鄂尔多斯市生态脆弱性评价及归因分析

苗 旭，李九一，柳玉梅，宋小燕

(1.西北农林科技大学 水利与建筑工程学院，陕西 杨陵 712100；2.中国科学院 地理科学与资源研究所，北京 100101； 3.苏州科技大学 地理科学与测绘工程学院，江苏 苏州 215009)

生态脆弱性是指在自然与人类活动因素以及它们叠加作用下生态环境做出的敏感反应与自我恢复能力反应[1]。为应对全球气候变化以及人类活动带来的生态环境变化，生态脆弱性评价逐渐成为研究的热点[2]。生态系统的脆弱性一般表现出2个特征，即自身所带有的不稳定性以及外界干扰的敏感性，对区域生态脆弱性的评价本质就是对区域生态结构及其功能的评估。通过脆弱性评价不仅可以明确区域脆弱性程度以及空间分布，而且对生态保护以及区域发展提供一定的科学对策。

目前关于生态脆弱性的研究已经由单一生态要素发展到涉及自然、经济、人文等区域整体性研究[3]，关于生态脆弱性的评价目前尚未有统一的体系指标，许多专家提出了不同的评级体系[4]，赵跃龙等[5]通过建立脆弱度模型对全国26个省、 区生态环境进行评价；徐明德等[6]建立改进型的模糊脆弱度评价模型对浑源县生态脆弱性进行评价；李平星等[7]通过建立暴露-敏感-适应(VSD)模型对广西西江经济带的生态脆弱性进行分析；杨俊等[8]通过建立暴露度-敏感性-应对能力(ESC)模型对城市边缘的生态脆弱性进行评估，李芮芝等[9]通过建立生态敏感性-生态恢复力-生态压力度(SRP)模型对南雄丹霞梧桐自然保护区生态脆弱性评价。

我国生态脆弱性大多基于一定的尺度开展研究，但由于不同区域生态脆弱性不同，涉及的生态指标也不同，因此模型或方法的选取需要根据实际情况而定[10]。农牧交错带的生态系统非常容易受到内外部的扰动，是生态状况最容易发生变化的区域之一[11]，SRP模型是在生态系统稳定性的基础上建立的生态脆弱性评价模型，在资源枯竭型城市生态脆弱性分析[12]与川滇农林牧交错带[13]等地区都得到很好的应用。本研究采用SRP模型，通过空间主成分分析、地理探测器模型等交叉分析方法，对农牧交错的鄂尔多斯市进行生态脆弱性进行评价，并揭示其空间脆弱性格局特征，以期为该地区在制定可持续发展战略以及生态环境保护与恢复中提供科学依据。

1 研究区概况

鄂尔多斯市位于内蒙古西南部，东西北三面均被黄河围绕，是干旱半干旱地区内一个相对独立的自然地理单元[14]，多年平均气温为5～8 ℃，气温自东向西逐渐升高，多年平均蒸发量在2 000～3 000 mm，雨季为6-9月，受海洋性季风气候影响，降水量自东向西逐渐降低，多年平均降水量160～400 mm。境内草原生态系统占全市总面积的70%以上，植被覆盖类型以稀疏低矮分布为特点(图1)。

图1 研究区概况

2 材料与方法

2.1 数据来源与处理

数据主要包括2005、2010和2018年鄂尔多斯市气象、地理、社会经济、人口数据等。气象数据来源于中国气象数据共享网(http://data.cma.cn/)包括温度、降水量、风速等，利用鄂尔多斯市及周边的气象站点的观测值在ArcGIS软件下用克里金插值法获取得栅格数据集；地理数据来源于中国科学院资源环境科学与数据中心(http://www.resdc.cn/)包括高程数据、土地利用数据、土壤类型数据等，其中，坡度、坡向地表起伏度、地表粗糙度等通过高程数据计算生成；社会经济和人口数据来源于鄂尔多斯市统年鉴，通过ArcGIS软件计算空间人口密度、人均GDP、牲畜密度(羊单位)、万元GDP用水量；植被NDVI数据来源于MOD13Q1；NPP数据来源于MOD17A3；土壤侵蚀强度是利用通用土壤流失方程(RUSLE)计算得到。在ArcGIS中将所有栅格数据统一分辨率为250 m，采用等面积投影法，且均采用WGS-1984坐标系。

