基于RS与GIS的长江三角洲生态环境脆弱性综合评价

2011-09-23徐庆勇陆佩玲李仁强

环境科学研究 2011年1期

关键词：长江三角洲旱涝脆弱性

徐庆勇，黄玫，陆佩玲，李仁强

1.北京林业大学林学院，北京 100083

2.中国科学院地理科学与资源研究所生态系统网络观测与模拟重点实验室，北京 100101

基于RS与GIS的长江三角洲生态环境脆弱性综合评价

徐庆勇1，2，黄玫2*，陆佩玲1，李仁强2

1.北京林业大学林学院，北京 100083

2.中国科学院地理科学与资源研究所生态系统网络观测与模拟重点实验室，北京 100101

使用空间主成分分析法构建评价指标体系，采用层次分析法确定指标权重，结合遥感数据与地理信息系统软件，对长江三角洲生态环境脆弱性进行了综合评价，并对脆弱性成因进行了分析.结果表明，长江三角洲生态环境极度和重度脆弱区主要分布在其中部的太湖流域和浙江中西部，占整个研究区的20.10%;轻度和中度脆弱区遍布于整个研究区，占55.25%;微度脆弱区主要分布在江苏北部和浙江东部，占24.65%.总体来看，长江三角洲大部分区域的生态环境属轻度和中度脆弱.影响长江三角洲生态环境脆弱性的自然因素有≥35℃日数、旱涝分布、海拔高度、归一化植被指数(NDVI)年累加值、景观多样性指数和土壤侵蚀强度;人为因素有人均耕地面积、人均水资源、人均废水排放量、人均废气排放量、化肥施用强度、土地利用变化、“三废”综合利用产品产值、人口密度和GDP.极度和重度脆弱区生态环境的主要特征是自然灾害发生频率大、资源匮乏、污染强度大、土壤侵蚀严重和生物多样性低.

生态环境;脆弱性;遥感;地理信息系统;长江三角洲

Abstract:The vulnerability of eco-environments in the Yangtze River Delta was assessed in an integrated manner with remote sensing data and geographic information system software combined with spatial principal component analysis.Evaluation index systems were generated，and an analytic hierarchy process(AHP)was used to determine evaluation factor weightings.The causes of vulnerability were analyzed.The results show that the Taihu Lake drainage basin and the western and the middle parts of Zhejiang Province，which are located in themiddle part of the Yangtze River Delta，are themost extremely and seriously vulnerable regions.These regions account for 20.10% of the whole study area.The lightly and moderately vulnerable areas were scattered throughout the entire study area，and accounted for 55.25%of the study area.The slightly vulnerable areas weremainly located in the north of Jiangsu Province and in the east of Zhejiang Province，and accounted for 24.65%of the study area.On the whole，the eco-environment in most areas of the Yangtze River Delta is lightly and moderately vulnerable.The natural factors which influence the eco-environmental vulnerability of the Yangtze River Delta are:days of temperature not less than 35℃，drought and flood frequency，elevation，yearly integrated NDVI，landscape diversity index，and soil erosion intensity.The human factors which influence the eco-environmental vulnerability are:per capita arable land area，per capita water resources，discharge of waste water per capita，per capita exhaust emissions，amount of chemical fertilizer， land use change， wasteutilization product value，population density，GDP，etc.The extremely and seriously vulnerable regions show the characteristics of high frequency of natural disasters，lack of resources，high pollution level，serious soil erosion and low biodiversity.

