金沙江流域生態(tài)脆弱性評價

尚嘉寧，邵懷勇，李 峰，歐陽欣

（成都理工大學地球科學學院，成都 610059）

金沙江流域地跨青藏高原、川西北高原、川西南山地等幾大地貌單元，既是長江流域的生態(tài)屏障，也在長江經(jīng)濟帶中發(fā)揮著重要作用。然而，在大力發(fā)展經(jīng)濟的同時，不合理的發(fā)展模式存在一定弊端，再加上流域內(nèi)自然條件復(fù)雜，土地退化、地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)等生態(tài)問題［1-3］的嚴峻考驗隨之而來，流域的生態(tài)保護作用不僅得不到充分發(fā)揮，造成的壓力反而對流域生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)、發(fā)展起到阻礙作用。因此，重視該流域的生態(tài)環(huán)境十分必要。但目前有關(guān)金沙江流域的研究［4-7］大多基于微觀角度，鮮見綜合性研究，因而基于金沙江流域復(fù)雜的人類-環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)開展生態(tài)脆弱性研究具有重要的現(xiàn)實意義。

人口、能源和環(huán)境等一系列問題的出現(xiàn)，引起了人們對生態(tài)環(huán)境的重視，推動了生態(tài)脆弱性研究的發(fā)展。區(qū)域生態(tài)脆弱性評價有助于人們客觀、全面地了解當?shù)丨h(huán)境的脆弱程度及其變化趨勢，從而可以有針對性地實施益于區(qū)域環(huán)境脆弱性改善的環(huán)境規(guī)劃。國內(nèi)外學者們已運用多種方法［8-18］對區(qū)域生態(tài)脆弱性開展了量化分析及動態(tài)監(jiān)測，取得了大量成果。其中，空間主成分分析能夠得到個數(shù)較少卻包含信息較多的幾個綜合特征指標，不僅可以保留絕大部分指標信息，而且減少了主觀性對評價結(jié)果的影響，具有一定的優(yōu)勢。

為此，本研究通過GIS 和RS 技術(shù)，基于人與自然相互作用的理念，耦合地形、氣候、覆被和人類活動等因素，運用空間主成分分析法對金沙江流域2005—2015 年生態(tài)脆弱性進行動態(tài)監(jiān)測、評價及分級，進一步分析該流域生態(tài)脆弱性時空變化格局，從而為構(gòu)建金沙江流域的生態(tài)環(huán)境保護和利用框架奠定理論基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況

金沙江流域（24°—36°N，90°—105°E）地處長江流域上游，自西北—東南方向跨青、藏、滇、川、黔5省區(qū)，總面積約47.32 萬km2。流域內(nèi)高原、峽谷、盆地和丘陵縱橫交貫［19］，地勢北高南低，上游與下游海拔之差在5 000 m 以上。在多種季風的影響下，流域內(nèi)氣候呈現(xiàn)出明顯的區(qū)域地帶性。受流域地貌、氣候等綜合影響，植被類型的地帶性和多樣性也較為顯著。流域內(nèi)水能資源、礦產(chǎn)資源和生物資源等方面在中國地位極為重要。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

本研究采用的數(shù)據(jù)主要包括3 種。①遙感數(shù)據(jù)。從美國航天航空局下載MOD13Q1 數(shù)據(jù)集（分辨率為250 m），采用最大值合成法得到歸一化植被指數(shù)（NDVI）；從地理空間數(shù)據(jù)云下載季相相近的Landsat 影像（分辨率為30 m），運用支持向量機進行監(jiān)督分類，得到土地利用數(shù)據(jù)。②基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)。DEM 數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云，分辨率為90 m；坡度數(shù)據(jù)提取自DEM 數(shù)據(jù)；1∶100 萬土壤類型數(shù)據(jù)來源于地球系統(tǒng)科學數(shù)據(jù)共享網(wǎng)；研究區(qū)年平均氣溫和年降水量來源于中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)，進行空間插值實現(xiàn)數(shù)據(jù)空間化。③統(tǒng)計數(shù)據(jù)。包括人口密度和人均GDP，均來源于5 省區(qū)統(tǒng)計年鑒，需進行數(shù)據(jù)空間化處理。

本研究數(shù)據(jù)均采用WGS 1984 地理坐標系和Albers Equal Area 投影坐標系，柵格大小需統(tǒng)一為250 m×250 m。