2.2 研究方法

2.2.1 评价指标构建 通过分析前人的研究成果[12,14]，结合SRP模型所需的评价指标，在遵循评价原则的基础上选取14个指标因子，构建鄂尔多斯市生态脆弱性评价体系并进行归一化处理，生态敏感性包括地形因子、地表因子、气象因子。其中地形因子包括高程、地表起伏度和地表粗糙度；地表因子包括土壤侵蚀强度和潜在蒸散量；气象因子包括年均降水和年均气温；生态恢复力用植被因子代替包括土壤有机碳含量、植被覆盖度和NPP；社会因子用人口密度、人均GDP、牲畜密度、万元GDP用水量代表，表示生态压力。

2.2.2 空间主成分分析 空间主成分分析通过旋转原始空间坐标轴，将原来的多个指标转化为一组新的互不相关的综合指标，从而在减少数据量的同时又替代原始的指标信息[15]。公式如下

Zi=a1iA1+a2iA2+…+aniAi

(1)

式中：Zi是第i个主成分；a1i，a2i，…，ani是第i个主成分各项指标因子所对应的特征向量；A1，A2，…，Ai为各项指标因子的标准化值。

2.2.3 生态脆弱性计算及分级 通过SRP生态评价模型结合主成分分析法，计算出生态脆弱性指数(EVI)[16]，参考相关生态脆弱性研究[17,18]，进行分级，分为潜在脆弱(0～0.2)、微度脆弱 (0.2～0.4)、轻度脆弱(0.4～0.6)、中度脆弱(0.6～0.8)、重度脆弱(0.8～1)5个脆弱等级。

2.2.4 地理探测器 引入中国科学院地理科学与资源研究所王劲峰等[19]开发的地理探测器模型，通过因子探测器中的q值和p值探究鄂尔多斯市生态脆弱性中各指标因子的影响力大小[20]。

3 结果与分析

3.1 生态脆弱性时空分布特征

选取累计贡献率>90%的5个主成分(表1)。计算2005、2010和2018年鄂尔多斯市生态脆弱性指数，并参照该市生态脆弱性分级标准，获得生态脆弱性空间分级状况图(图2)。

表1 鄂尔多斯市生态脆弱主成分分析结果

2005年鄂尔多斯市生态脆弱性指数标准化平均值为0.52，总体处于轻度脆弱。由图2可知，杭锦旗大部分区域处于重度脆弱区，生态脆弱性极严重；中度脆弱区主要在鄂托克前旗中西部以及鄂托克旗西部地区；乌审旗、鄂托克旗以及鄂托克前旗大部分地区属于轻度脆弱区；达拉特旗、准格尔旗、伊金霍洛旗、东胜区、康巴什区生态状况较好，整体脆弱性较低。从全市看，2005年鄂尔多斯市生态状况东部地区优于西部地区。2010年鄂尔多斯市生态脆弱性指数标准化平均值0.44，总体处于轻度脆弱。重度脆弱区主要在杭锦旗西部地区，中度脆弱区在杭锦旗中东部以及鄂托克前旗西部地区，轻度脆弱区在鄂托克旗西部，乌审旗、伊金霍洛旗、达拉特旗、东胜区、康巴什区、准格尔旗以及鄂托克旗东部区域生态状况较好，整体脆弱性较低。2018年鄂尔多斯市生态脆弱性指数标准化平均值0.42，总体处于轻度脆弱。杭锦旗大部分区域处于重度脆弱区，鄂托克前旗西部、达拉特旗部分区域以及康巴什区部分域属于中度脆弱区外，其余各旗区生态状况较为良好(图3)，从数量关系上也可以看出2005年生态脆弱程度分级中轻度脆弱性占比较大，40.47%，2010与2018年微度脆弱性占比大，分别为42.45%和49.39%。

3.2 生态脆弱性空演变格局

2005与2010年、2010与2018年间各类生态脆弱性等级面积转移矩阵见表 2、表3。2005与2010 年间潜在脆弱性等级面积共增加390 km2，微度脆弱性等级面积共增加22 628 km2，轻度脆弱性等级面积共减少21 811 km2，中度脆弱性等级面积共增加7 535 km2，重度脆弱性等级面积共减少8 742 km2，总体看，2005与2010年鄂尔多斯市生态脆弱性等级积极转移面积大于消极转移面积，反映鄂尔多斯市生态有所改善。