Keywords:eco-environmental;vulnerability;remote sensing;geographic information systems;Yangtze River Delta

随着全球变暖引起的生态环境退化的加剧，生态环境脆弱性研究日益引起学术界关注.有学者就生态环境脆弱性的内涵、类型、成因、表现、程度和分布等问题进行了深入研究，获得了大量研究成果［1-4］.在脆弱性评价方面，形成了模糊判定分析方法［5］、主成分分析法［6］和综合评价法［7］等系列评价方法.使用这些方法获得了岩溶山区［8］、喀斯特区域［9］、岷江上游流域［10］和吉林西部［11］等地区的生态环境脆弱性研究成果.刘燕华等［12-13］对生态环境脆弱性定量评价研究进行了比较全面的综述.早期的生态环境脆弱性评价多集中于指标体系的构建，因子权重的确定和评价模型的建立;研究单元多局限在县、市或其他行政单元.随着遥感(RS)数据与地理信息系统(GIS)软件的广泛应用，生态环境脆弱性研究可以在更大范围内更精细地进行，如 WANG等［6，14］把 RS与GIS相结合，分别以分辨率500 M和100 M的像元作为评价单元，评价了黄河流域和青藏高原的生态环境脆弱性，精细地反映出区域内的差异.从研究对象来看，过去的研究多集中于我国典型生态环境脆弱区，如西南岩溶山区、喀斯特区域、西北干旱半干旱和北方农牧交错带等，这些区域经济相对落后，以东部经济发达地区作为评价对象的研究目前还不多见.

长江三角洲作为举世瞩目的经济高速发展地区［15］，在我国经济生活中占有举足轻重的地位，已成为拉动我国经济增长的重要贡献区.长江三角洲对我国经济未来的走向乃至全球经济格局都将产生深远影响［16］.作为海、陆、气界面交接的敏感地区，长江三角洲是我国旱涝成灾较为严重的地区之一［17］;作为中国乃至世界最重要的经济核心区之一，在全球气候变暖的大背景下，随着工业化和城市化进程的加快，在高强度的人类活动影响和干预下，长江三角洲生态环境呈现出了脆弱性的特征，如洪涝威胁加重、地质灾害增加、酸雨频率高［18］、水土流失严重和生物多样性受到威胁［19］等.长江三角洲已成为我国新的生态环境脆弱带［20］，其生态环境脆弱性程度及发展趋势将影响区域的可持续发展.而生态环境脆弱性评价的目的是为了维持系统的持续发展，减轻外部胁迫对系统的不利影响和为退化系统的综合整治提供策略依据［12］，故在该区域进行生态环境脆弱性评价是非常必要的.然而，以往关于长江三角洲的研究，大都偏于经济结构调整、经济协作、区域规划及一体化、资源开发和环境污染治理等，鲜见对长江三角洲生态环境脆弱性的研究报道.

笔者尝试结合RS与GIS，以分辨率1 km的像元作为评价单元，用定量化的方法对长江三角洲生态环境脆弱性进行综合评价，以期为区域生态环境的治理和建设提供科学依据.

1 研究方法

1.1 研究区概况

研究区以2008年国务院常务会议审议并原则通过的《关于进一步推进长江三角洲地区改革开放和经济社会发展的指导意见》中确定的“两省一市”(即江苏省、浙江省和上海市)的区域范围为对象，介于 27°57′N ～35°20′N，116°18′E ～122°45′E之间;面积21.07×104km2，约占全国陆地面积的2%(见图1);人口1.38×108人(2008年)，约占全国人口总数的10%，是我国人口最稠密的地区之一.长江三角洲地区水网密布，河道纵横，湖泊众多.地形以平原和丘陵山地为主，平原约占陆域面积的47.7%，主要分布在江苏南部、浙江东北部和上海;丘陵山地约占40.8%，主要分布在江苏西南部和北部、浙江中部和西南部［21-25］.气候属北亚热带季风气候，寒暑变化显著、四季分明.水、热、光条件优越，土壤类型多样，质地优良，通透性好，养分充足，是我国著名的高产稳产区［26］.植被类型为常绿阔叶与落叶阔叶混交林.

