武帥,田冰,顧世杰,楊洛祺,胡引翠

(1.河北師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,石家莊 050024;2.河北省環(huán)境變化遙感識(shí)別技術(shù)創(chuàng)新中心,石家莊 050024;3.河北省環(huán)境演變與生態(tài)建設(shè)實(shí)驗(yàn)室,石家莊 050024)

生態(tài)系統(tǒng)不僅是人類的生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ),也是經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的基石[1]。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)和氣候變化影響的深度和廣度不斷擴(kuò)大[2],同時(shí)人口的快速擴(kuò)張和資源的不合理開發(fā)與利用,導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)和自凈能力持續(xù)下降,致使部分地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)呈現(xiàn)日趨脆弱的態(tài)勢(shì)[3]。生態(tài)脆弱性是指在特定時(shí)空尺度下生態(tài)系統(tǒng)受到外部干擾而具有的敏感反應(yīng)和恢復(fù)能力,是自然因素和人類活動(dòng)共同影響的結(jié)果[4-5]。生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)能夠客觀地分析生態(tài)系統(tǒng)狀況并解釋脆弱性的成因機(jī)理與變化規(guī)律[6]。因此,對(duì)生態(tài)脆弱性進(jìn)行科學(xué)評(píng)估是減緩生態(tài)退化,穩(wěn)定生態(tài)系統(tǒng)和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵方法,同時(shí)對(duì)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)經(jīng)濟(jì)—生態(tài)—社會(huì)綜合發(fā)展具有重要意義[7]。

隨著生態(tài)系統(tǒng)的變化和發(fā)展,生態(tài)脆弱性評(píng)估逐漸成為全球變化和可持續(xù)發(fā)展研究的重點(diǎn)[8]。在研究區(qū)域上,多涉及生態(tài)脆弱區(qū)內(nèi)的丘陵[9]、河流[10]、森林[11]、農(nóng)牧交錯(cuò)帶[12]、高寒區(qū)[13]、干旱區(qū)[14]和喀斯特等[15]地區(qū)。研究方法主要采用層次分析法[16]、熵權(quán)法[17]、組合賦權(quán)法等[18]方法對(duì)生態(tài)脆弱性進(jìn)行評(píng)價(jià),但這些方法均存在一定的局限性,如層次分析法過于依賴專家的經(jīng)驗(yàn),缺少對(duì)指標(biāo)本身蘊(yùn)含信息的分析[19]。熵權(quán)法缺少對(duì)各指標(biāo)橫向的比較,忽略指標(biāo)本身的重要程度。組合賦權(quán)法能夠?qū)崿F(xiàn)主觀和客觀的統(tǒng)一,有效綜合二者優(yōu)點(diǎn)。合理的組合方法是決定評(píng)價(jià)結(jié)果科學(xué)性的關(guān)鍵,目前主要組合方法有加法合成法[20]和乘法合成法[21],但其組合過程僅由主客觀權(quán)重相加或相乘計(jì)算得到,合理性較弱。博弈論的基本思想是研究兩個(gè)及兩個(gè)以上因素在對(duì)抗局勢(shì)中尋找一致或妥協(xié),從而達(dá)到二者之間的均衡。該模型既考慮了決策者的意愿偏好又兼顧了客觀數(shù)據(jù)對(duì)決策的貢獻(xiàn)度,同時(shí)也為生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)中主客觀組合賦權(quán)提供新思路[22]。

