基于區(qū)統(tǒng)計(jì)方法的石羊河流域土地生態(tài)敏感性評(píng)價(jià)

魏 偉，石培基，周俊菊，雷 莉，魏曉旭，頡斌斌

（1.西北師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，蘭州730070；2.甘肅省水利廳 石羊河流域管理局，甘肅 武威733000；3.蘭州城市學(xué)院 城市經(jīng)濟(jì)與旅游文化學(xué)院，蘭州730070）

生態(tài)敏感性是指生態(tài)系統(tǒng)對(duì)自然環(huán)境變化和人類(lèi)活動(dòng)干擾的反映程度，說(shuō)明發(fā)生區(qū)域生態(tài)環(huán)境問(wèn)題的難易程度和可能性大小［1］。生態(tài)敏感性評(píng)價(jià)實(shí)質(zhì)上是對(duì)現(xiàn)狀自然環(huán)境背景下的潛在生態(tài)問(wèn)題進(jìn)行明確辨識(shí)，并將其落實(shí)到具體空間區(qū)域上的過(guò)程［2］。目前，隨著GIS技術(shù)的發(fā)展，利用GIS空間分析功能定量計(jì)算區(qū)域生態(tài)敏感性已經(jīng)成為生態(tài)研究領(lǐng)域中不可或缺的方法，如張偉等［3］利用GIS方法，以湖北省谷城縣為例研究了山地城市生態(tài)敏感性，并對(duì)其敏感性做了分區(qū)；李德旺等［4］將GIS空間疊置方法與層次分析法相結(jié)合，研究了大尺度范圍的長(zhǎng)江上游生態(tài)敏感性，生成了生態(tài)敏感性分區(qū)圖；張朝瓊等［5］利用GIS技術(shù)，以貴州省仁懷市為研究對(duì)象，運(yùn)用單因子敏感性評(píng)價(jià)和綜合敏感性評(píng)價(jià)兩種方法，選擇土地利用、高程、坡度、水系、地質(zhì)災(zāi)害作為評(píng)價(jià)因子，對(duì)仁懷市生態(tài)敏感性及其空間分布進(jìn)行了研究。凌煥然等［6］利用3S技術(shù)對(duì)馬鞍山市江心洲進(jìn)行生態(tài)敏感性分析，選擇有代表性的生態(tài)影響因子，結(jié)合相應(yīng)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，最終將敏感性分為5級(jí)。總體來(lái)看，在研究區(qū)域選擇上，對(duì)生態(tài)敏感性的評(píng)價(jià)主要以大尺度范圍為主，以城市或固定的行政界線為研究區(qū)，而在研究方法上，主要以GIS空間分析法和各類(lèi)權(quán)重確定方法相結(jié)合為主要手段。但目前，對(duì)于小流域土地綜合敏感性的認(rèn)識(shí)不足，少有的研究也主要限于調(diào)查數(shù)據(jù)和定性為主，利用GIS空間疊置功能，將諸多因素綜合考慮，利用定量模型手段評(píng)價(jià)生態(tài)敏感性的研究尚不多見(jiàn)［7］。因此本研究試圖利用GIS分析方法，借助遙感數(shù)據(jù)，綜合分析流域土地生態(tài)敏感變化情況，定量分析生態(tài)敏感性的特征和分區(qū)，以期為流域治理和生態(tài)恢復(fù)提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

石羊河流域位于甘肅省河西走廊東部，祁連山北麓，介于101°22′—104°16′E，36°29′—39°27′N(xiāo)［8］。屬河西走廊三大內(nèi)陸河流域之一，流域行政區(qū)劃包括武威市的涼州區(qū)、古浪縣、民勤縣全部及天?？h部分地區(qū)，金昌市的永昌縣及金川區(qū)全部及張掖市肅南裕固族自治縣，共3市7縣（區(qū)），面積約41 600km2。截止2013年，流域內(nèi)總?cè)丝诩s248.0萬(wàn)人［9］。該流域地勢(shì)南高北低，自西南向東北傾斜，且深居大陸腹地，屬大陸性溫帶干旱氣候，太陽(yáng)輻射強(qiáng)，日照充足，夏季短而炎熱，冬季長(zhǎng)而寒冷，溫差大，降水少，蒸發(fā)強(qiáng)烈，空氣干燥。流域內(nèi)土壤、植被類(lèi)型分布因受氣候、水文和地形等自然條件的影響，形成了明顯的土壤—植被垂直帶譜［10］。

