趙正嫄, 張云龍,李 婷,呂一河,王 聰,伍 星,*

1 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心 城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室,北京 100085 2 中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049

近年來,隨著人地矛盾的不斷加劇,生態(tài)系統(tǒng)退化、生態(tài)環(huán)境惡化和資源過度利用等區(qū)域生態(tài)問題日漸突出[1—2]。人類活動對生態(tài)環(huán)境已經(jīng)產(chǎn)生了強烈干擾,嚴(yán)重影響區(qū)域生態(tài)安全和社會可持續(xù)發(fā)展[3]。近幾十年來,國內(nèi)外學(xué)者對生態(tài)敏感性開展大量研究,特別是生態(tài)敏感性評價的實踐應(yīng)用型研究。依據(jù)區(qū)域生態(tài)環(huán)境問題制定針對性生態(tài)保護措施有助于緩解生態(tài)環(huán)境惡化的趨勢。因此,有必要開展區(qū)域生態(tài)敏感性評價,識別區(qū)域生態(tài)環(huán)境問題的時空分布格局,指出需要開展生態(tài)環(huán)境保護恢復(fù)的重點區(qū)域,遏制生態(tài)環(huán)境惡化趨勢,為區(qū)域生態(tài)保護和空間規(guī)劃提供理論依據(jù)和重要抓手[4]。

生態(tài)敏感性是指區(qū)域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)受人為活動干擾或自然環(huán)境變化時,生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生問題的難易程度和可能性大小[2]。通過對國內(nèi)外文獻的梳理發(fā)現(xiàn),生態(tài)敏感性評價的研究區(qū)域廣泛，研究尺度多樣,研究方法傳統(tǒng)[5]。其中,研究區(qū)域包含流域[6—7]、城市[8—9]、濕地[10]、自然保護區(qū)[11]等。研究尺度從國家[2]、地理區(qū)域[12]、省域[13—14]延伸至市縣域范圍[1, 15—16]。研究方法主要采用主成分分析法[17]、層次分析法[18]、專家打分法[19]、最大值法[13,20]等傳統(tǒng)權(quán)重確定方法。目前,生態(tài)敏感性研究由單一敏感性問題研究,向多角度綜合敏感性的研究方向發(fā)展,如Yu等[8]從生物多樣性敏感性和水資源敏感性、地質(zhì)災(zāi)害敏感性、土壤侵蝕敏感性四方面,綜合評價西雙版納景洪市生態(tài)系統(tǒng)敏感性,何蘇玲等[5]從土壤侵蝕和酸雨侵蝕兩方面,評價了贛州市龍南縣生態(tài)敏感性。劉海龍等[6]從景觀風(fēng)險敏感性、水土流失敏感性和生物多樣性敏感性三方面,評價了汾河流域生態(tài)敏感性。盡管生態(tài)敏感性相關(guān)研究發(fā)展迅速,但仍存在一定局限性。首先,在評價指標(biāo)的選擇上,尚未形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),指標(biāo)的選擇存在較大的主觀性和隨意性[21]。其次,在研究方法的選擇上,以層次分析法和專家打分法為代表的主觀賦權(quán)法客觀性較差,而以最大值法和主成分分析法為代表的客觀賦權(quán)法易造成某一單因子主導(dǎo)結(jié)果的現(xiàn)象,其余因子對結(jié)果的影響較小,無法體現(xiàn)生態(tài)敏感性評價的綜合性[5]。

青藏高原被稱為“世界第三極”,過去幾十年的監(jiān)測表明,青藏高原是全球氣候變暖最明顯和強烈的地區(qū),其升溫幅度是全球地面平均上升溫度的兩倍[22—23]。這不僅會導(dǎo)致凍土融化、冰川退縮及各類自然災(zāi)害頻發(fā),更關(guān)系到下游數(shù)十億人民生計安全[24]。然而目前針對青藏高原開展生態(tài)敏感性評價的研究仍相對欠缺,以單一敏感性問題評價為主。因此,本文以青藏高原為研究區(qū)域,選取2000—2018年長時間序列,選取土地荒漠化、水土流失、滑坡災(zāi)害和凍融侵蝕四個因子進行單因子敏感性評價,在此基礎(chǔ)上通過空間距離指數(shù)法對青藏高原生態(tài)敏感性進行綜合評價,并對生態(tài)敏感性評價結(jié)果進行空間自相關(guān)分析和時空變化模式分析。以空間化的方式揭示2000—2018年青藏高原生態(tài)敏感性的時空分布及變化規(guī)律,為青藏高原后續(xù)生態(tài)保護政策的制定提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

