西寧地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性評(píng)價(jià)方法

李昌玉，王鏡，李姝彬，李京梅

(西寧市氣象局，青海 西寧 810016)

引言

從20世紀(jì)80年代開始，國內(nèi)外學(xué)者從不同區(qū)域、不同方法、不同評(píng)價(jià)體系對(duì)生態(tài)脆弱性進(jìn)行了大量的研究，但針對(duì)西寧地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性的評(píng)價(jià)研究報(bào)道尚未發(fā)現(xiàn)，在查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，借鑒前人的研究方法對(duì)西寧地區(qū)的生態(tài)環(huán)境脆弱性進(jìn)行評(píng)價(jià)研究。

青藏高原生態(tài)系統(tǒng)是中國重要的碳素匯集生態(tài)系統(tǒng)，具有維系國家生態(tài)安全的重要地位和作用。是全國生態(tài)環(huán)境變化的“脆弱帶”[1]。西寧地處青藏高原的東北部，也是生態(tài)環(huán)境變化脆弱區(qū)。西寧地區(qū)經(jīng)過發(fā)展，已成為青藏高原人口超百萬的區(qū)域性現(xiàn)代化城市[2]，隨著城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大，城鎮(zhèn)人口的快速發(fā)展，人類活動(dòng)的不斷增大，使得生態(tài)環(huán)境壓力越加緊張，生態(tài)環(huán)境趨向于越來越脆弱。因此西寧地區(qū)進(jìn)行生態(tài)環(huán)境脆弱性評(píng)價(jià)項(xiàng)目的確定，可以認(rèn)識(shí)西寧地區(qū)生態(tài)環(huán)境的脆弱狀況，并根據(jù)西寧地區(qū)生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)結(jié)果，對(duì)不同脆弱區(qū)提出相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施和保護(hù)手段，為實(shí)現(xiàn)資源和經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)支撐，促進(jìn)西寧地區(qū)穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)，尋找出在生態(tài)脆弱欠發(fā)達(dá)地區(qū)走一條綠色發(fā)展的新路。

1 研究區(qū)概況

西寧地區(qū)位于青藏高原東北部湟水谷地，地理位置100°52′04″～101°54′54″E，36°13′42″～37°28′11″N[3]，面積7 665km2[4]，大體上由達(dá)坂山—湟水谷地—拉脊山組成，地勢西北高、東南低，最高海拔4877m，最低海拔2162m位于湟水河谷地，全市海拔高度差最大為2715m。水熱條件分布不均勻，經(jīng)西寧市氣象局統(tǒng)計(jì)1990—2020年30年氣象要素?cái)?shù)據(jù)，年平均氣溫4.5℃，年降水量470.6mm，年平均風(fēng)速1.3m/s，年日照時(shí)數(shù)2 582.6h，年平均氣壓751.0hPa。與同緯度地區(qū)相比，西寧地區(qū)具有氣壓和氣溫較低、晝夜溫差大、日照時(shí)數(shù)長、蒸發(fā)量大的氣候特點(diǎn)，土壤貧瘠、植被稀疏、地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，兼有農(nóng)業(yè)和少部分牧業(yè)，生態(tài)環(huán)境先天脆弱。2019年西寧地區(qū)總?cè)丝?38.71萬人，是青藏高原唯一過百萬人口的城市[5]，是黃河流域最上游和青藏高原上人類活動(dòng)強(qiáng)度最大的地區(qū)[6]。

2 資料和方法

2.1 資料來源

使用的氣象數(shù)據(jù)2020年均氣溫和年降水量，來自青海省、市(州)、縣(區(qū))氣象臺(tái)業(yè)務(wù)平臺(tái)，選取西寧地區(qū)國家氣象站和區(qū)域氣象自動(dòng)站共43個(gè)站點(diǎn)；人口密度和GDP等社會(huì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來源于《2020年西寧地區(qū)統(tǒng)計(jì)年鑒》；地形因素?cái)?shù)據(jù)來自SRTM DEM，分辨率為90m；土地資源數(shù)據(jù)來自中科院資源環(huán)境數(shù)據(jù)中心2020年度植被指數(shù)數(shù)據(jù)集，分辨率為30m。

