青藏高原生態(tài)屏障區(qū)生態(tài)環(huán)境綜合評價方法探討

王鐵軍，趙禮劍，張 溪

(國家測繪地理信息局重慶測繪院，重慶 401120)

生態(tài)環(huán)境是指由生物群落及非生物自然因素組成的各種生態(tài)系統(tǒng)所構(gòu)成的整體[1]。生態(tài)環(huán)境的破壞，最終會導(dǎo)致人類生活環(huán)境的惡化。20世紀(jì)以來，人類社會經(jīng)濟(jì)活動的能力和強(qiáng)度急劇增加，對生態(tài)環(huán)境的影響也從單一生態(tài)系統(tǒng)擴(kuò)展到人類生活的整個區(qū)域，生態(tài)問題越來越突出，區(qū)域性生態(tài)環(huán)境問題已經(jīng)成為許多國家可持續(xù)發(fā)展的重要制約因素。土地沙化、鹽堿化等退化問題突出，使土地質(zhì)量不斷下降，在部分地區(qū)甚至已經(jīng)影響到人們的生存，給區(qū)域生態(tài)平衡帶來了巨大的壓力[2]。為此不少學(xué)者開展了生態(tài)環(huán)境狀況評價探索工作[3-6]，通過對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能變化引起的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的優(yōu)劣程度進(jìn)行評價，從而指導(dǎo)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量管理。

青藏高原地殼活動活躍，氣候環(huán)境復(fù)雜，生態(tài)環(huán)境十分脆弱。研究表明，青藏高原氣候呈顯著變暖趨勢[7]，預(yù)計未來100年增溫幅度達(dá)3.93℃[8]。在全球氣候變化和人類活動的綜合影響下，青藏高原冰川退縮、土地退化、水土流失、生物多樣性受威脅等生態(tài)問題日益突出[9-10]。目前國內(nèi)在退化系統(tǒng)恢復(fù)重建、高原氣候與冰川變化等方面已有諸多研究和探索，但生態(tài)環(huán)境綜合評價的理論和技術(shù)體系尚未完全形成。本文探討構(gòu)建反映青藏高原生態(tài)屏障區(qū)自然生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀的指標(biāo)體系，研究生態(tài)環(huán)境綜合評價的數(shù)學(xué)模型和方法，利用第一次全國地理國情普查成果及多種專題資料，客觀地對青藏高原生態(tài)屏障區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行綜合評價，分析生態(tài)環(huán)境及其保護(hù)中存在的問題，為政府、行業(yè)主管部門生態(tài)環(huán)境保護(hù)決策提供信息支撐，對青藏高原生態(tài)屏障區(qū)的保護(hù)與可持續(xù)發(fā)展具有重要意義，同時也可為其他資源、生態(tài)、環(huán)保等相關(guān)工作提供參考。

1 研究區(qū)概況

青藏高原生態(tài)屏障區(qū)的概念和范圍與青藏高原地理區(qū)域有所不同，它源自《全國主體功能區(qū)規(guī)劃》[11]，面積約93萬km2，是青藏高原生態(tài)屏障的空間載體，享有“江河之源”“中華水塔”等殊榮，自然資源豐富，自然環(huán)境類型多樣，是長江、黃河、瀾滄江、雅魯藏布江等重要河流的發(fā)源地，是世界高原特有生物的集中分布區(qū)，也是維持中國乃至全球氣候穩(wěn)定的“生態(tài)源”和“氣候源”。

青藏高原生態(tài)屏障區(qū)大部分處于高海拔地區(qū)，平均海拔3000 m以上，近10年來年平均氣溫為2.5℃，年降水量僅為403.7 mm且分布不均勻，以高寒、干旱氣候?yàn)橹?，植物生長緩慢，生態(tài)環(huán)境敏感脆弱。

2 生態(tài)環(huán)境綜合評價

青藏高原屏障區(qū)生態(tài)環(huán)境綜合評價，以自然-經(jīng)濟(jì)-社會區(qū)域復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)為框架基礎(chǔ)，基于第一次全國地理國情普查成果和多種專題資料，構(gòu)建反映青藏高原自然生態(tài)環(huán)境、社會、經(jīng)濟(jì)發(fā)展現(xiàn)狀和變化趨勢的指標(biāo)體系。生態(tài)環(huán)境具有明顯的區(qū)域性、等級性和綜合性，不同區(qū)域的生態(tài)環(huán)境特征不同，生態(tài)環(huán)境的組成要素之間相互依存、相互制約，任何一個要素發(fā)生改變，均能引起其他組成要素甚至整個生態(tài)環(huán)境的變化[12]。