張家口地區(qū)作為京津冀“四區(qū)”中重要的生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)及主要節(jié)點(diǎn)城市之一,其生態(tài)狀況與首都圈的聯(lián)系極為密切,直接影響著首都圈生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定程度。特別是隨著《京津冀協(xié)同發(fā)展生態(tài)環(huán)境保護(hù)規(guī)劃》等政策的發(fā)布以及成為冬奧會(huì)舉辦地之一,對(duì)張家口地區(qū)的生態(tài)保護(hù)和建設(shè)提出了更大的挑戰(zhàn)。近年來,以張家口地區(qū)為研究區(qū)進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)研究逐漸成為重點(diǎn)和熱點(diǎn)。如劉雅愛等[23]基于PSR 模型對(duì)張家口地區(qū)進(jìn)行生態(tài)安全綜合評(píng)價(jià),結(jié)果表明隨著時(shí)間推移張家口各縣區(qū)生態(tài)安全指數(shù)呈增長趨勢(shì),壩上高原區(qū)平均生態(tài)安全指數(shù)高于冀西北地區(qū)。卓昭君等[24]采用當(dāng)量因子法估算張家口地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值,并探討植被覆蓋度變化對(duì)研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的影響,結(jié)果表明2000—2020年研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值隨著植被覆蓋度的增加而呈增大趨勢(shì)。徐超璇等[25]運(yùn)用主成分分析法對(duì)張家口地區(qū)生態(tài)脆弱性時(shí)空變化與驅(qū)動(dòng)因素進(jìn)行分析,結(jié)果表明2008—2016年張家口地區(qū)生態(tài)脆弱性逐漸下降,植被覆蓋度是張家口市生態(tài)脆弱性關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因子之一?？傮w來看,雖然目前有關(guān)于生態(tài)脆弱性和植被覆蓋度的相關(guān)研究,但缺少對(duì)于二者相互關(guān)系以及植被覆蓋度如何影響張家口地區(qū)生態(tài)脆弱性時(shí)空演變的分析。植被覆蓋度是指植被(包括葉、莖、枝)在地面垂直投影面積占統(tǒng)計(jì)區(qū)總面積的百分比,是衡量地表植被生長情況的重要指標(biāo)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù),也是區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)變化的重要指示,能夠衡量生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的整體狀況[26]。由于張家口地屬半干旱地區(qū),植被覆蓋程度空間差異較大,且長期遭受風(fēng)蝕和干旱等災(zāi)害的影響,而植被覆蓋度的高低正是影響災(zāi)害產(chǎn)生的關(guān)鍵因素,本文認(rèn)為需在開展生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上探討植被覆蓋度與生態(tài)脆弱性變化之間的關(guān)系。因此,分析張家口地區(qū)植被覆蓋度的時(shí)空變化趨勢(shì)并探求其與生態(tài)脆弱性的動(dòng)態(tài)影響具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本文以張家口地區(qū)作為研究區(qū),運(yùn)用序關(guān)系法、CRITIC法結(jié)合博弈論組合賦權(quán)法對(duì)張家口地區(qū)2010—2019年進(jìn)行生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià),分析其生態(tài)脆弱性時(shí)空演變特征,并在此基礎(chǔ)上探求植被覆蓋度變化對(duì)生態(tài)脆弱性的動(dòng)態(tài)影響,以期對(duì)張家口地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)和資源合理開發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù),并為當(dāng)?shù)赝恋乩媒Y(jié)構(gòu)和生態(tài)空間格局優(yōu)化提供參考。

1 研究區(qū)、數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

張家口地區(qū)位于河北省西北部,地處東經(jīng)113°50′—116°30′,北緯39°30′—42°10′,北臨內(nèi)蒙古,西臨山西,南毗北京,是連接京津、溝通晉蒙的交通樞紐。全市下轄6區(qū)10縣,截至2022年,人口為407.46萬人,地區(qū)生產(chǎn)總值為1 775.2億元,產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)以第三產(chǎn)業(yè)為主,其中,第三產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值為991.04億元,約占地區(qū)生產(chǎn)總值的55.8%。該地區(qū)地勢(shì)西北高、東南低,主要由壩上高原區(qū)壩下低中山盆地兩大地貌類型構(gòu)成。壩上高原地區(qū)屬內(nèi)蒙古高原南緣一部分,海拔在1 400 m 左右,包括張北、沽源、康保和尚義4縣。壩下地區(qū)地勢(shì)西北高、東南低,海拔500～1 000 m,包括蔚縣、陽原縣、懷來縣、懷安縣、涿鹿縣和赤城縣。張家口地區(qū)屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候,四季分明,雨熱同期。植被地域性差異顯著,壩上地區(qū)晝夜溫差大,除部分地區(qū)分布少量森林外,其余大部分區(qū)域?yàn)楦?壩下丘陵盆地地區(qū)多被開辟為耕地,自然植被較少,植被類型以灌木和草地為主[25]。張家口地區(qū)高程與土地利用概況如圖1所示。

圖1 張家口地區(qū)高程與土地利用概況Fig.1 Elevation and land use in Zhangjiakou region

1.2 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

本研究數(shù)據(jù)主要包括2010年、2015年、2019年張家口地區(qū)地形數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、遙感數(shù)據(jù)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)以及其他數(shù)據(jù)。地形數(shù)據(jù)包括坡度和高程,由地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站(http:∥www.gscloud.cn/)提供,坡度數(shù)據(jù)根據(jù)數(shù)據(jù)高程模型(DEM)計(jì)算得到。

