基于GIS的金川河流域生態(tài)系統(tǒng)健康評價*

李國霞,蘇軍德

(甘肅有色冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院,甘肅 金昌 737100)

流域生態(tài)系統(tǒng)是一定范圍內(nèi)生物群落與無機(jī)環(huán)境構(gòu)成的有機(jī)整體，能夠?yàn)槿祟愄峁┍匾淖匀毁Y源和生存環(huán)境，是人類賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)[1]。近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人類活動的加劇，流域內(nèi)水土流失頻發(fā)，生物多樣性衰減，水源污染和土地荒漠化等問題日益加劇，致使流域生態(tài)系統(tǒng)遭到了嚴(yán)重的破壞。針對上述問題，國內(nèi)外眾多學(xué)者[2-5]已在不同流域建立了生態(tài)系統(tǒng)評價模型，但其以往的研究，評價指標(biāo)較為單一，評價方法過于簡單，不能有效地對流域生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行評估。由此可見，如何客觀、科學(xué)、全面地對流域生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行評價，對流域生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)及治理就顯得尤為重要。

金川河作為河西走廊重要的內(nèi)陸河，是典型的山地-綠洲-荒漠的復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)，具有獨(dú)立的地貌單元[6]，對區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活用水具有重要的作用。近20年來，由于流域內(nèi)氣候變化和人類活動的不斷加劇[7]，尤其是人們圍湖造田、過度放牧以及生產(chǎn)生活廢水排入河道，致使流域內(nèi)水質(zhì)遭到污染，生態(tài)環(huán)境遭到破壞[8]。截至目前，有學(xué)者[9-10]采用部分評價指標(biāo)對金川河流域生態(tài)環(huán)境進(jìn)行了一定程度的評價，但對金川河流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的綜合研究還相對較少。隨著GIS技術(shù)在生態(tài)環(huán)境方面的廣泛應(yīng)用，使流域內(nèi)生態(tài)環(huán)境的綜合評價研究成為可能，本文就是基于GIS技術(shù)，采用“限制因子-健康指示因子-人類活動因子”的評價結(jié)構(gòu)，對金川河流域的生態(tài)環(huán)境進(jìn)行綜合性評價，旨在探討金川河流域生態(tài)系統(tǒng)的時空演變規(guī)律及其驅(qū)動機(jī)制，為流域內(nèi)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)與治理提供有力的科學(xué)依據(jù)，為生態(tài)系統(tǒng)的建設(shè)和區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展奠定理論基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況

金川河流域位于河西走廊東端，地處祁連山北麓，阿拉善臺地南緣，屬西北干旱區(qū)內(nèi)陸河流[11]，水系呈放射狀分布，流域總面積約1.08×104km2，年均氣溫7.9℃，年均降水量350 mm，日照時數(shù)2 219 h，多年平均徑流量4.75億m3。流域內(nèi)海拔高差較大，地勢自西南向東北傾斜，植物種類較少，種群結(jié)構(gòu)相對簡單，植被具有明顯的時空差異性和垂直梯帶性，隨海拔的升高依次分布為荒漠草原、亞寒帶針葉林、灌木叢和高山草甸。土壤以栗鈣土、碳酸鹽褐色土及山地高山草原土為主。流域內(nèi)礦產(chǎn)資源豐富，上游以畜牧業(yè)為主，工礦業(yè)是下游的主要經(jīng)濟(jì)支柱，人口密度和人均收入在流域內(nèi)具有明顯的空間差異性。

2 材料和方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及處理

本文所用Landsat5 TM校正影像、地形圖、DEM高程圖、各縣的統(tǒng)計年鑒等基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)由甘肅省環(huán)境科學(xué)設(shè)計院提供；中巴CBERS-02遙感數(shù)據(jù)在中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心免費(fèi)下載；計算植物生產(chǎn)力(NPP)所需的NDVI、風(fēng)速、海拔、植被種類、日照、土壤含水量等數(shù)據(jù)由甘肅省氣象局衛(wèi)星遙感生態(tài)監(jiān)測室提供。由于本文所涉及指標(biāo)種類較多且構(gòu)成復(fù)雜，不同指標(biāo)實(shí)際數(shù)值很難進(jìn)行直接比較，因此為了便于比較和計算，在評價之前需對各項指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，計算公式如下：

