基于景观格局的武功山生态脆弱性动态演变与调控对策研究

2018-11-22张学玲蔡海生

江西农业大学学报 2018年5期

张莹，张学玲，蔡海生

(1.江西农业大学鄱阳湖流域农业资源与生态重点实验室，江西南昌330045;2.江西农业大学职业师范学院，江西南昌330045；3.江西省森林培育重点实验室，江西南昌330045)

随着人类活动的不断加剧和生态环境问题的逐渐突出，人类的生存与发展正在遭受巨大影响。生态脆弱性问题在人类活动下显得尤为突出，已成为全球环境变化和可持续发展研究的核心问题之一[1-4]。开展生态脆弱性研究不仅对环境保护十分重要，而且对合理利用土地资源及可持续发展具有重要的指导意义。目前，在区域土地生态脆弱性评价方面，国内外学者开展了大量的研究。评价方法多样，主要采用SRP模型、AHP法、人工神经网络法、综合评价法、模糊综合评判法等[5-8]，而由于各个研究偏重角度有所差异，在评价方法、评价体系构建、脆弱性等级的划分等方面尚未形成统一范式[9]。近年来结合景观格局指数进行生态脆弱性动态评价分析研究已经成为景观生态学的研究热点和应用发展领域[10-11]。景观作为人类和各种生物的生存环境，体现出明显的地域性特点。研究表明景观格局信息与生态环境脆弱性之间存在内在关联性，这为生态脆弱性评价提供了新的研究方法和思路[12-14]。

武功山资源丰富，在气候、地貌、植被、景观上呈现明显的地域性特征，生态脆弱性问题尤为突出。近20年来，由于人口增长、建设用地增加以及旅游业的快速发展，武功山生态系统受到严重的人为干扰，尤其是武功山特有的山地草甸退化严重。土地脆弱性的大小作为生态系统稳定性的一个重要评价指标，对武功山开展土地脆弱性研究具有十分重要的意义。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区域概况

图1 研究区示意图Fig.1 Sketch map of the study area

武功山(图1)位于江西省西北部，地处萍乡市芦溪县、宜春市袁州区、吉安市安福县三地交界处(27°24′～27°34′N，114°05′～114°15′E)，是国家4A级风景名胜区。武功山地势险峻，海拔高达1 918.3 m，是划分我国亚热带东部湿润区常绿阔叶林、中部亚地带和北部亚地带三者的天然界限。土壤主要为红壤、黄壤、黄棕壤和山地草旬土，武功山特色山地草甸主要分布在海拔1 400～1 900 m。中亚热带湿润气候，年平均温度约为14～18.6 ℃，年均日照时间在 1 580～1 800 h，年均降雨量为1 350～1 570 mm，整体气候温和湿润。研究区总面积190.19 km2，分别为草地、林地、耕地以及建设用地。随着人类活动的加剧和旅游业的快速发展，区域植被覆盖度下降，草地退化，土地生态脆弱性逐渐显现。

1.2 数据来源与处理方法

本研究选取1995年10月27日Landsat 5 和 2015年10月18日Landsat 8 TM 影像(空间分辨率30 m)作为数据源，30 m分辨率的DEM以及1∶10 000武功山土壤类型图。景观类型的分类标准以 2007年8月颁布的《土地利用现状分类》[15]为基础，根据研究需要和武功山实际情况，将研究区土地利用类型分为：耕地、林地、草地、建设用地4个类型。采用ENVI 5.3遥感处理软件对各年遥感影像进行大气校正、几何校正、增强、裁剪等过程，采用监督分类和目视纠正的方法，解译精度在85% 以上。将解译出的数据存储为栅格文件，并在Fragstats3.3平台计算景观格局指数。将地形数据、植被覆盖度数据、土壤类型数据和降水量数据与土地利用类型数据叠加，计算土壤侵蚀敏感性指数和地形指数。

根据研究区的实际情况，将研究区分为800 m×800 m的格网作为评价单元，共401个样本区。将样本区与各个景观类型进行叠加，计算得出每个样本区景观类型的生态脆弱性指数。全区生态脆弱性指数由各个景观类型生态脆弱性指数计算出。

