山東省黃河流域生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量分析與評(píng)價(jià)

孟祥亮張雨煊孟飛郭霖付萍杰

(1.山東建筑大學(xué) 測(cè)繪地理信息學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101；2.山東省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，山東 濟(jì)南 250101)

0 引言

生態(tài)系統(tǒng)是由于生物群落和其他不同的生態(tài)環(huán)境發(fā)生相互作用后所形成的一個(gè)統(tǒng)一性整體，而人類又正是這個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的組成部分。生態(tài)系統(tǒng)問(wèn)題是當(dāng)今受到廣泛關(guān)注的科學(xué)技術(shù)研究課題之一，全球面臨的各種自然資源與環(huán)境問(wèn)題的應(yīng)對(duì)，主要是對(duì)其結(jié)構(gòu)、功能、多樣性、穩(wěn)定性等方面的研究，對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)更好地發(fā)展具有重要意義。生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量可以從以生產(chǎn)力為基礎(chǔ)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能、對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能穩(wěn)定性和對(duì)生態(tài)系統(tǒng)承載力等3個(gè)方面進(jìn)行評(píng)價(jià)[1]。

近年來(lái)，生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估受到廣泛的關(guān)注，分別以省或州為單位對(duì)生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行了大量的研究，并將評(píng)估結(jié)果與生態(tài)保護(hù)和國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展相結(jié)合[2-4]。國(guó)內(nèi)在生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量狀況研究方面也有較多的積累[5-9]，如陳永林等[10]利用景觀格局指數(shù)的變化反映生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的變化，闡明紅樹(shù)林濕地生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量；朱堅(jiān)等[11]通過(guò)組合賦權(quán)法確定權(quán)重建立生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評(píng)價(jià)模型，以寧波市為例評(píng)價(jià)了城市生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量情況。肖洋等[12]以生物量因子和植被覆蓋度因子為基礎(chǔ)建立評(píng)價(jià)模型，評(píng)估了2000—2010年間蒙古地區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。劉永等[13]提出了一種針對(duì)滇池湖泊生態(tài)系統(tǒng)的評(píng)估指標(biāo)和研究方法，以滇池湖泊為例評(píng)估其湖泊生態(tài)系統(tǒng)。已有的研究主要集中在單一生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量狀況分析，而對(duì)多種生態(tài)系統(tǒng)類型組成的生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)研究較少，缺少對(duì)生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的綜合評(píng)價(jià)[14-15]。

黃河流域是集林地、草地、河流、城鎮(zhèn)、農(nóng)田等為一體的復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)類型，黃河流域生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)比較脆弱，易受人為干擾，因此研究其生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量對(duì)加強(qiáng)流域保護(hù)治理有著重要意義。文章利用遙感技術(shù)，選取生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評(píng)價(jià)指數(shù)，評(píng)價(jià)了2005—2019年山東省黃河流域林地、草地、農(nóng)田、城鎮(zhèn)4 大生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量，以期為黃河流域保護(hù)提供科學(xué)的參考依據(jù)。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

黃河從山東省菏澤市東明縣進(jìn)入山東省內(nèi)，流經(jīng)9 市25 縣(市、區(qū))，在東營(yíng)市墾利區(qū)匯入渤海，境內(nèi)黃河河道總長(zhǎng)為628 km、流域土地面積為1.83 萬(wàn)km2。山東省黃河流域行政區(qū)劃圖如圖1 所示。所用地圖審圖號(hào)為魯SG(2022)025 號(hào)。黃河流域地區(qū)屬溫帶季風(fēng)氣候，其年平均氣溫12 ～14 ℃、年均降雨量為500～800 mm，光照時(shí)數(shù)年均在2 290～2 890 h 間。近年來(lái)，山東省將黃河流域作為重點(diǎn)生態(tài)保護(hù)和恢復(fù)區(qū)域，并通過(guò)創(chuàng)建森林城市，采取改善綠化和提高生態(tài)質(zhì)量的方式，繼續(xù)推動(dòng)黃河沿岸地區(qū)的生態(tài)保護(hù)和恢復(fù)工作[16]。黃河流域國(guó)土生態(tài)空間的不斷優(yōu)化和生態(tài)功能的逐步加強(qiáng)，為黃河流域的高質(zhì)量發(fā)展提供了支持和保證。

圖1 山東省黃河流域行政區(qū)劃圖

1.2 研究數(shù)據(jù)

根據(jù)山東省黃河流域范圍及影像的可獲取性，生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評(píng)價(jià)選擇對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星Terra 的中分辨率成像光譜儀MODIS 影像作為遙感信息源[17-18]，收集2000年5月—2020年10月，行列號(hào)為h27v05 的歸一化植被指數(shù)(MOD13A1)、葉面積指數(shù)(MOD15A2H)、總初級(jí)生產(chǎn)力(MOD17A2H)遙感影像數(shù)據(jù)，每年度影像獲取時(shí)間介于5 ～10月份，空間分辨率為500 m，數(shù)據(jù)信息見(jiàn)表1。