2 數(shù)據(jù)源及方法

2.1 數(shù)據(jù)源

主要數(shù)據(jù)包括2013年石羊河流域Landsat/ETM＋遙感影像，空間分辨率為30m，石羊河多年平均降水（包括年降水和月降水）和氣溫資料、石羊河流域DEM 30m×30m，2013年石羊河土地利用現(xiàn)狀圖、石羊河土地沙化圖以及石羊河流域基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)等。以上數(shù)據(jù)主要來(lái)源于石羊河流域數(shù)據(jù)集，在原始數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對(duì)部分統(tǒng)計(jì)資料進(jìn)行了歸并和綜合處理。本次研究主要利用GIS空間分析技術(shù)和柵格計(jì)算技術(shù)，以 ArcGIS 10.0和Erdas 9.1為數(shù)據(jù)處理平臺(tái)。

2.2 評(píng)價(jià)方法

2.2.1 評(píng)價(jià)因子選取 本研究在對(duì)石羊河流域諸多地理生態(tài)環(huán)境問(wèn)題綜合分析的基礎(chǔ)上，在明確流域生態(tài)環(huán)境敏感性的分布特征的基礎(chǔ)上。通過(guò)調(diào)查研究和相關(guān)資料查閱，得知水土流失、土地沙漠化問(wèn)題是石羊河流域主要的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題［8－9］，因此，在進(jìn)行生態(tài)敏感評(píng)價(jià)指標(biāo)選擇中本研究考慮選用水土流失、土壤鹽漬化和土地沙漠化及生物多樣性問(wèn)題等4項(xiàng)評(píng)價(jià)因子對(duì)石羊河流域土地生態(tài)敏感性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

2.2.2 單因子評(píng)價(jià)

（1）水土流失敏感性指數(shù)（N1）。主要參考水土流失通用方程（USLE），綜合考慮降水、坡度、地表植被和土地利用四大因子。在利用降水量數(shù)據(jù)時(shí)考慮雨季降水量，石羊河地區(qū)降水主要集中在7—9月三個(gè)月，因此降水因子采用石羊河多年7—9月份平均降水量和石羊河24h最大降水平均值來(lái)表征。坡度（Slope）利用DEM數(shù)據(jù)在GIS的空間分析功能模塊下直接生成，NDVI通過(guò)遙感數(shù)據(jù)計(jì)算獲得，土地利用數(shù)據(jù)通過(guò)遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行目視解譯獲得。N1的計(jì)算公式如下：

式中：p——石羊河多年6—9月份平均降水量；pm——石羊河24h最大降水量；s——坡度；v——NDVI；l——土地利用；各因子通過(guò)賦值后利用柵格計(jì)算得到水土流失敏感性空間分布圖（附圖3），以ArcGIS的Natural Break法將計(jì)算出的N1值分為五級(jí)，分別表示不同等級(jí)的生態(tài)敏感程度［11］。各評(píng)價(jià)因子分級(jí)賦值如表1所示。

表1 水土流失敏感性指數(shù)因子及賦值

（2）土壤鹽漬化（鹽堿化）敏感性指數(shù)（N2）。利用經(jīng)過(guò)幾何較正和輻射定標(biāo)后的Landsat/ETM＋反射率數(shù)據(jù)反演鹽分指數(shù)（SI）和歸一化差值植被指數(shù)（NDVI）。