氣象數(shù)據(jù)包括年平均降水、年平均氣溫和潛在蒸散量。年平均降水和年平均氣溫?cái)?shù)據(jù)由張家口地區(qū)及周邊氣象站點(diǎn)利用克里金插值計(jì)算獲得。潛在蒸散數(shù)據(jù)由國家青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http:∥data.tpdc.ac.cn)的彭守璋[27]團(tuán)隊(duì)提供的《中國1 km 逐月潛在蒸散發(fā)數(shù)據(jù)集(1990—2021)》,利用ArcGIS 10.8將NETCDF 文件處理為柵格數(shù)據(jù),并計(jì)算干旱指數(shù)。

遙感數(shù)據(jù)包括歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index,NDVI)和植被凈初級(jí)生產(chǎn)力(net primary productivity,NPP)。NDVI和NPP數(shù)據(jù)均來源于美國地質(zhì)調(diào)查局(http:∥glovis.usgs.gov/),NDVI數(shù)據(jù)基于MOD13Q1數(shù)據(jù)集,利用ArcGIS 10.8采用最大值合成法計(jì)算獲得,分辨率為250 m。NPP數(shù)據(jù)基于MOD17A3 HGF數(shù)據(jù)集,利用ArcGIS去除無效值,并調(diào)整比例因子后計(jì)算獲得,分辨率為500 m。

社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)由人口密度、人均GDP、第二產(chǎn)業(yè)比重組成。人口密度數(shù)據(jù)來源于世界人口官網(wǎng)(www.worldpop.org/);人均GDP 數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http:∥www.resdc.cn);第二產(chǎn)業(yè)比重?cái)?shù)據(jù)根據(jù)2010—2020年河北省統(tǒng)計(jì)年鑒計(jì)算獲得。

其他數(shù)據(jù)分別由道路密度、水網(wǎng)密度、土地利用、生境質(zhì)量指數(shù)和土壤侵蝕強(qiáng)度組成。道路和水網(wǎng)數(shù)據(jù)由(https:∥www.openstreetmap.org/t)獲取。土地利用數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http:∥www.resdc.cn)。土地利用程度和生物豐度數(shù)據(jù)基于土地利用數(shù)據(jù)利用ArcGIS 10.8計(jì)算得到[28]。生境質(zhì)量指數(shù)數(shù)據(jù)由Zenodo官網(wǎng)(https:∥zenodo.org)提供[29]。土壤侵蝕強(qiáng)度數(shù)據(jù)根據(jù)通用水土流失方程(RUSLE)計(jì)算得到[30]。

為同時(shí)兼顧研究結(jié)果的準(zhǔn)確性與直觀性以及方便計(jì)算,統(tǒng)一將柵格數(shù)據(jù)分辨率轉(zhuǎn)換為300 m×300 m,并將投影轉(zhuǎn)換為Asia North Albers Equal Area Conic,中央經(jīng)線更改為116.3°,雙標(biāo)準(zhǔn)緯線更改為37.3°和41.0°。

1.3 研究方法

1.3.1 指標(biāo)體系 張家口地區(qū)生態(tài)脆弱性包括自然影響脆弱性和人為影響脆弱性。自然影響脆弱性反映張家口地區(qū)的自然環(huán)境特征,包括水體、氣象、地形、植被和土壤因子。其中水體因子為水網(wǎng)密度,張家口地區(qū)風(fēng)沙侵蝕和水土流失現(xiàn)象嚴(yán)重,并且由于城鎮(zhèn)化的發(fā)展,使得河道斷流以及濕地生態(tài)系統(tǒng)退化,導(dǎo)致該地區(qū)水資源短缺;氣象因子包括年平均降水、年平均氣溫和干旱指數(shù),降水和氣溫是植被生長的決定性因素,水熱條件越好,植被生長狀況越好。因張家口地區(qū)壩上壩下海拔差異較大使得不同地區(qū)干旱狀況空間異質(zhì)性較強(qiáng);地形因子包括坡度和高程。陰山山脈橫貫張家口中部地區(qū),地勢(shì)起伏程度較大,導(dǎo)致該地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā);植被因子包括NPP、生境質(zhì)量指數(shù)和生物豐度。NPP作為理想的生態(tài)指標(biāo)能夠反映研究區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量,生境質(zhì)量是生態(tài)系統(tǒng)正常運(yùn)作的基礎(chǔ),生物豐度能夠反映該地區(qū)的物種多樣性狀況[15,31];土壤因子包括土壤侵蝕強(qiáng)度。張家口地區(qū)水土流失、土地沙化災(zāi)害多發(fā),且地勢(shì)起伏大,使得該地區(qū)土壤侵蝕狀況較為嚴(yán)重。