青藏高原位于73°E—106°E和24°N—41°N之間,橫跨西藏、新疆、青海、甘肅、四川和云南六省(自治區(qū))(圖1),面積約為250萬km2,約占我國陸地面積的四分之一,因其平均海拔在4000m以上,被稱為“世界屋脊”[25]。青藏高原具有海拔高、氣溫低、降水少、整體抗干擾能力較弱的特點,易受土壤荒漠化、地震滑坡和凍融侵蝕等自然災(zāi)害的影響,且受到破壞后難以恢復(fù)。其具有除極地地區(qū)外最多數(shù)量的冰川,這些冰川是長江、黃河、怒江和瀾滄江等亞洲重要河流的源頭,為下游數(shù)十億人口提供淡水和食物[26]。近年來,人類活動和氣候變化對青藏高原的影響日益加劇,嚴(yán)重影響了當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此,亟需對青藏高原開展生態(tài)敏感性評價,識別其生態(tài)敏感性時空分布特征。

圖1 研究區(qū)范圍及高程Fig.1 Study area and elevation

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

本研究采用的數(shù)據(jù)包括高程數(shù)據(jù)、坡度數(shù)據(jù)、坡向數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、歸一化植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index, NDVI)數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)、土壤可蝕性因子數(shù)據(jù)、坡度坡長因子數(shù)據(jù)、道路數(shù)據(jù)和河流數(shù)據(jù)。其中,高程、坡度和坡向數(shù)據(jù)來自地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/),空間分辨率為90m,2000—2018年氣象數(shù)據(jù)來自中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/),2000—2018年歸一化植被指數(shù)數(shù)據(jù)和土地利用數(shù)據(jù)來自資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心(https://www.resdc.cn/),空間分辨率為1000m,土壤可蝕性因子和坡度坡長因子數(shù)據(jù)來自國家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.geodata.cn/),空間分辨率為1000m,道路數(shù)據(jù)來自O(shè)penStreetMap(http://www.openstreetmap.org/)，河流數(shù)據(jù)來自HydroSHEDS數(shù)據(jù)集(https://hydrosheds.org/)。以上數(shù)據(jù)經(jīng)過拼接、配準(zhǔn)、裁剪、投影變換和重采樣等預(yù)處理,統(tǒng)一轉(zhuǎn)換成柵格數(shù)據(jù),所有數(shù)據(jù)均采用WGS1984地理坐標(biāo)系和Albers投影坐標(biāo)系,空間分辨率統(tǒng)一為1000m×1000m。

2 研究方法

2.1 綜合生態(tài)敏感性模型的構(gòu)建

2.1.1土地荒漠化敏感性指數(shù)

土地荒漠化是在自然和人為因素的相互影響下,干旱區(qū)、半干旱區(qū)與亞濕潤干旱區(qū)土地逐漸退化的現(xiàn)象[27]。青藏高原地區(qū)受海拔、氣溫、降水等自然條件限制,植被覆蓋度較低,易產(chǎn)生土地荒漠化現(xiàn)象。本研究參照已有研究[28],利用植被覆蓋度表示土地荒漠化程度。利用NDVI數(shù)據(jù)近似估計植被覆蓋度,計算土地荒漠化指數(shù)(Land desertification sensitivity index, LDSI),具體公式如下：

(1)

式中,VFC表示植被覆蓋度,NDVI為所求像元歸一化植被指數(shù),NDVImax和NDVImin表示研究區(qū)歸一化植被指數(shù)的最大值和最最小值。

2.1.2水土流失敏感性指數(shù)

本文采用Wischmeier等提出的通用土壤流失方程(Universal Soil Loss Equation, USLE)評估區(qū)域水土流失敏感性,綜合考慮研究區(qū)域地形、植被、土壤、降水和土地利用五大因子[29,30]。降水侵蝕力因子(R)采用Wischmeier等提出的各月平均降水量和年降水量R值的經(jīng)驗公式計算[30]。地表覆蓋因子(C)采用蔡崇法等的植被覆蓋度與C函數(shù)關(guān)系估算[31]。人工措施因子(P)綜合已有研究[29—30, 32—33],結(jié)合研究區(qū)土地利用類型確定(表1)。土壤可蝕性因子(K)和坡度坡長因子(LS)數(shù)據(jù)采用地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享平臺已處理生成的數(shù)據(jù)圖層,計算水土流失敏感性指數(shù)(Soil erosion sensitivity index, SESI),具體公式如下：

SESI=R×K×LS×C×P

(2)