2.1 評價指標(biāo)體系建立

評價指標(biāo)體系是生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價的關(guān)鍵，為了及時、準(zhǔn)確地了解生態(tài)環(huán)境的質(zhì)量狀況和人類活動對生態(tài)環(huán)境的影響，建立合適的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價指標(biāo)體系具有十分重要的理論和實(shí)踐意義。

2.1.1 指標(biāo)選取原則

評價指標(biāo)既要遵循生態(tài)系統(tǒng)的一般規(guī)律，又要能夠完整準(zhǔn)確地反映區(qū)域特征；同時指標(biāo)總數(shù)盡可能少，使調(diào)查度量經(jīng)濟(jì)可行，數(shù)據(jù)能夠通過現(xiàn)有的監(jiān)測、統(tǒng)計或其他手段采集或獲取，具備持續(xù)更新條件，操作性強(qiáng)，便于推廣應(yīng)用。

(1) 科學(xué)性：遵循生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的一般規(guī)律。

(2) 區(qū)域性：具有區(qū)域特征，能準(zhǔn)確反映青藏高原屏障區(qū)的環(huán)境狀況。

(3) 完整性：能全面完整地反映各方面的狀況。

(4) 簡明性：概念明確，調(diào)查度量簡便易得。

(5) 重要性：應(yīng)是生態(tài)環(huán)境及其相關(guān)領(lǐng)域的重要指標(biāo)。

(6) 獨(dú)立性：指標(biāo)間相關(guān)性小，反映的信息代表性強(qiáng)。

(7) 可評價性：可量化，便于比較和觀察。

2.1.2 指標(biāo)選取

根據(jù)以上原則，選取了2個地形地貌指標(biāo)(海拔高度、地形起伏度)、5個自然生態(tài)狀況指標(biāo)(生境質(zhì)量指數(shù)、植被覆蓋指數(shù)、水網(wǎng)密度指數(shù)、土地脅迫指數(shù)、污染負(fù)荷指數(shù))及5個專題指標(biāo)(年平均氣溫、年平均降雨、GDP、人口密度、道路密度)，共計12項構(gòu)成指標(biāo)層，以地形條件、自然條件、自然生態(tài)條件、社會經(jīng)濟(jì)條件為準(zhǔn)則層，以青藏高原生態(tài)環(huán)境綜合評價為目標(biāo)層的指標(biāo)體系，詳見表1。

表1 青藏高原生態(tài)屏障區(qū)生態(tài)環(huán)境綜合評價指標(biāo)體系

2.2 評價單元確定

評價單元不僅是各項評價因子的信息載體，其更主要的功能是為評價目標(biāo)和評價方法服務(wù)，一般分為行政區(qū)單元、網(wǎng)格單元等。合理選取評價單元，便于評價工作的進(jìn)行，提高評價工作的準(zhǔn)確性。本文以規(guī)則格網(wǎng)作為統(tǒng)計的單位空間粒度，以傳統(tǒng)的行政區(qū)單元進(jìn)行結(jié)果輸出，既適合人們的思維模式，方便綜合評價結(jié)果在各行政區(qū)的應(yīng)用，又保證了生態(tài)環(huán)境格局的完整性，能夠體現(xiàn)大范圍區(qū)域內(nèi)部生態(tài)環(huán)境的細(xì)部特征。

2.3 權(quán)重確定

權(quán)重反映不同評價因子間重要性程度的差異，通過針對某一層的某個因素(如某一準(zhǔn)則)，將下一層與之有關(guān)的因素(如某一指標(biāo))，通過兩兩比較，用評分的方法，判斷出它們相對的重要程度，將判斷的結(jié)果構(gòu)成一個判斷矩陣。根據(jù)表1生態(tài)環(huán)境綜合評價指標(biāo)體系，用1—9及其倒數(shù)的標(biāo)度方法構(gòu)造目標(biāo)層-準(zhǔn)則層、準(zhǔn)則層-指標(biāo)層的判斷矩陣，再根據(jù)構(gòu)造的判斷矩陣，進(jìn)行權(quán)重的確定，最終得到的權(quán)重見表2。