2.2 研究方法

生態(tài)脆弱性是生態(tài)系統(tǒng)在特定時(shí)空尺度相對(duì)于外界干擾所具有的敏感反應(yīng)和自我恢復(fù)能力，是生態(tài)系統(tǒng)的固有屬性[7]。是指在外界干擾下生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生的一系列反應(yīng)能力。生態(tài)脆弱性指標(biāo)選擇需要考慮研究區(qū)的抗干擾能力、氣候變化敏感性、時(shí)空波動(dòng)性等多方面特征[8]。本項(xiàng)目在西寧地區(qū)生態(tài)環(huán)境最基本的特征基礎(chǔ)上，參照國內(nèi)研究人員已研究的脆弱性結(jié)果[9-11]構(gòu)建指標(biāo)，以及對(duì)現(xiàn)有研究數(shù)據(jù)的可獲得性和表向性的考慮，西寧地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性評(píng)價(jià)分析從地形因素、氣象因素、社會(huì)經(jīng)濟(jì)(人類活動(dòng))、土地資源四個(gè)方面選取植被覆蓋度、土地利用、土壤類型、高程、坡度、坡向、年平均氣溫、平均降水量、GDP、人口、工業(yè)總產(chǎn)值11個(gè)指標(biāo)來進(jìn)行研究。為得到西寧區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境的特征細(xì)節(jié)，應(yīng)用規(guī)則網(wǎng)格結(jié)合縣級(jí)行政區(qū)劃單元用海拔高程和坡度來表現(xiàn)西寧地形地貌脆弱情況；年溫度和年降水量來代表西寧氣候狀況；生存環(huán)境的脆弱度用土地利用狀況來表現(xiàn)；人口和經(jīng)濟(jì)壓力來代表西寧經(jīng)濟(jì)社會(huì)因素引起的脆弱度。按照以往研究人員的經(jīng)驗(yàn)，各指標(biāo)正負(fù)作用的性質(zhì)，如社會(huì)經(jīng)濟(jì)越好，表示人類對(duì)生態(tài)環(huán)境干擾越大，生態(tài)脆弱度就越大，即呈正相關(guān)；植被覆蓋程度越好，生態(tài)脆弱程度越小[12]，即呈負(fù)相關(guān)。表1為西寧地區(qū)各因素評(píng)價(jià)指標(biāo)和權(quán)重。

表1 西寧地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)及權(quán)重

數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化：在參考各位學(xué)者研究生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)研究的基礎(chǔ)上，先對(duì)各指標(biāo)數(shù)據(jù)分別用公式(1)、(2)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理[13]。

(1)

(2)

計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重，此研究用層次分析法來確定。用各因素標(biāo)準(zhǔn)化值和該指標(biāo)權(quán)重的乘積來計(jì)算各要素的脆弱性指數(shù)。最后計(jì)算綜合生態(tài)環(huán)境脆弱性指數(shù)。

3 特征和分析

3.1 地形因素脆弱性分析

地形因素是生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)中不可缺少的一部分，是生態(tài)環(huán)境的基本要素，地形因素生態(tài)脆弱性與海拔高度和坡度成正相關(guān)，海拔越高，坡度越大，生態(tài)脆弱性越大。從地形因素生態(tài)脆弱性空間分布來看(見圖1)，中度和重度脆弱占的面積較小兩者之和為19.66%，主要分布高海拔山區(qū)，即在大通北面達(dá)坂山、大通西面娘娘山、湟源西南面的日月山、湟中西南面的拉脊山等，為地勢起伏大、海拔高度高、山脈縱橫處。輕度脆弱區(qū)隨中度脆弱區(qū)依附在一起隨山體分布，面積占比為16.31%。潛在脆弱區(qū)面積占比最多為42.73%，主要分布在海拔相對(duì)較低的地帶，如大通東南部、西寧地區(qū)、湟中大部和湟源局地。