式中,SESI為水土流失敏感性指數(shù)；R為降水侵蝕力因子；K為土壤可蝕性因子；LS為坡度坡長因子；C為地表覆蓋因子；P為人工措施因子。

表1 研究區(qū)不同土地利用類型P值

2.1.3滑坡災(zāi)害敏感性指數(shù)

青藏高原地處喜馬拉雅地震帶,高大山脈區(qū)地勢險峻,極易發(fā)生滑坡災(zāi)害。本文參照已有研究結(jié)果[34—36],基于坡度、高程、距道路距離、距河流距離、土地利用類型和年均降水量六個因子,利用層次分析法計算滑坡災(zāi)害敏感性指數(shù)(Landslide sensitivity index, LSI),其權(quán)重參考文獻依次設(shè)置為0.0559、0.2203、0.3764、0.1496、0.0484、0.1494。

2.1.4凍融侵蝕敏感性指數(shù)

凍融侵蝕是高寒地區(qū)由于溫度的變化,導(dǎo)致土體或巖石中水分發(fā)生相變,體積發(fā)生變化,以及由于土壤或巖石不同礦物的差異脹縮,造成了土體或巖石的機械破壞,被破壞的土體或巖塊在重力等作用下被搬運的整個過程[37]。青藏高原及其附近高山區(qū)是我國凍融侵蝕最強烈和最集中的地區(qū)。本文參照已有研究結(jié)果[38],基于氣溫年較差、年均降水量、坡度、坡向和植被蓋度五個因子,利用加權(quán)平均法計算凍融侵蝕敏感性指數(shù)(Freeze-thaw erosion sensitivity index, FESI),其權(quán)重參考文獻依次設(shè)置為0.1、0.2、0.4、0.1、0.2。

2.1.5綜合生態(tài)敏感性指數(shù)

生態(tài)敏感性單一評價指標(biāo)只能反映各因素對區(qū)域的影響,因此,需要選擇合理的方法將各指標(biāo)進行綜合。本文利用空間距離指數(shù)法,計算某一點到敏感性最高點之間的距離,構(gòu)建綜合生態(tài)敏感性指數(shù)(Comprehensive ecological sensitivity index, CESI)。綜合生態(tài)敏感性指數(shù)越小,表示生態(tài)敏感性越高,生態(tài)環(huán)境越惡劣[6,21]。依據(jù)單指標(biāo)生態(tài)敏感性評價結(jié)果,歸一化土地荒漠化敏感性指數(shù)、歸一化水土流失敏感性指數(shù)、歸一化滑坡災(zāi)害敏感性指數(shù)和歸一化凍融侵蝕指數(shù)最大值作為空間中敏感性最高點。計算空間中其他點到敏感性最高點的距離來構(gòu)建綜合生態(tài)敏感性指數(shù),將土地荒漠化、水土流失、滑坡災(zāi)害和凍融侵蝕四個評價因子進行疊加分析,具體公式如下：

(3)

式中,LDSI表示土地荒漠化敏感性指數(shù)；SESI表示水土流失敏感性指數(shù)；LSI表示滑坡災(zāi)害敏感性指數(shù)；FESI表示凍融侵蝕敏感性指數(shù)；LDSImax、SESImax、LSImax、FESImax分別表示土地荒漠化敏感性指數(shù)、水土流失敏感性指數(shù)、滑坡災(zāi)害敏感性指數(shù)、凍融侵蝕敏感性指數(shù)最大值。

2.2 空間自相關(guān)分析

(1)全局空間自相關(guān)。全局Moran′sI指數(shù)是反映區(qū)域空間組成要素的相似情況,本研究通過GeoDa軟件分析各網(wǎng)格綜合生態(tài)敏感性的空間關(guān)聯(lián)性。Moran′sI指數(shù)取值范圍為[-1,1],正值代表空間要素間聚集分布,負(fù)值代表空間要素間離散分布,0代表空間要素間不相關(guān)、隨機分布,具體公式如下[39]：

(4)

(2)局部空間自相關(guān)。全局Moran′sI指數(shù)僅能反映區(qū)域整體的自相關(guān)統(tǒng)計量,無法反映子區(qū)域及其鄰域之間的空間自相關(guān)性。因此,本研究采用局部Moran′sI指數(shù)分析子區(qū)域及其鄰域之間關(guān)聯(lián)情況,具體公式如下[39—40]：

(5)