表2 各指標(biāo)權(quán)重表

2.4 評價數(shù)學(xué)模型與方法

生態(tài)環(huán)境綜合評價指標(biāo)眾多，為確保綜合評價的客觀性和準(zhǔn)確性，采用主成分分析法(principal components analysis，PCA)作為數(shù)學(xué)模型。該方法的指導(dǎo)思想是，將原來眾多的具有一定相關(guān)性的指標(biāo)X1、X2、X3、…、Xp重新組合成一組較少個數(shù)的互不相關(guān)的綜合指標(biāo)來代替，從而減少分析過程的計算工作量。主要步驟敘述如下。

2.4.1 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理

假設(shè)有n個研究區(qū)域，每個區(qū)域都受p個指標(biāo)(x1、x2、x3、…、xp)的影響，但每個區(qū)域的指標(biāo)值都不相同。將這些代表區(qū)域特征的原始數(shù)據(jù)構(gòu)造成矩陣，見式(1)。在此基礎(chǔ)上計算樣本X的協(xié)方差矩陣S及樣本相關(guān)性矩陣R，通過相關(guān)性實(shí)現(xiàn)降維處理，見式(2)、式(3)。

(1)

(2)

(3)

2.4.2 主成分確定

運(yùn)用SPSS軟件計算相關(guān)系數(shù)矩陣的特征值λ

和對應(yīng)的單位特征向量a，特征值滿足λ1≥λ2≥…≥λp≥0，特征向量的計算如下

(4)

2.4.3 主成分計算

以特征向量為權(quán)數(shù)，對標(biāo)準(zhǔn)化的指標(biāo)進(jìn)行加權(quán)得到樣本X的第i個主成分值Y(1≤i≤p)，見式(5)。通過主成分表達(dá)式，可以明確了解到各個指標(biāo)層中的指標(biāo)對于相應(yīng)的準(zhǔn)則層中的指標(biāo)是動力因素還是阻力因素。

Yi=a1iT1+a2iT2+…+apiTp

(5)

2.4.4 主成分綜合評價

根據(jù)上文計算所得的特征值λ，提取m個主成分(m

(6)

(7)

2.4.5 結(jié)果分析

根據(jù)主成分載荷矩陣中各評價指標(biāo)的系數(shù)大小，獲取與主成分具有較高相關(guān)性的評價指標(biāo)，完成每個主成分的定性分析與生態(tài)環(huán)境綜合評價。

3 評價結(jié)果與分析

基于第一次全國地理國情普查成果數(shù)據(jù)，以及水利、環(huán)保、氣象、統(tǒng)計等專題數(shù)據(jù)，經(jīng)過空間化、標(biāo)準(zhǔn)化、正向化處理及主成分分析后得到青藏高原屏障區(qū)生態(tài)環(huán)境評價指標(biāo)的主成分特征值及貢獻(xiàn)率。

特征值在某種程度上可以看成是主成分影響力度大小的指標(biāo)，一般按照特征值大于1的原則[13-16]提取主成分，提取的主成分特征值和貢獻(xiàn)率詳見表3。

由表3可知，主成分F1的貢獻(xiàn)率高達(dá)37.33%，F(xiàn)2、F3、F4的貢獻(xiàn)率分別為13.45%、11.41%、10.47%，四者累計貢獻(xiàn)率達(dá)到72.66%，基本上能夠代表最初的12個指標(biāo)來分析青藏高原生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀，選取這4個主成分進(jìn)行研究分析，構(gòu)成載荷矩陣見表4。