人為影響脆弱性是從社會(huì)經(jīng)濟(jì)與土地角度反映生態(tài)脆弱性,體現(xiàn)張家口地區(qū)人類活動(dòng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾,包括社會(huì)經(jīng)濟(jì)和土地因子。社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子包括人口密度、人均GDP、道路密度和第二產(chǎn)業(yè)比重,其中,人均GDP是衡量地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r的宏觀經(jīng)濟(jì)指標(biāo),區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平越高,能夠?qū)ι鷳B(tài)保護(hù)投入的資金越多,有利于促進(jìn)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)保護(hù)與建設(shè),其余各因子均從社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人類生產(chǎn)生活和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整等多方面影響生態(tài)脆弱性。土地因子包括土地利用程度,其能夠反映人類開發(fā)與利用土地的程度以及人類活動(dòng)對(duì)土地利用和生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生的壓力[32]。評(píng)價(jià)指標(biāo)如表1所示。

表1 指標(biāo)體系Table 1 Index system

由于不同數(shù)據(jù)量綱不同,本文采用極差變化法對(duì)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,公式如下:

正向指標(biāo):

負(fù)向指標(biāo):

式中:Ri為指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)值;xi為指標(biāo)原始數(shù)據(jù);xmax為指標(biāo)最大值;xmin為指標(biāo)最小值。

1.3.2 序關(guān)系法 序關(guān)系法作為一種主觀賦權(quán)法,能夠?qū)哟畏治龇ㄖ械娜秉c(diǎn)進(jìn)行改進(jìn),過程簡潔清晰且無需一致性檢驗(yàn),計(jì)算過程如下:

(1)確定指標(biāo)序關(guān)系,確定指標(biāo)相對(duì)于評(píng)價(jià)準(zhǔn)則的重要程度為x1＞x2＞…＞xm。

(2)根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)確定相鄰指標(biāo)Yk-1與Yk之間的相對(duì)重要性程度之比rk的理性判斷。

(3)計(jì)算權(quán)重系數(shù)wk。

1.3.3 CRITIC 法 CRITIC 法作為一種客觀賦權(quán)法,不僅考慮指標(biāo)本身信息量的大小,還充分體現(xiàn)不同方案間的沖突性和差異性,使計(jì)算結(jié)果更科學(xué)客觀[33],公式如下:

(1)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理,見式(1)和式(2)。

(2)標(biāo)準(zhǔn)矩陣X的各指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)差和指標(biāo)間相關(guān)系數(shù)分別為:

式中:ωi為第i個(gè)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差;ρij為第i個(gè)和第j個(gè)指標(biāo)的相關(guān)系數(shù);Xi和Xj分別為矩陣X的第i列和第j列。

(3)計(jì)算指標(biāo)信息量Wj。

(4)計(jì)算指標(biāo)客觀權(quán)重Ej。

1.3.4 博弈論組合賦權(quán) 為保證指標(biāo)賦權(quán)的科學(xué)性和合理性,本研究在序關(guān)系法與CRITIC 法的基礎(chǔ)上,采用博弈集結(jié)模型確定指標(biāo)權(quán)重。該方法通過極小化可能的權(quán)重與各個(gè)基本權(quán)重之間的各自偏差,在不同方法之間尋求平衡,從而使不同指標(biāo)賦權(quán)法優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),提高綜合評(píng)價(jià)的科學(xué)性和可靠性[34-35]。

使用M種方法分別得到M個(gè)生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重向量,構(gòu)成權(quán)重向量集合,式中:αk為線性組合系數(shù);w表示可能的權(quán)重向量集。根據(jù)博弈集合模型的思想,為尋找最優(yōu)的權(quán)重向量,對(duì)上述L個(gè)線性組合系數(shù)αk進(jìn)行優(yōu)化,從而使w和wk的離差最小化,由此確定目標(biāo)函數(shù):

根據(jù)矩陣的微分性質(zhì)將式(10)轉(zhuǎn)變?yōu)樽顑?yōu)化一階導(dǎo)數(shù)條件的線性方程組為:

由上式求得優(yōu)化組合系數(shù)(α1,α2,…,αM)并對(duì)其進(jìn)行歸一化處理,即,最終得到組合權(quán)重W為:

