RS与GIS在生态可持续性研究中的应用研究生.ppt

RS与GIS在生态可持续性研究中的应用 以中国东北样带为例 报告人 岳书平 一 研究背景 目的及意义二 国内外研究进展三 研究内容和技术路线四 主要研究成果 报告提纲 历史背景从18世纪中下叶开始的工业革命 在带动社会生产力空前扩张的同时 由此所引发的工业污染对环境的危害已危及整个地区 整个流域 以至危及邻国和全球 特别是20世纪50年代以来 发生在发达国家的一系列重大环境污染事件使人类开始反思当前的发展方式 重新认识人类与生态环境的关系 由此引发了可持续发展理论与实践的长足发展和不断进步 一 研究背景 目的及意义 学科背景近年来 在全球和区域可持续发展评价指标与评价方法方面已进行了许多研究 MoldanBetal 1997 NRC 1999 IISD 2000 SwartRetal 2002 但是仍然存在一些缺陷 例如 如何提高评价方法对可持续发展过程和长期变化趋势的表征能力 如何使评价方法便于各级决策者与非专业人士的理解和使用以及如何提高评价对象和指标选择的灵活性等 因此 如何监测和评价一个特定系统的可持续性趋势及其可能性是目前关于可持续发展研究的核心内容 是一项具有重要社会指导意义的研究任务 一 研究背景 目的及意义 一 研究背景 目的及意义 样带研究被认为是研究全球变化与陆地生态系统关系的最重要和有效的途径之一 中国东北森林 草原陆地样带是在全球变化研究中沿降水量梯度设立的一条样带 其土地利用格局在空间上表现为森林区 农林交错区 农业区 农牧交错区 纯牧区的完整序列与过渡 土地利用强度也存在显著的变化 近年来 受全球气候变暖和人类活动的影响 该样带某些地区出现生态系统退化现象 制约了生态系统服务价值的发挥 严重影响了该区生态可持续能力的高低 一 研究背景 目的及意义 目前 可持续发展已成为国际社会共同关注的热点话题 可持续性已成为生态学者密切关注的论题 目前的可持续性评价基本上都属于现状评价 即当今社会的发展状态 实际上 可持续性评价应该以历史时期的某一时段为基期 通过系统发展演替过程分析来评价系统的可持续性 因此 可持续性评价应该是一个过程评价 而不仅仅是现状评价 当然这种评价离不开对现状的理解和把握 另外 当前的评价多采用统计数据 其评价不完全是客观的 存在着很多人为的干扰因素 而且对区域分异的研究力度不够 图1中国东北样带及典型区的位置图中1 2 3 4 5分别代表巴林右旗 通榆县 公主岭市 磐石市和抚松县五个典型区 2 1国内外关于可持续发展的研究2 2生态可持续性评价研究进展2 3中国东北样带研究现状 二 国内外研究进展 2 1 1可持续发展概念的提出及其内涵 2 1国内外关于可持续发展的研究 可持续发展是在人类社会发展过程中 根据当今世界的时代特点 为解决人口 资源和环境矛盾而提出来的 原始社会时期 人类对环境并无大的影响 基本上是受环境的主宰 到了农业社会时期 随着生产力的发展 进入了人类改造环境的初级阶段 工业文明的兴起 开始了大规模的人作用于自然的时代 工业文明所带来的各种环境问题 激化了人与环境之间的矛盾 引发了全球性的生态环境危机 朱晓华 2002 正是这些环境问题的出现 人类开始认真反思传统经济模式的弊端 积极寻求既能提高经济效益 又能保护资源 改善环境的发展模式和发展战略 可持续发展理论应运而生 张宗坪 2002 从经济学角度给出的可持续发展定义 例如 Hawken 1993 认为可持续发展是一种经济状况 即经济活动必须做到不降低环境承载能力以便将其流传给后代 从资源与环境角度阐述可持续发展的目标和原则 例如 Schultink 1992 认为可持续发展是具有环境影响可接受的自然资源的开发与管理 以保证或提高资源基础的长期生产能力 并改善系统确保长期财富和福利 到目前为止 世界上已有100多个关于可持续发展的定义或内涵的解释 综合起来可分为四种类型 从社会学角度出发 世界自然保护同盟 联合国环境署和世界野生生物基金会共同发表的 保护地球 可持续生存战略 中提出的可持续发展的定义是 在生存于不超过维持生态系统蕴涵能力的情况下 改善人类的生活品质 从系统的角度出发 刘培哲等 1996 