樂山市2020 年生態環境脆弱性評價

萬 鵬，譚鍶源

（成都理工大學 地球科學學院，四川 成都 610059）

生態脆弱性是指生態系統在外界干擾下的敏感反應和自我恢復的能力。生態環境狀況極大程度上影響著一個地區的可持續發展情況。隨著技術的進步，人類對自然界的開采越來越廣泛，但某些不合理的方式使得生態環境狀況下降。生態脆弱性評估的研究受到越來越多的學者關注，朱琪等[1]研究了東北森林帶生態脆弱性時空變化及其驅動因素；劉江等[2]通過研究生態脆弱性對北方防沙帶東部生態安全格局進行構建和優化；張佳辰等[3]基于景觀格局分析對青島市海岸帶進行了生態脆弱性評價；田盛等[4]研究了環杭州灣土地利用變化與生態脆弱性關系；孫桂麗等[5]研究了新疆生態脆弱性時空演變和驅動力因素；常溢華等[6]基于SRP 模型研究了江西鄱陽縣生態脆弱性動態評價；孫宇晴等[7]基于SRP 模型研究了川藏線生態脆弱性時空特點和驅動力因素；劉佳茹等[8]基于SRP 模型研究了祁連山地區的生態脆弱性；目前生態脆弱性評價的模型有生態壓力-生態敏感性-生態恢復力評價（Sensitivity-Resilience-Pressure，SRP）模型、暴露-敏感-適應（Vulnera bility-Scoping-Diagram，VSD）模型、壓力-狀態-響應（Pressure-State-Response，PSR）模型、壓力-敏感-彈力（Pressure-Sensitive-Elasticity，PSE）模型等。樂山市作為長江上游的生態屏障，近年來全力推進生態保護與修復，結合樂山市生態脆弱性狀況，本文基于SRP 模型對樂山市2020 年的生態脆弱性狀況進行分析，為樂山市生態環境的修復和規劃發展提供了科學依據。

1 研究區概況

樂山在長江經濟帶和南絲綢之路的交會點，是成渝城市群規劃建設的成都平原的核心城市之一，也是長江上游的生態屏障，對長江的生態環境具有重要的影響。由于季風和地形隆升的影響，樂山市氣候濕潤，雨量充沛，水熱同季，四季變換顯著。大部分地區的年平均降水量超過1 000 mm，降水量具有季節性變化的特點，夏秋季節的降水量約占全年的80%，而春冬季節僅占全年的20%；年降水量差異較大，年最小降水量超過900 mm，而部分地區年最大降水量超過2 000 mm。

樂山市水資源、礦產資源、生物資源和旅游資源豐富，但由于人類的不合理開發和活動引發了水土流失嚴重、森林植被生態系統功能降低、自然災害頻繁發生等生態問題。

2 數據來源與數據處理

本文采用的遙感數據主要是2020 年Landsat8 的影像數據，分辨率為30 m，選取的影像數據云量較少，影像時間間隔較近，便于觀察分析。非遙感數據主要包括植被數據、土壤數據、氣象數據、土地利用數據和地形地貌數據，數據信息見表1。

表1 數據信息

3 研究方法

3.1 PSR 模型構建

生態環境狀況是一個地區是否可持續發展的基本保障。生態環境狀況是由自然因素和人類活動兩者的共同作用所造成的。近年來，城市化進程的快速發展，人為因素引起了許多生態環境問題，導致區域生態安全風險日益突出。目前的研究方法和模型都能在一定程度上反映地區的生態環境現狀，但選取的大多數指標都是基于統計年鑒數據，忽略了城市快速發展引起的城市熱島效應的影響，遙感數據中的信息和指標沒有進行深入挖掘。研究結果顯示，生態環境脆弱性的影響因素和尺度具有復雜性和差異性，我們應結合研究區域的特點，構建更全面、更準確、更能體現該地區生態環境狀況的評價指標分析體系。

本文基于樂山市地理環境和人類活動等典型特點，選擇SPR 模型，從生態敏感性、生態恢復力和生態壓力度3 個方面選取樂山市生態脆弱性驅動因子，在完成2020 年時段所有評價指標的SPCA 計算后，各個因子通過加權及疊加運算得到樂山市2020 年的生態脆弱性指數[9]，從而通過具體數據定量分析樂山市2020 年生態環境脆弱性現狀情況（見表2）。生態環境脆弱性指數計算公式如下式所示：

表2 樂山市生態脆弱性分級標準

式中，EVI 為生態環境脆弱性指數，ai表示第i 個主成分，bi為第i 個主成分的貢獻率，ci為第i 個主成分的特征值。

EVI 值越大代表生態環境脆弱程度越大，生態環境惡劣程度越嚴重。為便于分析2020 年樂山市生態環境的脆弱狀況，對生態環境脆弱性指數（EVI）進行歸一化處理，其計算式如下：

式中，EEVIn為第n 年的生態脆弱性標準化數值，范圍在0～1 之間；EVIn為第n 年的脆弱性指數值；EVIn，max、EVIn，min分別表示第n 年生態脆弱性指數的最大值和最小值。

3.2 指標指數因子

生態脆弱性綜合評價模型中，對各種影響因子進行主成分分析，篩選出影響較大并相對獨立的指標構成評價指標系統，以多方位的空間信息研究樂山市生態脆弱性的時空分布及特性。本文考慮樂山市地形地貌、氣象條件以及人類活動等影響，并結合當前條件下的數據可獲得性等，選取了以下11 個主要影響因子進行評價研究，如圖1 所示。

