祁連縣生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)及時(shí)空演變研究

張 蕊

(成都理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院, 四川 成都 610059)

0 引言

黨的十八大以來,國(guó)家對(duì)生態(tài)環(huán)境的重視程度越來越高,相關(guān)的生態(tài)環(huán)境保護(hù)與恢復(fù)政策不斷出臺(tái),各級(jí)政府對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)與恢復(fù)的認(rèn)識(shí)也逐漸加深。在生態(tài)環(huán)境恢復(fù)與保護(hù)的過程中,使用遙感、地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System，GIS)等技術(shù)能夠?qū)^(qū)域生態(tài)環(huán)境的特征進(jìn)行精準(zhǔn)分析,對(duì)生態(tài)環(huán)境的脆弱性進(jìn)行評(píng)價(jià),以此來為生態(tài)環(huán)境的保護(hù)與恢復(fù)政策提供數(shù)據(jù)參考[1]。生態(tài)脆弱性是生態(tài)系統(tǒng)的固有屬性,由于自然或人為的原因?qū)ι鷳B(tài)環(huán)境造成一定損傷后,生態(tài)系統(tǒng)的自凈能力和修復(fù)能力低于生態(tài)環(huán)境退化的速度,生態(tài)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)平衡被打破,由此而反映出的敏感程度稱之為生態(tài)脆弱性,是反映生態(tài)系統(tǒng)自我調(diào)節(jié)能力的重要指標(biāo)[2]。祁連縣海拔較高,地勢(shì)險(xiǎn)要,全年溫度低,地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜,環(huán)境先天比較脆弱,對(duì)其進(jìn)行區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)脆弱性評(píng)價(jià),不僅可以正確認(rèn)識(shí)區(qū)域生態(tài)脆弱狀況,了解其空間分布差異,還可以對(duì)資源環(huán)境進(jìn)行有效利用和管理,制定區(qū)域生態(tài)保護(hù)措施,對(duì)維持和進(jìn)一步修復(fù)生態(tài)系統(tǒng)具有重要意義,同時(shí)也能夠?yàn)樵摰貐^(qū)居民的生活質(zhì)量提升提供生態(tài)環(huán)境的保障,這與滿足該地區(qū)居民不斷增長(zhǎng)的美好生活需要相符合[3-4]?；诖?本研究結(jié)合該地區(qū)的遙感影像,通過選取評(píng)價(jià)因子、建立模型,對(duì)該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境脆弱性進(jìn)行評(píng)價(jià),為統(tǒng)籌山水林田湖草綜合治理,因地制宜開展生態(tài)修復(fù)與治理工作提供數(shù)據(jù)支撐和科學(xué)依據(jù)。

近年來,在研究區(qū)域生態(tài)環(huán)境脆弱性方面國(guó)內(nèi)外學(xué)者們運(yùn)用了多種方法,如層次分析法(AHP)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊理論分析法和主成分分析法等。但是這些方法要么是單純的主觀分析方法,過分依賴于專家經(jīng)驗(yàn),要么是單一的客觀方法,只從數(shù)據(jù)出發(fā),沒有太多的考慮實(shí)際背景,都具有一定的局限[5-6]。鑒于以上原因,本文采用主客觀相結(jié)合的方法確定指標(biāo)權(quán)重,運(yùn)用層次分析法和熵權(quán)法對(duì)祁連縣2005—2015年間生態(tài)脆弱性進(jìn)行定量評(píng)價(jià),并探討其時(shí)空演變規(guī)律和驅(qū)動(dòng)力。