2.2 生態(tài)脆弱性評價方法

2.2.1 評價指標 生態(tài)脆弱性評價指標的選取對于評價結(jié)果科學性有著至關(guān)重要的作用。本研究既借鑒了前人研究成果［20-23］，又充分考慮了研究區(qū)實際情況，最終從自然環(huán)境和人類活動2 個方面，選取了9 個指標評價金沙江流域生態(tài)脆弱性（表1）。

表1 評價指標體系及選取依據(jù)

2.2.2 指標標準化 由于各評價指標的單位和意義存在差異，無法直接進行比較，所以需要對以上9 個指標通過標準化來消除量綱，使其數(shù)值介于0～10，從而有助于對各指標進行比較。根據(jù)指標不同的性質(zhì)，本研究采用2 種標準化方法。

定量指標需采用極差法來標準化［24，25］。其中，按照指標與脆弱性的關(guān)系，又有正向指標與負向指標的區(qū)別。前者數(shù)值與脆弱性呈正比，包括高程、坡度、平均氣溫、年降水量和人口密度；后者與脆弱性的關(guān)系與前者相反，包括NDVI和人均GDP。計算公式［24，25］分別為：

式中，Xi、Xmin和Xmax分別為第i個指標的 實際值、指標的最小值和最大值。

定性指標包括土地利用類型和土壤類型。根據(jù)專家知識［24-27］與研究區(qū)實際情況，對土地利用類型和土壤類型2 個指標采用分等級賦值的方法實現(xiàn)標準化（表2）。

表2 土地利用類型指標分等級賦值標準

2.2.3 評價模型 空間主成分分析（SPCA）是一種降維的統(tǒng)計方法，使原有多個變量轉(zhuǎn)換成為少數(shù)幾個相互無關(guān)的綜合變量，其最突出的優(yōu)點是在確定指標權(quán)重時具有較強的客觀性，能夠較大程度上使得各指標依照數(shù)據(jù)本身特點和性質(zhì)而集成，從而在一定程度上可減少人為賦予指標權(quán)重的主觀性。本研究在對上述9 個評價指標標準化的前提下，再將它們作空間主成分分析處理，結(jié)果確定累計貢獻率超過87%的前4 個主成分（PC1、PC2、PC3、PC4）（表3）。在此基礎(chǔ)上，采用生態(tài)脆弱性指數(shù)（EVI）來定量表達區(qū)域生態(tài)環(huán)境脆弱程度，計算公式［26］為：

式中，wi表示第i個主成分的貢獻率；ri表示第i個主成分。EVI越大，表示生態(tài)環(huán)境脆弱程度越嚴重。

表3 主成分信息統(tǒng)計

由上述結(jié)果可得，研究區(qū) 2005、2010、2015 年的生態(tài)脆弱性指數(shù)計算公式分別如下：

式中，A1至A4、B1至B4、C1至C4分別代表對應(yīng)年份9 個指標實現(xiàn)空間主成分分析后，得到累計貢獻率大于87%的前4 個主成分。

2.3 生態(tài)脆弱性分級

為方便對比EVI，需對其進行標準化處理［24，28］，使EVI介于0～10。由于通過上述SPCA 模型計算得到的研究區(qū)EVI是連續(xù)值，所以可根據(jù)數(shù)值大小將其劃分為不同的生態(tài)脆弱性等級，以便更加直觀、清晰地了解到研究區(qū)生態(tài)脆弱性分布狀況。目前在生態(tài)脆弱性分級中已被學者們廣泛應(yīng)用的方法之一是自然斷點法，它是一種以聚類思維為基礎(chǔ)的客觀分類方法。因此，本研究基于研究區(qū)實際情況并參照前人采用的分級標準［29-31］，采用自然斷點法將EVI劃分為5 個等級：潛在脆弱（Ⅰ級，0＜EVI≤3.50）、輕度脆弱（Ⅱ級，3.50＜EVI≤5.75）、中度脆弱（Ⅲ級，5.75＜EVI≤ 6.75）、重度脆弱（Ⅳ級，6.75＜EVI≤7.75）和極度脆弱（Ⅴ級，7.75＜EVI≤10.00）。

2.4 生態(tài)脆弱性綜合指數(shù)

