兰州市生态系统适应能力评价

兰州市生态系统适应能力评价

随着人类活动对自然环境的影响和影响强度的增加，国际环境变化的人文因素计划（iwdp）提出了社会生态系统框架（ses）的概念。他指出，当前环境变化的研究应充分考虑自然因素和人文因素的影响，强调它们之间的相互作用和全球环境变化的共同动力。2006年《GlobalEnvironmentalChange》出版专刊探讨了社会-生态系统框架下脆弱性、适应能力、弹性的概念及研究现状,明确了基于该框架,脆弱性表明系统存在内在的不稳定性,对外界的干扰和变化(自然的或人为的)比较敏感,且在外来干扰胁迫下易遭受损害,并难以复原。因此,基于SES框架的生态系统脆弱性是研究生态系统抵抗外来干扰能力、评价其恢复状况的关键。脆弱性具体由胁迫程度、敏感性以及适应能力三要素构成,在局部(Local)、区域(Region)、全球(World)3个尺度,社会(Social)、生态(Ecological)两个维度上相互作用,不断发生时空动态变化。目前为止,脆弱性研究的主题集中于3个方面:探讨脆弱系统的分布状态、环境变化,尤其是灾害事件的强度、持续性、影响力、频率和冲击速度,即研究脆弱性构成3要素中的胁迫程度及敏感性;系统对外界胁迫的脆弱性,集中研究灾害响应,着重于从系统内部结构探讨其对外界干扰的弹性和从外界胁迫不利影响中的恢复能力,即探讨系统的适应能力;最后,基于上述两种研究,从脆弱性研究角度探讨系统对外界干扰的响应,及由此所引起的系统退化风险。脆弱性3要素中胁迫程度和敏感性的研究方法已较成熟,可通过层次分析、神经网络和模糊数学等方法进行定量的分析与研究。而现阶段对适应能力的研究则以概念评述为主,如Smit等、Janssen等对适应能力的研究历史进行了回顾,从社会—生态系统的角度定义了生态环境适应能力,并与脆弱性、弹性等概念进行了区分;加拿大等国先后对气候变化下农、林、渔业的适应能力变化进行了定性预测,并从理论上提出应对措施。此外,亦有研究者通过脆弱性推导适应能力,如Luers等定量分析了墨西哥雅基流域的农业系统脆弱性,探讨了其在气候变化条件下的可能响应,并由此大致推导了适应能力。上述研究明确了适应能力的概念并从不同方面探讨了对其可能变化的响应,但都未对适应能力自身的构成及其空间分布进行分析。基于社会-生态系统框架,通过分析适应能力的概念并综合相关研究,建立了定量评价适应能力的空间模型,并以兰州市为研究区,以水土流失为外界胁迫因素,通过模型来评价兰州市生态系统对水土流失的适应能力状况及其空间分布。1适应能力指数acapity作为脆弱性的3个构成要素之一,适应能力是指系统(个体)对不良影响的抵御能力和恢复能力。就生态系统而言,反映生态系统在特定胁迫下,保持或提升其原有状态使之不发生退化的能力,意即生态系统对特定胁迫的可消耗性。依据适应能力的概念,对其进行建模:式中:ACI为适应能力指数(AdaptiveCapacityIndex);EI、CC、RC分别为不良影响(ExposureIndex)、抵御能力(CopingCapacity)及恢复能力(RecoveringCapacity)。适应能力在特定胁迫下得以体现,且在局部尺度、区域尺度、全球尺度上具有不同的响应特征。社会-生态系统框架下,胁迫涉及环境变异和人类活动干扰两个方面,前者包括各种自然灾害,如飓风、海啸、地震等,后者包括污染排放、不可再生资源耗竭等诸多方面。具体构建不良影响指数、抵御能力指数及恢复能力指数时,必须首先确定适应能力所对应的胁迫类型及其分析尺度。