陸海燕,孫桂麗,2，李 路，盧 航，白一純

(1.新疆農業(yè)大學林學與園藝學院，烏魯木齊 830052 ; 2.干旱區(qū)林業(yè)生態(tài)與產(chǎn)業(yè)技術重點實驗室，烏魯木齊 830052)

0 引 言

【研究意義】氣候變化及人類日益頻繁的活動對生態(tài)系統(tǒng)造成的損傷，超過了其自身的恢復能力和自凈能力，帶來了一系列生態(tài)問題，使得生態(tài)系統(tǒng)呈現(xiàn)越來越脆弱的趨勢[1]。開展有關生態(tài)脆弱性的研究是評估生態(tài)環(huán)境狀況和時空分布特征、識別生態(tài)脆弱因子的重要手段，也是制定區(qū)域生態(tài)保護措施和進行生態(tài)修復的基礎。自1989年對生態(tài)環(huán)境脆弱帶進行判定以來[2]，我國生態(tài)脆弱性評價研究無論評價尺度大小基本都涉及西北干旱半干旱區(qū)、北方農牧交錯帶、南方丘陵區(qū)、西南喀斯特地區(qū)和青藏高寒區(qū)五個區(qū)域，近年來，西北干旱半干旱區(qū)的生態(tài)脆弱性問題較為突出引起人們的重視[3]。新疆是我國干旱區(qū)的主體，典型的山地-綠洲-荒漠生態(tài)本底環(huán)境和干旱為主的氣候特征使其生態(tài)系統(tǒng)較為脆弱。正確認識和評價新疆生態(tài)脆弱性狀況，了解其變化趨勢并加以恢復和保護，對實現(xiàn)新疆生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展具有一定現(xiàn)實意義?！厩叭搜芯窟M展】Amy根據(jù)人地耦合系統(tǒng)脆弱性概念框架，建立了評估適應能力對脆弱性狀況影響的定量評估模型，并通過評估小麥產(chǎn)量、氣候變化、市場因素對墨西哥Yaqui谷地的脆弱性影響來說明這個模型的有效性[4]；王讓會等[5]通過構建生態(tài)脆弱性指數(shù)來反映塔河流域生態(tài)環(huán)境質量的優(yōu)劣，從而了解了塔河流域生態(tài)環(huán)境改善區(qū)、平衡區(qū)、失調區(qū)和受損區(qū)的大致分布狀況；謝霞等[6]用區(qū)域綜合生態(tài)脆弱度模型對艾比湖區(qū)域的生態(tài)脆弱性進行了評估，研究發(fā)現(xiàn)該地區(qū)生態(tài)環(huán)境較為脆弱且局部區(qū)域的脆弱程度還在不斷加強，并根據(jù)評價結果提出研究區(qū)生態(tài)恢復與保護的對策；何彥龍等[7]使用空間主成分分析和層次分析法構建評價指標體系，結合ArcGIS軟件，對長江口海域生態(tài)環(huán)境脆弱性進行綜合評價并分級，研究發(fā)現(xiàn)大量陸源污染物輸入是導致研究區(qū)脆弱度較高的主因；【本研究切入點】深居亞歐大陸腹地的新疆是我國典型的生態(tài)系統(tǒng)嚴重脆弱區(qū)[8]，對14個地州市的相對脆弱性狀況研究較少，各個行政區(qū)劃單元難以高效地協(xié)調開展環(huán)境保護。分析近11年來新疆整體及14個地州市生態(tài)脆弱性時空分布特征和變化規(guī)律?！緮M解決的關鍵問題】以新疆14個地州市為研究對象，從暴露度、敏感性和適應力3個角度選取20個自然和人文指標，采用綜合生態(tài)脆弱性指數(shù)評價2007～2017年生態(tài)脆弱性的時空變化。為新疆地區(qū)采取針對性措施開展生態(tài)環(huán)境保護和生態(tài)修復提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

研究區(qū)域為新疆行政區(qū)劃下轄的14個地、州、市，分別為烏魯木齊市、克拉瑪依市、吐魯番市、哈密市、昌吉回族自治州、伊犁州直屬縣市、塔城地區(qū)、阿勒泰地區(qū)、博爾塔拉蒙古自治州、巴音郭楞蒙古自治州、阿克蘇地區(qū)、克孜勒蘇柯爾克孜自治州、和田地區(qū)和喀什地區(qū)，約占全疆總面積99.5%，不包括新疆生產(chǎn)建設兵團實行“師市合一”管理體制的9個兵團城市。圖1