圖1 西寧地區(qū)地形系統(tǒng)生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)圖

3.2 氣象因素脆弱性分析

對(duì)處于高寒冷涼區(qū)的西寧地區(qū)而言，降水較少，蒸發(fā)量大，氣溫日較差大，冬季寒冷干燥，氣候?qū)χ脖簧L、土壤環(huán)境有嚴(yán)重的影響。因此，水熱條件越好生態(tài)脆弱性越小，水熱條件越差生態(tài)脆弱性越大。從表2可見，氣象因素脆弱性面積占比由大到小依次為中度占36.35%、重度占28.05%、輕度占26.75%、微度占8.34%、潛在脆弱占0.51%。從氣象因子的脆弱性空間分級(jí)圖(見圖2)可看出，西寧地區(qū)氣象因素的生態(tài)脆弱性，重度脆弱主要集中在湟源西部和西南部、大通西北部和湟中西北小部，這些地區(qū)相對(duì)而言降水較多但溫度較低。處于河谷的湟源縣城、大通縣城及東南部、湟中大部、西寧城區(qū)因降水相對(duì)較多，溫度較高，生態(tài)脆弱性逐步降小。

圖2 西寧地區(qū)氣候生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)圖

3.3 社會(huì)經(jīng)濟(jì)脆弱性分析

人口密度、人均GDP和工業(yè)總產(chǎn)值作為影響西寧地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素的生態(tài)脆弱性，與生態(tài)脆弱性成正相關(guān)，人口多、GDP高和工業(yè)總產(chǎn)值高的地方，生態(tài)脆弱性越大。從社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素評(píng)價(jià)圖(圖3)可見，西寧地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素的生態(tài)脆弱性分布大小由中心城區(qū)向周邊擴(kuò)展，重度脆弱集中在西寧城北區(qū)、城西區(qū)和湟中區(qū)，因這些區(qū)域人口密集、經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)給環(huán)境帶來的壓力相對(duì)較高故生態(tài)脆弱性較大；相反，研究區(qū)西北部和西南部社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素影響較小的地區(qū)生態(tài)脆弱性較小。

圖3 西寧地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)圖

3.4 土地資源脆弱性分析

影響西寧地區(qū)土地資源生態(tài)脆弱性主要有植被覆蓋度和土地利用類型，其中植被覆蓋度與脆弱性成負(fù)相關(guān)，植被覆蓋度越大脆弱性越小。從西寧地區(qū)土地資源生態(tài)脆弱性空間分布圖(見圖4)可看出，中度脆弱、重度脆弱和輕度脆弱主要分布在湟水河谷地城區(qū)人造地表、裸地以及高海拔山脈植被少的地方，三者面積之和占13.2%，剩余大部分地區(qū)為潛在脆弱和微度脆弱區(qū)，兩者面積之和達(dá)87.14%，占比較大。

圖4 西寧地區(qū)土地資源生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)圖

3.5 生態(tài)脆弱性綜合評(píng)價(jià)分析

在計(jì)算分析了地形、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、水文氣象和土地資源四個(gè)因素的生態(tài)脆弱性之后，用(3)式來計(jì)算綜合生態(tài)環(huán)境脆弱性[14]。

EVI=∑[A1Y1+A2Y2+A3Y3+A4YA]

(3)

式中，A1,A2,A3,A4,分別表示地形、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、水文氣象和土地資源因素生態(tài)脆弱度，Y1,Y2,Y3,Y4分別為各因素對(duì)應(yīng)的權(quán)重，此處權(quán)重用專家打分法確定。