2.3 生態(tài)敏感性變化模式分析

利用ArcGIS 10.2中Reclassify工具,采用自然斷點法(Natural Breaks),將土地荒漠化敏感性指數(shù)、水土流失敏感性指數(shù)、滑坡災(zāi)害敏感性指數(shù)、凍融侵蝕敏感性指數(shù)和綜合敏感性指數(shù)分為不敏感、輕度敏感、中度敏感、重度敏感和極度敏感五級(表2)。同時,計算2000—2018年期間敏感性等級變化,等級下降記為“顯著退化”,等級上升記為“顯著改善”,等級無變化記為“無顯著變化”。將綜合生態(tài)敏感性等級由極度敏感到不敏感分別賦值為1、2、3、4、5,利用Raster Calculator工具對不同時期生態(tài)敏感性分級結(jié)果進行疊加分析,具體公式如下：

Code=Code2000×100+Code2010×10+Code2018

(6)

式中,Code為生態(tài)敏感性變化模式編碼,Code2000、Code2010、Code2018分別為2000、2010、2018年綜合敏感性等級分級結(jié)果。

表2 青藏高原生態(tài)敏感性分級標(biāo)準(zhǔn)

3 結(jié)果與分析

3.1 單指標(biāo)生態(tài)敏感性時空演變特征

研究區(qū)域土地荒漠化評價結(jié)果表明,土地荒漠化敏感性總體表現(xiàn)為由西北向東南遞減,最大值出現(xiàn)在青藏高原西北部(圖2)。西北部地區(qū)海拔平均在4000m以上,降水稀少,氣候干旱,植被稀疏,為荒漠草甸草原景觀,且風(fēng)蝕作用強烈,植被破壞后難以修復(fù),容易發(fā)生土地荒漠化。而最小值出現(xiàn)在青藏高原東南部雅魯藏布江大拐彎處,該區(qū)域海拔較低,來自印度洋的暖濕氣流帶來大量降水,植被覆蓋率高,植被類型以森林為主。從時間變化上,2000年、2010年、2018年土地荒漠化敏感性指數(shù)平均值分別為0.621、0.590、0.568,呈現(xiàn)逐漸遞減趨勢,土地荒漠化程度明顯改善,尤其是云南、四川和甘肅地區(qū),而唐古拉山脈區(qū)域土地荒漠化敏感性有所上升。

圖2 2000—2018年青藏高原土地荒漠化敏感性Fig.2 Land desertification sensitivity of Qinghai-Tibet Plateau from 2000 to 2018

研究區(qū)域水土流失敏感性評價結(jié)果表明,青藏高原地區(qū)水土流失程度較低,重度和極度敏感區(qū)分布在雅魯藏布江大拐彎、阿里地區(qū)西部、四川省和云南省等地(圖3),這些區(qū)域地形起伏度大,溝壑縱橫,降水較多。其中水土流失敏感性最大值出現(xiàn)在雅魯藏布江大拐彎,該區(qū)域也是青藏高原降水量的最大值點,年平均降水量超過1000mm,地勢陡峭,起伏度大。因此,在長期的降水侵蝕作用下,水土流失情況也最嚴(yán)重。從時間變化來看,2000年、2010年、2018年水土流失敏感性指數(shù)平均值分別為0.011、0.008、0.011,水土流失敏感性先下降再上升,雅魯藏布江大拐彎和阿里地區(qū)西部等重度和極度敏感區(qū)敏感性降低,而甘肅、四川和云南等地區(qū)水土流失敏感性有所增強。

圖3 2000—2018年青藏高原水土流失敏感性Fig.3 Soil erosion sensitivity of Qinghai-Tibet Plateau from 2000 to 2018

青藏高原的快速隆起使其地質(zhì)地貌發(fā)生了劇烈改變,導(dǎo)致該地區(qū)構(gòu)造活動強烈、地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)[36,41]。研究區(qū)域滑坡災(zāi)害敏感性評價結(jié)果表明,極度和重度敏感區(qū)主要集中在青藏高原東南部的道路和河流沿線(圖4)。該區(qū)域是青藏高原的人口密集區(qū),海拔較低,降水豐富,植被覆蓋率高。地震滑坡和人類活動增加了地質(zhì)災(zāi)害強度,嚴(yán)重威脅了區(qū)域發(fā)展和人民安全[42]。而不敏感區(qū)主要集中在青藏高原北部,該區(qū)域降水稀少,地勢相對平緩,人類活動強度低,道路和河流密度低,因此具有較低的滑坡災(zāi)害敏感性。從時間變化上,2000、2010、2018年滑坡災(zāi)害敏感性指數(shù)平均值分別為0.304、0.305、0.310,滑坡災(zāi)害敏感性逐漸上升趨勢。

