區某時間段內生態脆弱性的動態變化趨勢，數值越大，研究區該年份的生態環境越脆弱。

2 結果與分析

2.1 生態脆弱性總體時空分布特征

基于生態脆弱性指數計算結果，綜合2000—2017年6期數據的特征，運用自然斷點法將生態脆弱性指數劃分為5個等級[23，29-31]（圖3）：Ⅰ級，脆弱性指數<2.7的潛在脆弱性區;Ⅱ級，脆弱性指數在2.7～3.3之間的微度脆弱性區;Ⅲ級，脆弱性指數在3.3～3.9之間的輕度脆弱性區;Ⅳ級，脆弱度指數在3.9～4.9之間為中度脆弱性區域;Ⅴ級，脆弱度指數>4.9的重度脆弱性區。

重度脆弱區域主要分布在研究區西北角及西南部4 000 m以上的高海拔山地;中度脆弱區域呈片狀分布在重度脆弱區域周圍3 400～4 000 m之間的山地，呈點狀分布在東部平原部分城市中心;輕度、微度和潛在脆弱性區域主要分布在東北部丘陵及東南部平原地區。中、重度脆弱性區域主要分布在理縣、汶川及綿竹、什邡、安州區和茂縣的四縣交界處，這些區域海拔高、坡度大、植被覆蓋率較低、斜坡穩定性較差、土壤侵蝕較重、地質災害較為發育，受自然因素影響較大。少部分中度脆弱性區域分布在東部平原的城市及周圍，主要受路網密度、GDP密度等社會經濟因素的影響。

通過統計2000—2017年間6個時間節點生態脆弱性等級面積占比（圖4），分析生態脆弱性動態分布特征。2000年，微度脆弱在總面積中占比最大，為44.97%，潛在脆弱和輕度脆弱占比大致相當;2007年，微度脆弱在總面積中占比增至46.89%，占比仍為最大，輕度脆弱次之;2009年，輕度脆弱在總面積中占比最大，為41.56%，微度脆弱次之;2012年，微度脆弱占比最大，為41.89%，潛在脆弱次之;2015年，微度脆弱在總面積中占比最大，為49.28%，輕度脆弱次之;2017年，潛在脆弱和微度脆弱在總面積中占比最大，共計77.45%。觀察每年5個生態脆弱性等級面積占比的變化情況可以獲知不同年份的生態脆弱性整體的變化狀況。

2.2 多期次生態脆弱性時空變化分析

為反映研究時段生態脆弱性的動態變化情況，將計算出的EVSI制成點線圖（圖5）。由圖5可知，2000—2017年龍門山斷裂帶EVSI總體呈波動下降趨勢，呈現出“上升-下降-上升-下降”的特點，受2008年汶川地震影響，EVSI在2009年達到峰值，2017年EVSI最低，根據2000—2017年生態脆弱性綜合指數波動變化趨勢，結合生態脆弱性指數，分5個階段進行分析。

2.2.1 2000—2007年 EVSI從2.32上升至2.58，增長11.21%，EVI平均升高0.16;EVI呈逐步攀升狀態，是由于研究區經濟發展水平的提高，該階段EVI的變化由社會經濟因子主導，自然因素共同影響。在此期間，研究區內EVI升高區域的面積占比78.88%，除潛在脆弱面積占比降低12.01%外，其他生態脆弱性等級面積占比皆有不同程度增加，其中輕度脆弱面積占比增加7.42%。隨著社會的發展，水熱條件較好的低山和丘陵間的槽谷平壩，被墾殖為耕地[32];耕地、草地、建設用地增加，林地減少190 m2;2000年以來隨著國家兩輪西部大開發戰略深入推進，四川經濟發展水平整體提高，研究區的GDP密度、人口密度和路網密度等指標都呈上升態勢，導致EVI升高。EVI降低區域主要分布在汶川縣西南部、平武縣西北角和青川縣東北部，處于海拔較高的山地，以農業發展為主，經濟發展水平相對落后，受經濟和人為影響較少;且該區域年平均溫度增加0.42 ℃，年均溫通過積溫的形式影響區域內作物的生長環境，積溫越大，越有利于植被的生長，促進EVI降低。

2.2.2 2007—2009年 ? ?EVSI從2.58增加至2.87，增長11.24%，EVI平均升高0.19;EVI在短期內較快增加主要是由于汶川地震的影響，該階段EVI的變化由自然因素主導。地震前后EVI升高區域面積占比74.34%，輕、中、重度脆弱面積占比皆有增加，其中輕度脆弱面積占比增加13.75%，微度和潛在脆弱面積占比降低，微度脆弱面積占比降低14.85%。EVI降低區域大致呈狹長的帶狀分布，具體位于汶川—茂縣斷裂與映秀—北川—關莊斷裂之間，呈片狀分布在東部平原都江堰、彭州、綿竹等人口聚居處;2008年發生在龍門山斷裂帶上的汶川地震，不僅造成大量人員傷亡、社會基礎設施大面積毀壞、生態系統平衡被打破，亦對植被造成了不可逆轉的損傷，而且還誘發崩塌、滑坡、泥石流等次生災害，對該區域產生持續性影響[33]。汶川地震對土地利用類型產生了較大影響，到2009年林地面積減少183 km2，草地增加176 km2，NDVI年平均降低0.04，促使EVI升高。EVI降低區域分散在茂縣和理縣北部、彭州和什邡中部的人口相對分散區域，該區域受地震影響相對于其他區域較小，且災后重建工作進行較快，該區域的NDVI指數回升呈零星或片狀分布，NDVI指數平均增加0.02，再加之研究區東南部年均降水量平均減少51 mm，降低了水土流失，更有利于植被恢復，降低EVI。