2010与2018 年间，潜在脆弱性等级面积共增加5 616 km2，微度脆弱性等级面积共增加6 031 km2，轻度脆弱性等级面积共减少4 558 km2，中度脆弱性等级面积共减少16 942 km2，重度脆弱性等级面积共增加9 854 km2；2010与2018年鄂尔多斯市生态脆弱性等级积极转移面积>消极转移面积，但相比于2005与2010年，鄂尔多斯市积极性转移面积减少，且重度脆弱性等级面积增加量较大，但总体上鄂尔多斯市生态脆弱性逐渐向良好发展。

图2 2005、2010和2018年鄂尔多斯市生态脆弱性分级

图3 鄂尔多斯市生态脆弱度状况

表2 2005年与2010年鄂尔多斯市不同生态脆弱性等级转移矩阵

3.3 生态脆弱性驱动机制分析

为探究鄂尔多斯市生态脆弱性在空间上表现力不同的原因，将生态脆弱性评价的14个指标因子作为自变量，计算得出的生态脆弱性指数作为因变量，在 ArcGIS中将所有栅格重采样为1 km×1 km，通过地理探测器进行研究分析。因子探测器的结果表明(表4)，2005、2010和2018年的p值为0，说明14个评价指标对区域生态脆弱性指数的解释力很充足；从q值来看， 2005年影响鄂尔多斯市生态脆弱性最强的5个影响因子顺序为NPP<年均降水<万元GDP用水量<人均GDP<人口密度；2010年影响鄂尔多斯市生态脆弱性最强的5个影响因子顺序中NPP<人口密度<年均降水<人均GDP<万元GDP用水量；2018年影响鄂尔多斯市生态脆弱性最强的5个影响因子顺序为NPP<年均降水<人口密度<人均GDP<万元GDP用水量。由此可见，年均降水量、NPP、人口密度、人均GDP、万元GDP用水量是影响鄂尔多斯市生态脆弱性的关键因子，且人是影响当地生态脆弱性的主要原因。q值越大说明对鄂尔多斯市生态影响力越大，p值越大说明对鄂尔多斯市生态脆弱性的解释力越小。

表3 2010年与2018年鄂尔多斯市不同生态脆弱性等级转移矩阵

表4 鄂尔多斯市地区因子探测结果

4 结论与讨论

通过建立生态脆弱性评价模型对鄂尔多斯市2005、2010和2018年生态脆弱性进行综合评价发现：这些年鄂尔多斯市的生态状况在逐年得到改善，归一化的生态脆弱性指数值在逐年降低。2005与2010年之间生态脆弱性向积极方向转移量大于2010与2018年，且生态脆弱性等级转移过程中很少出现跨等级转移，基本向着临近等级转移；综合所有因素来看，鄂尔多斯市的生态改善与国家政策以及鄂尔多斯市近些年来的发展有关，自2000年以来在国家“退耕还林还草”工程的号召下，鄂尔多斯市积极开展森林建设工程以及草原生态保护建设，使得森林覆盖率从2005年的16.2%提高到2018年的26.9%，植被覆盖率75%以上，毛乌素沙漠得到综合治理，治理面积超出总面积的70%，沙害现象基本消失。但同时由于鄂尔多斯市的发展也逐渐增加了生态压力，2005-2018年鄂尔多斯市GDP大约增长7倍，2005年人均GDP 4 500美元，2018年超出20 000美元，经济的迅速增长加大了鄂尔多斯市的生态压力。鄂尔多斯市处在半干旱与干旱的气候过渡带，虽然三面被黄河所包围，但水资源短缺，不但限制鄂尔多斯市的进一步发展，同时也使得当地生态脆弱性加重，相关资料显示，杭锦旗2005、2010年和2018年用水量分别占据全市用水量的29.63%、15.84%和19.67%，但经济总值却处在全市末尾。处在杭锦旗腹地的库布齐沙漠虽然得到有效的治理，但相比于毛乌素沙漠来说植被覆盖较差。

生态脆弱性因子探测中，自然因素的年均降水量、植被净初级生产力和人为因素的人口密度、人均GDP、万元GDP用水量是影响鄂尔多斯市生态脆弱性的关键因子；生态脆弱性状态同时反映了鄂尔多斯市各旗区间的差异，在实施生态保护政策时需要考虑各旗区之间产业发展的不均衡以及各旗区之间的生态差异。以杭锦旗为例，境内的库布齐沙漠植被覆盖度较小，通过逐年增加防风固沙林固定风沙、种植牧草，采取先进的农业种植手段，逐渐降低农田灌溉用水，积极引进低耗能绿色清洁产业，对于高耗能产业采取新工艺以减少资源的消耗等措施来改善生态环境。