表1 MODIS 數(shù)據(jù)信息表

2 研究方法

根據(jù)相關(guān)技術(shù)規(guī)范[19]，選擇3 個(gè)評(píng)價(jià)指數(shù)即生態(tài)系統(tǒng)功能指數(shù)(Ecosystem Function Index，EFI)、生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定指數(shù)(Ecosystem Stability Index，ESI)和生態(tài)系統(tǒng)脅迫指數(shù)(Ecosystem Stress Index，ETI)，則構(gòu)成生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量指數(shù)(Ecosystem Quality Index，EQI)由式(1)表示為

EQI 為基于植被的生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評(píng)估指標(biāo)，與植被覆蓋度的高低有著直接的關(guān)系。3 個(gè)指標(biāo)中，生態(tài)系統(tǒng)功能指數(shù)和生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定指數(shù)為正向指標(biāo)，其值越高，生態(tài)環(huán)境越好；生態(tài)系統(tǒng)脅迫指數(shù)為負(fù)向指標(biāo)，其值越高，生態(tài)環(huán)境越差。

根據(jù)EQI，參照HJ 192—2020 劃分方案[19]，生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量劃分為優(yōu)、良、中、低和差5 個(gè)等級(jí)(見(jiàn)表2)。

表2 生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量狀況分級(jí)表

2.1 生態(tài)系統(tǒng)功能指數(shù)

利用3 種植被指數(shù)建立生態(tài)系統(tǒng)功能指數(shù)，計(jì)算方法由式(2)表示為

式中EFIi為第i年生態(tài)系統(tǒng)功能指數(shù)；LAIi，j為第i年第j期的葉面積指數(shù)；GPPi，j為第i年第j期的總初級(jí)生產(chǎn)力，kg/m2；FVCi，j為植被覆蓋度，%；n為第i年遙感觀測(cè)期數(shù)。

2.2 生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定指數(shù)

在生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的基礎(chǔ)上構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定指數(shù)，計(jì)算方法由式(3)表示為

式中ESIi為第i年生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定指數(shù)，S(EFIi)、D(EFIi)分別為評(píng)估起始年至第i年生態(tài)系統(tǒng)功能指數(shù)的方差、均值。

2.3 生態(tài)系統(tǒng)脅迫指數(shù)

生態(tài)系統(tǒng)脅迫指數(shù)的變化與人類活動(dòng)強(qiáng)度密切相關(guān)，根據(jù)不同生態(tài)系統(tǒng)的擾動(dòng)程度進(jìn)行分級(jí)賦值，見(jiàn)表3。其計(jì)算方法由式(4)表示為

表3 擾動(dòng)指數(shù)構(gòu)建權(quán)重表

式中Ai為第i 級(jí)生態(tài)系統(tǒng)的分級(jí)指數(shù)；Pi為第i級(jí)生態(tài)系統(tǒng)的面積百分比，%。

3 結(jié)果與分析

3.1 黃河流域生態(tài)系統(tǒng)功能評(píng)價(jià)

根據(jù)式(2)計(jì)算得到黃河流域生態(tài)系統(tǒng)功能狀況劃分等級(jí)，劃分為差、低、中、良、優(yōu)5 個(gè)等級(jí)，結(jié)果如圖2 所示。2005—2019年黃河流域生態(tài)系統(tǒng)功能的平均值為62.2，等級(jí)為優(yōu)和良的面積所占百分比分別為28.7%和38.1%，說(shuō)明15 a 間黃河流域年平均生態(tài)系統(tǒng)功能較高。在空間分布上，指數(shù)值的高低與植被覆蓋度有著密切的關(guān)系[20-22]，EFI 較高的區(qū)域主要位于研究區(qū)中部的歷城區(qū)、泰山區(qū)、岱岳區(qū)以及黃河三角洲的墾利區(qū)，土地利用類型以植被覆蓋度較高的林地和草地為主。EFI 較低的區(qū)域主要位于植被覆蓋度相對(duì)較低的萊蕪區(qū)、鋼城區(qū)以及新泰市。

圖2 黃河流域生態(tài)系統(tǒng)功能狀況分級(jí)圖

3.2 黃河流域生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

在EFI 的基礎(chǔ)上，根據(jù)式(3)計(jì)算得到黃河流域生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定狀況并進(jìn)行等級(jí)劃分，結(jié)果如圖3所示。

圖3 黃河流域生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性狀況分級(jí)圖

由圖3 可知，差、低、中等級(jí)所占面積較大，生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性差的地區(qū)占比為27.0%，低、中等級(jí)占比分別為45.0%、22.3%，且黃河流域生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定指數(shù)的平均值為29，表明2005—2019年間黃河流域生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性處于相對(duì)較弱的水平，生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性與人為因素有關(guān)，ESI 較高的區(qū)域主要分布在研究區(qū)中部以自然生態(tài)系統(tǒng)類型為主的泰山地區(qū)，以及黃河入海口附近區(qū)域，人為干擾較少，其生態(tài)系統(tǒng)較為穩(wěn)定；而以人工生態(tài)系統(tǒng)類型為主的農(nóng)田和城鎮(zhèn)區(qū)域易受到人類的改造，穩(wěn)定性較差。

