安徽省1980—2015年生態系統健康時空演變

汪左, 王萌, 王暢暢, 李虎, 張運

(1.安徽師范大學地理與旅游學院,蕪湖 241002; 2.安徽師范大學資源環境與地理信息工程安徽省工程技術研究中心,蕪湖 241002)

0 引言

自生態系統健康概念提出以來[4],國內外學者對生態系統健康相關問題展開了一系列研究,并取得顯著成果。Schaeffer等[5]在1988年首次對生態系統健康量化評估進行研究; Rapport等[6-7]首先提出生態系統健康具有活力(vigor)、組織結構(organization)和彈力(resilience),而后又對生態系統健康的測量方法及公式進行探索。目前生態系統健康評價常用模型主要有活力—組織力—彈力(vigour-organization-resilience,VOR)模型、壓力—狀態—響應(pressure-state-response,PSR)模型,在PSR模型的基礎上也產生了驅動力—狀態—響應(drivingforce-state-response,DSR)模型以及驅動力—壓力—狀態—影響—響應(driving-pressure-state-impact-response,DPSIR)模型。其中VOR和PSR模型已被廣泛運用于城市、區域、流域、荒漠草原、濕地等生態系統健康評估[8-15],取得了很好的應用效果,但在省域范圍開展縣級尺度的生態系統健康評估研究較少。安徽省作為長三角地區的重要一員,對其開展時間序列生態系統健康評估,對于長三角生態綠色一體化高質量發展具有重要意義。

因此,本文擬基于安徽省1980年、1990年、1995年、2000年、2005年、2010年、2015年7期土地利用數據,根據VOR模型建立安徽省生態系統健康評價體系,采用熵權法確定系統指標權重,在縣級尺度上計算生態系統健康綜合指數和劃分等級,并在此基礎上探討安徽省縣級尺度的生態系統健康時空演變特征,為安徽省未來的生態規劃提供理論支持。

1 研究區概況與數據源

1.1 研究區概況

安徽省(圖1)地理位置處于中國華東地區,位于長江、淮河中下游,是長三角地區重要組成部分,其位置于E114°54′～119°37′,N29°41′～34°38′之間,重要地理分界線秦嶺—淮河線橫貫全省。安徽省地跨淮河、長江、新安江三大水系,由淮河平原區、江淮丘陵區、沿江平原區、皖西丘陵山地區、皖南丘陵山地區5個地貌區構成。安徽省氣候分布差異明顯,處于東亞季風區、亞熱帶與暖溫帶過渡區; 季風明顯,四季分明,降水周期變化大。

1.2 數據源及預處理

本文采用的1980年、1990年、1995年、2000年、2005年、2010年、2015年共7期安徽省土地利用類型柵格圖的數據來源于國家地球系統科學數據中心黃河中下游分中心(http: //henu.geodata.cn),其空間分辨率為100 m[16]。根據《土地利用現狀分類》(GB/T 21010—2017)和《中華人民共和國土地管理法》“三大類”的對照表將土地利用類型二級分類重新整合成一級分類,得到耕地、林地、草地、水域、建設用地、未利用地6類土地利用類型。安徽省總體結構以耕地為主,南北方地類分布存在差異,耕地、林地為安徽省優勢地類,林地、水域在南方處于優勢地類,北方耕地多與建設用地相間分布。

2 研究方法

2.1 生態系統健康評價指標體系

生態系統活力揭示了生態系統功能; 組織力根據景觀格局的穩定性和連通性確定; 彈力是指在受到脅迫下維持自身結構和功能穩定的能力[17]。本文選擇活力、組織力、彈力3個方面構成安徽省生態系統健康評價體系子系統,子系統下選取林/草地覆蓋率C、香濃多樣性(Shannon’s diversity index,SHDI)、蔓延度(contagion index,CONTAG)、平均斑塊面積(mean patch area,MPS)、人類干擾指數IH、生境質量指數Qxj[17-21]6個指標構建安徽省生態系統健康評價體系[15]。各指標描述和計算如表1所示,其中(+/-)代表該指標對生態系統具有正向/負向作用。

表1 生態系統健康評價體系指標及其描述

為避免數據來源、類型等差異導致指標無法進行比較與計算,采用極差法[1]將指標各數據進行標準化處理,正、負向作用指標的公式分別為:

地鐵已成為人們出行不可或缺的重要一環，一條條搏動不息的“城市動脈”為中國的城市發展注入蓬勃動力[1].但城市中空間資源有限，近年來基坑尺寸“大深化”[2]，這使得深基坑開挖過程中安全隱患也加大.