认为可持续发展就是综合调控经济 社会 自然三位结构的复合系统 以期实现世世代代的经济繁荣 社会公平和生态安全 从以上概念可以看出 这些定义仅仅是对可持续发展进行战略或宏观上的表述 不能表征和评估当前的发展状态 无法对可持续发展战略的实施进行监控 因此必须以此作为建立可持续发展评价指标体系的指导目标和原则 建立一个具有可操作性的 符合实际情况的可持续发展评价指标 或指标体系 以便客观的评价当前发展模式的优缺点 为今后的发展提出改进的建议和意见 促进可持续发展进程的加速 2 1 2可持续发展定量评价研究综述 经济学方法 其基本思想是利用经济学中的效益 费用分析法进行资源核算和环境核算 并将其纳入国民经济核算体系 其中比较有代表性的指标包括世界银行于1995年提出的 真实储蓄 GS 和绿色GDP GGDP 这两种方法是典型的弱可持续评价方法 GGDP是用资源耗竭和环境污染来校正传统的国内生产总值 从而对GDP进行绿色化 社会学方法 即从社会学角度出发 衡量人类自身发展和社会福利的评价方法 例如 联合国开发计划署 UNDP 于1990年提出的人文发展指数 HDI 真实发展指数 JasonVenetoulis等 2004 和由Daly和Cobb于1989年提出的可持续经济福利指数 JonMatthews等 2003 等 这些指标侧重于对社会经济发展程度的衡量 忽略了人类活动对环境造成的影响 生态学方法 生态学家从保护整个生态系统的状态和功能的角度出发 提出了基于生态学的方法 其中具有代表性的评价方法有 生态足迹法 能值分析法和生态系统服务价值评价方法 系统学方法 如由加拿大政府提出的 后由欧洲经合组织 OECD 和UNEP发展起来的压力一状态一响应模型 PSR模型 1996年由联合国可持续发展委员会 UNCSD 提出的 驱动力 状态 响应 指标体系 叶文虎等 1997 等 这些指标体系主要反映了对环境目标的关注 对社会 经济和人口等子系统及其与环境系统之间的关系没有反映出来 而且所选取的指标数目庞大 且粗细分解不均 这些都影响了指标体系的推广应用及其效果 2 2生态可持续性评价的研究进展 2 2 1基本概念及内涵第一类是按其表面含义 理解为永续存在下去的意思 这种理解仅考虑时间上的延续 而尚未涉及实现这种延续性的方式 也没有涉及延续性的质量 即系统状态的演化趋势 第二类解释强调系统状态的维持 Maintenance 这种解释可以维持资源环境系统 却难以满足经济发展的要求 第三类认为可持续性是对系统状态的限制 1imitation 这种 限制 一般情况下被解释为人类生存的环境对社会的经济行为施加的限制 第四类将其解释为 不减性 Non declining 将可持续增长表达为生产总输出或消费不减 将可持续发展表达为效用不减或最低人均消费水平的提高 Pezzey 1992 综上所述 可持续性的内涵至少应包括 1 自然资源的存量和环境的纳污能力是有限的 因此自然资源的开发利用速度不应超过其再生或创造替代资源的速度 废物的排放不超过生态系统相应的自净能力 2 在经济发展过程中 当代人不仅应考虑自身的利益 而且应考虑到后代人的利益 即要保证人均福利水平要随着时间的变化不断增加 许国根等 2005 一般来说 生态可持续性主要是指生态环境对社会经济的持续发展所具有的生态适应性 生态持续性旨在说明自然资源及其开发利用程度间的平衡 强调的是系统整体功能状况 生态可持续性寻求的就是一种最佳的生态系统 以支持生态的完整性和人类愿望的实现 崔保山 2001 因此 真正的生态可持续性应当满足生态环境系统在 时间上的可持续性 空间上的可持续性 和 资源优化上的可持续性 2 2 2生态可持续性评价与生态环境质量 生态安全及生态系统健康评价之间的关系 生态环境质量评价是指在特定的时间和地域条件下 对生态环境进行分等定级 将生态环境监测得到的信息进行量化 定量或比较精确地描述生态环境的质量和存在问题 生态环境质量评价重点是生态环境质量优劣的状态 是以一定质量为标准进行相对质量的评估与比较 强调因地制宜地利用资源 生态系统健康是指一个生态系统所具有的稳定性和可持续性 即在时间上具有维持其组织结构 自我调节和对胁迫的恢复能力 生态系统健康一般可通过对活力 