海南西部地區景觀格局與生態環境脆弱性研究

生態環境是人類生存和發展的基本前提，是社會可持續和可持續發展的基礎。目前,區域環境評價偏重于狹義上的單因素低層面的環境污染評價。這顯然已不能滿足區域可持續發展的要求了,需要尋求更高層次的綜合定量評價。景觀生態系統(簡稱景觀)被認為是實現區域可持續發展和區域生態建設研究的適宜空間尺度,已有不少學者在這方面做了一些有益探索[5,6,7,8,9,10,5,6,7,8,9,10]。景觀既是生物的棲息地,更是人類的生存環境,具有高度的綜合性和明顯的地域性,它整合和濃縮了特定地域上諸多自然要素和人文現象間的內在聯系。若能從景觀視角挖掘出格局信息與生態環境脆弱性之間的內在關聯性,建立起景觀信息與區域生態環境響應之間的聯系,則可從更廣、更高層面上來分析與評價區域環境問題,為區域生態環境的建設提供新的研究方法與思路。有鑒于此,文章以海南島西部地區為研究對象,從景觀格局與生態系統敏感性結合角度探討區域生態環境問題,以期為區域環境整治、資源利用和可持續發展提供有益的現實指導。1土地利用及植被分布情況海南島西部地區(簡稱瓊西)西瀕北部灣,東倚五指山和黎母嶺,包括儋州、白沙、昌江、東方和樂東5個市(縣),面積約1.173×104km2。地勢東高西低,層狀地貌顯著,自西往東依次為濱海平原、階地、臺地、丘陵、低山和中山。氣候屬熱帶半干旱季風氣候,具有明顯的高溫干濕季節,旱季長達6～8個月,降水少,多年平均降雨量僅967.5～1091mm,5～10月份為濕季,多暴雨,降水量約占全年的90%。年均溫在24.5～25.2oC間,年蒸發量高達2525mm,年干燥度為1.97,冬半年可達4.0以上。受寒潮大風、干熱風、臺風頻繁吹襲,風季漫長,風力強盛。土地利用中水田耕作較少,旱地與園地比重明顯偏大。灌溉水田1271.58km2,分別占耕地和土地總面積的41.80%與10.84%,旱地1628.14km2,占耕地的53.53%和土地總面積的13.88%,園地1628.22km2,約占土地總面積的13.88%,有林地面積3802.08km2,占土地總面積的32.41%。植被多旱生,表現為稀樹灌叢、稀樹草坡和落葉半落葉季雨林等。植被分布有較明顯的垂直分異和水平差異特征,西部沿海平原臺地帶為稀樹灌草、耐旱熱作,內緣丘陵盆地帶為落葉與半落葉季雨林,東部邊緣山地帶為山地常綠闊葉林、山地雨林和草山草坡,山谷偶有溝谷雨林分布。土壤有磚紅壤、燥紅土、風沙土等,成土母質與土類結構松散、固結力差。區內沙化、水土流失、植被退化等系列生態環境問題較突出,生態環境系統穩定性差、抗逆性弱、敏感性強,具有明顯的脆弱性。2學習方法2.1膠園或其他綠地以土地利用現狀為基礎,將全區劃分為7種景觀類型:(1)耕地,包括灌溉水田、望天田、水澆地、菜地和旱地;(2)園地,包括果園、茶園、橡膠園和其他園地;(3)林地,包括灌木林、有林地、疏林地、未成林造林地等;(4)草地,包括天然和人工草地;(5)建設用地,包括農村居民點、城鎮用地、獨立工礦用地、鹽田和特殊用地;(6)水域,指河、湖、坑塘及水庫;(7)未利用地,包括荒草地、沙地、沼澤地、裸巖、裸土、石礫地、灘涂、明暗礁。交通用地納入其鄰近的其他景觀類型當中,如靠近居民點的交通用地劃為居民點用地,靠近耕地的交通用地,當作耕地景觀處理。2.2生態過程的過程是生態過程的結果景觀格局是景觀空間異質性的具體表現,同時也是各種生態過程在不同尺度上作用的結果。