黄河上游生态脆弱区复合生态...韧性时空分异——以宁夏为例_杨航.pdf

第40卷第2期2023年2月Vol.40No.2Feb.2023干 旱 区 研 究ARIDZONERESEARCHhttp:/DOI：10.13866/j.azr.2023.02.14黄河上游生态脆弱区复合生态系统韧性时空分异以宁夏为例杨航，侯景伟，马彩虹，杨晨，王彦卷（宁夏大学地理科学与规划学院，宁夏 银川750021）摘要：提升生态脆弱区抗扰动和恢复能力是生态文明建设的重要内容。构建基于经济、社会、自然多维视角的复合生态系统韧性评估模型，利用熵值法和GIS空间分析法，对20102020年宁夏复合生态系统韧性进行时空差异性分析，借助耦合协调模型、相关性分析和障碍度模型诊断影响生态韧性提升的关键因素。结果表明：（1）宁夏复合生态系统韧性水平呈上升态势，但整体水平较低，经济韧性增速最快。高经济韧性北部密集分布，高社会韧性以市区为中心成片分布，高自然韧性主要连片分布在东、南、西、北四角，北部复合生态系统韧性高于中部和南部。（2）宁夏复合生态系统的耦合度较高、但协调度偏低，研究时段内耦合协调度提升缓慢，大部分区县仍处于严重失调和中等失调状态。（3）经济结构与经济潜力、基础设施、民生改善、自然环境表现出很强的正相关性。准则层中人口数量、环境压力、经济活力对复合生态系统韧性提升产生较大影响，指标层中综合能源消耗量和交通仓储邮政人员数对大部分区县韧性提升有较大影响。今后需积极发挥各影响因素的正向协同效应，快速提升宁夏复合生态系统韧性，以有效助力黄河流域生态保护和高质量先行区建设。关键词：复合生态系统韧性；耦合协调度；相关性分析；障碍度模型；生态脆弱区；黄河上游生态脆弱区一般位于两种不同类型生态系统交接过渡区域，中国中度以上生态脆弱区面积约占陆地总面积的55，主要分布在北方干旱半干旱区、青藏高原、西南山地、南方丘陵、东部沿海水陆交接地区1-3。生态脆弱区在多源风险和多变扰动下，一般具有不稳定的内部结构，对外界干扰具有很强的敏感性，使生态问题日趋严重，如水土流失加剧、荒漠化加速、生物多样性锐减、环境承载力下降等4-5。生态脆弱区生态问题存在一定的不确定性，可以借助生态韧性理论进行研究6。生态韧性强调对冲击、干扰的吸收、抵抗、适应和恢复能力7-8。近几年对韧性概念9、韧性评价10、灾害韧性应对等的研究成果为生态韧性研究提供了理论支撑11。常见的生态韧性评估模型包括压力传导潜力12、抵抗力适应力恢复力13、规模形态密度14等。生态韧性的研究多聚焦于城市，而对生态脆弱区的研究很少，对黄河上游生态脆弱区生态韧性的研究鲜见报道。生态韧性的评价指标主要包括景观指数、生态系统服务价值、“源汇”理论等15，经济和社会指标较少，很少关注指标之间的相关性、生态韧性内部耦合协调性、障碍度和时空分异性，从而难以准确揭示生态韧性机理16-17。因此，开展黄河上游地区复合生态系统韧性时空分异研究，能够拓展生态韧性、生态文明等理论视野，为黄河上游生态脆弱区的生态韧性提升提供理论支撑。宁夏地处北方农牧交错生态脆弱区，自然环境较为恶劣，自然灾害频繁发生，易造成重大的人员及经济损失。宁夏作为西北地区和黄河上游重要的生态安全屏障，承担着维护西北乃至全国生态安全的重要使命，同时宁夏是唯一全境属于黄河的省份，作为建设黄河流域生态保护和高质量发展先行区，应具备抵抗不确定风险的扰动能力和承受风险后的恢复能力。宁夏的地理位置、生态环境、生态脆弱性、经济发展等与黄河上游地区相似，因此，本收稿日期：2022-08-09；修订日期：2022-10-02基金项目：宁夏自然科学基金项目（2022AAC03055）资助作者简介：杨航（1998-），女，在读硕士，主要从事空间技术与分析研究.E-mail:通讯作者：侯景伟.E-mail:303312页40卷干旱区研究文拟选择宁夏作为黄河上游生态脆弱区的典型区域开展研究，构建宁夏复合生态系统韧性评价体系，利用熵值法、耦合协调模型、相关性分析和障碍度模型，对其复合生态系统韧性进行评估，探索时空演化过程，诊断影响复合生态系统韧性提升的关键因素，为黄河上游生态脆弱区对抗不确定风险、生态恢复和提升分区治理能力提供一定的决策参考。