组织结构和恢复力的测定来进行评价 也有学者介绍了能质 结构能质和生态缓冲能力作为衡量生态系统健康的指标 所谓生态可持续性 从发展经济学角度理解 是要比以往的经济获得更大的效益 从生态环境角度理解 是要使以往的生态环境得到进一步的改善 从社会发展角度理解 是使人的生活质量得到更大的提高 生态安全评价是在生态环境质量评价和生态系统健康诊断的基础上发展起来的 是对生态环境质量评价的继续和深化 它主要通过脆弱性分析与评价 寻找生态环境问题的主导因子和敏感因子 并利用各种手段不断改善其脆弱性 降低生态风险 2 2 3生态环境质量评价研究综述 区域生态环境质量评价生态环境质量评价是确定环境承载力和区域规划的前提和基础 因此不同地区根据各自社会经济发展的需要 分别从不同尺度进行了生态环境质量评价 概括起来可分为以下四类 第一类是县域生态环境质量评价第二类是城市生态环境质量评价第三类是省域生态环境质量评价第四类是国家级生态环境质量评价 特定生态类型区生态环境质量评价 目前关于生态环境质量的研究已由过去侧重于污染 灾害等方面 转向对资源 环境 社会经济等方面的综合分析 但是目前对人文社会因子的研究仍然不够深入 社会经济数据空间化的技术还不成熟 过去开展的大量生态环境质量研究工作主要依赖于定点观测数据 随着遥感与GIS技术的不断发展 研究方法逐步转为定点观测和遥感与GIS技术相结合 但是遥感数据时空分辨率不一致 数据量大 研究成本高等限制了它在生态环境质量评价中的应用 另外 缺乏统一的生态环境质量评价标准 使得对区域和时间序列的比较研究难以具体化 特别是对生态环境质量的动态监测研究不足 2 2 4生态可持续性评价研究进展 目前常用的生态可持续性评价方法主要有四种 生态足迹法能值分析法生态服务价值核算法指标体系法 生态足迹法 创始人 加拿大生态经济学家WilliamRees及其博士生Wackernagel该方法以生态空间利用作为限制性因子 评估人类对生态系统的资源供给 废弃物消纳和基础建设空间支持等三类服务功能的消费与利用程度 揭示生态系统产品和服务在不同人群的分配和人类对生产性空间的排他性占用情况 它从需求方面计算生态足迹的大小 从供给方面计算生态承载力 通过二者的比较评价研究对象的生态可持续发展状况 生态足迹法的优点 可以反映生态服务生产 流动 消费的全过程 反映生态系统服务的滥用和不充分利用 可以分析其他资源对生态系统服务的替代性 合理配置生态系统 土地 空间互斥性 假设完全忽略了各类土地功能的多样性和一定程度的功能替代性 导致生态足迹供给计算结果偏低的系统误差 基于全球平均产量为1基础上计算出的生物资源消费生态足迹完全忽视了生物生产过程中人类对环境的巨大破坏和掠夺 抹杀了科技进步对承载更多人口的支撑作用 掩盖了某种消费商品的世界平均产量下降导致的全球生态足迹供给的实际下降 并造成类似 货币幻觉 的 生态足迹幻觉 该模型只是一种关于现实情况的衡量 无法反映未来的趋势 不足以监测变化过程 生态足迹法的缺陷 能值分析法 创始人 美国著名生态学家H T Odum能值定义 形成任何资源 产品 劳务 资讯直接或间接所需的某种能量的总量 能值分析就是以能值为基准 把生态系统或生态经济系统中不同种类 不可比较的能量通过能值转换率转换成同一标准的能值 如太阳能能值 来衡量和分析 能值分析法 能值分析的基本步骤包括 收集研究对象相关的自然环境 地理和社会经济各种资料数据绘制能量系统模型图 编制各种能值分析表 构建系统能值综合结构图 计算能物流量与各种能值指标 建立能值指标体系 系统模拟和发展评价与策略分析 能值分析的优点 它把居于不同等级的能转换成同一质量的能来进行分析 克服了传统的能量分析把不同形式 不同等级的能量简单相加减所造成的评价结果的偏差 避免了传统可持续发展分析中各指标量纲不一 以及难以计算和比较的缺陷 其分析评价涵盖了所有的投入来源 包括难以用货币或能量表示的投入 如环境资源的投入 为客观评价一切自然与经济活动的产品及服务提供了一个统一的平台 由于系统的地域性及发展水平的差异性 能值转换率在地区之间仍有一定差别 引用Odum等的研究成果难免会产生一定偏差 单项能值分析指标虽然可从某一方面来衡量生态经济系统的持续发展态势 