圖1 研究區(qū)位置

Fig.1 Location map of the research area

選擇2007～2017年為研究時段，各地州市各指標統(tǒng)計數(shù)據(jù)來源于《中國統(tǒng)計年鑒》(2007～2017)、《新疆統(tǒng)計年鑒》(2007～2017)及各地州市統(tǒng)計年鑒、當?shù)貒窠?jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報和相關氣象、水文部門的資料，調查整理后校驗不同來源的數(shù)據(jù)。空間行政邊界矢量數(shù)據(jù)，取自全國地理信息資源目錄服務系統(tǒng)(http://www.webmap.cn)1∶100萬基礎地理信息數(shù)據(jù)庫。植被指數(shù)(NDVI)數(shù)據(jù)集是基于連續(xù)時間序列的SPOT/VEGETATION NDVI衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，采用最大值合成法生成的1998年以來的年度植被指數(shù)數(shù)據(jù)集[9]。土地利用類型數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)和植被凈初級生產(chǎn)力數(shù)據(jù)均來源于資源環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺(www.resdc.cn)。農業(yè)依賴度為農業(yè)總產(chǎn)值占國內總產(chǎn)值的比例[10]。生境質量指數(shù)是利用土地利用類型圖的數(shù)據(jù)，結合中華人民共和國生態(tài)環(huán)境部修訂的生態(tài)環(huán)境狀況評價技術規(guī)范(HJ192-2015)規(guī)定生境質量指數(shù)的計算公式計算得出。網(wǎng)址為：http://www.mee.gov.cn/gzfw13107/kjbz/sthjbhbz/201605/t20160522342943.shtml。

1.2 方 法

1.2.1 指標體系構建及權重確定

在綜合分析研究區(qū)的實際情況及相關資料的基礎上，以VSD評價模型為框架并結合新疆14個地州市的生態(tài)狀況，遵循科學性、可獲取性和應用性等原則，構建了暴露度、敏感性和適應能力3維度、7個層級和20個指標的新疆生態(tài)脆弱性評價指標體系。表1

表1 生態(tài)脆弱性評價指標體系

Table 1 Evaluation index system of ecological environment vulnerability

子目標層Sub-targetlayer要素層Featurelayer指標層Indicatorlayer內容Content權重Weights內容Content權重Weights內容Content指標指向Indicatorpoint權重Weights暴露度(+)Exposure0.395自然環(huán)境條件0.761人類社會活動0.239地形起伏度+0.178坡度+0.180年均溫+0.192年降水量-0.202年日照時數(shù)+0.115人均水資源量-0.133地墾殖率+0.447人均糧食作物產(chǎn)量-0.553敏感性(+)Sensitivity0.218人口壓力0.463土地壓力0.537人口密度+0.581人口自然增長率+0.419人均耕地面積-0.430農業(yè)依賴度+0.570適應能力(-)Adaptability0.387社會進步0.381農業(yè)發(fā)展0.231環(huán)保措施0.388第三產(chǎn)業(yè)占GDP比重+0.405醫(yī)療機構每萬人床位數(shù)+0.328普通中學在校生占比+0.267植被覆蓋度+0.422植被凈初級生產(chǎn)力+0.578造林總面積+0.343水土流失治理面積+0.253生境質量指數(shù)+0.404

1.2.2 數(shù)據(jù)標準化及權重確定

由于生態(tài)脆弱性各個評價指標具有不同的屬性與量綱，在評價前需要對原始統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行標準化，將指標值轉化為標準化值。正向和逆向指標采取了不同的標準化處理方法，具體公式見參考文獻[11]。

該選用客觀賦權法中的主成分分析法來確定評價指標的權重，以求通過降維把多個指標轉化為幾個互不相關的主成分，減弱極值對評價結果的影響[12]。在主成分分析中，選取累計貢獻率>90%、特征值>1的前6個主成分計算指標權重，對新疆生態(tài)脆弱性進行分析和評價。由樣本點數(shù)據(jù)得到相關矩陣并進行數(shù)據(jù)有效性檢驗，得到KMO取樣適切性量數(shù)為：0.849，且Bartlett球形檢驗中顯著性<0.05，所選擇的最終數(shù)據(jù)和指標適合進行主成分分析。表2