2.2.3 2009—2012年 ? ?EVSI從2.87降至2.28，降低20.56%，EVI降低0.37;EVI明顯降低主要是由于災后重建和生態環境的自我修復，該階段EVI的變化受自然因素與人為因素影響均較為明顯。到2012年EVI降低區域面積占比83.64%，其中潛在脆弱和微度脆弱面積占比增加，微度脆弱面積占比增加20.67%，輕中重度脆弱面積占比減少，輕度脆弱面積占比降低23.08%。震后的林業修復項目和植被的自然修復，使得林地草地面積相對震后有較大程度的恢復，EVI降低區域的NDVI增加0.04;災后重建的產業經濟結構也發生了相對程度的變化，產業布局更加強調向生態安全和綠色轉型[36]，發展旅游文化、綠色農業為特色產業，社會經濟因素對生態環境的脅迫相對降低，使得EVI降低。EVI升高區域主要位于理縣、汶川西南部、都江堰和彭州南部，一方面是由于該區域距斷裂帶較近，災害分布密度較大[34]，震后受損嚴重，且該區域2010—2011年降水較高[35]，年均降水量平均增加75 mm;另一方面該區域路網、GDP密度也有不同程度增加，兩方面因素共同影響，導致EVI增加。

2.2.4 2012—2015年 ? ?EVSI從2.28回升到2.45，增長7.46%，EVI平均升高0.11;該階段EVI整體呈增長趨勢，受社會經濟因素影響較大。在此期間，EVI升高區域面積占比66.48%，微、輕、重度脆弱占比增加，微度脆弱面積占比49.28%，增加7.39%，潛在脆弱和中度脆弱面積占比減少，潛在脆弱性面積占比減少12.46%。EVI升高區域分布在研究區東北部低起伏山地、丘陵和東南部平原區域，是由于東南部平原區和東北部耕地和林地減少，建設用地和草地增加，其中建設用地增加43 km2;隨著城鎮化的加快推進，社會發展水平的提高，該區域人口密度、GDP密度都在增加，其中GDP密度增加較多，平均增加218元;受此類社會經濟因素的影響，EVI升高。EVI降低區域分布在平武縣西部及西南部高海拔地區，該區域較其他區域經濟發展速度較慢，且海拔較高，受人為因素影響較小，加之2015年均降水量降低，因此EVI降低。

2.2.5 2015—2017年 ? ?EVSI從2.45降低到2.04，降低了16.73%，EVI平均降低0.27;EVI降低主要是受生態文明建設和《十三五生態環境保護規劃》等政策的影響，四川省政府2016年4月發布的《四川省加快推進生態文明建設實施方案》提出建立自然保護區，推進生態工程建設;并在保證耕地面積的前提下，進一步退耕還林。研究區內林地面積增加，且震后產業結構得到優化，如林業生態旅游的發展;至2017年NDVI指數平均增加0.01，使得EVI降低。在此期間，EVI降低區域面積占比80.38%，微、輕、中、重度脆弱面積占比都有不同程度的減少，其中微、輕度脆弱面積占比共減少23.37%;潛在脆弱面積占比增加25.24%。EVI增加區域呈點狀分散在平武西北部和研究區西南部，主要是由于研究區西南部人口密度、路網密度等指數增加，其中路網密度增加0.04，人類活動對該區域的影響增強，促使EVI升高。

3 結論與討論

本文研究結果顯示：（1）2000—2017年龍門山斷裂帶EVSI整體呈波動下降趨勢，生態環境趨于好轉;EVSI在2009年達到峰值，2017年最低;2008年汶川地震造成研究區生態系統破壞，生態服務功能嚴重受損，致使2007—2009年短期內生態脆弱性指數激增11%，到2012年生態脆弱性指數基本得到恢復。（2）重度脆弱區域長期位于4 000 m以上的高海拔山地，處于研究區西北角及西南部;中度脆弱區域呈點狀分布在東部平原部分城市中心、呈片狀分布在研究區西北角及西南部3 400～4 000 m的山地;輕度、微度和潛在脆弱區域分布在研究區的大部分區域。（3）研究區內的高海拔山地由于地形地貌因素，脆弱性程度主要受年均降水、NDVI影響，受人為影響較少;東北部丘陵、東南部平原和區域內的河谷地區地形平坦、人口聚集，脆弱性程度受路網密度、人口密度等社會經濟因素影響較大，受人為因素影響較少。本文用層次分析法建立的指標體系不可避免地會有一定程度的主觀性，研究中選取的社會經濟指標多為綜合性指標，未選取單項經濟指標。

在生態修復過程中應主要修復中、輕度脆弱區，注意監控重度脆弱區，控制輕度、潛在脆弱區人類活動對生態環境的影響。尤其應重視中度脆弱和輕度脆弱區域，因為該區域屬于高、低脆弱區域之間的過渡地帶，自然和社會經濟因素對該地的影響都較大;處于山地的中、輕脆弱區域較易受自然因素的影響而轉化為重度脆弱區域;處于河谷和平原的中、輕度脆弱區域，易受自然因素和社會經濟因素共同影響，使脆弱區的范圍逐步擴大;受地質環境和氣候的影響，長期分布在4 000 m以上高海拔山地的重度脆弱區，能使脆弱性程度相對有所改善，卻不能完全去除。因此生態修復過程中應重點關注中、輕度脆弱區，增加該區域的植被覆蓋率，降低水土流失敏感性，既可控制重度脆弱區分布范圍，又可減少該地發生次生災害對微度和潛在脆弱區域產生的影響。

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