兰州地区水土流失严重,且随着社会经济的发展和城市化进程的加快,对土地的开发日益增加,坡地的不断开垦,更加剧了该区域的水土流失。由此,本文针对兰州地区的水土流失,进行基于社会-生态系统框架的适应能力建模研究,通过构建不良影响、抵御能力及恢复能力3个指数来探讨区域尺度下生态系统对水土流失胁迫的适应能力。1.1水土流失评价因子不良影响指系统(个体)面临特定胁迫的概率,可通过分析,确定导致胁迫产生的影响因子,进而建立评价体系对其进行衡量。兰州市属半干旱气候,其所处的黄土高原沟壑丛生,植被覆盖较差。基于上述自然地理特征,以通用水土流失方程(USLE)为基础,综合考虑地貌、降水、植被与土壤质地等因素,选取地形起伏度、降水冲蚀力R值、植被覆盖度和土壤质地等因子作为评价兰州市水土流失的因子。根据已有研究,结合兰州市实际情况,降水冲蚀力R值计算时选用Wischmeier的经验公式:R=∑i=1121.735×101.5lg(P2i/P)−0.8188(2)R=∑i=1121.735×101.5lg(Ρi2/Ρ)-0.8188(2)式中:R为年降水侵蚀力;Pi为各月平均降水量;P为年平均降水量。最终确定兰州市水土流失不良影响的评价体系如表1。1.2生态系统水土流失抵御能力的类型抵御能力指系统(个体)对特定胁迫的可耗损基数。在生态系统中,抵御能力表现为不同生态系统对特定胁迫所能提供的相关抵御功能。Costanza等人将全球生态系统功能分为调节大气、调节水、控制侵蚀和保持沉积物、土壤形成、养分循环、废物处理、生物控制、食品生产等17个类型。其中调节水、控制侵蚀、保持沉积物、土壤形成及养分循环综合构成了生态系统的水土流失抵御能力。社会-生态系统框架下,以生态系统的特点和土地利用现状为基础,将兰州市生态系统分为3级。结合兰州现有生态系统类型,依据专家经验考虑其所能提供的调节水、控制侵蚀、保持沉积物、土壤形成及养分循环等各项功能的强弱,将兰州市各生态系统的水土流失抵御功能分为极强、强、中、弱、极弱五个等级,建立兰州市生态系统水土流失抵御能力指数(表2)。1.3生态系统恢复能力评价恢复能力指系统受损后的自修复能力,多由系统健康程度决定。社会-生态系统框架下,恢复能力反映社会维与生态维的相互作用,高恢复能力表明人类活动与生态环境相宜程度高,在获得经济利益的同时,亦有利于生态环境的可持续发展,系统健康程度高。兰州市一级生态系统类型中,农田生态系统及城乡生态系统受人类影响程度大,在不合理人类活动下易发生水土流失,通过制定恢复能力评价体系对其恢复能力进行评定;对林地生态系统、草地生态系统等受人类影响较小的生态系统类型,选取植被覆盖度衡量其恢复能力。1.3.1生态系统恢复能力评价因素的确定考虑兰州市位于半干旱区、黄土梁峁分布广泛的特点,结合农田生态系统的特点,依据稳定性、主导性、空间变异性等原则,选择海拔、坡度、降水、土层厚度、土壤类型、土壤有机质含量及距灌渠的距离作为农田生态系统恢复能力的评价因素。结合兰州市的实际情况及上述因子对农田生态系统的影响规律,采用经验判定、数学分析等方法,确定农田生态系统恢复能力评价因子及其等级与权重(表3)。1.3.2生态系统恢复能力评价根据兰州市特殊的河谷地形,结合城乡生态系统的建设需求,并考虑城市建设过程中可能出现的问题,选取地貌、坡度、工程地质条件、距断层的距离、距水域的距离以及距自然保护区的距离、水源保护地的范围作为评价城乡生态系统恢复能力的主要因子。由于上述各因子对城乡生态系统恢复能力的影响力相当,因此不考虑其权重,侧重依据兰州市实际情况及城乡生态系统本身的要求,确定各评价因子及其等级(表4)。