2 生态脆弱性动态模型构建

脆弱性评价指标是生态脆弱性评价的核心和关键，建立脆弱性评价指标体系是生态脆弱性评价的基础[16]。研究围绕武功山地区生态脆弱性的驱动因素，充分考虑了研究区生态系统脆弱性的自然和人为因素，构建生态脆弱性动态模型。

2.1 指标体系的建立

评价指标的选取采用SRP模型[17-18]，该模型包含3个因子：生态压力度、生态敏感性和生态恢复力。生态压力度包括面积加权平均分维数倒数和扰动指数；生态敏感度包括土壤侵蚀敏感性指数、地形指数和景观破碎度指数；生态恢复力指生态系统受到扰动时的自身恢复能力，与其内部组织结构的稳定性有关，本文用优势度表示。

(1)面积加权平均分维数。反映了人类活动对景观格局的影响，受人类活动干扰小的自然景观的分数维值高，而受人类活动影响大的人为景观的分数维值低[19]。

(1)

式(1)中，1≤AWMPDF≤2，值越趋近于1，斑块几何形状越趋近于正方形或圆形，值越大则斑块形状越复杂，P为斑块周长，a为斑块面积，A为斑块总面积。

(2)扰动指数(disturbance index，DI)。扰动指数用来衡量人类活动对生态系统的影响[20]。以提取出的建设用地为基础，设<300，300～600，600～1 000，>1 000 4个缓冲区，分别赋值0.85，0.3，0.15，0.05。计算公式为：

(2)

式(2)中：Cij为样本区i在第j个缓冲区的面积；Wj为第j个缓冲区的权重；Ci为样本区i的总面积；n为缓冲区等级。

(3)土壤侵蚀敏感性指数。土壤侵蚀敏感性表示在各种自然要素的作用下，可能会发生土壤侵蚀的几率和程度[21]。借鉴土壤侵蚀流失USLE模型，选取降雨侵蚀力、土壤质地、植被覆盖和地形起伏度等4因子构建土壤侵蚀敏感性评价体系。将土壤侵蚀敏感度分为5类，并分别赋值0.05，0.2，0.3，0.5，0.6。利用不同景观类型对不同土壤侵蚀等级的适宜度面积加权来表示土壤侵蚀敏感性指数[22]，其公式为：

(3)

式(3)中，SWi为景观类型i的土壤侵蚀敏感性指数；Bij为i类景观分布在j土壤侵蚀等级上的面积；Bi为i类景观总面积；Sij为i类景观相对于j土壤侵蚀等级的权重；j为土壤侵蚀等级；n为土壤侵蚀等级数。

(4)地形指数。地形地貌是影响生态系统脆弱性的重要因子，当环境受到人类破坏后，地形坡度越大，景观越敏感，造成的侵蚀退化程度越大。参照水利部颁布的《土壤侵蚀分类分级标准(SL190-1996)，根据武功山地形特征，设5个坡度级，分别为：0°～5°，5°～8°，8°～15°，15°～35°，35°～90°，分别赋值0.15，0.25，0.35，0.65，0.85。地形指数越大，生态敏感性越高。地形指数的计算公式如下：

(4)

式(4)中，Aij为景观i在第j个坡度级的面积；Wj为第j个坡度级的权重；Ai为景观i的总面积。

(5)破碎度指数。景观破碎度(PD)指景观被分割的破碎化程度，反映了景观空间结构的复杂性，是区域生态脆弱性评价中最常用的指标。其公式如下：

PD=N/A

(5)

式(5)中，N等于在景观斑块类型中斑块的总数；A等于总景观面积。

(6)优势度。最大斑块指数(LPI)表示优势度，LPI指数越大，抗外界干扰能力越强，生态脆弱性指数越小。

2.2 指标权重的确定

为了克服主观因素对权值的影响，本研究选取熵权法对各指标赋权值。熵权法是一种基于各个因素考虑计算综合指标的方法，极大程度上客观有效地反映了各个指标的重要程度[20]。