1 研究區(qū)概況

海北州祁連縣位于青海省東北部,地處祁連山中段加里東地段褶皺帶,是連接河西走廊、環(huán)青海湖地區(qū)及絲綢之路、唐蕃古道的重要中轉(zhuǎn)站。祁連縣山地地形復(fù)雜,植被覆蓋類型多樣,境內(nèi)的祁連山脈是我國(guó)重要的山系之一,同時(shí)旅游資源非常豐富,自然風(fēng)景區(qū)有“中國(guó)十大最美麗的草原”之一的祁連山草原、風(fēng)景秀麗的卓爾山和黑河大峽谷等,有著“東方瑞士,天境祁連”的美譽(yù)。境內(nèi)平均海拔3 169 m,縣城海拔2 787 m。海拔在4 000 m以上高山冰川廣布,終年積雪,山脈間形成一系列盆地和斷陷盆地,呈“四山夾四盆”之勢(shì)。氣候、土壤和植被垂直變化明顯,氣溫隨著海拔高度的逐漸升高而遞減,全縣境內(nèi)年平均氣溫為 -1.8～1.0℃,年平均氣壓727.1 hPa,屬高原大陸性氣候。草原總面積1.12×106 hm2,占全縣總面積的75.74%,其中可利用草原面積1.03×106 hm2,占草原總面積92.42%。草原種類主要包括高寒草甸草場(chǎng)、山地草原草場(chǎng)、高寒草場(chǎng)等草場(chǎng)類型。

2 研究數(shù)據(jù)及方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

選取研究區(qū)植被歸一化植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)(來源于http:∥www.gscloud.cn/地理空間數(shù)據(jù)云)、高程、土壤、氣候、地貌、經(jīng)濟(jì)、植被類型和氣候區(qū)劃等數(shù)據(jù)(均來源于http:∥www.resdc.cn/中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心)。2005—2015年植被NDVI數(shù)據(jù)源于MODND1M 中國(guó) 500M NDVI月合成產(chǎn)品,利用最大合成法(MVC),計(jì)算得出年度NDVI最大值;高程、坡度、地表起伏度由數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)數(shù)據(jù)計(jì)算獲取。由于數(shù)據(jù)來源不同,需要統(tǒng)一坐標(biāo)系和空間分辨率,所有數(shù)據(jù)分辨率為1 km×1 km,坐標(biāo)系統(tǒng)為WGS_1984_Albers,研究區(qū)域均依據(jù)青海省祁連縣行政區(qū)矢量邊界裁剪獲得。

2.2 研究方法

2.2.1評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立

在參考已有成果[7]的基礎(chǔ)上,分別從自然因素、人為因素兩個(gè)大類出發(fā),選取年平均降水量、平均氣溫、土壤類型、高程、坡度、地表起伏度、NDVI、人口密度、人均GDP、土地利用等10個(gè)指標(biāo),完成該區(qū)域脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建(表1)。

2.2.2確定權(quán)重

層次分析法(AHP)是一種系統(tǒng)性的分析法,通過專家經(jīng)驗(yàn)并考慮數(shù)據(jù)的主觀屬性來確定權(quán)重[8]。熵權(quán)法是一種客觀賦權(quán)法[9],通過各個(gè)指標(biāo)值提供的信息確定權(quán)重,評(píng)價(jià)結(jié)果更為客觀。通過兩種主客觀方法分別計(jì)算出權(quán)重,再借助多因子加權(quán)疊加數(shù)學(xué)模型完成區(qū)域脆弱性評(píng)價(jià)。

(1)熵權(quán)法

熵是對(duì)不確定性的一種度量,不確定性越大,熵就越大,包含的信息量就越大;不確定性越小,熵就越小,包含的信息量就越小[10]。熵權(quán)法的客觀性決定了它依賴于數(shù)據(jù)本身的離散性,對(duì)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的反映不高。熵權(quán)法的主要實(shí)現(xiàn)步驟如下:

①指標(biāo)分類定級(jí)

由于10項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)類型和量綱存在差異性,無法直接對(duì)比,因此需要對(duì)其進(jìn)行分類定級(jí),以準(zhǔn)確表征各指標(biāo)對(duì)生態(tài)環(huán)境脆弱性的影響程度。本文選取的評(píng)價(jià)指標(biāo)分為定量指標(biāo)和定性指標(biāo),定量指標(biāo)采用極差法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化賦值,定性指標(biāo)(包括土壤類型和土地利用類型),在借鑒相關(guān)研究成果[11-12]的基礎(chǔ)上,采用分等級(jí)賦值法對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行定量化賦值,然后再通過極差法進(jìn)行歸一化處理。正向指標(biāo)(包括平均氣溫、高程、坡度、地表起伏度和人口密度)的標(biāo)準(zhǔn)化公式為:

(1)

負(fù)向指標(biāo)(包括年平均降水量、NDVI、人均GDP)的標(biāo)準(zhǔn)化公式為:

(2)