1.3.3植被覆盖度与水土流失的关系植被作为生态系统的主要组分,具有降雨截留、防沙治沙、保土固土等功能,是生态系统存在的基础,也是联结土壤、大气、水的自然纽带,在陆地表面的能量交换过程、生物地球化学循环过程及水文循环过程中作为根本要素存在。而植被覆盖度作为重要的生态气候参数、水文生态参数、环境变化敏感因子和水土流失评价因子,是衡量地表植被状况的综合量化指标,是衡量生态系统健康状况、反映区域生态环境变化的基本指标。林、草等生态系统受人类活动影响较小,因此选用植被覆盖度间接度量林、草生态系统对水土流失的恢复能力。SPOTVEGETATION数据可有效实现区域植被覆盖的制图,并可用于植被覆盖变化情况的监测与分析,现已成为获取区域植被覆盖度的重要数据源之一。以1999\_2005年的植被覆盖度衡量兰州市林、草生态系统的恢复能力。2适应能力评价系统的建立适应能力各指数计算时所需数据包括兰州市中等分辨率遥感影像、SOPTVEGETATION数据、兰州市地貌地形类型图、地层岩性与地质构造图、土壤性质图、河流渠系图、数字高程图、自然保护区分布图及兰州市各气象站点的气象数据。运用ArcGIS9.0软件数字化所有纸质地图,统一投影与坐标系后重采样为10m×10m栅格数据,由此建立适应能力建模的基础数据集。依据已建立的评价体系对各个指数进行GIS空间分析,主要包括地统计分析、距离分析、缓冲区分析、空间叠加等,建立不良影响、抵御能力及恢复能力3个空间指数。归一化上述指数后后,叠加获得兰州市水土流失适应能力。3结果分析3.1水土流失抵御能力综合评价依据兰州市水土流失不良影响评价体系,经过空间分析,获得兰州市水土流失不同程度不良影响的面积及比例。其中,水土流失高不良影响区主要分布在榆中县北山地区及皋兰县的南部,该地区地形起伏度较高、降水侵蚀力强、植被覆盖度低,土壤质地多为易侵蚀的砂壤土、粉黏土、壤黏土;中度不良影响区主要分布在榆中中东部和南部的部分地区、皋兰县北部以及永登县秦王川和庄浪河谷地之间的区域,植被覆盖度尚可,降水侵蚀力亦不大;不良影响极低区主要分布在河流谷地、永登县秦王川一带、榆中盆地,这些地区一般地形起伏度低,地表覆盖较好,或者为城镇所在地,另外兴隆山、马啣山和连城地区虽然地形起伏大,但植被覆盖好,水土流失表现也不突出(图1A)。综合考虑调节水、控制侵蚀、保持沉积物、土壤形成及养分循环等生态系统的水土流失的抵御功能,通过构建抵御能力指数对兰州市现有生态系统的水土流失抵御能力进行评估,结果表明,兰州市水土流失抵御能力极强的森林生态系统和湿地生态系统主要在榆中县南部的兴隆山地区及永登县西部的连城地区分布;水土流失抵御能力为强的区域则主要分布于兰州市的各个盆、谷地及水系较发达的区域,涉及生态系统类型主要包括高覆盖度草地生态系统、人工林地生态系统、灌溉农业生态系统、部分旱作农业生态系统以及部分城乡生态系统;抵御能力极弱的区域分布在永登县秦王川北端及庄浪河以西部分区域,属多为荒地生态系统。除上述区域外,兰州市绝大部分区域具有中等或弱的水土流失抵御能力,为中、低覆盖度草地生态系统(图1B)。兰州市水土流失恢复能力为高的区域包括榆中县南部山地、永登县西部与西北部山地,该区域年均温较高、土质优良且降水条件优越、受人为扰动较少,分布着植被覆盖度最高、恢复能力全市最高的天然林生态系统。