(1)指标的标准化。为了消除量纲的影响，将各个指标进行标准化处理。

对于正向指标(数值越大越脆弱)，标准化处理如下[23]：

(6)

对于负向指标(数值越小越脆弱)，标准化处理如下：

(7)

(2)计算第i年份在第j项指标值的比重：

(8)

(3)指标信息熵的计算：

(9)

式(9)中，k=1/lnm

(4)计算指标的熵权：

(10)

(5)单指标评价得分：

Sij=wi×Yij

(11)

(6)第i个年份的综合水平得分：

(12)

式(12)中：Sij表示第i个年份第j项评价指标的数值，式(6)min(Xj)和max(Xj)分别为所有年份中第j项评价指标的最小值和最大值，式(7)～式(9)其中m为评价年数，式(10)n为指标数。

从各个评价指标权重(表1)来看，扰动指数影响最大的是草地，其次是林地和耕地，这可能由于在人类活动过程中，草地更易受到干扰和影响。在地形指数中，影响最大的是耕地，其次是草地和林地。而景观破碎度对耕地的影响最大，对林地的影响次之，对草地的影响最小。而从优势度来看，草地的权重最大。

表1 武功山生态系统脆弱性评价指标体系

2.3 生态脆弱性指数计算模型

2.3.1 景观类型脆弱性指数计算模型景观类型脆弱性指数计算模型如下：

VI=P×S/R

(13)

从式(13)可知，生态脆弱性指数随生态压力度(P)和生态敏感度(S)的增大而增大，随生态恢复力(R)的增大而减小。

2.3.2 土地生态脆弱度指标计算模型根据景观类型脆弱度指数，将其与景观类型面积的比重计算区域土地生态脆弱度，进而从空间上反映整个区域土地生态脆弱性特征。其公式如下：

(14)

式(14)中：EVI为土地生态脆弱度指数；Ai为各个景观类型面积；m为景观类型个数；TA为样本区总面积；VIi为i景观类型的脆弱度指数。

2.4 评价标准的确定

运用ArcGIS软件将401个样本区的土地生态脆弱度指数进行普通克里金插值，并根据脆弱度指数分级标准进行重分类，根据自然断点法和两期武功山生态脆弱度指数实际情况，经过不断调整，最终将土地生态脆弱度指数分级为生态良好区(<0.1)、轻度脆弱区(0.1～0.4)、中度脆弱区(0.4～0.7)、高度脆弱区(0.7～1.0)、极度脆弱区(>1.0)。

3 结果与分析

3.1 景观类型的生态脆弱性

由表2可知：(1)各个景观类型在20年间面积加权平均分维数倒数均变化不大；(2)2015年扰动指数与1995年相比，呈现递增趋势，且增加幅度很大；(3)1995年土壤敏感性指数各个景观类型相差不大，而2015年各个景观类型土壤敏感性指数明显增长，其中草地增长最大，由1995年的0.298 6增长到0.504 3；(4)林地和耕地地形指数在20年间呈增加趋势，而草地呈减少趋势；(5)2015年各个景观类型的破碎度均比1995年破碎度高，且耕地和草地的破碎度增加的更明显；(6)20年间各个景观类型的优势度均变化不大；(7)从景观类型生态脆弱度可知，1995年生态脆弱性指数耕地最大，其次是林地和草地，而2015年各个景观类型的生态脆弱性指数相比于1995年呈现明显增加，生态脆弱性指数耕地最大，其次是草地和林地。

表2 景观类型的生态脆弱性

3.2 土地生态脆弱性时空变化分析

对研究区401个评价单元土地生态脆弱度指数各级所占面积统计(图2)可知，生态良好区的面积从1995年占总面积的86.07%减少到2015年的50.25%，平均年减少1.79%。从1995年至2015年间，轻度脆弱区从9.04%增加到23.57%，中度脆弱区从9.04%增加到16.13%，高度脆弱区从1.07%增加到5.42%，极度脆弱区呈现轻微增加趋势，从1.07%增加到1.63%。