1.2.3 生態(tài)綜合脆弱性評價

暴露度、敏感性與生態(tài)脆弱性呈正相關關系，即暴露程度和敏感性越強，生態(tài)就越脆弱。適應能力體現(xiàn)的是1種代償功能，即適應能力越高其脆弱度也就越低，兩者之間是負相關關系。選用綜合指數(shù)法結合VSD評價模型對新疆生態(tài)脆弱性進行評價[13]。在確定生態(tài)脆弱性評價指標體系的基礎上，對各項指標個體指數(shù)加權平均，計算出綜合脆弱性指數(shù)，以準確地評價脆弱性水平。該方法的具體步驟如下：

EVI=(E+S-A).

(1)

表2 相關系數(shù)矩陣的特征值

Table 2 Eigenvalues of the correlation matrix

成分Ingredient特征根Characteristicroot貢獻率Contributionrate(%)累計貢獻率Accumulatedcontributionrate(%)成分Ingredient特征根Characteristicroot貢獻率Contributionrate%累計貢獻率Accumulatedcontributionrate%16.31231.55931.55990.2571.28498.26924.35521.77653.335100.1610.80399.0733.06415.31968.654110.1140.56899.64041.8439.21577.869120.0630.31599.95551.3986.99284.861130.0900.045100.0061.0955.47690.337140.0000.000100.0070.8024.01194.348…80.5272.63796.985200.0000.000100.00

表3 生態(tài)脆弱性分級

Table 3 Ecological vulnerability scale

IIIIIIIVVEVI值EVIValue[0,0.2)[0.2,0.4)[0.4,0.6)[0.6,0.8)[0.8,1]狀態(tài)Status微度脆弱輕度脆弱中度脆弱重度脆弱極度脆弱

1.2.4 生態(tài)脆弱性變異幅度

采用變異系數(shù)分析法[15]計算2007～2017年新疆各地州市生態(tài)脆弱性變異幅度大小。計算公式如下：

(2)

利用變異系數(shù)法分別求出新疆各地州市生態(tài)脆弱性的權重，然后與其數(shù)值相乘累加求得新疆總體的敏感性指數(shù)、暴露度指數(shù)、適應力指數(shù)和綜合脆弱性指數(shù)。

2 結果與分析

2.1 新疆各地州市生態(tài)脆弱性時間變化特征

2.1.1 烏魯木齊市生態(tài)脆弱性年際變化呈小幅波動狀態(tài)，總體處于輕度脆弱水平

2007～2017年生態(tài)脆弱性呈小幅波動。近11年，烏魯木齊市的年生態(tài)用水量從0.27×108m3上升到1.11×108m3、公共綠化面積增加1.15×104hm2等有利于促進生態(tài)脆弱性下降。與此同時，烏魯木齊市增加了20.78×104人，人口及資源壓力隨之增大從而可能會使生態(tài)脆弱性上升?？死斠朗猩鷳B(tài)脆弱性總體相對平穩(wěn)，2007年以來，綠地面積由2007年的19.06 km2增加到2017年的76.4 km2，2007年到2017年人均綠地面積增長到11.63 m2，建成區(qū)綠化覆蓋率達43.23%。圖2

2.1.2 吐魯番市生態(tài)脆弱性近11年在0.76～0.82間波動，總體一直處于極度脆弱區(qū)間

主要是受當?shù)馗哌_3 000 h年日照時數(shù)、16℃左右的年均溫及約13 mm年降水的自然環(huán)境條件影響。哈密市生態(tài)脆弱性屬于重度脆弱，2010年出現(xiàn)谷值0.53，呈波動上升趨勢。近11年間，哈密市氣溫暖化趨勢明顯年均溫上升了0.5℃、人均水資源量減少了387 m3/人、人均耕地面積增加了0.08 hm2用水需求隨之增大，在這些因素的綜合影響下哈密市的生態(tài)脆弱性有繼續(xù)上升的趨勢。圖2