本研究基于序關(guān)系法和CRITIC 法2個(gè)線性組合系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,權(quán)重計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 指標(biāo)權(quán)重Table 2 Index weights

1.3.5 生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)模型 利用綜合指數(shù)法計(jì)算張家口地區(qū)生態(tài)脆弱性指數(shù)(ecological vulnerability index,EVI),計(jì)算公式如下:

式中:wj為指標(biāo)權(quán)重;xij為標(biāo)準(zhǔn)化后數(shù)值;n為指標(biāo)個(gè)數(shù)。根據(jù)現(xiàn)有的生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)的等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)和張家口地區(qū)生態(tài)脆弱性現(xiàn)狀[25,36],將EVI劃分為5種等級(jí),分別為微度脆弱(0～0.2)、輕度脆弱(0.2～0.4)、中度脆弱(0.4～0.6)、重度脆弱(0.6～0.8)和極度脆弱(0.8～1)。

1.3.6 局部空間自相關(guān) 局部空間自相關(guān)能夠表征一個(gè)區(qū)域與鄰近區(qū)域?qū)傩灾档南嚓P(guān)程度[37],計(jì)算公式如下:

式中:xi和xj為第i個(gè)和第j個(gè)格網(wǎng)脆弱值;為所有格網(wǎng)的脆弱性平均值;wij為空間權(quán)重矩陣;s為矩陣各元素之和;n為格網(wǎng)數(shù)量。通過將局部莫蘭指數(shù)空間聚類可得到空間關(guān)聯(lián)局部指標(biāo)聚類圖(LISA),包括高—高聚集區(qū)、低—低聚集區(qū)、高—低聚集區(qū)、低—高聚集區(qū)和不顯著5種聚集模式。

1.3.7 像元二分法 植被覆蓋度和NDVI之間存在極顯著的線性相關(guān)關(guān)系,假設(shè)每個(gè)像元的NDVI值由植被和土壤兩部分組成,則其公式如下:

式中:Fvc為植被覆蓋度;NDVIveg為植被覆蓋部分的NDVI值;NDVIsoil為土壤部分(非植被覆蓋部分)的NDVI值。本研究基于像元二分法計(jì)算結(jié)果將植被覆蓋度劃分為5種等級(jí),分別為低覆蓋度(0～0.2)、較低覆蓋度(0.2～0.4)、中覆蓋度(0.4～0.6)、較高覆蓋度(0.6～0.8)和高覆蓋度(0.8～1)。

2 結(jié)果與分析

2.1 生態(tài)脆弱性時(shí)間演變特征

利用上述生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)模型,對(duì)2010—2019年張家口地區(qū)生態(tài)脆弱性進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果見表3,可看出該地區(qū)生態(tài)脆弱性呈先升后降的趨勢(shì),整體上以輕度、中度和重度脆弱區(qū)為主,其三者總和占比分別為91.49%,90.5%和92.58%。從時(shí)間變化來看,2010—2015年,張家口地區(qū)輕度、中度和極度脆弱區(qū)面積分別增加了34.12 km2,697.32 km2和897.57 km2,占比分別提高了0.08%,1.88%和2.46%;微度和重度脆弱區(qū)面積分別減少了533.88 km2和1 052.46 km2,占比分別下降了1.47%和2.95%;其中,中度和極度脆弱區(qū)面積增長較大,脆弱性有所增加。2015—2019年,張家口地區(qū)微度、輕度和中度脆弱區(qū)面積分別增加了593.1 km2和1 026.9 km2,496.62 km2,占比分別提高了1.64%,2.86%和1.44%;重度和極度脆弱區(qū)面積分別減少了837.9 km2和1 356.39 km2,占比分別下降了2.22%和3.72%;其中,微度和輕度脆弱區(qū)面積增加,重度和極度脆弱區(qū)面積大幅減少,脆弱性降低。

表3 2010-2019年張家口地區(qū)生態(tài)脆弱性面積變化Table 3 Changes of ecological vulnerable area in Zhangjiakou region from 2010 to 2019