1研究区与研究方法1.1 研究区与数据宁夏位于1041710729E，35143923N，地处黄河上游，境内有贺兰山、罗山、六盘山。宁夏属于温带大陆性气候，干旱少雨，年降水量为166.9647.3 mm；年均气温 5.39.9，年蒸发量 13122204 mm；以干草原和荒漠草原为主，植被覆盖度低，草原退化和沙化严重，水资源短缺，水土流失严重。周围被毛乌素沙地、腾格里沙漠、黄土高原、乌兰布和沙漠围绕。根据其生态基础将其划分为北部绿色发展区、中部封育保护区、南部水源涵养区18（图1）。采用的数据（表1）主要来自于 宁夏回族自治区统计年鉴（20112021年）以及宁夏回族自治区各县（市、区）统计年鉴和公报，个别缺失数据根据指数平滑法进行补齐，将各种自然数据的最小单位均转换为县区尺度。DEM高程数据来自地理空间数据云平台的 GDEMV2 30 m30 m 分辨率栅格数据。1.2 指标体系构建基于韧性城市19、生态脆弱性20-21、“乡土生态”韧性22等理论，筛选能够直观全面评价宁夏复合生态系统韧性的指标和准则层。同时结合宁夏实际情况，如宁夏属于干旱与半干旱气候，以干草原和荒漠草原较多，故将常用指标林地转换为草地；宁夏水资源匮乏，故选用水利环境基础设施投入指标，构建宁夏复合生态系统韧性评价体系23（表1）。1.3 复合生态系统韧性评价模型构建假设研究区某区县第i年份第j项指标的值为xij，构建m(指标)n(年份/城市)的矩阵。复合生态系统韧性评价模型构建如下：R=Reco+Rsoc+Rnat（1）Reco=j=19wjpij,Rsoc=j=1018wjpij,Rnat=j=1927wjpij（2）wj=djj=1mdj（3）dj=1-ej（4）ej=-1ln()ni=0npijln()pij（5）pij=Xxjj=1mXxj（6）Xxj=xij-minx1j,xnjmaxx1j,xnj-minx1j,xnj()xij为正向指标maxx1j,xnj-xijmaxx1j,xnj-minx1j,xnj()xij为负向指标（7）式中:Reco、Rsoc、Rnat、R分别为经济韧性指数、社会韧性指数、自然韧性指数和复合生态系统韧性指数；利用自然间段点法将韧性水平划分为低韧性、中等韧性、高等韧性3类。wj为j指标的权重，采用熵值法注：底图采用宁夏回族自治区自然资源厅标准地图制作，审图号为宁S 2019 第018号，对底图边界无修改。下同。图1 研究区概况图Fig.1 Overview of the study area3042期杨航等：黄河上游生态脆弱区复合生态系统韧性时空分异以宁夏为例进行赋值；dj为j指标的信息熵冗余度；ej为j指标的熵值；pij为归一化后的值；Xij是为了消除量纲影响而采用极差标准化后的值；xij为指标的原始值，i=1,2,n；j=1,2,m。1.4 耦合协调度模型构建耦合协调指两个及两个以上的子系统在受到内部和外界作用后产生的相互作用和协调程度，用于评价复合生态系统韧性的发展质量。D=CT（8）C=RecoRsocRnatReco+Rsoc+Rnat3313（9）T=aReco+bRsoc+cRnat（10）式中：D为耦合协调度值；C为耦合度，其值越大表明各子系统之间的相互作用越强；T为协调度，其值越大表明子系统之间的协调程度越高；a、b、c分别表示各子系统韧性的权重。根据王淑佳等24-25对国内耦合协调度模型的修订，对耦合协调度进行分类（表2）。1.5 障碍度模型构建障碍度模型可诊断复合生态系统韧性的准则层和指标层，识别影响韧性提升的关键因素。