在對研究區(qū)生態(tài)脆弱性指數(shù)分級之后，本研究采用生態(tài)脆弱性綜合指數(shù)（EVSI）來呈現(xiàn)生態(tài)環(huán)境的整體變化趨勢，以此使得研究區(qū)生態(tài)脆弱性變化情況可通過定量的形式表達出來，更加明了。計算方法如下［32，33］：

式中，i為評價等級；n為評價等級總數(shù)；S為總面積；Pi和Ei分別表示i級脆弱性等級值及等級面積。EVSI與生態(tài)環(huán)境整體狀況呈反比。

3 結(jié)果與分析

3.1 生態(tài)脆弱性空間分布與時空變化分析

根據(jù)上述生態(tài)脆弱性評價方法，得到金沙江流域2005、2010、2015 年的生態(tài)脆弱性分級結(jié)果（圖1、表4）。

從圖1 可以看出，2005—2015 年研究區(qū)生態(tài)脆弱性地區(qū)差異性較大；極度脆弱區(qū)和重度脆弱區(qū)大部分集中分布在流域下游地區(qū)，即云南省昭通市、楚雄州（楚雄彝族自治州）北部、四川省攀枝花市北部及涼山州（涼山彝族自治州）的冕寧縣、德昌縣等地；上游地區(qū)生態(tài)脆弱性普遍較低，生態(tài)穩(wěn)定性相對較好；中下游河谷兩岸坡面比河流流經(jīng)地區(qū)脆弱程度嚴重。2005—2010 年楚雄州北部的極度脆弱區(qū)面積有所減少，其中，永仁縣東北部脆弱等級由重度轉(zhuǎn)為中度，生態(tài)環(huán)境有了明顯好轉(zhuǎn)；而昭通市和涼山州交界地區(qū)脆弱性由中度發(fā)展為重度，昭通市東北部重度脆弱面積有所增加。2010—2015 年重度和極度脆弱區(qū)面積減少，潛在脆弱等級面積有所增加，表明這6 年間生態(tài)環(huán)境質(zhì)量整體有所提高。

由表4 分析可得，在2005—2015 年不同脆弱性等級的面積占比變化情況分別為：潛在脆弱性面積占比先減少后增加，2010 年比2005 年比重減少了1.26 個百分點，2015 年比 2010 年比重增加了 6.98 個百分點，增加幅度大于減少幅度；輕度脆弱性面積占比先減少后增加，變化幅度較小；中度脆弱性面積占比先增加后減少，2005—2010 年占比增加了1.10 個百分點，2010—2015 年占比減少了6.64 個百分點，減少幅度大于增加幅度；重度脆弱性面積占比呈先增加后減少的趨勢，增加與減少幅度相差不大；極度脆弱性面積占比持續(xù)減少，2005—2015 年減少1.18個百分點。研究區(qū)潛在脆弱、輕度脆弱和中度脆弱3 個等級占比之和超過了70%，由此可以判斷金沙江流域內(nèi)生態(tài)環(huán)境總體處于中等水平。

表4 金沙江流域生態(tài)脆弱性不同等級面積統(tǒng)計

由式（7）計算可得，金沙江流域2005、2010、2015年的生態(tài)脆弱性綜合指數(shù)依次為2.53、2.55 和2.38。自2005 年后的10 年間，EVSI呈先略增長后減小趨勢，表明整體上生態(tài)環(huán)境較穩(wěn)定，朝良好趨勢發(fā)展，這與研究區(qū)長期以來堅持開展退耕還林、退牧還草等政策有密切聯(lián)系。2005—2010 年EVSI增長了0.02，增幅較小，生態(tài)環(huán)境整體變化不大；2010—2015 年EVSI下降了 0.17，與 2005—2010 年的變化相比，這5 年來的生態(tài)環(huán)境變化相對較大，局部地區(qū)生態(tài)環(huán)境出現(xiàn)好轉(zhuǎn)。

圖1 2005—2015 年金沙江流域生態(tài)脆弱性分級

3.2 生態(tài)脆弱性驅(qū)動因子分析

本研究根據(jù)空間主成分分析結(jié)果確定累計貢獻率達87%以上的前4 個主成分，計算生態(tài)脆弱性指數(shù)，分析發(fā)現(xiàn)，前3 個主成分具有一定規(guī)律性：第一主成分中，NDVI的貢獻率遠超過其他指標；第二主成分中，平均氣溫、年降水量的貢獻較大；第三主成分中，坡度和土地利用類型的貢獻率較高。這表明金沙江流域生態(tài)脆弱性動態(tài)變化過程與其特殊的自然環(huán)境和人類活動息息相關(guān)，其中主要驅(qū)動因子為NDVI、氣候、坡度和人類活動等。