1.2 数据收集

研究所用基础数据包括空间数据和属性数据.空间数据包括:2002年4月—2003年4月研究区归一化植被指数(NDVI)影像图及1985年土地利用栅格图，均由中国科学院资源环境科学数据中心提供;2005年土地利用栅格图、旱涝分布矢量图，2004年地区生产总值(GDP)、人口密度和海拔高度栅格图，均由国家科技基础条件平台建设项目——地球系统科学数据共享网(www.geodata. cn)提供.属性数据包括:1981—2000年气象台站的日均气温、日均降水量数据，均由国家气象局提供;景观多样性指数数据来源于1:1 000 000中国植被图［27］;土壤侵蚀强度数据来源于1∶15 000 000中国土壤侵蚀图［28］;人均耕地面积、人均水资源、人均废水排放量、人均废气排放量、人均固体废物产生量、化肥施用强度、人均“三废”综合利用产品产值和农民人均纯收入数据，均来自2003—2007年江苏、浙江和上海三省市的统计年鉴、环境状况公报、国民经济和社会发展统计公报.

图1 研究区位置Fig.1 The study area map

1.3 数据整理

首先需要将属性数据转化为空间数据.对于无X，Y坐标的属性数据，在ArcGIS中将属性数据信息输入研究区行政区划矢量图的属性表，实现属性数据的空间化;对于有X，Y坐标的属性数据，使用AddXYData方法实现空间化.再将矢量图转换成栅格图，栅格大小为1 000 m×1 000 m，使用统一的Krasovsky椭球体坐标和Albers投影.

土壤侵蚀强度数据通过对1∶15 000 000中国土壤侵蚀图的数字化得到;土地利用变化数据通过比较1985年与2005年的土地利用数据得到.

NDVI年累加值的大小表明植被冠层吸收的光合辐射的多少，能反映植被初级生产力的大小.参照文献［29］NDVI年累加值计算方法，计算了NDVI年累加值(AI)，计算公式:

式中，n为每年合成的NDVI影像图数量，幅;NDVIi为一年中第i幅NDVI影像图;Ti为一个波段天数(10 d).

景观多样性是生物多样性的重要组成部分.在较大的时空尺度上，景观多样性构成了其他层次生物多样性的背景，并制约着这些层次生物多样性的时空格局及其变化过程［30］.研究区的生物多样性状况用景观多样性指数(H)表示，计算公式［31］:

式中，Pi为景观类型i所占面积的比例，%;m为景观类型的数目，个.

1.4 指标体系构建方法

影响生态环境脆弱性的指标有很多，如果把所有指标都加以考虑，将会得到庞大的指标体系，且各指标间有很强的相关性，致使评价精度降低.主成分分析法是运用统计分析原理将原来众多具有一定相关性指标重新组合成一组新的相互无关的综合指标，而原指标所包含的大量信息仍能得到保持的一种统计方法［32］.空间主成分分析是在GIS软件的支持下，在ARC/INFO的GRID模块中使用PRINCOMP函数，通过将原始空间轴旋转，把相关的多变量空间数据转化为少数不相关的综合指标［33］.使用该方法对评价指标进行筛选.

1.5 评价指标的量化分级方法

根据各评价指标特征，采用3种分级方法:①根据数据的统计特征，采用聚类分析方法分级;②在综合考虑研究区的自然地理状况、资源环境现状和社会经济发展水平的基础上，参照国家或国际标准并结合聚类分析方法分级;③参照有关文献分级.

聚类分析(Cluster Analysis)是根据事物本身的特性研究分类问题的一种多元统计方法，其基本思想是根据样品或指标之间的距离或相似系数进行分类［32］.研究采用R-型聚类分析的最短距离法将指标分类，使用欧氏距离公式计算各指标两两数值间的距离，将距离较短的数值归为一类.这一计算过程使用社会科学统计软件包(SPSS)完成.