研究區(qū)域凍融侵蝕敏感性評價結(jié)果表明,青藏高原凍融侵蝕極度和重度敏感區(qū)主要沿喀喇昆侖山、祁連山和橫斷山等山脈分布(圖5)。該區(qū)域海拔較高和氣溫年較差大,凍融交替頻繁,使得該區(qū)域土壤抗侵蝕能力降低。植被覆蓋率低,沒有良好的植被進行保護,土壤白天迅速升溫融化,夜晚降溫凍結(jié),增加了發(fā)生凍融侵蝕的可能性。而青藏高原東南部和柴達木盆地區(qū)域凍融侵蝕敏感性較低和屬于不敏感區(qū),該區(qū)域海拔較低,年平均氣溫基本高于0℃,發(fā)生凍融侵蝕頻率較低。從時間變化上,2000、2010、2018年凍融侵蝕敏感性指數(shù)平均值分別為0.327、0.327、0.318,呈現(xiàn)逐漸降低趨勢。西藏大部分地區(qū)凍融侵蝕敏感性均有明顯下降,而青海部分地區(qū)敏感性有所上升。

3.2 綜合生態(tài)敏感性時空演變特征

從空間分布來看,青藏高原地區(qū)綜合生態(tài)敏感性在空間上表現(xiàn)為由西北向東南遞減,高大山脈區(qū)敏感性較高,極度敏感區(qū)主要沿喀喇昆侖山脈、喜馬拉雅山脈、昆侖山脈、唐古拉山脈和巴顏喀拉山脈分布(圖6,表3)。不敏感區(qū)集中在四川省、云南省和雅魯藏布江大拐彎地區(qū)。從時間變化來看,2000、2010、2018年綜合生態(tài)敏感性指數(shù)平均值分別為1.49、1.50、1.51,綜合生態(tài)敏感性指數(shù)逐漸增加,生態(tài)敏感性不斷降低,生態(tài)環(huán)境整體呈現(xiàn)良好發(fā)展態(tài)勢。極度敏感區(qū)面積不斷減小,由2000年的52.05×104km2(18.83%)和2010年的50.07×104km2(18.10%),縮減至2018年的47.00×104km2(17.15%)。不敏感區(qū)面積持續(xù)增加,由2000年的30.66×104km2(11.09%)和2010年37.31×104km2(13.48%),增加至2018年的45.38×104km2(16.56%)。青藏高原大部分區(qū)域生態(tài)敏感性均有所下降,僅青海南部少部分地區(qū)敏感性上升。

圖4 2000—2018年青藏高原滑坡災(zāi)害敏感性Fig.4 Landslide sensitivity of Qinghai-Tibet Plateau from 2000 to 2018

圖5 2000—2018年青藏高原凍融侵蝕敏感性Fig.5 Freeze-thaw erosion sensitivity of Qinghai-Tibet Plateau from 2000 to 2018

圖6 2000—2018年青藏高原綜合敏感性Fig.6 Comprehensive ecological sensitivity of Qinghai-Tibet Plateau from 2000 to 2018

表3 2000—2018年青藏高原綜合敏感性分區(qū)面積及占比

3.3 空間自相關(guān)分析

運用ArcGIS 10.2的Fishnet工具,按照10km的采樣間隔提取青藏高原綜合生態(tài)敏感性指數(shù)值。利用GeoDa軟件計算可得,青藏高原地區(qū)2000—2018年的全局Moran′sI指數(shù)分別為0.652、0.666、0.642,均大于0,表明青藏高原生態(tài)敏感性在空間上呈現(xiàn)較強的正相關(guān)的關(guān)系。進一步檢驗Moran′sI指數(shù)的顯著性,2000—2018年P(guān)值均為0.001,Z得分均大于2.58,通過99.9%的置信度檢驗,表明研究區(qū)域生態(tài)敏感性空間自相關(guān)是極顯著的[6]。2000—2018年的空間自相關(guān)性波動下降,在2010年空間自相關(guān)性最強(表4)。