2.2 生態(tài)脆弱性空間變化規(guī)律

2.2.1 生態(tài)脆弱性空間分布規(guī)律 2010 年、2015年、2019年張家口地區(qū)生態(tài)脆弱性空間分布如圖2所示,重度和極度脆弱區(qū)主要分布在張家口北部和中西部地區(qū),主要由于北部地區(qū)位于壩上地區(qū),海拔較高,氣候干旱,生物種類和植被群落單一,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)較為頻繁,且土層較薄,易發(fā)生土壤風(fēng)蝕和水土流失;中西部地區(qū)位于中心城區(qū)附近,人口密度大,人類活動(dòng)對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)的干擾較大,因此,該地區(qū)生態(tài)脆弱性較高。微度和輕度脆弱區(qū)主要分布在中東部和南部地區(qū),由于該地區(qū)多以林地、草地為主,植被覆蓋度高,且人口稀少,人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)干擾較弱,因此,該地區(qū)生態(tài)脆弱性較低。

圖2 2010-2019年張家口地區(qū)生態(tài)脆弱性分布Fig.2 Ecological vulnerability distribution in Zhangjiakou region from 2010 to 2019

2010—2015年張家口地區(qū)整體生態(tài)脆弱性有一定程度的增加,主要表現(xiàn)為北部壩上地區(qū)極度脆弱區(qū)面積擴(kuò)大,但西南部重度脆弱區(qū)面積略有減小。2015—2019年,北部極度脆弱區(qū)面積大幅度減小,降為重度脆弱區(qū)。中部和西南部地區(qū)重度脆弱面積減小,輕度和中度脆弱區(qū)面積擴(kuò)大。西部、東部和南部地區(qū)微度和輕度脆弱區(qū)面積增加。隨著2015年《張家口市生態(tài)經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃》等政策的實(shí)施以及2016年《“十三五”生態(tài)環(huán)境保護(hù)規(guī)劃》的印發(fā),張家口市政府加強(qiáng)了對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)和治理,使得當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)脆弱性逐漸下降。總體上,2010—2019 年中部和西南部地區(qū)生態(tài)脆弱性持續(xù)下降;北部地區(qū)生態(tài)脆弱性雖先升后降,但整體呈下降趨勢(shì)。

2.2.2 生態(tài)脆弱性空間相關(guān)性 2010—2019年張家口地區(qū)生態(tài)脆弱性空間集聚格局整體變化不大,北部與中西部地區(qū)為高—高聚集區(qū),約占總面積的35.1%,南部與中東部地區(qū)為低—低聚集區(qū),約占總面積的26.3%,如圖3所示。2010—2015年,張家口地區(qū)生態(tài)脆弱性空間集聚程度整體變化不大,主要表現(xiàn)在中部和西南部的高—高集聚區(qū)域逐漸縮小。2015—2019年,高—高集聚區(qū)和低—低集聚區(qū)空間分布范圍擴(kuò)大,主要表現(xiàn)為北部、中南部和西南部的高—高集聚區(qū)以及西北部、南部和東部的低—低集聚區(qū)面積增加。

圖3 2010-2019年張家口地區(qū)空間集聚圖Fig.3 Spatial agglomeration map of Zhangjiakou region from 2010 to 2019

2.3 植被覆蓋度動(dòng)態(tài)變化特征

2.3.1 植被覆蓋度時(shí)空演變特征 2010—2019年,研究區(qū)植被覆蓋度以較高覆蓋度為主,各年份面積占比分別為46.98%,43.95%和56.65%,見表4。其中,低、較低和中覆蓋度面積占比分別減少了0.14%,2.76%和16.32%,較高和高覆蓋度面積占比增加了9.67%和9.55%。2010—2015年,中、較低和高覆蓋度區(qū)域逐漸擴(kuò)大,低覆蓋度和較高覆蓋度區(qū)域減少。2015—2019年,較高和高覆蓋度區(qū)域大面積增加,其余各等級(jí)面積持續(xù)減少?？傮w上,張家口地區(qū)植被覆蓋度等級(jí)由低向高轉(zhuǎn)變。

表4 2010-2019年張家口地區(qū)植被覆蓋度面積變化Table 4 Changes of vegetation coverage in Zhangjiakou region from 2010 to 2019

空間上,中部和西北部地區(qū)以低、較低和中覆蓋度為主,其余地區(qū)以較高覆蓋度和高覆蓋度為主,如圖4所示。由于中部地區(qū)人口集中,人類干擾強(qiáng)度大,西北部和西南部地區(qū)多發(fā)展農(nóng)牧業(yè),導(dǎo)致該地區(qū)植被覆蓋度較低。其余地區(qū)由于人口稀少,受到人類干擾較弱,土地開發(fā)程度低以及相應(yīng)的植被管理和保護(hù)政策,使得植被覆蓋度較高。低覆蓋度區(qū)域多為建設(shè)用地和耕地,高植被覆蓋度區(qū)域多為林地和草地,由此可見,土地利用類型的轉(zhuǎn)變影響著植被覆蓋度的時(shí)空變化。