圖2 2007～2017年新疆各地州市生態(tài)脆弱性年際變化

Fig.2 The annual variations of ecological environment vulnerability for Xinjiang in 2007-2017

2.1.3 昌吉州的生態(tài)脆弱性處于微度脆弱和輕度脆弱區(qū)間，2010年達到最低點

2011～2013年出現(xiàn)反彈上升，2014～2017年出現(xiàn)逐步下降的態(tài)勢，可能與人口自然增長率從2013年的14.38‰下降到2017年的2.71‰有較大關聯(lián)。伊犁州直屬在2007～2009年期間呈下降趨勢，2010～2012年小幅回升后又呈下降趨勢，2015～2017年又有所上升，屬中度脆弱。塔城地區(qū)總體生態(tài)脆弱性較低，基本處于輕度脆弱區(qū)間，塔城地區(qū)水資源相對豐富有大小河流107條、草茂林密的山地丘陵占總面積的41.1%、沙漠僅占總面積的12.1%、樹種資源豐富等優(yōu)越的自然環(huán)境條件使得其生態(tài)脆弱性較低。圖2

2.1.4 阿勒泰地區(qū)近11年生態(tài)脆弱性在輕度脆弱和中度脆弱區(qū)間內波動

與GDP密度、人口自然增長率和人均糧食產(chǎn)量等因素的波動變化有密切關系。博州生態(tài)脆弱性年際變化相對穩(wěn)定，近11年均處于中度脆弱區(qū)間，這11年間該地區(qū)年均人口密度僅為0.198 人/hm2、人均水資源量有6 060 m3及年造林總面積約為5 961 hm2是主要原因。

2.1.5 2007～2017年巴州生態(tài)脆弱性在0.27～0.45間波動并在2012和2016年分別形成2個谷值0.27和0.36，與這2個年份較大的年降水量有一定關聯(lián)，多年平均降水量是69.1 mm，而2012年降水量為127.4 mm，2017年降水量為141.1 mm。阿克蘇地區(qū)生態(tài)脆弱值最低點出現(xiàn)在2010年，近11年來其值從中度脆弱波動上升至重度脆弱狀態(tài)并且仍有上升趨勢。占該地區(qū)總面積31%的沙漠是其原生脆弱性的基底，干旱少雨的自然環(huán)境條件約束以及灌溉效率低下，導致土壤鹽堿含量較高、生態(tài)用水保障不穩(wěn)定，進而容易誘發(fā)次生脆弱性。圖2

2.1.6 克州生態(tài)在2007～2009年間處于極度脆弱狀態(tài)，2010～2013年波動起伏較大但仍處于中度脆弱狀態(tài)，2014～2017年下降到中度脆弱區(qū)間?？酥萜骄０? 000 m左右，獨特的高山地貌、缺水少地、植被稀疏，使得生態(tài)脆弱性居高不下。但近年來，成功建設博古孜河大橋、阿喀高速公路以及卡拉貝利水利樞紐工程等是當?shù)厣鷳B(tài)脆弱性下降的社會進步因素。圖2

2.1.7 喀什地區(qū)近11年生態(tài)脆弱性主要位于中度脆弱區(qū)間，反復波動有略微上升的趨勢。該地區(qū)人口自然增長率從2007年的7.41 ‰波動上升到2017年的26.06 ‰,且人均水資源量從2 511 m3/人波動下降到1 750 m3/人。和田地區(qū)常年干旱少雨，2009～2015年生態(tài)脆弱性呈年際規(guī)律性波動，脆弱度大體處于中度脆弱狀態(tài)。近11年第3產(chǎn)業(yè)的GDP占比提升了9.8%等因素的影響。圖2