西寧地區(qū)生態(tài)脆弱度使用Arcgis中的“自然間斷點(diǎn)”分為五個(gè)等級(jí)見表2。繪制出西寧地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性等級(jí)面積占比圖(見圖5)和西寧地區(qū)綜合生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)圖(見圖6)。由圖5可知，西寧地區(qū)生態(tài)脆弱性一般潛在區(qū)域面積占17.59%，微度脆弱占43.61%，輕度脆弱占28.86%，中度脆弱占8.0%，重度脆弱占1.94%，由此可見西寧地區(qū)微度脆弱面積占比最大。從圖6上分析，西寧地區(qū)生態(tài)脆弱度空間分布總體呈現(xiàn)高海拔向低海拔減小趨勢。重度和中度主要分布西寧地區(qū)北部和南部高海拔山脈區(qū)，這些地區(qū)因溫度低，以裸巖石質(zhì)地景觀為主的高山，植被覆蓋度極低。輕度脆弱區(qū)與中度脆弱區(qū)依附在一起分布在高海拔山區(qū)，另外一塊輕度脆弱區(qū)聚集于主城區(qū)的城北區(qū)、城西區(qū)和城中區(qū)，其中城西區(qū)和城中區(qū)以微度脆弱之中鑲嵌輕度脆弱，而城北區(qū)是以微度和輕度脆弱混合并有一小塊中度脆弱。主要因城區(qū)人口密度大，建設(shè)開發(fā)用地增加，工業(yè)總產(chǎn)值高，尤其城北區(qū)工業(yè)總產(chǎn)值最高，人均GDP較高，故脆弱性較高。城東區(qū)因海拔最低，氣溫最高，加之工業(yè)總產(chǎn)值在城區(qū)中是最低的，故為微度脆弱區(qū)。大通、湟源和湟中海拔較低的谷地和緩坡地區(qū)為微度脆弱區(qū)，相對(duì)研究區(qū)而言微度脆弱區(qū)域分布范圍最廣，這些區(qū)域基本上坡度較緩，是以耕地、林地和草地為主的地區(qū)，植被好，人類活動(dòng)少。

表2 西寧地區(qū)生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)占比(%)

圖5 西寧地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性等級(jí)面積占比圖

圖6 西寧地區(qū)綜合生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)圖

4 小結(jié)

(1)由西寧地區(qū)2020年生態(tài)脆弱性等級(jí)面積占比統(tǒng)計(jì)可知，微度脆弱面積占比最高達(dá)到43.61%，其次是輕度脆弱占28.86%，中度和重度脆弱占比僅為8.0%和1.94%，西寧地區(qū)整體處于微度脆弱性。

(2)生態(tài)脆弱性空間分布上整體呈現(xiàn)高海拔山區(qū)高，低海拔緩坡和河谷低的分布特征，重度和中度脆弱區(qū)主要分布在海拔較高的山區(qū)，潛在或微度脆弱區(qū)分布在海拔相對(duì)較低的谷地和緩坡，植被覆蓋好，工業(yè)總產(chǎn)值相對(duì)低的地區(qū)。大通、湟源和湟中海拔較低的谷地和緩坡地區(qū)為微度脆弱區(qū)，相對(duì)西寧地區(qū)而言微度脆弱區(qū)域分布范圍最廣。

(3)西寧城區(qū)內(nèi)人口集中，人類活動(dòng)擾動(dòng)大，工業(yè)總產(chǎn)值高，故生態(tài)脆弱性較高。其中城北區(qū)是以微度和輕度脆弱混合并有一小塊中度脆弱，是城區(qū)中最脆弱的區(qū)域，其次是城西區(qū)和城中區(qū)，城東區(qū)為微度脆弱區(qū)。

(4)生態(tài)環(huán)境脆弱性受自然、氣候和人類等各個(gè)方面的共同影響，相互關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜。限于收集數(shù)據(jù)的難度，在此次研究西寧地區(qū)脆弱性時(shí)只用了一年的資料，并且沒有滲透到更廣更細(xì)的層面選取更多的生態(tài)環(huán)境脆弱性指標(biāo)，而是主要根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)選取了四個(gè)有代表性因素的指標(biāo)，對(duì)于本身復(fù)雜的生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)，根據(jù)特定指標(biāo)進(jìn)行環(huán)境評(píng)價(jià)有一定的局限性，還有待于今后結(jié)合實(shí)證研究進(jìn)一步完善。