但仍缺乏能综合各单项能值分析指标 以综合衡量区域生态经济系统可持续发展水平的复合指标 能值反映的是物质产生过程中所消耗的太阳能 不能反映人类对生态系统所提供的服务的需求性 也不能反映生态系统服务的稀缺性 能值分析的缺陷 生态服务价值核算法 1977年Westman提出了 自然的服务 nature sservices 概念及其价值评估问题 1997年 Daily及Constanza等综合了国际上已经出版的用各种不同方法对生态系统服务价值的评估研究结果 将全球生物圈分为16个生态系统类型 并将生态系统服务分为17种类型 在世界上最先开展了对全球生物圈生态系统服务价值的估算 同年 Pimentel等也对国际上有关自然资本与生态系统服务价值的研究结果进行了汇总分析 对世界生物多样性与美国生物多样性的经济价值开展了比较研究 估算出世界生物多样性在废物处理 土壤形成 氮固定 化学物质的生物去除 授粉等18个方面的年度经济价值为29280亿美元 该估算结果不到Constanza等所估算结果的1 10 生态服务价值核算法 现有的生态服务价值评估方法有 生产率变动法人力资本法机会成本法有效成本法防护费用法置换成本法旅行费用法享受价值法意愿评估法 首先 运用价值量评价方法计算生态系统服务能力所得的结果都是货币值 因此既能将不同生态系统与同一项生态系统服务进行比较 也能将某一生态系统的各单项服务综合起来 其次 人们对货币值有明显的感知 因此运用价值量评价方法得出的结果能引起人们对区域生态系统服务足够的重视 促进人们对生态系统服务的持续利用 另外 生态系统服务价值量评价研究能促进环境核算 将其纳入国民经济核算体系 最终实现绿色GDP 生态服务价值核算法的优势 生态服务价值核算法的缺陷 首先 由于生态系统的结构具有复杂性 其生态系统服务功能也是复杂的 不同功能的系统组分之间彼此相互作用 相互影响 致使生态系统服务的分类本身就缺乏严格的标准 同时存在着时间和空间上复杂的尺度转换问题 从而使生态系统服务的价值评估容易出现重复计算 直接影响到对生态系统定量研究的准确性 其次 目前国内外有关生态系统服务价值估算方面的研究成果 基本上是利用单位面积价值对总量的静态估算 对生态系统类型 质量状况的时空差异缺乏考虑 估算结果难以反映生态系统服务价值在空间分布上的真实状况 生态服务价值核算法的缺陷 再次 由于经济学方法本身存在着一定的局限性 对于不同的评估对象和评估目标往往需要选取不同的评估方法 每一种生态系统服务通常可以有几种不同的评估方法 评估结果在很大的程度上依赖于选择的不同方法 从而使得到的结果间缺乏可比性 最后 由于生态系统不同于经济系统 有时用经济学方法对生态系统进行评估时往往很难反映出自然系统的价值 特别是当人类对生态系统服务的偏好随着时间和新信息的出现而发生变化时 可能会出现更大的差异 指标体系法 Dalsgaard等 1995 建议使用多样性 循环性 稳定性和容量 diversity cycling stabilityandcapacity 四种生态属性进行种植系统的生态可持续性评价 并据此对菲律宾的四类种植系统进行了分析 Kleinman等人 1995 认为真正评价农业可持续性 除了相关的生态指标外 还必须考虑市场因素 土地使用期限 相关技术以及其他的社会经济变量 这些变量与农业生态系统的生态可持续性存在必然的联系 因为它们塑造农民的行为 并驱动 影响 决策 JohannesPeterseila等 2004 从景观角度出发 运用多学科多尺度方法将遥感数据和景观生态领域的调查结合起来 把景观类型作为空间参考框架 对奥地利的农业景观进行了生态可持续性评价 TonyPrato 2005 认为评价生态系统强可持续性的传统方法是基于可持续性指标或生态系统属性的脆弱集得出的 这种方法认为生态系统管理者能够通过比较那些测量属性的可持续阈值明确的区分出强可持续生态系统和弱可持续生态系统 2 2 5目前研究中存在的问题 过分注重生态要素的研究 对人文因素研究力度不够注重现状评价 缺乏对生态环境系统发展过程的研究忽视了区域差异 过分强调评价方法与模型的普适性对生态可持续性的空间分异研究不足 2 