(1)評價指標(biāo)為正指標(biāo)時：

φij=10×(xij-xjmin/xjmax-xjmin)

(2)評價指標(biāo)為負(fù)指標(biāo)時:

φij=10×(xjmax-xij/xjmax-xjmin)

式中，φij為各指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化處理后的值;xij為各指標(biāo)實(shí)際數(shù)值;xjmin和xjmax分別為各指標(biāo)最小值和最大值。

2.2 評價指標(biāo)的選擇與篩選

本文通過現(xiàn)場考察、監(jiān)測和歷史資料查閱等方法選取了能夠綜合反映金川河流域生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的3類18個指標(biāo)作為候選評價指標(biāo)，其中，生態(tài)格局與功能指標(biāo)包括植被覆蓋度、景觀多樣性、景觀破碎度、景觀均勻度、生態(tài)彈性度、水源涵養(yǎng)功能、植被凈初級生產(chǎn)力7個指數(shù)；生態(tài)壓力指標(biāo)包括流域面域污染、土地復(fù)墾指數(shù)、土地退化指數(shù)、人口密度、人均GDP、建設(shè)用地比例6個指數(shù)；水域生態(tài)指標(biāo)包括水溫、水體密數(shù)、河道連通性、水質(zhì)狀況、魚類物種多樣性5個指數(shù)。

為了能夠綜合反映金川河流域生態(tài)系統(tǒng)的各種屬性和不同變化，同時還能保證評價指標(biāo)間的相互獨(dú)立性，本文對18個候選評價指數(shù)進(jìn)行Pearson相關(guān)分析和主成分分析(Principal Component Analysis，PCA)，剔除對流域生態(tài)系統(tǒng)變化不敏感或貢獻(xiàn)率較低的指標(biāo)。

2.3 各指標(biāo)權(quán)重確定

指標(biāo)權(quán)重的確定方法一般有主觀賦值法和客觀賦值法，主觀賦值法由于其賦值數(shù)據(jù)源自于各評價指標(biāo)的實(shí)際數(shù)據(jù)，能夠很好地避免人為主觀判斷的偏差[12]，被眾多研究所采用。熵權(quán)法由于能夠?qū)Χ鄠€評價指標(biāo)的各因子進(jìn)行賦值，既能保證客觀合理，又能簡化計算過程，因此，本文采用熵權(quán)法確定各指標(biāo)的權(quán)重，確保不同指標(biāo)在生態(tài)系統(tǒng)綜合評價中保持其原有的重要性。各指標(biāo)權(quán)重如表1所示。

表1 金川河流域生態(tài)系統(tǒng)綜合性評價各指標(biāo)權(quán)重值

2.4 綜合評價模型

根據(jù)以往學(xué)者[13-14]對其它流域生態(tài)系統(tǒng)的綜合評價方法，本文采用金川河流域生態(tài)系統(tǒng)的健康狀態(tài)、限制因子以及與環(huán)境的響應(yīng)因子等指標(biāo)計算其綜合健康指數(shù)，計算公式：

式中，EI為金川河流域綜合評價得分值；wi為評價指標(biāo)權(quán)重;xi為指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化處理后的值。

3 結(jié)果與討論

3.1 評價因子分析

不同候選評價因子相關(guān)分析結(jié)果表明，生態(tài)格局功能指標(biāo)中景觀破碎度與景觀多樣性(r2=-0.465，p<0.001)和景觀均勻度(r2=-0.398，p<0.001)呈極顯著負(fù)相關(guān)，故剔除景觀多樣性和景觀均勻度，其余因子間不存在明顯的相關(guān)性，因此保留；生態(tài)壓力指標(biāo)中土地復(fù)墾指數(shù)、人口密度、人均GDP與其他因子均不存在明顯的相關(guān)性，故保留，但土地退化指數(shù)和建設(shè)用地比例間存在顯著的正相關(guān)(r2=-0.421，p<0.01)，故剔除建設(shè)用地比例因子；水域生態(tài)指標(biāo)各因子間都沒有表現(xiàn)出明顯的相關(guān)性，故保留。