采用聚类分析方法分级的指标有≥35℃日数，海拔高度，NDVI年累加值，景观多样性指数，人均耕地面积，人均废水排放量，人均废气排放量，“三废”综合利用产品产值，人口密度和GDP.旱涝分布指标根据研究区旱涝发生频率分级:无旱涝区为第1级;少旱涝区为第2级;次多旱涝区为第3级;多旱涝区为第4级;严重旱涝区为第5级.人均水资源和化肥施用强度指标参照国际标准并结合聚类分析方法分级，国际公认缺水线为1 000 m3/人，化肥施用强度国际标准为＜25 g/m2.据此，人均水资源小于1 000的数值归为一类，大于1 000的数值用聚类分析方法分级，化肥施用强度小于25的数值归为一类，大于25的数值用聚类分析方法分级.土地利用变化指标根据土地利用变化的大小和方向分级:首先参照黄方等［33］的土地利用分级标准，把内陆水体、近海湿地、河湖滩地和沼泽地分为第1级;有林地分为第2级;中覆盖度草地、灌木林和疏林地分为第3级;低覆盖度草地、旱地、水浇地和水田分为第4级;城镇建设用地、农村聚落、裸岩和裸地分为第5级.然后，将两期土地利用数据进行比较，再分级:2005年较1985年土地利用级别低3级以上的像元定为土地利用变化1级(如土地利用级别由1985年的第5级变为2005年的第1或第2级，或者由1985年的第4级变为2005年的第1级);低1级或2级的像元定为土地利用变化2级;土地利用级别没有变化的定为第3级;2005年高1级或2级的像元定为土地利用变化4级;高3级以上的定为土地利用变化5级.土壤侵蚀强度指标依照文献［28］的分级方法并考虑研究区的实际状况得到:无明显侵蚀为第1级;微度侵蚀为第2级;轻度侵蚀为第3级;中度侵蚀为第4级;强度侵蚀为第5级.生态环境脆弱度随着划分等级的增加而增加.

1.6 脆弱性指数计算及脆弱度分类方法

参照文献［14］的脆弱生态环境定量评价方法，对研究区的每个像元计算脆弱性指数(EVI)，计算公式:式中，wi为评价指标的权重;fi为评价指标的等级.

评价指标权重(wi)通过层次分析法确定.层次分析法是一种定性与定量相结合的多目标决策分析方法，基本原理是:将一个复杂问题看成一个系统，根据系统内部因素之间的隶属关系，将一个复杂问题的各种要素转化为有条理的有序层次，并以同一层次的各种要素按照上一层要素为准则，构造判断矩阵，进行两两判断比较，计算出各要素的权重［34］，并进行一致性检验，当CR(随机一致性比率)＜0.1时，判断矩阵具有满意的一致性，否则就需要调整，直到达到满意的一致性为止.使用Excel软件作层次分析，计算了各评价指标的权重.

在GIS软件支持下，使用式(3)计算每个像元的EVI，得到EVI的空间分布图.采用自然断点法(Nature Breaks Classification)将EVI分成5类，分别为微度脆弱、轻度脆弱、中度脆弱、重度脆弱和极度脆弱5个脆弱性等级.自然断点法是一种根据数值统计分布规律分级和分类的统计方法，它能使类与类之间的不同最大化［6］.

2 结果与分析

2.1 长江三角洲生态环境脆弱性评价指标

在详细分析长江三角洲自然、经济、社会和环境状况的基础上，借鉴国内外脆弱性评价指标的内容，选择两大类(即自然成因和人为成因指标)共20个指标作为初选指标.这些指标是:≥10℃积温，≥35℃日数，日降水量，大暴雨日数，旱涝分布，海拔高度，NDVI年累加值，景观多样性指数，土壤侵蚀强度，人均耕地面积，化肥施用强度，土地利用变化，“三废”综合利用产品产值，人口密度，GDP和农民人均纯收入.评价指标的选取主要基于长江三角洲的生态环境问题和脆弱性特征，由于该区域旱涝灾害频发，故选取≥35℃日数、≥10℃积温、日降水量、大暴雨日数、旱涝分布和NDVI年累加值等指标反映这一生态环境问题.长江三角洲主要的地质灾害——地面沉降和地面裂缝，主要是由污染和过度开采地下水导致，酸雨频率高则主要是由污染导致，选取人均水资源、人均废水排放量、人均废气排放量、人均固体废物产生量、化肥施用强度、人口密度(人口密度与资源环境的压力正相关)和人均耕地面积等指标反映这2种生态环境问题.水土流失、海岸带蚀退和生物多样性受到威胁等生态环境问题，通过土壤侵蚀强度、海拔高度、景观多样性指数和土地利用变化指标来反映.“三废”综合利用产品产值，GDP和农民人均纯收入3项指标表明该区域的经济发展状况和对环保的投入.由于评价指标间具有相关性，通过主成分分析，把相关系数达0.9(含)以上的指标去掉一个，由此得到15个相互独立的指标，其中自然因素指标有≥35℃日数，旱涝分布，海拔高度，NDVI年累加值，景观多样性指数和土壤侵蚀强度;人为因素指标有人均耕地面积、人均水资源、人均废水排放量、人均废气排放量、化肥施用强度、土地利用变化、“三废”综合利用产品产值、人口密度和GDP.