3.3 黃河流域生態(tài)系統(tǒng)脅迫評(píng)價(jià)

基于式(4)計(jì)算得到2005、2010、2015 和2019年黃河流域生態(tài)系統(tǒng)脅迫指數(shù)，生態(tài)系統(tǒng)脅迫指數(shù)為負(fù)向指標(biāo)，因此將負(fù)向指標(biāo)進(jìn)行正向化處理，即可實(shí)現(xiàn)其正向化轉(zhuǎn)換，屬性同一化處理后指數(shù)變化趨勢(shì)可反映生態(tài)現(xiàn)狀相同的優(yōu)劣變化趨勢(shì)。同一化處理后分別為40.0、39.4、38.7 和38.3，其平均值為39.1，表明研究期間黃河流域的生態(tài)系統(tǒng)受脅迫能力處于中等水平。

對(duì)比分析2005—2019年間黃河流域生態(tài)系統(tǒng)EFI、ESI 和ETI 的均值，結(jié)果如圖4 所示。黃河流域各生態(tài)系統(tǒng)指數(shù)在研究期間均呈現(xiàn)波動(dòng)性略微下降趨勢(shì)，其年均變化率分別為-0.4、-0.2 和-0.1。EFI 均值總體相對(duì)較高，其變化趨勢(shì)稍有波動(dòng)，但幅度不大； ETI 均值處于中等偏低的狀態(tài)， 而ESI 均值最低。

圖4 2005—2019年間黃河流域生態(tài)系統(tǒng)EFI、ESI 和ETI 變化趨勢(shì)圖

3.4 生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)

根據(jù)式(1)計(jì)算生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量指數(shù)，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行等級(jí)劃分，結(jié)果如圖5 所示。黃河流域生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量指數(shù)年均值為60.4，說(shuō)明流域整體生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量較好，其中2010年的分值最高，2015、2019年次之，而2005年最低。

圖5 不同年份山東省黃河流域生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量狀況分級(jí)圖

對(duì)黃河流域林地、草地、城鎮(zhèn)、農(nóng)田4 類主要生態(tài)系統(tǒng)類型進(jìn)行單一系統(tǒng)評(píng)價(jià)，結(jié)果如圖6 所示。不同年份黃河流域生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量遙感綜合評(píng)分見(jiàn)表4。不同生態(tài)系統(tǒng)類型的生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量有明顯差異，其中林地生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量最高，其年均值為65.3；城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量最低，其年均值為56.7；草地和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)年均值分別為59.8、59.7。

表4 不同年份黃河流域生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量遙感綜合評(píng)分表

圖6 不同年份黃河流域各生態(tài)系統(tǒng)類型質(zhì)量等級(jí)面積百分比圖

結(jié)合空間分布可知，4 個(gè)年份黃河流域的泰山地區(qū)、黃河三角洲的墾利區(qū)生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量級(jí)別明顯優(yōu)于其他地區(qū)，山區(qū)土地利用類型以天然林地為主，墾利區(qū)以耕地為主，植被相對(duì)較多，因此以植被指數(shù)為基礎(chǔ)的生態(tài)系統(tǒng)功能指數(shù)及穩(wěn)定指數(shù)相對(duì)較高，生態(tài)系統(tǒng)受到脅迫可能性較低，所以生態(tài)系統(tǒng)較為穩(wěn)定。生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量級(jí)別較差的區(qū)域主要為萊蕪區(qū)、鋼城區(qū)、肥城市、以及泰山區(qū)與岱岳區(qū)交匯處等地區(qū)主城區(qū)的周邊區(qū)域，分布在各建城區(qū)的外圍地帶，植被覆蓋度低，且生態(tài)環(huán)境易受人為干擾，生態(tài)系統(tǒng)受到脅迫可能性較高，所以生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量相對(duì)較差。

4 結(jié)論

通過(guò)上述研究可知:

(1)2005—2019年，山東省黃河流域生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定指數(shù)、生態(tài)系統(tǒng)功能指數(shù)、生態(tài)系統(tǒng)脅迫指數(shù)等3 項(xiàng)指數(shù)呈現(xiàn)不同程度的波動(dòng)，區(qū)域內(nèi)林地、草地、農(nóng)田和城鎮(zhèn)4 類生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量整體發(fā)展趨勢(shì)向好。2005—2010年間，生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量年均值由59.3 上升到62.5；而2019年生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量年均值則減少至59.5。

(2)空間分布上，山東省黃河流域生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量高值集中分布于泰山區(qū)域，植被覆蓋度高，不易受人為干擾；低值主要分布在城鎮(zhèn)及其周邊區(qū)域，植被覆蓋度相對(duì)較低且易受人為干擾。

(3)4 類生態(tài)系統(tǒng)中，林地生態(tài)系統(tǒng)年均值為65.3，其質(zhì)量最高，其中優(yōu)等級(jí)所占面積百分比均值為34.2%；其次是草地、農(nóng)田；城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)年均值為56.7，其質(zhì)量最低，差等級(jí)所占面積百分比均值為6.1%，自然生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量總體上高于人工生態(tài)系統(tǒng)。