在相關(guān)分析的基礎(chǔ)上，本研究對保留的15個因子進(jìn)行了主成分分析，分析結(jié)果表明(如表2所示)，第一，主成分主要由水源涵養(yǎng)、面域污染、土地復(fù)墾指數(shù)、土地退化指數(shù)和河道連通性5個因子構(gòu)成，其主要反映了人類活動對流域生態(tài)系統(tǒng)的影響；第二，主成分主要由植被覆蓋度、植被初級生產(chǎn)力和生態(tài)彈性度構(gòu)成，其主要描述了植被狀況對流域生態(tài)系統(tǒng)的重要影響；第三，主成分主要由水溫、水體密度和水質(zhì)狀況構(gòu)成，主要反映了河流環(huán)境對流域生態(tài)系統(tǒng)的影響程度。魚類的存活狀況雖能夠反映一定區(qū)域的干擾程度，但根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計，金川河流域魚類資源較為貧乏，且流域魚類密度較小，因此對流域生態(tài)系統(tǒng)變化的貢獻(xiàn)率較小。

根據(jù)上述分析，最終篩選水源涵養(yǎng)、面域污染等14個因子作為金川河流域生態(tài)系統(tǒng)的評價因子。在這些評價因子中，水源涵養(yǎng)作為生態(tài)系統(tǒng)的重要功能，具有降低水土流失，增加森林截流和下滲的作用，能綜合反映人類活動對生態(tài)系統(tǒng)的擾動程度[15]；土地復(fù)墾指數(shù)是衡量環(huán)境遭受環(huán)境破壞程度的重要指標(biāo)，其穩(wěn)定性直接影響著整個流域生態(tài)系統(tǒng)的生命周期，其數(shù)值越大，代表環(huán)境破壞越嚴(yán)重，同時也反映出人類活動對生態(tài)系統(tǒng)的干擾較大；水溫是水域生態(tài)系統(tǒng)的一個重要因子，隨著時間和空間的變化而變化，不僅影響著水體的理化性質(zhì)和水生生物的生理結(jié)構(gòu)，而且也反映著人類活動對水體的影響狀態(tài)[16]。

表2 不同評價因子的主成分分析(下劃線表示載荷大于0.8的入選評價指標(biāo))

3.2 不同評價指標(biāo)對流域生態(tài)系統(tǒng)健康的影響

金川河流域不同河段各評價指標(biāo)計算結(jié)果表明(如圖1所示)，流域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)各評價指標(biāo)具有明顯的空間異質(zhì)性。首先，上游區(qū)域由于地處高原，土地利用類型以草地為主，約占其總面積的77.56%，凈初級生產(chǎn)力(NPP)值在6.2～10之間，植被覆蓋度高達(dá)65%；其次，上游區(qū)域人口密度相對較小，土地復(fù)墾率相對較低，且主要以畜牧業(yè)為主，對流域水質(zhì)的污染程度也相對較低,如表3所示，因此其生態(tài)格局與功能指標(biāo)和生態(tài)壓力指標(biāo)的貢獻(xiàn)值相對較高；下游地區(qū)水域生態(tài)指標(biāo)得分較低，主要是因?yàn)橄掠螀^(qū)域位于綠洲邊緣的荒漠區(qū)域，且有眾多工礦企業(yè)分布于此，加之人口密度較大，人類活動較強(qiáng)，進(jìn)而導(dǎo)致金川河流域面域污染指數(shù)較高，河道受到嚴(yán)重污染，致使水域生態(tài)指標(biāo)較低，同時也說明人類活動對水生環(huán)境的干擾和污染物的排放是造成流域生態(tài)系統(tǒng)退化的主要原因。根據(jù)實(shí)地調(diào)查，金川河流域下游地區(qū)除有眾多工礦企業(yè)外，此區(qū)域土地復(fù)墾面積較大，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中產(chǎn)生的N、P等營養(yǎng)元素以及農(nóng)藥和無機(jī)污染物質(zhì)通過地表徑流和農(nóng)田滲漏對流域水質(zhì)產(chǎn)生了較大的污染。