表4 2000—2018年青藏高原生態(tài)敏感性全局Moran′s I指數(shù)統(tǒng)計表

為了進一步分析2000—2018年青藏高原生態(tài)敏感性的空間關(guān)聯(lián)性,利用GeoDa軟件生成局部空間自相關(guān)的LISA(Local Indicators of Spatial Association)聚類圖(圖7),按性質(zhì)劃分為高-高聚集(H-H),低-高聚集(L-H),低-低聚集(L-L),高-低聚集(H-L),不顯著(No significance)五類。高-高聚集表示高值聚集,主要為輕度敏感區(qū)和不敏感區(qū)。低-低聚集表示低值聚集,主要為極度和重度敏感區(qū)。這兩個類別的空間要素存在較強的空間正相關(guān)。低-高聚集表示該區(qū)域生態(tài)敏感性較高,但周邊區(qū)域較低。高-低聚集表示該區(qū)域生態(tài)敏感性較低,但周邊區(qū)域較高。這兩個類別的空間要素存在較強的空間負(fù)相關(guān)[40,43]。

圖7 2000—2018年青藏高原生態(tài)敏感性空間相關(guān)局域(LISA)聚類圖Fig.7 The local indicators of spatial association (LISA) aggregation of ecological sensitivity on the Qinghai-Tibet Plateau from 2000 to 2018

由圖7可得,生態(tài)敏感性低-低聚集主要分布在青藏高原西北部地區(qū),沿高大山脈分布,網(wǎng)格數(shù)量由2000年的7277增至2018年7357,整體呈現(xiàn)波動上升的趨勢,空間結(jié)構(gòu)趨向聚集。生態(tài)敏感性高-高聚集主要分布在柴達木盆地、雅魯藏布江大拐彎、甘肅、四川和云南省等地。網(wǎng)格數(shù)量由2000年的6983降至2018年6838,整體呈現(xiàn)波動下降的趨勢,空間結(jié)構(gòu)趨向離散化。青藏高原的敏感性評價表明,2000—2018年綜合生態(tài)敏感性逐漸降低,青藏高原地區(qū)的生態(tài)環(huán)境逐漸改善,但重度和極度敏感區(qū)空間分布更加聚集,輕度敏感區(qū)和不敏感區(qū)空間分布更加離散,表明青藏高原地區(qū)生態(tài)環(huán)境蘊藏風(fēng)險。

圖8 基于生態(tài)敏感性變化模式的青藏高原保護管理區(qū)劃Fig.8 Conservation regionalization of Qinghai-Tibet Plateau based on ecological sensitivity change pattern analysis

3.4 生態(tài)敏感性變化模式分析

為深入探索青藏高原綜合生態(tài)敏感性變化模式,本文通過編碼法將2000—2018年綜合生態(tài)敏感性的變化模式進行編碼,從空間分布和敏感性數(shù)值變化兩方面確定生態(tài)敏感性動態(tài)變化情況[21]。按照變化模式的具體特征,將青藏高原分為了嚴(yán)格保護區(qū)、生態(tài)退化區(qū)、潛在治理區(qū)、生態(tài)改善區(qū)和綜合發(fā)展區(qū)五個區(qū)域(表5,圖8)。

嚴(yán)格保護區(qū)是指敏感性常年為重度和極度敏感的區(qū)域,主要分布在青藏高原西北部地區(qū)高大山脈地區(qū)。這些區(qū)域生態(tài)環(huán)境本底條件較差,海拔較高、氣候干旱、植被稀少、人類活動影響較小。多為自然保護地分布區(qū)域,如羌塘自然保護區(qū)和色林錯自然保護區(qū)、可可西里自然保護區(qū)等[44]。應(yīng)繼續(xù)維持其生態(tài)保護的措施,在保證其生態(tài)系統(tǒng)不退化的前提下,針對性保護該區(qū)域分布的高原特色物種。

生態(tài)退化區(qū)是指在2000—2018年間,由低敏感性向高敏感性轉(zhuǎn)化,生態(tài)系統(tǒng)有所退化的區(qū)域,該區(qū)域面積較小,僅占3.60%,主要分布在玉樹州北部和四川省部分地區(qū)。這些區(qū)域在滑坡災(zāi)害、水土流失等多個因子上都表現(xiàn)出了敏感性上升的趨勢,亟待重點關(guān)注和保護。在后續(xù)的研究中,可以采用更高分辨率,更長的時間序列針對該區(qū)域發(fā)生生態(tài)退化的具體原因開展探究[45]。

表5 青藏高原不同生態(tài)保護管理分區(qū)統(tǒng)計表

潛在治理區(qū)是指敏感性在2000—2018年間,總體波動變化明顯,穩(wěn)定性較差的區(qū)域。主要分布在巴音郭勒州,在青藏高原東部地區(qū)也有零散分布。一方面,這些區(qū)域氣候變化明顯,可能導(dǎo)致生態(tài)敏感性發(fā)生波動。另一方面,這些區(qū)域為青藏高原人口分布密集區(qū),人類活動的擴張和工程設(shè)施的建設(shè)可能是導(dǎo)致生態(tài)敏感性波動變化的原因之一[46]。針對這些區(qū)域應(yīng)適當(dāng)開展退耕還林、還草等生態(tài)工程,維持生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