,

(1)

,

(2)

式中:Y為指標標準化值;X為指標實際值;Xmax和Xmin分別為指標觀測數據中最大值和最小值。

2.2 生態系統健康評價指標權重

本文對于生態系統健康評價體系的指標權重確定采用熵權法[23],熵權法主要公式為:

,

(3)

,

(4)

,

(5)

式中:Yuv為第u個指標下第v個評價單元的指標標準化值;puv為第u個指標下第v個評價單元的指標值比重;eu為第u個指標的信息熵;t=1/ln(n),n為評價單元的總數;l為指標總個數;wu為第u個指標相對于子系統的權重。評價子系統的權重可用相同方法計算,不做贅述。

通過熵值的大小反映指標的差異,判斷指標對于生態系統健康體系的影響程度進而確定權重。最終獲取安徽省生態系統健康評價體系各指標權重(表2)。

表2 安徽省生態系統健康評價體系及權重

2.3 生態系統健康等級劃分

生態系統健康評價是指在確定各指標權重基礎上,對生態系統健康評價體系的各指標進行加權累加,計算安徽省生態系統健康綜合指數[1],公式為:

,

(6)

根據計算出的健康綜合指數,參考其他學者研究[15,23-26],將研究區生態系統健康水平按照等間斷法劃分為5個級別,如表3所示。值越接近于1,表明生態系統健康水平越高,反之表明生態系統健康水平較低、結構與功能受到破壞的可能性極大。

表3 安徽省生態系統健康評價等級及相關描述

3 結果與分析

3.1 生態系統健康評價指標計算

基于安徽省時間序列土地利用數據,計算出1980—2015年安徽省SHDI,CONTAG和生境質量指數及縣級尺度林/草地覆蓋率、平均斑塊面積和人類干擾指數,并在對各指標標準化處理的基礎上,計算得到安徽省1980—2015年生態系統活力、組織力與彈力(圖2—4)。

(a) 1980年 (b) 1990年 (c) 1995年 (d) 2000年

生態系統活力可以反映出系統循環與能量輸入效率[26]。由圖2可以看出,1980—2015年黃山市整體生態系統活力水平最高,亳州市、阜陽市整體生態系統活力水平最低。從空間分布來看,安徽省生態系統活力水平較高的區域集中在皖南丘陵山地區和皖西丘陵山地區,而淮河平原區和江淮丘陵區生態系統活力較低,沿江平原區活力居中,空間差異明顯。這種差異主要是由于地貌類型差異造成的,生態系統活力水平較高的區域對應山區,其林地和草地覆蓋率高,這2種地類不易受人類活動干擾、有利于生態系統的物質循環,具有較高的生態活力; 而生態系統活力水平較低的區域對應平原區,土地類型以耕地為主,其生物多樣性較低、易受人類活動而造成生態系統不同程度的破壞,因此生態系統活力水平較低。

生態系統組織力可以反映出系統復雜程度,系統越復雜,其組織結構與功能越復雜,其生態系統健康水平越高。由圖3可以看出,在空間分布方面,安徽省北部地區生態系統組織力水平整體低于安徽省南部地區。這種差異主要是由于安徽北部耕地和建設用地面積比例要遠大于安徽南部,而在生態系統組織力的指標構成中,人類干擾指數權重最大,也即耕地和建設用地比例越大,人類干擾指數越大,生態系統組織力越弱。其中,淮南市八公山區生態系統組織力水平最低,其平均值約為0.18; 黃山市祁門縣生態系統組織力水平最高,其平均值約為0.84。

(a) 1980年 (b) 1990年 (c) 1995年 (d) 2000年

生態系統彈力可以反映出受到外界干擾的抵抗力和自我恢復能力。由圖4可以看出,在空間分布方面,安徽省生態系統彈力變化存在較明顯的南北差異。安徽省北部地區生態系統彈力整體處于較低水平,南部地區尤其是長江以南區域生態系統彈力水平較高,且狀態較為穩定。主要原因是安徽省南方地區植被覆蓋度高、生物多樣性較高、抵抗人類活動干擾的能力較強,且生態系統穩定性強,很少發生大規模自然災害,因此其生態系統彈力較強; 而安徽省北部地區耕地分布廣泛,且耕地流失嚴重,因此生態系統彈力健康水平較低。