圖1 金川河流域不同河段各評價指標(biāo)健康分值

金川河流域不同河段3類評價指標(biāo)的貢獻(xiàn)大小表現(xiàn)出生態(tài)壓力指標(biāo)>生態(tài)格局與功能指標(biāo)>水域生態(tài)指標(biāo)，如圖1所示。通常來說，熵權(quán)法中各指標(biāo)的權(quán)重并不代表某類指標(biāo)的重要程度，而是反映了各指標(biāo)在競爭意義上的激烈程度，也就是表明各指標(biāo)能夠反映信息量的多寡程度[17]。上述結(jié)果表明，生態(tài)壓力指標(biāo)在金川河流域生態(tài)系統(tǒng)健康評價中提供的信息量最多。生態(tài)壓力指標(biāo)中的面源污染作為流域生態(tài)健康的重要因子，是通過降雨和地表徑流的沖刷，將大氣和地表中的污染物帶入受納水體，使其遭受污染的現(xiàn)象[18]，能夠很好地反映不同時空尺度上由于人類活動而引起的物理、化學(xué)和生物的影響能力，進(jìn)而體現(xiàn)人類活動對流域生態(tài)環(huán)境多時空尺度上造成的累計效應(yīng)，常被作為流域生態(tài)系統(tǒng)健康評價的必選因子。

金川河流域作為祁連山中部的重要內(nèi)陸河流，近年來受到了許多學(xué)者的關(guān)注，袁春霞選擇氣候變化和人類活動2方面因素對流域生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行定性評價，結(jié)果表明金川河流域處于亞健康狀態(tài)[6]。流域生態(tài)系統(tǒng)是一個集社會、經(jīng)濟(jì)和自然三個方面的復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)[19]，在有關(guān)外部壓力指標(biāo)中更多的考慮氣候突變，并賦予較高的權(quán)重，但氣候變化是一個動態(tài)的過程，且氣候變化也主要是通過改變植被來間接影響流域生態(tài)系統(tǒng)的。因此，只選擇氣候變化和人類活動2方面的因素對流域生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行綜合性的定性評價，并不能體現(xiàn)流域社會和經(jīng)濟(jì)等方面的特征，會導(dǎo)致評價結(jié)果具有一定的片面性和主觀性。與以往研究相比，本文在指標(biāo)構(gòu)建中充分考慮流域生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部和外部因素，在自然限制因子和人類活動因子的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新型地加入生態(tài)系統(tǒng)健康指示因子(包括生態(tài)系統(tǒng)景觀特征、植物多樣性、植被指數(shù)、水資源、土地侵蝕狀況等)，能夠更為全面地對流域生態(tài)系統(tǒng)健康變化的趨勢和現(xiàn)狀進(jìn)行評估，在一定程度上避免了片面性和主觀性。

3.3 金川河流域生態(tài)系統(tǒng)健康評價

流域生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況是限制因子、指示因子和人類活動共同作用的結(jié)果，但不同因子之間往往也相互影響，為了更好地對金川河流域生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行綜合評價，本文在對金川河流域特殊的地理生態(tài)環(huán)境、社會環(huán)境調(diào)查分析的基礎(chǔ)上，參照國內(nèi)外相關(guān)研究標(biāo)準(zhǔn)，將金川河流域生態(tài)系統(tǒng)優(yōu)良劃分為以下五個等級：相對優(yōu)(8.51～10)、良好(7.01～8.50)、一般(5.51～7.00)、較差(3.51～5.50)和極差(0～3.50)。上述五類區(qū)域得分值、面積統(tǒng)計分析表明(如圖2所示)，金川河流域從上游到下游，從山地、綠洲到荒漠，生態(tài)系統(tǒng)綜合性評價得分呈梯狀遞減，且具有明顯的空間異質(zhì)性。金川河流域生態(tài)系統(tǒng)相對良好的區(qū)域主要分布在上游的皇城山地草原，面積為755.5 km2，占流域總面積的7.0%，這主要是因?yàn)榇藚^(qū)域分布有大量的草地和林地，且以畜牧業(yè)為主，加之人口密度較小，土地復(fù)墾率較低，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理，活力較強(qiáng)，能夠滿足或維持區(qū)域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)的需要；除此之外，近年來國家加強(qiáng)了對祁連山保護(hù)區(qū)的治理，禁止了過度放牧、不合理開采、亂砍亂伐等現(xiàn)象，致使植被狀況和生態(tài)彈性都較好。相對一般的區(qū)域集中分布在永昌縣綠洲區(qū)，面積為2 532.6 km2，占流域總面積的23.3%，此區(qū)域人口密度較高，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動較為頻繁，土地復(fù)墾率較高，生態(tài)系統(tǒng)功能相對完善和穩(wěn)定，能夠滿足可持續(xù)發(fā)展需求，且適合人類生存，但該區(qū)域生態(tài)敏感性較強(qiáng)，易受自然資源條件的約束和人類活動的影響。