3中国东北样带研究现状 中国东北样带是在全球变化研究中沿降水量梯度设立的一条样带 全长1600km 位于东经112 130 5 沿北纬43 5 设置 见图1 从地形地貌来看 NECT在北纬43 5 一线上由东到西大致可分为三段 东部滨海的中低山区 中部的松嫩平原与西辽河谷地以及西段的大兴安岭南部山地和内蒙古高原 从气候来看 NECT由东到西分别属于温带湿润区 温带湿润半干旱区与温带半干旱 干旱区 存在一个明显的降水与湿润度梯度 这是控制样带植被结构 生产力与土地利用格局的关键自然因素 也是样带全球变化的主要驱动因素 NECT的植被与土壤地带性亦可分为三段 即东部的温带针阔叶混交林 暗棕壤地带 中部的低地草甸 农田 暗色草甸土地带和西部温带草原黑钙土 栗钙土 棕钙土地带 2 3 1中国东北样带的气候 植被定量关系研究2 3 2中国东北样带土地利用相关研究2 3 3中国东北样带对全球变化的响应模拟研究 自中国东北样带正式提出以来 国内学者对其进行了大量研究 包括古植被气候重建的表土花粉与植被定量关系研究 气候植被定量关系研究 典型生态系统的生物地球化学循环过程研究 净第一性生产力和土地利用变化研究以及全球变化的动态模拟等 现就主要的研究领域总结如下 NDVI季节变化及其与气候因子关系的遥感监测与模拟 唐海萍等 2003 分析了分辨率为1km 1km的NDVI年内季节变化的两个特征值 年均NDVI NDVI I 和NDV1年内极差 NDVI MM 在样带内5种不同植被类型间的变化及其与年平均气温和降水量之间的相关关系 结果表明 NDVI具有明显的季节变化格局 肖乾广等 1997 利用极轨气象卫星的归一化植被指数 NDVI 分析了样带上不同植被地带 荒漠草原 典型草原 草甸草原 农耕区和森林区的NDVI的年际变化特征以及旬NDVI与旬降水量之间的关系 指出根据NOAA AVHRR经平滑处理的NDVI的时间变化廓线可以用来监测植被的季节变化 植被生长状况和气候年际波动 郭亮等 1997 提出了基于遥感信息估算中国东北样带蒸发散计算公式 基于这一公式分析了样带年实际蒸散量变化特征 指出在中国东北样带内蒸散量由西向东变化梯度较大 与植被类型由荒漠草原 典型草原 草甸草原 农耕区和森林区的变化相一致 而南北方向变化小 遥感信息驱动的区域植被模型 高琼等 1997 运用系统空间仿真方法 建立了遥感信息驱动的中国东北样带区域植被模型 该模型假定模拟区域的植被结构 植被类型 不会发生改变 将植被类型的生物量分成绿色和非绿色生物量两部分 利用植物绿色生物量与卫星遥感植被指数的关系 将遥感数据作为模型参数化和校验的资料 刘先华等 2000 基于NDVI对内蒙古锡林河流域定居放牧方式下植被状况的空间变化特征进行了研究 结果表明 NDVI随定居点距离的变化格局可划分为3个阶段 即草原处于原生阶段的第一阶段 NDVI不随距离变化 定居点附近开始局部退化的第二阶段 NDVI随距离增加而增大 退化区域扩大的第三阶段 NDVI不随距离变化 2 3 2中国东北样带土地利用相关研究 杨利民等 1999 对松嫩平原5个主要群落类型放牧干扰梯度对植物多样性的影响进行了分析 结果表明 随着放牧干扰强度加重 从盐湿化草甸到典型草原 群落植物种的丰富度呈下降趋势 对于整个样带草地群落放牧干扰植物多样性变化的研究表明 中牧或重牧阶段指数达最大值 形成中牧 重牧 重牧 中牧 轻牧 过牧的规律 康慕谊等 2000 根据中国东北样带内农林牧各部门用地结构 产值结构 劳动力结构等方面 将样带自西向东依次划分为牧区 农牧交错区 农区 林区4种土地利用类型区域 然后选取典型样点 从土地利用结构类型和土地利用强度等方面揭示出样带上土地利用发生变化较剧烈的区域为农牧交错带 变化的原因主要是人类活动强度的增加 石瑞香等 2000 又从样带 NECT 内的农牧交错区选择典型样点作为研究单元 分析其近年来的耕地变化状况 2 3 3中国东北样带对全球变化的响应模拟研究 张新时等人 1997 在野外考察和数据采集的基础上 进行了NECT植被类型结构和净第一性生产力的分析和模拟 并对样带对于全球变化的响应做出了初步模拟 动态仿真结果显示 在温度增加2 而其他输入变量保持不变时 