文章選擇能反映生態環境脆弱性特征的分離度、分形維數、破碎度指標來進行區域生態脆弱性評價。(1)景觀結構的影響指景觀類型中不同元素或斑塊個體分布的分離程度。它在一定程度上反映了人類活動強度對景觀結構的影響。分離度越大,表明景觀類型在地域上越分散,其穩定性越差:FI=Di/Si;Si=Ai/A;Di=12n/A????√Di=12n/A(1)式中,FI為景觀分離度;n為景觀類型i的元素數;Ai為i類景觀的面積;A為研究區總面積。(2)基于分維數計數的fd/logafd計算景觀斑塊的分維數反映了景觀形狀的復雜程度和景觀的空間穩定程度。它采用周長與面積關系進行計算。分維數一般處于1～2之間。其值愈趨近于1,則斑塊的幾何形狀愈趨于簡單、規則,表明受干擾的程度愈大。反之,愈趨近于2,斑塊的幾何形狀愈復雜,自然度越強。故取分維數倒數來反映景觀類型受干擾的程度,其值越高,表示干擾越強烈:FD=12log(P/4)/logAFD=12log(Ρ/4)/logA(2)式中,FD為分維倒數;P為斑塊周長;A為斑塊面積。(3)斑塊破碎化指數fn指某景觀類型在特定時間里和特定性質上的破碎化程度。它在一定程度上也反映了人類對景觀的干擾強度。表征景觀破碎度的指標很多,如斑塊密度、斑塊破碎化指數等。此處選取綜合程度較好的斑塊破碎化指數作為參評指標。其公式如下:FN=MPS·(Nf-1)/Nc(3)式中,FN為某景觀類型的破碎化指數;FN∈,0表示景觀完全未被破壞,1表示景觀被完全破壞;MPS由景觀內所有斑塊的平均面積除以最小斑塊面積得到;Nf為某景觀類型的斑塊總數;Nc為研究區景觀總面積除以最小斑塊面積之值。2.3土壤侵蝕敏感性評價景觀格局指數是對景觀類型結構特征的總體描述,不同景觀類型可能具有相同或相似的格局特征,因此,僅僅依賴于景觀格局信息不足以充分說明生態環境脆弱性問題。為此,選用一些能反映區域生態環境脆弱性的敏感性指標進行補充與修正。從研究區概況可知,瓊西生態環境具有土地沙化和水土流失兩大脆弱性特征。根據突出主要矛盾減少干擾信息的原則,選用土地沙化和土壤侵蝕兩個敏感性指數來完善區域生態環境脆弱性的景觀生態學評價。土地沙漠化敏感性程度可用濕潤指數、土壤質地及起沙風的天數等來進行評價。土壤侵蝕敏感性則以通用土壤侵蝕方程為基礎,綜合考慮降水侵蝕力(R)、地貌坡度坡向(LS)、植被(C)與土壤質地(K)等因素,運用GIS來進行綜合評價。二者的具體評價指標、分級標準與計算方法詳見國家環保總局發布的《生態功能區劃技術暫行規程》附件C。研究區土壤侵蝕敏感性評價中的降水侵蝕力R值根據海南島的降雨特點和趙玉國、余煒敏的相關研究,采用周伏建經驗公式;坡度坡長LS值采用Mutchler和Murphree算式估算;土壤質地K值采用Wischrneier和Smith的公式計算;不同土地覆被類型的C值選用趙玉國等人的已有研究成果,其值在0.003～1.0之間。對于P因子,根據前人的研究成果,水田取0.15,其他類型基本無水保措施,取1。研究區各景觀類型的土地沙化和土壤侵蝕敏感性指數計算分別如式(4)和式(5):SDi=∑j=1nAijAi?WijSDi=∑j=1nAijAi?Wij(4)式中,SDi為i景觀類型的土地沙化敏感性指數;Aij表示i景觀類型分布在j沙化敏感級上的面積;Ai為i景觀類型總面積;Wij為i景觀類型相對于j沙化敏感級的權重;i為景觀類型;j為土地沙化敏感級;n為景觀類型總數。