生態(tài)改善區(qū)是指敏感性在2000—2018年間,由高敏感性向低敏感性轉(zhuǎn)化,生態(tài)環(huán)境有所改善的區(qū)域,占總面積的15.07%,主要集中在青藏高原東部地區(qū)。這些區(qū)域平均海拔相對較低,降水豐富,氣候適宜,植被覆蓋率高。由于生態(tài)環(huán)境保護工程的實施,這些區(qū)域的生態(tài)敏感性不斷降低,表明原有恢復(fù)治理措施取得了較好的成果。因此,可以繼續(xù)延用原有生態(tài)保護措施,保障生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展。

綜合發(fā)展區(qū)是指敏感性常年為不敏感、輕度敏感和中度敏感,敏感性較低,且始終保持穩(wěn)定的區(qū)域,主要集中在青藏高原東部云南省、四川省、甘肅省及青海省的柴達木盆地。綜合發(fā)展區(qū)也是面積最大的區(qū)域,占總面積的43.04%。該區(qū)域生態(tài)環(huán)境本底條件較好,也是青藏高原的主要人口分布區(qū)。綜合發(fā)展區(qū)可以允許適當(dāng)?shù)娜祟惢顒?但需要在經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)保護的矛盾中尋找平衡點,以保護促發(fā)展,以發(fā)展強保護。

4 分析與討論

Zhao等[47]研究表明,青藏高原是我國生態(tài)環(huán)境最敏感脆弱的區(qū)域之一。本文通過對青藏高原的綜合敏感性進行評估,確定其敏感性等級為重度敏感,在2000年、2010年、2018年,重度敏感區(qū)均為面積最大的區(qū)域,占比分別達到25.93%、25.68%、24.27%。青藏高原生態(tài)敏感性自西北向東南遞減,形成了高寒荒漠生態(tài)系統(tǒng)、高寒草原生態(tài)系統(tǒng)、高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)、灌叢生態(tài)系統(tǒng)和森林生態(tài)系統(tǒng)的水平地帶性分布。青藏高原東南部地區(qū),尤其是四川省和云南省,是低敏感性主要聚集區(qū),本文將這些區(qū)域劃分為綜合發(fā)展區(qū)。盡管這些區(qū)域人口密集、人類活動頻繁,滑坡災(zāi)害和水土流失敏感性指數(shù)較高,但是印度洋的暖濕氣流在此交匯,帶來了溫暖的氣候和充沛的降水量。從而促進了植被的生長。針對這些區(qū)域的管控,要遵守“統(tǒng)籌規(guī)劃,科學(xué)監(jiān)測”的原則,可以允許適當(dāng)?shù)娜祟惢顒?但應(yīng)以不破壞當(dāng)?shù)丨h(huán)境為前提。而青藏高原高敏感性聚集區(qū)出現(xiàn)在西北高大山脈區(qū),本文將這些區(qū)域劃分為嚴(yán)格保護區(qū),這些區(qū)域海拔較高,地勢起伏度大,深入內(nèi)陸,年均降水量在100—300mm之間,干旱的環(huán)境和裸露的土地使生態(tài)環(huán)境極易受到自然災(zāi)害的影響。針對這些區(qū)域的管控,要實行嚴(yán)格的管理保護措施,禁止開發(fā)建設(shè)活動。受自然本底條件限制,青藏高原西北地區(qū)難以達到東南地區(qū)的自然條件,但要盡可能減少外界對其生態(tài)環(huán)境的破壞,維持相對較好的自然條件。

2000—2018年青藏高原綜合生態(tài)敏感性不斷下降,敏感性指數(shù)平均值分別為1.49、1.50、1.51,綜合敏感性指數(shù)逐漸增加,生態(tài)環(huán)境整體呈現(xiàn)良好發(fā)展態(tài)勢,這與相應(yīng)的生態(tài)工程恢復(fù)政策密不可分。2005年《青海三江源自然保護區(qū)生態(tài)保護和建設(shè)總體規(guī)劃》,2009年《西藏生態(tài)安全屏障保護與建設(shè)規(guī)劃(2008—2030年)》,2011年《青藏高原區(qū)域生態(tài)建設(shè)與環(huán)境保護規(guī)劃(2011—2030年)》等一系列生態(tài)保護工程規(guī)劃的制定和實施,大力推動了退耕還林、還草,推進了土地荒漠化、水土流失和地質(zhì)災(zāi)害的防治,強化了草地、濕地和林地生物多樣性的保護,極大促進了青藏高原生態(tài)環(huán)境好轉(zhuǎn)。但空間自相關(guān)分析結(jié)果表明,生態(tài)敏感性低-低聚集網(wǎng)格數(shù)量由2000年的7277增至2018年7357,整體呈現(xiàn)波動上升的趨勢,重度和極度敏感區(qū)空間結(jié)構(gòu)趨向聚集,表明青藏高原西北部地區(qū)可能存在一定生態(tài)風(fēng)險,對生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成威脅?？傮w而言,青藏高原生態(tài)環(huán)境正逐步趨于好轉(zhuǎn),但同時也蘊藏著風(fēng)險與隱患。