全样带区域内的绿色生物量在30年内下降25 在当前气候条件下 30年内CO2加倍的直接效应将导致全样带平均绿色生物量增加30 静态经验模型结果表明 由于气温和降水的变化 NECT区域内的森林和灌丛在全球变化后面积将减少 高琼等 1997 关于中国东北样带对全球变化响应的预测模拟表明 在当前CO2浓度条件下 温度升高4 导致的蒸散增加将可使全样带的自然植被的平均生物量和生产力分别下降32 11 和41 19 而在降水仅增加20 条件下 样带自然植被的平均生物量和生产力分别上升12 12 和17 11 样带生物多样性各层次 景观与斑块水平的研究及其梯度分析 强化陆地生态系统生产力的时空格局 生态可持续性发展趋势及陆地生态系统生态安全机制与调控研究 采用Modis MSS TM SPOT等不同时空分辨率的遥感数据进行样带动态模型研究 促进尺度转换和参数化理论 以及遥感信息驱动的 多尺度集成生态模型的发展 集数据库 模型库和专家系统于一体的陆地生态系统数字系统的建立 以实现陆地生态系统对全球变化响应的动态仿真与海量数据管理 便于政府针对全球变化做出适宜的对策 三 研究内容和技术路线 1 主要研究内容生态可持续性评价理论基础与评价模型研究基于RS和GIS技术的中国东北样带 NECT 生态环境区划研究评价指标因子的获取与处理NECT典型区生态可持续性时空分异研究NECT典型区生态可持续性未来情景分析 2 研究方法及技术路线生态可持续性评价指标体系运用压力 状态 恢复力概念模型 PSR模型 来构建 生态可持续性评价采用AHP 信息熵 空间模糊综合评价模型 运用Costanza等人的生态系统服务价值核算法计算各典型区的生态系统服务价值 验证生态可持续性评价结果的科学性 在生态可持续性演变过程及现状分析的基础上 运用情景分析法初步预测各典型区生态可持续性的未来演变趋势 三 研究内容和技术路线 研究技术路线 四 主要研究成果 一 NECT生态可持续性评价模型研究 二 基于RS和GIS技术的中国东北样带 NECT 生态环境区划 三 评价指标因子的获取与处理 四 NECT典型区生态可持续性评价及时空分异研究 五 NECT典型区生态可持续性未来情景分析 成果之一 评价模型研究 1 评价指标体系的构建在可持续发展定量评价方法中 由加拿大政府提出的 后由欧洲经合组织 OECD 和UNEP发展起来的压力一状态一响应模型 PSR模型 根据原因一效应一响应这一思维逻辑来构造指标 突出了环境受到的压力和环境退化之间的因果关系 与可持续的环境目标之间的联系较密切 叶文虎等 1997 所得评价结果因果关系明确 容易接受 有利于生态环境政策的制定和实施 因此 本文参照该模型构建生态可持续性评价指标体系 提出了压力 Press 状态 State 恢复力 Resilience 概念模型 也可简称PSR模型 2 评价模型的确定AHP 信息熵 空间模糊综合评价模型由于生态可持续性评价中存在着一些边界不清 不易量化的因素 因此文中选择多级空间模糊评价模型 该方法通过隶属度概念的引入 使得评价结果连续依赖于评价因子 而不是机械分割 从而使评价结果更符合实际情况 但是 该方法不能有效的解决好指标体系和因子权重的确定问题 因此 本文先用AHP方法求得各级评价指标的权重 然后再用信息熵对其进行修正 成果之二 评价模型研究 模糊综合评价的步骤 一 确定评价对象集 因素集和评语集 二 确定评价等级标准集 三 确定隶属度矩阵 四 进行模糊综合评价指标权重的确定 一 采用AHP方法求得各级评价指标的权重 二 采用信息熵对其进行修正 成果之二 评价模型研究 表4 4生态可持续性评价指标权重分配 成果之二 NECT生态环境区划及典型区评价单元的确定 生态区划是在一定的自然区域范围内 以生态系统类型为基础 以生态特征 空间结构 生产力 稳定性和人为活动对系统的生态关系及其整体功能的影响度为指标 所进行的自然生态系统类型划分和空间定位 李岱青 2000 1 生态环境区划的原则 整体性原则相似性原则主导性原则行政区划完整性原则 2 生态环境区划的指标影响生态环境系统的要素多种多样 本文选取气候 包括干燥度和降水量 地貌 植被 土壤 人类活动 土地利用组合类型 