圖1 生態脆弱性指標

3.2.1 地形因子

地形因子主要包括海拔高度、坡位、坡向、坡度4個因素，通過影響氣候和土壤等間接影響動植物的生長和分布，不同的地形環境對不同的地區生態環境的特點有著重要影響。人類活動與生態環境都與地形有著密切聯系。本文選取表征地形因子的指標包括高程、坡度和地形起伏度。

3.2.2 土壤因子

本文所選的土壤因子為土壤侵蝕強度。本文采用RUSLE 模型（The Revised Universal Soil Loss Equation）[10]作為模擬研究區實際土壤侵蝕的定量模型如下：

式中，A 為實際年平均土壤侵蝕模數；R 為降雨侵蝕力因子；K 為土壤可蝕性因子；L 和S 為坡長和坡度因子；C為地表植被覆蓋因子；P 為水土保持措施因子[10]。

3.2.3 氣象因子

經度、緯度以及海拔對氣象因子的影響很重要，同樣的經緯度，不同海拔的降水量和氣溫存在差異，本文采用“多元回歸+殘差插值”的方法來實現降水量和氣溫的分布圖。模型格式如下所示：

式中，f、L0、La、H 分別代表氣象站點的實測氣象數據值、站點的經度、緯度和海拔高度，i、j、k 為回歸方程系數，m 為常數項，ρ 為站點殘差值，φ 為結合海拔和經緯度得到的氣象模擬值[11]。

3.2.4 景觀格局

本文選擇景觀破碎度來表征景觀格局因子。景觀格局研究的最基本單位是斑塊。本文選取重要生態功能景觀斑塊的密度作為評價因子，在一定程度上反映了人類對景觀的影響程度[12]。其計算式為：

式中，Ci為景觀i 的破碎度，Ni為景觀i 的斑塊數，Ai為景觀i 的總面積。

3.2.5 生態壓力度因子

生態壓力度反映了生態承載力的客觀支持能力大小與承載對象壓力大小之間的關系。本次研究選取了樂山市人口密度，耕地占比率，GDP 以及人均GDP 來反映人類活動對生態承載力的壓力影響。

本文用于評價樂山市生態環境脆弱性的11 個指標的原始數據差異較大，數據之間量綱不同以及數值差距也較大，同時不同的指標因子對于生態脆弱性的作用方向不一致，分為正向、負向（見表3）。為了消除以上數據之間的差異，使得各個指標因子之間擁有可比性以及能夠疊加計算。本文采用極差標準化的方法來實現樂山市生態環境脆弱性評價指標的數據標準化處理[13-14]。將其劃分為正向指標和負向指標。

表3 評價指標正負方向

正向指標：

負向指標：

式中，Yn為第n 個指標的標準化值；Xn為第n 個指標的初始化值；Xn，max為指標n 每個研究時段研究區范圍內的初始最大值；而Xn，min則是對應的初始最小值。

3.3 主成分分析

通過SPSS 進行主成分分析（PCA）對11 個主要影響因子進行線性變換，并且確定權重后，避免主觀偏差。表4 是樂山市2020 年11 個主要影響因子3 個主成分的成分占比，從中可以得出第一主成分（PC1）具有以下特征：（1）PC1 的貢獻度均超過50%，遠遠大于其他主成分的貢獻度，說明PC1 包含了3 個主成分中的大部分信息；（2）表中PC1 部分，高程、年均氣溫、年總降水量、生物豐度4 個指標均為負數，說明他們與生態脆弱性指數的大小成反比，與表3 相符。因此相比于其他主成分，PC1 更能體現生態脆弱性指數的大小。

表4 指標主成分占比

4 結果分析

本文基于Landsat8 系列遙感數據及多種不同的非遙感數據，通過RS 和GIS 技術相結合，以及利用統計學方法對數據進行更深層次的挖掘分析[15]，對2020 年樂山市生態環境脆弱性定量地進行了空間分異特征的變化研究，并初步研究了引起樂山市生態環境脆弱性空間變化的影響因素，為樂山市的生態環境修復和規劃提供了數據支撐。通過上述研究，從圖2 和表5 分析得出以下結論。

表5 生態環境脆弱性分類面積及百分比

圖2 樂山市生態脆弱性分級

（1）樂山市整體上生態環境脆弱水平呈現西南部向東北部地區增加的總體趨勢，梯度性明顯，峨邊彝族自治區、金口河區這些地區主要為山區，海拔較高，并未開發大量耕地與建筑用地，草地林地面積覆蓋大，對生態環境起到了良好的保護作用，生態環境質量較好；而越往東北部地區發展，海拔較低，土地利用類型多元化，景觀破碎度高，農田耕地數量大大增加，生態系統受到的破壞程度越顯著，生態質量明顯下降。整體上得出結論，樂山市生態脆弱性是自然環境和人類活動共同作用的結果[9]。

（2）樂山市2020 年整體上生態環境脆弱區面積占比情況：輕度脆弱和中度脆弱在研究區范圍內占比87.977%，微度脆弱占比12.005%，潛在脆弱占比0.018%。由此得出樂山市整體生態環境處于中度脆弱水平，生態環境質量中等偏下。

5 結束語

總體而言，生態環境脆弱性水平主要從生態環境修復能力、自然環境惡劣程度、生物多樣性、生態環境敏感性和環境容量考慮。脆弱的生態環境是由自然因素和人為力量綜合作用導致[16-17]，但究其根源是人類活動間接或者直接影響自然因子，引起生態環境發生各種變化、甚至導致地區生態環境變得脆弱。保護生態環境，應該有效調控人類對自然資源的利用，提高人類生態保護意識，加強自然生態的保護建設，合理規劃和修復脆弱的生態環境才是使得生態環境質量日益變好的關鍵，也是人類可持續發展的關鍵。