2.2 评价指标的量化分级

根据上述量化分级方法，依参评因子对环境脆弱性的正向影响程度，将脆弱度从低到高分为5级并赋值:1～5分别为微度、轻度、中度、重度和极度脆弱(见表1).

表1 长江三角洲生态环境脆弱性评价指标量化分级Table 1 The classification of eco-environmental vulnerability factors in Yangtze River Delta

2.3 评价因子权重

使用层次分析法构造判断矩阵，并经过一致性检验，得到各评价因子权重(计算方法见文献［35］)，如表2所示.其中，旱涝分布指标权重最大，为0.196;其次为≥35℃日数和海拔高度指标，权重为0.138;GDP和景观多样性指数指标权重最小，为0.014.

2.4 生态环境脆弱性指数及脆弱度分类

由式(3)计算得到长江三角洲生态环境脆弱性指数的空间分布，整个区域脆弱性指数值在1.7～4.3之间，平均值为 2.828.根据自然断点法，将脆弱性指数分成 5类:1.7～＜2.5，2.5～＜2.9，2.9～＜3.3，3.3～＜3.7和3.7～4.3，分别代表微度、轻度、中度、重度和极度脆弱5个脆弱度等级.图2为长江三角洲生态环境脆弱度空间分布.由图2可以看出，长江三角洲生态环境脆弱性大体上呈现出中部重、南北部轻的特征.极度和重度脆弱区主要分布在太湖流域和浙江中西部;微度脆弱区主要分布在江苏北部和浙江东部;轻度和中度脆弱区遍布于整个研究区.

表2 评价指标的权重Table 2 The weights of evaluation factors

图2 长江三角洲生态环境脆弱度空间分布Fig.2 The spatial distribution of the eco-environmental vulnerability in Yangtze River Delta

研究区各脆弱度等级分布面积和所占比例如表3所示.轻度脆弱区(28.92%)和中度脆弱区(26.33%)占整个长江三角洲面积的一半多(55.25%)，微度、重度和极度脆弱区分别占24.65%，11.82%和8.28%，因此，总体来看，长江三角洲大部分区域的生态环境属轻度和中度脆弱.

表3 长江三角洲各等级脆弱度分布面积及所占比例Table 3 The total area and the proportion of different eco-environmental vulnerability level in Yangtze River Delta

2.5 脆弱性成因分析

自然因素是脆弱生态环境形成的内因，人为因素是外因，是触发性因子.属于极度或重度脆弱的太湖流域从自然因素看，脆弱性表现在:洪涝灾害发生频率大;NDVI年累加值低，小于90;景观多样性指数低，大部分地区小于 0.5.从人为因素看，太湖流域的脆弱性主要源于:①污染较严重.太湖流域废水、废气排放量均较多，5年平均废水排放量大于53.5 t/人，废气排放量大于3.6×104m3/人.由于污染水生动植物大量死亡，生物多样性下降，并且因水污染造成的水质型缺水问题已十分突出.②土地利用变化大.1985—2005年太湖流域大部分土地由湿地和林地变为低覆盖度草地和城镇建设用地，城镇建设用地增加，导致产生大量不透水层，致使产水量增加，大大降低流域的蓄水能力.③对资源的过度开发造成对环境的破坏.由于过度开采地下水，太湖流域人均水资源为整个研究区最少，5年平均少于1 000 m3/人，低于国际公认缺水线，对地下水的过度开采引发了地面沉降、地面裂缝等生态环境问题.