等几个具有代表性的指标作为区划依据进行地域划分 表1水热状况指标分类标准表2地貌分类标准 NECT生态环境区划研究 表3土地利用组合类型分类表注 该表中统计的各类面积是对中国东北样带所涉及的所有县级行政区的总面积进行的 NECT生态环境区划研究 3 生态环境区划的方法早期的区划方法 基于专家经验的定性研究优点是可以充分认识地域分异规律 正确构建宏观分区框架和指导生产实践 缺点是不够精确 主观性强近期的区划方法 单纯的定量化方法优点是可以避免主观随意性 缺点是基于模型的区划结果与实际情况存在一定偏差 限制了区划结果在实际中的应用 因此 本文采用专家经验判别与地球信息技术相结合的方法 充分发挥定性与定量方法的优势 NECT生态环境区划研究 NECT生态环境区划研究 4 生态环境区划方案根据上述区划指标和方法 本文将研究区分为五个生态环境区 命名方式采用地理位置 地貌类型 干湿状况 土地利用组合状况 分类结果如下表所示 中国东北样带生态环境区划图 典型区评价单元的确定 采用面状评价单元与点状评价单元相结合的方法 以栅格单元作为各评价指标信息的载体 用小流域单元作为生态可持续性综合评价的研究单元 1 本文以各典型区的DEM作为数据源进行小流域划分 图6 1中国东北样带典型区小流域单元划分结果 2 格网空间尺度的选择与确定通过比较矢量数据栅格化中不同栅格大小对数据精度和数据量所造成的影响 来确定合适的栅格大小 1 指标因子提取方法 1 人机交互式解译 2 窗口移动法 3 空间插值法2 主要指标因子数据采集 以公主岭市为例 1 资源环境压力因子 2 生态环境状态因子 3 恢复力因子 成果之三 指标因子的获取与处理 一 资源环境压力因子 人文社会压力 主要通过人口密度 农村人均纯收入 路网干扰强度 土地利用程度和耕地面积变化率五个指标来衡量 环境污染压力 主要表现在农药 化肥的施用上 一 人文社会压力要素 人口密度 参照田永中等人的研究方法 根据土地利用数据 分城乡进行建模 各建制镇人口普遍高于一般农村地区 而且人口密度随着时间的推移不断增大 2000年平均人口密度最大 一 人文社会压力要素 农村人均纯收入 一般来说 农村人均纯收入越高 人类给生态环境造成的压力越大 但同时用于改善生态环境条件的投入也越多 在一定程度上又缓解了生态环境的退化 1976 2005年间 表现为先增后减又增的波动式变化 一 人文社会压力要素 路网干扰强度 数据来源 地形图和遥感影像处理方法 先做缓冲区 再用窗口移动法计算单位圆内的各类道路的面积之和 1996年之后高值区面积显著增大 高值区 南崴子 公主岭市区 刘房子 陶家屯 范家屯一线 另一部分出现在怀德镇附近 一 人文社会压力要素 土地利用程度 数据来源 依据MSS TM ETM目视解译得到的LUCC数据处理方法 按等间距法将研究区按10km 10km划分为78个小区 参照刘纪远等人 1996 提出的土地利用程度分级标准进行分级 然后 计算各小区的土地利用程度综合指数 并对计算结果进行空间化 随着时间推移 土地利用程度有增大的趋势 但是空间分布变动不大 高值区主要集中在中东部地区 一 人文社会压力要素 耕地面积变化率 数据来源 依据MSS TM ETM目视解译得到的LUCC数据处理方法 以1976年作为基准年 计算各典型年份耕地面积变化量占基准年耕地总面积的年均百分比 采用小区统计法 1976 1986年间急剧增加 特别是东辽河流域和公主岭市政府驻地及其周围地区 随后增速明显减慢 转移到公主岭市南部低山丘陵区 二 环境污染压力要素 每公顷耕地化肥使用量 数据来源 依据公主岭市统计年鉴相关数据处理方法 利用化肥使用总量与耕地面积之比来表示 二 生态环境状态因子 生态环境系统所处的状态既与当地的生态环境基础有关 又与人类活动影响下生态环境系统所具有的组织结构和系统活力相连 因此 本文从以上三方面分别选取指标进行评价 生态环境背景要素 包括当地的地形地貌 土壤 植被 气候等基础因素 这些要素在短时期内变化较小 因此研究时段内可以将其看做是不变要素 组织结构要素 主要从景观生态学角度进行分析 选用高生态功能斑块密度 景观多样性指数 水域面积比例 建设用地面积比例等指标系统活力要素 