式中：SI——鹽分指數(shù)；NDVI——?dú)w一化差值植被指數(shù)；ρ1，ρ3，ρ4——Landsat/ETM＋ 相應(yīng)波段反射 率值。這里我們采用王飛等［12］建立的鹽漬化遙感監(jiān)測(cè)模型（Salinization Detection Index，簡(jiǎn)稱SDI），其表達(dá)式為：

式中N2——鹽漬化遙感監(jiān)測(cè)指數(shù)。將監(jiān)測(cè)指數(shù)利用NaturalBreak法進(jìn)行分級(jí)，最終得到土壤鹽漬化敏感性空間分布圖（附圖4），用于計(jì)算土地生態(tài)敏感性。

（3）土地沙漠化敏感性指數(shù)（N3）。在石羊河流域土地沙化現(xiàn)狀分布圖（.SHP）和石羊河沙漠類(lèi)型分布圖的基礎(chǔ)上進(jìn)行綜合，沙漠化程度高，表明對(duì)土地沙漠化生態(tài)指示最敏感，綠洲邊緣與沙漠過(guò)渡帶對(duì)沙漠化指示也很敏感［13］。根據(jù)這一原理，將其分別劃分為極敏感和高敏感區(qū)，其他類(lèi)別根據(jù)對(duì)生態(tài)敏感程度依次進(jìn)行分級(jí)，最后形成全流域土地沙漠化敏感性空間分布圖（附圖5），參與最終評(píng)價(jià)。

（4）生物多樣性敏感性指數(shù)（N4）。利用能夠較好反映植被原生狀態(tài)和植被生長(zhǎng)狀況的歸一化植被指數(shù)（NDVI）（僅取0～1值）反映生態(tài)環(huán)境的原生狀態(tài)保持程度和植被生長(zhǎng)狀況［14］，利用石羊河流域植被覆蓋指數(shù)情況表征生物多樣性保護(hù)中的敏感程度，根據(jù)此值將其劃分為5個(gè)等級(jí)（附圖6）。NDVI的計(jì)算公式同（3），植被覆蓋指數(shù)計(jì)算公式如下：

式中：N4——生物多樣性敏感指數(shù)；NDVIsoil——完全是裸土或無(wú)植被覆蓋區(qū)域的NDVI值；NDVIveg則代表完全由植被所覆蓋像元的NDVI值；即純植被像元的NDVI值。

通過(guò)上述方法得到土地生態(tài)敏感性評(píng)價(jià)因子后，將上述四種敏感性指數(shù)柵格圖在ArcGIS中依據(jù)等距離百分位法自然分類(lèi)（Natural Breaks（Jenks））進(jìn)行重分類(lèi)，在參考相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上［7－8，11］，將其分為5類(lèi)，以此生成土地綜合生態(tài)敏感性分級(jí)表（表2）在ArcGIS中進(jìn)行重分類(lèi)處理，然后分別賦予不同的等級(jí)值。

表2 石羊河流域土地生態(tài)敏感性因子分級(jí)表

2.2.3 綜合評(píng)價(jià)

（1）評(píng)價(jià)各單因子權(quán)重的確定。通過(guò)計(jì)算和評(píng)價(jià)單因子敏感性在空間的分異，最后將所有參與評(píng)價(jià)的因子進(jìn)行綜合，采用綜合評(píng)價(jià)法得出最后結(jié)果。本研究采用變異系數(shù)法確定各個(gè)因子的權(quán)重，此公式表達(dá)如下［15］：

式中：R——評(píng)價(jià)因子權(quán)重；A——評(píng)價(jià)因子變異系數(shù)；D——評(píng)價(jià)因子標(biāo)準(zhǔn)差;——評(píng)價(jià)因子均值；i——評(píng)價(jià)因子數(shù)，i＝1，2，3，4。計(jì)算過(guò)程和結(jié)果見(jiàn)表3。