SWi=∑j=1nBijBi?SijSWi=∑j=1nBijBi?Sij(5)式中,SWi為i景觀類型的土壤侵蝕敏感性指數;Bij表示i景觀類型分布在j土壤侵蝕敏感級上的面積;Bi為i景觀類型總面積;Sij為i景觀類型相對于j土壤侵蝕敏感級的權重;j為土壤侵蝕敏感級;i,n同式(4)。2.4景觀類型脆弱性指數vii根據景觀格局指數的生態學意義及其與生態環境響應之間的聯系,對格局指數和敏感性指數采用多級加權求和法來實現區域景觀類型脆弱性評價:VIi=α·FIi+β·FDi+γFNi+δ·SDi+φ·SWi(6)式中,VIi為景觀類型i的脆弱度指數;FIi、FDi、FNi、SDi、SWi分別為景觀類型i的分離度、分維數倒數、破碎度、沙化敏感性指數和土壤侵蝕敏感性指數;α、β、γ、δ、φ為權重。2.5脆弱性模型景觀類型脆弱度指數只反映了各景觀類型的脆弱性特征,并不能從空間上反映整個區域的生態環境脆弱性特征。為此,需要構建使景觀類型脆弱度指數空間化的模型,建立起景觀類型脆弱度與區域綜合生態環境脆弱性之間的聯系。計算模型如下:EVI=∑j=1nAiTA?VIiEVΙ=∑j=1nAiΤA?VΙi(7)式中,EVI為區域生態環境脆弱度;Ai為樣地中景觀類型i的面積;TA為樣地總面積;VIi為景觀類型i的脆弱度指數。根據研究區面積、景觀格局及生態系統的特點,采用8km×8km格網全覆蓋系統采樣法,將每個格網的綜合生態環境脆弱度指數值作為樣地中心點的生態環境脆弱度。在此基礎上利用ArcGIS8.3進行普通克里格法插值,獲得全區生態環境綜合脆弱度分布圖。3萬土壤條件圖所用資料包括研究區1998年1:20萬數字化土地利用現狀圖、1∶20萬政區圖、1∶20萬數字化地形圖、1∶20萬土壤類型和土壤質地圖、1∶20萬植被類型圖和各縣市的氣象數據。圖形處理軟件為ArcGIS8.3、ArcView3.2a。資料處理的流程如圖1。4結果分析4.1景觀類型的相對穩定性用ArcView統計各景觀類型的斑塊數、面積、周長,然后確定權重。在敏感性指數計算中不同敏感級的權重是根據敏感級別的劃分先按1、3、5、7、9確定相對權重級別,之后按各級權重總和為1的原則計算,得到不敏感、輕度敏感、中度敏感、高度敏感和極度敏感5個權重向量(0.04,0.12,0.2,0.28,0.36)。景觀類型脆弱度指數計算中的權重值采用因子分析法進行賦權,其權值為α=0.2219,β=0.1201,γ=0.2174,δ=0.2220,φ=0.2186。最后根據上述公式計算出相應的指數值,結果如表1。分維倒數(FD)reciprocaloffractaldimension;分離度(FI)isolation;破碎度(FN)fragmentation;沙化敏感性(SD)sensitivityoflanddesertification;侵蝕敏感性(SW)sensitivityofwatererosion;類型脆弱度(VI)Vulnerabilityindexoflandscapetypes各指數中分維數倒數最大者為草地,其次是水域,這表明草地和水域受人為影響較大。在經濟利益驅動下,天然草地變成人工草場,以及草地不斷受周邊耕地、園地和建設用地的蝕占,邊界人為干擾較為強烈。因區內氣候干季明顯偏長,為保證生產生活用水,水域景觀多為人工修挖的坑塘、水庫。耕地的破碎度最高,其次為林地。園地破碎度和分離度都較小,集中成片分布在儋州市丘陵臺地上。耕地雖然破碎,但在區內有集聚分布趨勢,故其分離度不大。