圖4 2010-2019年張家口地區(qū)植被覆蓋度分布Fig.4 Vegetation coverage distribution in Zhangjiakou region from 2010 to 2019

2.3.2 植被覆蓋度空間動(dòng)態(tài)演化 通過空間疊加分析將張家口地區(qū)2010—2019年植被覆蓋度的等級(jí)變化進(jìn)行分類,旨在反映張家口地區(qū)植被覆蓋度的演變趨勢(shì),對(duì)識(shí)別當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)脆弱性變化以及制定相應(yīng)的生態(tài)系統(tǒng)管理和保護(hù)政策至關(guān)重要。分類標(biāo)準(zhǔn)分別為覆蓋度等級(jí)升高視為植被改善區(qū),覆蓋度等級(jí)下降視為植被惡化區(qū),覆蓋度等級(jí)不變化視為不變區(qū),如圖5所示。

圖5 2010-2019年張家口地區(qū)植被覆蓋度空間變化Fig.5 Spatial changes of vegetation coverage in Zhangjiakou region from 2010 to 2019

2010—2019年,改善區(qū)、不變區(qū)和惡化區(qū)面積占比分別為34.64%,61.65%和3.71%,改善面積大于惡化面積,約占總面積的1/3,見表5。2010—2019年,植被改善區(qū)面積增加了7 807.77 km2,惡化區(qū)面積減少了3 433.14 km2?？臻g上,惡化區(qū)主要分在張家口中部城區(qū)和東部區(qū)域,其余大部分均為改善區(qū)。2010—2015年,植被惡化地區(qū)主要集中于張家口北部,占總面積的12.7%;改善地區(qū)則在全市分散分布,占總面積的12.94%。2015—2019年,全市大部分地區(qū)植被覆蓋度均逐漸改善,占總面積的34.18%;惡化地區(qū)主要分布在城市及其周圍等人口較密集地區(qū),占總面積的3.36%。由于河北省啟動(dòng)了“京津風(fēng)沙源治理工程”,提出了生態(tài)修復(fù)和防風(fēng)固沙等措施,治理了張家口地區(qū)土地荒漠化等問題,此外,三北防護(hù)林體系建設(shè)和退耕還林等工程的實(shí)施以及張家口市積極推進(jìn)“人工林還林、天然林保護(hù)、特色林培育”等工程,加強(qiáng)了對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)和管理,從而促進(jìn)當(dāng)?shù)刂脖桓采w度增加。

表5 2010-2019年張家口地區(qū)植被覆蓋度動(dòng)態(tài)變化Table 5 Dynamic changes of vegetation coverage in Zhangjiakou region from 2010 to 2019

2.3.3 植被覆蓋度與土地利用類型的相互關(guān)系 植被覆蓋度的變化和土地利用類型之間存在著密切的相互作用關(guān)系,土地利用類型可以影響植被覆蓋度的空間分布和數(shù)量,土地利用類型的改變可能會(huì)破壞植被,例如,大規(guī)模的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)或城市建設(shè)可能導(dǎo)致植被覆蓋度的減少。反之,植被覆蓋度可以影響土地利用類型的穩(wěn)定性和變化趨勢(shì),例如,植被覆蓋度的減少可能導(dǎo)致土地質(zhì)量的下降,甚至土地沙化和水土流失等問題,從而限制了土地的可持續(xù)開發(fā)和利用。如表6所示,在高植被覆蓋度區(qū)域,林地、耕地和草地的面積占比明顯高于建設(shè)用地和未利用地,因此,建設(shè)用地和未利用地的生態(tài)脆弱性指數(shù)高于林地、耕地和草地區(qū)域(表7)。在變化趨勢(shì)上,2010—2019年,各類土地利用類型面積占比在高植被覆蓋度區(qū)域均有一定程度的增加,在低植被覆蓋度區(qū)域有不同程度的減少,從而使得其對(duì)應(yīng)類型的生態(tài)脆弱性指數(shù)整體下降。

表6 2010-2019年不同植被覆蓋度土地利用類型面積占比變化Table 6 Changes of land use area proportion with different vegetation coverage from 2010 to 2019%

表7 2010-2019年張家口地區(qū)土地利用類型生態(tài)脆弱性指數(shù)Table 7 Ecological vulnerability index of land use types in Zhangjiakou from 2010 to 2019