（2）評(píng)價(jià)結(jié)果。對(duì)影響土地生態(tài)綜合敏感性的所有因子進(jìn)行加權(quán)求和，得到各評(píng)價(jià)單元的綜合土地生態(tài)敏感性指數(shù)。計(jì)算公式如下：

式中：Z——綜合土地生態(tài)敏感性指數(shù)；Ri——四項(xiàng)因子歸一化權(quán)重系數(shù)；Ti——評(píng)價(jià)因子指數(shù)［16－17］。

利用ArcGIS的重分類(lèi)方法將土地生態(tài)的綜合敏感性指數(shù)分為五級(jí)，最后得到石羊河流域土地生態(tài)綜合敏感性空間分布圖（附圖7），將空間分布圖不同生態(tài)敏感性等級(jí)進(jìn)行面積統(tǒng)計(jì)，分別分析不同等級(jí)的空間分布特征。分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)和統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表4。

表3 利用變異系數(shù)法確定的各因子所占權(quán)重表

3 結(jié)果與分析

3.1 水土流失敏感性分析

石羊河流域自然條件較差，太陽(yáng)輻射強(qiáng)，溫差大，干旱少，蒸發(fā)強(qiáng)，流域從上游到下游海拔落差大，氣候差異也很明顯。南部祁連山區(qū)海拔4 000m以上，年降水量500mm左右，這里是石羊河流域主干河發(fā)源地，水源豐沛，土地主要為常年積雪和凍土，山高水大，水土流失也最為嚴(yán)重，且對(duì)生態(tài)也最為敏感；中游地區(qū)平均海拔1 600m，年降水量150～300mm，這里為主要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)，有武威綠洲和昌寧盆地兩大人口聚集區(qū)，很多綠洲邊緣與荒漠相接，為水土流失高敏感區(qū)；下游地區(qū)海拔1 200～1 500m，主要地區(qū)為民勤綠洲及邊緣兩大沙漠地帶，這里干旱少雨，年降水不足150mm，年蒸發(fā)量缺大于2 000mm，這里常年干旱，地形多為沙漠平地，水土流失較少，對(duì)生態(tài)敏感性也最弱，在此研究中根據(jù)分類(lèi)等級(jí)，主要為中敏感區(qū)?？傮w來(lái)看，惡劣的氣候條件是石羊河生態(tài)環(huán)境惡化的重要原因，土壤侵蝕和水土流失則是其具體表現(xiàn)。由于全流域大部分地區(qū)地表植被分布稀疏，地表土壤侵蝕主要為風(fēng)力和地表徑流侵蝕。

3.2 土壤鹽漬化敏感性分析

為系統(tǒng)評(píng)價(jià)該區(qū)土壤鹽漬化的敏感性，本研究選擇了鹽分指數(shù)（SI）和歸一化植被指數(shù)（NDVI）兩項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。石羊河土壤鹽漬化敏感性表現(xiàn)出明顯的空間差異（附圖4）：流域土壤鹽漬化敏感性以北、西北、東、東北為最敏感，這些區(qū)域蒸發(fā)量與降水量比值大，土壤類(lèi)型單一，一旦出現(xiàn)鹽漬化現(xiàn)象，會(huì)很快蔓延至綠洲邊緣，因此這些地方土壤鹽漬化敏感性最強(qiáng)，面積也最大，占到全流域總面積的64.2%，西南及南部敏感性稍緩和，這些地方常年積雪，并且為祁連山水源涵養(yǎng)林主林區(qū)，鹽漬化現(xiàn)象不明顯，面積為3 180.20km2，占總面積的7.64%。在涼州區(qū)和永昌縣西北部的大部分地區(qū)表現(xiàn)為中度敏感區(qū)，面積達(dá)到5 238.6km2。這些地方也為主要的農(nóng)業(yè)區(qū)，在土壤鹽漬化的預(yù)防和治理中，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注水土資源的科學(xué)使用，大力倡導(dǎo)節(jié)水灌溉，減少人為對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的破壞，提倡使用無(wú)害化肥料，防止因?yàn)槿藶殚_(kāi)發(fā)活動(dòng)加劇自然鹽漬化過(guò)程。