从生态脆弱性分布的空间上看(图3)，1995年生态良好区主要分布在中部和北部大部分区域，这些区域主要是林地和草地景观集聚的地区。而极度脆弱区主要分布在西南部，并向外延逐渐减轻，这些地区分布着零散的耕地和建设用地。而在2015年，轻度脆弱区、中度脆弱区和重度脆弱区主要向中部蔓延，并且呈现外延逐渐减轻的特征。这些地区主要是建设用地和耕地增加，人类活动比较活跃的地区。

图2 武功山土地生态脆弱性分布Fig.2 Distribution ecological vulnerability in Wugong Mountain

图3 武功山土地生态脆弱性空间分布Fig.3 Spatial distribution ecological vulnerability in Wugong Mountain

3.3 土地生态脆弱度级别转移变化分析

通过对研究区各个级别面积转移变化(图4)进行分析可知，1995—2015年，各个级别不变的区域占总面积的54.25%，而由生态良好区向轻度脆弱区变化最多，面积是40.379 8 km2，占总面积的21.25%，其次是中度脆弱区，面积是20.548 2 km2，占总面积的10.82%。而从图4可知，土地生态脆弱度增加的区域大部分集中于中部地区，这些地区主要是由于建设用地耕地增加，植被覆盖度减少而出现生态环境急剧下降的区域，而生态脆弱度减少的区域大部分集中在西南地区，这些区域的生态脆弱度指数呈现轻微减小的趋势。

图4 武功山各个级别区面积变化转移Fig.4 The transfer map of area change of each district in Wugong Mountain

3.4 武功山生态脆弱性重心变化

通过分析武功山生态脆弱性级别重心分布位置和迁移变化从而进一步掌握不同级别的生态脆弱性的空间变化情况。其重心计算公式为[24]：

(15)

(16)

式(15)和(16)中：X、Y分别为研究区生态脆弱性级别类型重心坐标；Ci表示第i个研究单元的生态脆弱性级别类型的图斑面积；Xi、Yi分别表示第i个评价单元的生态脆弱性级别类型的重心坐标。

从图5可以看出，1995—2015年研究区域的生态脆弱性生态良好区的重心转移是由西南向东北方向移动，可以看出，研究区域西南方向的生态脆弱度逐渐增加，转移距离为2 629.445 8 m。而轻度脆弱区、中度脆弱区、高度脆弱区和极度脆弱区的重心转移均由西北向东南方向移动，转移距离分布分别为2 573.061 2 m，4 380.517 3 m，4 069.009 8 m，3 249.003 5 m。

4 景观格局演变优化调控对策研究

近年来耕地和建设用地增加、人类干扰的加强以及受到旅游活动影响加剧，引起草地、林地退化，生态系统内部平衡受到破坏，生态环境进一步恶化。要从根本上改变武功山生态现状，需要针对武功山资源、气候、地形、土壤等条件，并结合武功山生态脆弱区特点，合理规划用地，科学系统划分生态功能区，主要分为水土保持区、生态修复区和生态防护区。

图5 武功山1995—2015年生态脆弱性级别类型重心转移Fig.5 The critical center migration map of the ecological vulnerability level type in 1995—2015 in Wugong Mountain

水土保持区主要位于地势比较高，人口分布稀少，气候条件相对较差，对外界干扰较为敏感，生态环境易于退化，由于坡度较大，山体易发生水土流失，在合理开发利用时要特别注意保护水土状况，及时退耕还林以及加大植树造林力度，并借助工程修复提高水土保持能力，改善生态状况。生态修复区主要是针对高度脆弱和极度脆弱区域，主要分布在武功山西南部和中南部，这些区域由于受外界干扰，生态环境已遭到破坏，尤其是近几年武功山草甸退化严重，因此需要对这些区域重点修复，主要采用人为监控和人工改良措施。合理规划人工旅游通道，尽量避免游客对草甸的人为破坏。对于已经严重破坏的草甸实施人工改良，改善土壤的物理性质，通过人为调控对草甸实施保护。生态防护区主要针对生态良好区、轻度脆弱区和中度脆弱区，主要分布在武功山外围区域。这部分区域海拔较低，受人类干扰较小。因此要特别注重提高区域生态系统稳定性，达到保护区域生态环境的目的。