表3 金川河流域生態(tài)系統(tǒng)各評價因子區(qū)域單元指標(biāo)值(標(biāo)準(zhǔn)化后值)

圖2 金川河流域生態(tài)系統(tǒng)綜合評價等級分布

相對較差的區(qū)域主要分布在流域中下游的人工綠洲區(qū)，面積為3 409.67 km2，占流域總面積的31.3%，此區(qū)域由于生態(tài)系統(tǒng)相對脆弱，且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不夠合理，易受到人類活動的干擾，現(xiàn)已出現(xiàn)異常狀態(tài)；相對極差的區(qū)域主要分布在荒漠區(qū)，面積為4 180.2 km2，占流域總面積的38.4%，由于此區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)單一，荒漠化程度較為嚴(yán)重，且每年以0.4%的速度增加，由于上游大量的水電站致使下游河道干沽，水生態(tài)環(huán)境進(jìn)一步惡化；更為甚者，該區(qū)域內(nèi)不合理的生產(chǎn)方式促使在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中截流取水、圍河造田、亂排亂放，致使該區(qū)域內(nèi)水土流失嚴(yán)重，水土流失面積達(dá)4 732.67 km2，侵模指數(shù)約3 100 t/km2·a，從而導(dǎo)致流域生態(tài)系統(tǒng)活力降低，甚至出現(xiàn)嚴(yán)重惡化現(xiàn)象，不適合人類的長期生存，流域內(nèi)并未出現(xiàn)相對優(yōu)的區(qū)域。由此可見，流域生態(tài)系統(tǒng)的變化是人類生產(chǎn)活動、社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和自然限制因子共同作用的結(jié)果[20]，加強(qiáng)流域生態(tài)環(huán)境的保護(hù)及禁止不合理的人類活動，加大生態(tài)恢復(fù)力度，構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)的完整性及多樣性是改善區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的重要手段。

4 結(jié) 論

基于金川河流域生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部因素、外部因素及人類活動因子構(gòu)建了包含生態(tài)格局與功能、生態(tài)壓力及水域生態(tài)3方面的流域生態(tài)系統(tǒng)健康評價體系，并采用相關(guān)分析法和主成分分析法對評價因子進(jìn)行了分析研究，在此基礎(chǔ)上運(yùn)用熵權(quán)法對各評價因子進(jìn)行了權(quán)重確定并對金川河流域生態(tài)健康狀態(tài)進(jìn)行了綜合性評價，結(jié)果顯示流域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)在1.5～8.0之間，但具有明顯的空間異質(zhì)性，上游生態(tài)系統(tǒng)健康狀況較好，中下游生態(tài)系統(tǒng)有明顯的惡化趨勢，總體表現(xiàn)為較差。各評價值對流域健康的影響有明顯的差異，在流域內(nèi)不合理的種植結(jié)構(gòu)和土地利用方式是導(dǎo)致生態(tài)健康退化的主要原因，建議加強(qiáng)流域內(nèi)面源污染負(fù)荷的排放及調(diào)整土地利用方式，以有效地改善流域的健康狀況。