建設用地分離度最大,次為草地,林地最小。所有這些反映了人類活動對耕地和建設用地的影響十分強烈,對林地與草地的影響也不小。研究區各景觀類型的脆弱度排序為:耕地>林地>建設用地>未利用地>園地>草地>水域。這表明耕地和林地景觀類型的系統穩定性不強,對外界干擾反應敏感,受外界較大干擾作用后向沙漠化方向退化的機率較大,在粗放的管理與利用條件下易發生退化。耕地主要集中于區內西部平原與臺地上,干旱缺水,灌溉不便,人為活動強度大,因此成為全區脆弱度最大、沙化敏感性最強的景觀類型。瓊西天然林主要分布在海拔500～1500m的山地,次生林集中分布在500m以下的丘陵區,且現存的天然林和次生林林分質量大為下降,郁閉度從0.8降至0.4的占全區有林地的60%～70%。長期過度的人為影響,使本區林地系統的生態穩定性大幅度下降,脆弱性增強。各景觀類型中草地的土壤侵蝕敏感性最強。其實,瓊西草地并非氣候成因的草原,而是由熱帶森林經多次反復砍伐,植被幾經演替而成。隨著植被的演替,覆蓋度逐漸降低,水土流失也因之不斷增強。4.2土地沙化與沙化敏感性的關系為探討景觀類型脆弱度與各指數間,以及各指數相互之間的關系,運用Statistica統計軟件計算了各類指數間的皮爾遜相關系數,結果如表2。相關分析表明,景觀類型脆弱度與沙化敏感性、景觀類型脆弱度與破碎度、破碎度與土地沙化敏感性、破碎度與區域生態環境脆弱性之間都存在著顯著的正相關關系。這說明破碎度與沙化敏感性指數對瓊西景觀類型脆弱度和區域生態環境脆弱度的影響很大。而分維倒數、分離度和土壤侵蝕敏感性則與景觀類型脆弱度呈負相關關系,分離度和土壤侵蝕敏感性與區域生態環境脆弱度呈弱度正相關關系,說明這三者對研究區景觀類型脆弱度和區域生態環境脆弱度的貢獻率較低。沙化敏感性與破碎度、分離度與分維倒數、土壤侵蝕敏感性與分維倒數也有顯著的正相關性,表明土地沙化與破碎度、土壤侵蝕與人為干擾強度之間有著較強的相互促進作用。降雨與干旱是兩個相互對立的方面,因而以降水主導的土壤侵蝕敏感性與以干旱引發為主因的沙化敏感性之間存在顯著的負相關性。從相關分析知,沙化敏感性指數與破碎度指數綜合起來能很好地反映出景觀信息與區域生態環境系統脆弱性響應之間的密切聯系——在半干旱的自然背景下,人類活動成為區域生態脆弱性變化和景觀格局變化的決定性因素。4.3、、級生態環境分析利用區域生態脆弱度計算模型,通過全區格網系統取樣計算了研究區194個點位的生態脆弱度,經插值生成全區生態環境脆弱度的連續空間分布圖,再在綜合分析脆弱度指數構成特點的基礎上進行等距重新分級,劃分出研究區生態環境脆弱性分區:Ⅰ級區(EVI值為0.1523～0.1616,下同),Ⅱ級區(0.1616～0.1709),Ⅲ級區(0.1709～0.1803),Ⅳ級區(0.1803～0.1896),Ⅴ級區(0.1896～0.1989)(圖2)。分區結果表明,Ⅰ級區面積極小,只占研究區面積的0.25%;Ⅱ級區約占4.18%;Ⅲ級區約21.72%;Ⅳ級區面積最大,占45.24%;Ⅴ級區面積也較大,占28.61%。從水平空間分布上看,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級分區主要集中在東北角。