2.4 植被覆蓋度與生態(tài)脆弱性動(dòng)態(tài)演變關(guān)系

2010—2019年張家口地區(qū)的植被改善區(qū)、不變區(qū)和惡化區(qū)與各脆弱性程度的面積占比變化趨勢(shì)基本一致,見表8。2010—2019 年,在植被改善區(qū),微度、輕度和中度脆弱面積占比增加,分別提高0.23%,4.2%和4.64%,重度和極度脆弱面積占比大幅度降低,分別減少6.8%和2.28%。在植被不變區(qū),其變化趨勢(shì)與改善區(qū)一致,微度、輕度和中度脆弱面積占比分別提高0.19%,2.45%和2.62%,重度和極度脆弱面積占比分別下降4.53%和0.74%。在植被惡化區(qū),除中度脆弱面積占比上升2.94%外,其余脆弱區(qū)面積占比均下降,微度和輕度脆弱區(qū)面積占比下降趨勢(shì)大于重度和極度脆弱區(qū)。如圖2和圖5所示,在植被改善區(qū),重度和極度脆弱區(qū)大多轉(zhuǎn)變?yōu)檩p度和中度脆弱區(qū),而在植被惡化區(qū),中度脆弱區(qū)大多向重度或極度脆弱區(qū)轉(zhuǎn)變。

表8 2010-2019年不同植被變化區(qū)生態(tài)脆弱性面積占比變化Table 8 Changes of ecological vulnerability area in different vegetation change areas from 2010 to 2019%

通過對(duì)生態(tài)脆弱性與植被覆蓋度的相關(guān)分析可知,張家口地區(qū)生態(tài)脆弱性與植被覆蓋度之間存在負(fù)相關(guān)(圖6),植被覆蓋度的高低對(duì)生態(tài)脆弱性變化具有重要作用,植被覆蓋度的減少會(huì)導(dǎo)致土地退化、水土流失加劇、土壤質(zhì)量下降和生物多樣性減少等問題,從而降低生態(tài)系統(tǒng)的抵御和修復(fù)能力,提高生態(tài)脆弱性。反之,植被覆蓋度的增加不僅能夠保持水土,防止土壤侵蝕,還可以提高物種多樣性,并且為生態(tài)系統(tǒng)提供氧氣、凈化空氣、調(diào)節(jié)氣候等重要功能,從而提高生態(tài)系統(tǒng)的抗干擾能力,降低生態(tài)脆弱性。綜上所述,植被覆蓋度的變化與當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)脆弱性狀況息息相關(guān)。

圖6 生態(tài)脆弱性指數(shù)和植被覆蓋度相關(guān)性散點(diǎn)圖Fig.6 Scatter plot of correlation between ecological vulnerability index and vegetation coverage

3 結(jié)論

(1)2010—2019年張家口地區(qū)生態(tài)脆弱性先升后降,整體呈下降趨勢(shì)。其中,微度、輕度和中度脆弱區(qū)面積逐漸增加,重度和極度脆弱區(qū)面積減少。

(2)脆弱性空間差異較大,中度、重度和極度脆弱區(qū)主要集中于北部壩上和中西部地區(qū),微度和輕度脆弱區(qū)集中于東部和南部地區(qū)。脆弱性空間集聚效應(yīng)強(qiáng)烈,高值和低值聚集區(qū)基本與脆弱性空間分布格局一致。

(3)2010—2019年,張家口地區(qū)植被覆蓋度以較高覆蓋度為主,各年份面積占比分別為46.98%,43.95%和56.65%,植被覆蓋度等級(jí)隨時(shí)間由低向高轉(zhuǎn)變。

(4)2010—2019年,植被改善區(qū)、不變區(qū)和惡化區(qū)面積占比分別為34.64%,61.65%和3.71%,改善區(qū)面積大于惡化區(qū)面積,約占總面積的1/3。其中,惡化區(qū)主要分布在張家口中部城區(qū)和東部區(qū)域,其余大部分地區(qū)均為改善區(qū)。2010—2019年,植被改善區(qū)面積增加了7 807.77 km2,惡化區(qū)面積減少了3 433.14 km2。

(5)張家口地區(qū)生態(tài)脆弱性與植被覆蓋度之間呈負(fù)相關(guān)。植被改善區(qū)、不變區(qū)和惡化區(qū)與各脆弱性等級(jí)的面積占比變化趨勢(shì)基本一致,且脆弱性提高和降低區(qū)域與改善區(qū)和惡化區(qū)的空間分布格局基本吻合。