金沙江流域呈南北狹長形，跨越中國地勢一二級階梯，地形地勢復(fù)雜，再加上多種不同季風的作用，流域上、中、下游的氣候、植被覆蓋情況、資源分布等自然條件差異顯著，而自然環(huán)境作為人類社會發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，必然會影響人口分布和經(jīng)濟發(fā)展的方方面面。正因為生態(tài)脆弱性與這些因素密不可分，所以研究區(qū)脆弱性分布地區(qū)差異性也較大。流域下游地區(qū)地勢相對平緩、雨熱同期、水能豐富，利于發(fā)展工、農(nóng)業(yè)和人類居住，但特殊的自然條件和不合理的開發(fā)利用方式也會帶來一系列負面影響，如金沙江干熱河谷光熱豐富、干熱少雨，植被覆蓋率低，河谷坡面甚為脆弱，伴隨的焚風效應(yīng)會加劇干旱，使河谷兩岸更加脆弱；人口密集、土地開墾嚴重導致水土流失、土地退化；建設(shè)水電站、不盡合理發(fā)展工礦業(yè)造成嚴重污染等，使得下游地區(qū)難以抵御外界干擾、自我恢復(fù)，脆弱程度嚴重。而流域河谷內(nèi)河流流經(jīng)區(qū)域縱深層次生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展程度較深［1］，自我修復(fù)和自我更新能力強，因而比河谷兩岸脆弱性低。流域上游為水源涵養(yǎng)生態(tài)功能保護區(qū)，實行生態(tài)工程建設(shè)，對生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)產(chǎn)生了積極作用，因此相對于流域內(nèi)其他地區(qū)，上游生態(tài)脆弱性低。

4 小結(jié)

本研究通過GIS和RS技術(shù)，采用空間主成分分析對金沙江流域生態(tài)脆弱性進行了評價，得出以下結(jié)論。

1）金沙江流域的生態(tài)脆弱性地區(qū)差異明顯，上游生態(tài)環(huán)境良好，中游部分地區(qū)較脆弱，下游部分地區(qū)脆弱程度較高，河谷兩岸比河流流經(jīng)地區(qū)脆弱性高。流域內(nèi)生態(tài)環(huán)境整體處于中等水平，在各脆弱性等級中，輕度脆弱區(qū)面積最大，中度脆弱區(qū)次之，潛在脆弱區(qū)面積占比中等，重度脆弱區(qū)又次之，極度脆弱區(qū)比重最小。2005—2010年，流域內(nèi)生態(tài)環(huán)境脆弱性指數(shù)先增加后減小，減小幅度比增加幅度大得多，且自2010 年后的5 年以來，中度、重度和極度脆弱性面積占比均呈下降趨勢，說明生態(tài)建設(shè)已有成效。

2）2005—2015 年，金沙江流域生態(tài)環(huán)境總體上有所改善，主要是因為研究時段內(nèi)堅持綠色發(fā)展理念，有效落實生態(tài)恢復(fù)和環(huán)境保護措施。但由于該流域自然條件獨特，并且生態(tài)作用和戰(zhàn)略地位不可替代，應(yīng)該采取更加科學的環(huán)境治理方法，使得其生態(tài)更具穩(wěn)定性。對此，本研究建議把握好恢復(fù)治理和協(xié)調(diào)發(fā)展兩個關(guān)鍵點，提高大源頭生態(tài)保護意識，堅持“長江大保護”戰(zhàn)略規(guī)劃；因地制宜實施林地、草地工程建設(shè)；創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)模式，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。

3）生態(tài)脆弱性評價既需要充分考慮研究區(qū)自然環(huán)境，又不能忽略人類活動方面的影響，涉及土地、植物、河流和人類生產(chǎn)生活等諸多因素。由于多種數(shù)據(jù)的收集尚存在困難，本研究在評價指標體系構(gòu)建方面有局限性，會對研究結(jié)果產(chǎn)生一定影響。因此，構(gòu)建更加完善的生態(tài)脆弱性評價指標體系是下一步研究的重點。