式中:yij為指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化值;xij為j指標(biāo)下第i個(gè)柵格單元的值;max,min分別為j指標(biāo)下最大和最小的柵格單元值。

②計(jì)算各指標(biāo)的信息熵

(3)

(4)

式中:ej為信息熵;Pij為第j項(xiàng)指標(biāo)下第i個(gè)柵格單元值占該指標(biāo)的比重。

③計(jì)算各指標(biāo)的熵權(quán)w1j

(5)

(2)層次分析法

層次分析法是比較常用的計(jì)算權(quán)重的方法,它以專家經(jīng)驗(yàn)為主,計(jì)算各指標(biāo)的主觀權(quán)重,具體步驟如下:①建立層次結(jié)構(gòu)模型。②將10個(gè)指標(biāo)兩兩進(jìn)行比對(duì),對(duì)其重要性賦值,用1～9表示重要程度,構(gòu)建判斷矩陣。③計(jì)算各指標(biāo)的權(quán)重并作一致性檢驗(yàn)。本研究中最終一次性檢驗(yàn)數(shù)據(jù)為0.054，小于0.1,通過驗(yàn)證。

(3)組合權(quán)重

(6)

式中:w1j為熵權(quán)法的權(quán)重值;w2j為層次分析法的權(quán)重值;wj為兩種方法的組合權(quán)重。

2.2.3生態(tài)脆弱性指數(shù)

生態(tài)環(huán)境脆弱性是自然和人為因素共同作用的結(jié)果[13],本研究采用因子加權(quán)疊加模型,計(jì)算出不同時(shí)期祁連縣生態(tài)脆弱性指數(shù)EVI,并基于研究區(qū)特點(diǎn),結(jié)合國(guó)內(nèi)相應(yīng)研究[14],在祁連縣區(qū)域綜合生態(tài)脆弱性的評(píng)價(jià)上,采用五級(jí)脆弱程度劃分對(duì)EVI進(jìn)行分類定級(jí)(表2),有助于更好地掌握區(qū)域內(nèi)脆弱性分布情況,便于分析區(qū)域生態(tài)脆弱性空間分布變化。生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)模型如下:

表2 祁連縣區(qū)域生態(tài)脆弱性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

(7)

式中:EVI為生態(tài)脆弱性指數(shù);cj為第j個(gè)指標(biāo)下柵格單元的標(biāo)準(zhǔn)值;wj為各指標(biāo)的權(quán)重。

2.2.4生態(tài)脆弱性綜合指數(shù)

為了更加直觀表示不同時(shí)間段區(qū)域內(nèi)生態(tài)脆弱性的變化趨勢(shì),本文采用生態(tài)脆弱性綜合指數(shù)EVSI進(jìn)行分析[15],計(jì)算模型如下:

(8)

式中:EVSI為生態(tài)脆弱性綜合指數(shù);Pi為各脆弱度區(qū)域的等級(jí)(1～5);Ai為第i級(jí)脆弱性的面積;S為區(qū)域總面積;EVSI值越大表示生態(tài)脆弱性越高。

3 結(jié)果分析

3.1 生態(tài)脆弱性時(shí)空演變分析

通過生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)模型得出2005、2010和2015年的EVI分布情況如圖1所示,可以看出,祁連縣EVI主要以中度和重度脆弱為主,2005年中度和重度脆弱面積和占全區(qū)的82.99%, 2010年有所改善,重度脆弱由原來的46.17%減少為27.20%,中度脆弱由原來的36.82%減少為34.41%,兩部分面積和降低為61.61%,2015年重度脆弱減少至26.37%,中度脆弱減少至33.40%(表3),兩部分面積和降低為59.77%。這2部分主要轉(zhuǎn)移到輕度和微度脆弱,輕度和微度脆弱有所增加,極度脆弱變化幅度較小。在此基礎(chǔ)上再計(jì)算得出2005年、2010年、2015年的EVSI值分別為3.39,2.78,2.72,EVSI值越低說明生態(tài)脆弱性越小,可以看出祁連縣生態(tài)環(huán)境呈逐漸好轉(zhuǎn)趨勢(shì)。