体现在其生产能力上 所以选用NPP 一 生态环境背景要素 相对起伏度 数据来源 NASA提供的SRTM数字高程数据处理方法 参考中国1 100万数字地貌的分类方案 采用邻域分析方法计算得到 图18公主岭市DEM 左 及相对起伏度 右 分布图 土壤数据以1989年8月出版的吉林省1 25万土壤图为底图 通过图像纠正和数字化生成公主岭市1 25万土壤图 地貌数据根据中国1 100万数字地貌的分类方案 参照吉林省1986年1 50万地貌图 根据2000年ETM影像解译获得 图20公主岭市土壤图 图21公主岭市地貌图 一 生态环境背景要素 土壤和地貌数据 参考马镜娴等人 2000 的研究成果 分四步进行计算 首先 计算各个年份降水量的距平百分率 其次 选取较长时间尺度 计算距平百分率的累积值 第三步 计算年代降水强度指数 即降水距平百分率累积值的年际变化曲线与横坐标轴 时间轴 所组成的区域面积的代数和 最后 计算研究区相邻站点的年代降水强度指数并进行空间化 得到整个研究区降水强度指数空间分布图 一 生态环境背景要素 降水强度指数 不同年代之间变动很大 20世纪70年代初 80年代初和90年代初降水量偏多 但从90年代末期开始降水量呈减少趋势 一 生态环境背景要素 土壤侵蚀强度 数据来源 SRTM数字高程数据 土地利用数据 降水资料 土壤图处理方法 USLE模型 通用土壤流失方程 数据来源 土地利用数据中的面状水域 包括 河流 湖泊 水库坑塘等 和根据遥感影像提取出来的单线河 处理方法 对较大河流按2个像元大小做缓冲区 小型河流按1个像元进行计算 水域面积比例的计算也采用窗口移动法 图23公主岭市水域面积比例 高值区位于南部的二龙山水库和西南部的东辽河入口处 二 组织结构要素 水域面积比例 数据来源 依据MSS TM ETM目视解译得到的LUCC数据处理方法 采用相应的景观指数计算公式 计算方法同土地利用程度综合指数 二 组织结构要素 景观多样性指数 高生态功能斑块密度 建设用地面积比 耕地景观破碎度 图5 19公主岭市1976 2005年景观多样性指数分布图 图5 18公主岭市1976 2005年高生态功能斑块面积比分布图 图5 21公主岭市1976 2005年建设用地面积比 图5 22公主岭市1976 2005年耕地景观破碎度分布图 二 系统活力要素 NPP 数据来源 1981 2000年NOAA AVHRR遥感观测数据 2005年采用分辨率为250m的Modis作为数据源获取的处理方法 利用GLO PEM模型反演 三 恢复力因子 恢复力主要从系统自身所具有的恢复力和人类响应措施所具有的恢复力方面来衡量 系统恢复力 为了衡量生态环境系统自我维持 自我调节以及抵抗各种外界压力与扰动的能力大小 文中引用了生态环境系统弹性度的概念 人为恢复力 采用林网密度或退耕指数等指标来衡量 一 系统恢复力要素 生态环境系统弹性度 数据来源 依据MSS TM ETM目视解译得到的LUCC数据处理方法 采用生态环境系统弹性度计算公式 计算方法同土地利用程度综合指数 式中 表示生态环境系统弹性度的大小 Sik代表地物k所占区域景观总面积的比例 Pik为地物k的弹性分值 Di为区域的景观多样性指数 文中采用Shannon Wiener指数 弹性分值的大小参照左伟 2002 的研究成果 通过专家评分法获得 二 人为恢复力要素 林网密度 数据来源 1976年地形图 1986 2005年TM ETM遥感影像处理方法 在地形图或遥感影像上提取林带的长度 然后对其做缓冲区分析 之后再与片林叠加得到林网的面积 林网密度是指单位面积内的防护林面积 采用窗口移动法进行计算 成果之四 NECT典型区生态可持续性时空分异研究 不同类型区生态可持续性的空间分异各类型区生态可持续性动态演变评价结果的验证 各典型区生态可持续性空间格局的变化 1986 2005年间各典型区生态可持续指数的空间分布变动均较大 各流域生态可持续性的空间差异 各流域表现为整体下降趋势 不同研究时段其空间分布特征存在一定差异 与土地利用类型之间的关系 相同土地利用类型上的生态可持续指数在不同研究时段差异很大 同一研究时段不同土地利用类型的生态可持续指数也不尽相同