Hj=VjEjj=1n(VjEj)100%（11）Vj=1-Yj（12）表1 宁夏生态脆弱区复合生态系统韧性评价体系构建Tab.1 Construction of resilience evaluation system of composite ecosystem in ecological fragile areas in Ningxia目标层经济韧性（A1）社会韧性（A2）自然韧性（A3）准则层经济结构（B1）经济活力（B2）经济潜力（B3）基础设施（B4）民生改善（B5）人口要素（B6）环境压力（B7）生态治理（B8）自然环境（B9）指标层非私营企业平均工资/元规模以上工业企业数/个社会消费品零售额/108元财政预算收入/108元地区生产总值/108元人均可支配收入/元第三产业比重/%教育投入/104元一般公共预算支出/108元床位数量/张交通仓储邮政业人数/人水利环境基础设施投入/104元农作物产量/(kghm-2)在岗职工数/人自来水受益村/个常住人口数/人人口增长率/%卫生技术人员数/个工业二氧化硫排放量/t生活废水排放量/104t生活烟尘排放量/t废气处理设施/套工业固体垃圾综合利用量/t生活污水处理吨数/t草地/hm2降水量/mm综合能源消费量/吨标准煤（C1）（C2）（C3）（C4）（C5）（C6）（C7）（C8）（C9）（C10）（C11）（C12）（C13）（C14）（C15）（C16）（C17）（C18）（C19）（C20）（C21）（C22）（C23）（C24）（C25）（C26）（C27）属性+-+-权重0.03570.03670.03920.03820.03880.03620.03530.03880.03640.03870.03900.03820.03540.03900.03700.03790.03510.03920.03210.03200.03220.03820.03880.03790.03670.03760.0395注：“+”表示正向指标，“-”表示负向指标30540卷干旱区研究式中：Hj为障碍度，值越大表明该指标的阻碍作用越强；Ej为因子贡献度，即权重wj的大小；Vj为指标偏离度，表示j指标标准化后的值Yj与该指标最大值之间的差距，即与1之间的差距。2结果与分析2.1 宁夏复合生态系统韧性时空演化特征研究时段内宁夏复合生态系统韧性呈上升趋势，由2010年的0.0614波动提升到2020年的0.1074（图2），除2019年呈负增长外，其他各年均呈正增长，2019年表现出负增长主要是由于该时间断面的社会韧性和自然韧性较2018年有所下降。2020年复合生态系统韧性增长最快，增长率为0.0059，该年经济和自然韧性增速均较快。20102020年，经济韧性、社会韧性、自然韧性和复合生态系统韧性总体上均呈上升态势，分别提升了 0.0283、0.0104、0.0074和0.0460。社会韧性除2019年和2020年下降外，其余各年均呈上升态势，2018年社会韧性最高，为0.0365。自然韧性水平在2020年增长最快，其余各年增长较为缓慢，且2011年、2012年、2014年和2018年出现下降。经济韧性水平逐年稳步提升，并在2016年超过了社会韧性，在3个子系统中水平最高。20102020年，宁夏复合生态系统呈现出显著的空间分异（图3）。经济韧性方面，北部大部分区县由低韧性提升到高韧性，中部和南部大部分区县由低韧性提升至中等韧性，北部经济韧性整体高于中部和南部。社会韧性方面，宁夏北部和南部部分区县由低韧性和中等韧性提升至高韧性，中部变化幅度小且均处于低韧性和中等韧性，高社会韧性以市区为中心成片分布且北部和南部高于中部。自然韧性方面，东、西、南、北边缘地区由低韧性和中等韧性提升至高韧性，中部部分区县一直处于低韧性，宁夏四周自然韧性高于中部。复合生态系统韧性方面，北部区县主要由低韧性提升至中等韧性和高韧性，中部和南部大部分区县由低韧性提升至中等韧性，永宁和红寺堡一直处于低韧性，北部复合生态系统韧性较中部和南部高。2.2 宁夏复合生态系统韧性耦合协调性时空特征20102020年宁夏各子系统的耦合度、协调度和耦合协调度如表3所示。20102020年宁夏的平均