本研究依據(jù)生態(tài)敏感性的動態(tài)變化特征,將青藏高原劃分嚴(yán)格保護區(qū)、生態(tài)退化區(qū)、潛在治理區(qū)、生態(tài)改善區(qū)和綜合發(fā)展區(qū)五個區(qū)域,并針對性提出了優(yōu)化保護管理措施。生態(tài)退化區(qū)和潛在治理區(qū)亟需重點保護和關(guān)注,生態(tài)退化區(qū)在2000—2018年間敏感性持續(xù)上升,表明在外界環(huán)境和人類活動的影響下,該區(qū)域生態(tài)環(huán)境持續(xù)惡化。潛在治理區(qū)則是在2000—2018年間,敏感性波動較大,穩(wěn)定性較差。然而,青藏高原橫跨西藏、青海、新疆、甘肅、四川和云南六省(自治區(qū)),各省區(qū)間存在管理標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一,管理效率低下等問題。因此,為加強青藏高原生態(tài)建設(shè)和環(huán)境保護,亟待實現(xiàn)青藏高原一體化管理,針對青藏高原生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀進行統(tǒng)籌評估,實行整體保護、系統(tǒng)修復(fù)和統(tǒng)一管理。

本文總體上反映了青藏高原近20年生態(tài)敏感性的時空變化特征,選取土地荒漠化、水土流失、滑坡災(zāi)害和凍融侵蝕四個因子進行評價。但目前,很多因子的評價方法尚未統(tǒng)一,準(zhǔn)確性有待進一步驗證；從研究尺度上看,青藏高原區(qū)域較大,選用低分辨率數(shù)據(jù)可以加快計算速率,但可能會產(chǎn)生精度誤差。在后續(xù)研究中,可以針對重點研究區(qū)域采用更高分辨率和更長的時間序列的遙感數(shù)據(jù)進一步深入探究。

5 結(jié)論

青藏高原是我國生態(tài)環(huán)境保護的熱點區(qū)域之一,在資源、環(huán)境和生態(tài)等方面具有重要的戰(zhàn)略地位。本研究在定量構(gòu)建土地荒漠化敏感性、水土流失敏感性、滑坡災(zāi)害敏感性和凍融侵蝕敏感性的基礎(chǔ)上,通過空間距離指數(shù)法對青藏高原生態(tài)敏感性進行綜合評價,對評價結(jié)果進行空間自相關(guān)分析并劃分保護管理區(qū)域,具體結(jié)論如下：

(1)從空間分布分析,青藏高原綜合生態(tài)敏感性空間異質(zhì)性明顯,由西北向東南遞減,極度和重度敏感區(qū)主要集中在西北高大山脈區(qū)。從時間變化分析,2000、2010、2018年敏感性指數(shù)平均值分別為1.49、1.50、1.51,生態(tài)環(huán)境整體呈現(xiàn)良好發(fā)展態(tài)勢。

(2)青藏高原生態(tài)敏感性全局Moran′sI指數(shù)均大于0,存在顯著的空間正相關(guān),低-低聚集網(wǎng)格數(shù)量波動上升,從2000年的7277增至2018年7357,重度和極度敏感區(qū)空間結(jié)構(gòu)趨于聚集,表明青藏高原生態(tài)環(huán)境仍蘊藏風(fēng)險。

(3)按照青藏高原生態(tài)敏感性變化模式特征劃分區(qū)域,其中,綜合發(fā)展區(qū)面積占43.04%,是分區(qū)中面積最大的區(qū)域,嚴(yán)格保護區(qū)次之,占33.91%。生態(tài)改善區(qū)面積(15.07%)大于生態(tài)退化區(qū)面積(3.60%),表明近年來青藏高原生態(tài)環(huán)境治理取得積極成效。