(a) 1980年 (b) 1990年 (c) 1995年 (d) 2000年

3.2 生態系統健康時空特征分析

3.2.1 空間格局特征分析

基于生態系統活力、組織力、彈力指標,和熵權法確定的指標權重(表2),計算1980—2015年生態系統健康綜合指數與多年平均健康綜合指數,并劃分等級得到安徽省1980—2015年生態系統健康等級與多年平均健康等級(圖5)。

(a) 1980年 (b) 1990年 (c) 1995年 (d) 2000年

由圖5可見,安徽省生態系統多年平均健康綜合指數與多年平均健康等級空間分布整體呈現南高北低格局,且均與地貌類型有較強關聯。健康和很健康等級的區縣全部集中分布于皖西丘陵山地區和皖南丘陵山地區2類區域,亞健康等級區縣也主要分布于這2類地貌類型區的邊緣區縣,且該2類地貌類型區無不健康和病態等級的區縣分布。其他地貌類型區則以不健康等級和病態健康等級的區縣為主。其中,不健康等級區縣連片分布于淮河平原區、江淮丘陵區以及沿江平原區; 病態等級區縣則集中分布于地處淮河平原區的阜陽市大部分區縣和亳州市譙城區、淮北市相山區、蚌埠市龍子湖區,以及江淮丘陵區的合肥市廬陽區和瑤海區。此外,六安市因地處淮河平原區、江淮丘陵區、皖西丘陵山地區等多種地貌區,其所轄區縣同時存在很健康、健康、亞健康、不健康4種不同健康等級,其中霍邱縣耕地分布廣泛,人類干擾指數約0.89、林/草地覆蓋率約0.73%,MPS歸一化值約0.35,SHDI值約0.50,CONTAG值約63.98,表明霍邱縣的植被覆蓋度低,耕地聚集度較高、連通性較強,易受人類活動的影響,生態系統組織結構不穩定,進而導致其生態系統健康水平較低; 而金寨縣、霍山縣海拔較高多山地丘陵,耕地分布較少,林/草地覆蓋率80%以上,人類干擾指數均小于0.2,高覆蓋度的林地使得該地區生物種類豐富、生物多樣性增大,故其生態系統結構穩定、生態系統健康水平高。

2015年,在全省104個縣級行政區中,很健康、健康、亞健康、不健康和病態各等級的區縣數量分別為11個、8個、16個、65個和4個,數量占比分別為10.58%,7.69%,15.38%,62.50%和3.85%,面積占比分別為13.46%,12.89%,16.83%,56.37%和0.46%。無論是區縣數量還是面積,均以不健康等級為主,亞健康等級次之。其中,合肥市廬陽區生態系統健康綜合指數最低,約0.17,主要是由于廬陽區以人類活動為主,人類干擾指數約0.87,SHDI值約0.67,CONTAG值約56.65,平均斑塊面積歸一化值約0.18,表明該地區人類活動影響強度大,生物多樣性較低,生態系統組織結構不穩定,景觀破碎化程度深,進而生態系統健康水平較低。黃山市祁門縣生態系統健康水平最高,達到0.92,是由于其人類干擾指數小于0.1,SHDI平均值約0.48,CONTAG值約69.11,林/草地覆蓋率大于90%,生境質量指數約0.94,表明該地區植被覆蓋度高,生境質量水平高,優勢地類即林/草地的聚集度高,且不易受人類活動干擾,故生態系統健康水平較高。

3.2.2 時間演變特征分析

基于圖5統計各時期安徽省不同健康等級的面積,得到安徽省1980—2015年生態系統健康各等級面積變化圖(圖6)。由圖6(a)可以看出,1980—2015年安徽省平均生態系統健康綜合指數由0.37提升至0.40,使得安徽省整體的平均健康等級由不健康提升至亞健康。其中,阜陽市臨泉縣、阜南縣和亳州市利辛縣的生態系統健康綜合指數提升最大,均提升了0.07,增幅分別為47.94%,43.69%和41.57%。盡管整體平均的健康綜合指數有所提升,但依然有蚌埠市龍子湖區,滁州市瑯琊區、南譙區,合肥市包河區、廬陽區,黃山市徽州區、屯溪區,馬鞍山市雨山區,銅陵市銅官區,蕪湖市繁昌區、鳩江區、弋江區,以及宣城市廣德市等13個區縣的健康綜合指數下降,表明這些區域的生態系統健康水平不穩定,健康等級有下降風險。其中,綜合指數下降最多的區縣分別為黃山市屯溪區下降0.06,馬鞍山市雨山區下降0.04,蕪湖市繁昌區下降0.03。