其中,Ⅰ、Ⅱ級區大部分集中分布在坑塘水庫區及附近地帶,周邊植被以灌叢和次生林為主,小部分位于人工林臺地丘陵上,Ⅲ級區植被類型也主要是人工林,此3個分級區的土地類型以中石質磚紅壤為主;Ⅳ級區基本上縱貫研究區中部,植被類型以季雨林和灌叢為主,土壤質地為重石質輕壤的磚紅壤;Ⅴ級區則集中分布在沿海一帶,呈北窄南寬的條帶狀南北向弧形延伸,在西南部的東方和樂東境內面積顯著增大,其植被類型以人工林為主,如木麻黃林、細葉桉林、腰果等,其次是沿海稀疏荒草地和砂生草原,土壤為燥紅土、濱海砂土。另外,在東部和中部亦有少數山地區屬于Ⅴ級脆弱區,植被類型主要是季雨林和山地牧草地,土壤以重石質的山地赤紅壤為主。因此,整體而言,生態脆弱度大體表現為平行于海岸線,呈條帶狀分布,離海岸線的距離越近生態脆弱度值越高。這種分布特征說明在區域尺度上海洋是瓊西地區生態環境的主導控制因素之一,沿岸逆時針冷流性質的區域性海流,以及勢力較強的海陸風交匯影響,成為區域生態環境的主要自然災害源。從垂直空間分布來看,與地貌類型圖相對照,瓊西區域生態環境脆弱性分區大體呈現出陡坡中、低山中上部(>600m以上山地區)為Ⅴ級脆弱區,中、低山基部和丘陵臺地交錯帶為Ⅳ級脆弱區集中地,Ⅲ級脆弱區全位于丘陵臺地上,Ⅰ、Ⅱ級脆弱區則位于山谷和山間盆地中,到地勢更低平的濱海平原及沿海階地區又出現條帶狀分布的Ⅴ級脆弱區。從東西向剖面圖可以看出隨著海拔由高到低的變化,脆弱度分級大體呈現“高→中→低→高”的變化特征。這種垂直分布特點說明地貌因素也是控制研究區生態環境的主導因素之一。事實上,地貌的變化決定著區域的土壤質地和坡面水流狀況,進而影響著區域植被的生長發育和生態系統的穩定性。5評價結果與分析(1)各指數間的相關系數表明:分維倒數與景觀類型脆弱度之間存在顯著的負相關關系,而分離度與景觀類型脆弱度之間存在弱的負相關關系。從景觀生態學意義分析,二者特別是分維倒數未能很好的表征景觀類型脆弱度;破碎度與景觀類型脆弱度之間則存在極顯著的正相關關系,能很好地反映出人類活動動強度對景觀類型脆弱性程度的促進作用。為進一步核實格局指數能否清晰表征區域生態脆弱性程度,對各景觀類型作隨機格網(8km×8km)取樣來測定各樣方的區域生態脆弱度指數。各景觀類型分別抽樣20次,取其平均值作為該景觀類型的區域生態脆弱性值,然后,對平均值與各景觀指標值作Pearson相關分析,結果如表2。除分維倒數與區域生態脆弱性呈負相關外(-0.3289),其余指標都與區域生態脆弱性呈正相關關系,其中分離度的正相關系數較小(0.1241),土壤侵蝕敏感性的相關系數稍大(0.2995),沙化敏感性、破碎度、景觀類型脆弱度則具有顯著、極顯著的正相關性,分別達到0.4393、0.8149和0.9273。從表征效果看,破碎度和沙化敏感性指標對景觀類型脆弱性程度和區域生態脆弱性程度都有很好的表征能力,分離度對區域生態脆弱性程度的表征效果一般,而分維倒數則不太理想,土壤侵蝕敏感性對景觀類型脆弱性表征不明顯,但對區域生態敏感性程度還是具有較好的表現力。(2)沙化敏感性、破碎度與景觀類型脆弱度、區域生態環境脆弱性指數之間有著顯著、極顯著的正相關性,表明二者對瓊西生態環境脆弱性影響很大。影響沙化敏感性的因素主要有氣候、地形地貌、土壤結構和人類活動,其中氣候變化為土地沙化提供背景基礎,而人類活動則是最活躍和最重要的調控因素。景觀破碎度是景觀在特定時空尺度上破碎化的外在靜態表現,其深層的內因則是自然和人為因素的綜合驅動。在海南西部,氣候是影響區域景觀特征和生態環境脆弱性的宏觀背景因素,但非決定性條件。在歷史上,海南島幾乎全為郁郁蔥蔥的熱帶天然林所覆蓋,出現沙漠化也只是近現代的事情。據調查,瓊西丘