属于极度脆弱的浙江中西部，从自然因素看其脆弱性表现在:浙江中部为严重易旱区，高温日数多，20年平均≥35℃日数多于16.6 d.浙江西部为严重易涝区，洪涝灾害发生频率大;土壤侵蚀较严重，大部分地区为中度侵蚀.从人为因素看，随着经济的发展，浙江中西部工业污染较严重，浙江西部废水排放量最多，5年平均大于207 t/人;废气排放量也较多，5年平均 6.6×104～15×104m3/人;土地利用变化大，1985—2005年浙江中部大部分土地由林地、中覆盖度草地变为低覆盖度草地或旱地、水浇地，植被严重破坏，土壤侵蚀加重.

属于微度脆弱的江苏北部和浙江东部，从自然因素看，该地区极少发生旱涝灾害;极端高温日数少，20年平均≥35℃日数少于16.6 d;NDVI年累加值较高，大于120.从人为因素看，江苏北部和浙江东部废水废气排放均较少，5年平均废水排放少于53.5 t/人，废气少于3.6×104m3/人.浙江东部土地利用类型为有林地，水土流失少，土壤肥力高;人均水资源较多，5年平均大于1 200 m3/人.江苏北部大部分地区人均耕地面积较多，5年平均大于750 m2/人.

由以上分析可知，在自然因素和人为因素的叠加影响下，太湖流域和浙江中西部为极度或重度脆弱区.而江苏北部和浙江东部由于自然脆弱性较低，人为干扰相对较弱，故该区为微度脆弱区.

3 结论

a.在自然因素和人为因素的叠加影响下，长江三角洲生态环境脆弱性大体呈现出中部重、南北部轻的特征.

b.极度和重度脆弱区主要分布在中部的太湖流域以及浙江中西部地区，分别占整个研究区的8.28%和11.82%;轻度和中度脆弱区遍布于整个研究区，占55.25%;微度脆弱区主要分布在江苏北部和浙江东部，占24.65%.总体来看，长江三角洲大部分区域的生态环境属轻度和中度脆弱.

c.极度和重度脆弱区生态环境的主要特征是旱涝灾害发生频率大、资源匮乏、污染强度大、土壤侵蚀严重和生物多样性低.

4 讨论

根据长江三角洲生态环境脆弱性特征及不同脆弱度分布，对该区域生态环境保护的建议是:在极度和重度脆弱区，重点治理，大力建设.依靠对灾害防治、环境基础设施建设以及环保资金的高投入，降低旱涝灾害发生频率，减少人类活动对湿地的围垦和对林地的破坏，控制和治理污染，提高对工业“三废”和生活污水、生活垃圾的处理率和利用率，同时工程修复和生态修复相结合，减缓目前该区生态环境十分脆弱的态势.在中度和轻度脆弱区，生态环境形势不是十分严峻，但仍要高度重视生态环境保护和建设，减少人为干扰和破坏，防止生态环境向高一级脆弱类型转化.在微度脆弱区，生态环境较好，但仍不能忽视保护，坚持资源开发前的生态环境评价并做好保护规划，防止对生态环境造成破坏.

然而研究结果还具有一定的不确定性.这种不确定性一方面来源于属性数据的空间化，如气象数据、社会经济数据等是按行政区划分的，将这些属性数据转换为空间数据会对评价结果的精确性产生影响;另一方面，在评价指标选取、指标权重的确定等方面带有一定的主观性，会对评价结果的准确度产生影响.探索一种更加科学和完善的定量评价经济高度发达地区生态环境脆弱性的方法将是未来的研究内容.

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Integrated Assessm ent o f Eco-Environm enta l Vu lnerability in Yangtze River De lta Based on RS and G IS

XU Qing-yong1，2，HUANG Mei2，LU Pei-ling1，LIRen-qiang2

1.Beijing Forestry University，Beijing 100083，China

2.Key Laboratory of Ecosystem Network Observation and Modeling，Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research，Beijing 100101，China

X826

1001-6929(2011)01-0058-08