3.3 土地沙漠化敏感性分析

從土地沙漠化敏感性空間分布（附圖5）上可看出，以民勤綠洲和無(wú)為綠洲為中心的周邊大片沙漠戈壁分布區(qū)為極敏感區(qū)，主要是因?yàn)槭蚝訓(xùn)|西部、北部土壤基質(zhì)多為沙粒且植被覆蓋率較低而造成。民勤綠洲邊緣地帶為高敏感主要分布區(qū)，兩大綠洲腹地主要為中度敏感區(qū)，而在石羊河流域上游地區(qū)天?？h、肅南縣的大部分地區(qū)和古浪縣南部為低敏感區(qū)和不敏感區(qū)。流域上中下游地表水與地下水資源之間轉(zhuǎn)化利用關(guān)系復(fù)雜，整體表現(xiàn)出入不敷出，水資源明顯短缺。用水結(jié)構(gòu)不合理，農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活用水比例失調(diào)，農(nóng)業(yè)用水比例過(guò)高。石羊河在水資源開(kāi)發(fā)利用中對(duì)生態(tài)環(huán)境用水考慮不足，導(dǎo)致天然水資源循環(huán)系統(tǒng)受到破壞，沙漠化面積逐年擴(kuò)大，生態(tài)安全受到威脅。土地沙漠化敏感性表現(xiàn)出明顯的空間差異。

3.4 生物多樣性敏感性分析

由于生物多樣性的敏感性評(píng)價(jià)中（附圖6），對(duì)動(dòng)物和微生物的敏感度較難空間定量化，本研究重點(diǎn)對(duì)地表植被的敏感性進(jìn)行分析。利用能夠較好反映植被原生狀態(tài)和植被生長(zhǎng)狀況的歸一化植被指數(shù)（NDVI）反映生態(tài)環(huán)境的原生狀態(tài)保持程度和植被生長(zhǎng)狀況及生物多樣性。石羊河流域生物多樣性敏感性空間分布特征為：流域以南部地區(qū)、西南部表現(xiàn)為極敏感區(qū)和高敏感區(qū)，這里水量豐沛，植被生長(zhǎng)茂盛，動(dòng)植物資源較為豐富，稍有變化，會(huì)引起整個(gè)流域生態(tài)環(huán)境劇烈變動(dòng)，影響整個(gè)流域生存和可持續(xù)發(fā)展。流域中南部地區(qū)表現(xiàn)為中敏感區(qū)，主要包括涼州區(qū)南部、永昌縣西部和古浪縣南部地區(qū)；流域北部大部分地區(qū)主要為低敏感區(qū)和不敏感區(qū)，除兩大綠洲表現(xiàn)出較高敏感性外，其余地方為大面積隔壁和沙漠，生物種類(lèi)較少，對(duì)生物多樣性敏感性較低。

3.5 土地生態(tài)綜合敏感性分析

由綜合評(píng)價(jià)結(jié)果（附圖7）顯示，石羊河流域綜合土地生態(tài)敏感性空間分異明顯，上游祁連山區(qū)雨水和水資源豐富地區(qū)、植被生長(zhǎng)較好，屬大陸性溫帶干旱氣候，且在此范圍內(nèi)有常年積雪和凍土分布，這些地區(qū)對(duì)土地變化敏感性最強(qiáng)，為極敏感地區(qū)，面積約為5 591.04km2，占全流域總面積的13.44%；高敏感區(qū)則主要分布在石羊河中下游地區(qū)的隔壁和沙漠地區(qū)、綠洲邊緣地區(qū)以及城鎮(zhèn)周邊，這些地區(qū)土地利用類(lèi)型變化最為顯著，當(dāng)有人為治理或降雨增加時(shí)部分沙丘變?yōu)椴莸?，但在干旱時(shí)又恢復(fù)成沙地，因此土地結(jié)構(gòu)變化較快。高敏感地區(qū)所占面積最大，達(dá)到25 475.84 km2，占到全流域總面積的61.24%；在高山和綠洲過(guò)渡地區(qū)、民勤綠洲東西兩側(cè)主要為中度敏感區(qū)，面積為5 761.6km2，占全流域總面積的13.85%，；低敏感區(qū)和不敏感區(qū)主要分布在天?？h北部和古浪縣中南部地區(qū)，這些地方多為高寒草甸生長(zhǎng)區(qū)，基本遵循春夏加速生長(zhǎng)、秋冬枯萎的季節(jié)性規(guī)律，對(duì)局部土地變化敏感性較弱，其中低敏感區(qū)面積為4 405.44 km2，不敏感區(qū)面積僅為366.08km2。