表3 各主成分特征值及其貢獻(xiàn)率

表4 主成分載荷矩陣

當(dāng)主成分載荷矩陣中指標(biāo)系數(shù)的絕對值大于0.6時，可以認(rèn)為具有顯著相關(guān)關(guān)系；大于0.5時，可以認(rèn)為具有明顯相關(guān)關(guān)系。由表4可見，主成分F1和C6、C4、C3、C2呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與C1、C11、C12呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，也就是說這些指標(biāo)會極大地影響青藏高原屏障區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況，即屏障區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況與地形因子、自然條件密切相關(guān)，F(xiàn)1可以解釋為自然背景因子；主成分F2和C9、C10、C11呈明顯正相關(guān)關(guān)系，這些指數(shù)均與人類社會活動相關(guān)，F(xiàn)2可以解釋為社會經(jīng)濟(jì)因子；主成分F3和C5、C1、C2呈明顯正相關(guān)關(guān)系，F(xiàn)3可以解釋為高海拔地區(qū)生境質(zhì)量因子；主成分F4和C7、C8呈顯著正相關(guān)關(guān)系，F(xiàn)4可以解釋為生態(tài)環(huán)境狀況因子。

以青藏高原生態(tài)屏障區(qū)青海省片區(qū)為例，將4個主成分?jǐn)?shù)值分別空間化到每個評價單元中，主成分F1、F2、F3、F4對生態(tài)環(huán)境影響的分級圖如圖1所示。

基于主成分綜合評價結(jié)果按自然分劃法(natural breads)進(jìn)行分類，分值由低到高，分別以-2.49～-1.45，-1.45～-0.79，-0.79～-0.14，-0.14～0.58，0.58～1.32，1.32～2.14，2.14～4.94劃分為7個區(qū)間，對應(yīng)環(huán)境質(zhì)量等級依次為非常差、差、較差、中、較好、好、非常好，空間化成果如圖2所示，不同級別生態(tài)環(huán)境質(zhì)量單元數(shù)及比例見表5。

圖1 主成分對生態(tài)環(huán)境影響分級圖

圖2 青藏高原生態(tài)屏障區(qū)生態(tài)環(huán)境綜合評價圖

由圖2可見，青藏高原生態(tài)屏障區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量呈現(xiàn)東南較好、西北階梯狀逐漸變差的趨勢，與實(shí)際情況比較吻合。

表5 不同級別生態(tài)環(huán)境質(zhì)量單元數(shù)及比例

由表5可知，生態(tài)環(huán)境非常差、差和較差3個等級面積之和占屏障區(qū)總面積的61.3%，生態(tài)環(huán)境一般的占9.3%，生態(tài)環(huán)境非常好、好和較好3個等級面積占總面積的29.4%。青藏高原生態(tài)屏障區(qū)生態(tài)環(huán)境自身的脆弱性也決定了其生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合評價結(jié)果較差；另外，人類活動對自然生態(tài)狀況影響較大，間接地影響了生態(tài)環(huán)境的綜合評價結(jié)果。

4 結(jié) 語

青藏高原分布范圍廣，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值極高，是我國重要的生態(tài)屏障。本文在前人研究的基礎(chǔ)上構(gòu)建了青藏高原生態(tài)屏障區(qū)生態(tài)環(huán)境綜合評價指標(biāo)體系，并對屏障區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行了綜合評價，評價結(jié)果與實(shí)際情況基本吻合。

青藏高原生態(tài)屏障區(qū)大部分處于高海拔地區(qū)，自然條件惡劣，自身生態(tài)環(huán)境極其脆弱，自我修復(fù)能力很差，一旦被破壞將很難恢復(fù)。青藏高原生態(tài)屏障區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量與植被覆蓋、人口密度、土地脅迫指數(shù)等與人類活動相關(guān)的因子息息相關(guān)，因此加強(qiáng)青藏高原生態(tài)屏障區(qū)保護(hù)，需要重點(diǎn)加強(qiáng)基本草原保護(hù)，繼續(xù)實(shí)施禁牧休牧、退耕還林、圍欄封育等生態(tài)保護(hù)工程和草場退化綜合治理等生態(tài)修復(fù)工程，減少草地放牧、林地砍伐、工礦資源開發(fā)等人類活動對青藏高原生態(tài)環(huán)境造成的壓力，不斷提高生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，促進(jìn)區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展[17]。

本文在生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合評價中還未涉及生態(tài)環(huán)境動態(tài)變化情況的研究，在后續(xù)工作中將進(jìn)一步分析研究影響生態(tài)環(huán)境質(zhì)量提高(降低)的關(guān)鍵因子，為青藏高原生態(tài)屏障區(qū)的生態(tài)保護(hù)與建設(shè)提供理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)。