2.2 新疆各地州市生態(tài)脆弱性空間分布

研究表明,新疆大部分地州市生態(tài)脆弱性都比較高，以中度脆弱和重度脆弱為主，這與新疆地處內陸干旱區(qū)，普遍具有降水量少而變率大、蒸發(fā)量遠高于降水量、溫差大、風沙多等氣候特征，故其脆弱性與暴露度有密切關系。新疆生態(tài)脆弱性也存在明顯的地域差異，其中，吐魯番市的生態(tài)脆弱性最大，其次是克州和喀什地區(qū)；生態(tài)脆弱性最小的是昌吉州，其次是伊犁和塔城地區(qū)。各地州市綜合生態(tài)脆弱性由大到小依次為：吐魯番市(25.86)> 克孜勒蘇柯爾克孜自治州(19.82)> 喀什地區(qū)(19.01)> 巴音郭楞蒙古自治州(18.82)> 阿克蘇地區(qū)(18.71)> 和田地區(qū)(18.09)> 哈密市(17.85)> 博爾塔拉蒙古自治州(17.24)> 阿勒泰地區(qū)(11.32)> 克拉瑪依市(10.40)> 烏魯木齊市(9.50)> 塔城地區(qū)(8.63)> 伊犁州直屬縣市(6.91)> 昌吉回族自治州(5.80)。

新疆天山南部大部分地區(qū)的脆弱度普遍高于北部地區(qū)；西南部屬重度脆弱區(qū)，北部大部分地區(qū)屬輕度脆弱區(qū)。

吐魯番市是中國海拔最低的地方，植被少、水分奇缺、大風頻繁，惡劣的氣候條件使得該地區(qū)屬生態(tài)極端脆弱區(qū)。新疆南北兩端脆弱性差異較大，天山以南大部分地區(qū)都屬于重度脆弱區(qū)，浩瀚的塔克拉瑪干沙漠作為地貌基底和干旱、沙塵、倒春寒等惡劣的自然條件使得南疆的生態(tài)脆弱性居高不下。北疆的大部分地區(qū)相對而言屬于輕度脆弱區(qū)。博州和哈密屬于中度脆弱區(qū)，昌吉州屬于輕度脆弱區(qū)。北疆為溫帶大陸性干旱半干旱氣候，南疆屬暖溫帶大陸性干旱氣候，這2種氣候的差異很大程度上影響了當?shù)厣鷳B(tài)脆弱性的差異。圖3

圖3 新疆生態(tài)脆弱性空間分布

Fig.3 The spatial distribution of ecological environment vulnerability in Xinjiang

2.3 新疆各地州市生態(tài)脆弱性變異特征

研究表明,2007～2012年，吐魯番市、克州、博州、哈密的脆弱性差異度較小，塔城地區(qū)、伊犁州直屬縣(市)、昌吉州和阿勒泰地區(qū)的脆弱性差異度較大；2013～2017年，吐魯番、哈密市、阿克蘇和博州脆弱性差異度變化輕微，部分指標數(shù)據(jù)波動不大，并且一些指標項數(shù)據(jù)的下降彌補了另一些指標項數(shù)據(jù)增加所帶來的影響。烏魯木齊市、伊犁直屬和克州的差異度大幅上升，面對干旱脅迫的敏感性大幅度下降，適應能力快速提高，但受人類社會活動的影響大，表現(xiàn)為脆弱性變異幅度較大。圖4

圖4 2007～2017年新疆生態(tài)脆弱性變異特征

Fig.4 Variation characteristics of the ecological environment vulnerability during 2007-2017 in Xinjiang.

2.4 2007～2017年新疆總體暴露度、敏感性、適應力和脆弱性的評價

研究表明,新疆的暴露度指數(shù)一直高于敏感性指數(shù)及適應能力，且暴露度指數(shù)波動不大。2014年出現(xiàn)1個峰值，2014年全疆年平均氣溫和日照時數(shù)數(shù)據(jù)比2013和2015年的數(shù)據(jù)都要高上一些。圖5

圖5 2007～2017年新疆脆弱性相關指數(shù)時序演變曲線

Fig.5 Time series evolution curves of Xinjiang's Vulnerability indices from 2007 to 2017