圖1 2005—2015年生態(tài)脆弱性指數(shù)(EVI)分布情況

表3 2005—2015年祁連縣EVI脆弱度比例

3.2 驅(qū)動(dòng)力分析

結(jié)合主客觀方法計(jì)算出的各指標(biāo)權(quán)重,分析造成祁連縣生態(tài)脆弱性的驅(qū)動(dòng)因素。由于祁連縣本身地形地貌的原因,平均海拔3 169 m,最高海拔達(dá)到5 241 m,海拔4 000 m以上的地區(qū)終年積雪,環(huán)境存在先天性脆弱。將2005、2010、2015年3個(gè)時(shí)期的EVI分布圖與DEM高程圖和土壤類型圖對(duì)比可以發(fā)現(xiàn),高程和土壤類型與EVI分布的相關(guān)性較大,海拔高的地方土壤類型以寒凍土、冷鈣土為主,不利于植物的生長(zhǎng),生態(tài)脆弱性也較高。從人為原因來看,土地利用類型、NDVI和人口分布密度是占比比較大的因素,隨著近年來祁連縣以生態(tài)文明為抓手,構(gòu)建“三河源”生態(tài)屏障,通過河流污染治理、礦山環(huán)境治理、封山育林、退耕還林、退牧還草、有害生物防治等全方位的環(huán)境綜合整治,土地利用類型中草地和林地的面積有大幅度增加,NDVI歸一化植被指數(shù)逐年升高,這些因素都大大促進(jìn)了祁連縣生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)。

4 結(jié)束語

本研究以青海省祁連縣為例,選取了10個(gè)具有代表性的評(píng)價(jià)指標(biāo),綜合層次分析法和熵權(quán)法確定各指標(biāo)的權(quán)重,構(gòu)建評(píng)價(jià)模型,對(duì)祁連縣的生態(tài)脆弱性進(jìn)行定量分析和評(píng)價(jià),主要結(jié)論如下:

(1)從時(shí)間維度來看,2005—2015年,祁連縣的生態(tài)脆弱性主要以中度和重度脆弱為主,通過十年間的數(shù)據(jù)對(duì)比,生態(tài)脆弱情況相對(duì)趨于好轉(zhuǎn),生態(tài)系統(tǒng)逐步恢復(fù)。

(2)從空間格局來看,祁連縣生態(tài)脆弱性在空間上的分布具有較強(qiáng)的一致性,區(qū)域內(nèi)生態(tài)脆弱性的空間分布特征對(duì)地理格局具有較強(qiáng)的依賴性。極度脆弱主要分布在高寒地區(qū),這些區(qū)域植被覆蓋率極低,一旦遭破壞,生態(tài)修復(fù)的難度極高,對(duì)于這些地區(qū)更需要嚴(yán)格有針對(duì)性的保護(hù),同時(shí)也可以通過人工的方式選擇適合高原生長(zhǎng)的植被來增強(qiáng)生態(tài)抵抗力。

(3)隨著祁連山生態(tài)保護(hù)與治理規(guī)劃的推進(jìn),祁連縣作為其中主要組成區(qū)域,積極推動(dòng)山水林田湖草生態(tài)修復(fù),建立生態(tài)環(huán)境損害責(zé)任終身追究制,強(qiáng)化生態(tài)保障功能。以黑河、大通河流域?yàn)閱卧?以森林、草地、濕地植被恢復(fù)和工程治理為重點(diǎn),建設(shè)牛心山“萬畝農(nóng)場(chǎng)”、卓爾山造林基地,治理黑河流域沙化草地等等舉措都收到了很好的效果,同時(shí)祁連縣未來的生態(tài)保護(hù)還需要更多的探索,祁連縣地區(qū)后續(xù)的治理工作,應(yīng)當(dāng)結(jié)合各個(gè)層次的情況,加強(qiáng)基礎(chǔ)調(diào)研,結(jié)合遙感和地面監(jiān)測(cè)手段,建立綜合生態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),實(shí)施更加針對(duì)性的生態(tài)環(huán)境治理與恢復(fù)的策略,推動(dòng)復(fù)合型生態(tài)環(huán)境的逐漸好轉(zhuǎn),促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)的多樣性發(fā)展,最終實(shí)現(xiàn)自然生態(tài)系統(tǒng)-社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)相互協(xié)調(diào)、相互促進(jìn)和共同發(fā)展。