(a) 安徽省平均健康綜合指數變化 (b) 安徽省各健康等級面積變化

結合圖5和圖6(b)可以看出,1980—2015年安徽省生態系統各健康等級的面積發生了不同程度的變化,整體表現為安徽省生態系統健康等級逐漸提升。經統計,共24個區縣健康等級上升,無區縣健康等級下降。生態系統病態等級轉化為不健康等級的區縣數為17個,轉化面積高達23 367.85 km2,安徽淮河平原區基本實現病態等級區縣清零,僅剩蚌埠市龍子湖區尚為病態等級。其中,阜陽市、亳州市健康等級實現整體提升,由1980年的全域病態等級提升為2015年的全域不健康等級; 淮北市相山區、蚌埠市淮上區、淮南市田家庵區及宿州市靈璧縣、泗縣也由病態等級提升至不健康等級。不健康等級轉化為亞健康等級的區縣數為5個,分別為滁州市明光縣、六安市裕安區、合肥市巢湖市及銅陵市樅陽縣和義安區,轉化面積達8 624.73 km2。無亞健康等級區縣轉為健康等級。健康等級轉化為很健康等級的區縣數為2個,分別為六安市霍山縣和安慶市岳西縣,轉化面積為4 410.82 km2。

4 結論與討論

本文基于安徽省1980—2015年時間序列土地利用類型數據,根據“活力—組織力—彈力”(VOR)模型構建安徽省生態系統健康評價體系,分析安徽省生態系統健康時空演變特征,結論如下:

1)在空間格局方面,安徽省不健康等級區縣最多,亞健康等級區縣次之,面積占比分別為56.37%和16.83%; 安徽省生態系統多年平均健康綜合指數與多年平均健康等級空間分布整體呈現南高北低格局,且均與地貌類型有較強關聯。安徽省皖南丘陵山地區和皖西丘陵山地區2個地貌區整體健康水平始終優于其他地區,健康和很健康等級區域集中分布于此2個區域,亞健康等級區縣也主要分布于這2個地貌區邊緣。黃山市祁門縣生態系統健康綜合指數高達0.92,為縣級最高生態系統健康水平。病態等級區縣集中分布于淮河平原區的阜陽市大部分區縣和亳州市譙城區、淮北市相山區、蚌埠市龍子湖區,以及江淮丘陵區的合肥市廬陽區和瑤海區,其中合肥市廬陽區生態系統健康綜合指數約0.17,為縣級最低生態系統健康水平。

2)在時間演化方面,1980—2015年安徽省整體的生態系統健康等級逐漸提升,共24個區縣健康等級上升,無區縣健康等級下降; 全省平均生態系統健康綜合指數由0.37提升至0.40,使得全省整體平均健康等級由不健康提升至亞健康。其中,阜陽市、亳州市實現了由全域病態等級到全域不健康等級的整體提升,阜陽市臨泉縣、阜南縣和亳州市利辛縣生態系統健康綜合指數提升最大。但依然還有13個區縣的健康綜合指數下降,下降最多的區縣分別為黃山市屯溪區、馬鞍山市雨山區和蕪湖市繁昌區,表明這些區域的生態系統健康水平不穩定,健康等級有下降風險。

本文在縣級尺度開展了安徽省時間序列生態系統健康時空演變分析。結論認為安徽省生態系統健綜合逐漸提高,但部分地區依然存在健康等級下降風險,且目前安徽省整體以不健康等級的區縣為主。因此,應在重點關注部分區縣健康綜合指數下降的前提下,逐步提升不健康等級區域的生態系統活力、組織力和彈力,進而提升安徽省生態系統整體健康水平的。研究結論對安徽省制定合理的土地利用政策、保護治理生態環境、優化生態系統服務功能等具有一定參考價值。