3 討 論

研究表明，近11年來新疆生態(tài)脆弱性總體有下降趨勢。究其原因，王長建等[17]認為城市化水平的提升會對生態(tài)綜合質量指數(shù)造成先下降后不斷上升的變化趨勢，從長期來看城市化對生態(tài)質量具有提升作用。劉時棟等[18]認為新疆土地生態(tài)安全總體水平不斷提高，機械化程度的逐漸增高以及土地產(chǎn)出能力的增強使得各地州市土地生態(tài)安全的不均衡性得到改善，空間差異縮小。分析發(fā)現(xiàn)近11年新疆各地州市政府的環(huán)境保護投資力度不斷增強、居民受教育水平提升以及農業(yè)生產(chǎn)方式改良等都是使該地區(qū)生態(tài)脆弱性得到緩解的重要原因。2011年，新疆啟動草原生態(tài)保護補助獎勵機制，對環(huán)境惡劣、嚴重退化和不宜放牧的草原實行禁牧。博州對賽里木湖核心區(qū)的湖畔草原全面實行封育禁牧、塔城開展修復庫魯斯臺草原生態(tài)工作、昌吉州建立了牧區(qū)草畜聯(lián)營合作社、伊犁新源縣打造以民俗旅游為主的村莊、克州為牧民提供日光溫室大棚建設規(guī)模養(yǎng)殖小區(qū)等，使草原生態(tài)保持良好。2007年昌吉州天山天池投入大量資金在景區(qū)實行禁牧、封山育林及生態(tài)移民等多種措施，有效遏制了水土流失，天山天池水位因此上漲6 m，天池生態(tài)得到了有效保護；2015年艾比湖濕地國家級自然保護區(qū)生態(tài)移民項目啟動后草情明顯好轉，大量野生動物回歸；2017年新疆自然保護區(qū)內礦區(qū)恢復治理土地面積300 hm2等。新疆不斷強化生態(tài)環(huán)保理念、加強生態(tài)保護建設方面的措施是不斷推動新疆生態(tài)脆弱性逐步降低的最主要因素。

相比于孫凌云等[19]基于變異系數(shù)法的烏魯木齊城市脆弱性評價、李佳芮等[20]基于VSD模型構建象山灣生態(tài)系統(tǒng)脆弱性評價分析體系，研究綜合構建了以VSD評價模型為框架的生態(tài)脆弱性評價指標體系，并結合主成分分析法確定指標權重、綜合指數(shù)法計算綜合生態(tài)脆弱度以及變異系數(shù)法分析各地區(qū)變化幅度大小，更加全面考慮了生態(tài)的暴露度、敏感性和適應能力的影響因子，充分發(fā)揮出主成分分析法的客觀賦權功能提高評價結果客觀性的優(yōu)勢。將VSD評價模型和主成分分析法相結合，能夠較客觀全面地反映新疆14個地州市的生態(tài)脆弱性差異及其空間分布規(guī)律。

生態(tài)的脆弱性評價是一項影響因子繁多的復雜系統(tǒng)工程，涉及到的指標是方方面面的，該文僅從不同角度選取了20個指標。實際上，仍有許多其他因素對生態(tài)脆弱性造成影響，如土壤[21]、冰川[22]、交通路網(wǎng)[23]等。在后續(xù)工作特別是生態(tài)脆弱性預測預警研究中，可以在全面考慮研究區(qū)實際情況的同時，盡可能選取更多的具有代表性的指標對生態(tài)脆弱性評價進行一個全方位多角度的預測性研究。最終獲得的是相對生態(tài)脆弱性分級，這種相對只是各地州市之間的相對差異，不是絕對的差異。并且這種差異也局限于這個評價體系以及這個時間段內。

4 結論

4.1 新疆14個地州市的生態(tài)脆弱性狀況差異較大，除了吐魯番地區(qū)居于極端脆弱區(qū)、昌吉州處于微度脆弱區(qū)，南疆大部分地區(qū)都屬于中度脆弱區(qū)，北疆大部分地區(qū)屬于中度和輕度脆弱區(qū)，這與當?shù)氐臍夂蚝偷孛矖l件有著緊密的聯(lián)系。

4.2 新疆綜合生態(tài)脆弱性不斷下降。暴露度指數(shù)和敏感性指數(shù)的波動變化不大，適應力指數(shù)呈不斷增強趨勢，綜合脆弱性呈小幅下降趨勢，總體處于中度脆弱區(qū)間。

4.3 大部分地州市2007～2012年的生態(tài)脆弱性變化幅度較2013～2017年小。2007～2012年昌吉州、伊犁州直屬和塔城地區(qū)的脆弱性變異幅度較大。2013～2017年伊犁州直屬、克州和烏魯木齊市的脆弱性變異幅度較大。