石羊河流域極敏感與高敏感區(qū)是祁連山重要的水源涵養(yǎng)林和生態(tài)屏障，在這些地區(qū)在以荒漠綠洲為主的生態(tài)系統(tǒng)中扮演極為重要的角色，對(duì)生態(tài)環(huán)境變化指示作用很強(qiáng)，一旦受到破壞，在短時(shí)間內(nèi)很難恢復(fù)，而且會(huì)對(duì)中下游地區(qū)生態(tài)治理和恢復(fù)工程造成影響，因此這些區(qū)域應(yīng)作為生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)建設(shè)保護(hù)區(qū)。而在中下游高敏感地區(qū)土地生態(tài)環(huán)境較為脆弱，加之受人類(lèi)活動(dòng)擾動(dòng)較大，因此生態(tài)系統(tǒng)不穩(wěn)定，這些地區(qū)應(yīng)結(jié)合國(guó)家退耕還林還草工程、三北防護(hù)林工程等大力進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)治理，以提高森林覆蓋率，恢復(fù)與保護(hù)原生植被，提高生態(tài)系統(tǒng)的多樣性和穩(wěn)定性，促進(jìn)生態(tài)良性循環(huán)。對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)高強(qiáng)度地區(qū)應(yīng)合理布局不同用地，積極調(diào)整種植結(jié)構(gòu)，綠洲核心區(qū)內(nèi)減少耗水、低效農(nóng)業(yè)，提高土地集約節(jié)約利用程度。

表4 土地綜合生態(tài)敏感性分級(jí)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

4 結(jié) 論

（1）石羊河流域土地敏感性主要處于中、高和極敏感性三個(gè)區(qū)內(nèi)，三者面積達(dá)到36 828.48km2，占全流域總面積的88.53%，而不敏感區(qū)只占全流域面積的0.88%。可見(jiàn)該流域?qū)ν恋厣鷳B(tài)變化高度敏感，這些地區(qū)對(duì)全流域今后的生態(tài)環(huán)境恢復(fù)治理和可持續(xù)發(fā)展影響重大。

（2）全流域土地生態(tài)敏感性空間分布差異明顯，極敏感區(qū)主要分布在上游祁連山區(qū)，而高度敏感和中度敏感又分布在下游巴丹吉林和騰格里沙漠地帶，在空間上表現(xiàn)出明顯的南部極敏感、北部中敏感，綠洲邊緣地帶處于中度敏感區(qū)。

（3）石羊河上游地區(qū)是流域的生態(tài)屏障，局部的土地結(jié)構(gòu)微小變化都有可能引發(fā)生態(tài)系統(tǒng)功能變化，進(jìn)而影響整個(gè)流域的生態(tài)，因此需要嚴(yán)格控制該區(qū)域的人類(lèi)活動(dòng)；下游地區(qū)為大面積隔壁沙漠地帶，是流域的生態(tài)環(huán)境威脅區(qū)，應(yīng)大力實(shí)施沙漠治理和生態(tài)恢復(fù)，提高生態(tài)退化的抵抗力。

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