恢复能力较高的区域为农田、城乡生态系统的高恢复力区,其中,农田生态系统高恢复力区集中在永登秦王川灌区、庄浪河谷地、大通河谷地及皋兰县灌渠密集区、城关区中部、七里河区北部的部分区域,而城乡生态系统的高恢复力区多集中于坡度小、工程地质条件好的秦王川地区、庄浪河谷地、大通河谷地、苑川河谷地、湟水谷地、黄河谷地以及榆中盆地。恢复能力极低的区域为:永登西北角、北部坪城乡及东南部树屏地区,该区域多为石质山地,就地貌类型而言,不适宜发展农田生态系统;皋兰北部、榆中东北角及中东部区域、七里河区南部、红古区中南部由于降水条件及灌溉条件较差、土壤质量不高,农田生态系统高投入低产出,亦为水土流失极低恢复能力区;红古区西北部窑街地区,由于坡度较大、距断层较近、工程地质条件不良,矿区地面沉降灾害严重,发展城乡生态系统后付出的生态成本极大,亦属水土流失恢复能力极低的区域。除上述区域外,兰州市绝大部分地区具有中等或低的水土流失恢复能力(图1C)。3.2水土流失适应能力信息网络区域分布归一化生态系统不良影响、抵御能力、恢复能力各指数后,依据式1,对上述指数进行空间叠加分析,获得兰州市生态系统对水土流失的适应能力空间分布(图2)。将其分为5级后,统计各级水土流失适应能力的面积及占全市比例(表5)。天然林地生态系统、天然湿地生态系统及灌溉农业生态系统自身植被覆盖度普遍较高,加之人工治理措施得当,水土流失不良影响为低或极低,且本身多具有强或极强水土流失抵御能力,以及高或极高的水土流失恢复能力,总体水土流失适应能力高,适应能力指数为0.85~2.37,多分布于兰州市西北及南部的石质山地及部分地势平坦的盆、谷地中,仅占全区面积的7.46%。兰州市水土流失适应能力较高的地区多为盆、谷地,由西至东分别为大通河谷地、湟水谷地、庄浪河谷地、黄河谷地、秦王川断陷盆地、榆中断陷盆地以及苑川河谷地。此外,皋兰县中南部以及榆中县最南端灌溉渠系较发达地区的水土流失适应能力亦较高。以上区域多有较为优越的自然地理条件,具有低不良影响和较高的抵御能力,同时在人工管护的情况下,恢复能力亦较强,总体水土流失适应能力较高,适应指数为0.62~0.84,面积占全区面积的8.53%左右。兰州市74.82%面积的区域水土流失适应能力指数为0.06~0.61,适应能力表现为中或低,地表多为中、低覆盖度草地。此外,还有部分人工生态系统类型,如人工林、草生态系统。人工生态系统由人为控制养护,一般具有较高的抵御能力和恢复能力,主要分布在七里河区和城关区中部和南部的部分区域,分布区较小,但由于这些区域水土流失不良影响较高,因此其总体水土流失适应能力并不高,亦为中等。荒漠生态系统具有极低的水土流失抵御能力,而不健康的农田生态系统和城乡生态系统具有极低的水土流失恢复能力,以上3类生态系统面临高水土流失不良影响时,生态系统的水土流失适应能力降至极低。兰州市现有的适应能力极低区分布在永登县秦王川北端、中部的小部分区域及庄浪河以西部分地区、皋兰县南部、榆中县北部及中部的部分区域、七里河区和红古区的部分区域,适应能力指数为0~0.05,占全区面积的9.19%。该类地区在人类活动作用下,极易发生生态环境退化。4生态系统适应能力评价1)以SES框架下适应能力的概念为基础,通过不良影响指数、抵御能力指数和恢复能力指数构建了生态系统的适应能力模型。其中,不良影响指数由特定胁迫的影响因子评价体系确定,抵御能力指数由各生态系统对该胁迫的相关抵御功能综合表达,恢复能力指数则根据各生态系统受人类影响程度的不同,分别通过恢复能力评价体系和植被覆盖度加以衡量。各指数的评价体系从不同的角度综合考虑了自然因素与人文因素,由此获得系统面对外界胁迫时的自响应参数,并评价系统应对外界变化的能力。基于所构建的适应能力